二极管包络检波PPT课件.ppt

上节内容回顾与扩展 1 几种调幅波的特点与实现方法 上节内容回顾与扩展 普通调幅AM 普通调幅波是由调制信号叠加直流分量 再与载波的乘积组成的 从原理上看 只要能实现这样的关系即可 其原理图如图 普通调幅用于无线电广播 这是为了简化接收机电路 因为普通调幅的解调电路既简单成本又低 因而可以降低接收机的成本 给广大听众带来便利 2 t 普通调幅AM Ma 1 Ma 1 Ma 1 3 2 抑制载波的双边带调幅 DSB调幅 DSB调幅是在调幅电路中抑制掉载频只输出上下边频 边带 其数学表达式为 与普通调幅相比 其带宽也为2 由于DSB调幅不含载频 将有效的功率全部用到边频 边带 功率的传输上 因而大大减小功率浪费 在调制信号的负半周 已调波高频与载波反相 在调制信号的正半周 已调波高频与载波同相 即已调波在调制信号过零处有180 突变 其波形如下页图 4 2 抑制载波的双边带调幅 DSB调幅 5 3 抑制载波的单边带调幅 SSB调幅 单边带调幅的特点是已调波中只含一个边频 边带 不含载频及另一个边频 边带 其数学表达式只要将DSB调幅表达式中的一个边频去掉即可 为 其特点是与前两种调幅波相比 带宽减半提高了信道利用率 同时由于不发送载波仅发送一个边带 因而更节省功率 此外 其波形也大不同于前两种调幅 由数学模型可见 SSB调幅波的波形为等幅波 信息包含在相位中 6 用模拟乘法器实现调幅 SSB 1 滤波法 缺点 需要高矩形系数滤波器 有时用晶体滤波器 一般需采用逐级滤波法 7 上 下边带之间的频率间距等于调制信号最低频率Fmin的2倍 故滤波时相对带宽2Fmin fc要很小 这样的滤波器制作很困难 为什么要逐级滤波 上节内容回顾与扩展 8 在实际应用中是适当降低第一次调制的载波频率 这就增大了边带滤波器的相对带宽 使滤波器便于制作 然后再经过多次平衡调幅 DSB 和滤波逐步把载频提高到要求的数值 如下图所示 上节内容回顾与扩展 1 逐级滤波法产生SSB信号 9 2 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 用模拟乘法器实现调幅 SSB 10 用模拟乘法器实现调幅 SSB 3 修正移相法 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 11 三种振幅调制信号 12 4 残留边带调幅 VSB调幅 VestigialSidebandVSB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 几种调幅波的特点与实现方法 上节内容回顾与扩展 13 几种调幅波的特点与实现方法 上节内容回顾与扩展 4 残留边带调幅 VSB调幅 VestigialSideband 为减少带宽又使解调方式简单 电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0 0 75MHz的图像信号采用双边带传送 0 75 6 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 14 几种调幅波的特点与实现方法 上节内容回顾与扩展 4 残留边带调幅的频谱 15 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 斩波调幅 16 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 17 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 18 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 19 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 可实现DSB波 20 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 21 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 22 23 斩波调幅器方框图 24 斩波调幅器工作图解 25 平衡斩波调幅及其图解 26 27 可实现DSB波 比二极管平方律调幅的输出减少许多组合频率分量 28 可实现DSB波 当载波电压uc足够大时 即Ucm U m 这时可以认为二极管工作在受uc控制的开关状态 在uc 0时导通 在uc 0时截止 图中rd为二极管导通时的电阻 而开关S的作用可用单向开关函数S t 来表示 输出电压uo t 也可以写成 uo t 2S1 t 29 单向开关 30 可实现DSB波 31 为提高调幅信号的幅度 还可采用双向斩波 双向开关函数 32 双向开关函数 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2f t uc t 0uo t 2f t uc t 0 uo t 2S t 二极管环形斩波调幅电路 33 4 3 4振幅调制波的解调模型及电路 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 34 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 3 4振幅调制波的解调模型及电路 35 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 36 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 37 载波信号相位对检波结果的影响 1 乘积检波器 同步检波电路 38 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 39 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 40 4 3 4振幅调制波的解调模型及电路二极管包络检波器的工作原理 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 41 串联型二极管包络检波器 二极管包络检波器的工作原理 Vi Vc V 42 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 43 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 44 二极管包络检波器的指标 二极管包络检波器的近似分析 折线近似分析法 折线的斜率为 值很小 45 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 46 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 47 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 48 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 二极管包络检波器的指标 49 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 二极管包络检波器的指标 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 50 2 等效输入电阻 二极管包络检波器的指标 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 51 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 二极管包络检波器的指标 52 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 二极管包络检波器的指标 53 惰性失真 对角线切割失真 放电速率 假定此时 电容放电 为避免失真 二极管包络检波器的指标 54 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 min max 为了保证不产生失真 必须满足 二极管包络检波器的指标 如 则不产生隋性失真的条件为 55 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 二极管包络检波器的指标 调幅波的最小幅度为UC 1 m 要避免底部切削失真 应满足 56 负峰切割失真 底边切割失真 二极管包络检波器的指标 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路 57 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 二极管包络检波器的指标 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路 58 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 59 二极管包络检波器的指标 和C的选择原则 考虑到电压传输系数和高频滤波能力 应尽可能大 工程上要求其最小值满足下列条件 为避免惰性失真 的最大值应满足下列条件 60 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 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 二极管包络检波器的指标 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路 二极管的伏安特性是弯曲的 就伏安特性来说 在电压较小时 电流变化较慢 在电压较大时 电流增加得快 这样 当检波器输入为调幅波时 在调幅波包络的正半周 单位输入电压引起的电流变化大 检波输出电压大 而在调幅包络的负半周 二极管电流变化的速度慢 单位输入电压引起的电流变化小 检波输出电压小 这样就造成了检波器输出电压正 负半周不对称 这种波形的不对称是二极管伏安特性非线性引起 61 频率失真 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 二极管包络检波器的指标 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻RL后的检波电路 由容抗对不同频率的信号的传输不同而引起的失真 62 第五章混频器 5 1混频器的性能指标5 2混频器的实现模型5 3 1双级晶体管混频器5 4 4单二极管开关混频器的折线近似分析5 4 5二极管平衡混频器5 5混频器中的组合频率干扰与非线性失真 63 第五章混频器 混频电路是超外差接收机 发射机及频率合成技术中重要的组成部分 在收发信道中它扮演了重要的角色 其作用是将载频为的已调信号 或单频载波 不失真地变频为的信号 称为中间频率或中频 超外差式接收机方框图 64 变频或混频就是把两个不同的信号加到非线性器件上进行频率组合后取出和频或差频的过程 它的的基本功能均是将输入频带信号的频谱位移到新的频率范围内 即频谱的线性般移 这类似于调制信号经调幅变换前后的频谱变换关系 如果所用本振信号是变频电路自身产生 则称为自激式混频器 或简称为变频器 如果本振信号由外部其它电路提供 则称变频电路为它激式混频器 或简称为混频器 一 混频的概念 第五章混频器 65 二 混频的应用 一是频率合成系统中实现升降频 二是通信系统中降低对滤波器的要求 三是卫星信号传送中的二次变频应用 鉴相 相位调制器等 主要例子有 利用变频器可以实现 将波段内的已调信号变为与输入载波无关的 并具有固定载频的中频信号 并在此基础上进行高性能的选频放大 最后再检波的超外差式接收解调方案 在发射设备中经常利用变频器来改变载频频率的大小 在频率合成器中 也常用变频器来完成频率加减运算 从而由基本频率信号得到各种不同于原频率的新信号 第五章混频器 66 第五章混频器 混频模型及频谱 67 调幅是把基带频谱搬移到载频两边 混频则是信号频谱搬移到中频 但本质上它们都是频谱的搬移 因而实现的模型是相同的 可用模拟乘法器实现 也可用平方律器件 指数特性器件 折线型器件等实现 变换关系是 上混频 高本振下混频 低本振下混频 下混频 第五章混频器 68 混频器有两个输入口与一个输出口 其中一个输人口为RF端 另一个输入口为LO端 输出口为IF端 RF为射频 LO为本振 IF为中频 它与只有输入 输出口的放大器是不一样的 但是放大器有直流电源输入 只要把混频器的本振输入看成是 泵 或 源 混频器与放大器就有类比性 三极管 场效应管混频还要加上直流偏置 RF看成是输入 IF看成是输出 但输入和输出的频率是不同的 定义混频器的一些指标与放大器相比有相同的也有不同的 第五章混频器 69 混频可用双极晶体管 场效应管 模拟乘法器 二极管等器件完成 在甚高频及超高频频段 主要用二极管完成混频 下述混频器指标以二极管混频为主 1 变频增益 损耗 2 噪声系数3 动态范围4 双音三阶交调与线性度5 工作频率 隔离度7 镜像频率抑制度8 本振功率端口性能 5 1混频器的性能指标 70 1 变频增益 损耗 注 教材上公式有错 变频损耗指混频器输入端 RF 的信号功率与输出端 IF 的信号功率之比 可以用电压增益也可用功率增益表示其放大能力 常用分贝表示 5 1混频器的性能指标 主要由电路失配损耗 二极管的固有结损耗及非线性电导净变频损耗等引起 71 2 噪声系数 5 1混频器的性能指标 定义为 NF Pno PsoPno是当输入端口噪声温度在所有频率上都是标准温度即T0 290K时 传输到输出端口的总噪声资用功率 Pno主要包括信号源热噪声 内部损耗电阻热噪声 混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声 Pso为仅有有用信号输入在输出端产生的噪声资用功率 72 3 动态范围 5 1混频器的性能指标 动态范围是指混频器正常工作时的微波输入功率范围 其下限因混频器的应用环境不同而异 其上限受射频输入功率饱和所限 通常对应混频器的1dB压缩点 1dB压缩点 在正常工作情况下 射频输入电平远低于本振电平 此时中频输出将随射频输入线性变化 当射频电平增加到一定程度时 中频输出随射频输入增加的速度减慢 混频器出现饱和 当中频输出偏离线性1dB时的射频输入功率为混频器的1dB压缩点 对于结构相同的混频器 1dB压缩点取决于本振功率大小和二极管特性 一般比本振功率低6dB 73 4 混频器的双音三阶交调与线性度 5 1混频器的性能指标 如果有两个频率相近的信号fs1和fs2和本振fLO一起输入到混频器 由于混频器的非线性作用 将产生交调 其中三阶交调可能出现在输出中频附近的地方 落入中频通带以内 造成干扰 通常用三阶交调抑制比来描述 即有用信号功率与三阶交调信号功率比值 常表示为dBc 三阶互调产物是由放大器或混频器的非线性特性造成的对两个音频输入相互混频 或调制 的结果 这两个IM3产物是 fIM3 1 2 f1 f2 fIM3 2 2