射频模拟电路_No6_第四章 频谱搬移电路-振幅调制与解调

1、第四章 频谱搬移电路-振幅调制与解调 电子科技大学 电子工程学院主要内容频谱线性变换的一般概念振幅调制与解调24-1 频谱搬移的一般概念3调制、解调、混频等，需使用非线性电路,在频域上，属频谱搬移。频谱线性变换，频谱线性变换实质上是将输入信号频谱沿频率轴进行不失真的搬移,如振幅调制与解调、混频等频谱非线性变换，频谱非线性变换的作用是将输入信号频率进行特定的非线性变换，如频率调制、相位调制等4-1 频谱搬移的一般概念4频谱搬移需要用非线性器件来实现输入输出关系为折线形式或开关段形式，即斜率有特变输入输出关系为渐变形式，即斜率无突变4-1 调制解调的一般概念5调制: 就是让高频振荡信号的某个参数，

2、例如振幅、 频率、相位，随调制信号的大小而线性变化的过程。调制信号可以是数字的，也可以是模拟的，通常用 f（t）或v表示。未受调制的高频振荡信号称为载波。已调制后的高频振荡波称为已调信号，它带有调制信号的特征信息。解调:是调制的逆过程，其作用是从已调信号中取出调制信号。 4-1 调制解调的一般概念6重点讨论模拟信号的调制与解调，即振幅调制(AM)、频率调制(FM)及相位调制(PM)。其中振幅调制属于频谱的线性变换，而频率调制及相位调制则属于频谱的非线性变换。4-1 调制解调的一般概念7频谱的线性变换：线性的特点：信号频谱不失真的搬移。非线性的特点：对信号频谱进行特定的非线性变换，产生新的频谱结

3、构。频域中的频谱搬移对应于时域中的两信号相乘，可以实现相乘的器件有二极管、三极管、场效应管、模拟乘法器等，是利用器件的非线性来完成的。例4-2 振幅调制与解调 主要内容频谱线性变换的一般概念振幅调制与解调普通振幅调制波双边带与单边带振幅调制电路解调电路混频84-2 振幅调制与解调振幅调制振幅调制（AM）是指强迫高频载波的振幅随着低频调制信号变化而变化的调制过程普通调幅波AM，抑制载波双边带调制DSB，单边带调制SSB振幅调制波的解调解调是调制的逆过程，普通振幅调制波的解调常常称为检波。94-2-2 普通振幅调制波的功率4-2-1 普通振幅调制波的基本特性及其数学表达式振幅应正比于信息 高频载波

4、 调幅波 比例系数 4-2 振幅调制与解调调制信号为单音余弦波 调幅指数 已调载波的振幅 振幅最大值 振幅最小值 调幅波 振幅 单音调幅波由三个频率分量组成 ：载频振幅上边频下边频4-2-1 普通振幅调制波的基本特性及其数学表达式普通调幅波的波形、频谱4-2-1 普通振幅调制波的基本特性及其数学表达式普通调幅波的矢量合成 载波 为静止矢量OC，长度边频CB”矢量长度为以角速度 顺时针方向旋转边频CB矢量长度为以角速度 逆时针方向旋转两个矢量的合成矢量的方向或与OC矢量方向一致，或者反相。总的合成矢量方向不变，仅长短变化，形成调幅波。4-2-1 普通振幅调制波的基本特性及其数学表达式调幅波的振幅

5、的最小值为使调幅波的包络不失真， 总是小于等于1，否则会产生过调幅失真（调幅指数大于1时）。峰值调幅指数 谷值调幅指数 4-2-1 普通振幅调制波的基本特性及其数学表达式普通调幅波的波形调幅波的功率 载波作用在单位电阻上的功率 时变振幅 作用在 电阻上的功率为？ 4-2-1 普通振幅调制波的基本特性及其数学表达式18载波作用在单位电阻上的功率 时变振幅 ，于是调制波作用在 上的功率为 最大状态功率 最小状态功率 调制信号的一个周期内的平均功率 4-2-2 普通振幅调制波的功率19其中 称为边频功率，即上下频分量的功率之和 上下边频分量的振幅相等，因此功率也相等 调幅波所占的频带宽度为：其中 为

6、调制信号的最高频率 4-2-2 普通振幅调制波的功率进一步分解平均功率当为复杂信号时，例如调幅波 普通振幅调制波的带宽AM调制波例题 例某一调幅波，其载波功率，(I)若调幅系数 0.3，求边频功率。(2)若调幅系数 1，求边频功率及最大状态功率。解：(1) 0.3 (2) 1时， 最大状态功率： 224-2-3 抑制载波双边带调制（DSB）抑制载波双边带调制DSB从传输信息的角度讲,普通调幅波中占发射功率绝大部分的载波是“无用的”如果在频谱搬移后传输前将载波滤除，就可以在不影响传输效率的条件下大大节省发射机功率，这种模式就称为“抑制载波双边带调制（DSB）”DSB所占的频带宽度为：抑制载波的双

7、边带调制(DSB) 带宽=？4-2-3 抑制载波双边带调制（DSB）4-2-3 抑制载波双边带调制（DSB）(1) DSB信号的包络正比于调制信号 (2) DSB信号载波的相位反映了调制信号的极性，即在调制信号负半周 时，已调波高频与原载波反相。因此严格地说，DSB信号已非单纯 的振幅调制信号，而是既调幅又调相的信号。(3) DSB波的频谱成份中抑制了载波分量，全部功率为边带占有，功率 利用率高于AM波。254-2-3 单边带调制（SSB）单边带调制SSBDSB中，上下边频频谱对称，从传输信息的角度看，只要传输一半的频谱，就可以完整的传输调制信号的信息将这种只传输DSB的一个边频信息的调制方式

8、称为单边带调制SSBSSB所占频带宽度264-2-4 振幅调制电路用模拟乘法器实现调幅模拟乘法器AM:用模拟乘法器实现调幅。DSB:双边带调制(DSB)和单边带调制(SSB)BPF双边带调制(DSB)和单边带调制(SSB)用模拟乘法器实现调幅。SSB?1、移相法缺点：Fmax/Fmin很大，则在很宽的频率范围内移相90也极困难。 双边带调制(DSB)和单边带调制(SSB)用模拟乘法器实现调幅。SSB?2、修正移相法f(t)V1COSw1tCOS(w1- )tSin(w1- )t优点：避免了对f(t)的90移相，仅对单频率1，2移相(1，2是固定频点)。 电压表达式普通调幅波载波被抑制双边带调幅

9、波单边带信号波形图频谱图信号带宽 三种振幅调制信号几种调幅波的特点4.残留边带调幅（VSB调幅） Vestigial Sideband VSB调幅的特点是调幅波中包含一个完整的边带、载波及另一个边带的一部分。 该调幅不是对一个边带完全抑制，而是使它逐渐截止，截止特性使传输边带在载频附近被抑制的部分被不需要边带的残留部分精确地补偿。 VSB调幅可以用普通调幅的解调电路进行解调。这样，即节省了频带又降低了接收机的成本，为数众多的接收机持有者提供了便利。残留边带的获得原理如下页图所示。4.残留边带调幅（VSB调幅）Vestigial Sideband 普通调幅带通滤波器为减少带宽又使解调方式简单，电

10、视图像信号采用残留边带调幅方式，我国采用的残留边带调幅的幅频特性如图1所示。即00.75MHz的图像信号采用双边带传送，（0.756）MHz的图像信号采用单边带传送。接收机中频特性采用了具有图2所示的幅频特性曲线。 4.残留边带调幅的频谱调幅电路的种类很多，有分立、集成调幅电路；有低电平、高电平调幅电路；有普通调幅、有其它调幅电路；虽然电路形式各异，但原理是相同的，都是采用非线性器件产生新的频率成分，再加相应的滤波器得到相应的频率成分。另外，高电平调幅电路在调幅的同时具有功率增益。具体调幅电路（二）、高电平调幅电路基极调幅电路集电极调幅电路（一）、低电平调幅电路模拟乘法器调幅电路平方律调幅斩波

11、调幅4-2-4 振幅调制电路高电平调制 （集电极调幅、基极调幅）低电平调制1、模拟乘法器调幅MC1496MC1596AD834AD835AD6034-2-4 振幅调制电路 这里将调制信号v与载波信号v0相加后，同时加入非线性器件，然后通过中心频率为0的带通滤波器取出输出电压vo中的调幅波成分。非线性调幅方框图平方律调幅电路低电平调制 2、平方律调幅0平方律调幅电路可实现AM波！场效应管具有典型的平方律特性，可用平方律一般特性描述。如果要获得抑制载波的双边带信号，观察输出电流表示式总的输出电流总的输出电压平方律平衡调幅电路0平衡调幅电路如果要获得抑制载波的双边带信号，观察输出电流表示式总的输出电

12、流总的输出电压平方律平衡调幅电路可实现DSB波！场效应管具有典型的平方律特性，可用平方律一般特性描述。平衡调幅电路平方律平衡调幅电路二极管平方律调幅电路 如果静态工作点和输入信号变换范围选择合适，非线性器件工作在满足平方律的区段。低电平调制 3、斩波调幅4-2-4 振幅调制电路 斩波调幅：开关函数：当载波处于正半周时，它的幅度为1，负半周时幅度为0。 用载波频率的变化来通断 ，把信号 “斩”成周期为 的间断信号，再通过中心频率 为的带通滤波器取出调幅信号。4-2-4 振幅调制电路444-2-4 振幅调制电路 斩波调幅傅立叶级数展开：于是开关函数：454-2-4 振幅调制电路傅立叶级数展开：于是

13、双向开关函数：为提高调幅信号的幅度，还可采用双向斩波 。双向开关函数 4-2-4 振幅调制电路双向开关函数 +-+-大载波，小调制！（1）uc(t)正半周时，V1和V2导通，V3和V4截止，V（t)=2f(t) ； uc(t)负半周时，V1和V2截止，V3和V4导通， V0（t)=-2f(t) 。即输出电压为 2 f(t） uc(t) 0 uo (t) -2 f(t） uc(t) 0uo (t)2 S*(t) 二极管环形斩波调幅电路 4-2-4 振幅调制电路斩波调幅器方框图大载波，小调制！4-2-4 振幅调制电路斩波调幅器工作图解大载波，小调制！斩波调幅器工作图解平衡斩波调幅及其图解平衡斩波调

14、幅及其图解 二极管电路如下图所示的电路设: (1)单二极管电路且 则回路电流: 而 vd+V L (t)_51电路分析举例14-2-4 振幅调制电路如果选频回路工作在 处，且带宽为 而谐振时的负载电阻为RL，则输出电压为： )(tVL为一个AM信号 0 20 30的频谱成份：52+v L_+v o1_-v o2+ 上半部分与下半部分电路对称其等效电路如右图所示。 1 电路结构：(2) 二极管平衡电路 2 工作原理分析，设： vd1vd2id1id2式中 而 vo(t)53电路分析举例2的频谱成份：0+ 0-30+30-如果输出回路滤波器谐振在 处，且带宽为为： 则输出电压 输出调制电路的乘积项

15、，并要求抑制载波项。54 在平衡电路的基础上，再增加两个二极管D3,D4使电路中四个二极管首尾相接i.电路结构v+VL_v构成环形， vo设：vv+VL1-vv+VL2-ii.工作原理分析当时，平衡电路I在负载回路中产生的电压为：时，平衡电路I在负载回路中产生的电压为：当 而其中：（3）二极管环形电路实现DSB信号则有 55电路分析举例3S 1(t)S 2(t)S (t)V 0(t)那么在一个周期内平衡电路I，II在负载RL上产生的电压为：式中称为双向开关函数的付里叶级数展开式为：而有 的频率成份：只有组合频率性能更接近理想乘法器。30- 3+0- +经滤波后的输出电压： 56574-2-5

16、振幅调制解调模型及电路1振幅波的解调模型 解调是调制的逆过程。从频谱搬移的角度看，解调是频谱从高频端搬到基带的过程，普通振幅波的解调常常称为检波。 非线性 电路低通滤 波器从已调波中检出包络信息，只适用于AM信号，何种电路同时也可以解调DSB信号？ 输入 AM信号检出包络信息4-2-5 振幅调制解调模型及电路三极管检波器普通振幅波中包含载波分量，可以直接利用非线性器件的作用进行解调，不需额外加入提供载波的电路。 同步检波器用于对载波被抑制的双边带或单边带信号进行解调。它的特点是必须外加一个频率和相位都与被抑制的载波相同的信号。同步检波的名称即由此而来。(a） 同步检波器方框图 同步检波电路 载

17、波信号相位对检波结果的影响1. 乘积检波器乘积检波电路低通滤波器 v1Viv0乘积检波器 同步检波电路 输入双边带信号时乘积检波器的有关波形和频谱 同步检波电路 本地载波与输入信号载波相位相同而频率不同对检波结果的影响 本地载波与输入信号载波频率相同而相位不同对检波结果的影响 同步检波电路提取载波的方法一般分为两类：一类是不专门发送导频，而在接收端直接从发送信号中提取载波，这类方法称为直接法，也称为自同步法；另一类是在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个（或多个）称作导频的正弦波，接收端就利用导频提取出载波，这类方法称为插入导频法，也称为外同步法。同步检波电路-载波提取乘积检波电路

18、低通滤波器 v1V0iv0乘积检波器同步检波电路-载波提取乘积检波电路低通滤波器 v1V0iv0乘积检波器直接法（自同步法） 有些信号（如抑制载波的双边带信号等）虽然本身不包含载波分量，但对该信号进行某些非线性变换以后，就可以直接从中提取出载波分量来，这就是直接法提取同步载波的基本原理。1、平方变换法和平方环法同步检波电路-载波提取乘积检波电路低通滤波器 v1V0iv0乘积检波器利用锁相环提取载波的常用方法如图所示。加于两个相乘器的本地信号分别为压控振荡器的输出信号 和它的正交信号 ，因此，通常称这种环路为同相正交环，有时也被称为科斯塔斯（Costas）环。 同步检波电路-载波提取乘积检波电路

19、低通滤波器 v1V0iv0乘积检波器插入导频法 对于抑制载波的双边带调制而言，在载频处，已调信号的频谱分量为零，同时对调制信号 进行适当的处理，就可以使已调信号在载频附近的频谱分量很小，这样就可以插入导频，这时插入的导频对信号的影响最小。但插入的导频并不是加在调制器的那个载波，而是将该载波移相90后的所谓“正交载波”。 68这种检波需要一个与载波同频同相的参考信号，因此称之为同步检波或相干检波。如果参考信号与载波信号不同频同相，会产生失真，使检波性能下降，即 4-2-5 振幅调制解调模型它由二极管与RLC并联构成的低通滤波器构成。 D:检波二极管，结电容小，反向电流小。可选择点接触二极管，肖特

20、基二极管。RL:负载电阻，数值较大，低频电流流过时产生低频电压。C:负载电容，高频短路和 滤波。条件：4-2-6 二极管包络检波二极管包络检波器的工作原理 VDCC+vWRL+充电放电iDvi串联型二极管包络检波器ViVcV 电压传输系数（检波效率）、输入电阻和失真。1) 电压传输系数(检波效率)定义：二极管包络检波器的指标二极管包络检波器的指标二极管工作在大信号，其特性用通过原点的折线代表(忽略导通电压)，折线的斜率为gd。这样假设后，可用折线近似分析法来分析二极管包络检波器。 二极管包络检波器的近似分析二极管包络检波器的指标二极管包络检波器的近似分析条件：折线近似分析法 折线的斜率为 值很

21、小！波形分解系数级数分解二极管包络检波器的近似分析二极管包络检波器的近似分析二极管包络检波器的近似分析二极管包络检波器的近似分析二极管包络检波器的近似分析二极管包络检波器的近似分析等幅波输入时大信号包络检波器的效率 输入为等幅波时：定值与 成线性关系称为线性检波其中，是二极管电流通角，L为检波器负载电阻，d为二极管导通电阻。2) 等效输入电阻 考虑到包络检波电路一般作为谐振回路的负载，它将影响回路选频特性（Q），下面分析其等效输入电阻 其中，Vim是输入高频电压振幅， Iim是输入高频电流振幅。流过二极管的电流是窄脉冲序列，它的级数展开式近似表示为： 检波器的输入电阻 利用功率等效可证明！二极

22、管包络检波器的指标2) 等效输入电阻认为在几个高频周期内为恒定值直流分量解出来的是调制信号分量振幅值 如果输入是调幅波，二极管包络检波器的指标3) 失真 产生的失真主要有：惰性失真；负峰切割失真；非线性失真；频率失真。 如果检波电路的时间常数RC太大，当调幅波包络朝较低值变化时，电容上的电荷来不及释放以跟踪其变化，所造成的失真称作惰性失真。 惰性失真(对角线切割失真)4-2-7 二极管包络检波的失真 惰性失真(对角线切割失真)调幅波包络 如图所示，在某一点，如果电容两端电压的放电速度小于包络的下降速度，就可能发生惰性失真。包络变化率电容放电4-2-7 二极管包络检波的失真 惰性失真(对角线切割

23、失真)放电速率假定此时调幅波包络包络变化率电容放电为避免失真4-2-7 二极管包络检波的失真 惰性失真(对角线切割失真) 实际上，调幅波往往是由多个频率成分组成，即=minmax。为了保证不产生失真，必须满足如则不产生隋性失真的条件为：4-2-7 二极管包络检波的失真考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路负峰切割失真(底边切割失真) 隔直电容Cc数值很大，可认为它对调制频率交流短路，电路达到稳态时，其两端电压VCVim。 失真最可能在包络的负半周发生。假定二极管截止，Cc将通过R和RL缓慢放电，相对于高频载波一个周期内，其电压VCVim将在R和RL上分压。直流负载电阻R上的电压为调幅

24、波的最小幅度为UC(1-m)，要避免底部切削失真，应满足4-2-7 二极管包络检波的失真负峰切割失真(底边切割失真)V i m（1-m）V i mV RV RV RV RV RV R考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路4-2-7 二极管包络检波的失真负峰切割失真(底边切割失真)要避免二极管截止发生，包络幅度瞬时值必须满足交、直流负载电阻越悬殊，ma越大，越容易发生该失真。考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路4-2-7 二极管包络检波的失真在实际应用中，为了提高RL，可在检波器和下级放大器之间插入一级射级跟随器，如下图所示： 减小底部切削失真的电路 和C的选择原则 考虑到电压传输系数 和高