振幅调制、 解调及混频.ppt

第6章 振幅调制、 解调及混频,6.1 振幅调制 6.2 调幅信号的解调6.3 混频6.4 混频器的干扰,6.1 振幅调制,一、几个基本概念 1、调制：调制是指利用调制信号去控制载波的某个参数的过程 2、调制信号：是指由原始消息（如声音、数据、图象等）转变成的低频或视频信号可以是模拟信号，也可是数字信号通常用uΩ或f(t)表示 3、载波信号：是指未受调制的高频振荡信号可以是正弦信号，也可是非正弦信号 4、已调波信号：是指受调制后的高频信号，即已经把调制信号加载到载波中的信号5、解调：是调制的逆过程，即从已调波信号中提取原调制信号的过程 6、振幅调制：是指利用调制信号去控制载波的振幅，使载波信号的振幅按调制信号的规律变化 7、振幅调制的分类： (1) 普通调幅方式（AM）：其输出的已调信号称为调幅波 (2) 抑制载波的双边带调制：其输出的已调信号称为双边带信号(DSB) (3) 抑制载波的单边带调制：其输出的已调信号称为单边带信号(SSB)二、振幅调制信号分析（一）调幅波（AM）的分析 1、调幅波的表达式及波形 （1）调制信号为单一频率的余弦信号 设载波电压为,调制电压为,（6-1）,（6-2）,通常载波频率与调制信号满足ωc>>Ω。

根据振幅调制信号的定义，已调信号的振幅随调制信号uΩ线性变化，由此可得振幅调制信号振幅Um（t）为 Um(t)=UC+ΔUC（t）=UC+kaUΩcosΩt =UC(1+mcosΩt) （6-3）式中：ΔUC(t)与调制电压uΩ成正比，其振幅ΔUC=kaUΩ与载波振幅之比称为调幅度（调制度）：,(6-4),式中，ka为比例系数，一般由调制电路确定，故又称为调制灵敏度调幅度：,图6-1 AM调制过程中的信号波形,由此可得调幅信号的表达式： uAM(t)=UM(t)cosωct=UC(1+mcosΩt)cosωct （6-5）,为了使已调波不失真，即高频振荡波的振幅能真实地反映出调制信号的变化规律，调幅度m应小于或等于1，当m>1时，称为过调幅2）调制信号为一连续频谱信号f(t) 上面的分析是在单一正弦信号作为调制信号的情况下进行的，而一般传送的信号并非为单一频率的信号，例如是一连续频谱信号f（t），这时，可用下式来描述调幅波：,（6-6 ）,式中，f（t）是均值为零的归一化调制信号，即|f(t)|max=1。

若将调制信号分解为：,(6-7),则调幅波表示式为：,调制信号和已调波示意图如图6-3所示图6-2 实际调制信号的调幅波形,图6-3 AM信号的产生原理图,（3）调制电路框图 由(6-5)式可以看出，要完成AM调制，可以用图6-3所示的原理框图实现，其关键在于实现调制信号和载波信号的相乘2、调幅波的频谱 由图6-1(c)可知，调幅波不是一个简单的正弦波形在单一频率的正弦信号的调制情况下，调幅波如式（6-5）所描述将式（6-5）用三角公式展开，可得：,(6-8),上式表明：单频调制的调幅波包含三个频率成分，即它由三个高频正弦波叠加而成其频谱如图6-4所示图6-4 单音调制时已调波的频谱 （a）调制信号频谱（b）载波信号频谱 （c）AM信号频谱,显然： 1) 频谱的中心分量就是载波分量，它与调制信号无关，不含消息； 2) 两个边频分量分量ωc＋Ω及ωc － Ω则以载频为中心对称分布，两个边频信号的幅度相等并与调制信号幅度成正比 3) 边频相对于载频的位置仅取决于调制信号的频率因此调制信号的幅度、频率消息只包含在边频分量中。

在多频调制的情况下，各个低频频率分量所引起的边频对组成了已调波的上下两个边带如图6-5所示图6-5 语音信号及已调信号频谱 （a）语音频谱（b）已调信号频谱,3、调幅波的功率由于调幅波的振幅是变化的，因此存在几种功率，如载波功率、最大功率、最小功率、平均功率等根据前面的有关公式，在负载电阻RL上消耗的载波功率为：,(6-9),(6-10),在负载电阻RL上，一个载波周期内调幅波消耗的功率为,由此可见，P是调制信号的函数，是随时间变化的上、下边频的平均功率均为：,(6-11),(6-12),AM信号的平均功率,由上式可以看出，AM波的平均功率等于载波功率与两个边带功率之和而两个边频功率与载波功率的比值为：,边频功率,载波功率,,(6-13),同时可以得到调幅波的最大功率和最小功率，它们分别对应调制信号的最大值和最小值为（由6-10直接可得）:,(6-14),总结：由前面分析可得： (1) 当调幅度m=1时，调幅波的最大功率为载波功率的4倍，而最小功率为零，因此由于最大、最小功率相差太大，对特定的功放管而言，其额定输出功率将大大受限； (2) 当m＝1时，不携带调制信号的载波成分将占用调幅波总功率的2/3，而带有信号的边频只调幅波总功率的1/3，因此功率浪费大，效率低；若m<1，则效率更低。

二）双边带信号（DSB） 在调制过程中，将载波抑制就形成了抑制载波双边带信号，简称双边带信号它可用载波与调制信号相乘得到，其表示式为：,若调制信号为单一正弦信号uΩ=UΩcosΩt调制时，,（6-16）,（6-15）,其中g(t)在是可正可负的，它与普通调幅波的幅度函数U(t)是不同的信号波形如图6-6所示图6-6 DSB信号波形,DSB信号与AM信号相比，有如下特点： （1）包络不同AM波的包络正比于调制信号f(t)波形，而DSB信号波形的包络正比于|f(t)| （2）DSB信号的高频载波相位在调制电压零交点处（调制电压正负交替时）要突变180°——即反相 （3）由于DSB信号不含载波，它的全部功率为边带占有，所以，发射的都载有消息，功率利用率高于AM三）单边带信号（SSB）1、单边带信号的概念：单边带（SSB）信号是由DSB信号经边带滤波器滤除一个边带或在调制过程中，直接将一个边带抵消而成 2、单频信号调制时的单边带信号 单频调制时，uDSB（t）=kuuΩuC当取上边带时：,（6-17）,（6-18）,取下边带时：,显然，他们均为单一频率成分的信号。

图6-7 单音调制的SSB信号波形,单边带信号的波形及频谱如图6-7和图6-8所示，由于它们为单一频率成分的信号，因此，单纯从该信号中是无法知道原来调制信号，也无法看出实际该信号的特征图6-8 单边带调制时的频谱搬移,3、双音调制时的单边带信号 为了看清SSB信号波形的特点，下面分析双音调制时产生的SSB信号波形为分析方便设双音频振幅相等，即：,且Ω2＞Ω1，则可以写成下式：,受uΩ调制的双边带信号为,（6-19）,(6-20),(6-21),(6-22),取上边带信号，波形如图6-9：,图6-9 双音调制时SSB信号的波形和频谱,进一步展开有：,(6-23),由上面的分析可知： 1) 比较式(6-20)和式(6-22)可见，若将 看成是调制信号的包络， 为调制信号的填充频率，则SSB信号的包络与调制信号的包络形状相同，填充频率移动了 2) 比较式(6-19)和式(6-23)可以看出，每一个调制频率分量产生一个对应的单边带信号分量，它们件的关系和单音调制时一样，振幅之间成正比，频率则线性移动。

4、单边带调制与信号变换 由式（6-17）和式（6-18），利用三角公式，可得： uSSB(t)=UcosΩtcosωct-UsinΩtsinωct (6-24a)或 uSSB(t)=UcosΩtcosωct+UsinΩtsinωct (6-24b)式(6-24a)对应于上边带，式(6-24b)对应于下边带这是SSB信号的另一种表达式，由此可以推出uΩ(t)=f(t)，即一般情况下的SSB信号表达式 ：,(6-25),式中，“＋”对应上边带，“—”对应下边带由于,sgn(ω)是符号函数，可得 的傅里叶变换,(6-26),(6-27),(6-28),上式中， 是 f(t) 的希尔伯特(Hilbert)变换，即,该式意味着对信号F(ω)的各种频率分量均移项-π/2就可得到 ，其传输特性如图6-10所示图6-10 希尔伯特变换网络及其传递函数,总结： 单边带调制从本质上说是幅度和频率都随调制信号改变的调制方式但是，由于它产生的已调信号频率与调制信号频率件只是一个线性变换关系（线性搬移），这一点与AM、DSB类似，因此通常还是把它归结为振幅调制。

SSB调制的特点：占用频带窄，功率利用率高 5、连续频谱信号的调制 对于连续频谱信号的调制，如图6-11所示图6-11语音调制的SSB信号频谱(a)DSB频谱 (b)上边带频谱 (c)下边带频谱,三、 振幅调制电路1、概述 (1) 由上述分析可以看出，AM、DSB和SSB信号都是将调制信号的频谱搬移到载频上去，搬移的过程中，频谱结构不发生变化，因此均为线性调制（频谱的线性搬移） (2) 比较AM、DSB和SSB信号的频谱可知：AM：下边带(频)——差频、载频、上边带(频)——和频DSB：下边带(频) ——差频、上边带(频) ——和频；SSB：只有下边带(频) ——差频或只有上边带(频) ——和频因此实现调幅（频谱的线性搬移）必须以乘法器或平方项为基础，然后通过合适的滤波器选出所需成分3) 振幅调制的分类： 1) 高电平调制：是将高频功放和调制电路合二为一，调制后的信号不需再放大就直接发送出去的方式主要原理依据是前面高频功放的调制特性； 2) 低电平调制：是将调制电路与高频功放分开，调制后的信号电平较低，需经功率放大后达到一定的发射功率再发送出去。

(4) 调制电路的基本要求：调制效率高，调制线形范围大，失真小等2、AM调制电路 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 (1) 高电平调制（功放与调制电路合二为一） 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通常分为：集电极调幅、基极调幅以及集电极基极(或发射极)组合调幅，其中为了保证调制的线性特性： 基极调幅： 工作在欠压区，如图6-12、6-13所示； 集电极调幅：工作在过压区，如图6-14、6-15所示图6-12 集电极调幅电路,图6-13 集电极调幅的波形,图6-14 基极调幅电路,图6-15 基极调幅的波形,(2) 低电平调制 （通过线性频谱搬移电路实现） 1)二极管电路用单二极管电路和平衡二极管电路作为调制电路，都可以完成AM信号的产生，图6-16(a)为单二极管调制电路当UC>>UΩ时，由式(5―38)可知，流过二极管的电流iD为,(6-29),电流iD的频谱如图6-16(b)所示，经输出滤波器(调谐在ωc，带宽为2F)选出输出频率分量：下边带(频)——差频、载频、上边带(频)——和频，即AM信号。