Chapter 振幅調(diào)制與解調(diào)

會(huì)計(jì)學(xué)1Chapter振幅調(diào)制與解調(diào)2)從頻譜結(jié)構(gòu)看，上述頻率變換電路都只是對輸入信號頻譜實(shí)行橫向搬移而不改變原來的譜結(jié)構(gòu)，因而都屬于所謂的線性頻率變換。1)它們的實(shí)現(xiàn)框圖幾乎是相同的，都是利用非線性器件對輸入信號頻譜實(shí)行變換以產(chǎn)生新的有用頻率成分后，濾除無用頻率分量。3)頻譜的橫向平移從時(shí)域角度看相當(dāng)于輸入信號與一個(gè)參考正弦信號相乘，而平移的距離由此參考信號的頻率決定，它們可以用乘法電路實(shí)現(xiàn)。(c)混頻原理第1頁/共46頁§9.2振幅調(diào)制原理一、概述調(diào)制是將要傳送的信息裝載到某一高頻振蕩(載頻)信號上去的過程。按照所采用的載波波形區(qū)分，調(diào)制可分為連續(xù)波(正弦波)調(diào)制和脈沖調(diào)制。連續(xù)波調(diào)制以單頻正弦波為載波，可用數(shù)學(xué)式表示，受控參數(shù)可以是載波的幅度A，頻率或相位。因而有調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)三種方式。第2頁/共46頁脈沖調(diào)制以矩形脈沖為載波，受控參數(shù)可以是脈沖高度、脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度或脈沖位置。相應(yīng)地，就有脈沖調(diào)幅(PAM，包括脈沖編碼調(diào)制PCM)，脈沖調(diào)頻(PFM)，脈沖調(diào)寬(PWM)和脈沖調(diào)位(PPM)。本課程只研究各種正弦調(diào)制方法性能和電路。第3頁/共46頁二、調(diào)幅波的性質(zhì)設(shè)簡諧調(diào)制信號

載波信號1.調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達(dá)式則調(diào)幅信號為稱為調(diào)幅指數(shù)即調(diào)幅度，是調(diào)幅波的主要參數(shù)之一，它表示載波電壓振幅受調(diào)制信號控制后改變的程度。一般0＜ma≤1。通常調(diào)制要傳送的信號波形是比較復(fù)雜的，但無論多么復(fù)雜的信號都可用傅氏級數(shù)分解為若干正弦信號之和。為了分析方便起見，我們一般把調(diào)制信號看成一簡諧信號。第4頁/共46頁2.普通調(diào)幅波的波形圖當(dāng)載波頻率調(diào)制信號頻率，0＜ma≤1，則可畫出和已調(diào)幅波形分別如下圖所示。從圖中可看出調(diào)幅波是一個(gè)載波振幅按照調(diào)制信號的大小線性變化的高頻振蕩，其振蕩頻率保持載波頻率不變。當(dāng)時(shí)ma

＝1時(shí)，調(diào)幅達(dá)到最大值，稱為百分之百調(diào)幅。若ma>1，AM信號波形某一段時(shí)間振幅為將為零，稱為過調(diào)制。(a)調(diào)制信號(b)已調(diào)波形由非正弦波調(diào)制所得到的調(diào)幅波形過調(diào)制波形圖第5頁/共46頁調(diào)制度的變化在時(shí)域上的表現(xiàn)調(diào)制度的變化在頻譜上的表現(xiàn)第6頁/共46頁3.調(diào)幅信號的頻譜及帶寬將調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達(dá)式展開，可得到非正弦波調(diào)幅信號的頻譜圖由圖看出調(diào)幅過程實(shí)際上是一種頻譜搬移過程，即將調(diào)制信號的頻譜搬移到載波附近，成為對稱排列在載波頻率兩側(cè)的上、下邊頻，幅度均等于第7頁/共46頁對于單音信號調(diào)制已調(diào)幅波，從頻譜圖上可知其占據(jù)的頻帶寬度B=2或B=2F(=2F)，對于多音頻的調(diào)制信號，若其頻率范圍是，則已調(diào)信號的頻帶寬度等于調(diào)制信號最高頻率的兩倍。調(diào)制信號頻率變化對輸出波形的影響第8頁/共46頁4.普通調(diào)幅波的功率關(guān)系將作用在負(fù)載電阻R上載波功率每個(gè)邊頻功率(上邊頻或下邊頻)在調(diào)幅信號一周期內(nèi)，AM信號的平均輸出功率是因?yàn)閙a≤1，所以邊頻功率之和最多占總輸出功率的1/3。調(diào)幅波中至少有2/3的功率不含信息，從有效地利用發(fā)射機(jī)功率來看，普通調(diào)幅波是很不經(jīng)濟(jì)的。第9頁/共46頁三、抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波與單邊帶調(diào)幅波1.抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波為了克服普通調(diào)幅波效率低的缺點(diǎn)，提高設(shè)備的功率利用率，可以不發(fā)送載波，而只發(fā)送邊帶信號。這就是抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波(DSBAM)其數(shù)學(xué)表達(dá)式為其所占據(jù)的頻帶寬度仍為調(diào)制信號頻譜中最高頻率的兩倍，即第10頁/共46頁2.單邊帶調(diào)幅波上邊頻與下邊頻的頻譜分量對稱含有相同的信息。也可以只發(fā)送單個(gè)邊帶信號，稱之為單邊帶通信(SSB)。其表達(dá)式為：或其頻帶寬度為：第11頁/共46頁電壓表達(dá)式普通調(diào)幅波載波被抑制雙邊帶調(diào)幅波單邊帶信號波形圖頻譜圖信號帶寬表9-1三種振幅調(diào)制信號第12頁/共46頁3.殘留邊帶調(diào)幅(a)廣播電視臺(tái)系統(tǒng)發(fā)端濾波器特性(b)電視接收系統(tǒng)中頻濾波器特性殘留邊帶調(diào)幅(記為VSBAM)它在發(fā)射端發(fā)送一個(gè)完整的邊帶信號、載波信號和另一個(gè)部分被抑制的邊帶信號。這樣它既保留了單邊帶調(diào)幅節(jié)省頻帶的優(yōu)點(diǎn)，且具有濾波器易于實(shí)現(xiàn)、解調(diào)電路簡單的特點(diǎn)。在廣播電視系統(tǒng)中圖象信號就是采用殘留邊帶調(diào)幅。第13頁/共46頁§9.3振幅調(diào)制方法與電路調(diào)幅波的共同之處都是在調(diào)幅前后產(chǎn)生了新的頻率分量，也就是說都需要用非線性器件來完成頻率變換。(a)普通調(diào)幅波實(shí)現(xiàn)框圖(b)抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波(c)單邊帶調(diào)幅波實(shí)現(xiàn)框圖原理框圖如下：一、概述第14頁/共46頁

高電平調(diào)幅電路一般置于發(fā)射機(jī)的最后一級，是在功率電平較高的情況下進(jìn)行調(diào)制。

低電平調(diào)幅電路

一般置于發(fā)射機(jī)的前級，再由線性功率放大器放大已調(diào)幅信號，得到所要求功率的調(diào)幅波。按調(diào)制電路輸出功率的高低可分為：第15頁/共46頁二、低電平調(diào)幅電路1.簡單的二極管調(diào)幅電路二極管調(diào)幅電路調(diào)制信號和載波信號相加后，通過二極管非線性特性的變換，在電流i中產(chǎn)生了各種組合頻率分量，將諧振回路調(diào)諧于，便能取出和的成分，這便是普通調(diào)幅波。(1)平方律調(diào)幅－二極管信號較小時(shí)的工作狀態(tài)當(dāng)vD很小時(shí)，級數(shù)可只取前四項(xiàng)第16頁/共46頁經(jīng)分類整理可知：是我們所需要的上、下邊頻。這對邊頻是由平方項(xiàng)產(chǎn)生的，故稱為平方律調(diào)幅。其中最為有害的分量是項(xiàng)。由于二極管不容易得到較理想的平方特性，因而調(diào)制效率低,無用成分多，目前較少采用平方律調(diào)幅器。第17頁/共46頁(2)開關(guān)式調(diào)幅在大信號情況應(yīng)運(yùn)時(shí)，依靠二極管的導(dǎo)通和截止來實(shí)現(xiàn)頻率變換，這時(shí)二極管就相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)。滿足的條件時(shí)，二極管的通、斷由載波電壓決定。輸出調(diào)幅波有用電流分量由兩個(gè)二極管組成的平衡開關(guān)調(diào)幅器平衡調(diào)制器輸出的電壓波形第18頁/共46頁普通調(diào)幅波的高頻振蕩是連續(xù)的，可是雙邊帶調(diào)幅波在調(diào)制信號極性變化時(shí)，它的高頻振蕩的相位要發(fā)生180的突變，這是因?yàn)殡p邊帶波是由v0和v相乘而產(chǎn)生的。第19頁/共46頁2.環(huán)形調(diào)制器在平衡調(diào)制器的基礎(chǔ)上，再增加兩個(gè)二極管，使電路中4個(gè)二極管首尾相接構(gòu)成環(huán)形，這就是環(huán)形調(diào)制器。環(huán)行調(diào)制器原理圖=

gDV[cos(0)t+cos(0–)t]振幅比平衡調(diào)制器提高了一倍，并抑制了低頻分量，因而獲得了廣泛應(yīng)用。從其正負(fù)半周期的原理圖可知環(huán)形調(diào)制器輸出電流的有用分量第20頁/共46頁環(huán)型調(diào)制器等效電路3.模擬相乘器調(diào)幅電路（自學(xué)）第21頁/共46頁4.產(chǎn)生單邊帶信號的方法(1)濾波法濾波器法實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制實(shí)際濾波器法單邊帶發(fā)射機(jī)方框圖DSB信號經(jīng)過帶通濾波器后，濾除了下邊帶，就得到了SSB信號。由于0>>max，上、下邊帶之間的距離很近，要想通過一個(gè)邊帶而濾除另一個(gè)邊帶，就對濾波器提出了嚴(yán)格的要求。第22頁/共46頁為什么實(shí)際中使用的單邊帶濾波器不是在高頻段直接進(jìn)行濾波，而是先在低頻進(jìn)行濾波，然后進(jìn)行頻率搬移？問題第23頁/共46頁(2)相移法相移法是利用移相的方法，消去不需要的邊帶。如圖所示相移法單邊帶調(diào)制器方框圖圖中兩個(gè)平衡調(diào)幅器的調(diào)制信號電壓和載波電壓都是互相移相90°。因此，輸出電壓為第24頁/共46頁這種方法原則上能把相距很近的兩個(gè)邊頻帶分開，而不需要多次重復(fù)調(diào)制和復(fù)雜的濾波器。但這種方法要求調(diào)制信號的移相網(wǎng)絡(luò)和載波的移相網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)，都要準(zhǔn)確地移相90°。這一點(diǎn)在實(shí)際上是很難做到的。第25頁/共46頁(3)修正的移相濾波法修正的移相濾波法這種方法所用的90°移相網(wǎng)絡(luò)工作于固定頻率，因而克服了實(shí)際的移頻網(wǎng)絡(luò)在很寬的音頻范圍內(nèi)不能準(zhǔn)確地移相90°的缺點(diǎn)。這種方法所需要的移相網(wǎng)絡(luò)工作于固定頻率1與2，因此制造和維護(hù)都比較簡單。它特別適用于小型輕便設(shè)備，是一種有發(fā)展前途的方法。第26頁/共46頁三、高電平調(diào)幅電路高電平調(diào)幅電路需要兼顧輸出功率、效率和調(diào)制線性的要求。最常用的方法是對功放的供電電壓進(jìn)行調(diào)制。根據(jù)調(diào)制信號控制方式的不同，對晶體管而言，高電平調(diào)幅又可分為基極調(diào)幅和集電極調(diào)幅。1.集電極調(diào)幅電路集電極調(diào)幅電路調(diào)制信號經(jīng)低頻變壓器加在集電極上，并與直流電源電壓VcT相串饋。高頻載波v0(t)=v0cos經(jīng)高頻變壓器加在基極回路中。第27頁/共46頁集電極調(diào)幅在調(diào)制信號一周期內(nèi)的各平均功率為：1)集電極有效電源電壓Vc(t)供給被調(diào)放大器的總平均功率2)集電極直流電源VcT所供給的平均功率則為3)調(diào)制信號源Vc供給的平均功率4)平均輸出功率5)集電極平均耗散功率第28頁/共46頁6)集電極效率故：2)總輸入功率分別由VCT與VC所供給，VCT供給用以產(chǎn)生載波功率的直流功率P=T，VC則供給用以產(chǎn)生邊帶功率的平均功率PDSB。1)平均功率均為載波點(diǎn)各功率的()倍3)集電極平均耗散功率等于載波點(diǎn)耗散功率的()倍，應(yīng)根據(jù)這一平均耗散功率來選擇晶體管，以使PCM≥Pcav。4)輸出的邊頻功率由調(diào)制器供給的功率轉(zhuǎn)換得到，大功率集電極調(diào)幅就需要大功率的調(diào)制信號電源。第29頁/共46頁2.基極調(diào)幅電路基極調(diào)幅電路與集電極調(diào)幅電路同樣的分析，可以認(rèn)為VB(t)=VBT+v(t)是放大器的基極等效低頻供電電源。因?yàn)閂B(t)隨調(diào)制信號v(t)變化，如果要求放大器的輸出電壓也隨調(diào)制信號變化，則應(yīng)使輸出電壓隨VB(t)變化。放大器應(yīng)工作在欠壓區(qū)，保證輸出回路中的基波電流Ic1m、輸出電壓Vc(t)按基極供電電壓VBT(t)變化，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓隨調(diào)制電壓變化的調(diào)幅。第30頁/共46頁§9.4振幅解調(diào)(檢波)原理與電路一、概述振幅解調(diào)(又稱檢波)是振幅調(diào)制的逆過程。它的作用是從已調(diào)制的高頻振蕩中恢復(fù)出原來的調(diào)制信號。從頻譜上看，檢波就是將幅度調(diào)制波中的邊帶信號不失真地從載波頻率附近搬移到零頻率附近,因此，檢波器也屬于頻譜搬移電路。檢波器的組成應(yīng)包括三部分，高頻已調(diào)信號源，非線性器件，RC低通濾波器。其組成原理框圖如下圖所示，它適于解調(diào)普通調(diào)幅波。第31頁/共46頁包絡(luò)檢波同步檢波檢波器分類:平方率檢波峰值包絡(luò)檢波平均包絡(luò)檢波載波被抑制的已調(diào)波解調(diào)原理第32頁/共46頁二、二極管(大信號)峰值包絡(luò)檢波器二極管(大信號)包絡(luò)檢波器串聯(lián)型二極管包絡(luò)檢波電路并聯(lián)型二極管包絡(luò)檢波電路C++vWRL++充電放電iDvi–––串聯(lián)型二極管包絡(luò)檢波器如圖所示串聯(lián)型二極管包絡(luò)檢波器RL、C為二極管檢波器的負(fù)載，同時(shí)也起低通濾波器作用。一般要求的輸入信號大于0.5V，所以稱為大信號檢波器。第33頁/共46頁RLC電路：二是作為檢波器的負(fù)載，在其兩端輸出已恢復(fù)的調(diào)制信號。一是起高頻濾波作用。故必須滿足二極管檢波器的波形圖其檢波圖如右圖及第34頁/共46頁2.包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo)1)電壓傳輸系數(shù)(檢波效率)另外：---電流通角R---檢波器負(fù)載電阻Rd---檢波器二極管內(nèi)阻當(dāng)R>>Rd時(shí)，0，cos1。即檢波效率Kd接近于1，這是包絡(luò)檢波的主要優(yōu)點(diǎn)。第35頁/共46頁2)等效輸入電阻RidVim---輸入高頻電壓的振幅Iim---輸入高頻電流的的基波振幅由于二極管輸入電阻的影響，使輸入諧振回路的Q值降低，消耗一些高頻功率。這是二極管檢波器的主要缺點(diǎn)。第36頁/共46頁3)失真①惰性失真惰性失真由于負(fù)載電阻R與負(fù)載電容C的時(shí)間常數(shù)RC太大所引起的。這時(shí)電容C上的電荷不能很快地隨調(diào)幅波包絡(luò)變化,從而產(chǎn)生失真。為了防止惰性失真，只要適當(dāng)選擇RC的數(shù)值，使檢波器能跟上高頻信號電壓包絡(luò)的變化就行了。也就是要求>或?qū)懗稍诠こ躺峡砂磎axRC≤1.5計(jì)算。第37頁/共46頁②負(fù)峰切割失真(底部切割失真)檢波器輸出常用隔直流電容Cc與下級耦合，如圖所示。Rg代表下級電路的輸入電阻?？紤]了耦合電容Cc和低放輸入電阻Rg后的檢波電路為了有效地傳送低頻信號，要求則檢波過程中，Cc兩端建立了直流電壓經(jīng)電阻R和Rg分壓，在R上得到的直流電壓為：第38頁/共46頁對于二極管來說，VR是反偏壓，它有可能阻止二極管導(dǎo)通，從而產(chǎn)生失真。負(fù)峰切割失真波形為了避免底部切割失真，調(diào)幅波的最小幅度Vim(1–ma)必須大于VR即：第39頁/共46頁③非線性失真④頻率失真這種失真是由檢波二極管伏安特性曲線的非線性所引起的。這種失真是由于耦合電容Cc和濾波電容C所引起的。Cc的存在主要影響檢波的下限頻率min。為使頻率為min時(shí)，Cc上的電壓降不大，不產(chǎn)生頻率失真，必須滿足下列條件：