1、调幅信号的产生与解调 摘 要 随着通信、电子技术的飞速发展，无线模拟通信和无线数字通信越来越广泛的被 应用到各种通信系统。前者传送的是模拟电信号、后者传送的是数字电信号。模拟通 信系统所涉及的基本功能电路包括低频和高频小信号放大电路、低频和高频功率放大 电路、正弦波振荡电路、调制和解调电路、倍频电路、混频电路等。也就是说，混频 电路和本振电路一起可以把接收到的不同载频的各发射台高频已调波信号变换为同一 载频（中频）的高频已调波信号，然后送入中频放大器进行放大。中频放大器由于工 作频段低而且固定，其性能可以做得很好，从而达到满意的接收效果，这种接收方式 称为超外差方式。倍频电路的功能是把高频振荡
2、信号或高频已调波信号的频率提高若 干倍，以满足系统的需要。数字通信系统所涉及的基本功能电路除了模拟通信系统所 包括的之外，还增加了信源编译码电路和信道编译码电路，以此实现 A/D 和 D/A 转换、 差错控制等功能。 调制电路与解调电路是通信系统中的重要组成部分。调制是在发射端将调制信号 从低频端变换到高频端，便于天线发送以及实现不同信号源、不同系统的频分复用； 解调是在接收端将已调波信号从高频端变换到低频端，恢复原调制信号。 关键词：无线模拟通信系统，无线数字通信系统，调制电路，解调电路，正弦波调制 目 录 1 绪论 .1 1.1 课题描述 .1 1.2 超外差接收机的工作原理及框图 .1
3、1.3 中频放大器的工作原理及电路图 .4 2 设计过程 .6 2.1 振幅调制 .6 2.1.1 调制的基本原理 .6 2.1.2 调制电路 .8 2.2 解调过程 .9 2.2.1 解调的基本原理 .9 2.2.2 解调电路 .14 2.3 整机电路的基本原理及电路图 .15 总 结 .17 致 谢 .18 参考文献 .19 1 绪论 1.1 课题描述 发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制,将其变为在某一中心 频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。 通常，发射机包括三个部分：高频部分，低频部分，和电源部分。 高频部分一般包括主振荡器、缓冲放大、倍频器、中间放大、功放
4、推动级与末级 功放。主振器的作用是产生频率稳定的载波。为了提高频率稳定性，主振级往往采用 石英晶体振荡器，并在它后面加上缓冲级，以削弱后级对主振器的影响。 低频部分包括话筒、低频电压放大级、低频功率放大级与末级低频功率放大级。 低频信号通过逐渐放大，在末级功放处获得所需的功率电平，以便对高频末级功率放 大器进行调制。因此，末级低频功率放大级也叫调制器。 调制是将要传送的信息装载到某一高频振荡(载频)信号上去的过程。所以末级高频 功率放大级则成为受调放大器。 1.2 超外差接收机的工作原理及框图 本课程设计的调幅信号的产生和调制主要采用无线模拟通信系统，其工作原理如 下：在发送端，由高频正弦波振
5、荡器产生的正弦波信号经放大之后形成载波信号，然 后被模拟电信号调制产生已调波信号再经功率放大后从天线输出。在接收端，混频电 路起频率变换作用，其输入是各种不同载频的高频已调波信号和本振信号，输出是一 种载频较低而且固定的高频已调波信号。基本工作原理框图如图 1 所示。 图 1 基本工作原理框图 超 外 差 接 收 机 中 有 一 个 振 荡 器 叫 本 机 振 荡 器 .它 产 生 的 高 频 电 磁 波 与 所 接 收 的 高 频 信 号 混 合 而 产 生 一 个 差 频 , 这 个 差 频 就 是 中 频 .如 要 接 收 的 信 号 是 900KHZ.本 振 频 率 是 1365KHZ
6、.两 频 率 混 合 后 就 可 以 产 生 一 个 465KHZ 或 者 2200KHZ 的 差 频 .接 收 机 中 用 LC 电 路 选 择 465KHZ 作 为 中 频 信 号 .因 为 本 振 频 率 比 外 来 信 号 高 465KHZ 所 以 叫 超 外 差 超 外 差 原 理 如 图 1。 本 地 振 荡 器 产 生 频 率 为 f1 的 等 幅 正 弦 信 号 ， 输 入 信 号 是 一 中 心 频 率 为 fc 的 已 调 制 频 图 2 超外差原理的频谱与原理框图 带 有 限 信 号 ,通 常 f1 fc。 这 两 个 信 号 在 混 频 器 中 变 频 ,输 出 为 差
7、 频 分 量 ,称 为 中 频 信 号 ,fi=f1-fc 为 中 频 频 率 。 图 2 表 示 输 入 为 调 幅 信 号 的 频 谱 和 波 形 图 。 输 出 的 中 频 信 号 除 中 心 频 率 由 fc 变 换 到 fi 外 ， 其 频 谱 结 构 与 输 入 信 号 相 同 。 因 此 ， 中 频 信 号 保 留 了 输 入 信 号 的 全 部 有 用 信 息 。 超 外 差 原 理 的 典 型 应 用 是 超 外 差 接 收 机 （ 图 3） 。 从 天 线 接 收 的 信 号 经 高 频 放 大 器 （ 见 调 谐 放 大 器 ） 放 大 ， 与 本 地 振 荡 器 产 生
8、 的 信 号 一 起 加 入 混 频 器 变 频 ， 得 到 中 频 信 号 ， 再 经 中 频 放 大 、 检 波 和 低 频 放 大 ， 然 后 送 给 用 户 。 接 收 机 的 工 作 频 率 范 围 往 往 很 宽 ， 在 接 收 不 同 频 率 的 输 入 信 号 时 ， 可 以 用 改 变 本 地 振 荡 频 率 f1 的 方 法 使 混 频 后 的 中 频 fi 保 持 为 固 定 的 数 值 。 接 收 机 的 输 入 信 号 uc 往 往 十 分 微 弱 （ 一 般 为 几 微 伏 至 几 百 微 伏 ） ， 而 检 波 器 需 要 有 足 够 大 的 输 入 信 号 才
9、能 正 常 工 作 。 因 此 需 要 有 足 够 大 的 高 频 增 益 把 uc 放 大 。 早 期 的 接 收 机 采 用 多 级 高 频 放 大 器 来 放 大 接 收 信 号 ， 称 为 高 频 放 大 式 接 收 机 。 后 来 广 泛 采 用 的 是 超 外 差 接 收 机 ,主 要 依 靠 频 率 固 定 的 中 频 放 大 器 放 大 信 号 。 图 3 超外差接收机原理框图 超 外 差 接 收 机 的 主 要 缺 点 是 电 路 比 较 复 杂 ， 同 时 也 存 在 着 一 些 特 殊 的 干 扰 ， 如 像 频 干 扰 、 组 合 频 率 干 扰 和 中 频 干 扰 等
10、 (见 混 频 器 )。 例 如 ， 当 接 收 频 率 为 fc 的 信 号 时 ,如 果 有 一 个 频 率 为 f 婞 =f1+fi 的 信 号 也 加 到 混 频 器 的 输 入 端 ， 经 混 频 后 也 能 产 生 |f1-f 婞 |=fi 的 中 频 信 号 ,形 成 对 原 来 的 接 收 信 号 fc 的 干 扰 ， 这 就 是 像 频 干 扰 。 解 决 这 个 问 题 的 办 法 是 提 高 高 频 放 大 器 的 选 择 性 ， 尽 量 把 由 天 线 接 收 到 的 像 频 干 扰 信 号 滤 掉 。 另 一 种 办 法 是 采 用 二 次 变 频 方 式 。 二 次
11、 变 频 超 外 差 接 收 机 的 框 图 如 图 4。 第 一 中 频 频 率 选 得 较 高 ， 使 像 频 干 扰 信 号 的 中 心 频 率 与 有 用 输 入 信 号 uc 的 中 心 频 率 差 别 较 大 ， 使 像 频 信 号 在 高 频 放 大 器 中 受 到 显 著 的 衰 减 。 第 二 中 频 频 率 选 得 较 低 ， 使 第 二 中 频 放 大 器 有 较 高 的 增 益 和 较 好 的 选 择 性 。 随 着 集 成 电 路 技 术 的 发 展 ， 超 外 差 接 收 机 已 经 可 以 单 片 集 成 。 例 如 ， 有 一 种 单 片 式 调 幅 -调 频
12、（ AM/FM） 接 收 机 ， 它 的 AM FM 高 频 放 大 器 、 本 地 振 荡 器 、 混 频 器 、 AM/FM 中 频 放 大 器 、 AM/FM 检 波 器 、 音 频 功 率 放 大 器 以 及 自 动 增 益 控 制 (AGC)、 自 动 频 率 控 制 (AFC)、 调 谐 指 示 电 路 等 (共 700 个 元 件 )均 集 成 在 一 个 面 积 为 2.43.1 毫 米 2 芯 片 上 ， 它 的 工 作 电 压 范 围 为 1.8 9 伏 ， 工 作 于 调 幅 与 调 频 方 式 的 静 态 电 流 分 别 为 3 毫 安 和 5 毫 安 。 1.3 中频
13、放大器的基本原理及电路图 接收机的中频放大器主要是将混频器输出的信号进行大幅度提升,以满足解调电路 的需要。接收机的主要增益也来自中频放大器，中频放大器损坏常会造成手机接收差 的故障。 移动通信接收机均要使用中频放大器。中频放大器最主要的作用是： 获取高增益：与射频放大部分相比,由于中频频率固定,并且频率较低,可以很容易 地得到较高的增益,因而可以为下一级提供足够大的输人。 提高选择性：接收机的邻近频率选择性一般由中频放大器的通频带宽度决定。 对于中频放大器,不仅需要得到高的增益、好的选择性,还要有足够宽的通频带和 良好的频率响应、大的动态范围等。而接收机的邻近信道选择性一般由中频放大器的 通
14、频带宽度决定，由于中频信号为单一的固定频率,其通频带可最大限度地做得很小, 以提高相邻信道选择性。在实际工程上,一般采用多级放大器,并使每级实现某一技术 要求，就电路形式而言,第一级中频放大器多采用共发射极电路,最后一级中频放大器 多采用射极输出电路。不论接收机采用一次或二次变频技术,中频放大器总是位居下变 频（即混频）之后。 为避免镜频干扰,提高镜频选择性,接收机通常采用降低第一本机振荡频率、提高 第一中频频率和多次变频的方法,使信号频谱逐渐由射频搬移到较低频率上。 分离元件的中频放大器电路形式与低噪声放大器的电路形式很相似,也是一个共发 射极电路,只是它们工作的频点不一样。 摩托罗拉手机中
15、通常使用分离元件的中频放大器,其他手机的中频放大器通常都是 在一个集成电路中。图 4 手机的中频放大器。 - 图 4 中频放大电路 - 中频放大器的电路形式与低噪声放大器的电路形式差别不大,但它们工作的频段不 同。低噪声放大器是一个宽带放大器,而中频放大器是一个窄带放大器。中频放大电路 的信号通路和偏压、电源的查找与低噪声放大器的方法一样。 2 设计过程 2.1 振幅调制 2.1.1 调制的基本原理 幅度调制就是载波的振幅（包络）受调制信号的控制作周期性的变化。变化的周 期与调制信号周期相同。即振幅变化与调制信号的振幅成正比。通常称高频信号为载 波信号。本章中载波是由晶体振荡产生的 1000K
16、HZ 高频信号。465KHZ 的低频信号为调 制信号。振幅调制器即为产生调幅信号的装置。 在本章采用集成模拟乘法器 MC1496 来完成调幅作用，图 5 为 1496 芯片内部电路 图，它是一个四象限模拟乘法器的基本电路，电路采用了两组差动对由 V1V4 组成， 以反极性方式相连接，而且两组差分对的恒流源又组成一对差分电路，即 V5 与 V6，因 此恒流源的控制电压可正可负，以此实现了四象限工作。D、V7、V8 为差动放大器 V5 与 V6 的恒流源。进行调幅时，载波信号加在 V1V4 的输入端，即引脚的、之间 ；调制信号加在差动放大器 V5、V6 的输入端，即引脚的、之间，、脚外接 1K 电
17、位器，以扩大调制信号动态范围，已调制信号取自双差动放大器的两集电极（即 引出脚、之间）输出。 图 5 MC1496 内部电路图 用 1496 集成电路构成的调幅器电路图如图 6 所示，图中 VR8 用来调节引出脚、之 间的平衡，VR7 用来调节脚的偏置。器件采用双电源供电方式（12V，9V），电 阻 R29、R30、R31、R32、R52 为器件提供静态偏置电压，保证器件内部的各个晶体管 工作在放大状态。 调幅波的解调是调幅的逆过程，即从调幅信号中取出调制信号，通常称之为检波 。调幅波解调方法主要有二极管峰值包络检波器，同步检波器。二极管包络检波器主 要用于解调含有较大载波分量的大信号，它具有
18、电路简单，易于实现的优点。实验电 路如图所示，主要由二极管 D7 及 RC 低通滤波器组成，利用二极管的单向导电特性和 检波负载 RC 的充放电过程实现检波.所以 RC 时间常数的选择很重要，RC 时间常数过大 ，则会产生对角切割失真又称惰性失真。RC 常数太小，高频分量会滤不干净.综合考虑 要求满足下式： amRC2ax1 其中：m 为调幅系数， 为调制信号最高角频率。 当检波器的直流负载电阻 R 与交流音频负载电阻 R 不相等，而且调幅度 又相当大时 会产生负峰切割失真（又称底边切割失真），为了保证不产生负峰切割失真应满足 ： ELaRm 2.1.2 调制电路 图6 MC1496构成的振幅
19、调制电路 2.2 解调过程 2.2.1 解调的基本原理 (一)包络检波器 大信号峰值包络检波器、平均值检波器统称为包络检波，适用于普通调幅波的解 调。图 2.1 为二极管大信号峰值包络检波器电路原理图，它由输入回路、检波二极管 D、RLC 低通滤波器串联组成。RLC 电路有两个作用：一是作为检波器的负载，在其两 端输出调制信号电压；二是起载频滤波作用。因此，必须满足 LiRC1 及 LR1 即：高频时，电容的容抗必须远远小于 RL，RLC 电路相当于电容 C 或短路；低频时， 电容的容抗必须远远大于 RL，RLC 电路相当于电阻 RL。 1、工作原理 二极管峰值包络检波器的工作原理如图 7 所
20、示。当输入信号的振幅大于 0.5V 时， 检波器即工作于大信号峰值包络检波状态。设二极管正向导通电压为 0V，则在检波输 入信号的一个周期内，当为正向电压时，如图 8（a）所示，二极管 D 导通，输入信号 通过二极管 D 对电容 C 充电，充电快慢可用充电时间常数 Cr充来描述，式中 Dr为 检波二极管正向导通电阻，一般有 iT充；当为反向电压时，如图 8(b)所示，二极 管截止，电容 C 对 RL 放电，放电快慢可用放电时间常数 RL放来描述。 图 7 二极管峰值包络检波器 (a) (b) 图 8 二极管峰值包络检波器 图 9 所示为检波器加入等幅波时的波形转换图。图(a)中虚线所示为检波器
21、输入高 频等幅波，实线所示为检波负载电容 C 上电压波形；图(b)为检波二极管上电流波形图； 图(c)为 RLC 低通滤波器输出信号，即检波输出信号波形图。 图 9 加入等幅波时检波器各电压、电流的波形 图 10 所示为检波器加入高频调幅波时的波形转换图。图(a)中虚线所示为检波器 输入高频调幅波，实线所示为检波负载电容 C 上电压波形；图(b)为检波输出信号波形 图。 图 10 输入为 AM 信号时检波器的输出波形图 从各波形转换图可以看出： (1)检波过程就是信号源通过检波二极管给电容充电与电容对检波负载电阻放电的 过程； (2)由式下式可知，即 RLC 放电时间常数远大于输入电压载波周期
22、，因此放电慢， 使得二极管负极处于正的较高的电位，又由 iT充知充电快，因而输出电压接近于高 频正弦波的峰值。 (3)检波二极管电流 Di包含直流分量和谐波分量，为脉动电流。 2、性能指标 (1)检波效率(电压传输系数) 检波效率或电压传输系数 dK等于输出低频信号的振幅与输入高频电压包络线的振 幅之比。 当输入为高频等幅波时，即 tUtuiimicos)(时，则 1id 式中， oU为检波器输出平均电压。 当输入为单频普通调幅波时，即 ttmtut cacAMi os)()()( 时，则 ca mdUK - 式中， mU为检波器输出的低频信号振幅， cmaU为输入普通调幅波包络线的振幅。 按
23、照以下两式，利用示波器就可以测得 dK。大信号检波时，二极管在输入高频信 号的一个周期内的导通角 仅与 RL 和 Dr有关，而与输入信号无关，有 ra 3LR 电压传输系数近似为 cosdK， dK。 (2)输入电阻 iR 据戴维南等效定理可知道，对于高频输入信号源 iu来说，检波器相当于一个负载， 此 负载就是检波器的等效输入阻抗，一般可用电阻和电容并联表示。通常把电容部分 计入前级高频谐振回路电容内，因此只考虑等效输入电阻 iR。如果二极管的损耗可忽 略不计，则可近似认为检波器的输入高频功率等于其输出低频功率。若输入是载波信 号 tUiimcos，检波器输出为平均直流电压 oU，根据功率关
24、系有LimR21 LdoiiKU221 设 1dK，则有 LiR2 1 。 3、检波失真 (1)惰性失真 检波器的低通滤波器 RLC 的值对检波器的特性有较大影响。负载电阻 RL 越大，检 波器的电压传输系数越大，等效输入电阻越大，但是随着负载电阻 RL 的增大，RLC 电 路的时间常数将增大，就有可能产生惰性失真。为了克服惰性失真，RLC 的选取必须满 足 a LmCRx21 (2)负峰切割失真 为了将调制信号传送到下级负载上，采用了隔直电容来实现。由于交直流负载电 阻的不同，有可能产生负峰切割失真。为了避免负峰切割失真，应满足 EL aRm 4、电路图说明 本章所用二极管峰值包络检波器如图
25、 11 所示。 图 11 二极管峰值包络检波器 (二)同步检波器 同步检波又称为相干检波，有叠加型同步检波和乘积型同步检波两类，其组成框 图如图 12 所示。(a)图所示为叠加型同步检波器，它是将本地载波与接收到的已调波 信号相加，经包络检波器后取出原调制信号。(b)图所示为乘积型同步检波器，它是将 本地载波与接收信号在检波器中相乘，经低通滤波后，检出原调制信号。因此，利用 模拟乘法器的相乘原理，可以构成同步检波器，其实验电路如图 13 所示。 图 12 同步检波电路原理图 2.2.2 解调电路 图 13 同步检波器的组成方框图及采用 1496 构成的同步检波器 采用 MC1496 集成电路构
26、成检波器，载波信号 )(tuc经过电容 C1 加在 8、10 脚之间， 调幅信号 )(tuAM经电容 C2 加在 1、4 脚之间，相乘后信号由 12 脚输出，经 C4、C5、R6 组成的低通滤波器，在解调输出端输出调制信号。 2.3 整机电路基本原理及电路图 图 14 整机电路 电路图如上图所示，Q1 高频管 9018 的集电集到发射极接有 C4 正反馈电容，这个 正反馈信号会使用电路产生高频振荡，同时，由于天线会接收到空中的电磁波，并通 过 L 加到 T1，使得 Q1 能根据空间电磁破的变化而振荡也发生变化，起到灵敏度极高的 超再生检波作用。超再生检波出来的音频信号通过 R4C9 传输到 Q
27、2 进行前置放大，经 过前置放大后的信号就可以再经 Q3 推动、Q4、Q5 功率放大去推动 SP 扬声器发出声音 了，这就是接收过程。通过调节 T1 的磁芯、C1、C3、C4 还可以改变接收信号的频率， 当接收频率刚好等于当地广播电台的频率时，还可以当收音机用。 当需要通信时，请接下“收”开关，这时，SP 喇叭原本是接在输出发声的，现在变 成了话筒来拾取音频信号了，P 的音圈随着声音的振动感应出微弱的电信号经过 Q2 放 大，再经过经 Q3 推动、Q4、Q5 功率放大后加到了 Q1 的集电集，Q1 的集电极电压会随 着声音的变化而变化，经过，导致了 Q1 的高频振荡信号幅射到空音的强弱也在随声
28、音 变化而变化，这时本机就相当于是一个小小的无线发射台了。 为了保证通信的可靠性与可行性，本机要保证发射的频率和接收的频率是一样的。 总 结 经过近多日的努力，终于将本次课程设计做完了，但由于水平有限，文中肯定有 很多不恰当的地方，请老师指出其中的错误和不当之处，使我能做出改正，我会虚心 接受。在本次课程设计过程中，我增强了自己的动手能力和分析能力。通过跟老师和 同学的交流，也通过自己的努力，我按时完成了这次课程设计。在此过程中，我学会 了很多，也看到了很多自己的不足之处。在以后的学习生活中，我会努力学习专业知 识，完善自我，为将来的发展做好充分的准备。 总之，在这次课程设计中，我受益匪浅，学
29、到了很多书本上所没有的东西，懂得 了理论和实际联系的重要性。在以后的学习中，我不仅要把理论知识掌握牢固，更要 提高自己的动手能力和分析能力。 致 谢 通过一周的努力，终于将通信电路课程设计完成了，在完成课程设计的这一 周中，王二平老师给予了我很大的帮助。她不仅是指导我完成了设计，还教会了我做 设计的一般步骤、设计思想和设计方法。当我对此课程设计无从下手的时候，王老师 专心地为我讲解，为我解决了很多实际存在的困难和问题。她在通信电路实验室里为 我们梳理流程，讲解原理，使我对此次的课程设计能圆满完成增添了很多信心，真正 的从心理和解决实际问题上为我树立了很好的榜样，我为能有这样的好老师而感觉到 骄
30、傲，每每对课程设计的撰写产生疑问时，她为我提纲挈领、梳理脉络，使我确立了 本文的框架。在此我衷心的感谢一直不辞辛劳为我指明方向的王二平老师，也要感谢 教会我知识的学校为我提供实践的场所和实践器材。通过这次的课程设计，不仅使我 学到了很多专业方面的知识，也让我明白了不畏困难、勇于攀登艰难的重要性，这对 我未来的学习和生活产生很大的影响。 在此，再次真诚感谢王老师！ 参考文献 1 沈伟慈.通信电路 M. 西安：西安电子科技大学出版社. 2008.6 2 张肃文.高频电子线路M. 北京：高等教育出版社. 1984 3 罗伟雄.通信电路与系统.M. 北京：北京理工大学出版社. 2007.9 4 杨素行.模拟电子技术基础简明教程.M. 北京：高等教育出版社. 2002.2 5 Ferrel G. Stremler. Introduction Communication Systems .M. 1997
