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1、第5章 振幅调制、解调及混频,5.1 信号变换概述 5.2 振幅调制电路 5.3 振幅解调电路 5.4 混频电路 5.5 实训5：幅度调制与解调实验,5.1 信号变换概述,本书第2章与第3章分别介绍的小信号放大电路与功率放大电路均为线性放大电路。线性放大电路的特点是其输出信号与输入信号具有某种特定的线性关系。从时域上讲，输出信号波形与输入信号波形相同，只是在幅度上进行了放大;从频域上讲，输出信号的频率分量与输入信号的频率分量相同。然而，在通信系统和其他一些电子设备中，需要一些能实现频率变换的电路。这些电路的特点是其输出信号的频谱中产生了一些输入信号频谱中没有的频率分量，即发生了频率分量的变换，
2、故称为频率变换电路。,下一页,返回,5.1 信号变换概述,频率变换电路属于非线性电路，其频率变换功能应由非线性元器件产生。在高频电子线路里，常用的非线性元器件有非线性电阻性元器件和非线性电容性元器件。前者在电压一电流平面上具有非线性的伏安特性。如不考虑晶体管的电抗效应，它的输入特性、转移特性和输出特性均具有非线性的伏安特性，所以晶体管可视为非线性电阻性器件。后者在电荷一电压平面上具有非线性的库伏特性，如变容二极管就是一种常用的非线性电容性器件。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,虽然在线性放大电路里也使用了晶体管这一非线性器件，但是必须采取一些措施来尽量避免或消除它的非线性效应或频率
3、变换效应，而主要利用它的电流放大作用。例如，使小信号放大电路工作在晶体管非线性特性中的线性范围内，在丙类谐振功放中利用选频网络取出输入信号中的有用频率分量而滤除其他无用的频率分量等。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,5.1.1振幅调制调制，就是在发射端将要传送的信号“加载”到高频振荡信号上的过程。振幅调制是指用待传输的低频信号去控制高频载波信号的幅值，振幅调制简称调幅。根据调幅信号所含频谱及其相对大小的不同，调幅可分为普通调幅(AM )、双边带调幅(DSB)和单边带调幅( SSB)等几种不同的方式。其中普通调幅是基本的，其他调幅信号都是由它演变而来的。,下一页,返回,上一页,5.1
4、 信号变换概述,调制将涉及3个电压:(1)要传送的信号，该信号相对于载波属于低频信号，通常称之为调制信号。(2)高频振荡电压，通常称之为载波。(3)调制以后的电压，通常称之为已调波或调幅波。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,振幅调制电路有两个输入端和一个输出端，如图5一1所示。输入端有两个信号:一个是输入调制信号: ，它含有所需传输的信息;另一个是输入高频等幅信号，即载波信号: 。其中， ，为载波角频率;fc为载波频率。输出为已调波。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,1.普通调幅(AM)(1)普通调幅电路模型普通调幅信号是载波信号振幅按输入调制信号规律变化的一种振幅调制
5、信号，简称调幅信号。普通调幅电路的模型可由一个乘法器和一个加法器组成，如图5 -2所示。图中，Am是乘法器的乘积常数。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,(2)普通调幅信号的数学表达式输入单音调制信号:载波信号:且 ，根据普通调幅电路模型可得输出调幅电压,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,式中，AM是加法器的加权系数;Uom= AMUQUcm，是未经调制的输出载波电压振幅;ka = AMUcm，是由相乘器和输入载波电压振幅决定的比例常数。(5. 1) 式中， ，是调幅信号的调幅系数，称为调幅度。它表示调幅波受调制信号控制的程度。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,
6、(3)普通调幅信号的波形如图5 -3所示，载波为高频等幅、等频波，其频率远远高于调制信号的频率。调幅后，载波的频率不变，振幅随调制信号的大小变化。当调制信号达到最大值时，调幅波的振幅达到最大值，对应调制信号的最小值，调幅波的振幅最小。将调幅波的振幅连接起来，人们称之为“包络”，可以看到包络与调制信号的变化规律完全一致。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,是uo(t)的振幅，它反映调幅信号的包络线的变化。由图5 -3可见，在输入调制信号的一个周期内，调幅信号的最大振幅为Uommax=Uom(1+ma),最小振幅为 Uommin=Uom(1 - ma)。由上两式可解出(5. 2),下一页
7、,返回,上一页,5.1 信号变换概述,当ma= 1时，最小振幅等于零。当ma 1时，调幅波的波形如图5-4 (a)和(b)所示。这两种情况的包络均产生了严重的失真，人们称这两种情况为过调幅，这样的已调波解调后，将无法还原原来的调制信号。所以要求0ma1。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,(4)普通调幅信号的频谱结构和频谱宽度 将式(5. 1)用三角函数展开:(5. 3)当调制信号为单频信号时，已调波中含有3个频率成分: 载频 、上边频 、下边频 。其中载波分量的振幅值为Ucm、上下边频分量的振幅值为1/2ma Uom。由图5 -5可得，调幅信号的频谱宽度BWAM为调制信号频 谱宽度
8、的两倍，即BWAM =2F(5. 4),下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,(5)非余弦的周期信号调制假设调制信号为非余弦的周期信号(或称多频调制信号)，其傅里叶级数展开式为则输出调幅信号电压为(5. 5),下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,可以看到，uo( t)的频谱结构中，除载波分量外，还有由相乘器产生的上、下边频分量，其角频率为(c)、(c+2 ) 、(c nmax)。这些上、下边频分量是将调制信号频谱不失真地搬移到c两边，如图5 -6所示。形成上、下边带，但频带内各频率成分之间的相互关系并不发生改变。这种频谱单纯的搬移过程属于频率的线性变换。不难看出，调幅信号的频谱宽
9、度为调制信号频谱宽度的两倍，即BWAM =2Fmax (5. 6),下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,(6)功率分配关系将式(5. 1)所表示的调幅波电压加到电阻R的两端，则可分别得到载波功率为(5. 7)每个边频功率为(5. 8),下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,在调制信号的一个周期内，调幅波输出的平均总功率为(5. 9) 由表达式可见，总功率由边频功率及载波功率组成。 式(5. 9)表明调幅波的输出功率随ma增加而增加。当 ma =1时，有,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,被传送的信息包含在边频功率中，而载波功率是不含有要传送的信息的。当ma =1即最大时
10、，含有信息的边频功率只占总平均功率的1/3。事实上，调幅系数只有0. 3左右，则边频功率只占总平均功率的5%左右，而不含信息的载波功率占总平均功率的95%左右。而晶体管却要按Pmax进行选择。可见，这种普通调幅的功率利用率和晶体管的利用率都是极低的。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,2.双边带调制(D SB)和单边带调制(SSB )(1)双边带调制DSB调幅是在调幅电路中抑制掉载频，只输出上、下边频(边带)。双边带调制电路的模型如图5 -7所示。双边带调幅信号数学表达式为(5. 10),下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,由式(5. 10)可得双边带调幅信号的波形及频谱，如
11、图5 -8所示。根据式(5. 10)可得双边带调幅信号的频谱表达式为(5. 11)双边带信号的频谱宽度为BWDSB =2F (5. 12),下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,从以上分析可见，双边带调制与普通调幅信号的区别就在于其载波电压振幅不是在Uom上、下按调制信号规律变化。需要注意的是，双边带调幅信号其包络正比于 不再反映原调制信号的形状。在调制信号的负半周，已调波高频与载波反相。在调制信号的正半周，已调波高频与载波同相，即已调波在调制信号过零处有1800突变。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,(2)单边带调制单边带调制已成为频道特别拥挤的短波无线电通信中最主要的一种
12、调制方式。这种调制方式不仅可保持双边带调制波，具有节省发射功率的优点，而且还可将已调信号的频谱宽度压缩一半，即BWSSB =2F (5. 13),下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,其数学表达式只要将DSB调幅表达式(5. 11)中的一个边频去掉即可，为此外，其波形也大不同于前两种调幅。由数学模型可见，SSB调幅波的波形为等幅波，信息包含在相位中。单边带调幅的波形及频谱如图5 -9所示。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,单边带调制电路有两种实现模型。一种由乘法器和带通滤波器组成，如图5-10所示，称为滤波法。但该模型对边带滤波器的性能要求很高，因为双边带信号中，上、下边频的
13、频率间隔为2Fmin(一般约为几十Hz )，所以为了达到好的滤波效果，滤除一个边带而保留另一个边带，就要求边带滤波器具有相当陡峭的衰减特性。同时 ，故边带滤波器的相对带宽很窄，实现起来很困难。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,在实际应用中是适当降低第一次调制的载波频率，这就增大了边带滤波器的相对带宽，使得滤波器便于制作，然后再经过多次调幅和滤波逐步把载频提高到要求的数值，如图5一11所示。通过带通滤波器滤除DSB信号中的一个边带，带通滤波器，目前常用的带通滤波器有机械滤波器、就可以获得SSB信号。滤波法的关键是石英晶体滤波器和陶瓷滤波器。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述
14、,另一种单边带调制电路是由移相器和乘法器等组成，如图5 -12所示，称为移相法。移相法的关键是移相器，要求精确移相90且幅频特性为常数。对于单频调制信号，采用移相法比较适宜。而对于多频调制信号采用移相法不可行，因为保证每个频率分量都准确相移90 是很困难的。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,5.1.2振幅解调解调与调制过程相反，从高频调幅信号中取出原调制信号的过程，称为振幅解调，也称振幅检波，简称检波。在频域上，振幅检波电路的作用就是将振幅调制信号频谱不失真地搬回到零频率附近。因此对于同步检波来说，检波电路模型可由一个乘法器和一个低通滤波器组成，如图5一13所示。图中，us(t)为
15、输入振幅调制信号， ur(t)输入同步信号， uo(t)为解调后输出的调制信号。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,图5-13中， ur(t)为一等幅余弦波，其与调幅波的载频同频同相，故把它称为同步信号，把这种检波电路称为同步检波电路。设输入的调幅波信号us(t)为一单边带调幅信号，载频为c，其频谱如图5一14所示。us(t)与ur(t)经相乘器后， us(t)的频谱被搬移到c的两边，一边搬到2 c上，它是无用的寄生分量，另一边搬到零频率上。而后用低通滤波器将无用的寄生分量滤除，即可取出所需的解调电压。可见，在频域上，振幅检波电路的作用就是将振幅调制信号频谱不失真地搬回到零频率附近。,下一页,返回,上一页,5.1 信号变换概述,同步检波电路对于DSB , S SB和AM调幅信号都可进行解调。但AM调幅信号的解调通常采用包络检波电路更简便。有关包络检波电路工作原理将在后面叙述。,
