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模拟乘法器综合应用实验 调制与解调 实验四 模拟调制可分为线性调制和非线性调制 本次实验研究线性调制 线性调制的任务是把基带信号的频谱搬移到通带频谱上 以适应 无线 信道的传输要求 或将多路信号合并起来进行多路传输 通过本实验 1 加深理解振幅调制 AM 双边带 DSB 调制 单边带 SSB 调制的基本原理及实现方法 2 掌握各种线性调制信号的时域和频域的测试方法与技能 3 熟悉并掌握MC1496乘法器的基本应用 一 实验目的 二 实验内容 3 DSB调制信号的产生与测量 1 AM调制信号的产生与测量 4 AM调制与DSB调制信号的频域测量 2 AM调制信号的调幅系数测量 5 振副调制的 EWB 仿真实验 三 实验应知知识 3 提高辐射能力 实现无线传输信道的要求 尽量减小天线的尺寸 一 调制在通信系统中的作用 1 频率变换 为了采用无线传送方式 如将 0 3 3 4KHz 有效带宽内的语音信号调制到给定的高频频段上去 调制是 高频电子线路 中一个十分重要的概念 是一种信号处理技术 无论在模拟通信 数字通信还是数据通信中都扮演着重要角色 调制的实质是频谱的搬移 其作用与目的有以下四个方面 2 实现频率分配 保证多个电台同时工作时 发出的信号互不干扰 4 实现多路复用 例如将多路信号互不干扰的安排在同一物理信道中传输 即实现频分复用 二 调制的基本特征 调制的实质是进行频谱的搬移 即把携带消息的基带信号的频谱搬移到较高的高频频率的范围 三 实验应知知识 经调制后的已调波应该具有两个基本特征 一是高频已调波仍然携带有消息 二是高频已调波适合于信道传输 三 实验应知知识 2 按载波信号c t 不同分 线性调制 特点 调制前 后的频谱呈线性搬移关系 三 调制的分类 调制方法可以从以下几个角度进行分类 1 按调制信号m t 的不同分 数字调制 特点 m t 是数字信号 模拟调制 特点 m t 是连续信号 连续波调制 特点 c t 连续 如 t cos ct 脉冲调制 特点 c t 为脉冲 如周期矩形脉冲序列 3 按调制器功能的不同分 幅度调制 特点 用 m t 改变c t 的幅度 如AM DSB SSB VSB 相位调制 特点 用 m t 改变c t 的相位 如PM 频率调制 特点 用 m t 改变c t 的频率 如FM 4 按调制器传输函数来分 非线性调制 特点无上述关系 且调制后产生许多新成份 三 实验应知知识 四 调制系统需掌握的主要技术 高频电子线路 中所讲授的调制技术 是用取值连续 模拟 的基带信号去控制正弦载波的参数 振幅 频率和相位 的模拟调制系统 需掌握的主要技术与应知的主要参数有 1 调制系统的工作原理 调制信号 载波信号和已调信号三者的关系 2 已调信号的带宽 3 噪声对调制系统性能的影响 主要技术 主要参数 1 发送功率 2 过滤带宽 3 设备的复杂性 4 抗噪声性能 如输出信噪比等 三 实验应知知识 五 调制技术中有关术语 调制信号u 需要传输的信号 原始信号 载波信号uc 高频振荡信号 等幅 已调信号UAm 经过调制后的高频信号 射频信号 信号 三 实验应知知识 根据载波受调制参量的不同 调制可分为三种基本方式 它们分别是 振幅调制AM 调幅 频率调制FM 调频 相位调制PM 调相 调制基本方式 六 调制的基本方式 三 实验应知知识 七 振幅调制与实现方法 所谓振幅调制 AM 就是用调制信号u 去控制高频载波信号uc的振幅 使载波信号的振幅按照调制信号u 的规律变化 即已调制信号uAM变化的周期与调制信号u 的周期相同 且幅度的变化与调制信号的振幅成正比 振幅调制信号种类 三种振幅调制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频谱线性搬移电路 7 1全载波调幅 AM 实现方法 全载波调幅电路模型 图中 m为乘法器的乘积常数 为加法器的加权系数 全载波振幅调制电路的模型可由一个乘法器和一个加法器组成 如图所示 全载波振幅调制信号波形 波形特点 时域分析 1 调幅波的振幅 包络 变化规律与调制信号波形一致包络之内的填充频率是f0 2 调幅度ma反映了载波振副受控的强弱程度 以看出 一般m值越大调幅越深 由单一频率信号产生的高频调幅波的数学表达式为 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 全载波振幅调制信号的频谱 AM波信号特点 频域分析1 AM的频谱由三部分组成 即载频和上下边频 2 载频不含信息 两边频包含相同的信息 所占带宽为最高调制频率fH的两倍 2 从功率利用率看 AM信号的功率利用率不充分 抑制载波双边带调幅信号实现方法 为了克服全载波振幅调制效率低的缺点 提高设备的功率利用率 可以在AM调制过程中 将载波分量抑制 即不发送载波 而只发送边带信号 这就是抑制载波的双边带调幅 DSBAM 双边带调制电路的模型可由一个乘法器组成 如图所示 可见要完成DSB调制 其核心部分是实现调制信号与载波相乘 双边带调幅电路模型 图中 m为乘法器的乘积常数 即双边带信号 可以用载波和调制信号直接相乘得到 波形 双边带 DSB 调幅信号波形与频谱 频谱 1 DSB信号的包络正比于调制信号 但DSB信号的包络不再反映调制信号的形状 2 DSB信号载波的相位反映了调制信号的极性 即在调制信号正半周内的载波相位与调制信号负半周内的反相 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 3 DSB波的频谱成份中抑制了载波分量 只有上 下边带 全部功率为边带占有 功率利用率高于AM波 4 占用频带 m是调幅波的主要参数之一 它表示载波电压振幅受调制信号控制后改变的程度 即 调幅波的主要参数与测量 一般用m表示 调幅度 m 一般要求0 m 1 调幅度 m 的测量与计算 模拟乘法器是对两个以上互不相关的模拟信号 电压与电流 实现相乘功能的非线性函数电路 通常它有两个输入端 x端和y端 及一个输出端 其电路模型与符号分别可用如图 a 或 b 所示 集成模拟乘法器原理简介 模拟乘法器的模型与电路符号 模拟乘法器的传输方程为 在现代通信设备中 广泛使用集成模拟乘法器来实现AM DSB SSB调制与同步解调 倍频 混频和相位检测 它具有电路简单 性能优越且稳定 调整方便 利于设备的小型化的优点 式中 Am为增益系数 1 集成模拟乘法器的电路模型 2 集成模拟乘法器的基本原理 由模拟乘法器的电路模型可知 它是 二入一出 的三端器件 设 则输出 可见 模拟乘法器可实现调制与混频 即实现频谱的搬移 调制是向频率高端迁移 混频是向频率低端迁移 2 集成模拟乘法器的基本原理 设 则输出 式中 因子 1 是为方便引入的 它相当于直流成分存在 可见 此时可以实现普通的调幅 即输出的调幅信号不仅含有边带信号 且含有高频载波信号 2 集成模拟乘法器的基本原理 则输出 设 若进一步滤除2 成分 则输出为 可见 同步检波 鉴频 鉴相都是输入同频正弦波 只是相位上有所区别 便能实现相应的特定功能 MC1496模拟乘法器 其内部电路如图所示 电路中采用了以反极性方式连接的两组差分对 Q1 Q4 且这两组差分对的恒流源管 Q5 Q6 又组成了一个差分对 因而亦称为双差分对模拟乘法器 其典型用法是 脚间接一路输入 称为上输入ux 脚间接另一路输入 称为下输入uy 脚分别经由集电极电阻Rc接到正电源12V上 并从 脚间取输出uo 脚间接负反馈电阻Rt 脚到地之间接电阻RB 它决定了恒流源电流I7 I8的数值 典型值为6 8k 脚接负电源 8V 脚悬空不用 由于两路输入ux uy的极性皆可取正或负 因而称之为四象限模拟乘法器 MC1496内部电路 MC1496封装图 三 实验应会知识 实验用MC1496构成的振幅调制电路 Mc1496调制器 调制平衡调节网络 调制信号输入端口 增益调整电阻 偏置调整电阻 调制信号输出端口 载波信号输入端口 载波平衡调节网络 实验现场操作规程 a 注意安全操作规程 确保人身安全 注意人身安全和仪器设备的安全 为了防止器件损坏 在切断实验电路板上的电源后才能改接电路 调换仪器时应切断实验台的电源 逐步养成用右手进行单手操作的习惯 b 爱护仪器设备 仪器在使用过程中 不必经常开关电源 切忌无目的的拨弄仪器面板上的开关和按钮 仪器设备出现问题 请向老师寻求帮助 请勿随便调换配件 注意仪表允许安全电压 或电流 切勿超过 当被测量的大小无法估计时 应从仪表的最大量程开始测试 然后逐渐减小量程 三 实验应会技能 1 实验用模拟乘法器MC1496的直流调制特性测量 为使模拟乘法器的工作正常 需对其内部的两对差分放大器进行平衡 即输入失调电压 调整 使输入Vi 0时 Vo 0 测试电路框图如图所示 实验准备 选定实验电路模块 连接 12V 8V与地 载波Vc 200KHZ 80 100mV 调制信号U 2KHZ 200 300mV 载波输入失调电压 平衡调节 调节 用调制信号源输出V 2KHZ 300mV的调制信号加到IN2端 IN1端开路 并用示波器CH2监测输出端 OUT 的输出波形 调节电位器Rp2使此时输出端 OUT 的输出信号 称为调制输入端馈通误差 为0或最小 然后断开调制信号源 并保持Rp2始终不再变动 调制输入失调电压 平衡调节 调节 把载波信号源输出的Vc 200KHZ 80 100mV的调制信号加到IN1端 IN2端开路 并用示波器CH2监测输出端 OUT 的输出波形 调节电位器Rp1使此时输出端 OUT 的输出信号 称为载波输入端馈通误差 为0或最小 MC1496模拟乘法器的直流调制特性测量 1 保持载波IN1端输入信号不变 用万用表测A B端电压 用示波器观察调制器输出 OUT 端点的信号 2 按表所列数据 即以0 1V为步长 调整Rw1电位器 改变模拟乘法器1脚与4脚之间的直流电压 VAB 用示波器观察调制器输出 OUT 端点的信号 并将测量数据记录于表中 三 实验应会技能 2 AM调制信号的产生与时域和频域波形测试 测试电路框图如图所示 实验准备 载波信号200KHZ 80 100mV 加至载波输入端IN1调制信号U 2KHZ 200 300mV加至调制器输入端IN2 以调制信号作双踪示波器的 CH1 同步 用示波器 CH2 观察 AM OUT 点输出信号的时域和频域波形 记录测试结果 如图要求所示 依据实验所得数据 计算出此条件下的AM信号的调制度m 说明什么是AM调制 调RP1使VAB 300mV 三 实验应会技能 AM调制信号的调制度控制与波形测试 测试电路框图如图所示 实验准备 保持以上设置于实验条件不变 载波信号200KHZ 80 100mV 加至载波输入端IN1调制信号U 2KHZ 300mV加至调制器输入端IN2 保持载波信号幅度不变 适当增加或减小调制信号的幅度 用示波器观察 波的调制系数m变化 说明m与调制信号幅度的关系 保持调制信号的幅度为定值 如200mV 适当调整平衡电位器Rp1 增大或减小电阻 用示波器观察调幅波的调制系数m变化 比较两种控制方式的灵敏度 若使AM波的调制m 80 应如何操作 请实验证明 并记录满足此要求时的调制信号U 的幅值与直流电压VAB的伏值 适当调整U 的幅度或Rp1阻值 使m 100 再适当调节示波器的 伏 格 与 秒 格 旋钮 观察并记录全载波振幅调制信号过调制时 过零点出的波形特点 三 实验应会技能 4 DSB调制信号的产生与时域和频域波形测试 测试电路框图如图所示 实验准备 选定实验电路模块 连接 12V与地 调节Rp1使VAB 0V 载波信号200KHZ 80 100mV 加至载波输入端 IN1 调制信号U 2KHZ 300mV加至调制器输入端 IN2 以调制信号作双踪示波器的 CH1 同步 用示波器 CH2 观察 AM OUT 点输出信号的时域和频域波形 记录测试结果 如图要求所示 说明什么是 调制 观察并记录此时DSB调制信号过零点出的波形特点 解调是调制的逆过程 是从高频已调波中恢复出原低频调制信号的过程 从频谱上看 解调也是一种信号频谱的线性搬移过程 是将高频端的信号频谱搬移到低频端 解调过程是和调制过程相对应的 不同的调制方式对应于不同的解调方式 三 实验应知知识 振幅调制过程 解调过程 AM调制 全载波 DSB调制 SSB调制 包络检波 同步检波 峰值包络检波 平均包络检波 乘积型同步检波 叠加型同步检波 七 振幅调制信号的解调 三 实验应知知识 7 1调幅波解调的方法 包络检波法 二极管包络检波器是包络检波器中最简单 最常用的一种电路 它适合于解调信号电平较大 俗称大信号 通常要求峰 峰值为0 5V以上 的AM波 它具有电路简单 检波线性好 易于实现等优点 三 实验应知知识 7 2调幅波解调的方法 同步检波法 同步检波 又称相干检波 它利用与已调幅波的载波同步 同频 同相 的一个恢复载波 又称基准信号 与已调幅波相乘 再用低通滤波器滤除高频分量 从而解调得调制信号 乘积型同步检波的电路模型 解调载波 叠加型同步检波的电路模型 高频已调波 解调波输出 高频已调波 解调载波 解调波输出 二极管包络检波器的实验电路如图所示 开关K4置OFF位置 二极管包络检波器 AM波的解调m 30 的AM波的解调 观察加大滤波电容对检波性能的影响把开关K4置ON位置 便可观察到加大滤波电容的影响 输出减小 且有失真 然后把K4重置OFF位置 顺便指出 R15 4 7kO C9 0