1、第六章幅度调制与解调第六章幅度调制与解调6.1 6.1 概概概概 述述述述6.2 6.2 普通调幅和解调的基本性质及电路分析普通调幅和解调的基本性质及电路分析普通调幅和解调的基本性质及电路分析普通调幅和解调的基本性质及电路分析6.3 6.3 双边带调幅和解调的基本性质及电路分析双边带调幅和解调的基本性质及电路分析双边带调幅和解调的基本性质及电路分析双边带调幅和解调的基本性质及电路分析6.4*6.4*单边带调幅和解调的原理及实现方法单边带调幅和解调的原理及实现方法单边带调幅和解调的原理及实现方法单边带调幅和解调的原理及实现方法6.5*6.5*残留边带调幅和解调的原理及实现方框残留边带调幅和解调的
2、原理及实现方框残留边带调幅和解调的原理及实现方框残留边带调幅和解调的原理及实现方框6.6 6.6 信号目标与电路的形成信号目标与电路的形成信号目标与电路的形成信号目标与电路的形成6.1 概概 述述幅度调制也称为调幅，相应的解调称幅度调制也称为调幅，相应的解调称为检波。为检波。一一般般说说来来，调调幅幅的的实实现现在在时时域域上上可可以以理理解解为为：通通过过代代表表信信息息的的基基带带信信号号，即即低低频信号，去控制高频载波振幅来实现。频信号，去控制高频载波振幅来实现。对时域的理解有利于区别调幅和调角对时域的理解有利于区别调幅和调角的差异，但对于区分不同调幅的产物的差异，但对于区分不同调幅的产
3、物调幅波调幅波(也称已调波也称已调波)则是不够的。至于各则是不够的。至于各种调幅波的差异问题，最好从频域角度来种调幅波的差异问题，最好从频域角度来考虑。考虑。解调的作用是从已调波中还原一个与解调的作用是从已调波中还原一个与原基带信号变化规律一致的电信号。原基带信号变化规律一致的电信号。6.2 普通调幅和解调的基本普通调幅和解调的基本性质及电路分析性质及电路分析为便于讨论，我们设高频载波为为便于讨论，我们设高频载波为vc(t)=Vcmcos(ct+0)式式中中，Vcm称称为为载载波波振振幅幅，c为为载载波波角角频频率率，0为载波的初相，它们均为常数。为载波的初相，它们均为常数。同同时时，我我们们
4、设设基基带带信信号号为为v(t)，通通常常也叫做调制信号，它代表需要传送的信息。也叫做调制信号，它代表需要传送的信息。为为了了说说明明实实际际AM波波满满足足式式(6-2-5)的的程程度度，我我们们定定义义一一个个无无量量纲纲的的调调制制指指数数m，其定义如下：其定义如下：式式中中，a(t)max和和a(t)min分分别别指指a(t)的的最最大值和最小值。大值和最小值。无无论论m是是否否大大于于1我我们们都都将将式式(6-2-2)的的v(t)最最大大值值连连成成的的光光滑滑曲曲线线(如如图图6-2-1中中所所示示的的v(t)波波形形上上的的虚虚线线)称称为为上上包包络络，将将v(t)最最小小值
5、值连连成成的的光光滑滑曲曲线线称为下包络。称为下包络。图图6-2-1调调制制指指数数对对已已调调波波的的影影响响为为了了与与后后几几节节要要讲讲的的其其它它调调幅幅相相区区别别，我们常将普通调幅波记为我们常将普通调幅波记为vAM(t)或或iAM(t)。此此外外，在在vAM(t)频频谱谱中中，常常将将大大于于-c小小于于-c+m以以及及大大于于c-m小小于于c的的频频谱谱分分量量一一起起称称为为下下边边带带，把把大大于于c和和小小于于-c的频谱分量称为上边带。的频谱分量称为上边带。从从以以上上的的分分析析可可看看出出，AM波波中中存存在在不不能能反反映映调调制制信信号号变变化化的的频频率率成成分
6、分，这这一一成成分分所所消消耗耗的的功功率率Pc比比能能反反映映调调制制信信号号变变化化的的边边频频功功率率PSB还还要要大大。因因此此，从从节节约约能能源源，提提高高调调幅幅波波输输出出电电路路可可靠靠性性来来讲讲，采采用用AM调调制制的的通通信信系系统统不不是是理理想想的的通通信信系系统统。6.2.1 AM波调制电路分析波调制电路分析调调制制电电路路按按输输出出已已调调波波功功率率的的大大小小分分为为高高电电平平振振幅幅调调制制电电路路和和低低电电平平振振幅幅调调制制电路两大类，如图电路两大类，如图6-2-3所示。所示。图图6-2-3大功率大功率AM波形成分类波形成分类1.高电平调制技术高
7、电平调制技术高高电电平平模模拟拟调调幅幅有有直直接接的的模模拟拟调调制制方方式式和和间间接接的的数数字字调调制制方方式式两两大大类类。它它们们的的共共同同点点是是实实现现AM波波，差差别别在在于于后后者者的的性性能能指标明显高于前者。指标明显高于前者。如在直接的模拟调制时，采用的具体如在直接的模拟调制时，采用的具体作法是：作法是：a)将功放的输入信号源用一等幅、等将功放的输入信号源用一等幅、等频的载波信号代替。频的载波信号代替。b)将功放的直流电源用一个变化较缓将功放的直流电源用一个变化较缓的、受调制信号控制的电源来代替，代替的、受调制信号控制的电源来代替，代替的具体方法与选用的电路有关。的具
8、体方法与选用的电路有关。(1)直接的模拟调制电路直接的模拟调制电路这类电路大体有三种基本类型，它们这类电路大体有三种基本类型，它们分别是：基极调幅电路、集电极调幅电路分别是：基极调幅电路、集电极调幅电路以及以及D类调幅电路。类调幅电路。C C类基极调幅电路类基极调幅电路类基极调幅电路类基极调幅电路基基极极调调幅幅原原理理电电路路如如图图6-2-4(d)所所示示，图图中中通通过过电电容容实实现现各各种种频频率率信信号号的的相相互互隔隔离。离。图图6-2-4 基极调幅基极调幅第第一一，由由于于此此电电路路总总是是工工作作在在欠欠压压区区，因此集电极效率不可能很高。因此集电极效率不可能很高。第第二二
9、，由由图图6-2-4(b)可可知知，当当靠靠近近过过压压区区时时，Iclm随随vBB增增加加而而增增大大的的数数值值略略为为减减缓缓，在在vBB较较小小时时，Iclm又又会会出出现现下下降降不不足足的的情情况况。因因此此，在在v(t)变变化化范范围围较较大大时时，电电路路输输出出电电压压vo(t)的的波波形形与与理理想想AM波波形形是是不不可可能能一一致致的的，这这就就是是常常说说的的调调制制非非线线性性。第三，由于调制信号是加于管子输入第三，由于调制信号是加于管子输入回路的，因此电路所需回路的，因此电路所需v(t)信号源的信号源的输出功率输出功率(常称调制功率常称调制功率)较小。较小。C C
10、类集电极调幅电路类集电极调幅电路类集电极调幅电路类集电极调幅电路集集电电极极调调幅幅原原理理电电路路如如图图6-2-5(a)所所示示。图图中中的的C2对对包包括括调调制制信信号号在在内内的的交交流流信信号号起起旁旁路路作作用用；CC只只对对c附附近近及及其其以以上上频频率率的的信信号号旁旁路路，对对则则是是开开路路；CB为为交交流流旁旁路电容。路电容。图图6-2-5 C类集电极调制类集电极调制 D D类集电极调幅电路类集电极调幅电路类集电极调幅电路类集电极调幅电路这这种种调调幅幅的的原原理理电电路路如如图图6-2-6所所示示。其其中中C1为为交交流流旁旁路路电电容容；C2对对c分分量量短短路路
11、，对对和直流应看成是开路。和直流应看成是开路。图图6-2-6 D类集电极调制原理图类集电极调制原理图(2)*间接的数字调幅电路间接的数字调幅电路(DAM)数数字字调调幅幅是是近近年年来来才才出出现现的的一一种种模模拟拟调调制制技技术术，其其主主要要优优点点在在于于它它的的整整机机效效率率可可达达到到86%，其其中中高高频频功功放放的的效效率率在在90%左右，它的指标也有明显的优越性。左右，它的指标也有明显的优越性。图图6-2-8(b)所所示示的的波波形形是是由由多多个个同同相相PA输输出出波波经经叠叠加加(或或称称合合成成)得得到到的的，PA的的个数不同，输出的幅度就不一样。个数不同，输出的幅
12、度就不一样。图图6-2-8 数字调幅原理说明图数字调幅原理说明图图图6-2-9(a)所所示示是是由由两两个个PA构构成成的的功功率率合合成成电电路路，它它通通过过高高频频变变压压器器耦耦合合方方式式在输出回路中形成串联的功率电源。在输出回路中形成串联的功率电源。图图6-2-9功功率率合合成成型型调调幅幅特特性性分分析析2.低电平调幅电路低电平调幅电路(MC1596)低低电电平平调调幅幅是是利利用用信信号号分分析析中中的的频频谱谱位位移移理理论论实实现现的的。具具体体说说来来是是将将a(t)与与载载波波信号通过时域内的乘法器来实现的。信号通过时域内的乘法器来实现的。(1)图图(b)中中所所示示的
13、的电电阻阻R5为为MC1596中中VT7、VT8提提供供了了处处于于放放大大状状态态的的基基极极偏偏置置，改改变变它它的的大大小小可可使使图图(a)中中所所示示的的I0数值不同，其关系为数值不同，其关系为图图6-2-10 AM调幅电路调幅电路(2)图图(a)中中所所示示的的VT5和和VT6应应工工作作于于小小信信号号放放大大状状态态(其其目目的的是是为为了了尽尽量量消消除除输输出出信信号号中中与与谐谐波波有有关关的的频频率率分分量量)，它它的的基基极极偏偏置置由由图图(b)中中所所示示的的1、4端端外外接接电电阻阻提提供供，同同时时这这些些电电阻阻也也应应保保证证VT7、VT8管管处于放大区。
14、处于放大区。(3)图图6-2-10(b)所所示示中中采采用用了了一一个个51的的电电阻阻为为8脚脚提提供供直直流流通通路路。但但由由于于51的的阻值较小，其上的直流压降可忽略不计。阻值较小，其上的直流压降可忽略不计。(4)若若将将式式(6-2-25)和和式式(6-2-30)代代入入式式(6-2-18)，可得出以下两个结论。，可得出以下两个结论。第一，第一，vo(t)与温度与温度T有关。有关。第第二二，vo(t)中中含含有有与与c谐谐波波分分量量有有关关的项。的项。(5)由由于于调调制制AM波波时时，必必需需满满足足0m1，因因此此在在实实际际电电路路中中应应根根据据式式(6-2-25)等等仔仔
15、细细调调整整50k电电阻阻，以以及及其其它它有有关关电电阻阻的阻值。的阻值。(6)MC1596具具有有工工作作频频率率高高(可可达达300MHz)，调调制制频频率率高高(可可达达80MHz)，电电路路转转换换率率SR大大等等优优点点，但但也也存存在在电电路路输输出出信号功率小的缺点。信号功率小的缺点。6.2.2 AM波检波电路分析波检波电路分析普普通通调调幅幅波波的的解解调调，即即调调制制信信号号的的恢恢复复，可可以以从从时时域域和和频频域域的的角角度度来来考考虑虑。通通常常把把从从时时域域出出发发构构成成的的检检波波电电路路称称为为包包络络检检波波器器，把把从从频频域域出出发发构构成成的的检
16、检波波电电路路称称为同步检波。为同步检波。1.同步检波电路同步检波电路若若输输入入的的AM波波为为vAM=Vm0(1+mcost)cosIt，载载波波提提取取电电路路的的理理想想输输出出就就应应为为VcosIt，即即与与vAM中中的的载载波波分分量量具具有有相相同同相相位位的的等等幅幅正正弦弦波波。我们称该正弦波为同步载波。我们称该正弦波为同步载波。2.包络检波电路包络检波电路(二极管，三极管二极管，三极管)包包络络检检波波是是利利用用AM波波在在时时域域内内包包络络变变化化能能反反映映调调制制信信号号变变化化规规律律这这一一特特点点形形成成的的检检波波，其其相相应应的的电电路路比比同同步步检
17、检波波电电路路简单。简单。包包络络检检波波分分为为三三极极管管包包络络检检波波和和二二极极管包络检波两大类。管包络检波两大类。(2)滤波器特性滤波器特性由由于于二二极极管管包包络络检检波波电电路路的的输输出出大大小小要要影影响响管管子子的的导导通通，因因此此，电电路路中中RC的的选选取取条条件件应应与与三三极极管管集集电电极极包包络络检检波波中中的的条条件有所不同。件有所不同。从从检检波波原原理理来来看看，二二极极管管电电路路中中的的RC仍仍应应起起低低通通作作用用。因因此此，对对输输入入频频率率1来来说，说，C值取得越大越好，即值取得越大越好，即对对调调制制信信号号频频率率来来说说，最最常常
18、见见的的输输出出失失真真情情况况如如图图6-2-17(c)所所示示，这这种种类类型型的失真称为惰性失真。的失真称为惰性失真。图图6-2-17 电电压压型型包包络络检检波波波波形形(3)检波器连接问题的特殊分析检波器连接问题的特殊分析由由于于检检波波器器总总是是复复杂杂系系统统的的一一个个环环节节，因因此此，我我们们还还应应考考虑虑它它对对前前级级放放大大器器的的影影响响，以以及及后后级级放放大大器器对对检检波波器器的的影影响响问问题题。结结合合式式(6-2-62)可可知知：只只要要不不满满足足式式(6-2-62)，就就一一定定不不满满足足式式(6-2-67)。也也就就是是说说有有负负峰峰切切割
19、割失失真真存存在在，就就一一定定伴伴随随着着惰性失真。惰性失真。6.3 双边带调幅和解调的基双边带调幅和解调的基本性质及电路分析本性质及电路分析双双边边带带调调幅幅是是在在AM调调幅幅基基础础上上发发展展起起来来的的，通通常常简简记记为为DSB。DSB与与AM波波的的主主要要差差别别是是：DSB已已调调波波中中c频频率率分分量量的的振振幅幅较较小小，甚甚至至完完全全不不存存在在。为为分分析析方方便便，我我们们将将含含有有c频频率率分分量量的的DSB波波称称为为有有载载波波的的DSB波波；无无c分分量量的的称称为为抑抑制制载载波波的的双边带调幅波，简记为双边带调幅波，简记为DSB/SC。第第一一
20、，时时域域内内，DSB波波的的包包络络不不能能反反映映调调制制信信号号的的变变化化规规律律(见见图图6-2-1，m1的情况的情况)。第第二二，频频域域内内，有有载载波波的的DSB波波频频谱谱图与图与AM波类似，只是波类似，只是c分量的强度较弱。分量的强度较弱。6.3.1 DSB波调幅电路分析波调幅电路分析1.由由MC1596构成的调制电路构成的调制电路图图6-3-1所所示示为为采采用用MC1596实实现现DSB波波的的部部分分电电路路(C为为耦耦合合电电容容)，其其余余部部分分与与图图6-2-10(b)所示的相同。所示的相同。图图6-3-1 DSB实现电路实现电路2.二极管环形调制器的特殊分析
21、二极管环形调制器的特殊分析图图6-3-2(a)是是利利用用二二极极管管构构成成的的环环形形调调制制器器的的原原理理图图，图图(b)为为相相应应的的实实用用电电路路图图。现就图现就图(a)分析如下。分析如下。图图6-3-2 环环形形调调制制器器实实用用调调制制电电路路还还可可用用多多个个场场效效应应管管，或或多多个个三三极极管管构构成成。其其基基本本原原理理是是通通过过多多个个非非线线性性器器件件的的特特殊殊组组合合方方式式，以以及及工工作作点点的的合合理理设设置置来来达达到到输输出出波波中中有有用用乘乘积积项项的的幅幅度度尽尽可可能能大大，无无用用项项的的频频率率成成分分尽尽可可能能远远离离有
22、有用用项项，无无用用项项的的幅幅度度尽尽可可能能小小的的目目的的。不不过过，实实际际乘乘法法器器的的输输出出波波中中总总是是包包含含无无用用频频率率分分量量，这这些些分分量量可可通通过过与与乘乘法器相连接的带通滤波器来滤除。法器相连接的带通滤波器来滤除。3.数字调制电路数字调制电路(ASK)数数字字调调制制电电路路的的基基带带信信号号为为数数字字信信号号。由由于于数数字字信信号号的的取取值值有有限限，如如二二进进制制只只有有两两种种可可能能，因因此此，可可以以将将二二进进制制的的数数字字信信号号看看成成为为电电路路通通断断开开关关的的控控制制信信号号，这这样样，可可以以将将振振荡荡器器产产生生
23、的的载载波波信信号号通通过过通通断断开开关关电电路路来来实实现现输输出出高高频频载载波波的的有有无无，即即输输出调幅波出调幅波(波形见图波形见图1-2-3(a)所示所示)。6.3.2 DSB波波的的解解调调(包包括括有有、无载频或导频的无载频或导频的DSB波波)由由于于DSB波波的的包包络络不不能能反反映映调调制制信信号号的的变变化化，因因而而不不能能采采用用包包络络检检波波器器解解调调。如如果果能能设设法法恢恢复复出出同同步步载载波波，则则可可用用图图6-3-4所示的方案进行解调。所示的方案进行解调。图图6-3-4 解调解调DSB方框图方框图1在在图图6-3-5方方案案中中，应应特特别别注注
24、意意载载波波的的提提取取和和乘乘法法器器两两部部分分。其其中中乘乘法法器器应应尽尽量量避避免免输输出出波波中中出出现现与与谐谐波波有有关关的的频频率率分分量量，也也就就是是说说应应尽尽量量采采用用理理想想乘乘法法器器，如如二二极极管管环环形形电电路路、MC1596等等性性能能较较好好的的乘乘法器。法器。图图6-3-5 解调解调DSB方框图方框图26.4*单边带调幅和解调的原单边带调幅和解调的原理及实现方法理及实现方法单单边边带带调调幅幅简简记记为为SSB。它它利利用用双双边边带带已已调调波波的的上上、下下边边频频均均能能反反映映原原调调制制信信号号频频谱谱结结构构的的特特点点，设设法法形形成成
25、只只含含一一个个边边频频成成分分的的已已调调波波，这这就就是是单单边边带带调调幅幅。单单边边带带调调幅幅波波对对所所含含边边带带是是上上边边带带或或是是下下边边带没有限制。带没有限制。第第一一，若若原原调调制制信信号号的的最最低低频频率率min越越小小，则则边边带带间间隔隔越越小小，滤滤波波器器就就越越不不容容易实现。易实现。第第二二，2min/c的的比比值值越越大大，滤滤波波器器越容易实现。越容易实现。第第三三，c越越小小，滤滤波波器器体体积积越越大大，成成本越高。本越高。实实现现SSB波波的的另另一一种种方方法法是是移移相相法法(也也是是波波形形合合成成法法)。它它的的主主要要特特点点是是
26、不不用用滤滤波波器，但要用器，但要用90的宽带移相网络。的宽带移相网络。这这时时，在在理理想想同同步步解解调调下下，得得原原调调制制信信号号为为Acos(t+k+0)=Acos(t-k)+0。其其中中k可可看看成成是是延延时时，它它不不会会引引起起波波形形失失真真；而而0则则是是不不需需要要的的，它它会会引引起起波波形的相位失真。形的相位失真。对对于于上上述述相相位位失失真真可可采采用用两两种种方方法法来来克克服服。第第一一，可可采采用用设设法法使使0=2n或或0=(2n+1)的的方方法法来来解解决决。这这时时，解解调调后后的的输输出出为为Acos(t-k)。第第二二，利利用用频频差差(c-)
27、中中，c越越高高，单单位位变变化化经经移移相相网网络络移移相后相移变化越小的特点。相后相移变化越小的特点。可可见见，在在近近似似情情况况下下，包包络络解解调调可可以以用用于于大大载载波波的的SSB信信号号解解调调。我我们们称称这这种种SSB波波为为兼兼容容的的单单边边带带信信号号，简简记记为为SSB-LC。6.5*残留边带调幅和解调的残留边带调幅和解调的原理及实现方框原理及实现方框残残留留边边带带调调幅幅可可简简记记为为VSB，它它特特别别适适用用于于低低频频分分量量丰丰富富的的调调制制信信号号。VSB已已调调波波的的带带宽宽介介于于DSB和和SSB之之间间，实实现现方方法法常常采采用用与与单
28、单边边带带相相似似的的滤滤波波法法。滤滤波波器器的的频频率率特特性性H=H(j)如如图图6-5-1(b)中中的的虚虚线线所所 示示，图图 中中 实实 线线 为为 DSB信信 号号 的的 频频 谱谱FDSB=|FDSB(j)|。图图6-5-1 VSB实现实现其其中中，滤滤波波器器均均采采用用椭椭圆圆函函数数滤滤波波器器。高高通通滤滤波波器器由由4个个串串联联谐谐振振网网络络组组成成，低低通通滤滤波波器器由由4个个并并联联谐谐振振网网络络组组成成。全全通通群群延延时时(参参见见思思考考题题与与练练习习题题6-10)校校正正器器采采用用6个个有有源源可可变变群群延延时时校校正正电电路路，来来校校正正
29、滤滤波波器的相移不均匀性。器的相移不均匀性。6.6 信号目标与电路的形成信号目标与电路的形成第第一一，从从目目标标信信号号与与输输入入信信号号的的时时域域波波形形出出发发，结结合合已已知知电电路路和和信信号号分分析析的的知知识来完成相关功能电路。识来完成相关功能电路。第第二二，从从目目标标信信号号与与输输入入信信号号的的频频谱谱分分析析出出发发，通通过过信信号号分分析析课课程程中中的的“频频谱谱线线性性搬搬移移的的频频移移性性质质”，在在电电路路实实践践中中自自觉地采用了乘法功能单元电路。觉地采用了乘法功能单元电路。第第三三，从从目目标标信信号号的的数数学学恒恒等等变变换换出出发发，在在工工程
30、程近近似似处处理理观观点点下下，完完成成近近似似目目标标波波形形的的功功能能电电路路，如如“大大载载波波条条件件下下的的SSB波包络近似检波波包络近似检波”就是一例。就是一例。根根据据这这一一原原理理，人人们们发发现现除除了了按按信信号号的的空空分分、频频分分和和时时分分的的常常规规信信号号识识别别方方法法外外，还还存存在在其其它它的的针针对对信信号号规规律律得得到到的的特特种信号识别方法。种信号识别方法。图图中中所所谓谓正正交交是是指指正正弦弦函函数数和和余余弦弦函函数数所所对对应应相相量量是是正正交交的的，正正交交调调幅幅是是指指利利用两正交载波分别实现调幅的情况。用两正交载波分别实现调幅的情况。上上述述方方案案的的最最大大特特点点是是：两两个个调调制制信信号号分分别别经经乘乘法法器器得得到到的的双双边边带带调调幅幅处处于于同同一一信信道道空空间间，并并且且它它们们存存在在的的时时间间和和频频带带范围也可能是相同的。范围也可能是相同的。
