Lecture 11-12 Amplitude Modulation 幅度调制
章节目录
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- 11-1 调制与 AM 基本模型 Modulation and AM Model
- 11-2 调制度与包络 Modulation Index and Envelope
- 11-3 AM 频谱与带宽 AM Spectrum and Bandwidth
- 11-4 AM 功率 AM Power
- 11-5 AM 产生电路 AM Generation Circuits
- Summary
11-1 调制与 AM 基本模型 Modulation and AM Model
11-1-1 为什么需要调制 Why Modulation Is Needed
调制 Modulation
调制 Modulation 是把低频基带信息加载到高频载波上的过程。通信电路中通常改变载波的幅度、频率或相位。
基带语音或音乐频率很低，直接辐射不实际。调制的主要作用：
- 把信号搬移到适合天线辐射的高频段；
- 让不同用户占用不同频段，减少互相干扰；
- 便于后续放大、滤波和频率规划。
模拟调制中，载波可写成
若改变
11-1-2 AM 信号表达式 AM Signal Expression
幅度调制 Amplitude Modulation
幅度调制 Amplitude Modulation, AM 中，载波瞬时幅度随消息信号变化，而载波频率保持为
设单音消息为
载波为
标准 AM 信号可写为
其中
包络为
AM 的信息在包络里，因此调制完成后的功率放大器必须保持包络形状。
11-2 调制度与包络 Modulation Index and Envelope
11-2-1 调制度 Modulation Index
调制度 Modulation Index
调制度 Modulation Index 表示载波幅度被消息信号改变的比例。
若包络最大值和最小值分别为
也可用百分比调制度表示：
调制百分比为
100% 调制时，包络最低点刚好到零，载波瞬时幅度在
TIP
包络法求
11-2-2 过调制 Overmodulation
当
可能变为负值。包络检测器无法区分这种符号翻转，恢复出的消息会被削顶或翻折。
工程上 AM 发送机通常不追求超过 100% 调制。调制度太小会浪费载波功率，调制度太大又会失真。
过调制不只是时域包络失真。因为波形被折叠或削顶，会产生额外频率分量，使边带向外扩展。这个现象常称为 sideband splatter，可能干扰邻近信道。
11-3 AM 频谱与带宽 AM Spectrum and Bandwidth
11-3-1 单音调制 Single-Tone Modulation
展开 AM 表达式：
所以单音 AM 频谱含三个分量：
| 分量 | 频率 | 幅度 |
|---|---|---|
| Lower Side Frequency | ||
| Carrier | ||
| Upper Side Frequency |
两个边带携带相同消息信息。载波本身不携带消息，但常规 AM 仍发送载波，方便接收端包络检波。
11-3-2 多音与语音信号 Multi-Tone and Speech Signals
实际消息可由 Fourier 分解看成很多正弦分量的和。每个消息频率
若消息最高频率为
例如音频最高到
11-4 AM 功率 AM Power
11-4-1 载波与边带功率 Carrier and Sideband Power
载波功率为
每个边带的电压幅度为
总边带功率为
总发射功率：
当
其中两个边带总共只占
11-4-2 电流关系 Current Relation
若负载阻抗不变，功率正比于电流平方。未调制载波电流为
反过来可由电流测量调制度：
这个公式适合发射机调试时估计调制度。
同样的关系也可写成电压形式：
前提仍然是负载阻抗不变。
11-5 AM 产生电路 AM Generation Circuits
11-5-1 非线性器件与滤波 Nonlinear Device and Filtering
线性相加只得到
它没有产生
AM 需要非线性器件或乘法器。
NOTE
以平方律器件为例，设输入为载波与消息之和：
平方律器件输出为
展开平方项：
交叉项
非线性器件会产生：直流分量（来自
带通调谐电路只保留
11-5-2 低电平与高电平调制 Low-Level and High-Level Modulation
AM 调制可发生在发送机链路的不同位置。
Low-level modulation 在前级低功率处完成调制，后面所有 RF 放大器都需要线性。High-level modulation 在末级 RF 功率放大处完成调制，可先用高效率 Class C 放大纯载波，适合大功率 AM 广播。
AM 完成后，包络就是消息。后级若使用非线性放大器，会改变包络并产生失真。
Class C 放大器效率高，但不适合直接放大已经生成的 AM 信号。它适合先放大纯载波，再在末级用消息控制幅度。
NOTE
低电平调制 Low-Level Modulation：调制后的信号已包含完整 AM 波形，后续所有 RF 放大器必须工作在线性模式（如 Class A 或 Class AB）以保持包络形状不畸变。调制电路功率小、实现灵活，但末级线性放大器效率低，不适合大功率发射。
高电平调制 High-Level Modulation：前级可用高效率非线性放大器（如 Class C）放大纯载波，末级再用消息信号控制输出载波幅度。整体效率高，适合大功率 AM 广播发射机，但调制器需要提供与 RF 输出功率相当的音频功率。
低功率集成 AM 调制也可用 OTA，例如 LM13700。carrier 作为输入信号，message 控制 OTA 的跨导，也就是控制放大器增益，输出就得到幅度随 message 变化的 AM 波形。
11-5-3 集电极调制 Collector Modulation
集电极调制 Collector Modulation
集电极调制 Collector Modulation 是高电平 AM 的一种实现。载波送入 Class C RF 放大器，消息信号串入集电极电源，使输出载波幅度随消息变化。
工作关系：
- 基极偏置使晶体管每个载波周期只在短时间导通；
- 集电极 LC 槽路靠 flywheel effect 重建正弦载波；
- 消息电压改变集电极供电；
- 供电高时载波输出幅度变大，供电低时载波输出幅度变小。
理想 100% 调制时，包络最低点刚好到零。实际晶体管会受工作区和电源余量限制，常在达到理想 100% 前出现失真。
Summary
| 内容 | 公式 / 结论 | 备注 |
|---|---|---|
| AM 信号 | 载波幅度随消息变化 | |
| 调制度 | ||
| AM 频率分量 | 两个边带含相同信息 | |
| AM 带宽 | 双边带 | |
| 单个边带功率 | 对单音 AM | |
| 总功率 | ||
| 高电平调制 | 末级调制，Class C 放大载波 | 高效率 AM 发送机 |
| 低电平调制 | 前级调制，后级线性放大 | 实现更灵活 |