哈工大高频赵雅琴课件第五章.ppt

通信系统的基本概念和模型,模拟通信系统框图,1 信息源：需传送的原始信息,2 输入变换器：将发信者提供的非电量消息变换为电信号,3 发送设备：主要有两大任务：调制、放大,4 信道：是连接发、收两端的信号通道，又称传输媒介。,5 接收设备：是从已调信号中恢复出发送端相一致的基带信号,6 输出变换器：将输出的基带信号变换成原来形式的消息,1.3 通信信号传输模型,5.1 数学模型及性能指标概述 5.2 低电平和高电平调幅电路 5.3 数字信号调幅 5.4 集成电路芯片系统设计,第5章 振幅调制,学习要求,掌握调制的作用。掌握调幅信号的定义、表示式、波形、频谱等基本特征。 掌握典型的幅度调制电路的结构、工作原理、分析方法和性能特点。 掌握采用集成幅度调制芯片完成通信系统调制模块设计、分析、测试的方法。 了解数字调幅的基本概念、典型方法和实现电路。,(1) 调制：用调制信号去控制载波信号的某一个参量的过程。,定义：,信号,载波信号：（等幅）高频振荡信号,正弦波,方波,三角波,锯齿波,调制信号：需要传输的信号（原始信号）,语言,图像,密码,已调信号（已调波）：经过调制后的高频信号（射频信号）,(2) 解调：调制的逆过程，即从已调波中恢复原调制信号的过程。,5.1 数学模型概述及性能指标,（7）振幅调制分三种方式：,（5）相位调制：由调制信号控制载波相位，使已调波的相位随调 制信号线性变化。,（6）解调方式：,（4）频率调制：由调制信号控制载波频率，使已调波的频率随调 制信号线性变化。,（3）振幅调制：由调制信号去控制载波振幅，使已调信号的振 幅随调制信号线性变化。,振幅检波 振幅调制的逆过程 鉴 频 频率调制的逆过程 鉴 相 相位调制的逆过程,普通调幅（AM） 抑制载波的双边带调幅（DSB） 单边带调幅（SSB）,设：载波信号：uc(t)=Ucmcosct,则：调幅信号(已调波)为：uAM(t)=Um(t)cosct,由于调幅信号的振幅与调制信号成线性关系，即有：,ka：比例常数,即：,ma为调制度，,常用百分比数表示。,1. AM调幅波的数学表达式,一般实际传送的调制信号并非单一频率的信号，常为一个连续频谱的带限信号 f(t) 。,则：,调制信号： u(t) =Ucost,则有,2. 调幅信号波形,波形特点： (1) 调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致; (2) 调幅度ma反映了调幅的强弱程度。 可以看出：,一般ma值越大调幅越深：,（1）由单一频率信号调幅,可见：调幅波并不是一个简单的正弦波，包含有三个频率分量：,3. 调幅波的频谱,载 波 分 量 (c) ：不含传输信息 上变频分量 (c+) ：含传输信息 上变频分量 (c-) ：含传输信息,同样有三部分频率成份,(2) 限带信号的调幅波,载 波 分 量 (c) ：不含传输信息 上变频分量 (c+n) ：含传输信息 上变频分量 (c-n) ：含传输信息,由于：,4. AM信号的产生原理框图,So: 要完成AM调制，其核心部分是实现调制信号与载波相乘。,(2) 上、下边带的平均功率：,(3) 在调制信号一周期内，调幅信号输出的平均总功率：,(4) 边带功率，载波功率与平均功率之间的关系：,(1) R上消耗的载波功率：,5. 调制波的功率,设调幅波传输信号至负载电阻R上，那么调幅波各分量功率为：,分析：有用信息只携带在边频带内，而载波本身并不携带信息，但它的功率却占了整个调幅波功率的绝大部分，因而调幅波的功率浪费大，效率低。如当100%调制时(ma=1) ，双边带功率为载波功率的1/2，只占用了调幅波功率的1/3。 但AM波调制方便，解调方便，便于接收。,在AM调制过程中，如果将载波分量抑制就形成抑制载波的双边带信号，简称双边带信号，它可以用载波和调制信号直接相乘得到，即：,若调制信号为单一频率信号：,若调制信号为限带信号：,6. 抑制载波双边带（double side band，DSB）调幅信号,（1） 数学表达式,（2）波形与频谱,(1) DSB信号的包络随调制信号 变化 ，但不完全准确。,(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。高频振荡的相位在f(t)=0瞬间有180o突变。,(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。,(4) 占用频带,单边带(SSB)信号：由双边带调幅信号中取出其中的任一个边带部分，即可成为单边带调幅信号。其单频调制时表示式为：,上边带信号：,下边带信号：,7. 单边带( single side band，SSB)信号,为节约频带，提高系统功率和带宽效率，常采用单边带调制系统 。,单音调制的SSB信号波形,8. 振幅调制电路的功能,分析：三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线性频谱搬移电路。,输入：调制信号和载波信号 输出：调幅信号,例1 已知调幅信号的频谱如图所示，试写出其数学表达式。,高电平调制：功放和调制同时进行，一般在大信号下工作，要兼顾输出功率、效率和调制线性的要求。主要用于AM信号。,低电平调制：先调制后功放，调制低功率在下进行，输出功率、效率不是主要技术指标；提高调制线性，减小不需要的分量的产生和提高滤波性能。主要用于DSB、SSB以及FM信号。,9. 振幅调制电路的分类,10. 振幅调制电路的基本组成原理,一般，振幅调制电路由输入回路、非线性器件和带通滤波器三部分组成。,具有平方率特性的二极管调幅电路,集成模拟乘法器调幅电路,输入回路：将载波信号和调制信号直接耦合或相加后直接加到非线性器件上。,非线性器件（二极管、三极管、乘法器）：产生新的频率。,带通滤波器：取出调幅波的频率成分，抑制不需要的频率成分。,u2正半周：D导通 u2负半周：D截止,周期方波开关函数,5.2 低电平调幅电路,0. 开关函数,id 的频谱成份：,设:,且:,回路电流:,而:,id 的频谱成份：,1. 单二极管开关状态调幅电路（产生AM信号）,如果选频回路工作在c 处，且带宽为B = 2。,而谐振时的负载电阻为RL，则输出电压为uL(t)。,为一个AM信号,上半部分与下半部分电路对称,(1) 电路结构：,2. 二极管平衡调幅电路,(2) 工作原理分析： 设：,而,i 的频谱成份：,二极管平衡调制器波形,在平衡电路的基础上，增加两个二极管D3、D4使电路中四个二极管首尾相接。T1的初次级匝数比为1:2，T2为2:1，T3为1:1。,构成环形，,设：,3. 二极管环形调幅电路（实现DSB信号）,则有,+ uL -,当,当,而其中：,那么在一个周期内平衡电路I，II在负载RL上产生的电流为：,i 的频率成份：只有组合频率,性能更接近理想乘法器。,总结：,这种调制是在高频功率放大器中进行的，通常分为：,AM信号大都用于无线电广播，因此多用高电平调制。,5.3 高电平调幅电路,基极调幅(Base AM),集电极调幅电路(Collector AM),Cb为高频旁路电容；Cc对高频旁路，对低频调制信号呈高阻抗；Rb为基极自给偏压电阻。放大器工作在丙类状态，集电极电路中除直流电压VCT外，还串有调制信号：,集电极有效动态电源为：,+ uc -,+ u -,+ uo -,+VCT,VCC,1. 集电极调幅电路,过压,欠压,* 波形分析,1. 综合供电电压越低，饱和越深，过压越严重，uces也越小； 2. ic的波形：ic波形下凹，过压越深，下凹越严重；当 达到最高点时，达到临界。,* 问题： VcT 时，进入严重过压，Ic1m VcT 时，进入欠压， Ic1m 变化缓慢。,调制特性不理想,载波状态时,调幅波峰时,调制信号一个周期内：,C1、 C3 为高频旁路电容 C2 为低频旁路电容,特点：基极调幅电路的调幅效率较低，输出波形较差，但所要求基极输入调制信号的功率较小。,2. 基极调幅电路,uBEmax,过压,欠压,载波状态时:,调幅波峰时:,调制信号一个周期内：,基极调幅优点：对调制信号只要求很小的功率，电路简单，有利于整机的小型化。 基极调幅缺点：因工作在欠压状态，电压利用系数和集电极效率较低，管耗很大。,若：,上边带信号,5.4 单边带调幅信号的实现,(1) 滤波法 由DSB信号经过边带滤波器滤除了一个边带而形成。,三种基本的电路实现：滤波法、相移法和移相滤波法。,下边带信号,由三角公式：,(2) 相移法,将三角公式实现的电路如下图：,优点：省去了边带滤波器，但要把无用边带完全抑制掉，必须满足下列两个条件: (1)两个调制器输出的振幅应完全相同； (2)移相网络必须对载频及调制信号均保证精确的/2相移。,移相滤波法是将移相和滤波两种方法相结合，且只需对某一固定的单频率信号移相900，回避了难以在宽带内准确移相900的缺点。,(3) 移相滤波法,移相滤波法实现单边带调幅的电路框图,u=sint,u1 = sint sin 1t,u2 = sint cos 1t,u3 = cos(1-)t,u4 = sin (1-)t,u5 = cos(1-)t sin ct,u 6 = sin (1-)t cos ct,u5 + u 6,u5 - u 6,相加器输出电压： u SSBL = u 5+ u 6= sin (c+ 1)-t = sin c1-t,相减器输出电压： u SSBU = u 5- u 6= sin (c- 1)+t= sin c2+t,一、什么是数字信号调幅？,二、数字信号调幅的基本原理,将,通过基带信号形成器转换成单极性基带矩形序列s(t),式中，g(t)为持续时间为,的矩形脉冲。,调制信号为数字信号，对载波信号进行振幅调制称为数字信号调幅，也称为幅度键控（ASK）。 二进制数字振幅键控通常称为2ASK。,设二进制数字 为数字序列,1、数字基带信号s(t),5.5 数字信号调幅,图5-22 2ASK波形图,图5-21 数字线性调幅原理,设模拟乘法器输出电压 u=KMu1u2，将数字基带信号s(t) 和载波信号uc(t)=Ucmcosct作为输入，经相乘得:,u(t)是数字信号。,2、基本原理,三、实现电路,图5-23 乘法器实现法,特点：数字基带信号s(t)加在5、6端。 载波信号加在1、2端（注意与模拟信号调幅不同）。 工作原理：当s(t)为“1”时，D1、D2导通，D3、D4截止，3、4端有载波信号输出。当s(t)为“0”时，D1、D2截止，D3、D4也截止，3、4端输出为零。此电路相当于s(t)与载波信号相乘的作用。s(t)为二进制基带信号时，输出为2ASK信号。,1、乘法器实现法,可以利用模拟乘法器和环形调制器来现数字信号调幅。,图5-24 键控法,用一个电键控载波振荡器的输出可以获得2ASK信号。图5-24所示是这种方法的原理框图。,2、键控法,4.6 模拟相乘器及基本单元电路,等各种技术领域。,模拟乘法器可应用于：,模拟相乘器的基本概念：,具有两个输入端（常称X输入和Y输入）和一个输出端（常称Z输出）， 是一个三端口网络，电路符号如图所示。,ux,uy,uz,理想乘法器：,uz(t)=kux(t)uy(t),或 Z=kXY,一、乘法器的工作象限,乘法器有四个工作区域，可由它的两个输入电压的极性确定。,输入电压可能有四种极性组合：,两个输入信号只能为单极性信号的乘法器为“单象限乘法器”；一个输入信号适应两种极性，而一个只能是一种单极性的乘法器为“二象限乘法器”；两个输入信号都能适应正、负两种极性的乘法器为“四象限乘法器”。,二、理想乘法器的基本性质,1、乘法器的静态特性,（1）,（3）当X=Y或X=-Y，Z=KX2或Z=-KX2，,输出与输入是平方律特性（非线性）。,2、乘法器的线性和非线性,理想乘法器属于非线性器件还是线性器件取决于两个输入电压的性质。,当X或Y为一恒定直流电压时，Z=KCY=KY，乘法器为一个线性交流放大器。,当X和Y均不定时，乘法器属于非线性器件。,（2）当X=C（常数），Z=KCY=KY，,Z与Y成正比（线性关系）,基本电路结构,是一个恒流源差分放大电路，不同之处在于恒流源管VT3的基极输入了信号uy(t)，即恒流源电流Io受uy(t)控制。,三、模拟相乘器的基本单元电路,1、二象限变跨导模拟相乘器,ube1,ube2,ube3,由图可知： ux = ube1 - ube2,根据晶体三极管特性，VT1、VT2集电极电流为：,VT3的集电极电流可表示为：,可得：,同理可得：,式中， 为双曲正切函数。,差分输出电流io为:,可以看出，当ux 2UT 时，,ic1、ic2与 近似成线性关系。,可近似为:,uo,恒流源电流Io为: （uy0）,输出电压uo为 :,由于uy控制了差分电路的跨导gm，使输出uo中含有uxuy相乘项，故称为变跨导乘法器。,变跨导乘法器输出电压uo中存在非相乘项，而且要求uyube3，只能实现二象限相乘。,差分放大电路的跨导gm为:,基本电路结构,VT1，VT2，VT3，VT4为双平衡的差分对，VT5，VT6差分对分别作为VT1，VT2和VT3，VT4双差分对的射极恒流源。,四、 吉尔伯特（Gilbert）乘法器,1、Gilbert乘法单元电路,是一种四象限乘法器，也是大多数集成乘法器的基础电路。,工作原理分析,根据差分电路的工作原理：,又因输出电压：,+ ux -,+ uy -,+ uo -,当输入为小信号并满足：,而标度因子,分析：只有当输入信号较小时，具有较理想的相乘作用，ux，uy 均可取正、负两极性，故为四象限乘法器电路，但因其线性范围小，不能满足实际应用的需要。,2、具有射极负反馈电阻的Gilbert乘法器,使用射极负反馈电路Ry，可扩展uy的线性范围，Ry取值应远大于晶体管T5 ,T6 的发射极电阻，即有,当加入信号uy时，流过Ry的电流为：,+ ux -,+ uo -,有,+ uy -,如果ux2UT =52mV时，,+ uy -,3、线性化Gilbert乘法器电路,具有射极负反馈电阻的双平衡Gilbert乘法器，尽管扩大了对输入信号uy的线性动态范围，但对输入信号ux的线性动态范围仍较小，在此基础上需作进一步改进，下图为改进后的线性双平衡模拟乘法器的原理电路，其中VD1，VD2，VT7，VT8 构成一个反双曲线正切函数电路。,ux,ux,uy,uo,工作原理分析：,VT7，VT8，Rx，Iox构成线性电压电流变换器。,有,uo,而 为二极管D1 与D2上的电压差， 即:,利用数学关系： ， 则上式可写成：,（1）代入（2）可得：,其中标度因子：,可见大大扩展了电路对ux和uy的线性动态范围，改变电阻Rx或Iox可很方便地改变相乘器的增益。,+ UD1 -,+ UD2 -,五、单片集成模拟乘法器及其典型应用,1. MC1496/MC1596及其应用,ux,uy,1、 内部电路结构,与具有射极负反馈的双平 衡Gilbert 相乘器单元电路比 较，电路基本相同，仅恒流源 用晶体管VT7，VT8代替，二极 管VD与500 电阻构成VT7， VT8的偏置电路。,反偏电阻Ry外接在引脚、 两端，可展宽uy输入信号的 动态范围，并可调整标度因子 K。,2、外接元件参数的计算,+ uy -,负反馈电阻Ry,且应满足|iy|Ioy,若选择Ioy=1mA，Uym=1V（峰值）,当 时，,负载电阻Rc,引脚、端的静态电压：,U6=U9=Ec- IoyRc， 若选U6=U9=8V，Ec=12V，,则有： ，,标称值为3.9 。,偏置电阻R10,U6,U9,2. MC1495/MC1595（BG314）及其应用（*）,1、内部电路结构,vx +,+ vy,内部电路如图 所示，由线性化双平 衡Gilbert乘法器单元 电路组成。,输入差分对由T5，T6，T7，T8和T11，T12，T13，T14的达林顿复合管构成，以提高放大管增益及输入阻抗。,负反馈电阻RY， Rx，负载电阻Rc，恒 流偏置电阻R3及RW5 ，R13及R1均采用外接 元件。,vo,2、外围元件设计计算,如果设计一个上图所示的乘法器电路，并要求：,输入信号范围为：,输出电压范围为：,由以上的要求可知，乘法器的增益系数,负电源的-VEE的选取,负电源应能确保输入信号Vx，Vy为最大负值时，电路 仍能正常工作，以Vy输入端为例：,当|Vy|=|Vym|=10V时，,由右图的等效电路可以看出：,VBE5,VBE6,VCE9,VRe9,若T5，T6，T9正常工作，,且设VBE5=VBE6=0.7V，,VCE9+VRE92V（以保持T9工作于线性区）,则,故可取-VEE=-15V,偏置电阻R3，R13的计算,恒流源偏置电阻R3，R13应保证能提供合适的恒流电流，使三极管工作在特性曲线良好的指数律部分，恒流源电流一般取0.52mA之间的电流值，现若取Iox=Ioy=1mA，,以引脚为例，设VD3=VD4=0.7V，如右图的等效电路可,同理可求出R13=13.8 ，一般R3采用10 固定电阻 和6.8 电位器的串联，以便通过调Iox来控制增益参数K。,+ vx -,负反馈电阻Rx和Ry的计算,如右图所示电路可得：,同理可得：,负载电阻Rc,由于增益系数：,电阻R1,取引脚的电压为+9V，则,V1,3、失调误差电压及其调整,实际乘法器电路由于工艺技术、元器件特性的不对称，不可能实现理想相乘，会引入乘积误差，若设乘法器工作在直流输入时，输出电压可表示为：,其中：K：增益系数误差，可通过IR3的调整使其误差值达最小值；,XIO：乘法器X通道输入对管不对称引起的输入失调电压；,YIO：乘法器Y通道输入对管不对称引起的输入失调电压；,Zos：负载不匹配引起的输出失调电压。,输出失调误差电压Zoo,定义：当X=Y=0时的输出电压称为输出失调误差电压Zoo。,Zoo=KXIOYIO+Zos，忽略了二阶小量项（KXIO，KYIO）。,输出失调误差电压Zoo，可借助外电路予以调零，以补偿输 出失调电压，下图给出两种输出失调调零电路。,图（a）通过调节电位器Wz ，调整乘法器输出端集电极 负载电阻，实现输出失调电压的调零。,输出失调误差电压Zoo,图（b）利用电位器Wz调节A的负相端电位来实现失调误差电压的调零。,输出失调误差电压Zoo,X（或Y）馈通误差电压KYIOX（或KXIOY）,实际乘法器中当一个输入端接地，另一输入端加入信号电压时，其输出往往不为零，这个输出电压称为线性馈通误差电压。,它是由于输入接地端存在输入失调电压而引起的，线性馈通误差电压可通过输入端的外接补偿网络来进行调零，线性馈通误差电压调零电路如下图所示。,同理，可借助调节输入失调电