振幅调制与解调2

第九章振幅调制与解调在通信系统中，模拟调制分为振幅调制和角度调制两大类，本章主要讨论振幅调制与解调，内容主要包括振幅调制信号分析，振幅调制的原理、实现方法及电路组成，振幅调制信号的解调原理、实现方法及电路等。§9.1概述调制是通讯系统中重要的环节,将需要传送的基带信号加到高频信号上去的过程称为调制。调制可分为模拟调制和数字调制，但就调制的基本原理来说，特别是在载波调制形式上，模拟调制可以认为是数字调制的理论基础。模拟调制分为幅度调制、频率调制和相位调制。9.1.1普通调幅波的数学表达式及其频谱1.普通调幅波的数学表达式振幅调制是用需传送的信息（调制信号）u(t)去控制高频载波uc(t)的振幅，使其随调制信号u(t)线性变化。即，若载波信号电压为uc(t)=Ucmcosct，调制信号为u(t)，则普通调幅波的振幅为：（9-1）则普通调幅波的数学表示式为（9-2）普通调幅波也叫标准调幅波，用AM(AmplitudeModulation)表示。设调制信号电压u(t)为（9-3）其中和F分别为调制信号的角频率（单位为rad/s）和频率（单位为Hz）。通常满足c。有：（9-4）上式就是单频调制时普通调幅波的表达式。式中称为包络函数。而为调幅指数（调幅度）,为比例系数。普通调幅波的波形如图9-1所示。图9-1信号波形从图中可以看到，已调幅波的包络形状与调制信号一样。从调幅波的波形上看出包络的最大值Ummax和最小值Ummin分别为：故可得调幅指数：(9-5)可以看出，不失真调制时ma=1；如果ma1，则已调波包络形状与调制信号不一样，有一段时间已调波的振幅为零，已调波的包络产生严重失真现象，这种情况称为过调制，其波形如图9-2所示。在解调时不能恢复调制信号的波形，且频带较宽，容易对其他电台产生干扰，应尽量避免。图9-2过调制调幅波形2.普通调幅波的频谱式（9-4）用三角公式展开：(9-6)图9-3单音调制的调幅波频谱这表明单频调幅波由载波分量c，上边频分量c+和下边频分量c三个频率分量组成，频谱如图9-3所示。显然，载波分量并不包含信息，调制信号的信息只包含在上下边频内。实际上，调制信号是包含多个频率的复杂信号，如调幅广播所传送的语音信号频率约为50HZ至4.5kHZ，调制后各个语音频率产生各自的上边频和下边频，迭加后形成上边频带和下边频带，如图9-4所示：图9-4多音调制的调幅波频谱因为上、下边频幅度相等且成对出现，所以上、下边频带的频率分布相对载波是对称的。其数学表达式可写为(9-7)由调幅波的频谱图可以看出，调制过程实质上是一种频谱搬移过程。经过调制后，调制信号的频谱由低频被搬移到载频附近，成为上、下边频带。9.1.2普通调幅波的功率关系设调幅波电压加在电阻R两端，各频率分量对应的功率为：1、载波功率(9-8)2、每个边频功率(9-9)3、调制的平均总功率(9-10)上式表明，调幅波的输出功率随ma的增大而增大。当ma=1时，，，这说明当ma=1时，包含信息的上、下边频功率值之和只占总功率的1/3，而不包含信息的载波功率却占了总功率的2/3。从能量观点看，这是一种浪费。9.1.3抑制载波的双边带调幅信号和单边带调幅信号1.抑制载波的双边带调幅信号因为载波不包含信息，为了减小不必要的功率浪费，可以只发射上、下边频,而不发射载波,称为抑制载波的双边带调幅信号,用DSB(doublesideband)表示。这种信号的其数学表示式为(9-11)双边带调幅信号的振幅为,而普通调幅波高频信号的振幅为，显然双边带的振幅可正可负，而普通调幅波在ma=1时振幅不可能出现负值。单频调制的双边带调幅波信号波形如图9-5所示。图9-5双边带调幅信号的波形双边带信号的包络仍然是随调制信号变化的,但它的包络已不能完全准确地反映低频调制信号的变化规律。双边带信号在调制信号的负半周，已调波高频与原载波反相，调制信号的正半周,已调波高频与原载频同相；双边带信号的高频相位在调制电压过零点处跳变180度。另外,双边带调幅波和普通调幅波所占有的频谱宽度是相同的，为2Fmax(调制信号的频带宽度)。因为双边带信号不包含载波，所以发送的全部功率都载有信息，功率有效利用率得到提高。2.单边带调幅信号因为双边带调幅波两个边带都包含调制信号的信息，所以可以进一步把其中的一个边带抑制掉,而只发射一个边带,这就是单边带调幅波,用SSB(singlesideband)表示。其数学表示式为(9-12)(9-13)单边带调幅波的频谱宽度只有双边带的一半,频带利用率高,是一种常用的调制方式。对于单频调制的单边带信号,它是等幅波,但它与原载波电压是不同的,含有传送信息的特征。9.1.4振幅调制电路的功能图9-6三种调幅电路的频率变换关系振幅调制电路的功能是将调制信号和载波信号通过电路变换成高频调幅信号输出。振幅调制电路的功能也可用输入、输出信号的频谱关系来表示。图9-6所示是三种调幅电路输入、输出信号的频率关系。由图可知三种电路的输入信号都是调制信号和载波信号，其频率为和c。而输出信号则不同，普通调幅波调幅电路输出频谱为c、c，双边带调幅电路的输出频谱为c，单边带调幅电路的输出频谱为c+或c。9.1.5振幅调制电路的分类在调幅无线电发射机中，按实现调幅级电平的高低可分为低电平调幅电路和高电平调幅电路。由于低电平调幅电路的功率较小，对调幅电路来说，输出功率和效率不是主要指标，重点是提高调制的线性，减少不需要的频率分量的产生和提高滤波性能。低电平调幅电路是先在低功率电平级进行振幅调制，然后再经过高频功率放大器放大到所需要的发射功率。高电平调幅是直接产生满足发射机输出功率要求的已调波。它的优点是整机效率高。设计时必须兼顾输出功率、效率和调制线性的要求。常用的有晶体管集电极调幅电路和基极调幅电路，以及电子管板极调幅电路和栅极调幅电路。通常高电平调幅只能产生普通调幅波。