无线电振幅调制电路设计

无线电振幅调制电路设计

李娜1，2，穆海芳1，刘鹏1

(1.宿州学院机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000;2.河海大学计算机与信息学院，江苏 南京 211100)

摘要：基带信号直接通过天线传送出去的不合理性，决定了用待传输的基带信号去控制高频载波参数电路的必要性。推导分析普通调幅、抑制载波的双边带调幅、单边带调幅的调幅表达式、调制波形、频谱分布。采用多频基带信号作为输入，设计无线电发射机的振幅调制电路。利用示波器观察实验结果，验证调幅电路的可行性。

关键词：高频电子线路；普通调幅；抑制载波的双边带调幅；单边带调幅

中图分类号：TN 911.3

DOI：10.3969/j.issn.1673-1492.2015.03.003

作者简介：闫伟(1984-),男，山西祁县人，张家口市土壤肥料工作站农艺师。

基金项目：河北省科技计划项目(13226431)

作者简介：郭郁频(1965-),男，内蒙古察右中旗人，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

调幅(amplitude modulation，AM)，一种基带调制方式，既通常所说的中波。这是一种用声音的高低变化为幅度变化的电信号，频率范围503~1 060 KHz，传输距离较远，适合省际电台广播。本文先介绍三种振幅调制的调幅表达式、调制波形、频谱分布，再介绍一款简易的调幅发射电路，通过示波器观察调幅波形，验证此电路的可行性。

1概述

待传输的低频信号称为基带信号，如日常生活中人发出的语音信号即为基带信号。3个因素决定基带信号直接通过天线传送出去是不合理的：一是天线尺寸相应要做很大，二是基带信号能量弱不能传远，再者信号间相互干扰。调制就是用高频载波信号变换基带信号为高频已调信号，功率足够大时即可通过天线辐射到空间中去。调幅传输距离较远，受天气因素影响较大，适合省际电台广播，如收音机中的AM波段就是调幅波。调幅是使高频载波信号的振幅随调制信号的瞬时变化而变化，即通过调制信号来改变高频信号的幅度大小，使得调制信号的信息包含于高频信号之中。通过天线把高频信号发射出去，也即把调制信号传播出去了[1]。

2振幅调制

振幅调制可分为普通调幅(AM)，双边带调幅(DSB-AM)，单边带调幅(SSB-AM)等[2]。

2.1　普通调幅(AM)

(1)普通调幅的表达式

设载波uC(t)、调制信号uΩ(t)的表达式分别为uc(t)=Ucmcosωct、uΩ(t)=UΩmcosΩt。由图1可见，已调幅波振幅变化的包络形状与调制信号的变化规律相同，而其包络内的高频振荡频率仍与载波频率相同，表明已调幅波实际上是一个高频信号。可见，调幅过程只是改变载波的振幅，使载波振幅与调制信号成线性关系，即使Ucm变为Ucm+kaUΩmcosΩt。据此，可以写出已调幅波表达式为[3]：

图1　调幅波波形 注：(A)载波信号； (B)待调制信号； (C)振幅调制信号。

uAM(t) =(Ucm+kaUΩmcosΩt)cosωct

=Ucm(1+MacosΩt)cosωct

(1)

(2)普通调幅的频谱

为了分析调幅信号所包含的频率成分，可将式(1)按三角函数公式展开，得[4]：

uAM(t) =Ucm(1+MacosΩt)cosωct

=Ucmcosωct+UcmMacosΩtcosωct

(2)

可见，在已调波中包含三个角频率成分：ωc、ωc+Ω和ωc-Ω。ωc+Ω称为上边频，ωc-Ω称为下边频。由此而得到调幅波的频谱，如图2所示。

图2　普通调幅波的频谱图 注：(A)待调制信号频谱； (B)载波信号频谱； (C)振幅调制信号频谱。

2.2　抑制载波的双边带调幅(DSB)

(1)双边带调幅表达式

由于载波不携带信息，为了节省发射功率，可以不发射载波，只发射含有信息的上、下2个边带。这种调幅信号称为抑制载波的双边带调幅信号，简称双边带调幅信号(DSB)。

由式1可知，当不发射载波时，双边带调幅信号的表示式为[5]

uDSB(t)=kaUΩmcosΩtcosωct

(3)

式子展开则得

(4)

(2)双边带调幅的频谱

双边带调幅的频谱结构如图3所示。由图可知，其带宽与AM调制相同，即BW=2F，采用DSB调制方式节省了功率，但没有节省频带。

2.3　抑制载波的单边带调幅(SSB)

观察DSB信号的频谱结构，即会发现上、下边带都反映了调制信号的频谱结构，二者完全对称。从信息传递的观点来说，可以将其中一个边带抑制掉，仅传输一个边带(上边带或下边带)即可，这种调制方式称为单边带调制。这样，边频的功率即为发射机输出的全部功率。与AM、DSB信号相比，SSB信号的频带压缩了一倍，且功率的利用率提高了一倍。

图3　抑制载波双边带信号的频谱图 注：(A)待调制信号频谱； (B)载波信号频谱； (C)抑制载波双边带调制信号频谱。

由于上述的优点，单边带调制已成为频道特别拥挤的短波无线电通信中最主要的一种调制方式。

单边带信号的表达式为[6]

(5)

(6)

3振幅调制电路

振幅调制电路是无线电发射机的重要组成部分。振幅调制电路有多种，下面设计基极调幅电路。所谓基极调幅，就是用调制信号电压来改变高频功率放大器的基极偏压，以实现调幅。设计电路如图4所示[7]。

低频调制信号uΩ(t)与直流偏压Eb0相串联，放大器的有效基极偏压VBB=Eb0+uΩ(t)，随调制信号波形而变化。集电极回路的输出高频电压uc(t)的振幅Vcm将随VBB=Eb0+uΩ(t)的变化而变化，得到调幅波输出。图4(B)为其工作波形[8]。

原理类似，可以自行设计集电极调幅电路。在实验中，可用自己的语音信号作为基带信号进行调幅，并用示波器观察调制结果。

　　　　　　　(A)电路图　　　　　　　　　　　　　　(B)工作波形 图5　基极调幅电路图

4结语

普通调幅、抑制载波的双边带调幅、单边带调幅是振幅调制的3种方法。通过对其调幅表达式、调制波形、频谱分布以及振幅调制电路的逐步推导和理论联系实际分析，建立完整的振幅调制知识体系。用基极调幅电路进行调幅，通过示波器实时观察调幅波形，验证其可行性。用自己的语音信号或截取的一段音乐作为基带信号，通过振幅调制电路调幅后发射，并用收音机成功接收信号。

参考文献：

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[责任编辑：刘守义英文编辑：刘彦哲]