高频电子线路振幅调制与解调.ppt

1 高频电子线路 网络中心28116952 HighFrequencyCircuit 目录 第1章绪论第3章选频网络第4章高频小信号放大器第5章非线性电路 时变参量电路和变频器第6章高频功率放大器第7章正弦波振荡器第9章振幅调制与解调第10章角度调制与解调第12章反馈控制电路第13章频率合成电路 3 第9章振幅调制与解调 一 概述二 调幅波的性质三 DSB与SSB信号的产生四 正交调幅与残留边带调幅五 低电平调幅电路六 高电平调幅电路七 包络检波八 同步检波 高频电子线路HighFrequencyCircuit 思考题与习题 高频功放 调幅发射机组成框图 高频部分 低频部分 9 1概述 超外差接收机组成框图 AGC 9 1概述 9 1概述 调制的必要性 便于制作天线 便于有选择性地接收 便于实现信道复用 调制的定义 使载波的某个特征参量随调制信号的变化而变化的过程 调制中的基本概念 调制信号 原始低频信号 又称为基带信号 载波信号 运载调制信号的高频振荡信号 已调波信号 调制过程的结果 解调 调制的逆过程 又称为检波 9 1概述 调制方式 连续波调制 脉冲波调制 线性调制 非线性调制 数字调制 AM DSB SSB VSB FM PM ASK FSK PSK 脉冲模拟调制 脉冲数字调制 PAM PWM PPM PCM DM DPCM等 连续波调制 continouswavemodulation 脉冲波调制 pulsewavemodulation 9 1概述 频分复用说明 复用 将若干彼此独立的信号合并为一个可在同一信道上传输的复合信号的技术 复用类型 频分复用 时分复用 码分复用 幅度调制 AM 的定义 载波的振幅随调制信号的变化规律而变化 而载波的角频率和初相位均为常数 9 2调幅波的性质 数学表示式与频谱 1 AM波的数学表示式 设调制信号为 载波信号为 则已调波信号振幅为 AmplitudeModulation 1 AM波的数学表示式 调幅后的表示式为 从定义与产生角度 从画波形角度 从调幅波频谱角度 称为调幅指数 在标准幅度调制中 为保证不出现过调制 要求ma 1 调幅指数 amplitudemodulationfactor 思考题 9 2调幅波的性质 数学表示式与频谱 2 AM波的波形与频谱 上边频 下边频 Uppersideband Lowersideband 2 AM波的波形与频谱 maV0 V0 Vmax 1 ma V0 Vmin 1 ma V0 V0 V0ma cos t V0 1 macos t cos 0t 上边频 下边频 Uppersideband Lowersideband 峰值调幅度 谷值调幅度 调幅波的特点 调幅波的振幅 包络 变化规律与调制信号波形一致调幅度ma反映了调幅的强弱度 2 AM波的波形与频谱 ma 1时产生过调幅 3 非正弦调幅波的波形与频谱 通常的调制信号含有许多频率 结论 调幅波的频谱是由载波分量 上边带和下边带组成 且每个边带都含有调制信号的信息 3 非正弦调幅波的波形与频谱 结论 调幅过程是一种频谱的线性搬移过程 BWAM 2Fmax BW 2 5 思考题 4 AM波产生的数学模型 AM产生的数学模型 AM最突出的优点是能采用包络解调 因此AM的接收机非常简单 在公共电台广播中常常采用AM调制 可见要完成AM调制 其核心部分是实现调制信号与载波相乘 调幅波中的功率关系 载波占有功率为 边带所占有的功率为 调幅波所具有的总功率为 结论 发送的载波不含信息 因而功率利用率低 两个边带含有相同信息 因而浪费频带 接收设备简单且成本低 9 2调幅波的性质 思考题 1 标准调幅波的最大值 最小值分别为多少 标准调幅波的最大值为 最小值为 思考题 2 已知某普通调幅波电压为 BW 2Fmax 2 103 2000Hz 试画出该调幅波的频谱图 并求该调幅波占据的频带宽度 例题 设载波功率P0T为100W 问调幅度为1及0 5时 总边频功率 总平均功率各为多少 解 Ma 1时 Ma 0 5时 双边带 DSB 调幅波 vDSB t V cos t V0cos 0t v V cos t v0 V0cos 0t 上边频 下边频 DoubleSide Band 9 2调幅波的性质 与AM的不同 1 包络不同 为 cos t 2 高频载波相位在调制电压过零处要突变1800 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信号只有两个频率分量 不含载波分量 频带宽度仍为调制信号带宽的两倍 BWDSB 2Fmax 4 由于DSB波的频谱成份中抑制了载波分量 全部功率为边带占有 功率利用率高于AM波 功率利用率高于AM制 双边带 DSB 调幅波 DoubleSide Band 9 2调幅波的性质 DSB波产生的数学模型 vDSB t v cos 0t 双边带 DSB 调幅波 DoubleSide Band 9 2调幅波的性质 单边带 SSB 调幅波 结论 收发设备都比较复杂 只发送一个边带 因而节省50 带宽 BWSSB Fmax 上边频 SingleSide Band 9 2调幅波的性质 v V cos 1t V cos 2t 上边频 单边带 SSB 调幅波 SingleSide Band 9 2调幅波的性质 对于任一调制信号m t m t 的希尔伯特变换 单边带 SSB 调幅波 SingleSide Band 9 2调幅波的性质 已知调制信号频率范围为300Hz 4kHz 分别采用普通调幅 平均调幅指数ma 0 3 双边带调幅和单边带调幅三种方式 如要求边带功率为10W 分别求出每种调幅方式的频带宽度 发射总平均功率Pav及功率利用率 例题 解 普通调幅 双边带调幅 单边带调幅 电压表达式 普通调幅波 抑制载波的双边带调幅波 单边带调幅波 波形图 频谱图 信号带宽 三种振幅调制系统的比较 解调电路简单 造价低 功率利用率高 功率利用率很高 占据频带窄 功率利用率很低 解调时需恢复载频 技术上比较复杂 优点 缺点 适用场合 电台广播系统 小型通信系统 电视广播系统 振幅调制与混频器的比较 本振信号 载波信号 调幅 混频 输入 输出均为已调幅波 存在更多的干扰 输入为低频调制信号 输出为已调幅波 均需要通过非线性器件和BPF来实现 均为频谱的线性搬移 注 调幅为频谱的上搬移 而检波是频谱的下搬移 正交幅度调制与解调是一种特殊的复用技术 一般是指利用两个频率相同但相位相差900的正弦波作为载波 以调幅的方法同时传送两路互相独立的信号的一种调制方式 这种调制方式的已调信号所占频带仅为两路信号中的较宽者而不是二者之和 可以节省传输带宽 补充 正交幅度调制 QAM 与解调 x t QAM QuadrativeAmplitudeModulation 实现 v AM SSB DSB 高电平调制 功放 调制 发送 AM AMDSBSSB 频谱的线性搬移 分类 调幅方法概述 目标 效率高 线性范围大 失真度小 低电平调制 调制 放大 发送 AM DSB SSB v0 v0 v0 9 3平方律调幅 SquareLawAM 低电平调幅 调制过程是在低电平级进行的 因而需要的调制功率小 高电平调幅 调制过程在高电平级进行 通常是在丙类放大器中进行 调幅方法概述 9 3平方律调幅 SquareLawAM 9 3平方律调幅 SquareLawAM 1 工作原理 设非线性器件的输入输出特性为 输入电压为 可通过电子器件特性曲线的平方律部分进行调幅 0 2 与 0 很接近 不易滤除而产生失真 结论 9 3平方律调幅 SquareLawAM 2 平衡调幅器 结论 平衡调幅器输出的是DSB SC信号 若电路元器件参数不对称 则产生载漏 Carrierleak 若滤除一个边带 则获得SSB信号 9 4斩波调幅 On offAM 1 工作原理 斩波调幅的含义 调制信号v t 通过一个受载频 0控制的开关电路后 被斩成周期为2 0的脉冲 该脉冲含有 0 及各种谐波分量等 在再通过中心频率为 0的BPF 即可得到调幅波输出vo t 9 4斩波调幅 On offAM 1 工作原理 如果v t V cos t 则v t 中包含 0 3 0 等频率分量 通过BPF后 得到DSB SC输出 9 4斩波调幅 1 工作原理 实用中 常用的是对称的开关电路 开关s t 转换的频率为 0 9 4斩波调幅 On offAM 1 工作原理 BPF 0 v t v t vo t s t 如果v t V cos t 则v t 中只包含 0 3 0 等组合频率分量 而不包含 分量 而且高频分量的振幅也提高了一倍 通过BPF后 同样得到DSB SC输出 9 4斩波调幅 On offAM 2 实际电路 9 5模拟乘法器调幅 v v0 vDSB XFC1596 或者MC1596 抑制载漏的调整 当可调 9 6单边带信号的产生 1 滤波器法 平衡调幅器 带通滤波器 缺点 带通滤波器制作困难 一般 0 max 所以上下边带之间的距离很近 就对带通滤波器提出了严格的要求 如果降低 0 则上下边带之间的相对距离就变宽了 这时对滤波器的要求就降低了 但要求带通滤波器的通频带就比较宽 当 0太低时 则通频带宽度不易满足 所以说载频 0既不能太高 也不能太低 一般选为100kHz 用2Fmax f0表示相对距离 优点 原理简单 滤波法产生SSB信号电路与混频器的比较 本振信号 带通滤波器 载波信号 带通滤波器 SSB信号的产生 混频 滤波器容易制作 滤波器难以制作 二者实现的框图形式一样 上下边带 上下边带 0 1 3kHz 97 99 9kHz 100 1 103kHz 100kHz 2MHz 1897 1899 9kHz 2100 1 2103kHz 26MHz 23897 23899 9kHz 28100 1 28103kHz 第一次调制滤波 第三次调制滤波 第二次调制滤波 原始调制信号 26MHz 25997 25999 9kHz 26000 1 26003kHz 一次性调制滤波 解决方法 经过多次平衡调幅与滤波 使载波频率逐步提高到所需的数值 每经过一次平衡调幅 两个边带之间的相对距离都要加宽一次 滤波器难以制作 滤波器容易制作 9 6单边带信号的产生 f1 100kHz 一般取f2 10 30 f1 要求调制信号中无太低频率 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 调制信号 2 相移法 优点回避了复杂的带通滤波器设计 也不需多次调制 缺点难以在宽带内准确移相900 调制信号 3 相移滤波法 移相滤波法只需对某一固定的单频率信号移相900 从而回避了难以在宽带内准确移相900的缺点 移相滤波法是将移相和滤波两种方法相结合 9 7残留边带 VSB 调幅波 结论 BWVSB比BWSSB略宽 VSB滤波器易于实现 VestigalSide Band VSB的含义 让一个边带几乎完全通过 而另一个边带少量通过 或叫残留 的调制方式 VSB调幅波的应用 适于宽带调制 如彩电中的图像调制 VCC0 vAM 9 8高电平调幅 集电极调幅 基本原理 用调制信号控制丙类谐振功放 过压状态 的集电极偏压 从而实现调幅 HighlevelAMcircuit 9 8高电平调幅 集电极调幅 过压 欠压 临界 vbe V0cos 0t vAM 9 8高电平调幅 基极调幅 基本原理 用调制信号控制丙类谐振功放 欠压状态 的基极偏压 从而实现调幅 9 8高电平调幅 基极调幅 欠压 过压 临界 高电平调幅电路的优点是调幅 功放合一 整机效率高 可直接产生很大功率输出的调幅信号 但也有一些缺点和局限性 一是只能产生普通调幅信号 二是调制线性度差 例如集电极调制特性中Vcm与VCC并非完全成线性关系 9 8高电平调幅 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 振幅调制过程 解调过程 AM调制 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 9 9包络检波 9 9包络检波 1 工作原理 1 电路组成 它是由输入回路 二极管D和RC低通滤波器组成 2 原理分析 利用了二极管单向导电性和电容快充慢放原理 作用在二极管D两端上的电压为vD vi vC 所以二极管的导通与否取决于vD 当vD vi vC 0 二极管导通 当vD vi vC 0 二极管截止 9 9包络检波 1 工作原理 电压vC虽然有些起伏不平 锯齿状 但因正向导电时间很短 RdC 放电时间常数很大 RC 放电时vC基本不变 所以输出电压vC的起伏是很小的 可看成与高频调幅波包络基本一致 所以又叫包络检波 peakenvelopdetection 1 电压传输系数 检波效率 2 包络检波器的质量指标 9 9包络检波 输入为AM波时 输入为高频等幅波时 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 R为检波器负载电阻 Rd为检波器内阻 输入为高频等幅波时 1 电压传输系数 检波效率 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 即有 而 2 等效输入电阻 峰值包络检波器常作为超外差接收机中放末级的负载 故其输入阻抗对前级的有载Q值有直接影响 其中 Vim是输入高频电压振幅 Iim是输入高频电流振幅 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 惰性失真 对角线切割失真 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t1时刻 在t1时刻 二极管停止导电 电容两端电压vC近似为输入电压包络值 即 3 失真 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 而从t1时刻开始 电容C通过R的放电速率为 所以在t1时刻包络变化率为 惰性失真 对角线切割失真 从t1时刻开始 电容C通过R放电的规律为 又包络表达式为 为避免失真 惰性失真 对角线切割失真 从t1时刻开始 电容C通过R的放电速率为 在t1时刻包络变化率为 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 惰性失真 对角线切割失真 在工程上的取值为 maxRC 1 5 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 考虑了耦合电容Cc和负载RL后的检波电路 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 负峰切割失真 底边切割失真 交流负载 直流负载 在工程上 减小检波器交 直流负载的差别 正常时R R 有两种常用的措施 一是在检波器与低放之间插入高输入阻抗的射随器 二是将R分成R1和R2 即R R1 R2 此时直流负载为R R R1 R2 RL 要避免二极管截止发生 包络幅度瞬时值必须满足 负峰切割失真 底边切割失真 为避免分压过大 使输出到后级的信号减小太多 取R1 0 1 0 2 R2 D 采用分段直流负载后 R与R 差距减小了 交流负载 直流负载 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 另外 如果负载电阻R选得足够大 则产生的VR越大 即加在检波二极管上的反偏压就越大 那么这个大的反偏压就使得二极管电流的变化范围减小 因而检波管非线性失真也就越小 iD 频率失真 起因 由隔直电容CC和滤波电容C引起 CC的存在主要影响检波的下限频率 min 因为 越小 则CC对检波出的信号压降就越大 相应地加到负载RL上的压降就减小了 因此要求 电容C的存在主要影响检波的上限频率 max 因为 越高 则C的分流就越大 相应地流入负载电阻R中的有用电流就要减小 因此要求 同步检波器主要用于双边带 DSB 或单边带 SSB 信号进行解调 它的特点是必须外加一个与原调制载波同频同相的电压 同步检波的名称即由此而来 同步检波器方框图 9 10同步检波 载波信号相位对检波结果的影响 1 乘积检波器 引入一个振幅的衰减因子cos 如果 随时间变化 也会引起振幅失真 经LPF后 设为上边带 2 叠加型同步检波器 由于包络检波器对相位不敏感 只讨论包络的变化 设为上边带 2 叠加型同步检波器 约等于0 利用到公式 一 调幅和检波过程 在时域上都表现为两信号的相乘 在频域上则是频谱的线性搬移 因此其原理电路模型相同 都由非线性元器件 实现频率变换 和滤波器 滤除不需要的频率分量 滤出需要的频率分量 组成 不同之处是输入信号 滤波器特性在实现调幅和检波时各有不同的形式 以完成特点要求的频谱搬移 本章小结 本章小结 二 用调制信号去控制高频载波的幅度 使其幅度的变化量随调制信号成正比的变化 这一过程称为幅度调制 经幅度调制后的高频信号称为调幅波 根据频谱结构的不同 可分为普通调幅 AM 波 抑制载波的双边带调幅 DSB 波 单边带调幅 SSB 波和残留边带调幅 VSB 波 为了提高频带的利用率 还可采用正交调幅 QAM 技术 AM DSB SSB的数学表达式 波形图 功率分配 频带宽度等各有区别 其检波也可采用不同的电路模型 本章小结 三 AM波产生电路可采用低电平调制电路 也可采用高电平调制电路 DSB波的产生电路一般可采用二极管平衡 环形调制电路 二极管桥式调制电路和利用模拟乘法器产生 本章小结 四 解调是调制的逆过程 调幅波的解调简称检波 其作用是从调幅波中不失真地检出调制信号来 从频谱上看 就是将调幅波的边带信号不失真地搬到低频 AM波中已含有载波信息 对于大信号检波可采用二极管包络检波器 对于小信号宜采用同步检波 在包络检波器中要合理选择元件值 避免失真 而对于DSB和SSB波只能采用同步检波器才能解调 同步检波的关键是如何产生一个与发射载波同频 同相的参考信号 在集成电路中多采用模拟乘法器构成同步检波器 思考题与习题 1 在调幅波的各分量中 只有两个边带分量携带信息 2 对于抑制载波的单边SSB调制 在没有调制信号时 就没有发射信号 3 残留边带调幅的英文缩写是 A SSBB DSBC VSBD MSK 4 我国电视信号制式及传输方式是 A PAL I制 双边带方式传输B PAL D制 残留边带方式传输C PAL K制 残留边带方式传输D PAL D制 单边带方式传输 思考题与习题 6 双边带调幅调制指数为1时 边带功率为载波功率的 倍 A 1 4B 1 2C 1D 2 5 当模拟调幅信号产生过调制时 下列说法正确的是 A 调制指数ma 100 B 调制指数ma 100 C 过调制增加了载波振幅D 接收过调制信号时产生大的失真 8 检波的方法可以分为和两大类 包络检波适用于对信号的解调 而同步检波可以对 和信号进行解调 7 采用集电极调幅时 功放应选择在状态 基极调幅时 它应选择在状态 思考题与习题 9 双边带调幅广播 可以使用包络检波器解调 也可以通过恢复本地载波使用相干 或乘法器 解调 10 在无线电通信中为什么要进行调制 如何进行调制 调制的方式有哪些 11 在抑制载波的双边带信号的基础上 产生单边带信号的方法有 和 13 大信号检波器的失真可分为 和 12 采用正交调幅的目的是 思考题与习题 15 二极管串联型峰值包络检波电路中 RLC值越 滤波效果越 但RLC值太 会出现 失真 14 大信号包络检波器主要用于 信号的解调 16 同步检波器主要用于 和 信号的解调 19 比较振幅调制与混频器的异同点 20 比较滤波法产生SSB信号电路与混频器的异同点 17 调幅与检波在时域上都可以表示为两信号相乘 在频域上表现为频谱的 18 画出同步检波调幅波的框图 并说明实现同步检波的关键点 21 图所示为四个二极管调制器电路 图中v v 且不考虑输出电压的反作用 试说明哪个