高频电子线路_第6章_振幅调制与解调

第五章振幅调制及解调概述振幅调制调制信号的解调§5.1概述载波信号调制信号已调信号解调后波形调制信号：需要传输的原始信号。语言、音乐、图象、电码等。载波信号：等幅高频振荡信号。正弦波、方波、三角波等。已调信号：经过调制后的高频信号（射频信号）。调制：用调制信号控制载波信号某个参量的过程。解调：调制的逆过程，从已调波中将原调制信号恢复出来。调制方式：1.振幅调制：调制信号控制载波振幅，使已调信号的振幅随调制信号线性变化。2.频率调制：调制信号控制载波频率，使已调信号的频率随调制信号线性变化。3.相位调制：调制信号控制载波相位，使已调信号的相位随调制信号线性变化。解调方式：1.振幅检波：振幅调制的逆过程2.鉴频：调频的逆过程3.鉴相：调相的逆过程调制的目的：（1）提高频率以便于辐射：无线电通信系统是利用天线向空间辐射电磁波的方式来传输信号的。由天线理论，只有当天线的尺寸大于信号波长的1/10时，信号才能被天线有效地辐射。如1m的天线，辐射频率至少需要30MHz。（2）实现信道复用：通过调制可以把不同信号的频谱搬移到不同的位置，互不重叠，即可以实现在同一个信道里同时传输许多信号——频分复用。（3）改善系统性能：通过调制使信号占有较大的带宽，可以提高它的抗干扰能力，从而改善系统的性能。脉冲调制脉冲模拟调制：用脉冲序列信号对调制信号进行采样，得到离散的调制信号，再用此信号的采样值去控制脉冲序列信号的参量。PAM（脉冲幅度调制）：脉冲信号的幅度受调制信号控制。PWM（脉冲宽度调制）：脉冲信号的宽度受调制信号控制。PFM（脉冲频率调制）：脉冲信号的频率受调制信号控制。PPM（脉冲相位调制）：脉冲信号的相位受调制信号控制。脉冲数字调制（PCM）：将调制信号经采样、量化、编码后得到的信号。传输方式：基带传输、载波传输。5.2.1调幅波的性质一、AM调幅波的波形调制信号：v=Vcost载波：v0=V0cos0t调幅波：ttmVvaAM00coscos1）（0vt0v0t0vAMt§5.2振幅调制二、AM调幅波的数学表达式调制信号：v=Vcost载波：v0=V0cos0t调幅波：ttVvmAM0cos)(0vAMt理想情况下，调幅波的振幅为：tVkVtVamcos)(0其中ka为比例常数。)cos1()cos1()(000tmVtVVkVtVaam0VVkmaa称为调幅指数或调幅度，常用百分数表示。ttmVvaAM00cos)cos1(一般实际传送的信号并非单一频率的信号，常为一个连续频谱的限带信号f（t），则：)](1[)()(000tfVkVtfkVtVaam若将f（t）分解为傅立叶级数：)cos()(1nnntVtfnj])cos(1[)(100jnnnnamtVVkVtV0VVkmnanttmVvnnnnAM010cos])cos(1[jAM调幅波的特点：1、调幅波的振幅（包络）的变化规律与调制信号一致；而其内部的高频振荡频率与原来的载波相同；信息携带在包络上。)cos1(0tmVa0vt0v0t0vAMt2、调幅度ma：0vAMtVminVmaxV0maV0maV0)cos1()(0tmVtVam);1()1(0min0maxamammVVmVV；0min000max0minmax2VVVVVVVVVmmmmma度峰值调幅度和谷值调幅一般调幅度ma越大，调幅越深：0min000max0minmax2VVVVVVVVVma0am未调幅1am最大调幅1am过量调幅，会产生包络失真，经检波后，不能恢复原来调制信号的波形，实际电路中必须避免。0vAMt10am三、AM调幅波的频谱1、由单一频率信号调幅ttmVvaAM00cos)cos1(ttVmtVa0000coscoscos调幅波包含三个频率分量：载波分量0：不含传输信息上边频分量0+：含传输信息下边频分量0-：含传输信息tVmtVa)cos(21cos0000tVma)cos(21000+0-001ma/2边频振幅的最大值不能超过载波振幅的二分之一。2、限带信号调幅ttmVvnnnAM00cos]cos1[])(21cos)cos(21[cos0000tmtmtVvnnnnnAMn实际上通常的调幅信号是比较复杂的，含有许多频率分量，因此它所产生的调幅波中的上边频和下边频都不再是一个，而是许多个，组成所谓的上边频带和下边频带。]coscos[cos000ttmtVvnnnAM调幅波同样包含三部分频率成分：载波分量0：不含传输信息上边带0+n：含传输信息下边带0-n：含传输信息1])(21cos)cos(2[cos0000tmtmtVvnnnnnAMnmax00+max0-max0上边带的频谱结构与调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。所谓频谱结构相同是指各频率分量的相对振幅及相对位置没有变化。AM调制是把调制信号的频谱搬移到载频两侧，在搬移过程中频谱的结构不变，属于频谱的线性搬移。max00+max0-max0调幅波的频带宽度等于调制信号最高频率的2倍。例如：设最高调制频率为5000Hz，则调幅波的带宽为10000Hz。为了避免电台之间互相干扰，对不同频段与不同用途的电台所占的频带宽度都有严格的规定。如我国广播电台所允许占用的频带宽度为9kHz。B=2max四、AM调幅波中的功率关系设调幅波输送功率到负载RL上，则载波与边频产生的功率分别为：（1）载波功率：LcRVP2021（2）上、下边频功率：P)(0caLaPmRVmP220)(412])2/1[(0（3）在调制信号的一周期内，调幅波的平均输出总功率：)21(200accavmPPPPPtVmtVa)cos(21cos0000tVma)cos(2100vAM（4）边频功率、载波功率与平均功率之间的关系：；载波功率双边频功率22am；载波功率单边频功率42am；）（平均总功率双边频功率2222221/2aaaammmm；）（平均总功率单边频功率22222421/4aaaammmm注意：如果调制信号为限带信号，即含有多个频率信号时，则总的边带功率应等于各个单一频率信号的边频功率之和。即321PPPPCnnPmP221PPPCO当未调幅时，ma=0，PO=Pc；)21(200accavmPPPPP100%调幅时，ma=1，PO=1.5Pc；可见调幅波的输出功率随ma的增大而增大，由于信号包含在边频带内，因此在调幅制中应尽可能地提高ma的值，以增强边带功率，提高传输信号的能力。但在实际传送信号时，由于信号的幅度是变化的，平均调幅度往往很小（20~30%），这样发射机的实际有用信号功率就很小，所以整机效率低。载波本身并不包含信号，但它的功率却占整个调幅波功率的大部分。如当ma=100%时，Pc=(2/3)Pav，当ma=50%时，Pc=(8/9)Pav。所以调幅波的功率浪费大，效率低，这是调幅制本身所固有的缺点。但调幅波的调制和解调都很方便，接收设备最简单，因此被广泛地应用于无线电广播。5.2.2调幅技术0+max0-max0在普通调幅（AM）波信号中，有用信号只携带在边频带内，载波信号本身不含信息，但它的功率在调幅波中占有很大的比重，为了提高功率的有效利用率，在调幅系统还采用另外几种调幅方式：抑制载波的双边带调制（DSB）单边带调制（SSB）残留边带调制（VSB）一、几种不同的调幅制及其频谱双边带调制（DSB）：在AM调制过程中，抑制载波，仅保留上、下边带。单边带调制（SSB）：在DSB的基础上，将其中一个边带抑制掉，只保留一个边带。残留边带调制（VSB）：在AM的基础上，保留一个边带及载频，对另一个边带进行部分抑制。可以提高功率的利用率，同时可以减小信道所占据的频带，在短波无线电通信中得到了广泛的应用。在电视发射技术中，为了压缩图象发射的频带，最好采用单边带调制，但为了能用接收AM信号的方法来接收图象信号，避免电视机的成本提高，采用了残留单边带调制方式。几种不同制式的调幅波频谱：00000AMvDSBSSBVSB二、AM调幅波的产生原理框图相加器乘法器v直流v0vAMttmVvaAM00cos)cos1(ttVmVa000cos)cos(ttVVVkVa0000cos)cos(000)(VvvkVa方法1：ttmVvaAM00cos)cos1(方法2：ttVmtVa0000coscoscosttVVVktVa00000coscoscos000vvVkvav乘法器相加器v0vAM三、DSB调幅)()(0tvtkvvDSBDSB是在AM调制过程中，抑制载波，保留上、下边带形成的，它可以用载波和调制信号直接相乘得到。1、数学表达式（1）调制信号为单一频率信号时：v=Vcost；v0=V0cos0tttVkVvkvvDSB000coscos])cos()[cos(21000ttVkV三、DSB调幅)()(0tvtkvvDSBDSB是在AM调制过程中，抑制载波，保留上、下边带形成的，它可以用载波和调制信号直接相乘得到。1、数学表达式（2）调制信号为限带信号时：v0=V0cos0t；nnntVtfvcos)(])cos()cos([21000tVtVkVnnnnnnttVkVvkvvnnnDSB000cos]cos[2、DSB波形和频谱与AM波相比，它有如下特点：1）包络不同。AM的包络正比于调幅信号f（t）的波形，而DSB的包络正比于|f（t）|。v0t0v0t0vDSBt0vAMt2）DSB信号中载波的相位反映了调制信号的极性。载波相位在调制信号的0交点处要突变180°，在调制信号的负半周，已调波载波与原载波相位相反。因此严格地说，DSB信号并非单纯的振幅调制信号，而是既调幅又调相的信号。3）功率利用率高于AM波。因为DSB信号的频谱成分中抑制了载波分量，全部功率为边带所占有。4）占用频带B=2max。四、SSB调幅])cos()[cos(21000ttVkVvDSBtVtVkVvSSBU)cos()cos(21000tVtVkVvSSBL)cos()cos(210001、SSB信号的表达式和频谱由上两式可见，SSB信号的振幅与调制信号的振幅成正比，它的频率随调制信号频率的不同而不同，因此它含有消息特征。SSB信号是在DSB信号的基础上，将其中一个边带抑制掉，只保留一个边带形成的。tVtVkVvSSBU)cos()cos(21000tVtVkVvSSBL)cos()cos(21000SSB调制方式在传送信息时，不但功率利用率高，而且它占用频带为Bmax，比AM、DSB减少了一半，频带利用充分，目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。SSB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，既调幅又调频，但由于它产生的已调信号频率与调制信号频率间只是一个线性变换关系，这一点与AM、DSB相似，因此通常把它归于振幅调制。2、SSB信号的产生原理框图1）滤波器法：由DSB信号经过边带滤波器滤掉一个边带形成。])cos()[cos(21000ttVkVvDSBtVtVkVvSSBU)cos()cos(21000tVtVk