[课件资料]5振幅调制和解调电路2017-5-15

第五章振幅调制、解调电路,第一节频谱搬移电路的组成模型第二节相乘器电路第三节混频电路第四节振幅调制与解调电路,频率变换电路分为频谱搬移电路和频谱非线性变换电路两大类。前者的作用是将输入信号频谱沿频率轴进行不失真的搬移。属于这类电路的有振幅调制与解调电路、混频电路等。后者的作用是将输入信号频谱进行特定的非线性变换，属于这类电路的有频率调制与解调电路等。,第一节频谱搬移电路的组成模型,调幅的方式：普通调幅（AM）（重点）双边带调幅（DSB）单边带调幅（SSB）残留边带调幅（VSB）,VSB信号一个边带的频谱成分原则上保留，另一个边带频谱成分只保留小部分（残留）。该调制方法既比双边带调制节省频谱，又比单边带易于解调。,第一节频谱搬移电路的组成模型,1、调幅电路由加法器和模拟乘法器组成,调制信号,载波信号,直流电平,ka,5.1.1振幅调制电路的组成模型,第一节频谱搬移电路的组成模型,c=2fc为载波频率2F为调制信号的频率,ka,第一节频谱搬移电路的组成模型,ma为调幅指数；,5.1.1振幅调制电路的组成模型,第一节频谱搬移电路的组成模型,5.1.1振幅调制电路的组成模型,1、ma调幅指数与AM和Um有关，两者增大都可令ma增大。2、要减小调幅失真，ma必须满足不大于1的条件（ma1）3、过调幅失真的波形见下图。,变化的振幅,过调幅失真的波形,第一节频谱搬移电路的组成模型,过调幅失真ma满足大于1的条件（ma1）；当过调制部分的幅度小于PN结打开电压时，会观察到如上所示的波形。,5.1.1振幅调制电路的组成模型,调幅波的振幅（也称为包络）其幅值分别为：,再由上式相加减后得到,第一节频谱搬移电路的组成模型,5.1.1振幅调制电路的组成模型,二、调幅波的频谱将上式用三角函数（积化和差）可以得到,上式是调制信号为单音频时的表达式。频谱表示如图表示。,第一节频谱搬移电路的组成模型,上边频,下边频,第一节振幅调制、解调电路,5.1.1振幅调制电路的组成模型,II若为复杂音调制时，u(t)是具有一定频率带宽的信号时，用傅立叶级数展开可以得到：,第一节振幅调制、解调电路,5.1.1振幅调制电路的组成模型,从上式可以看到，除了载波频率c外，还有由相乘器产生的角频率为(c)、(c2)、(cn)的上下边频分量。所以，得到结论调幅信号的频谱宽度BWAM为调制信号频谱宽度的两倍。,调幅信号中除了载波信号外，还有频带宽度与调制信号一样的上边带信号和下边带信号。调幅信号的频谱宽度BWAM为调制信号频谱宽度的两倍。调幅实际上是对调制信号频谱的线性搬移，而且分别搬移到以载波频率为中心、上下对称的上边带和下边带。,第一节振幅调制、解调电路,第一节振幅调制、解调电路,5.1.1振幅调制电路的组成模型,3、调幅波功率分布在单位电阻上，单音调制的调制电压在一个载波信号周期内的平均功率。,P(t)在一个调制信号周期内的平均功率,PSB是上、下边带电压分量产生的功率。每个边带的功率为1/2PSB,第一节振幅调制、解调电路,5.1.1振幅调制电路的组成模型,二、双边带和单边带调制（DSB、SSB）1、双边带已调信号及其电路把AM波中的载波抑制后，只传送两个边带的调制方式。其已调波亦称为平衡调幅波。,ka,AM,抑制载波,DSB,0,AM,=0,DSB,=0,电路模型：,DSB的调制信号无直流分量,第一节振幅调制、解调电路,二、双边带调幅（DSB）,1、双边带已调信号及其电路,第一节振幅调制、解调电路,DSB（平衡调幅波）的特点,(1)从平衡调幅波波形看,由于抑制了载波,当调制信号过零时,已调波也为零。(2)调制信号瞬时值为正值时,平衡调幅波的相位与未调载波相位相同,当调制信号瞬时值为负值时,平衡调幅波的相位与未调载波相位相反。(3)当调制信号过零点时,平衡调幅波也倒相。(4)平衡调幅波由于失去了载波分量,其包络已不是普通调幅波的包络的形状,因此，解调方式也与普通调幅波不同。,第一节振幅调制、解调电路,第一节振幅调制、解调电路,2、单边带调制信号（SSB）在双边带调制的基础上，再抑制一个边带的调制方式。,或,第一节振幅调制、解调电路,2、单边带已调信号,或,由上面的表达式，可以知道，单边带SSB调制信号是单一频率的正弦/余弦信号。所以输出波形如下图所示。,SSB调制信号,SSB单边带调制优点,(1)提高了频带的利用率。与普通调幅波相比,由于抑制了载波及一个边带,因而信道的传输频带可节省一半,这有助于解决频道拥挤问题。(2)节省功率。采用单边带调幅,从理论上看,其发射功率可全部用于传输含有信息的一个边带,在调幅波总功率相同的条件下,可提高接收端的信噪比,因而可增大通信距离。(3)减小由选择性衰落引起的信号失真。在短波传播的过程中,调幅波的载波分量大,载波和上、下边带的电流衰落不同,使原始相位关系在传播过程中易遭到破坏,接收端收到的信号时强时弱,并且有失真,这种现象称为选择性衰落。单边带调幅波因不含载波,选择性衰落现象也就不明显。,第一节振幅调制、解调电路,调幅的方式：普通调幅（AM）（重点）双边带调幅（DSB）单边带调幅（SSB）残留边带调幅（VSB）,VSB信号一个边带的频谱成分原则上保留，另一个边带频谱成分只保留小部分（残留）。该调制方法既比双边带调制节省频谱，又比单边带易于解调。,第一节频谱搬移电路的组成模型,残留边带信号显然也不能简单地采用包络检波，而必须采用相干解调（同步解调）。,也可采用滤波的方法得到单边带调制波形；或者采用移相的方法得到单边带调制波形。,第一节振幅调制、解调电路,第二节相乘器电路,5.2.1非线性器件的相乘作用及其特性一、非线性器件相乘作用分析：当非线性器件（二、三极管）在偏置电压VQ及u1和u2的作用下，通过分析得到响应电流中出现有两个电压相乘项2a2u1u2，它是由特性的二次方项产生的。该项对应为：,很明显，该项是有用的项。为了实现理想相乘运算，在工程上可以采取以下措施（抑制高次的无用的谐波分量）：1、选择工作点在特性接近平方律区；2、加入补偿和负反馈技术；3、多个非线性器件组成平衡电路，抵消部分无用的频率分量；4、控制u1和u2的幅值；5、设u2为参考信号、u1工作在线性时变系统。,第二节相乘器电路,5.2.1二极管的相乘作用及其特性（二极管调幅电路）,根据上式，可以把二极管等效为开关，开关受大信号u2控制，按角频率2做周期的启闭。闭合时的导通电阻为rd。二极管用受u2(t)控制的开关等效时线性时变系统的一个特例。它除了要求u1足够小外，还要求u2足够大，使二极管特性曲线可近似在原点转折。通常这种状态为开关工作状态。,进而假设：,且：U2mU1m,可理解为：,第二节相乘器电路,5.2.1二极管的相乘作用及其特性（二极管调幅电路）,在u2作用下，二极管调幅电路的i2(t)为半周余弦脉冲序列。,i2(t)脉冲序列,其中，gD=1/rd,i2(t),i1(t),iL(t),第二节相乘器电路,5.2.1二极管的相乘作用及其特性（二极管调幅电路）,载波u2作用下，二极管D导通时的电流i2(t)，叠加上缓变的（低频）调制信号u1形成的电流i1(t)，那么RL上输出的电压幅度与电流幅度成正比。,第二节相乘器电路,5.2.1非线性器件的相乘作用及其特性,引入单向开关函数K2(2t)代表高度为1的单向周期脉冲方波。,则iL(t)在脉冲正半周时，表示为,第二节相乘器电路,该等式显示二极管非线性电路输出的频谱成分丰富，分别有1和2；12；(2n-1)21；2n2因为载波频率2要远远高于调制信号的频率1。所以，应用滤波器可以将基频信号（即n=1）提取出来，得到的就是调幅信号。,第二节相乘器电路,当采用一个中心频率为2的LC选频网络提取调幅信号，并忽略因此给上下边带信号带来的相移时，在LC网络的阻抗上可以得到输出电压uo(t)。,21时的LC网络阻抗值。,谐振时，即频率为2时的阻抗值。,假设：,2,第二节相乘器电路,ma,其中，,调幅度（调幅系数）,上下边频时的LC网络阻抗幅值,载波频率2谐振时LC网络阻抗幅值,第二节相乘器电路,从上式可知，调幅度ma除了与带通滤波器的特性有关，还与载波信号的电压幅度U2m成反比。提高调幅度ma，必须减小载波信号的电压振幅U2m。,二极管调幅电路优点：,电路简单；要求合理选择载波振幅。既要保证二极管导通，也要保证足够大的调幅度。,缺点：,电路谐波分量太多，对系统本身和其他系统造成干扰较严重。,5.2.2二极管平衡调幅,第二节相乘器电路,调制信号u1（u）通过Tr1耦合；载波信号u2（uc）通过Tr3耦合；Tr1和Tr2的副边和原边上下匝数比相等，即分别于其原边和副边的匝数相等。负载RL分别在Tr2的原端上下各等效一个RL；电容C与Tr2原边的谐振频率为2,第二节相乘器电路,5.2.2二极管平衡调幅,第二节相乘器电路,当正半周时，二极管的导通电流分别为：,当负半周时，二极管截止。因此总的电流表达式：,第二节相乘器电路,考虑到电容C与Tr2的原端并联谐振在2，进一步假设LC回路的带宽BW0.7=21(or2)，由上式得到的输出电压uo表达式为：,第二节相乘器电路,其中，Rp为负载2RL与LC回路中Tr2原端电感内阻r0并联的电阻。即：输出信号的幅度Uom与二极管导通内阻rd和RL有关。与调制信号的幅度Um有关，与Ucm无关。,5.2.2二极管平衡调幅,与单二极管调幅电路相比：（1）频率分量明显减少，没有了c和2nc（2）得到的是双边带调幅信号，（3）信号输出幅度主要与RL、调制信号幅度Um有关。,第二节相乘器电路,5.2.2二极管平衡调幅,5.2.3二极管环形调幅,为了利用电路的对称性结构进一步抵消一部分不需要的频率分量，常采用如图所示的二极管环形调幅电路。,第二节相乘器电路,第二节相乘器电路,调制信号u1（u）通过Tr1耦合；载波信号u2（uc）通过Tr3耦合；Tr1和Tr2的副边和原边上下匝数比相等，即分别于其原边和副边的匝数相等。负载RL分别在Tr2的原端上下各等效一个RL；电容C与Tr2原边的谐振频率为c,第二节相乘器电路,此时为负半周,第二节相乘器电路,再考虑到，D1、D2与D3、D4的开关函数正好反相，也就是说，开关函数k3和k4相同，但与k1和k2有180的相差。因此得到：,再可以推出：,第二节相乘器电路,根据电流定义方向，可以得到：,同理，考虑到电容C与Tr2的原端并联谐振在2，LC回路的带宽BW0.7=21，由上式得到的输出电压uo表达式。,第二节相乘器电路,5.2.3二极管环形调幅,与二极管平衡调幅电路相比：,（1）频率成分得到了进一步的减少1；（2）频率分量的振幅加倍。,采用二极管这种无源的非线性器件，可实现信号的相乘。,第二节相乘器电路,5.2.4模拟乘法器,差分对管的输入差模电压为v2V2mcosct，且偏置电流源受调制信号v1控制，他们之间的关系呈线性，,差分对管的输出差值电流为：,VTKT/q，当T300K时，VT26mV。,通过与前面的式子等效，可以得到：,当v2很大时，双曲正切th()函数可以趋近于周期性方波。同样也可以利用双向开关函数K2(ct)表示。,第二节相乘器电路,差分对管是由多个非线性器件组成的平衡式电路，v1和v2分别加在不同器件的输入端，实现两个函数f1(v1)和f2(v2)相乘的特性。当工作开关状态时，只要保证I0受v2的控制是线性的就可以得到两个信号的相乘。,5.2.4模拟乘法器,第二节相乘器电路,2、集成模拟相乘器电路符号及工作象限,利用上述的差分对管的工作原理，应用于集成电路中可实现模拟乘法器的集成电路设计。当vx（或vy）其一为恒量时，该电路可近似为线性放大器。,5.2.4模拟乘法器,第二节相乘器电路,3、相乘器的实例I、电路形式及外围元件的作用。集成器内部采用了双差分平衡式电路。,II、附加电路通过调节Rw，改变V14电压。当V140时，输出的为平衡调幅波。当V14不等于0时为调幅波输出。,5.2.4模拟乘法器,高电平调幅通常只能产生普通调幅波，它能直接产生满足发射机输出功率要求的调幅波，不必采用功率低的线性放大器，,集电极调幅,基极调幅,利用,集电极调制特性,基极调制特性,可以看成是电源电压随调制信号改变的丙类功率放大器,特点：整机效率高兼顾输出功率、效率和调制线性等技术要求一般以丙类功率放大器为基础,分类,第三节高电平调幅电路,第三节高电平调幅电路,高电平调幅通常只能产生普通调幅波,其最大优点是整机效率高。高电平调幅应兼顾输出功率、效率和调制线性等技术要求。常用的有集电极调幅和基极调幅。,1、三极管集电极调幅,三极管集电极调幅属于高电平调制。它通常利用丙类放大器的集电极调制特性进行。,1、三极管集电极调幅,第三节高电平调幅电路,1、三极管集电极调幅,其中,调幅指数,第三节高电平调幅电路,1、三极管集电极调幅,直流电源输入功率,输出高频已调波功率,集电极功率损耗,集电极效率,第三节高电平调幅电路,1、三极管集电极调幅,55,当处于调幅波的最大值时，电流和电压都达到最大值,对应的功率和效率分别是,有效电源输入功率,高频输出功率,集电极损耗功率,第三节高电平调幅电路,1、三极管集电极调幅,第三节高电平调幅电路,1、三极管集电极调幅,第三节高电平调幅电路,在调制信号的周期内，平均功率都是仅有载波信号时（即调制信号为零v(t)=0的(1+0.5ma)2倍，而且效率不变。总输入功率分别有Vcc和供给，Vcc是产生载波功率的来源，是产生边带功率的来源。集电极平均耗散功率等于仅有载波信号时的(1+0.5ma2)倍，据此可以确定功率管，使集电极耗散功率PcMPav。需要调制信号提供一定量的输入功率，因此集电极调制需要大功率的调制信号源。是该电路的缺点。输出功率较大，效率高，调幅系数可以设置较高。,1、三极管集电极调幅,第三节高电平调幅电路,2、三极管基极调幅,第三节高电平调幅电路,2、三极管基极调幅,2、三极管基极调幅,第三节高电平调幅电路,1:1,1:1,其中,调幅系数,第三节高电平调幅电路,调制信号的缓变，可近似不变,当,2、三极管基极调幅,直流电源输入功率,输出高频已调波功率,集电极功率损耗,集电极效率,第三节高电平调幅电路,2、三极管基极调幅,当处于调幅波的最大值时，电流达到最大值,对应的功率和效率分别是,有效电源输入功率,高频输出功率,集电极损耗功率,集电极效率,第三节高电平调幅电路,2、三极管基极调幅,第三节高电平调幅电路,2、三极管基极调幅,第三节高电平调幅电路,2、三极管基极调幅,基极调幅电路，必须工作在欠压区；载波功率和边带功率都由集电极电源Vcc提供，不要求调制信号有较大的输出功率；调制过程中，效率是变化的。选取晶体管是，只要集电极耗散功率PcMPav。输出功率比较大，效率高，但是调幅系数动态范围比较小。,所谓混频就是将两个不同频率的信号(其中一个是本机振荡信号，另一个是外加已调波信号)加到非线性器件进行频率变换,然后由选频回路取出其差频或和频分量，并