高頻電子電路第7章振幅調制和解調

1、1. 熟悉調幅波的數(shù)學表示式和波形；熟悉調幅波的數(shù)學表示式和波形； 2. 了解調幅波的頻譜、帶寬和功率關系；了解調幅波的頻譜、帶寬和功率關系； 3. 掌握普通調幅、雙邊帶、單邊帶調制電路的組掌握普通調幅、雙邊帶、單邊帶調制電路的組成、工作原理和性能特點；成、工作原理和性能特點； 4. 了解單邊帶通信的優(yōu)缺點；了解單邊帶通信的優(yōu)缺點； 5. 了解檢波器的質量指標；了解檢波器的質量指標； 6. 掌握二極管包絡檢波器和同步檢波器的電路組掌握二極管包絡檢波器和同步檢波器的電路組成、工作原理和性能特點；成、工作原理和性能特點； 7.了解不產生對角線失真和負峰切割失真的條件。了解不產生對角線失真和負峰切割

2、失真的條件。 1.1.定義定義 將要傳送的信息裝載到某一高頻載頻信將要傳送的信息裝載到某一高頻載頻信號上去的過程。號上去的過程。高頻振蕩高頻放大話筒聲音緩沖發(fā)射 天線倍頻調制音頻放大2. 調制的原因調制的原因4從切實可行的天線出發(fā)從切實可行的天線出發(fā) 為使天線能有效地發(fā)送和接收電磁波，天線的幾何為使天線能有效地發(fā)送和接收電磁波，天線的幾何尺寸必須和信號波長相比擬，一般不宜短于尺寸必須和信號波長相比擬，一般不宜短于1/4波長。波長。音頻信號音頻信號: 20Hz20kHz 波長：波長：15 15000 km天線長度天線長度: 3.75 3750km4便于不同電臺相同頻段基帶信號的同時接收便于不同電

3、臺相同頻段基帶信號的同時接收頻譜搬移頻譜搬移1c2c4可實現(xiàn)的回路帶寬可實現(xiàn)的回路帶寬基帶信號特點：頻率變化范圍很大?；鶐盘柼攸c：頻率變化范圍很大。QfBW0高頻窄帶信號高頻窄帶信號頻譜搬移頻譜搬移低頻（音頻）低頻（音頻）: 20Hz20kHz1000minmaxff高頻（射頻）高頻（射頻）:3minmaxffAM廣播信號廣播信號: 535 1605kHz，BW=20kHz501k1000k200fBW2k10k200fBW lowhigh2020k10k1000k100k3. 調制的方式和分類調制的方式和分類調幅調幅調相調相調制調制連續(xù)波調制連續(xù)波調制脈沖波調制脈沖波調制脈寬調制脈寬調制振

4、幅調制振幅調制編碼調制編碼調制調頻調頻脈位調制脈位調制4. 調幅的方法調幅的方法平方律調幅平方律調幅斬波調幅斬波調幅調幅方法調幅方法低電平調幅低電平調幅高電平調幅高電平調幅集電極調幅集電極調幅基極調幅基極調幅 高 頻 放 大 fs fs 本 地 振 蕩 fo 混 頻 fo fs = fi fi 低 頻 放 大 檢 波 中 頻 放 大 F F 1. 定義：定義： 從振幅受調制的高頻信號中還原出原調制從振幅受調制的高頻信號中還原出原調制的信號。的信號。2. 組成組成3. 檢波的分類檢波的分類二極管檢波器二極管檢波器三極管檢波器三極管檢波器檢波檢波器件器件信號大小信號大小小信號檢波器小信號檢波器大信

5、號檢波器大信號檢波器工作特點工作特點包絡檢波器包絡檢波器同步檢波器同步檢波器1. 普通調幅波的數(shù)學表示式普通調幅波的數(shù)學表示式首先討論單音調制的調幅波。首先討論單音調制的調幅波。載波信號：載波信號： tV000cosv調制信號：調制信號： tVcosv調調 幅信號（已調波）：幅信號（已調波）： ttV0mAMcos)(v由于調由于調 幅信號的振幅與調制信號成線性關系，即有：幅信號的振幅與調制信號成線性關系，即有： tVkVtVcos)(a0m，式中，式中ak為比例常數(shù)為比例常數(shù)即：即： )cos1 ()cos1 ()(a00a0mtmVtVVkVtV式中式中ma為調幅度，為調幅度， 0aaVV

6、km常用百分比數(shù)表示。常用百分比數(shù)表示。ttmV0a0AMcos)cos1 (v)1 (aomaxmVVoV)1 (aominmVV)cos1()(a0mtmVtV0minmaxa)(21VVVm0min000maxVVVVVV特點：特點： (1)調幅波的振幅（包絡）變化規(guī)律與調制信號調幅波的振幅（包絡）變化規(guī)律與調制信號波形一致波形一致;(2) 調幅度調幅度ma反映了調幅的強弱度反映了調幅的強弱度. tV000cosvtV cosv0am1am10a m1am00maxVVVm上0min0VVVm下電壓電壓表達式表達式普通調幅波普通調幅波ttmV0a0cos)cos1 ( 雙邊帶調幅波雙邊帶

7、調幅波ttVm00acoscos單邊帶信號單邊帶信號tVm)cos(200a)cos(2(00tVma或波形圖波形圖頻譜圖頻譜圖 0- 0+ 0a21Vm 0- 0+ 0a21Vm 信號信號帶寬帶寬)2( 2)2( 22 0- 0+ 三種振幅調制信號三種振幅調制信號2. 普通調幅波的頻譜普通調幅波的頻譜（1）由單一頻率信號調）由單一頻率信號調 幅幅tmtmtVttmVt)cos(21)cos(21coscos)cos1 ()(0a0a000a0AMv 調制信號0載波調幅波0+上邊頻0-下邊頻nnnnntmtmtVtmtmtVttmVt)cos(21)cos(21cos)cos(21)cos(2

8、1coscoscos1)(0000000000nnnnnnnnnAMv信號帶寬信號帶寬max2B 0 (2) 限帶信號的調幅波限帶信號的調幅波maxo 調幅波maxmaxmaxmax調制信號載波0+max上邊帶0-max下邊帶 如果將普通調幅波輸送功率至如果將普通調幅波輸送功率至電阻電阻R上，則載波與兩個邊頻將上，則載波與兩個邊頻將分別得出如下的功率：分別得出如下的功率：00002Vma02Vma00VttmVtooacos)cos1 ()(v載波功率載波功率:RVP20oT21上邊頻或下邊頻上邊頻或下邊頻: :2a02SB1SB2aoT111224m VPPm PR在調幅信號一周期內，在調幅

9、信號一周期內，AMAM信號的平均輸出功率是信號的平均輸出功率是oTaDSBoTAMPmPPP)211 (2在調幅波中，只有旁頻（或邊帶）才是有用的信息量。而載波分量而載波分量僅是起到頻譜搬移的作用，不反映調制信號的變化規(guī)律。僅是起到頻譜搬移的作用，不反映調制信號的變化規(guī)律。 載波本身并載波本身并不包含信號，但它的功率卻占整個調幅波功率的絕大部分。不包含信號，但它的功率卻占整個調幅波功率的絕大部分。當當ma1時，時，PoT(2/3)PAM ；當當ma0.5時，時，PoT(8/9)PAM ；oT2aDSBoTAMPmPPP)211 ( 00002Vma02Vma00Va20% 30%m ，因而整機

10、效率低。這是調幅制的缺點。因而整機效率低。這是調幅制的缺點。am0.250.50.35 1.003%11%22% 33%一般 調幅波的共同之處都是在調幅前后產生了新的頻率調幅波的共同之處都是在調幅前后產生了新的頻率分量，也就是說都需要用非線性器件來完成頻率變換。分量，也就是說都需要用非線性器件來完成頻率變換。 如果靜態(tài)工作點和輸入信號變換范圍選擇合適，非如果靜態(tài)工作點和輸入信號變換范圍選擇合適，非線性器件工作在滿足平方律的區(qū)段。線性器件工作在滿足平方律的區(qū)段。20100200220201 002200022 0022(coscos)(coscos)1()2coscoscos()cos() 1c

11、os221cos22Vt VtVt VtVVVtVtV V t tVtVt0vaaaaaaaaaa2oo1 i2 ivaa va v 其中其中產生調幅作用的項是1 0020001 0020021 001coscos()cos() cos2coscos2(1cos)cosVtV V t tVtV VttaVVtta0vaaaaa22 ia v稱為平方律調幅濾波后，輸出電壓為：2a12a Vma調幅度：結論：（1）調幅度的大小由調制信號電壓振幅及調制器的特性曲線所決定（2）通常，a2a1因此用這種方法所得到的調幅度不大。在平方律調幅中,管子工作于甲類非線性狀態(tài),效率低,只適用于低電平調幅.2002

12、0010)coscos()coscos(tVtVtVtVaaai120020010)coscos()coscos(tVtVtVtVaaai2總的輸出電壓總的輸出電壓: :Ro21iiv120012002002 (cos2coscos)2 (coscos()cos() )RVtV VttRVtV V tV V taaaaa輸出:o濾掉輸出電壓沒有載波分量優(yōu)點:有效地抑制載波.1 AM:oao(t)(1cos)cosvVmttooaooaoo11coscos()cos()22Vtm Vtm VtDSB:oo(t)=coscosvV Vttttt2 波形:AM:當調制信號等于0時,調幅波的振幅等于載

13、波振幅.DSB:當調制信號等于0時,調幅波的振幅等于0.解釋:1 在平衡調幅電路中,當調制信號等于零時,載波恰恰互相抵消,輸出為零. 每經過一次零點,即意味著兩管電流的大小關系要互換一次,因此在輸出電路中高頻電壓的相位相反. DSB于AM的區(qū)別0100)(1tttS00cos cos 0cos 10cos 1200)(tttS 使所容納的頻道數(shù)目加倍，大大提高波段利用率。使所容納的頻道數(shù)目加倍，大大提高波段利用率。 單邊帶制能獲得更好的通信效果。單邊帶制能獲得更好的通信效果。 單邊帶制的選擇性衰落現(xiàn)象要輕得多。單邊帶制的選擇性衰落現(xiàn)象要輕得多。 要求收、發(fā)設備的頻率穩(wěn)定度高，設備復雜，技術要要

14、求收、發(fā)設備的頻率穩(wěn)定度高，設備復雜，技術要求高。求高。 單邊帶制能大大節(jié)省發(fā)送功率。單邊帶制能大大節(jié)省發(fā)送功率。調幅波0+上邊頻0-下邊頻1. 濾波器法濾波器法注意：注意：提高單邊帶的載波頻率決不能用倍頻的方法。提高單邊帶的載波頻率決不能用倍頻的方法。2. 相移法相移法tKV)cos(03. 修正的移相濾波法修正的移相濾波法)sin(12t 在單邊帶調幅與雙邊帶調幅之間，有一種折衷方在單邊帶調幅與雙邊帶調幅之間，有一種折衷方式，即式，即殘留邊帶調幅殘留邊帶調幅。它傳送被抑制邊帶的一部分，同。它傳送被抑制邊帶的一部分，同時又將被傳送邊帶也抑制掉一部分。為了保證信號無失時又將被傳送邊帶也抑制掉一

15、部分。為了保證信號無失真地傳輸，傳送邊帶中被抑制部分和抑制邊帶中的被傳真地傳輸，傳送邊帶中被抑制部分和抑制邊帶中的被傳送部分應滿足互補對稱關系。送部分應滿足互補對稱關系。 特點特點: 所占頻帶比單邊帶略寬一些所占頻帶比單邊帶略寬一些; 它在它在附近附近的一定范圍內具有兩個邊帶，因此在調制信號（例如電的一定范圍內具有兩個邊帶，因此在調制信號（例如電視信號）含有直流分量時，這種調制方式可以適用視信號）含有直流分量時，這種調制方式可以適用; 殘殘留邊帶濾波器比單邊帶濾波器易于實現(xiàn)。留邊帶濾波器比單邊帶濾波器易于實現(xiàn)。 高電平調幅電路能同時實現(xiàn)調制和功率放大，即用調制高電平調幅電路能同時實現(xiàn)調制和功率

16、放大，即用調制信號信號v去控制諧振功率放大器的輸出信號的幅度去控制諧振功率放大器的輸出信號的幅度Vcm來實現(xiàn)調來實現(xiàn)調幅的。幅的。臨臨界界過壓過壓欠壓欠壓VCC（t）臨界臨界過壓過壓欠壓欠壓V BB(t)1 工作原理集電極有效電源:ccc(t)EVvcE受到調制過壓狀態(tài):1ccmIE振幅c1pccmVIRE集電極調幅應工作于過壓狀態(tài)。 vb(t) + + VCC + VBB + VC(t) + vCE vBE + L C vc v + 集電極調幅電路2 能量關系集電極有效電源:其中cE供給的集電極電流直流分量coI,基波分量cm1I集電極有效電源,cE提供的總功率:集電極直流電源ccV提供的功

17、率:Tcc coTPPV I調制信號提供的平均功率:22c=owaTacccoT1122PPPm Pm V I平均輸出功率:22OCWcm1poTa111()(1)222PIR dtPm載波輸出功率2oTcm1Tp12PIR2cav=avoavCTa1(1)2PPPPm(cavP:一周期內平均集電極耗散功率)2oTaoavavT2=avTa1(1)21(1)2PmPconstPPm集電極效率:可見:效率與am無關。故可獲得較高的功率,使晶體管充分利用。注意:ccTao(1cos)cosvvmttcEccccacTao(1cos)(1cos)cosvEvvmtvmttcEmaxccacTaccc

18、Ta(1)(1)()(1)vVmVmVVmcca(1)(1)Vm當a1m 時,cEmaxcccT22vVV如1時,cccTVVcEmaxcc4vV結論:(1)在一個音頻周期內,各個平均功率都是相應的載波狀態(tài)時的功率的 倍,2a(1)2mavTconst(2)選管時應按 選取,且耐壓要按 來選。cavPcc4V(3)因為const,所以只要載波狀態(tài)的 高,則 也高。avcTccVV為集電極電壓利用系數(shù)(4)由于集電極引入 調變 ,要求調制器給出較大的功率。vcE改善線性的措施:采用雙重調制。(5)非線性失真比較大。當 較小時,工作在嚴重過壓區(qū),cI下凹顯著cm1I急劇下降;當 較大時, 對 的c

19、EcEcm1I控制較弱。cEiCiC1)(tvCCV臨臨界界過壓過壓欠壓欠壓VCC（t）bbmocosvVtcosvVt1 工作原理BBBVVv 在基極電路里,高頻振蕩、低頻調制信號和激勵電源串連起來構成基極 發(fā)射級電壓 , 受 的控制,集電極諧振回路取出調幅波。 bevcibevbvvBBvCCCCVCVoV輸出+-BVbev C vb(t) VCC + L + VBB vb + + + VB(t) VCC vc(t) 基極調幅電路2 工作狀態(tài)的選擇:在欠壓區(qū):工作狀態(tài):基極調幅電路應工作于欠壓狀態(tài)。當BBmaxVV時,工作狀態(tài)不能超過臨界狀態(tài)。1BcmIVBBVci1cmIoBmaxVBV

20、tv臨界過壓欠壓)(tv)(tVCCiCvAM（t）臨界臨界過壓過壓欠壓欠壓V BB(t)非線性非線性 電路電路低通低通濾濾 波器波器從已調波中檢出包絡信息從已調波中檢出包絡信息，只適用于，只適用于AM信號信號 輸入輸入 AM信號信號檢出包絡信息檢出包絡信息VDCC+vRL+充電放電iDvi串聯(lián)型二極管包絡檢波器電壓傳輸系數(shù)（檢波效率）、輸入電阻和失真。電壓傳輸系數(shù)（檢波效率）、輸入電阻和失真。1) 電壓傳輸系數(shù)電壓傳輸系數(shù)(檢波效率檢波效率)imd VmVKa輸輸入入已已調調波波包包絡絡振振幅幅輸輸出出低低頻頻交交流流電電壓壓振振幅幅定義：定義：imVimaVmVvDi D-vCVim 用分

21、析高頻功放的折線用分析高頻功放的折線近似分析法可以證明近似分析法可以證明cosdK其中，其中，是二極管電流通是二極管電流通角，角，為檢波器負載電阻，為檢波器負載電阻，d為檢波器內阻。為檢波器內阻。 d33RR2) 等效輸入電阻等效輸入電阻 考慮到包絡檢波電路一般作為諧振回路的負載，考慮到包絡檢波電路一般作為諧振回路的負載，它勢必影響回路選頻特性（它勢必影響回路選頻特性（Q），分析其等效電阻），分析其等效電阻:imimidIVR 其中，其中，Vim是輸入高頻電壓振幅，是輸入高頻電壓振幅， Iim是輸入高頻是輸入高頻電流基波振幅。電流基波振幅。) 1(22imimidddKRKRIVR 由于二級管

22、輸入電阻的影響，使輸入諧振回路的由于二級管輸入電阻的影響，使輸入諧振回路的Q值降低，消耗一值降低，消耗一些高頻功率。些高頻功率。1LQrr3) 失真失真 產生的失真主要有：產生的失真主要有：惰性失真；惰性失真；負峰切割失負峰切割失真；真；非線性失真；非線性失真；頻率失真。頻率失真。 如果檢波電路的時間如果檢波電路的時間常數(shù)常數(shù)RC太大，當調幅波太大，當調幅波包絡朝較低值變化時，包絡朝較低值變化時，電容上的電荷來不及釋電容上的電荷來不及釋放以跟蹤其變化，所造放以跟蹤其變化，所造成的失真稱作成的失真稱作惰性失真惰性失真。 惰性失真惰性失真( (對角線切割失真對角線切割失真) )ttmVt0aimi

23、coscos1)(vtmVtVcos1)(aim調幅波包絡調幅波包絡 如圖所示，在某一點，如如圖所示，在某一點，如果電容兩端電壓的放電速度小果電容兩端電壓的放電速度小于包絡的下降速度，就可能發(fā)于包絡的下降速度，就可能發(fā)生惰性失真。生惰性失真。tmVttVsind)(daim包絡變化率包絡變化率ttCiddCC)(v電容放電電容放電RitCC)(v放電速率放電速率RCtCitt)()(CCCddvv假定此時假定此時tmVtcos1)(aimCv為避免失真為避免失真ttVttddddC)()(vtmVttVsind)(daim包絡變化率包絡變化率0)(112RCma 實際上，調制波往往是由多個頻率

24、成分組成，即實際上，調制波往往是由多個頻率成分組成，即=minmax。為了保證不產生失真，必須滿足。為了保證不產生失真，必須滿足0)(112maxRCma 或或aammRC2max10)(112RCma5 . 1maxRC工程上?。?+ + v C + R RL VC Cc vi D 考慮了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路負峰切割失真負峰切割失真( (底邊切割失真底邊切割失真) ) 隔直電容隔直電容Cc數(shù)值很大，可認為數(shù)值很大，可認為它對調制頻率它對調制頻率交流短路，電路達交流短路，電路達到穩(wěn)態(tài)時，其兩端電壓到穩(wěn)態(tài)時，其兩端電壓VCVim。imLRVRRRV 失真最可能在包絡的負半周

25、發(fā)生。假定二極管截止，失真最可能在包絡的負半周發(fā)生。假定二極管截止，Cc將將通過通過R和和RL緩慢放電，相對于高頻載波一個周期內，其電壓緩慢放電，相對于高頻載波一個周期內，其電壓VCVim將在將在R和和RL上分壓。直流負載電阻上分壓。直流負載電阻R上的電壓為上的電壓為: 檢波器的直流負載電阻檢波器的直流負載電阻R與與交流負載電阻不相等，而且調幅交流負載電阻不相等，而且調幅度度ma又相當大時引起的。又相當大時引起的。 + + v C + R RL VC Cc vi D 考慮了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路V i m（1-m）V i mttmVoimicos)cos1 (vV R)co

26、s1 (tmVimttmVoimicos)cos1 (vttmVoimicos)cos1 ( v)cos1 (tmVim)cos1 (tmVimV RV RV RV RV R + + v C + R RL VC Cc vi D 考慮了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路要避免二極管截止發(fā)生，包絡幅度瞬時值必須滿足要避免二極管截止發(fā)生，包絡幅度瞬時值必須滿足:RimVtmVacos1RaimVmV1RRRRRRmLLLa/交、直流負載電阻越懸殊，交、直流負載電阻越懸殊，ma越大，越容易發(fā)生該失真。越大，越容易發(fā)生該失真。不產生負峰切割失真的條件不產生負峰切割失真的條件：kR105取通常 +

27、 + v C + R RL VC Cc vi D 考慮了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路 非線性失真非線性失真由檢波二極管伏安特性曲線的非線性所引起的。由檢波二極管伏安特性曲線的非線性所引起的。 如果負載電阻如果負載電阻R選得足夠大，則檢波管非線性選得足夠大，則檢波管非線性特性影響越小，它所引起的非線性失真即可以忽略。特性影響越小，它所引起的非線性失真即可以忽略。 + + v C + R RL VC Cc vi D 考慮了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路 頻率失真頻率失真 由阻抗隨頻率變化的線性電抗元件電容、電感由阻抗隨頻率變化的線性電抗元件電容、電感引起的失真。引起的失真。 檢波器中存在檢波電容檢波器中存在檢波電容C和隔直電容和隔直電容Cc兩個電容。檢兩個電容。檢波電容波電容C用于跟蹤調幅波包絡用于跟蹤調幅波包絡變化，隔直電容變化，隔直電容Cc用于去除用于去除載波分量對應的直流輸出。載波分量對應的直流輸出。對調制頻率對調制頻率=minmax，要求檢波電容，要求檢波電容C