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1、第九章 振幅调制(调幅)与 解调 基础知识： 非线性及混频电路 本章主要内容 n9.1 概述 n9.2 标准调幅波的原理和特点 n9.3 低电平调幅电路 n9.4 高电平调幅电路 n9.5 单边带信号的特点和产生方法 n9.6 包络检波(非相干解调)电路 n9.7 同步检波(相干解调)原理 n9.8 残留边带调制解调简介 9.1 概述 n9.1.1 调制的作用 n9.1.2 调制的分类 n9.1.3 调幅与混频本质的一致性 n9.1.4 调幅波的分类 n9.1.5 调幅电路的分类 9.1.1 调制的作用 n调制的作用主要有2个 作用1：在无线通信中，为了便于信号发射（ 天线不能太长，而只有当天
2、线长度与波长相当 时才能将电磁波辐射出去），将低频短的原始 信息（如语音）调制到高频段； 作用2：提高信道的利用率 n通过频域复用（如一个空间可传多个电台） n通过先进的调制技术（如日益提高的上网速率） 同学们将在通信原理课程中详细学习 调制解调在无线通信系统中的 位置 9.1.2 调制的分类 n按调制信号来分 模拟(信号)调制（本课程涉及的主要是此类调制） 数字(信号)调制（通信原理将详细介绍） n按调制方法（载波表达式中携带信息的那个变 量）来分 振幅调制（利用载波的振幅变化携带信息） 频率调制（利用载波的频率变化携带信息） 相位调制（利用载波的相位变化携带信息） 统称为“角度调制”将在第
3、10章介绍 调幅、调频、调相的波形示 意 原始信息t t t t 调幅信号 调频信号 调相信号 9.1.3 调幅与混频本质的一致 性 n前面讲过，混频的作用在频域上看，是对 信号的频谱的搬移。 例如从天线上收到1000kHz的信号，用“超外差 ”接收机接收，会使用1000+465=1465kHz的本 振与之混频，将信号从1000kHz的高频段，搬 移至465kHz(差频)的中频段，以便于放大处理 在这里，由于差频肯定小于原高频信号，所以 起到了“向低处搬移频谱”的作用 9.1.3 调幅与混频本质的一致性（续） n反之，如果我们想让一个较低频率(通常小于 4kHz)的原始语音信息调制到高频(如1
4、000kHz),以 便天线发射，那么我们只要将频率为4kHz的语音 信息与996kHz的信号混频，输出端取和频（ 996+4=1000kHz），即达到了调制目的 n可见调制与混频使用的电路可以是完全一样的， 只是输入信号不同，以及输出滤波器的选择频率 不同罢了。 调幅与混频的比较 输入信号输出信号信号频谱 搬移效果 混频 振幅 调制 天线接收的高频信号 高频本振信号 差频 从高频中频 麦克风产生的低频信号 高频载波信号 和频 或差频 或二者 从低频高频 9.1.4 调幅波的分类 n标准调幅波 n抑制载波的双边带调幅波(DSB-SC) n单边带调幅波（SSB） n残留边带调幅波（VSB） 标准调
5、幅波（AM）频谱 原始信息频谱 和频 载波信号频谱 AM信号频谱 差频 包括三部分：载波、和频（上边频）、差频（下边频 ） 抑制载波的双边频调幅波(DSB- SC) 和频 AM 信号频谱 差频 仅包括两部分：和频（上边频）、差频（下边频 ） 由于纯载波不含任何信息,所以为了节省辐 射能量,可将纯载波抑制掉 标准AM就变成了DSB-SC信号 DSB-SC 单边带调幅波（SSB）频谱 上边频 DSB-SC信号频谱 下边频 所占频带比较宽,而且上下边频完全对称,所含信息完全一样 如果只留一个边频，则可节省一半频率资源 滤波器特征曲线 SSB 剩下的上（或下）边频信号称为单边带调制信号 需要注意的是单
6、边带的滤波器的中心频率不再是载波频率c 9.1.5 调幅电路的分类 n低电平调幅电路 平方律调幅器 斩波调幅器 模拟乘法器调幅 n高电平调幅（利用功放的在过压或欠压时 的特性曲线） 集电极调幅（过压状态下Vcm随VCC线形变化） 基极调幅（欠压状态下Vcm随VBB线形变化） 9.2 标准调幅波的原理和特 点 n标准调幅波的产生过程 t 原始信息(又称调制信号，如语音) 为了规范调制器输入信号振幅，通常会 再提高大小为V0（载波振幅）的直流分量 调制 信号 t 载波 如果让载波的振幅随调制信号改变（不 再恒为V0）就形成了标准调幅波信号 t 已调 信号 9.2.1 调幅指数（又称调幅度）的 概念
7、 例题9.1(2006年试题) t 调幅度变化时，已调波的变 化 t t 9.2.2 标准调幅波的频谱 调制信号 0 载波 调幅波 c + 上边频 c - 下边频 9.2.3 标准调幅波的功率关系 设它输出到一个电阻R上，则输出功率由三部分组成： 载波功率 上边频功率 下边频功率 例题9.2(2007年计算题) 求 （1）已调波的表达式； （2）各个频率分量的调制系数ma1,ma2 （3）边频功率（上下边频功率之和）与载波功率之比 例题9.2(解) 9.3 低电平调幅电路 n由于调幅与混频的本质是一致的，所以同 学们可以发现，调幅电路与混频电路有很 多相似之处，分为 平方律调幅及平衡调幅（对应
8、于平衡混频器） 斩波调幅（对应于环形混频器） 模拟乘法器调幅（对应于模拟乘法器混频器） 9.3.1 平方律调幅和平衡调 幅 n平方律调幅 + 平方律器件 y = a2x2+a1x+a0 根据第五章的知识，可知产生的频率分量有 B=2 2 0 2 0 从频谱可见平方律调幅 产生的是标准的调幅波 平衡调幅电路 平方律二极管 平方律二极管 R R i1 i2 + vout _ 积化 和差 B=2 从频谱可见平衡调幅产生的是抑制载 波的双边带的调幅波（DSB-SC） 9.3.2 斩波电路 n根据第5章知识，设计一个开关电路s(t)， 当载波信号正半周期s(t)=1; 当载波信号负半周期s(t)=0;
9、n则s(t)与v(t)的乘积中将含有差频与和频分 量； 由载波 控制的 开关电路 以载频 为中心的 滤波器 上下边频 由于开关电路的时断时续，此处波形呈“被斩断”的波形，故称斩波电路 开关函数的实现电路 二极管电桥斩波调幅电路二极管环形调幅电路 其原理见第5章，只不 过输入信号不同、最后 选择的频率不同而已 斩波调幅输出的调幅波类型 30- 3+0- 0+ 从频谱可见斩波调幅产生的也是 抑制载波的双边带的调幅波（DSB-SC） 作业 n教材398页 n习题9.5 n习题9.6 是有调幅作用的，请回答“为什么？” 9.3.3 模拟乘法器调幅 0- + 从频谱可见模拟乘法器调幅产生的也是 抑制载波
10、的双边带的调幅波（DSB-SC），甚至不用滤波器 抑制载波的双边带信号波形 特点 调制信号 载波信号 DSB-SC信号 9.4 高电平调幅电路 n集电极调幅 在学习功放的时候我们知道，过压状态下， Vcm变化空间非常有限（只能从(VCC-VCsat )至 VCC变化） ，可以认为约等于VCC，此时如果我 们让VCC是一个变量（随v变化而变化），则 输出信号振幅Vcm将随着VCC的变化而变化，从 而实现调幅的作用。 临界 过压区欠压区 集电极调幅示意图 临界 过压欠压 VCC v(t) VCC(t) Icm1(t) ic vCE VCC v(t) ic t 基频 成分 t vc(t) t vBE
11、max 虽然过压时输出电 流都有凹顶 但是其高度会随着VCC 的改变而改变 从而使得Icm1改变 进而使得Vcm改变 集电极调幅的优缺点 n优点：效率较高 n缺点：调制信号v未经放大就输出了，所以 一定要注入功率较大 基极调幅 n在学习功放的时候，我们也学过，如果只 改变Vbm时，且当攻放处于欠压时，Icm1会随 着Vbm的增长而线形增长。 临界 欠压区过压区 基极调幅电路 nVbm并不容易调整，但我们可以调整VBB，起 到调整输入电压的作用，从效果上与调整 Vbm是一样的 基极调幅示意图 ic vCE vBEmax 临界 过压欠压 VBB u(t) VBB(t) Icm1(t) vCE t
12、基频 成分 t ic t v(t) 基极调幅的优缺点 n优点： 调制信号v经过功放的放大再输出，因此不需 要很高的注入功率，对调制器的小型化有利； n缺点： 由于欠压状态下，功放的效率最低，因此基极 调幅的效率较低。 本节需要掌握的知识要点 n集电极调幅始终工作过压状态 n基极调幅始终工作欠压状态 n二者的优缺点 9.5 单边带信号的特点和产生 方法 n单边带信号的优缺点（重要） 优点 n节省功率、节省频带； 缺点 n需要相干解调（在下文中会解释问什么），成本较 高。 上边频 SSB信号频谱 单边带信号的产生方法 n主要有三个方法 滤波器法 相移法 修正的移相滤波法 方法一、滤波器法 n一次滤
13、波完成（理想情况） 平衡 （或乘法器） 调幅器 带通 滤波器 由于上下边频距离太近 除非采用理想矩形滤波 器才能“干干净净”地将 上边频或下边频滤出 方法一、滤波器法 n多次调制+滤波完成（低频时滤波器好设计 ） 经过多次调制+滤波后，上下边频间的距离被拉开了， 滤波器设计难度降低了，容易实现了 方法二、相移法 乘法器 调幅器 相位增加 90度 乘法器 调幅器 相位增加 90度 + 相移法的优缺点 n优点 不需要任何滤波器，因此即使上下边频距离很 近也没关系 n缺点 由于调制信号不是单一频率，所以对所有频率 分量都严格移相90度，实现起来很困难 方法三、修正的移相滤波法 乘法器 调幅器 由于振
14、幅不影响频率成分，为了清晰起见，将所有振幅都设为1 乘法器 调幅器 相位增加 90度 低通 滤波器 低通 滤波器 乘法器 调幅器 乘法器 调幅器 + 相位增加 90度 9.6 包络检波(非相干解调) 电路 n9.6.1基本电路和原理 从频域来理解原理 n二极管是一个非线性器件 n标准调幅波中有0和0+分量 n这两个频率分量经过非线性器件必然产生分量 n合理选择C的大小，使得对于左右范围的频率呈开路 ，对于0左右范围的频率呈短路，使得原始信息到 达R输出 VD R C + - ui 从时域来理解 + uD - + - uo id uD= ui- uo R i充 + - uo i放 + - ui
15、+ - ui VD R C ui + - C rd 当输入信号ui(t)为调幅波时，那么载波 正半周时二极管正向导通，输入高频电压 通过二极管对电容C充电，充电时间常数 为rdC。因为rdC较小，充电很快，电容上 电压建立的很快,输出电压uo(t) 很快增长 。 当uD= ui- uo0，二极管导通； 当uD= ui- uo V0(1-ma) UR 或 通常Cd取值较大(一般为510F)， 在Cd两端的直流电压UDC，大小近似等 于载波电压振幅 UDC经R和RL分压后在R上产生 的直流电压为： 由于UR对检波二极管VD来说 相当于一个反向偏置电压，会影 响二极管的工作状态。 在输入调幅波包络的负半周峰值处可能会低于UR , 显然，RL越小，UR分压值越大，底部切割失真越容易产生；另外， ma值越大，调幅波包络的振幅maV0越大，调幅波包络的负峰值V0 (1- ma)越小，底部切割失真也越易产生。 ui + - C RL R VD Cd +UDC - + - UR + u(t) - 要防止这种失真，必须要求调幅波 包络的负峰值V0(1-ma) 大于直流电压 UR。即 避免底部切割失真的条件为： 式中，R=RL/R为检波器输出 端的交流负载电阻，而R为直 流负载电阻。 （3）非线性失真 n二极管导通时的特性也不是理想的线性， 所以产生的低频成分
