振幅调制与解调.docx

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振幅调制与解调

-振幅调制与解调

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9振幅调制与解调

9.1.1概述

为什么要调制？

◆信号不调制进行发射天线太长，无法架设。

◆信号不调制进行传播会相互干扰，无法接收。

调制的必要性：

可实现有效地发射，可实现有选择地接收。

调制按载波的不同可分为脉冲调制、正弦调制和对光波进行的光强度调制等。

按调制信号的形式可以分为模拟调制和数字调制。

调制信号为模拟信号的称为模拟调制，调制信号为数字信号的称为数字调制。

正弦波调制有幅度调制AM、频率调制FM和相位调制PM三种基本方式，后两者合称为角度调制。

调制是一种非线性过程。

载波被调制后将产生新的频率分量，通常它们分布在载波频率的两边，并占有一定的频带。

几个基本概念：

⒈载波：

高频振荡波；⒉载频：

载波的频率

⒊调制：

将低频信号“装载”在载波上的过程。

即用低频信号去控制高频振荡波的某个参数，使高频信号具有低频信号的特征的过程；

⒋已调波：

经调制后的高频振荡波；

⒌解调：

从已调信号中取出原来的信息；⒍调制信号：

低频信号（需传送的信息）。

♦模拟调制有以正弦波为载波的幅度调制和角度调制。

♦幅度调制，调制后的信号频谱和基带信号频谱之间保持线性平移关系，称为线性幅度调制。

（振幅调制、解调、混频）

♦角度调制中，频谱搬移时没有线性对应关系，称为非线性角度调制。

（频率调制与解调电路）

⒈什么是调幅？

定义：

载波的振幅值随调制信号的大小作线性变化，称为振幅调制，简称调幅（AM）实现调幅的方法有：

低电平调幅和高电平调幅。

◆低电平调幅：

调制过程是在低电平进行，因而需要的调制功率比较小。

有以下两种：

1.平方律调幅：

利用电子器件的伏安特性曲线平方律部分的非线性作用进行调幅。

2.斩波调幅：

将所要传输的音频信号按照载波频率来斩波，然后通过中心频率等于载波频率的带通滤波器，取出调幅成分。

◆高电平调幅：

调制过程是在低电平进行，

通常在丙内放大器中进行。

1.低集电极（阳极）调幅；2.基极（控制栅极）调幅：

图0普通调幅电路模型

♦普通调幅（AM）：

含载频、上、下边带

♦双边带调幅（DSB）：

不含载频

♦单边带调幅（SSB）：

只含一个边带

♦残留单边带调幅（VSB）：

含载频、一个边带

9.1.2检波简述

检波过程是一个解调过程，它与调制过程正相反。

检波器的作用是从振幅受调制的高频信号中还原出原调制的信号。

还原所得的信号与高频调幅信号的包络变化规律一致，故又称为包络检波器。

由频谱来看，检波就是将调幅信号频谱由高频搬移到低频，如图9.1.2所示（此图为单音频调制的情况）。

检波过程也是要应用非线性器件进行频率变换，首先产生许多新频率，然后通过滤波器，滤除无用频率分量，取出所需要的原调制信号。

图9.1.1检波器的输入输出波形

图9.1.2检波前后的频谱图9.1.3检波器的组成部分

综上，一个检波器需由三个重要部分组成1）高频信号输入电路。

2）非线性器件。

通常用二极管或晶体管工作于非线性状态。

3）低通滤波器。

通常用RC电路，取出原调制频率分量，滤除高频分量。

9.2调幅波的性质

9.2.1调幅波的数学表达式与频谱

调制信号为：

；载波为：

，那么在理想情况下，已调波的振幅为：

，是比例系数。

因此，已调波可以用以下式子表示：

，（式9.2.3）

其中，叫做调幅指数或者调幅度，通常用百分比表示。

ma的数值在0到1之间，其绝对值应该不超过1，如果ma>1，那么，已调波的包络会产生严重失真。

这样的已调波检波以后，不能够恢复到原来的信号。

因此，过量调幅应尽量避免。

图9.2.1（a）调制信号（b）载波信号（c）调幅波形---调幅波的形成（正弦调制）

将式9.2.3展开为：

，

式（9.2.5）说明，由正弦波调制的调幅波是由三个不同频率的正弦波组成的：

第一项为未调幅的载波；第二项的额率等于载波频率与调制频率之和，叫做上边频（高旁频）：

第三项的频率等于载波频率与调制频率之差，叫做下边频（低旁额）。

后两个频率显然是由于调制产生的新频率。

把这三组正弦波的相对振幅与频率的关系画出来，就得到如图9.2.4所示的频谱图。

由于ma的最大值只能等于l，因此边频振幅的最大值不能超过载波振幅的二分之一。

图9.2.4正弦调制的调幅波频谱

以上讨论的是一个单音信号对载波进行调幅的最简单情形，这时只产生两个边频。

实际上，通常的调制信号是比较复杂的，含有许多频率，因此由它历产生的调幅彼中的上边频和下边频都不再只是一个，而是许多个，组成了所谓上边频带与下边频带。

调幅波的两个边带的频谱分布对载波是对称的，可分别用（0.5g（w0+）与（0.5g（w0-）来表示。

由图显然可知，调幅过程实际上是一种频率搬移过程。

经过调制后，调制信号的频谱被搬移到载频附近，成为上边带与下边带。

9.2.2调幅波中的功率关系

如果将式（9.2.5）所代表的调幅波电源输送功率至电阻R上，则载波与两个边频将分别给出如下的功率：

◆载波功率

◆下边频功率◆下边频功率

◆调幅波的平均输出总功率（一周期内）为：

，

在没有调幅时，ma＝0，Po＝P0T；在100％调幅时，ma＝1，Po＝0.5P0T，因此，调幅波的功率随着ma的增大而增大，其所增加的部分只是两个边频所产生的功率0.5maP0T2。

由于信号包含在边频带内，应该尽量提高ma的值，以增强边带功率，提高信号的传输能力。

但在实际传送语言或音乐时，平均调幅度往往是很小的。

假如声音最强时，能使ma达到100％，那么声音员弱时，ma就可能比10％还要小。

因此．平均调幅度大约只有20％一30％o这样，发射机的实际有用倍号功率就很小，因而整机效率低。

这可以说是调幅制本身所固有的缺点。

9.3平方律调幅

9.3.1工作原理

要进行平方律调制，必须利用电子器件的非线性特性。

半导体器件与电子管等都是可以用作进行调幅的非线性器件。

图9.3.1表示非线性调制的方框图。

将调制信号v与载波信号v相加后，同时加入非线性器件，然后通过中心频率为w0的带通滤波器取出输出电压v0中的调幅被成分v（t）。

图9.3.1非线性调幅方框图

设非线性器件为二极管，特性为：

，

其中，

◆线性项（系数为a1）不产生新频率，只是再现原有频率w0与；

◆平方项（系数为a2）产生直流增量、（w0+）、（w0-）、2w0与2等项．

其中（（w0+）、（w0-））项为预期获得的调幅波边频。

结论：

◆调幅度ma的大小由调制信号电压振幅及调制器的特性曲线所决定，

即由a1、a2所决定。

◆通常a2

为了使电子器件工作于平方律部分，电子管或晶体管应工作于甲类非线性状态，

因此效率不高。

所以，这种调幅方法主要用于低电平调制。

此外，它还可以组成平衡调幅器，以抑除载波。

9.3.2平衡调幅器

将两个平方律调幅器按照图9.3.2的对称形式连接，就构成平衡调幅器。

这里是用二扳管的平方律特性进行调幅的。

平衡调幅器的输出电压只有两个上、下边带，没有载波。

亦即平衡调幅器的输出是载波被抑止的双边带。

由图知：

图9.3.2串联双二极管平衡调幅器简化电路

，带入可以求得：

显然可知，输出中没有载波分量，只有上下边带与调制信号频率（可用滤波器滤掉），亦即平衡调幅器的输出是载波校抑止的双边带（以DSB-SC表示）。

以上是假设所有的二极管（或三极管）的特性都相同，电路完全对称。

这样，输出中才能将载波完全抑止。

事实上，电子器件的特性不可能完全相同，所用的变压器也难于做到完全对称。

这就会有载波漏到输出中去，形成载漏（carrierleak）。

因此，电路中要加平衡装置，以使载漏减至最小。

9.4斩波调幅

所谓斩波调幅就是将所要传送的信号通过一个受载波频率wo控制的开关电路（斩波电路），以使它的输出波形被“斩”成周期为的脉冲，因而包含只及各种谐波分量等。

再通过中心频率为wo的带通滤波器，取出所需要的调幅波输出vo（t）。

如图9.4.1。

图9.4.1斩波调幅器方框图图9.4.3平衡斩波调幅器方框图

，S1（t）是振幅为1，重复周期是的矩形波。

斩波后，v（t）＝S1（t）

S1（t）的傅立叶级数展开为：

S1（t）＝

即

如果，，则其中包含了等项，通过中心频率为w0的带同滤波器后，即取出了项，即是输出是载波被抑制的双边带输出。

图9.4.2斩波调幅器工作图解

用对称的开关得到的平衡斩波调幅图9.4.3如下：

，

傅立叶级数为：

S2（t）＝

平衡斩波调幅没有低频分量，而且高频分量的振幅也提高了一倍。

经过中心频率为w0的带通滤波器后，同样得到的双边带输出。

9.4.3平衡斩波调幅及图解

9.4.2实现斩波调幅的两种电路

以上所讨论的开关电路可以由二极管组成。

图9.4.4所示的电桥电路即可起到图9.4.l中的开关电路作用。

图中，。

V1m应取得足够大，以使二极管的通断完全由V1（t）控制，即

当va＞vb时，四个二极管导通，使输出电压v（t）等于零；

当vavb时，四个二极管截止，使v（t）＝。

因此v（t）的波形如图9.4.2（c）所示，亦即实现了调幅。

图9.4.4二极管电桥斩波调幅电路图9.4.5二极管环形斩波调幅电路

也可以将四个二极管接成如图9.4.5所示的环形调幅电路。

这四个二极管的导通与截止也完全由载波电压v1（t）决定。

例如，当a端为正，b端为负时，D1与D3导通，D2与D4截止；当a端为负，b端为正时，则D1与D3截止，D2与D4导通。

这里的D1，D2，D3，D4起到了图9.4.3（a）所示电路中的双刀双掷开关作用，因此输出电压v（t）的波形如图9.4.3（d），亦即实现了调幅。

为了保证以上两种电路中的导通与截止都由载波电压v1（t）决定，就要求它的振幅Vlm足够大。

通常要求Vlm比调制信号峰值电压大10倍以上。

电桥电路或环形电路过去常用氧化亚铜或晶体二极管制成，现在也可以做成集成电路。

这种调幅电路的优点是维护简易、稳定、寿命长；缺点是功率小，不适用于大功率电路。

9.5模拟乘法器调幅（自学，不考试）

9.6单边带信号的产生

在9.2已知，调幅波所传送的信息是包含在两个边带内的，载波本身不包含侵何信息。

因此可以将载波抑止，并进一步再抑止一个边带，只让另一个边带发送出去。

这样，仍具有传递信息的功能。

这就是所谓单边带发送。

单边带制在载波电话和短波通信中占有重要的地位，获得了广泛应用。

调幅波所占的频谱宽度等于上下边带所占频宽之和。

因此在采用单边带制后，频带可节约一半。

这对于田益拥挤的短波波段（3—30MHz）来说，有着极重大的现实意义。

因为这样就能在同一波段内，使所容纳的频道数目增加一倍，大大提高了短波波段的利用率。

这是单边带制的主要优点。

其次调幅波中．载波功率占整个调幅波功率的绝大部分，但它并不包含所要传递的信息；单边带制则只传送携带信息的一个边带功率。

因而在接收端获得同样的信噪比时，单边带制能大大节省发送的功率。

如果调幅发射机与单边带发射机的末级管子相同，且都充分利用，则单边带制接收端的信噪比提高，或在同样倍噪比的条件下，通信距离增加。

即是单边带制能获得更好的通信效果。

单边带制的选择性衰落现象要轻得多。

单边带制除了有上述优点外，也有缺点．主要是接收端必须先恢复原来失去的载波，才能检出原来的信号。

因而要求收、发设备的频率稳定度高，使整个设备复杂，技术要求高。

9.6.2产生单边带信号的方法

平衡调幅器、差分对振幅调制器、斩波调幅电路（桥形、环形）等，都可以获得载波被抑止的双边带。

在这一基础