电路与电子学基础 教学课件 ppt 作者 陈利永 第十章
第10章 调制与解调及频率变换电路 101 概述 通信的目的是发送携带有各种信息的电信号。这些电信号包括携带声音信息的音频信号和携带图像信息的视频信号。这些信号通常是频率比较低的低频信号，并且有多种不同的频率成分，具有一定的频谱宽度（不同的频率所覆盖的范围）。 在通信领域中把携带有信息的电信号称为基带信号，或调制信号，用函数来表示。调制信号的频率比较低，根据波长和频率成反比的关系可得，调制信号的波长比较长。无线电辐射的理论证明，为了使电磁能量有效的向空间辐射，发射天线的尺寸必须与发射信号波长的1/10成正比。 为了解决这个问题，在无线电通信中用一个频率比较高，波长比较短的正弦波信号作为发射基带信号的载体，该信号称为载波，用函数来表示，载波的频率称为载频。 将基带信号加载到载波信号上的过程称为调制，常用的载波信号是正弦波信号，正弦波信号的特征取决于三要素。用基带信号分别去控制载波信号三要素的调制称为幅度调制（AM），频率调制（FM）和相位调制（PM），频率调制（FM）和相位调制（PM）又称为角度调制。 调制技术除了上面介绍的模拟调制之外，还有对数字信号进行调制的数字调制，数字调制也有幅度调制，频率调制和相位调制，分别称为振幅键控（ASK），频率键控（FSK）和相位键控（PSK）。,采用调制的技术不仅可以实现用高频载波发送基带信号以缩短天线长度的目的。还因为不同的电台采用不同频率的载波信号，实现了调制后信号的频谱分离，达到不同的电台所发送的信号在频谱上互不干扰的效果，该技术在通信系统中称为频分复用技术。,用电话线传输宽度网络信号就是利用频分复用的技术，实现电话的语言信号与宽带网络的数据信号在电话线中传输互不干扰的目的。有线电视也是利用频分复用的技术，实现不同频道的电视节目，在同一根闭路电缆线上传输互不干扰的目的。,在信息传输系统中，为了实现信息的远距离传输，在发信端通常也采用调制的方法对信号进行调制，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复出原信号。所谓的解调就是调制的逆过程，目的是将栽于高频载波信号上的调制信号提取出来。对信号进行调制和解调的电路称为调制-解调器，大家上网所用的“猫”就是一个调制-解调器。,102 幅度调制电路 普通的无线电广播采用幅度调制技术来发送信息，能够实现幅度调制功能的电路称为幅度调制电路。 1021调幅波电路,幅度调制信号的特点是：载波信号的幅度随调制信号的变化而变化。在无线通信系统中，调幅波信号用来发射广播电台的无线电广播信号。,调幅波信号的幅度随 的变化而变化，式中的 称为调幅系数或调幅度。它是描述调幅波调制深度的一个物理量，k越大，调幅波的调制深度越深，当k=1时，调制深度达到最大，这种状态称为百分之百调幅。当k大于1时，调幅波将出现失真的现象，这种状态称为过调制，实际的应用中应避免过调制现象的发生，实际应用中的k通常取0.30.6之间。,上式说明，不同频率的两个正弦信号，通过乘法器以后，产生了和频（+）和差频（-）的信号，这种现象在通信电路中称为变频。,BW=2max,频谱仪屏幕显示的结果还说明调制信号对载波信号的调幅作用相当于频谱的搬迁，单一频率的调制信号对载波信号的调制作用，可以将载波信号的频谱对称的搬迁到载波信号频谱的两边，形成上边频和下边 频信号，上边频与下边频的差称为调幅波信号的频谱宽度（带宽），用符号BW来表示。,1022双边带调制（DSB）,由于AM信号中的载频分量不包含调制信号的信息，调制信号的信息仅包含在边带信号中。为了提高发射机的效率，通常希望将不携带信息，又占用较大功率的载频信号抑制掉，仅将含有调制信号信息的两个边带信号发送出去，仅发送两个边带信号的调制技术称为双边带调制（DSB）技术。用乘法器就可以实现双边带调制技术，双边带调制电路为。,式中已经没有了载波信号的成分，说明载波信号被抑制了。比较两个电路可得，只要将AM调制电路中的直流分量去掉，就可以将产生AM信号的电路转变成DSB电路。,1023单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）,频谱分析仪屏幕显示出边带信号频谱对称的特点，在通信领域中，为了节省带宽，通常只发送上边带信号或者下边带信号给接收机，称为单边带调制（SSB）技术。发送上边带和部分下边带信号或者下边带和部分上边带信号给接收机的调制技术称为残留边带调制（VSB）技术。,实际的滤波器由于滤波的效果不理想，在传送单边带信号的同时，还适当保留另外一个边带的少量信号，这种调制技术称为残留边带调制（VSB）技术。模拟电视广播就是采用残留边带调制技术来传送模拟电视信号的。,1024相移法单边带调幅电路 用带通滤波器来获得单边带信号，由于cmax，故上下两个边带的相对距离很近，对滤波器特性的要求很高，难以实现，采用相移的方法可以很方便的得到单边带调制信号。,1025 正交调制电路 正交调制电路可实现用一个载波信号传送两路调制信号而不互相干扰的目的。,1026二极管平衡调制电路,103解调器 1031同步解调器 调幅电路是发射机发送的信号，接收机接收到发射机发送的调幅波信号后，需要解调电路从调幅波信号中不失真的解调出调制信号，它是调制的逆过程。双边带调制的解调电路也是用乘法器来实现，称为同步解调电路。,1032正交解调电路 对正交调制信号进行解调的电路称为正交解调电路。,综合使用正交调制-解调技术，可以实现用一个载波信号，同时传送两路调制信号，而不互相干扰的目的。彩色电视广播就是利用这个技术，实现用一个载波信号的频率来传送两路的色差信号，而不互相干扰的目的。,104调幅广播和变频电路 1041调幅广播发射系统,1042变频电路 变频就是将信号的频率从一个值变换到另一个值的过程。在无线电广播中，为了提高收音机和电视机的接收性能，通常采用超外差的接收方式。 变频电路在工作的过程中，接收机内部先要产生一个高频载波信号，因为，该信号是由接收机本身产生的，所以，称为本振信号（本机振荡）。在超外差接收的方式中，本振信号的频率比外界电台载波信号的频率高一个中频的值，两个信号在变频电路中复合，将两个信号的差频信号输出，形成固定的中频信号。因为，中频信号是本振信号与外界载波信号的差频，且本振信号的频率比外界载波信号的频率高，所以，这种接收模式称为超外差接收。 利用乘法器即可实现变频的功能，由乘法器组成的变频电路和频谱图如图所示。,1042分立元件收音机的变频电路,105调频和鉴频电路 10.51 调频和调相信号波形的特征,图中示波器屏幕上的第一个波形是输入的调制信号，第二个波形是输出的调频或调相信号。由图可见，调频和调相信号的特点是：载波信号的幅度不变，信号的频率或相位随调制信号的变化而变化。当调制信号的值为零时，调频信号的频率=c，该频率称为调频信号的中心角频率。,在调频技术中，调频信号的角偏移与调制信号的关系为,1052直接调频电路,1053鉴频电路 对调频信号的解调称为频率检波，简称鉴频，能够实现鉴频功能的电路称为鉴频器，最简单的鉴频器是单失谐回路的斜率鉴频器。,图中示波器屏幕上的第三个波形是调频信号源输出的调频信号，第二个波形是斜率鉴频器输出的调频调幅信号，第一个波形是二极管检波电路输出的低频调制信号。,单失谐回路斜率鉴频器电路的工作原理是：变压器T1次级线圈的电感L与电容C1组成LC并联谐振电路。电路中LC谐振网络的作用不是选频，所以，不工作在谐振的状态下，而是工作在失谐的状态下。 该电路的作用是将频率的变化转换成振幅的变化，输出如图所示的调频-调幅波信号。 二极管VD1、电容C2，C3和电阻R2、R3组成检波和滤波电路，从调频-调幅波的信号中提取出低频的调制信号。,1054集成调频电路 MC2831A就是一个可用来搭建调频发射机的集成电路。,1055集成鉴频电路 可以实现鉴频功能的集成电路有MC3361B等。MC3361B内部有振荡器，变频器，限幅放大器，鉴频器和音频放大器五个功能模块，有16根引脚。MC3361B除了可以实现鉴频功能的外，还具有接收调频信号的功能，相当于一个完整的单片接收机，MC3361B的应用电路如图所示。,10.6 锁相环电路及其应用 10.6.1 锁相环的组成和工作原理,1锁相环的基本组成 锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。,2锁相环的工作原理,“频率牵引” 自动跟踪使锁相环进入频率锁定的状态,图中的受控信号源是压控振荡器，该器件的输出信号频率随控制电压的变化而变化。示波器屏幕上的第一个波形是外界输入信号的波形，第二个波形是锁相环电路的输出波形，两个波形的频率相同，相位差恒定，实现锁相的功能。 第三个波形是鉴相器输出信号的波形；第四个波形是低通滤波器输出信号的波形，该信号是压控振荡器的控制电压，在相位被锁定的情况下，该信号为直流电。,10.6.2 锁相环的应用 1锁相环在调制和解调中的应用 （1）调频电路 调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。利用锁相环组成的调频电路框图如图所示。,2锁相环鉴频电路 利用锁相环组成的鉴频电路框图如图所示。,10.6.3锁相环在频率合成电路中的应用 在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。 图中的N1时，为分频电路；当0N1时，为倍频电路。,1064调频广播系统的发射和接收 普通的无线电广播是调幅广播系统，立体声广播和电视伴音采用调频广播系统，调频广播系统的发射机组成框图如图所示。,图中的振荡器为石英晶体振荡器，语音信号通过麦克风输入到音频放大器中；在调频广播中，为了减少干扰信号对高音信号的影响，采用预加重技术，提升高音信号的幅度；预加重处理后的调制信号与高频载波信号在调频电路中实现频率的调制输出调频波信号，该信号经倍频器扩大频偏的处理后通过功率放大器由天线发射出去。,预加重处理电路实际上就是一个波特图和预加重需求（高音提升，低音降低）相吻合的高通滤波器，该电路波特图的幅频特性如图（a）所示，图（b）是去加重电路波特图的幅频特性。,调频广播和电视伴音都是立体声广播，立体声广播有两路调制信号，分别称为左声道（L）和右声道（R）信号。用前面介绍的正交调制技术就可以实现用一个载波信号同时传送两路声音信号的目的。 但在调频立体声广播系统中，为了兼容单声道接收的需求，采用调幅-调频的方法来实现用一个载波信号同时传送两路声音信号的目的，调频立体声广播系统发射机的组成框图如图所示。,在如图所示的系统中，左右声道信号经过预加重电路处理后，在矩阵电路中形成主信号L+R和副信号L-R，L-R的信号在调幅电路中对比主载波频率低的副载波信号进行调制，形成调幅波； 为了在接收端采用同步解调的方法从调幅波中解调出L-R的信号，将副载波发生器输出的副载波信号经二分频电路降低频率后形成导频信号；L+R的信号，调幅波信号和导频信号在加法器中形成复合信号； 复合信号在频率调制电路中对主载波振荡器输出的主载波信号进行频率调制，形成调频信号，该信号通过倍频电路处理后，经功率放大器从发射天线送出。,调频广播发射的信号可以用调频立体声接收机接收，也可以用单声道的接收机接收，调频立体声接收机的组成框图如图所示。,根据组成框图可得，调频立体声接收机也是采用超外差的接收方式。高频放大器将天线接收到的信号放大后，在变频电路中变成10.7MHz的中频信号；中频信号经中频放大器放大后，经过鉴频电路还原成复合信号； 立体声解码器将复合信号解码成左右声道的信号，分别送到静躁和去加重电路中进行去加重的处理后，通过功率放大器输出左右声道的立体声广播信号。,107 数字调制电路简介 采用数字信号对载波信号进行调制的技术称为数字调制。最简单的数字调制技术中载波信号是正弦波信号，调制信号是二进制的基带信号。与模拟调制相同，
