振幅调制与解调分解.pptx

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1、2013.教学目标及要求1、熟练掌握调幅波的性质；2、正确理解实现调幅的基本原理；3、熟悉二极管调幅电路、集成模拟乘法器调幅电路、高电平调幅电路；4、掌握包络检波的工作原理；5、了解同步检波的工作原理。第1页/共89页2013.7.1 概述7.1-1 振幅调制简述调制的概念：在传送信号的一方（发送端）将所要传送的信号（它的频率一般是较低的）“附加”在高频振荡上，再由天线发射出去。为什么要调制？1）信号不调制进行发射天线太长，无法架设；2）元件参数范围变化大，这很难做到；3）信号不调制进行传播会相互干扰，无法接收。第2页/共89页2013.三、调制的分类连续波调制连续波调制调幅调幅AM线性幅度调

2、制线性幅度调制调频调频FM非线性角度调制非线性角度调制调相调相PM脉冲波调制脉冲波调制脉冲宽度、脉冲振幅、脉冲脉冲宽度、脉冲振幅、脉冲相位相位二次调制（先用基带二次调制（先用基带信号控制脉冲的振幅、信号控制脉冲的振幅、宽度、位置等，在用宽度、位置等，在用已调脉冲对载波进行已调脉冲对载波进行调制）调制）脉冲编码调制脉冲编码调制PCM不同调制方式的比较：抗干扰性；实现调制的简便程度；已调波信号所占的频带宽度；电子器件的效率与输出功率；保真度第3页/共89页2013.载波：高频振荡波 载频：载波的频率 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

3、信号的特征的过程。已调波：经调制后的高频振荡波。解调：从已调信号中取出原来的信息。调制信号：低频信号（需传送的信息）。四、几个基本概念第4页/共89页2013.1)低电平调幅 调制过程是在低电平级进行的，因而需要的调制功率小。属于这种类型的调制方法有：(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 将所要传送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滤波，取出调幅成分。2)高电平调幅 调制过程在高电平进行，通常是在丙类放大器中进行调制。(1)集电极（阳极）调幅(2)基极（控制栅极）调幅 五、实现调幅的方法第5页/共89页2

4、013.按解调方法分有包络检波和同步检波。包络检波是指检波器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方法。这种方法只适用于AM波。同步检波是本地载波和发送载波必须保持同频同相，即完全同步的检波方法。它对于AM、DSB、SSB、VSB都适用，但解调AM信号比包络检波复杂，所以很少采用。7.1-2 检波简述第6页/共89页2013.第7页/共89页2013.7.2 调幅波的性质调制信号载波调幅波单频调制第8页/共89页2013.多频调制第9页/共89页2013.7.2-1 调幅波的数学表达式与频谱单音频调幅波设调制信号为：设载波信号为：则已调波的振幅为：因此已调波的表达式为：第10页/共89页201

5、3.第11页/共89页2013.第12页/共89页2013.单频调幅的频谱频率成分有：载波、上边频、下边频第13页/共89页2013.多频调幅波的表达式和频谱设调制信号为：则调幅波方程为：频率成分有：上边带、下边带、载频第14页/共89页2013.第15页/共89页2013.7.2-2 调幅波的功率关系（1）载波功率 （2）上、下边频功率 （3）总边频功率（有用的功率）（4）总平均功率第16页/共89页2013.由此可知，调幅波的输出功率随ma的增大而增加。它所增加的部分就是两个变频所产生的功率。载波本身并不包含信号，但它的功率却占整个调幅波功率的绝大部分。从信息传递的观点来看，这一部分载波功

6、率是没有用的。所以调幅发射机的效率低，这是调幅制所固有的缺点。其优点是电路简单。只发送一个包含信号的边带的方式称为单边带发送。单边带发送的优点的效率高、节约频带，缺点是电路复杂。第17页/共89页2013.调幅波的几种调制方式普通调幅（AM）：含载频、上、下边带双边带调幅（DSB）：不含载频，只含上、下边带单边带调幅（SSB）：只含一个边带残留单边带调幅（VSB）：含载频、一个边带、另一个边带的残留部分第18页/共89页2013.7.3 平方律调幅7.3-1 工作原理非线性调幅方框图非线性 器件带通滤波器第19页/共89页2013.用幂级数来表示非线性器件的特性：希望的得到的频率分量最有害的频

7、率分量第20页/共89页2013.当vo通过中心频率为 的滤波器后，不需要的 诸项都很易于滤除，只让 通过。但 也在 附近，不能被滤除，显然要求 =0。同样道理，等项将产生 等失真项。为了避免调幅波失真，也应要求 。由此可见，为了获得不失真调幅，要求非线性器件的特性为：其中产生调幅作用的是 项，故称为平方律调幅。第21页/共89页2013.通过调制和滤波后，输出电压为：第22页/共89页2013.7.3-2 平衡调幅器 平衡调幅器的输出电压只有两个上、下边带，没有载波，亦即平衡调幅器输出是载波被抑制的双边带。串联双二极管平衡调幅器简化电路第23页/共89页2013.此为载波被抑制的双边带，以D

8、SB-SC表示。第24页/共89页2013.利用晶体三极管（或场效应管、电子管）也可以构成平衡调幅器。其工作原理与二极管平衡调幅器的相似，不过应将三极管的集电极电流用基极电压的幂级数表示而已。三极管电路的优点是具有一定的功率增益；但线路比二极管电路复杂。晶体三极管平衡调幅器第25页/共89页2013.应该指出，在以上这些电路中，无形中都已假定所有的二极管（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制。事实上，电子器件的特性不可能完全对称，所用的变压器也难于做到完全对称。因此，电路中往往要加平衡装置，以使载漏减至最小。从平衡调幅器获得载波被抑止的双边带后，再设法滤除一条边

9、带，即可获得单边带输出。因此，平衡调幅器是单边带技术中的基本电路。第26页/共89页2013.7.4斩波调幅7.4-1 工作原理 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 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 及各种谐波分量。再通过中心频率为 的BPF，取出所需要的调幅波输出 ，即实现了调幅。斩波调幅器方框图第27页/共89页2013.斩波电路按照开关函数 对音频信号 进行斩波。斩波后的电压为：双边带信号DSB-SC第28页/共89页2013.斩波调幅器工作图解第29页/共89页2013.平衡斩波调幅器及其图解第30页/共89页2013.D

10、SB-SC双边带信号DSB-SC与开关函数S1(t)比较：第31页/共89页2013.7.4-2 实现斩波调幅的两种电路1、二极管电桥斩波调幅电路第32页/共89页2013.环形平衡调制器电路及波形 2、环形平衡调制器电路2第33页/共89页2013.7.5 模拟乘法器调幅 现将常用的Motorola公司MC1496/1596(国内同类型号是XFC-1596),MC1495/1595(国内同类型号是BG314)和MC1494/1594单片模拟乘法器的参数指标简介如下。MC14系列与MC15系列的主要区别在于工作温度,前者为070,后者为-55125。其余指标大部分相同,个别后者稍好一些。表给出

11、了MC15系列三种型号模拟乘法器的参数典型值。模拟乘法器的输出为两输入信号的乘积，故能实现调幅。单片集成模拟乘法器种类较多,由于内部电路结构不同,各项参数指标也不同。在选择时,应注意以下主要参数：工作频率范围、电源电压、输入电压动态范围、线性度等。第34页/共89页2013.第35页/共89页2013.MC1596是以双差分电路为基础,在Y输入通道加入了反馈电阻,故Y通道输入电压动态范围较大,X通道输入电压动态范围很小。MC1595是在MC1596中增加了X通道线性补偿网络,使X通道输入动态范围增大。MC1594是以MC1595为基础,增加了电压调整器和输出电流放大器。MC1595和MC159

12、4分别作为第一代和第二代模拟乘法器的典型产品,线性度很好,既可用于乘、除等模拟运算,也可用于调制、解调等频率变换,缺点是工作频率不高。MC1596工作频率高,常用作调制、解调和混频,通常X通道作为载波或本振的输入端,而调制信号或已调波信号从Y通道输入。当X通道输入是小信号(小于26 mV)时,输出信号是X、Y通道输入信号的线性乘积。第36页/共89页2013.第37页/共89页2013.模拟乘法器调幅电路由图可知,X通道两输入端、10脚直流电位均为6.V,可作为载波输入通道；第38页/共89页2013.Y通道两输入端、脚之间外接有调零电路,可通过调节50k电位器使脚电位比脚高UY,调制信号u(

13、t)与直流电压UY迭加后输入Y通道。调节电位器可改变调制指数Ma。输出端、12脚外应接调谐于载频的带通滤波器。、脚之间外接Y通道负反馈电阻。采用图中电路也可以组成双边带调幅电路,区别在于调节电位器的目的是为了使Y通道、脚之间的直流电位差为零,即Y通道输入信号仅为交流调制信号。为了减小流经电位器的电流,便于调零准确,可加大两个750 电阻的阻值,比如各增大10k。第39页/共89页2013.第40页/共89页2013.7.6 单边带信号的产生 单边带发送：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。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

14、泛的应用。7.6-1 单边带通信的优缺点优点：1、频带节约一半，大大提高了短波波段的利用率。这是单边带制的主要优点。2、单边带制能大大节省发送的功率，单边带制能获得更好的通信效果。3、单边带制的选择性衰落现象要轻得多。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。第41页/共89页2013.7.6-2 产生单边带信号的方法 SSB信号是将双边带信号滤除一个边带形成的。根据滤除方法的不同，SSB信号产生方法有好几种，主要有滤波器法和移相法两种。1)滤波器法 这种方法对滤波器的要求很高，而且由于载波频率不能太高，要将载

15、频逐步提高到所需要的工作频率上，就需要经过多次的平衡调幅与滤波。因此整个设备复杂昂贵。但性能稳定可靠，所以仍然是目前干线通信所采用的标准形式。第42页/共89页2013.滤波器法单边带发射机方框图第43页/共89页2013.2)移相法 移相法是利用移相网络，对载波和调制信号进行适当的相移，以便在相加过程中将其中的一个边带抵消而获得SSB信号。移相法的优点是省去了边带滤波器，但要把无用边带完全抑制掉，必须满足下列两个条件:(1)两个调制器输出的振幅应完全相同 (2)移相网络必须对载频及调制信号均保证精确的/2相移。第44页/共89页2013.移相法SSB信号调制器方框图 第45页/共89页201

16、3.第46页/共89页2013.3）修正的移相滤波器第47页/共89页2013.7.8 高电平调幅 AM信号的产生可以采用高电平调制和低电平调制两种方式完成。目前，AM信号大都用于无线电广播，因此多采用高电平调制方式。高电平调制主要用于AM调制，这种调制是在高频功率放大器中进行的。丙类谐振功放的调制特性分为基极调制特性和集电极调制特性两种,据此可以分别组成集电极调幅电路和基极调幅电路。第48页/共89页2013.7.7-1 集电极调幅 集电极调幅：就是利用调制信号去改变高频功率放大器的集电极直流电源电压，以实现调幅。在过压状态下，集电极电流的基波分量 随集电极电压成正比变化。因此，集电极的回路

17、输出高频电压振幅将随调制信号的波形而变化，得到调幅波的输出。第49页/共89页2013.集电极调幅电路 第50页/共89页2013.集电极调幅的波形 第51页/共89页2013.7.7-2 基极调幅 基极调幅：就是用调制信号电压来控制高频功率放大器的基极偏压，以实现调幅。在欠压状态下，集电极电流的基波分量 随基极电压成正比变化。因此，集电极的回路输出高频电压振幅将随调制信号的波形而变化，于是得到调幅波。基极调幅的平均集电极效率不高，这是它的缺点。它的主要优点是所需调制功率很小，对整机的小型化有利。第52页/共89页2013.基极调幅电路 第53页/共89页2013.基极调幅的波形 第54页/共

18、89页2013.高电平调幅电路的优点是调幅、功放合一,整机效率高,可直接产生很大功率输出的调幅信号,但也有一些缺点和局限性：一是只能产生普通调幅信号；二是调制线性度差,例如集电极调制特性中Vcm与VCC并非完全成线性关系。第55页/共89页2013.7.9 包络检波 7.9-1 包络检波电路的工作原理 包络检波原理如图。其中的非线性器件可以是二极管,也可以是三极管或场效应管,电路种类也较多。第56页/共89页2013.现以二极管峰值包络检波器为例进行讨论,其中RC元件组成了低通滤波器第57页/共89页2013.vi正半周时，二极管导通，即输入电压vi对C充电。由于二极管正向电阻很小，故充电时间

19、常数小，很快充到输入电压峰值，充电电压相对二极管是附加了反向偏置uo，当ui下降到小于充电电压uo时，二极管截止，C向RL放电，由于RL很大，放电时间常数大，故C上电压还没下降多少，输入信号ui下一个周期又来到，充电、放电 如此循环，直到电容上的充放电达到平衡。结论：利用二极管的单向导电性和检波负载电阻、电容的充放电过程来完成检波任务。第58页/共89页2013.第59页/共89页2013.7.9-2 包络检波器的质量指标 二极管峰值包络检波器的性能指标主要有检波效率、输入电阻、惰性失真和底部切割失真几项。1)检波效率Kd。如果考虑到二极管的实际导通电压不为零,以及充电电流在二极管微变等效电阻

20、上的电压降等因素,实际检波效率比以上公式计算值要小。第60页/共89页2013.检波器的前级通常是一个调谐在载频的高Q值谐振回路,检波器相当于此谐振回路的负载。为了研究检波器对前级谐振回路的影响,故定义检波器等效输入电阻 其中Uim是输入等幅高频载波的振幅。I1m即为输入高频电流的基波分量的振幅。显然,检波器对前级谐振回路等效电阻的影响是并联了一个阻值为Ri的电阻。2)等效输入电阻Ri。由于二极管在大部分时间处于截止状态,仅在输入高频信号的峰值附近才导通,所以检波器的瞬时输入电阻是变化的。第61页/共89页2013.按照第5章尖顶余弦脉冲序列的分析方法,可以求得I1m与Uim的关系式,从而可得

21、到:上式也可以利用功率守恒的原理求出。因检波器输入功率为,输出功率为 ,若忽略二极管上的功率损耗,则输入功率应与输出功率相等,考虑到Kd1,由此也可得到上式。第62页/共89页2013.3)惰性失真 在调幅波包络线下降部分,若电容放电速度过慢,导致uo的下降速率比包络线的下降速率慢,则在紧接其后的一个或几个高频周期内二极管上为负电压,二极管不能导通,造成uo波形与包络线的失真。由于这种失真来源于电容来不及放电的惰性,故称为惰性失真。要避免惰性失真,就要保证电容电压的减小速率在任何一个高频周期内都要大于或等于包络线的下降速率。第63页/共89页2013.第64页/共89页2013.单频调幅波的包

22、络线表达式为：us(t)=Uim(1+Macost)其下降速率为：因为电容通过R放电时,电容电流与电阻电流相同,即:所以电容电压的减小速率第65页/共89页2013.在开始放电时刻,电容电压uc可近似视为包络电压us,故避免惰性失真的不等式可写为:即上式又可写成:避免惰性失真应该满足的条件可见，调幅指数越大，调制信号的频率越高，时间常数RC的允许值越小。第66页/共89页2013.第67页/共89页2013.4)底部切割失真。检波器输出uo是在一个直流电压上迭加了一个交流调制信号,故需要用隔直流电容将解调后的交流调制信号耦合到下一级进行放大或其它处理。下一级电路的输入电阻即作为检波器的实际负载

23、RL。为了有效地将检波后的低频信号耦合到下一级电路,要求耦合电容Cc的容抗远远小于RL,所以Cc的值很大。这样,uo中的直流分量几乎都落在Cc上,这个直流分量的大小近似为输入载波的振幅Uim。所以Cc可等效为一个电压为Uim的直流电压源。此电压源在R上的分压为：第68页/共89页2013.这意味着检波器处于稳定工作时,其输出端R上将存在一个固定电压UR。当输入调幅波ui(t)的值小于UR时,二极管将会截止。也就是说,电平小于UR 的包络线不能被提取出来,出现了失真所示。由于这种失真出现在调制信号的底部,故称为底部切割失真。调幅信号的最小振幅或包络线的最小电平为Uim(1-Ma),所以,要避免底

24、部切割失真,必须使包络线的最小电平大于或等于UR,即:第69页/共89页2013.第70页/共89页2013.第71页/共89页2013.交流负载R与直流负载R越接近,可允许的调幅指数越大。在实际电路中,有两种措施可减小交直流负载之间的差别。一是在检波器与下一级电路之间插入一级射随器,即增大RL的值。二是采用改进电路,将检波器直流负载R分成R1和R2两部分。显然，在直流负载不变的情况下,改进电路的交流负载 比原电路增大。通常以免分压过大使输出到后级的信号减小过多。第72页/共89页2013.第73页/共89页2013.3 参数设计 为了使二极管峰值包络检波器能正常工作,避免失真,必须根据输入调

25、幅信号的工作频率与调幅指数以及实际负载RL,正确选择二极管和R、C、Cc的值。例 已知普通调幅信号载频fc=465kHz,调制信号频率范围为300 Hz3400 Hz,Ma=0.3,RL=10 k,如何确定图所示二极管峰值包络检波器有关元器件参数?解：一般可按以下步骤进行:第74页/共89页2013.1)检波二极管通常选正向电阻小(500以下)、反向电阻大(500k以上)、结电容小的点接触型锗二极管,注意最高工作频率应满足要求。2)RC时间常数应同时满足以下两个条件:电容C对载频信号应近似短路,故有 ,通常取 ;为避免惰性失真，应有RC 。代入已知条件,可得(1734)10-6RC0.1510

26、-3 第75页/共89页2013.3)设 =0.2,则R1=,R2=。为避免底部切割失真,应有Ma ,其中R=R1+。代入已知条件,可得R63 k。因为检波器的输入电阻Ri不应太小,而Ri=,所 以 R不 能 太 小。取 R=6k,另 取 C=0.01 F,这 样,RC=0.0610-3,满足上一步对时间常数的要求。因此,R1=1k,R2=5k。4)Cc的取值应使低频调制信号能有效地耦合到RL上,即满足:或第76页/共89页2013.取 Cc=47F 在集成电路里常采用由三极管包络检波器组成的差分电路,如图所示。其工作原理与二极管峰值包络检波器相似,读者可自行分析,注意它的输入电阻很大。第77

27、页/共89页2013.第78页/共89页2013.7.10 同步检波 同步检波电路比包络检波电路复杂,而且需要一个同步信号,但检波线性性好,不存在惰性失真和底部切割失真问题。外加载波信号电压加入同步检波器可以有两种方式：一种是将它与接收信号在检波器中相乘，经低通滤波器后，检出原调制信号。另一种是将它与接收信号相加，经包络检波器后取出原调制信号。第79页/共89页2013.（a）（b）第80页/共89页2013.第81页/共89页2013.对第一种情况进行分析：第82页/共89页2013.对第二种情况进行分析：失真才小第83页/共89页2013.在单边带接收机中如何使得本地载波与输入信号载波频率

28、一样呢？一种方法：发射机除发射单边带信号外，还发射受到一定程度抑制的载波（又称导频）。当接收机收到导频信号后，去控制本地载波振荡器，使二者的频率一样。另一种方法：发射机的信号载波振荡器和接收机的本地载波振荡器都采用频率稳定度很高的石英晶体振荡器（或频率合成器），使两个频率保持不变。第84页/共89页2013.本地载波与输入信号载波频率和相位不同时，会产生失真：1）频率不同引起的失真第85页/共89页2013.2）相位不同引起的失真所以要求本地载波和接收信号的载波同频同相第86页/共89页2013.7.10 单边带信号的接收滤波器法单边带发射机方框图第87页/共89页2013.调幅、调幅系数的概念及数学表达式 调幅波的频谱、带宽及几个功率计算 调幅的四种调制方式 实现调幅的电路（模拟相乘器调幅、高电平调幅）大信号包络检波（如何检波、两种典型失真产生原因及判断）及同步(相干)检波的概念章末小结第88页/共89页2013.感谢您的观看！第89页/共89页