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1、第5章 振幅调制与解调 5.1 调制的分类 5.2 调幅信号 5.3 振幅调制原理 5.4 振幅解调原理 5.5 集成器件与应用电路举例 第5章 振幅调制与解调 第5章 振幅调制与解调 5.1 调 制 的 分 类 根据调制信号和载波的不同， 调制分为 连续波模拟调制和脉冲调制。 连续波模拟调制又分为 振幅调制 频率调制 相位调制 第5章 振幅调制与解调 载波信号： uc=Ucm cosct 调制信号：u=Um cos t 其中： Ucm是载波振幅，c是载波频率， j是载波相位； 用u改变Ucm， 生成振幅随u线性变化的已调波， 这种调 制称为振幅调制， 简称调幅， 记为AM 用u改变c， 生成
2、频率随u线性变化的已调波， 这种调制 称为频率调制， 简称调频， 记为FM； 用u改变j ， 产生相位随u线性变化的已调波， 这种调 制称为相位调制， 简称调相， 记为PM。 第5章 振幅调制与解调 (a) 调幅信号； (b)调频信号； (c) 调相信号 第5章 振幅调制与解调 图2 振幅调制和解调的线性频谱搬移 第5章 振幅调制与解调 5.2 调幅信号 振幅摸拟调制通常分为三种基本方式： (1). 普通的调幅方式（AM）； (2). 抑制载波的双边带调制方式（DSB）； (3). 抑制载波的单边带调制方式（SSB）。 载波经相应振幅调制后的已调信号分别称为普通 调幅信号(AM波) 、双边带信
3、号(DSB波)和单边带信号 (SSB波)。 第5章 振幅调制与解调 设载波电压为 uC=UCmcosCt = UCmcos2fC t 若调制信号为一般多频信号，则可表示为 式中，| f(t) |1，| an |和 Cnmax。 第5章 振幅调制与解调 5.2.1 普通调幅波(AM波) 1. 表示式 其中幅度函数 (包络函数）： Um (t) =Um0+U(t)=Um0+ku =Um0+kUmcost =Usm (1+macost) 由此可得AM波标准式为：Usm=Ucm uAM = Usm (1+macost) cosCt 式中，k为比例常数，ma为调幅度，即 对单频调制信号 uAM=Ucm
4、(t) cosCt 第5章 振幅调制与解调 可见，已调波的载波峰值点 按调制信号规律变化，即调制信 号已被寄载于已调波的幅度上。 2. 波形 Umax= Usm (1 + ma) Umin = Usm (1 - ma) 由此可得 uAM = UCm (1+macost) cosCt t uAM 0 第5章 振幅调制与解调 3. 频谱和带宽 带宽BAM=2 下边频 上边频 可见，AM调制将调制信号的频谱从低频搬移到载频 的两侧，且频带展宽了一倍。 第5章 振幅调制与解调 4. 能量分配 根据帕塞瓦尔公式，已调波uAM在单位电阻上消耗的 平均功率Pav应当等于载波功率PC和边频功率PSB之和，即
5、第5章 振幅调制与解调 可见，当 ma=1时，含有信息的边频功率仅占总功率 的1/3，不含有信息的载波功率却占总功率的2/3。且随 ma 的减小，边频功率所占的比例将会进一步减小。因此， AM调制方式的能量利用率低。 第5章 振幅调制与解调 可见，实现AM调制必须要用乘法电路。 5.实现AM调制的模型 第5章 振幅调制与解调 6. 对一般多频调制信号 uAM = Usm1+ma f(t) cosCt 上边带下边带 带宽BAM=2max 第5章 振幅调制与解调 综上所述，AM调制具有以下特点： (1).调制信号的信息全部反映在载波的幅度上； (2).调制信号的频谱从低频搬移到高频，并对称地 分布
6、在载波的两侧； (3). 带宽展宽为调制信号带宽的两倍，而相对带宽 接近1； (4). 能量利用率低。 第5章 振幅调制与解调 1. 表示式 uDSB=KM u uC 式中KM为比例常数，单位为1/ V。 对单频调制信号 uDSB = Usmcost cosC t 对一般多频调制信号 uDSB = Usm f (t) cosCt 5.1.2 双边带调制波（DSB波） 第5章 振幅调制与解调 载波倒相载波倒相 3. 频谱及带宽 2. 波形 带宽BDSB=2 0o 180o0o180o 第5章 振幅调制与解调 载波倒相带宽B=2Fmax 对一般多频调制信号 第5章 振幅调制与解调 4.实现DSB调
7、制模型 综上所述， DSB调制波具有以下特点： (1). 调制信号的信息反映在载波的幅度和相位上， 即载波幅度反映调制信号的变化规律，而相位反映调 制电压的极性。 (2). 除载波被抑制外，频谱和带宽与AM调制相同。 (3). 由于抑制了不含信息的载波，能量利用率高。 第5章 振幅调制与解调 5.1.3 单边带调制波 (SSB波) 为了节省带宽，只传送双边带调制波中一个边带的 调制方式，称为单边带调制。其中，只传送上边带信号 的叫上边带调制；只传送下边带信号的叫下边带调制。 1. 表示式 对单一频率的调制信号， uSSB=Usmcos(C+)t 上边带调制波 uSSB=Usmcos(C-)t
8、下边带调制波 第5章 振幅调制与解调 2. 波形、频谱和带宽 带宽= 或 uSSB=Usmcos(C+)tuSSB=Usmcos(C-)t 第5章 振幅调制与解调 设双音调制信号为 其DSB调制信号为 取上边带的SSB信号为 利用积化和差得 第5章 振幅调制与解调 对一般多频调制信号 下边带调制波 上边带调制波 第5章 振幅调制与解调 BSSB = max 频谱和带宽 下边带调制 上边带调制 第5章 振幅调制与解调 可见： (1). 单边带调制信号的幅度和频率都随调制信号变 化。虽然，单边带信号的包络不再反映调制信号的变 化规律，但与调制信号幅度的包络形状相同。其频率 的偏移量反映调制信号的频
9、率。即调制信号的频率信 息寄载到已调波的载波频率中。 (2). 节省带宽和能量。 第5章 振幅调制与解调 3. 单边带信号的产生方法 (1). 滤波法 第5章 振幅调制与解调 (2). 相移法 第5章 振幅调制与解调 5.2.4 残留边带调制 (VSB) 第5章 振幅调制与解调 根据上述分析，可得以下重要结论： (1). 在频域，振幅调制是在将调制信号的频谱不 失真地从低频搬移到载频的两侧或一侧； (2). 由傅立叶变换的频移定理，振幅调制必须用 具有相乘功能的电路来实现； (3). 三种已调波不是孤立的，在一定条件下可以 相互演变。为节省能量，抑制AM波的载频，可得DSB 波；进一步节省带宽
10、，除去DSB波中的一个边带，即 为SSB波。 第5章 振幅调制与解调 作业 5-1，5-2: (1), (2) , 5-3:(1), 5-4 第5章 振幅调制与解调 例 题 一. 已知某已调波的频谱如图所示。试问： 1. 该已调波为何种调幅波； 2.写出该已调波的标准表示式； 3.按比例画出该已调波的波形。 二.已知调制波: u(t) =5sin3103t .cos5105t + 2cos5103t .cos5105t V 1.试问该已调波为何种调幅波? 2. 写出调制信号的数学表示式； 3. 画出其频谱图，并确定带宽。 第5章 振幅调制与解调 maUsm 一. 第5章 振幅调制与解调 二.已
11、知已调波: u(t) =5sin3103t .cos5105t + 2cos5103t .cos5105t V 1.试问该已调波为何种调幅波? 2. 写出调制信号的数学表示式； 3. 画出该调幅波的频谱，并确定其带宽。 解：1. 该已调波为双音调制的DSB波。 2. 3. 利用积化和差公式u(t) 可表示为 第5章 振幅调制与解调 2.5V2.5V 1V1V 频谱图： 带宽 第5章 振幅调制与解调 5.3 振幅调制原理 5.3.1 非线性器件实现调幅原理 设非线性器件的输入或转移特性为 i = f (u) 在输入端加偏置电压 EQ和两个信号电压 u1 、 u2。 则 i =f (u)=f (E
12、Q+u1 + u2) 第5章 振幅调制与解调 将特性函数在EQ处用台劳级数展开，即 其中，a0，a1，a2，a3,为各阶项的系数，即 i = f (u) = f (EQ+u1 + u2) 是直流偏置电压EQ的函数。 第5章 振幅调制与解调 分析各项知，其中第3项 设 u1=U1mcos1t，u2=U2mcos2t，且12 。则 2a2u1u2 =2a2U1mU2mcos1tcos2t =a2U1mU2m cos (1-2)t+cos (1+2 )t 即产生出有用频率 12 使响应电流中出现了两个电压的相乘项2a2u1u2。 与此同时也出现了由高次方项产生的众多无用乘积 项，并会对有用相乘项的结
13、果形成干扰。现分析如下: 第5章 振幅调制与解调 一次项及其它乘积项产生的频率分量有： 一次项： 1和2 二次项： 21 ，22 和 三次项：1 ， 2，212， 122 ，31和32 可见，响应电流中有众多组合频率分量，可用通式表 示为 pq= |p1q2| (p，q = 0,1,2,3, ) 其中，除 p =1，q =1的分量外，其它组合分量均来自无 用乘积项。其规律为： 12 第5章 振幅调制与解调 1. 凡是 p+q 为偶数的组合频率分量，都是由级数中n 为偶数且大于或等于p+q的各次方项产生； 例如，对于12的频率分量，因p+q=1+1=2为偶数 ，所以是由级数中的2 、4 、6 .
14、 . . 等各偶次方项产生。而 对于122的频率分量，因p+q=1+2=3为奇数，所以是由 级数中的3 、5、7 . . . 等各奇次方项产生。 pq= |p1q2| (p，q = 0,1,2,3, ) 2. 凡是 p+q 为奇数的组合频率分量，都是由级数中n 为奇数且大于或等于p+q的各次方项产生； 3. 各组合频率分量的强度会随p+q的增大而减弱。 第5章 振幅调制与解调 综上所述，为了实现满足调幅要求的乘法运算， 必须设法减少无用相乘项，尤其是那些产生失真分量 的相乘项。为此，实际中通常采取以下措施： (1). 选用平方律特性的器件； (3). 采用线性时变电路。合理设置输入信号的大小
15、，使器件工作在受大信号控制下的时变状态，以便更有 效地消除或减弱失真分量。 (2). 采用平衡电路。合理设计输入信号的极性，采 用对称电路结构来抵消无用和失真频率分量； 下面我们举个例子理解下非线性电路调幅： 第5章 振幅调制与解调 晶体管放大器调幅 (a) 原理电路； (b) 晶体管的转移特性 例 晶体管放大器调幅 第5章 振幅调制与解调 放大状态下， 所示的晶体管的非线性转移特性在Q附近可以表 达为一个非线性函数： 以UBB为uBE变化的中心值， 将f(uBE)展开成泰勒级数 第5章 振幅调制与解调 为了便于分析， 同时保留iC和uBE的非线性关系， 对以上泰 勒级数近似只保留前三项， 得到： 第5章 振幅调制与解调 此时，iC的时域表达式中出现了u和uc相乘的项2a2uuc。 借 助于转移特性曲线， iC的波形可以从uBE的波形经过几何投影 得到， 如图所示。 第5章 振幅调制与解调 将u=Um cost 和 uc=Ucmcosct 代入式 第5章 振幅调制与解调 iC的频谱 第5章 振幅调制与解调 用LC并联谐振回路作为带通滤波器，使中心频率0=c， 如果滤波器带宽等于信号带宽， 即BWBPF = 2， 谐振电 阻为Re，则
