高频电子技术课件第9章3.ppt

9振幅调制与解调 9 1概述 9 2调幅波的性质 9 3平方律调幅 9 4斩波调幅 9 5模拟乘法器调幅 9 6单边带信号的产生 9 7残留边带调幅 9 8高电平调幅 9 9包络检波 9 10同步检波 9 11单边带信号的接收 9振幅调制与解调 9 1概述 9 1 1振幅调制简述 9 1 2检波简述 9 1 1振幅调制简述 将要传送的信息装载到某一高频载频信号上去的过程 1 定义 2 调制的原因 从切实可行的天线出发 为使天线能有效地发送和接收电磁波 天线的几何尺寸必须和信号波长相比拟 一般不宜短于1 4波长 音频信号 20Hz 20kHz 波长 15 15000km 天线长度 3 75 3750km 9 1 1振幅调制简述 2 调制的原因 便于不同电台相同频段基带信号的同时接收 频谱搬移 9 1 1振幅调制简述 2 调制的原因 可实现的回路带宽 基带信号特点 频率变化范围很大 高频窄带信号 频谱搬移 低频 音频 20Hz 20kHz 高频 射频 AM广播信号 535 1605kHz BW 20kHz 9 1 1振幅调制简述 3 调制的方式和分类 调幅 调相 调制 连续波调制 脉冲波调制 脉宽调制 振幅调制 编码调制 调频 脉位调制 9 1 1振幅调制简述 End 4 调幅的方法 平方律调幅 斩波调幅 调幅方法 低电平调幅 高电平调幅 集电极调幅 基极调幅 9 1 1振幅调制简述 9 1 2检波简述 从振幅受调制的高频信号中还原出原调制的信号 1 定义 图9 1 1检波器的输入输出波形 9 1 2检波简述 图9 1 2检波器检波前后的频谱 9 1 2检波简述 图9 1 3检波器的组成部分 9 1 2检波简述 2 组成 End 3 检波的分类 二极管检波器 三极管检波器 检波 器件 信号大小 小信号检波器 大信号检波器 工作特点 包络检波器 同步检波器 9 1 2检波简述 9 2调幅波的性质 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 9 2 2调幅波中的功率关系 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 1 普通调幅波的数学表示式 首先讨论单音调制的调幅波 载波信号 调制信号 调幅信号 已调波 由于调幅信号的振幅与调制信号成线性关系 即有 即 式中ma为调制度 常用百分比数表示 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 调幅信号的振幅 包络 变化规律与调制信号波形一致调幅度反映了调幅的强弱度 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 图9 2 2由非正弦波调制所得到的调幅波 三种振幅调制信号 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 双边带调制 2 普通调幅波的频谱 1 由单一频率信号调幅 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 信号带宽 2 限带信号的调幅波 调制信号 载波 9 2 1调幅波的数学表示式与频谱 9 2 2调幅波中的功率关系 如果将普通调幅波输送功率至电阻R上 则载波与两个边频将分别得出如下的功率 载波功率 上边频或下边频 在调幅信号一周期内 AM信号的平均输出功率是 载波本身并不包含信号 但它的功率却占整个调幅波功率的绝大部分 当ma 1时 PoT 2 3 Po 当ma 0 5时 PoT 8 9 Po 从调幅波的频谱图可知 唯有它的上 下边带分量才实际地反映调制信号的频谱结构 而载波分量仅是起到频谱搬移的作用 不反映调制信号的变化规律 End 9 2 2调幅波中的功率关系 9 3平方律调幅 9 3 1工作原理 9 3 2平衡调幅器 9 3 1工作原理 调幅波的共同之处都是在调幅前后产生了新的频率分量 也就是说都需要用非线性器件来完成频率变换 这里将调制信号v 与载波信号v 0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 图9 3 1非线性调幅方框图 9 3 1工作原理 End 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 9 3 1工作原理 9 3 2平衡调幅器 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 载波抑制的双边带 End 9 3 1工作原理 End 图9 3 2串联双二极管平衡调幅器简化电路 9 3 2平衡调幅器 二极管的伏安特性曲线 9 4斩波调幅 9 4 1工作原理 9 4 2实现斩波调幅的两种电路 9 4 1工作原理 图9 4 1斩波调幅器方框图 图9 4 2斩波调幅器工作图解 9 4 1工作原理 9 4 1工作原理 图9 4 3平衡斩波调幅及其图解 End 9 4 1工作原理 9 4 1工作原理 9 4 2实现斩波调幅的两种电路 图9 4 4二极管电桥斩波调幅电路 End 图9 4 5环形调幅器电路 9 4 2实现斩波调幅的两种电路 9 5模拟乘法器调幅 调制信号 音频 被调信号 射频 已调信号 图5 4 2差分对模拟乘法器原理模拟乘法器电路 9 5模拟乘法器调幅 图9 5 1模拟乘法器电路 9 5模拟乘法器调幅 End 图9 5 3XFC1596的内部电路 虚线框内 及由它构成的双边带调制电路 9 5模拟乘法器调幅 9 6单边带信号的产生 9 6 1单边带通信的优缺点 9 6 2产生单边带信号的方法 End 9 6 1单边带通信的优缺点 使所容纳的频道数目增加倍 大大提高波段利用率 单边带制能获得更好的通信效果 单边带制的选择性衰落现象要轻得多 要求收 发设备的频率稳定度高 设备复杂 技术要求高 9 6 2产生单边带信号的方法 1 滤波器法 图9 6 1滤波器法原理方框图 9 6 2产生单边带信号的方法 1 滤波器法 图9 6 2滤波器法单边带发射机方框图 必须强调指出 提高单边带的载波频率决不能用倍频的方法 因为倍频后 音频频率 也跟着成倍增加 使原来的调制信号变了样 产生严重的失真 这是绝对不允许的 9 6 2产生单边带信号的方法 图9 6 3单边带发射机方框图举例 9 6 2产生单边带信号的方法 2 相移法 图9 6 4相移法单边带调制器方框图 9 6 2产生单边带信号的方法 表示什么种类的调幅信号 2 相移法 9 6 2产生单边带信号的方法 相移法单边带调制器优点 缺点 相移法单边带调制器优点 不需要多次重复调制和复杂的滤波器缺点 要求准确移相900 边带抑制度 End 3 第三种方法 修正的移相滤波法 图9 6 5产生单边带信号的第三种方法 修正相移滤波法 9 6 2产生单边带信号的方法 9 7残留边带调幅 在单边带调幅与双边带调幅之间 有一种折衷方式 即残留边带调幅 它传送被抑制边带的一部分 同时又将被传送边带也抑制掉一部分 为了保证信号无失真地传输 传送边带中被抑制部分和抑制边带中的被传送部分应满足互补对称关系 特点 所占频带比单边带略宽一些 它在 附近的一定范围内具有两个边带 因此在调制信号 例如电视信号 含有直流分量时 这种调制方式可以适用 残留边带滤波器比单边带滤波器易于实现 End 图9 7 1各种调幅制式的频谱示意图 9 7残留边带调幅 9 8高电平调幅 9 8 1集电极调幅 9 8 2基极调幅 9 8高电平调幅 高电平调幅电路能同时实现调制和功率放大 即用调制信号v 去控制谐振功率放大器的输出信号的幅度Vcm来实现调幅的 9 8 1集电极调幅 集电极调幅电路 End 9 8 1集电极调幅 9 8 2基极调幅 基极调幅电路 End 9 8 2基极调幅 补充 频率变换 混频 变频 将高频信号变为某一固定晶体管 二极管 差分对模拟乘法器 频谱搬移 第5 6 5 7 5 8节频率倍频 将高频信号的频率变为原来的整数倍晶体管 1 丙类放大器电流脉冲的谐波分量2 晶体管结电容的非线性第6 10节 习题 9 1 为什么调制必须利用电子器件的非线性特性才能实现 它和放大器在本质上有什么区别 解 1 电子器件的线性特性只能使信号在幅度上增大或者减小 而调制产生了新的频率 即令原来的频率产生了频谱位移 所以 必须利用电子器件的非线性特性才能实现调制 2 放弃器仅是对信号不失真地放大 不产生新频率 因此不但不需要电子器件的非线性特性 而且应尽量避免 保证信号不失真 9 2 怎样用被调放大器电路内的仪表 来判断调幅是否对称 解 调幅如果对称 则在未调制与调制两种状态时 表的读数字应该无变化 9 3有一正弦调制的调幅波方程式为试求这电流的有效值 以及表示之 解 上式展开为假设该电流流经电阻R 9 4有一调幅波方程式为1 试求它所包含的各个分量的频率与振幅 2 绘出这个调幅波包络的形状 并求出峰值与谷值调幅度 解 9 4 9 12某发射机发射9kW的未调制载波功率 当载波被频率调幅时 发射功率为10 125kW 试计算调制度 如果再加上另一个频率为的正弦波对它进行40 调幅后再发射 试求这两个正弦波同时调幅时的总发射功率 解 9 9包络检波 9 9 1包络检波器的工作原理 9 9 2包络检波器的质量指标 9 9 1包络检波器的工作原理 从已调波中检出包络信息 只适用于AM信号 输入AM信号 检出包络信息 电容充放电 设 V0为电容上的初始电压值 V1为电容最终可充到或放到的电压值 Vt为t时刻电容上的电压值 则 End 9 9 1包络检波器的工作原理 End 9 9 1包络检波器的工作原理 9 9 2包络检波器的质量指标 下面讨论这种检波器的几个主要质量指标 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 1 电压传输系数 检波效率 用分析高频功放的折线近似分析法可以证明 其中 是二极管电流通角 为检波器负载电阻 d为检波器内阻 9 9 2包络检波器的质量指标 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 它势必影响回路选频特性 Q 下面分析其等效电阻 其中 Vim是输入高频电压振幅 Iim是输入高频电流振幅 9 9 2包络检波器的质量指标 2 等效输入电阻 如果忽略二极管导通电阻上的损耗功率 则由能量守恒的原则 输入到检波器的高频功率 应全部转换为输出端负载电阻上消耗的功率 注意为直流 9 9 2包络检波器的质量指标 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 9 9 2包络检波器的质量指标 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 9 9 2包络检波器的质量指标 惰性失真 对角线切割失真 放电速率 假定此时 为避免失真 包络变化率 9 9 2包络检波器的质量指标 惰性失真 对角线切割失真 实际上 调制波往往是由多个频率成分组成 即 min max 为了保证不产生失真 必须满足 或 9 9 2包络检波器的质量指标 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VC Vim 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VC Vim将在R和RL上分压 直流负载电阻R上的电压为 9 9 2包络检波器的质量指标 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 9 9 2包络检波器的质量指标 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 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 9 9 2包络检波器的质量指标 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路 非线性失真 这种失真是由检波二极管伏安特性曲线的非线性所引起的 非线性 iD v vi不变 vD 如果负载电阻R选得足够大 则检波管非线性特性影响越小 它所引起的非线性失真即可以忽略 iD 9 9 2包络检波器的质量指标 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路 频率失真 所谓频率失真 线性失真 是指由阻抗随频率变化的线性电抗元件电容 电感引起的失真 如左图所示 检波器中存在检波电容C和隔直电容Cc两个电容 检波电容C用于跟踪调幅波包络变化 隔直电容Cc用于去除载波分量对应的直流输出 对调制频率 min max 要求检波电容C对高频载波短路但不能对低频调制波旁路 隔直电容Cc对低频调制波短路 End 9 9 2包络检波器的质量指标 9 10同步检波 同步检波器用于对载波被抑止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止的载波相同的电压 同步检波的名称即由此而来 图9 10 1同步检波器方框图 例 在右图所示的大信号二极管检波电路中 已知输入调制信号的载频 调制频率二极管内阻 1 若R增大到原来的10倍 C减小到原来的1 10 试问检波器的电压传输系数变化多少 此时检波器的等效输入电阻Rid变化多少 2 若检波器与下级电路连接 如图中虚线所示 耦合电容CC足够大 ri2 50k 为了不使检波器产生失真 在R和C改