第五章电磁波.ppt

将要传送的信息装载到某一高频载频信号上去的过程 声音 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 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 通信系统的基本组成电路 振幅调制 解调 混频 调频 鉴频等电路 这些电路的共同特点是 将输入信号进行频谱变换 以获得所需要的频谱输出信号 故称之为频率 频谱 变换电路 根据频谱变换的不同特点 频谱变换电路有 频谱搬移电路包括 VestigialSidebandAmplitudeModulation 一 调制调制的定义 将需要传送的基带信号加载到高频信号上去的过程 基带信号 占有一定宽度的低频信号 调制的作用 用高频信号做运载工具 实现多路有选择性的远距离通信 第一节概述 数字调制 调制分为 幅度调制 AM 频率调制 FM 相位调制 PM 幅度键控 ASK 频率键控 FSK 相位键控 PSK 模拟调制 调制的分类 2 普通调幅波的数学表示式 则普通调幅波的数学表示式为 其中称为调幅指数 调幅度 若载波信号 调制信号 1 定义 用需传送的信息 调制信号 去控制高频载波振荡电压的振幅 使其随调制信号线性关系变化 二 普通调幅波 AM波 的数学表示式 波形及其频谱 单音频调制 3 普通调幅波的波形 右图是单音频调制普通调幅波的波形图 从波形上可以看出 调制信号 载波信号 已调波信号 已调波振幅的包络形状与调制信号一样 则调幅指数 调幅指数当ma 1时 已调波振幅的包络形状与调制信号一样不失真调幅 当ma 1时 将产生过量调制如下图所示 包络形状会产生严重失真 必须尽力避免 包络失真 单频调制的AM波的频谱 4 普通调幅波的频谱 单频调制的普通调幅波的频谱 由数学表示式可得 单频调制的AM波的频带宽度 多音频调制的普通调幅波的频谱 多频调制的AM波的频带宽度 5 结论 调幅过程是一种线性频谱搬移过程将调制信号的频谱由低频被搬移到载频附近 成为上 下边频带 三 普通调幅波的功率关系 载波功率 每一边频功率 调制一周内的平均总功率 将普通调幅波电压加在电阻R两端 电阻R上消耗的各频率分量对应的功率可表示为 1 普通调幅波中各频率分量之间的功率关系 调幅波的输出功率随着ma的增大而增大 当ma 1时 PoT 2 3 Po 当ma 0 5时 PoT 8 9 Po 2 普通调幅波的特点 普通调幅波中载波分量占有的功率较大 而含有信息的上 下边频分量占有的功率较小 从能量观点看 普通调幅波进行传送 不含信息的载波功率过大 是一种很大的浪费 这是普通调幅波本身固有的 双边带调幅的振幅 其包络随调制信号变化 但包络不能完全准确地反映调制信号变化规律 双边带信号的载波相位在调制电压零交点突变 四 抑制载波的双边带调幅信号和单边带调幅信号 1 抑制载波的双边带调幅波 DSB 数学表示式 双边带调幅波的频谱 波形特点 即 双边带调幅波的频带宽度 2 单边带调幅波 SSB 单频调制的单边带调幅波的频谱为 频谱 数学表示式 特点频带只有双边带调幅波的一半 其频带利用率高 全部功率都含有信息 功率有效利用率高 频带宽度 三种振幅调制信号 五 振幅调制电路的功能 1 振幅调制电路的功能是将输入的调制信号和载波信号通过电路变换成高频调幅信号输出 2 功能的表示 当载波为调制信号为时 三种振幅调制电路的功能可以用频谱表示 如右图所示 六 振幅调制电路的分类及要求 1 分类 分低电平调幅和高电平调幅两大类 2 要求 低电平调幅是在低功率电平级进行振幅调制 输出功率和效率不是主要指标 重点是提高调制的线性 减小不需要的频率分量的产生和提高滤波性能 高电平调幅是直接产生满足发射机输出功率要求的已调波 利用丙类高功放改变来实现调幅 其优点是效率高 设计时必须兼顾输出功率 效率和调制线性的要求 七 振幅调制电路的基本组成 调幅电路需要产生新的频率分量非线性器件是主要器件 其特性必须含有载波信号和调制信号的乘积项 一般来说 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 输入回路的作用是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 非线性器件产生新的频率分量 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 第二节低电平调幅电路 一 单二极管开关状态调幅电路1 开关状态当二极管在两个不同频率电压下进行频率变换时 其中一个电压振幅足够大 另一个电压振幅较小 二极管的导通或截止将完全受大振幅电压的控制 可以近似认为二极管处于理想开关状态 第二节低电平调幅电路 2 电路原理 二极管的导通电阻 经中心频率为 通频带略大于的带通滤波器取出的普通调幅波信号输出 流过二极管电流中含有 直流 3 通过带通滤波器选出调幅波输出 结论 单二极管开关状态调幅电路只能实现普通调幅波 AM 1 电路特点图中变压器为理想变压器 B1为1 1 B2为1 2B3为2 1载波信号是大信号 调制信号是小信号 二极管D1 D2均工作于受uc t 控制的开关状态 二 二极管平衡调幅电路 2 在无带通滤波器的条件下 流过二极管D1 D2的电流为 根据变压器B3的同名端及假设的次级电流的流向 由于i1和i2流过B3初级方向相反 所以电流i为 由于i中包含 等频率成分 经中心频率为 带宽略大于的带通滤波器取出的频率成分电流在负载上建立双边带调幅电压输出 3 通过带通滤波器取出双边带调幅波 结论 双二极管开关状态调幅电路能实现平衡调幅 在负载上建立双边带调幅波的电压 多接了两只二极管D3和D4 当D1和D2导通时 D3和D4是截止的 反之 D1和D2截止时 D3和D4是导通的 即接入D3和D4不影响D1和D2的工作 环形调制器可以看成是两个平衡调制器组成 三 二极管环形调幅电路 环形调制器 1 在的正半周 D1和D2导通 D3和D4截止 D1和D2的开关函数为 在无带通滤波器的条件下 流过负载的总电流 1 2 2 1 2 在的负半周 D1和D2截止 D3和D4导通 而D3和D4的开关函数为 在无带通滤波器的条件下 流过负载的总电流 1 2 2 1 流过负载的总电流中含有等频率分量 经过中心频率为 通带略大于的带通滤波器 则在上只取的双边带调幅电压 4 通过带通滤波器取出双边带调幅波 则 3 负载RL中的电流 结论 二极管环形调幅电路能实现平衡调幅 DSB 与双二极管调幅电路相比输出信号的频谱少了的成份 且幅度为其二倍 四 模拟乘法器调幅电路1 模拟乘法器 模拟乘法器是有两个输入端对 即X和Y输入端对 和一个输出端的非线性有源器件 模拟乘法器符号 模拟乘法器是完成两个模拟信号 电压或电流 相乘作用的电子器件 模拟乘法的传输特性方程为式中 K乘法器的增益系数 单位为1 V 常用于频率变换的模拟乘法器的型号 国外同类产品 MC1496MC1596MC1495MC1496LM1496LM1596 AD834 宽带 AD630 多功能 AD734 高精度 国内同类产品 CB1595CB1596BG314 2 双差分对管振幅调制电路 它由两个单差分对管电路T1 T2 T5和T3 T4 T6组合而成 输入信号u1加在两个单差分对管的输入端 u2加在T5和T6的输入端 双端输出时 输出电流而则 T1 T2和T3 T4组成的差分对管的电流电压关系 T1 T2组成的差分对管的电流电压关系 当u1和u2都小于26mV时 PN结内建电压温度当量 常温下为26mV 一 双差分对相乘器电路 吉尔伯特乘法器单元 双差分对模拟相乘器 吉尔伯特乘法器单元 原理电路如图所示 由图知 差分对T1 T2的差模输出电流为 吉尔伯特乘法器单元 差分对T3 T4的差模输出电流为 故双差分对模拟相乘器的差值输出电流为 其中 晶体管T5和T6差分对管的差模输出电流 其值为 吉尔伯特乘法器单元 因而双差分对相乘器电路的输出电流为 显然 该电路不能实现两个电压 的相乘运算 仅 提供了两个非线性函数 双曲正切 相乘的特征 但由双曲正切函数的特性知 时 上式可以 1 当 近似为 2 当 为任意值时 可以 近似为 实现了线性时变工作状态 扩大u2的线性动态范围的措施 A 在T5和T6的发射极之间接入负反馈电阻Ry 并将恒流源I0分为两个I0 2的恒流源 B Ry足够大 满足深度负反馈条件 即 u2的最大动态范围为 双端输出电流 现将常用的Motorola公司MC1496 1596 国内同类型号是XFC 1596 MC1495 1595 国内同类型号是BG314 和MC1494 1594单片模拟乘法器的参数指标简介如下 MC14系列与MC15系列的主要区别在于工作温度 前者为0 70 后者为 55 125 其余指标大部分相同 个别后者稍好一些 MC1596是以双差分电路为基础 在Y输入通道加入了反馈电阻 故Y通道输入电压动态范围较大 X通道输入电压动态范围很小 MC1596工作频率高 常用作调制 解调和混频 通常X通道作为载波或本振的输入端 而调制信号或已调波信号从Y通道输入 当X通道输入是小信号 小于26mV 时 输出信号是X Y通道输入信号的线性乘积 单片集成模拟相乘器MC1496 1596的内部电路及其引脚排列 3 MC1596平衡调幅电路 MC1596组成的普通调幅或双边带调幅电路 设输入载波信号 根据双曲线正切函数的特性 大信号条件下具有开关函数的形式 输入调制信号 因为2与3端满足接入 则可扩大到的线性范围 大信号 即 双端输出电流 管脚直流电位差为零时 管脚直流电位差不为零时 双端输出电流 1代表直流 RW是调节MC1596的4和1端的直流电位差为零 确保输出为抑制载波的双边带调幅波 如果4和1端直流电位差不为零 则有载波分量输出 相当于是普通调幅波 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U 去控制谐振功率放大器的输出信号的幅度Ucm来实现调幅的 集电极调制 用调制信号控制集电极电源电压 以实现调幅 基极调制 用调制信号控制基极电源电压 以实现调幅 在调幅发射机 如广播发射机 中 一般采用高电平调制电路 高电平调幅 根据调制信号控制的电极不同 调制方法主要有 一 集电极调幅电路 1 集电极调幅原理电路 具有下列特点 集电极回路调谐在 带宽略大于 丙类放大器工作于过压状态 有效电源随变化 第三节高电平调幅电路 直流电源 旁路电容 式中 称为调幅指数 根据理想化调幅特性可得 输出电压 丙类功率放大器在不变的条件下 改变时 集电极电流在欠压区可认为不变 而在过压区将随变化而变化 具有调幅特性 有效电源 2 调幅原理 集电极调幅 3 集电极调幅电路的功率与效率 时 直流电源提供的输入功率 载波输出功率 集电极损耗功率 集电极效率 载波状态 调制最大状态电流和电压都达到最大值 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 结论 在调制信号波峰处 所有功率都是载波状态的倍 而集电极效率不变 调制信号源提供的平均输入功率 直流电源提供的平均输入功率 调制一周的平均功率 有效电源提供的平均输入功率 平均输出功率 其中 载波输出功率为 边频功率为 平均集电极损耗功率 平均集电极效率 在调制一周内的平均功率都是载波状态对应功率的倍 集电极平均损耗功率是载波状态损耗功率的倍 选管子时 应采用管子的允许损耗功率 载波输出功率是由直流电源提供 而边频输出功率是由调制信号源提供 总输入功率分别由直流电源和调制信号源提供 因而调制信号源应是功率源 4 集电极调幅电路的特点 必须工作于过压区 调制过程中效率不变 可保持在高效率下工作 二 基极调幅电路 1 基极调幅原理 基极调幅电路的基本原理是利用丙类功率放大器在电源电压VCC 输