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线性频谱搬移电路 第5章 振幅调制 解调和混频电路均属频谱线性搬移电路振幅调制 用代表消息的低频信号去改变高频载波的振幅解调 从高频已调信号中还原调制信号混频 将已调信号的载频变成另一个载频 提示 本章主要内容 5 1频谱搬移及调幅基本原理 5 2幅度调制电路 5 3调幅波的解调 5 4混频电路本章小结 5 1频谱搬移及调幅基本原理 频谱搬移 将代表消息的低频基带信号的频谱搬移到高频信道的工作频带内 以低频基带信号 称调制信号 去改变高频载波的振幅 或频率或相位 使其受调而间接寄载基带信息 便信道传输 一 概述 调制的基本类型 表5 1线性频谱搬移电路分类 1 普通调幅 AM 1 表达式 载波信号 调制信号 普通调幅波幅值 普通调幅波信号 二 调幅的基本类型和特点 2 单音AM调幅 通常F fc 称调幅系数或调幅度 表达式 设 则 a 时域波形 b 频谱图 图5 1单音AM调幅信号波形和频谱图 ma 1时 产生过调幅失真 单音AM调幅波的频谱 已调信号频谱由上 下边频分量 载频分量组成带宽 BW 2F 例5 1已知调制信号 V AM波的振幅峰值 1 9V 振幅谷值 0 6V 比例常数 0 9 1 V 求已调波载频分量的振幅 原调制信号的振幅以及调幅系数 解 由教材式 5 1 3a 和 5 1 3b 得 1 9V 0 6V联立两式并解方程可得 又 将 代入 可解得 再将 1 9V 0 6V代入 5 1 3c 式可得 最后由解得 3 多音信号的AM调幅 代表消息的调制信号往往并非单频信号 而是由许多频率成分组成 譬如 电话 话音 信号的频率变化范围为300 3400Hz 广播信号的频率变化范围为10KHz左右 而普通电视信号的频带宽达6 5MHz 2 抑制载波的双边带调幅 DSB ka由调制电路和载波幅值决定 1 表达式 单频调制时 含上下边频分量 但无载频分量 相乘 实现 2 单音DSB的波形和频谱 3 单边带调幅波 SSB波 1 表达式 2 波形及频谱 4 残留边带调幅 VSB 与AM和DSB相比 SSB无疑最能节约能量和频带 但是 SSB的调制和解调设备都比较复杂 且不适于传送含有直流成分的基带信号 欲解决单 双边带调幅的不足 可选择折衷的调幅方式 VSB调幅 VSB调幅 是传送双边带信号中的一个边带和另一边带的残留部分VSB调幅的典型应用是电视图象信号的残留边带调幅 5 调幅波的功率 故载波分量功率 边频分量功率 AM波在调制信号一周期内的平均功率 例5 2已知两个信号电压的频谱如图5 8所示 要求 1 写出两个信号电压的数学表达式 并指出已调波的性质 2 计算在单位电阻 1 上消耗的边带功率和总功率 以及已调波的带宽 解 1 图 a 为普通双边带调幅波 且 调幅系数 信号时域表达式 图 b 为DSB调幅波 解 2 先求图 a 所示AM信号功率 其中载波功率 又 边带功率 AM调幅波总功率 再求图 b 所示DSB信号功率 上下边频分量相同情况下 DSB信号发射功率比AM信号要小得多因它们均为双边带调幅信号 因此它们的带宽相等 三 调幅电路的组成模型 1 相乘器 调幅关键电路之一 实现两信号相乘 AM 增益系数 乘积系数 1 V 图5 9模拟乘法器电路符号 调幅电路可实现信号频谱的线性搬移 按卷积定理 如果两信号在时域作相乘运算的话 频域则进行两信号频谱的卷积运算 即频域就能实现信号频谱的线性搬移 前面从时间和频率两个领域对AM和DSB等调幅信号的分析也充分说明了这些 可见 乘法器乃线性频谱搬移电路的关键部件 2 AM调幅电路组成模型 带通作用 3 DSB调幅电路组成模型 带通作用 4 SSB调幅电路大致模型 滤波法 过渡带宽 f 2Fmin当滤波器边带相对 f fc较小时 直接滤波很困难 小结 调幅电路由具有频率变换作用的乘法器以及滤波器等部件组成乘法器电路既可以是二极管 三极管等分立元件组成的工作频带较窄的非线性时变参量电路 也可以是模拟IC芯片加外围元件构成的性能更加优越乘法器电路 滤波器的任务是取出有用的双边带或单边带分量 滤除无用的边带分量以及非线性电路可能产生的其它无用频率分量 5 2幅度调制电路 1 非线性器件的相乘作用 式5 11 一 相乘器电路 当两个不同频幅的交流信号电压作用于非线性元件时 流过该元件的电流中含有 直流 基波和二次谐波以及两输入信号间的和频 差频 即上 下边频 等组合频率分量 说明 非线性器件具备相乘器功能 由这种器件构成的非线性电路与选频电路 如滤波器或LC谐振回路 相结合 就可以组成实现线性频谱搬移的调幅电路以及振幅检波电路等 2 集成模拟乘法器 集成模拟乘法器也是一种性能理想的电路 随着半导体集成工艺的发展和技术性能的提高 模拟乘法器芯片如MC1496 1596 BG314加外围元件所构成的完整线性频谱搬移电路已经得到了广泛的应用模拟乘法器芯片是在加有恒流源电路的差分对管放大电路基础之上发展起来的 5 13 式 1 单差分对放大器的乘积功能 当所有管子的电流放大系数 1时 流过RE的电流为 由图5 15 b 可见 而汇入恒流源的电流为 工作在正向导通区的两管发射极电流可如下表示 用双曲正切函数表示 同理 如图5 15 b 若恒流源电路是受uy控制的受控恒流源 则有 其中 单差分对管电路的局部交流通路如图5 16示 其双端输出电压 则当 2 双差分对放大器的乘积功能 电路及输出电压表达式 注 UT 26mV 常温下的电压当量值 设小信号工作状态 输出电压的解析 说明实现了ux与uy理想相乘 注 UT 26mV 只有满足 才能使输出电压 这类模拟乘法器的线性动态范围受限 为此 BG314等模拟乘法器芯片内部加入了如图5 18示意的反双曲正切函数电路 修正电路 这样 输出电压表达式可修正为下式 3 MC1496 1596集成模拟相乘器 外围引脚排列图 集电极外接负载电阻 先在发射机的末前级产生高频调幅信号 再经过线性高频功率放大器放大后达到所需要的发射功率 图5 19低电平调幅系统框图 二 低电平调幅电路 1 二极管低电平调幅电路 工作条件 uc信号足够大 器件工作于开关状态u 信号应足够小 二极管开关工作状态分析 uc Ucmcos ctu U mcos tUcm U m uc控制V开关工作 1 二极管的开关工作状态 2 二极管平衡调制器 大信号uc控制两V的通断 u01 u02 u0 u01 u02 开关函数 开关函数 开关函数反映uc控制二极管的通断情况频率与载频相等 其傅里叶级数展开式 双向开关函数 3 二极管环形调制器 各元 器件作用 电路的等效 等效目的 等效电路 见下页 等效电路 u 0 u 0 u0 平衡调制器 输出 平衡调制器 输出 总输出 含有哪些频率分量 4 二极管桥式平衡调制器 2 模拟乘法器构成的低电平调幅电路 1 双边带AM调幅电路 2 双边带DSB调幅电路 3 双差分模拟相乘器调幅电路 解 由于是AM调幅 故应在上迭加在一直流电压作为Y端输入 即 显然 为使调制指数ma 1 UQ应不小于u t 的最大振幅 令 则 1 当ux t 是小幅度载波信号时 输出信号为 其中 第1项是载频分量 第二项乃DSB信号 即上边带加下边带分量 因此 其对应的频谱如例图所示 例5 3已知调制信号的频率取值域为 300 4000 Hz 载频为560kHz 现采用MC1496进行普通双边带调幅 载波和调制信号分别从X Y通道输入 若X通道输入是小幅度载波信号 则输出 若X通道输入的是振幅很大的载波信号 即 则由 5 41 式得输出 试分析这两种情况下输出信号的频谱 2 当ux t 的振幅 260mV时 它将使乘法器工作在受载波控制的开关状态下 这时 输出信号电压由下式表述 3 单边带调幅电路 滤波法 移相法 b 相移法实现 多次滤波法 用途 产生普通调幅 AM 波主要要求 兼顾输出功率大 效率高 调制线性度好主要电路 利用丙类谐振功放实现 三 高电平调幅电路 1 基极调幅电路 VBB t u t VBB 基极调幅压流波形 在欠压区 VcmIc1Ic0等随Eb作近似线性变化 电路工作状态 输出电压振幅Vcm随Vcc t 变化 该电路在放大输入的高频正弦载波的同时 实现了AM调幅 2 集电极调幅电路 5 3调幅波的解调 检波器分类及性能指标 输出电压直接反映高频调幅信号的包络变化规律适用于AM信号的检波 适用三种调幅信号的检波 但常用于DSB SSB的解调 检波原理见后面 分类 乘积型同步检波电路叠加型同步检波电路 检波效率 又称电压传输系数 kd要高 检波效率是指检波器输出的低频电压振幅与输入的高频已调信号ui 含有调制分量 包络振幅之比 即 通常 检波电路的输入电阻Ri要大 这样对前级电路的影响就越小 检波失真要小 输出波形的失真程度和失真的产生原因 将随输入信号的大小和检波器工作状态的不同而有所不同 应当尽量避免或减少检波失真 检波器技术指标及要求 一 二极管包络检波电路 1 电路及工作原理 a 原理电路 b 分析电路图5 35二极管峰值包络检波器 稳定在UO上 RC增大则UO增大 1 ui为高频正弦波时 当满足Uim 0 5V RC 1 wc R rD时 可认为Uom Usm 要求 Uim 0 5V RC 1 wc R rD 2 ui为AM调幅波时 2 电路详细分析 3 检波效率与输入电阻 1 检波效率 d d 1 一般80 2 输入电阻Ri 则 输入检波电路的高频功率 检波负载获得功率 4 惰性与负峰切割失真 1 惰性失真 原因 RC过大 放电过慢 使C上电压无法跟随输入调幅波幅度下降 ma或 越大 越容易产生惰性失真 接下页 减小措施 使RC满足以下条件 其交 直流负载电阻 2 负峰切割失真 产生负峰切割失真原因 检波器的交 直流负载电阻相差太大 现象 接下页 减小负峰切割失真措施 多频调制时 满足 或负载通过跟随器接入 满足以下条件 或采用改进电路 3 频率失真 电容C对调制信号上限频率 max 以及电容CC对下限频率 min的影响 必须保证 才能避免检波器的频率失真 5 二极管包络检波电路的元件选择 原则 满足非线性失真指标 提供尽可能大的hd Ri 检波二极管的选择 R C的选择 正向导通电阻 结电容要小 导通电压要低通常选用点接触型锗二极管 肖特基二极管 例5 4已知AM调幅波载频fc 465kHz 调制信号频率范围为 0 33 4 kHz ma 0 3 RL 10k 试确定图5 41所示二极管峰值包络检波器有关元器件的参数 解 1 选检波二极管 电路属于峰值包络检波器 现阶段一般选用正向电阻小 反向电阻大 结电容很小而开关速度很快的肖特基开关二极管 2 时间常数应同时满足无惰性失真和频率失真的条件 电容C1和C2应该对载频及其谐波分量近似短路 旁路作用 故应有 经验公式 将已知条件代入避免惰性失真条件可得 为避免底部切割失真 应有 其中 代入已知条件可得 检波器的输入电阻Ri不应太小 而 R不能太小 取 另取 这样 满足上一步对时间常数的要求 因此 3 应满足无底部切割失真条件 4 Cc的取值应使低频信号能有效地耦合到负载电阻RL上 即满足 或 取 二 同步检波电路 需有与发端载波同频同相的同步载波 1 乘积型同步检波 接下页 原理 1 乘积型同步检波电路的结构与解调原理 普通调幅波的解调电路 若低通滤波器通带增益为1 则 DSB或SSB信号的解调 若低通滤波器通带增益为1 则 1 MC1496乘积型同步检波 足够大 小信号 VCC 2 二极管环形相乘器检波 二极管环型相乘器可以实现ur t ui t 将u O t 送至低通滤除高频分量 即可重建调制信号 2 叠加型同步检波 假设输入为DSB信号 1 原理 假设输入为DSB信号 2 举例 设输入DSB信号 则 接下页 设输入SSB信号 当Urm Usm 接下页 则 由此可见 两不同频率信号叠加后的合成电压乃调幅调相波 当两者幅度相差较大时 合成电压近似为AM波 送至包络检波器可重建低频调制信号 合成电压振幅按两输入信号的频差规律变化的现象称差拍现象 叠加型平衡同步检波电路 可减少失真 总结 调幅电路有两类 低电平调幅电路 实现单 双边带调幅 广泛采用二极管环型相乘器和双差分对集成模拟乘法器高电平调幅电路 常用丙类谐振功放产生大功率的AM波检波电路有两类 二极管峰值包络检波电路 AM信号包络能直接反映调制信号变化规律 可用简单的二极管包络检波器解调同步检波电路 SSB和DSB信号中不含载波 须采用同步检波器解调 为获得良好的检波效果 要求本地载波严格与发载波同步 同频同相 同步检波电路较复杂 5 4混频电路 一 混频基本原理 1 混频电路的作用 变频 将已调信号的载频变成另一载频 或 两输入间的和频与差频分量 2 混频电路的组成模型与基本原理 假设 则相乘器输出 设带通通带增益为1 且调谐在中频fI fl fs上 则混频器输出为 设带通通带增益为1 且调谐在中频fI fl fs上 则混频器输出为 1 二极管环形混频器 要求本振信号功率足够大 而输入信号为小信号实际应用时 输入输出端口均接滤波50 匹配网络 二 二极管混频电路 b uL 0时的等效电路 c