振幅调制电路的设计与仿真-开发者社区

多种振幅调制电路的仿真与设计

第2章振幅调制基本原理

2.1 振幅调制的数学本质

振幅调制属于线性频谱搬移技术，其核心是通过低频调制信号控制高频载波的振幅，使载波振幅随调制信号的瞬时值线性变化，从而将低频信号的频谱搬移到高频载波两侧，实现信号的调制。从数学角度来看，振幅调制的本质是低频调制信号与高频载波信号的乘积运算。设高频载波信号为等幅正弦波，其表达式为：u_c(t) = U_{cm} \cos(\omega_c t)\tag{2-1}式中，Ucm为载波振幅，ωc为载波角频率，ωc=2πfc，fc为载波频率。低频调制信号为uΩt，该信号可以是正弦信号、语音信号或其他低频基带信号，其角频率为Ω，Ω<<ωc。振幅调制信号的瞬时振幅需随调制信号线性变化，因此调幅信号的瞬时振幅可表示为：U(t) = U_{cm} + k_a u_\Omega(t)\tag{2-2}式中，ka为调制灵敏度，反映调制信号对载波振幅的控制能力。将式（2-2）代入载波表达式，可得振幅调制信号的通用数学模型：u_{AM}(t) = [U_{cm} + k_a u_\Omega(t)] \cos(\omega_c t)\tag{2-3}该式表明，调幅信号是由载波信号与乘积信号叠加而成，调幅系数ma是衡量调制深度的核心参数，其表达式为：m_a = \frac{k_a U_{\Omega m}}{U_{cm}}\tag{2-4}式中，UΩm为调制信号振幅。正常调制状态下，需保证0<ma≤1，若ma>1，则会出现过调失真，导致调制信号无法正常还原。

2.2 标准调幅（AM）原理与波形频谱特性标准调幅（AM）是最基础的振幅调制方式，其调制信号中包含高频载波、上边带、下边带三部分分量，电路实现简单，解调可采用包络检波方式，无需同步信号，在无线电广播中应用广泛。

2.2.1 AM信号时域波形

当调制信号为单一频率正弦信号时，即uΩt=UΩmcosΩt，将其代入式（2-3），可得AM信号表达式：

u_{AM}(t) = U_{cm}[1 + m_a \cos(\Omega t)] \cos(\omega_c t)\tag{2-5}

对公式展开整理可得：

u_{AM}(t) = U_{cm}\cos(\omega_c t) + \frac{1}{2}m_a U_{cm}\cos(\omega_c + \Omega)t + \frac{1}{2}m_a U_{cm}\cos(\omega_c - \Omega)t\tag{2-6}

从时域波形来看，AM信号的高频载波频率保持不变，振幅在载波振幅基础上，随低频调制信号线性波动，其包络线与低频调制信号的波形完全一致。如图2.1所示，当调制系数ma<1时，AM信号包络完整，无失真；当ma=1时，为临界调幅；当ma>1时，包络出现失真，即过调失真，实际应用中需避免该现象。

2.2.2 AM信号频域频谱

从频域分析，AM信号的频谱由三部分组成：载波频率分量fc、上边带频率分量fc+fΩ、下边带频率分量fc-fΩ。其中，载波分量不携带任何调制信号信息，只有上下边带分量承载低频信号的信息，这也是AM信号传输效率较低的核心原因，其功率利用率通常不足30%。

AM信号的频谱宽度为：

BW = 2f_\Omega\tag{2-7}

即频谱宽度为调制信号最高频率的两倍，频谱分布如图2.2所示。

2.3抑制载波双边带调幅（DSB）原理与波形频谱特性

为解决AM信号载波分量消耗功率、传输效率低的问题，衍生出抑制载波双边带调幅（DSB）技术，其核心是在调制过程中完全抑制载波分量，仅保留上下边带分量，大幅提升功率利用率与频谱利用率。

2.3.1 DSB信号时域波形

DSB信号通过直接消除AM信号中的载波分量得到，其数学表达式为调制信号与载波信号的直接乘积：

u_{DSB}(t) = k u_\Omega(t) u_c(t) = k U_{\Omega m} U_{cm} \cos(\Omega t) \cos(\omega_c t)\tag{2-8}

利用三角恒等变换展开可得：

u_{DSB}(t) = \frac{1}{2}k U_{\Omega m} U_{cm}[\cos(\omega_c + \Omega)t + \cos(\omega_c - \Omega)t]\tag{2-9}

从时域波形来看，DSB信号无独立的载波分量，信号振幅随调制信号线性变化，且在调制信号过零点处，高频载波相位发生180°突变，其包络不再与调制信号波形一致，因此DSB信号无法采用包络检波，需使用同步检波电路还原调制信号。DSB信号时域波形如图2.3所示。

2.3.2 DSB信号频域频谱

DSB信号的频谱仅包含上边带fc+fΩ与下边带fc-fΩ两个分量，无载波分量，所有功率均用于承载有效信息，功率利用率远高于AM信号。其频谱宽度与AM信号一致，即BW=2fΩ，频谱分布如图2.4所示。

2.4常见振幅调制电路分类及对比

根据电路结构、工作电平及器件类型，常见的振幅调制电路可分为分立元件调制电路与集成调制电路两大类，各类电路的工作原理、优缺点及适用场景各不相同，具体对比如表2.1所示。

电路类型	核心器件	优点	缺点	适用场景
二极管环形调幅电路	二极管、变压器	结构简单、无直流功耗	失真大、调制系数不可控	低频、低精度调制
晶体管基极调幅电路	三极管、电阻电容	成本低、易实现	线性度差、失真较大	基础AM调制、教学实验
晶体管集电极调幅电路	高频三极管	输出功率大	效率低、调试复杂	大功率AM广播
集成乘法器调幅电路	MC1496、AD633	线性度优异、失真度低，可灵活切换AM/DSB模式，调试便捷、稳定性强	成本高于分立元件电路，对电源精度要求稍高	高精度调制、双模调制场景，工程实际应用

1. 振幅调制产生原理

所谓调制，就是在传送信号的一方将所要传送的信号附加在高频振荡上，再由天线发射出去。这里高频振荡波就是携带信号的运载工具，也叫载波。振幅调制，就是由调制信号去控制高频载波的振幅，直至随调制信号做线性变化。在线性调制系列中，最先应用的一种幅度调制是全调幅或常规调幅，简称为调幅（AM）。为了提高传输的效率，还有载波受到抑制的双边带调幅波（DSB）和单边带调幅波（SSB）。在频域中已调波频谱是基带调制信号频谱的线性位移；在时域中，已调波包络与调制信号波形呈线性关系。

设正弦载波为

式中，A为载波幅度；为载波角频率；为载波初始相位(通常假设=0).

调制信号（基带信号）为。根据调制的定义，振幅调制信号（已调信号）一般可以表示为

设调制信号的频谱为，则已调信号的频谱：

1. 方案选择

这两种信号都有一个调制信号和载波的乘积项，所以振幅调制电路的实现是以乘法器为核心的频谱线性搬移电路。

调制分为：

低电平调制：先调制后功放，主要用于DSB、SSB以及FM信号。

高电平调制：功放和调制同时进行，主要用于AM信号。

高电平调制分为：1.集电极调幅电路；2.基极条幅电路；

因为要实现两种AM和DSB的振幅调制，所以我们选择低电平调制电路。低电平调幅电路通常分为：1.二极管调幅电路；2.集成模拟乘法器调幅电路。

在这里我们选择第二种方法，集成模拟乘法器调幅电路；我们选择的集成模拟乘法器是MC1496。

电路设计
1. MC1496原理及MULTISIM设计
  1. 原理

MC1496是双平衡四象限模拟乘法器。其内部电路和引脚如下图(a)(b)所示。其中VT1,VT2与VT3,VT4组成双差分放大器，VT5,VT6组成的单差分放大器用以激励VT1～VT4。VT7、VT8及其偏置电路组成差分放大器、的恒流源。引脚8与10接输入电压UX，1与4接另一输入电压Uy，输出电压U0从引脚6与12输出。引脚2与3 外接电阻RE，对差分放大器VT5、VT6 产生串联电流负反馈，以扩展输入电压Uy的线性动态范围。引脚14为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电使），引脚5外接电阻R5。用来调节偏置电流I5及镜像电流I0的值。

1. 1. 1. 1. MC1496内部电路和引脚图
  2. MULTISIM设计

由于仿真软件中没有MC1496所以我们自己画了MC1494的内部电路图，做成一个芯片，如下图所示：

1. 1. 1. 1. Multisim仿真MC1496内部电路
2. 电路图

由于参数主要是MC内部电路的参数，经过查元件手册都能够得到，我们在这里就不再赘述了。由于最后需要达到2V以上的峰峰值我们需要在最后输出端加一级放大级。

1. 1. 1. 1. MC1496电路

放大器则是

1. 1. 1. 1. 放大器

其放大器的倍数为

K=(R16+R18)/R16=11倍

1. 1. 1. 1. DSB调制总电路图

1. 1. 1. 1. AM调制总电路图
2. 电路工作原理
  1. 标准调幅波（AM）产生原理

调制信号是只来来自信源的消息信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，亦可以是数字的。为首调制的高频振荡信号可称为载波，它可以是正弦波，亦可以是非正弦波(如周期性脉冲序列)。载波由高频信号源直接产生即可，然后经过高频功率放大器进行放大，作为调幅波的载波，调制信号由低频信号源直接产生，二者经过乘法器后即可产生双边带的调幅波，工作原理如图2.1。

1. 1. 1. 1. 标准调幅波产生原理框图

设载波信号的表达式为，调制信号的表达式为，则调幅信号的表达式为

1. 1. 1. 1. 标准调幅波示意图

由图2.3可见，调幅波中载波分量占有很大比重，因此信息传输效率较低，称这种调制为有载波调制。为提高信息传输效率，广泛采用抑制载波的双边带或单边带振幅调制。

1. 1. 双边带调幅（DSB）产生原理

在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由便在传送。如果在AM调制模型中将直流分量去掉，即可得到一种高调制效率的调制方式——抑制载波的双边带调幅波

双边带调幅波的表达式为

1. 1. 1. 1. 双边带调幅波框图

工作原理如下图（图2.4）

1. 1. 1. 1. MC1496模拟相乘器调幅电路图

其中，可变电阻RP是用来抑制载波信号的，若要得到双边带调幅波，在调制信号为0的基础上，调节RP，使输出端的载波信号电压值为0V，然后再加上调制信号，此时输出的则是抑制载波的双边带调幅。

而标准调幅波的工作原理：调节RP，使其不抑制载波信号，在调制信号为0的基础上，调节RP，使输出端有载波信号电压输出，其幅值可根据需要而自行调节，而本电路中，将输出端的载波信号幅度调成为6V。然后再加上调制信号，经乘法器后，输出有载波的标准调幅波。

1. 1. 1. 1. 双边带调幅波示意图
2. 元器件列表

名称	数量	名称	数量
10uF	1	电阻1K	4
100nF	3	电阻10K	3
2P接口	3	电阻51	3
3P接口	1	电阻6.8K	1
MC1496BDR2G	1	电阻3.9K	2
TL082CDR	1	滑动电阻50K	1
电源开关	1	滑动电阻20K	1