無線電振幅調制電路設計

無線電振幅調制電路設計

李娜1，2，穆海芳1，劉鵬1

(1.宿州學院機械與電子工程學院，安徽 宿州 234000;2.河海大學計算機與信息學院，江蘇 南京 211100)

摘要：基帶信號直接通過天線傳送出去的不合理性，決定了用待傳輸?shù)幕鶐盘柸タ刂聘哳l載波參數(shù)電路的必要性。推導分析普通調幅、抑制載波的雙邊帶調幅、單邊帶調幅的調幅表達式、調制波形、頻譜分布。采用多頻基帶信號作為輸入，設計無線電發(fā)射機的振幅調制電路。利用示波器觀察實驗結果，驗證調幅電路的可行性。

關鍵詞：高頻電子線路；普通調幅；抑制載波的雙邊帶調幅；單邊帶調幅

中圖分類號：TN 911.3

DOI：10.3969/j.issn.1673-1492.2015.03.003

作者簡介：閆偉(1984-),男，山西祁縣人，張家口市土壤肥料工作站農藝師。

基金項目：河北省科技計劃項目(13226431)

作者簡介：郭郁頻(1965-),男，內蒙古察右中旗人，副教授，博士；

Design of Radio Amplitude Modulation Circuit

LI Na1,2,MU Hai-fang1,LIU Peng12.School of Computer and Information Engineering,Hehai University,Nanjing,Jiangsu 211100,China)

Abstract:It is irrational to directly transmit baseband signal through antenna,which determines the necessity to use baseband signal to control parameters of high-frequency carrier circuit.The authors of this paper analyze AM expression,modulation waveform and spectral distribution.Double sideband modulation and single sideband modulation are also analyzed.An amplitude modulation circuit for radio transmitter was designed,with multi-frequency baseband signal as input signal.The results observed with an oscilloscope certified its feasibility.

Key words:high frequency electronic circuit;amplitude modulation;double sideband modulation;single sideband modulation

調幅(amplitude modulation，AM)，一種基帶調制方式，既通常所說的中波。這是一種用聲音的高低變化為幅度變化的電信號，頻率范圍503~1 060 KHz，傳輸距離較遠，適合省際電臺廣播。本文先介紹三種振幅調制的調幅表達式、調制波形、頻譜分布，再介紹一款簡易的調幅發(fā)射電路，通過示波器觀察調幅波形，驗證此電路的可行性。

1概述

待傳輸?shù)牡皖l信號稱為基帶信號，如日常生活中人發(fā)出的語音信號即為基帶信號。3個因素決定基帶信號直接通過天線傳送出去是不合理的：一是天線尺寸相應要做很大，二是基帶信號能量弱不能傳遠，再者信號間相互干擾。調制就是用高頻載波信號變換基帶信號為高頻已調信號，功率足夠大時即可通過天線輻射到空間中去。調幅傳輸距離較遠，受天氣因素影響較大，適合省際電臺廣播，如收音機中的AM波段就是調幅波。調幅是使高頻載波信號的振幅隨調制信號的瞬時變化而變化，即通過調制信號來改變高頻信號的幅度大小，使得調制信號的信息包含于高頻信號之中。通過天線把高頻信號發(fā)射出去，也即把調制信號傳播出去了[1]。

2振幅調制

振幅調制可分為普通調幅(AM)，雙邊帶調幅(DSB-AM)，單邊帶調幅(SSB-AM)等[2]。

2.1　普通調幅(AM)

(1)普通調幅的表達式

設載波uC(t)、調制信號uΩ(t)的表達式分別為uc(t)=Ucmcosωct、uΩ(t)=UΩmcosΩt。由圖1可見，已調幅波振幅變化的包絡形狀與調制信號的變化規(guī)律相同，而其包絡內的高頻振蕩頻率仍與載波頻率相同，表明已調幅波實際上是一個高頻信號。可見，調幅過程只是改變載波的振幅，使載波振幅與調制信號成線性關系，即使Ucm變?yōu)閁cm+kaUΩmcosΩt。據(jù)此，可以寫出已調幅波表達式為[3]：

圖1　調幅波波形 注：(A)載波信號； (B)待調制信號； (C)振幅調制信號。

uAM(t) =(Ucm+kaUΩmcosΩt)cosωct

=Ucm(1+MacosΩt)cosωct

(1)

(2)普通調幅的頻譜

為了分析調幅信號所包含的頻率成分，可將式(1)按三角函數(shù)公式展開，得[4]：

uAM(t) =Ucm(1+MacosΩt)cosωct

=Ucmcosωct+UcmMacosΩtcosωct

(2)

可見，在已調波中包含三個角頻率成分：ωc、ωc+Ω和ωc-Ω。ωc+Ω稱為上邊頻，ωc-Ω稱為下邊頻。由此而得到調幅波的頻譜，如圖2所示。

圖2　普通調幅波的頻譜圖 注：(A)待調制信號頻譜； (B)載波信號頻譜； (C)振幅調制信號頻譜。

2.2　抑制載波的雙邊帶調幅(DSB)

(1)雙邊帶調幅表達式

由于載波不攜帶信息，為了節(jié)省發(fā)射功率，可以不發(fā)射載波，只發(fā)射含有信息的上、下2個邊帶。這種調幅信號稱為抑制載波的雙邊帶調幅信號，簡稱雙邊帶調幅信號(DSB)。

由式1可知，當不發(fā)射載波時，雙邊帶調幅信號的表示式為[5]

uDSB(t)=kaUΩmcosΩtcosωct

(3)

式子展開則得

(4)

(2)雙邊帶調幅的頻譜

雙邊帶調幅的頻譜結構如圖3所示。由圖可知，其帶寬與AM調制相同，即BW=2F，采用DSB調制方式節(jié)省了功率，但沒有節(jié)省頻帶。

2.3　抑制載波的單邊帶調幅(SSB)

觀察DSB信號的頻譜結構，即會發(fā)現(xiàn)上、下邊帶都反映了調制信號的頻譜結構，二者完全對稱。從信息傳遞的觀點來說，可以將其中一個邊帶抑制掉，僅傳輸一個邊帶(上邊帶或下邊帶)即可，這種調制方式稱為單邊帶調制。這樣，邊頻的功率即為發(fā)射機輸出的全部功率。與AM、DSB信號相比，SSB信號的頻帶壓縮了一倍，且功率的利用率提高了一倍。

圖3　抑制載波雙邊帶信號的頻譜圖 注：(A)待調制信號頻譜； (B)載波信號頻譜； (C)抑制載波雙邊帶調制信號頻譜。

由于上述的優(yōu)點，單邊帶調制已成為頻道特別擁擠的短波無線電通信中最主要的一種調制方式。

單邊帶信號的表達式為[6]

(5)

(6)

3振幅調制電路

振幅調制電路是無線電發(fā)射機的重要組成部分。振幅調制電路有多種，下面設計基極調幅電路。所謂基極調幅，就是用調制信號電壓來改變高頻功率放大器的基極偏壓，以實現(xiàn)調幅。設計電路如圖4所示[7]。

低頻調制信號uΩ(t)與直流偏壓Eb0相串聯(lián)，放大器的有效基極偏壓VBB=Eb0+uΩ(t)，隨調制信號波形而變化。集電極回路的輸出高頻電壓uc(t)的振幅Vcm將隨VBB=Eb0+uΩ(t)的變化而變化，得到調幅波輸出。圖4(B)為其工作波形[8]。

原理類似，可以自行設計集電極調幅電路。在實驗中，可用自己的語音信號作為基帶信號進行調幅，并用示波器觀察調制結果。

　　　　　　　(A)電路圖　　　　　　　　　　　　　　(B)工作波形 圖5　基極調幅電路圖

4結語

普通調幅、抑制載波的雙邊帶調幅、單邊帶調幅是振幅調制的3種方法。通過對其調幅表達式、調制波形、頻譜分布以及振幅調制電路的逐步推導和理論聯(lián)系實際分析，建立完整的振幅調制知識體系。用基極調幅電路進行調幅，通過示波器實時觀察調幅波形，驗證其可行性。用自己的語音信號或截取的一段音樂作為基帶信號，通過振幅調制電路調幅后發(fā)射，并用收音機成功接收信號。

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[責任編輯：劉守義英文編輯：劉彥哲]