第六章-振幅调制解调及混频

模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路1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混频器的干扰模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路2(1)什么是调制？调制是使消息载体的某些特性随消息变化的过程。–调制的作用是把消息置于消息载体，以便传输和处理。–解调是调制的逆过程，从消息载体中还原出原来的消息。用来传送消息的载体——uc(t)，称为载波；消息——uf(t)，称为调制信号；调制后的信号——u(t)，称为已调信号。–用调制信号uf(t)控制载波uc(t)的某些参数，使之随uf(t)的变化而变化，就可实现调制。引言模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路3(2)为什么要调制？天线尺寸–无线信道中传输信号时，利用电磁场在空间的传播，需要天线发射和接收电磁波。–天线的尺寸和波长相比拟，如采用/4天线，对于3kHz的声音信号，天线尺寸为25km，这是无法实现的，如果调制在900MHz上，天线仅需8cm，易于实现–无线传输系统，调制是一个基本环节。调制可以实现多路复用，例如频分复用（FDMA）。调制可以降低干扰对信号传输的影响，如扩频调制。调制可以实现有效地发射和有选择地接收模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路4(3)通信系统中的发送与接收设备缓冲级倍频器放大级调制器功率放大器振荡器低频功放低频放大调幅发射机方框原理图模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路5高频放大混频器中频放大解调器低频放大输入回路自动增益控制本地振荡器超外差接收机方框原理图模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路6(4)调制分类按调制信号uf(t)分–模拟调制–数字调制按载波uc(t)分–脉冲调制–正弦波调制–光强度调制模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路7调制是一种非线性过程。载波被调制后将产生新的频率分量,通常它们分布在载波频率的两边，并占有一定的频带。正弦波调制：幅度调制、角度调制（频率调制、相位调制）幅度调制：调制信号控制载波的幅度：AM（AmplitudeModulation）、ASK（Amplitudeshiftkeying）频率调制：调制信号控制载波的频率：FM、FSK相位调制：调制信号控制载波的相位：PM、PSK模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路86.1振幅调制幅度调制（AM）是指载波的幅度随调制信号的变化规律而变化，而其角频率和初相位均为常数。幅度调制方式–标准幅度调制（StandardAM）–双边带幅度调制（DoubleSideBandAM）–单边带幅度调制（SingleSideBandAM）模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路9标准幅度调制是各种幅度调制中最基本的一种。–由于在合理使用功率和占有频带宽度等方面，不如其他调幅方式优越，其应用范围受到限制。–调制和解调电路简单在关于幅度调制的性质以及调制与解调技术原理等方面，它还是最基本的。模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路106.1.1振幅调制信号分析1.调幅波的分析1)表示式及波形设载波电压为uC=UCcosωct调制电压为uΩ=UΩcosΩt模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路11通常满足ωcΩ。根据定义，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)：调幅度(调制度)：ka又称为调制灵敏度。可得调幅信号的表达式：mCCCaΩCaΩC()Δ()cos(1cos)UtUUtUkuUkUtUmtCΩaCCΔUUkUUmttmUttUtucCcmAMcos)cos1(cos)()(模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路12图6-1AM调制过程中的信号波形调制信号载波信号调幅信号模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路13在标准幅度调制中，不允许出现过调制，要求m1。5.1m实际过调幅波形往往如图6-1（e），无法解调，且占据频带很宽过调制现象：ttmUttUtucCcmAMcos)cos1(cos)()(。能反映调制信号的变化波反相，包络将不会出现负值，导致调幅时，当)(1mtUm模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路14uAM(t)=UC［1+mf(t)］cosωct式中，mn=kaUΩn/UC1)cos()(nnnntUtfttmUtunnnnc1CAMcos)cos(1)(复杂音调制：调制信号并非为单一频率的信号，例如是一连续频谱信号f(t)。模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路15完成AM调制的原理框图：其关键在于实现调制信号和载波的相乘。ttmUttUtucCcmAMcos)cos1(cos)()(模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路162)调幅波的频谱两个边频分量ωc+Ω及ωc－Ω则以载频为中心对称分布，两个边频幅度相等并与调制信号幅度成正比。边频相对于载频的位置仅取决于调制信号的频率，这说明调制信号的幅度及频率消息只含于边频分量中。tUmtUmtUtu)cos(2)cos(2cos)(cCcCcCAMttmUttUtucCcmAMcos)cos1(cos)()(模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路17单音调制时已调波的频谱调制信号频谱载波信号频谱AM信号频谱单频调制时，调幅波占用的带宽BAM＝2F，F=Ω/2π。模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路18上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同（各频率分量的相对振幅及相对位置没有变化），下边带是上边带的镜像。复杂音调制时已调波的频谱AM调制是把调制信号的频谱搬移到载频两侧，在搬移过程中频谱结构不变。这类调制方式属于频谱线性搬移。调制信号频谱AM信号频谱Fmax=3400HzBAM=2Fmax=6800Hz模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路193)调幅波的功率平均功率(简称功率)是对恒定幅度、恒定频率的正弦波而言的。调幅波的幅度是变化的，所以它存在几种状态下的功率，如载波功率、最大功率及最小功率、调幅波的平均功率等。在负载电阻RL上消耗的载波功率为在负载电阻RL上，一个载波周期内调幅波消耗的功率为L2CcππL2Cc2dπ21RUtRuP2c22CLcππL2AM)cos(1)cos1(21d)(π21tmPtmURtRtuP模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路20c22CL4221PmmURP边频21dπ212cππavmPtPP22m载波功率边频功率调制信号周期内平均功率1coscos11coscoscos22AMccccccccutUmttUtmUtmUtAM信号的平均功率模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路21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:Pmax=Pc(1+m)2Pmin=Pc(1－m)2Pmax限定了用于调制的功放管的额定输出功率PH,要求PH≥Pmax。普通的AM调制方式中，载频与边带一起发送，不携带调制信号分量的载频占去了2/3以上的功率，而带有信息的边频功率不到总功率的1/3，功率浪费大，效率低。但它仍广泛地应用于传统的无线电通信及无线电广播中，其主要原因是设备简单，特别是AM波解调很简单，便于接收，而且与其它调制方式(如调频)相比，AM占用的频带窄。21dπ212cππavmPtPP模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路22例：有一标准AM波，未调制载波峰值电压为10V，负载电阻为10，调制指数为1，求载波和上下边带的功率；如果调制指数变化为0.5，载波和上下边带功率？/2.5/7.533.33%tsbtPPWRUPLcc51010212122WPmPPclsbusb25.142WPPPlsbusbtsb5.2WPPPtsbct5.71mWRUPLcc51010212122WPmPPclsbusb3125.042WPPPlsbusbtsb625.0WPPPtsbct625.55.0m/0.625/5.62511.11%tsbtPP解：模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路23调幅指数的一般定义：为调制信号的一个周期内，调幅信号的最大振幅。为调制信号的一个周期内，调幅信号的最小振幅。maxminmaxmminmaxminccmacmcmVVVVVVMVVVV若其峰值和谷值不对称，可定义峰值调幅度m上和谷值调幅度m下。maxmccmVVmV上mincmcmVVmV下(b)tt(a)包络未调制00AMvtfvtmaxVminV模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路24在保证不过调的情况下，要使用尽可能高的调幅指数。对于振幅最大的有用信号，标准AM系统应保证其调制指数在0.9~0.95之间。在实际系统中，平均调幅指数很小，所以边频功率占的比例更小，功率利用率更低。模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路25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。uDSB(t)=kf(t)uC在单一正弦信号uΩ=UΩcosΩt调制时uDSB(t)=kuΩuC=kUCUΩcosΩtcosωct=g(t)cosωctAMmcCaΩc()()cos()cosutUttUkut标准调幅波：g(t)是双边带信号的振幅，与调制信号成正比。与AM波的Um(t)不同，这里g(t)可正可负。2.双边带信号模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路26调制信号载波信号调幅信号与AM波相比，它有如下特点:(1)包络不同。AM波的包络正比于调制信号f(t)的波形，而DSB波的包络则正比于|f(t)|。例如g(t)=kcosΩt，它具有正、负两个半周，所形成的DSB信号的包络为|cosΩt|。当调制信号为零时，即cosΩt=0，DSB波的幅度也为零。模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路27(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°。由图可见，在调制信号正半周内，已调波的高频与原载频同相，相差0°;在调制信号负半周内，已调波的高频与原载频反相，相差180°。这就表明，DSB信号的相位反映了调制信号的极性。因此，严格地讲，DSB信号已非单纯的振幅调制信号，而是既调幅又调相的信号。模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路28由于DSB信号不含载波，它的全部功率为边带占有，所以发送的全部功率都载有消息,功率利用率高于AM信号。由于两个边带所含消息完全相同，故从消息传输角度看，发送一个边带的信号即可，这种方式称为单边带调制。cmcmcjVAM下边带上边带cmcmcjVDSB下边带上边带DSB信号的频谱相当于从AM波频谱图中将载频分量去掉后的频谱。BDSB=2Fmax模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路29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。单频调制时：uDSB(t)=kuΩuC取上边带时uSSB(t)=Ucos(ωc+Ω)t取下边带时uSSB(t)=Ucos(ωc－Ω)t3.单边带信号模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路高频电子线路30单频调制时的SSB信号仍是等幅波，但它与原载波电压是不同的。SSB信号的振幅与调制信号的幅度成正比，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。单边带信号的包络与调制信号的包络形状相同。在单频调制时，