G通信电子线路电子CH6.pptx
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1、第第6章章 调幅、调幅、检波与混频电路检波与混频电路6.1 概述概述 调制电路与解调电路是通信系统中的重要组成部分。调制电路与解调电路是通信系统中的重要组成部分。在模拟系统里在模拟系统里,按照载波波形的不同按照载波波形的不同,可分为可分为:(1)脉冲调制脉冲调制 (2)正弦波调制正弦波调制 调调制制是是在在发发射射端端将将调调制制信信号号从从低低频频段段变变换换到到高高频频段段,便便于于天天线线发发送送或或实实现现不不同同信信号号源源、不不同同系系统统的的频频分分复复用用;解解调调是是在在接接收收端端将将已已调调波波信信号号从从高高频频段段变变换到低频段换到低频段,恢复原调制信号。恢复原调制信
2、号。脉脉冲冲调调制制是是以以高高频频矩矩形形脉脉冲冲为为载载波波,用用低低频频调调制制信信号号分分别别去去控控制制矩矩形形脉脉冲冲的的幅幅度度、宽宽度度或或位位置置三三个个参参量量,分分别别称称为为脉脉幅幅调调制制(PAM),脉脉宽宽调调制制(PDM)和和脉脉位调制位调制(PPM)。正正弦弦波波调调制制是是以以高高频频正正弦弦波波为为载载波波,用用低低频频调调制制信信号号分分别别去去控控制制正正弦弦波波的的振振幅幅、频频率率或或相相位位三三个个参参量量,分分别别称称为为调调幅幅(AM)、调调频频(FM)和和调调相相(PM)。对时域的理解有利于区别调幅和调角的差异,对时域的理解有利于区别调幅和调
3、角的差异,但对于区分不同调幅的产物但对于区分不同调幅的产物调幅波调幅波(也称已调波也称已调波)则是不够的。至于各种调幅波的差异问题,最好从则是不够的。至于各种调幅波的差异问题,最好从频域角度来考虑。频域角度来考虑。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,即即低低频频信信号号,去去控控制制高高频载波振幅来实现。频载波振幅来实现。怎样来理解调幅怎样来理解调幅(AM)调制呢?调制呢?怎样来理解解调呢?怎样来理解解调呢?解调的作用是从已调波中还原一个与原基带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。
4、信号变化规律一致的电信号。6.2 振幅调制与解调原理振幅调制与解调原理 6.2.1 普通调幅普通调幅(Am)方式方式 1.1 普通调幅信号的表达式、普通调幅信号的表达式、波形波形 普普通通调调幅幅方方式式是是用用低低频频调调制制信信号号去去控控制制高高频频正正弦弦波波(载载波波)的振幅的振幅,使其随调制信号波形的变化而呈线性变化。使其随调制信号波形的变化而呈线性变化。设载波为设载波为 uc(t)=Ucmcosct,调制信号为单频信号,即调制信号为单频信号,即u(t)=Umcost,则普通调幅信号为则普通调幅信号为:uAM(t)=(Ucm+Um cos t)cosct =Ucm(1+Macost
5、)cosct (6.2.1)其中调幅指数其中调幅指数Ma=,其中其中 0Ma1 图图6.2.1(a)给出了给出了u(t),u c(t)和和uAM(t)的波形图。的波形图。从图中并结合式从图中并结合式(6.2.1)可以看出可以看出,普通调幅信号普通调幅信号的振幅由直流分量的振幅由直流分量Ucm和和交流分量交流分量Um cost迭加迭加而成而成,其中交流分量与调其中交流分量与调制信号成正比。制信号成正比。简单说简单说,普通调幅信号普通调幅信号的包络的包络(信号振幅各峰值点信号振幅各峰值点的连线的连线)完全反映了调制信完全反映了调制信号的变化。号的变化。式中,式中,Umax和和Umin分别指分别指u
6、AM(t)的最大值和最小值。的最大值和最小值。无论无论Ma是否大于是否大于1我们我们都将式都将式(6-2-2)的的uAM(t)最大值最大值连成的光滑曲线连成的光滑曲线(如图如图6-2-1中中所示的所示的uAM(t)波形上的虚线波形上的虚线)称为上包络,将称为上包络,将uAM(t)最小值最小值连成的光滑曲线称为下包络。连成的光滑曲线称为下包络。(6-2-2)根据定义,我们还可得到调幅指数根据定义,我们还可得到调幅指数Ma的表达式:的表达式:1、认真分析、认真分析Ma的含义,它与的含义,它与Umax、Umin和和Ucm之间的关系,请同学们用表达式给出。之间的关系,请同学们用表达式给出。2、当当Ma
7、 的值与调幅调制的关系,分三种的值与调幅调制的关系,分三种情况讨论:情况讨论:(1)Ma 小于小于1(2)Ma 等于等于1(3)Ma 大于大于1讨论:讨论:显显然然,当当Ma1时时,普普通通调调幅幅波波的的包包络络变变化化与与调调制制信信号号不不再再相相同同,产产生生了了失失真真,称称为为过过调调制制,如如图图6.2.2所所示示。所所以以,普普通通调幅要求调幅要求Ma必须不大于必须不大于1。可见可见,uAM(t)的频谱包括了三个频率分量:的频谱包括了三个频率分量:、和和 ,原原调调制制信信号号的的频频带带宽度是宽度是 或(或(F=)1.2 普通调幅信号的频谱普通调幅信号的频谱由式由式(6.2.
8、1):uAM(t)=(Ucm+k Um cos t)cosct =Ucm(1+Macost)cosct =Ucmcosct+cos(c+)t+cos(c-)t(6.2.3)c(载波载波)c+(上边频上边频)c-(下边频下边频)图图6.2.1(b)调制信号频谱图调制信号频谱图 普通调幅信号的普通调幅信号的频带宽度是频带宽度是2(或或2F),是原调制信号是原调制信号的两倍。普通调幅的两倍。普通调幅将调制信号频谱搬将调制信号频谱搬移到了载频的左右移到了载频的左右两旁。两旁。结论:结论:uAM(t)=Ucmcosct+cos(c+)t+cos(c-)t1.3 普通调幅信号的功率谱普通调幅信号的功率谱
9、若此单频调幅信号加在负载若此单频调幅信号加在负载R上上,则载频分量则载频分量产生的平均功率为产生的平均功率为:Pc=(6.2.4)由式由式(6.2.3)还可以看到还可以看到,两个边频分量产两个边频分量产生的平均功率相同生的平均功率相同,均为均为:PSB=调幅信号总平均功率为调幅信号总平均功率为:Pav=Pc+2PSB=(6.2.6)(6.2.5)由于被传送的调制信息只存在于边频分量而不由于被传送的调制信息只存在于边频分量而不在载频分量中在载频分量中,所以从式所以从式(6.2.6)可知可知,携带信息的边携带信息的边频功率最多只占总功率的三分之一频功率最多只占总功率的三分之一(因为因为Ma1)。在
10、在实实际际系系统统中中,平平均均调调幅幅指指数数很很小小,所所以以边边频频功功率占的比例更小率占的比例更小,功率利用率更低。功率利用率更低。为为了了提提高高功功率率利利用用率率,可可以以只只发发送送两两个个边边频频分分量量而而不不发发送送载载频频分分量量,或或者者进进一一步步仅仅发发送送其其中中一一个个边边频频分分量量,同同样样可可以以将将调调制制信信息息包包含含在在调调幅幅信信号号中中。这这两两种种调调幅幅方方式式分分别别称称为为抑抑制制载载波波的的双双边边带带调调幅幅(简简称称双双边边带带调调幅幅)和和抑抑制制载载波波的的单单边边带带调调幅幅(简简称称单单边边带带调调幅幅),在以下两小节将
11、分别给予介绍。在以下两小节将分别给予介绍。根根据据信信号号分分析析理理论论,一一般般非非周周期期调调制制信信号号u(t)的的频频谱谱是是一一连连续续频频谱谱,假假设设其其频频率率范范围围是是minmax,如如载载频频仍仍是是c,则则这这时时的的普普通通调调幅幅信信号号可可看看成成是是调调制制信信号号中中所所有有频频率率分分量量分分别别与与载载频频调调制制后后的的迭迭加加,各各对对上上、下下边边频频的的迭迭加加组组成成了了上上、下下边边带带,相相应应的的波波形形和和频频谱谱如如图图6.2.3所所示示。可可见见,这这时时普普通通调调幅幅信信号号的的包包络络仍仍然然反反映映了了调调制制信信号号的的变
12、变化化,上上边边带带与与下下边边带带呈呈对对称称状状分分别别置置于于载载频频的的两两旁旁,且且都都是是调调制制信信号号频频谱谱的的线线性性搬搬移移,上上、下下边边带带的的宽宽度度与与调调制制信信号号频频谱谱宽宽度度分分别别相相同同,总总频频带带宽宽度仍为调制信号带宽的两倍度仍为调制信号带宽的两倍,即即BW=2max。2 普通调幅信号的产生和解调方法普通调幅信号的产生和解调方法 式式(6.2.1)可以改写如下:可以改写如下:由由上上式式可可见见,将将调调制制信信号号与与直直流流相相加加后后,再再与与载载波波信信号号相相乘乘,即即可可实实现现普普通通调调幅幅。图图6.2.4给给出出了了相相应应的的
13、原原理理方方框框图图。由由于于乘乘法法器器输输出出信信号电平不太高号电平不太高,所以这种方法称为低电平调幅所以这种方法称为低电平调幅 第第3章章曾曾经经讨讨论论过过利利用用丙丙类类谐谐振振功功放放的调制特性也可以产生普通调幅信号。的调制特性也可以产生普通调幅信号。由由于于功功放放的的输输出出电电压压很很高高,故故这这种种方方法称为高电平调幅。法称为高电平调幅。思思考考:在在模模电电中中该该电电路路可可以以用用什什么么器器件件组组合合构构成成?普通调幅信号的解调方法有两种普通调幅信号的解调方法有两种,即包即包络检波和同步检波络检波和同步检波(1)包络检波。包络检波。利用普通调幅信号的包络反映了调
14、制利用普通调幅信号的包络反映了调制信号波形变化这一特点信号波形变化这一特点,如能将包络提取出如能将包络提取出来来,就可以恢复原来的调制信号。这就是包就可以恢复原来的调制信号。这就是包络检波的原理。络检波的原理。图图6.2.5给出了包络检波的给出了包络检波的原理图。原理图。图图6.2.5中的非线性器件可以用晶体二极管中的非线性器件可以用晶体二极管,也可以也可以用晶体三极管。用晶体三极管。(2)同步检波。同步检波。同同步步检检波波必必须须采采用用一一个个与与发发射射端端载载波波同同频频同同相相(或或固定相位差固定相位差)的信号的信号,称为同步信号。称为同步信号。同同步步检检波波可可由由乘乘法法器器
15、和和低低通通滤滤波波器器实实现现,其其原原理理见图见图6.2.6。6.2.2双边带调幅方式双边带调幅方式 1 双边带调幅信号的特点双边带调幅信号的特点 设载波为uc(t)=Ucmcosct,单频调制信号为u(t)=Um cost(c),则双边带调幅信号为:uDSB(t)=ku(t)uc(t)=kUm Ucmcostcosct =cos(c+)t+cos(c-)t 其中k为比例系数。可见双边带调幅信号中仅包含两个边频,无载频分量,其频带宽度仍为调制信号带宽的两倍。图6.2.7显示了单频调制双边带调幅信号的有关波形与频谱图。需要注意的是,双双边边带带调调幅幅信信号号不不仅仅其其包包络络已已不不再再
16、反反映映调调制制信信号号波波形形的的变变化化,而而且且在在调调制制信信号号波波形形过过零零点点处处的的高高频频相相位位有有180的的突突变变。由式(6.2.10)可以看到,在调制信号正半周,cost为正值,双边带调幅信号uDSB(t)与载波信号uc(t)同相;在调制信号负半周,cost为负值,uDSB(t)与uc(t)反相。所以,在正负半周交界处,uDSB(t)有180相位突变。2 双边带调幅信号的产生与解调方法双边带调幅信号的产生与解调方法 由式(6.2.10)可以看出,产生双边带调幅信号的最直接法就是将调制信号与载波信号相乘。由于双边带调幅信号的包络不能反映调制信号,所以包络检波法不适用,
17、而同步检波是进行双边带调幅信号解调的主要方法。与普通调幅信号同步检波不同之处在于,乘法器输出频率分量有所减少。设 双 边 带 调 幅 信 号 如 式(6.2.10)所 示,同 步 信 号 为ur(t)=Urmcosct,则乘法器输出为:uo(t)=k2uDSB(t)ur(t)=k2kUrmUm Ucmcostcos2ct 其中k2是乘法器增益。用低通滤波器取出低频分量,即可实现解调。将式(6.2.10)所示双边带信号取平方,则可以得到频率为2c的分量,然后经二分频电路,就可以得到c分量。这是从双边带调幅信号中提取同步信号的一种方法。6.2.3单边带调幅方式单边带调幅方式 单边带调幅方式是指仅发
18、送上、下边带中的一个。如以发送上边带为例,则单频调制单边带调幅信号为:由上式可见,单频调制单边带调幅信号是一个角频率为c+的单频正弦波信号,但是,一般的单边带调幅信号波形却比较复杂。不过有一点是相同的,即单边带调幅信号的包络已不能反映调制信号的变化。单边带调幅信号的带宽与调制信号带宽相同,是普通调幅和双边带调幅信号带宽的一半。v产生单边带调幅信号的方法主要有滤波法、滤波法、相移法相移法以及两者相结合的相移滤波法相移滤波法。uSSB(t)=cos(c+)t (6.2.12)1 滤波法滤波法 这这种种方方法法是是根根据据单单边边带带调调幅幅信信号号的的频频谱谱特特点点,先先产产生生双双边边带带调调
19、幅幅信信号号,再再利利用用带带通通滤滤波波器器取取出出其其中中一一个个边边带带信信号号。滤滤波波法原理见图法原理见图6.2.8。由图由图6.2.7(b)所示双边带调幅信号频谱图可以推知所示双边带调幅信号频谱图可以推知,对于频对于频谱范围为谱范围为minmax的一般调制信号的一般调制信号,如如min很小很小,则上、则上、下两个边带相隔很近下两个边带相隔很近,用滤波器完全取出一个边带而滤除用滤波器完全取出一个边带而滤除另一个边带是很困难的。另一个边带是很困难的。2 相移法相移法 这种方法是基于单边带调幅信号的时域表达这种方法是基于单边带调幅信号的时域表达(6.2.12)所示单频单边带调幅信号可写成
20、所示单频单边带调幅信号可写成:uSSB(t)=uSSB(t)=cos(c+)t (6.2.12)由由上上式式可可知知,只只要要用用两两个个90相相移移器器分分别别将将调调制制信信号号和和载载波波信信号号相相移移90,成成为为sint和和sinct,然然后后进进行行相相乘乘和和相相减减,就就可以实现单边带调幅可以实现单边带调幅,如图如图6.2.9所示。所示。uSSB(t)=显然显然,对单频信号进行对单频信号进行90相移比较简单相移比较简单,但是对于一个包含许但是对于一个包含许多频率分量的一般调制信号进行多频率分量的一般调制信号进行90相移相移,要保证其中每个频要保证其中每个频率分量都准确相移率分
21、量都准确相移90是很困难的。是很困难的。3 相移滤波法相移滤波法 滤滤波波法法的的缺缺点点在在于于滤滤波波器器的的设设计计困困难难。若若调调制制信信号号频频率率范范围围为为FminFmax,则则上上下下边边带带间间隔隔为为2Fmin。如如果果要要求求滤滤波波器器取取出出一一个个边边带带而而滤滤除除另另一一个个边边带带,则则过过渡渡带带宽宽度度就就是是2Fmin。当当滤滤波波器器的的过过渡渡带带宽宽度度固固定定,则则工工作作频频率率越越高高,要要求求衰衰减减特特性性越越陡陡峭峭,实实现现越越困困难难。举举个个例例子子,设设过过渡渡带带宽宽度度2Fmin=1kHz,要要求求在在过过渡渡带带内内衰衰
22、减减20 dB,若若工工作作频频率率fc=1MHz,则则滤滤波波器器边边沿沿的的衰衰减减特特性性必必须须为为-46 000dB10倍倍频频程程;若若工工作作频频率率fc=10kHz,则则要要求求相相应应的的衰衰减减特特性性为为-500dB10倍频程。倍频程。相相移移法法的的困困难难在在于于宽宽带带90相相移移器器的的设设计计,而而单单频频90相相移移器的设计比较简单。器的设计比较简单。结结合合两两种种方方法法的的优优缺缺点点而而提提出出的的相相移移滤滤波波法法是是一一种种比比较较可行的方法可行的方法,其原理图见图其原理图见图6.2.10。相相移移滤滤波波法法的的关关键键在在于于将将载载频频c分
23、分成成1和和2两两部部分分,其其中中1是是略略高高于于max的的低低频频,2是是高高频频,即即c=1+2。现现仍仍以以单单频频调调制制信信号号为为例例说说明明此此法法的的原原理理。为为简简化化起起见见,图图6.2.10中中各各信号的振幅均表示为信号的振幅均表示为1。调调制制信信号号u(t)与与两两个个相相位位差差为为90的的低低载载频频信信号号u1、u1分分别别相相乘乘,产产生生两两个个双双边边带带信信号号u3、u4,然然后后分分别别用用滤滤波波器器取取出出u3、u4中中的的下下边边带带信信号号u5和和u6。因因为为1是是低低频频,所所以以用用低低通通滤滤波波器器也也可可以以取取出出下下边边带
24、带u5和和u6。由由于于1 c,故故滤滤波波器器边边沿沿的的衰衰减减特特性性不不需需那那么么陡陡峭峭,比比较较容容易易实实现现。取取出出的的两两个个下下边边带带信信号号分分别别再再与与两两个个相相位位差差为为90的的高高载载频频信信号号u2、u2相相乘乘,产产生生u7、u8两个双边带信号。将两个双边带信号。将u7,u8相减相减,则可以得到则可以得到 uo(t)=u7-u8=cos2tcos(1-)t-sin2tsin(1-)t =cos(2+1-)t=cos(c-)t 其中其中u(t)就是单边带调幅信号。就是单边带调幅信号。与与双双边边带带调调幅幅信信号号相相同同,单单边边带带调调幅幅信信号号
25、的的解解调调也也不不能能采采用用包包络络检检波波方方式式而而只只能能采采用用同同步步检检波波方方式式。与与普普通通调调幅幅与与双双边边带带调调幅幅方方式式不不同同之之处处在在于于,从从单单边边带带调调幅幅信信号号中中无无法法提提取取同同步步信信号号。一一般般可可在在发发送送单单边边带带调调幅幅信信号号的的同同时时,也也附附带带发发送送一一个个功功率率较较小小的的载载波波信信号号,供供接接收收端端从从中中提提取取作作为为同同步步信信号号。6.2.4残留边带调幅方式残留边带调幅方式 残留边带调幅是指发送信号中包括一个完整边带、载波及另一个边带的小部分(即残留一小部分)。这样,既比普通调幅方式节省了
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