振幅调制

简述

所要传送的信号频率太低或频带太宽,那么:

  • 频率低,波长很长,则需要很长的天线(天线 ≥1/4 波长)
  • 频带太宽,那么天线和谐振回路的参数会在很宽的范围内变化
  • 如果直接发射音频信号,则接收机将同时受到不同电台,无法选择

实现调幅的方法:

低电平调幅

调幅波(AM)

性质

  • 调幅波的频率与载波频率相同
  • 调幅波的振幅与调制信号成线性关系

表示式

设调制信号是:$v_\Omega=V_\Omega \cos \Omega t$,载波为:$v=V_0\cos\omega_0 t$,那么根据上面两条性质,调幅波应满足:

式中,$m_a=\frac{k_aV_\Omega}{V_0}$ 称为调幅指数或调幅度,范围为 $[0,1]$,常用百分数表示。由图可知:

从 $V_\max,V_\min$ 的表达式中可以看出,如果 $m_a$ 不在 $[0,1]$ 的范围内,则可能出现 $V_\max,V_\min$ 为负值,导致包络线相互交叉,使得幅度信号丢失。

我们将 $v(t)$ 展开,那么:

从公式中可以看出,调幅波是由三个频率组成的。$\omega_0+\Omega$ 叫 上边频(上边带);$\omega_0-\Omega$ 叫下边频(下边带)。可以看出,调幅波的带宽是 $2\Omega$,如果有多个调制信号,则带宽为 $2\Omega_\max$。

功率关系

载波功率: $P_{0T}=\frac{1}{2}\frac{V_0^2}{R}$

下边频/下边频功率:$P_{(\omega_0-\Omega)}=\left( \frac{m_aV_0}{2} \right)^2 \frac{1}{2R}=\frac{1}{4} m_a^2 P_{0T}$

平均输出总功率:$P_o=P_{0T}+P_{(\omega_0-\Omega)}+P_{(\omega_0+\Omega)}$

平方律调幅

假设非线性器件为二极管,则其特性可表示为:$v_0=a_0+a_1v_i+a_2v_i^2$,$v_i=v(载波)+v_\Omega(调制信号)$,从而得到一系列分量:

其中产生调幅作用的是 $a_2v_i^2$ 项,所以称为 平方律调幅。经过滤波后,输出电压为:

由上式可知,调幅度:$m_a=\dfrac{2a_2}{a_1}V_\Omega$

因此,我们有以下结论:

  • 调幅度 $m_a$ 取决于 $a_1,a_2,V_\Omega$,即二极管和调制信号振幅
  • 一般 $a_2\ll a_1$,所以调幅度不大

平衡调幅器

注意到式中没有 $\cos \omega_0 t$ 项,所以平衡调幅器的输出是载波被抑止的双边带(DSB-SC,Double Sideband Suppressed Carrier)

单边带信号的产生

单边带的优点:

  1. 节省频带,提高频段的利用率;
  2. 获得更好的通信效果,在信噪比相同时能节省发送的功率;
  3. 选择性衰落现象轻,载波的衰落不会影响信号,而不同频率的衰落不影响通话的可懂度。

缺点:

  1. 接收端必须先恢复原来失去的载波,才能检处原来的信号。因而要求收、发设备的频率稳定度高,使整个设备复杂,技术要求高。

下面说一下产生单边带信号的方法。

滤波器法

缺点:

  • 对滤波器要求很高
  • 载波频率不能太高(和上一条对应),否则相对带宽较小,难滤波
  • 要将 $\omega_0$ 逐步提高到所需要的工作频率上,需要多次平衡调幅与滤波
  • 设备复杂昂贵

优点:

相移法

将调制信号 $v_\Omega=V_\Omega \cos \Omega t$ 移相 90°,分两路调幅,然后再将调制信号相加。

改进相移法

高电平调幅

集电极调幅

用调制信号控制高频功率放大器(丙类)的集电极直流电源电压,以实现调幅。此时,晶体管处于过压区。

优点是:集电极效率高(丙类状态)

缺点:已调波的变频带功率由调制信号供给,需要大功率的调制信号源。

基集调幅

集电极调幅电路工作于欠压状态。

缺点:集电极效率低

优点:所需调制功率很小,对整机的小型化有利。