模拟集成乘法器在信号处理方面中的应用讲解材料

模拟集成乘法器在信号处理方面中的应用讲解材料模拟集成乘法器在信号处理方面中的应用讲解材料 第4章模拟集成乘法器4 6模拟集成乘法器在信号处理方面中的应用4 6 1信息传输的基本概念4 6 2调幅与检波4 6 3调频 调相与鉴频4 6 4混频 倍频与锁相环路第4章模拟集成乘法器模拟乘法器是典型 的非线性器件 如图4 6 1所示 假设作用于乘法器的两个输入信号电 压分别为 cos cos 21cos cos cos cos t t U Ut t uKut u t Ku t ut U t ut U t uyx yx ym xmy xy xyx oyym yxxm x 则乘法器输出电压为第4章模拟集成乘法器ux t uy t uo t KXYXY图4 6 1模拟乘法器电路图可见 在乘法器的输出信 号中产生了新的频率分量 x y x y 说明乘法器具有频率 变换的作用 由于模拟乘法器性能优良 被广泛地运用于电子 通信设备中 第4章模拟集成乘法器4 6 11 一个完整的信息传输系统应该包括 信号源 发送设备 传输信道 接收设备 终端等五部分 其方框图 如图4 6 2所示 信号源发送设备传输信道接收设备终端图4 6 2信息传输系统方框图 第4章模拟集成乘法器第4章模拟集成乘法器变化 则称为振幅调制 简称调幅 用AM表示 若用低频信号去改变高频信号的频率 C 使其 频率随着低频信号的变化而变化 则称为频率调制 简称调频 用FM表 示 若用低频信号去改变高频信号的相位 C t 使其相位随着低频信号的变化而变化 则称为相位调制 用PM表示 调制后的载波就载有调制信号所包含的信息 称为已调信号 或称为 已调波 第4章模拟集成乘法器为什么要进行调制呢 其一是提高频率以便于 辐射 由于低频信号传不远 遇到障碍物后衰减很大 若要直接发射 所需天 线就必须很长 因此 必须借助于高频电磁波将低频信号辐射出去 其二是为了实现信道复用 避免各种信号之间的干扰 其三是为了改善系统性能 提高系统输出的信噪比 解调是调制的反过程 亦即把低频调制信号从高频已调信号中还原出 来的过程 调幅波的解调过程称为检波 调频波的解调过程称为鉴频 调相波的 解调过程称为鉴相 第4章模拟集成乘法器4 6 2调幅与检波4 6 2 11 如前所述 调幅 就是用调制信号去控制高频载波的振幅 使高频载波的振幅按调制信 号的变化规律而变化 设调制信号为正弦波 正弦和余弦波形统称为 正弦波 如图4 6 3 a 所示 其电压表达式为t U t um cos 4 6 1 载波为一高频等幅波 如图4 6 3 b 所示 表达式为t U t uc cm c cos 4 6 2 第4章模拟集成乘法器u U muctttUcm 1 ma U cm 1 ma U cmuAM a b c OOO图4 6 3 a 调制信号 b 高频载波 c 已 调波第4章模拟集成乘法器通常满足 c 若用调制信号对载波进 行调制 根据振幅调制的定义 在理想情况下 已调信号的振幅应随调 制信号线性变化 已调信号瞬时幅值为cmm acmcmaa cmm am mcm mUU kUUmt m Ut Uk U t uUt u cos1 cos 其中 4 6 3 4 6 4 式中 m a称为调幅系数 表示载波振幅受调制信号控制的程度 K a为由调制电路决定的比例常数 由此可得调幅信号的表达式为第4章模拟集成乘法器其波形如图4 6 3 c 所示 正常情况下 m a 1 图4 6 3 c 所示调幅波的调幅系数m a1 就要引起调幅失真 从图4 6 3 c 可以看出 调幅波的包络信号振幅各峰值点的连线完 全反映了调制信号的变化 调幅波的上下包络相位相差180 调 幅波的频率就是载波的频率 t t m Ut t Ut uc acm cm AM cos cos1 cos 4 6 5 第4章模拟集成乘法器实际上 所要传送的信号不只是简单的正弦波 而是一个复杂的波形 如图4 6 4 a 所示 由于调幅波的包络变化规律与低频信号波形一致 因而 可作出它的调幅波波形 如图4 6 4 b 所示 第4章模拟集成乘法器u uA MOO a b tt图4 6 4 a 调制信号 b 已调波第4章模拟集成乘 法器2 将式 4 6 5 展开 并利用三角函数关系 则得t U mt U m t Ut tmU uc cm ac cm amc acm AM cos 21 cos 21coscos cos1 第4章模拟集成乘法器u 幅 度uc幅度uA M幅度 c c c c a b c OOO 图4 6 5 a 调制信号频谱 b 载波频谱 c 已调波频谱第4章模拟集成乘法器从式 4 6 6 可 以看出 调幅波有三个频率分量 它是由三个高频正弦波叠加而成的 第一项的频率分量是载波的频率分量 它与调制信号无关 第二项的 频率等于载波频率与调制信号频率之和 叫做上边频 第三项的频率 等于载波频率与调制信号频率之差 叫做下边频 调制信号的信息包含在上 下边频分量之内 如果把这些频率分量画在频率轴上 就构成单频余弦调制的调幅波的 频谱 如图4 6 5所示 这两个边频分量 c 及 c 以载波 c为中心对称分布 两个边频幅度相等并与调制信号幅度 成正比 与载频的相对位置决定于调第4章模拟集成乘法器制信号的 频率 这说明上 下边频中包含着调制信号的幅度及频率 已调波的带宽为BW c c 2 4 6 7 复杂信号的 调制频谱如图10 6所示 由图可以看出 调制后产生的上边频和下边频不再是一个 而是许多 个频率分量 但仍然是频率分量的上 下边频幅度相等且成对出现 上 下边频带的频谱分布相对载频是对称的 所占的频带宽度为第4章模拟集成乘法器BW c n c n 2 n 4 6 8 其中 n为调制信号的最高频率 式 4 6 8 表明 多频调幅时 调幅波所占有总的频带宽度为调制信 号最高频率的2倍 c 1OuAM幅度 c Ucm2cm aUMn c 1 c n c n图4 6 6复杂信号调制频谱第4章模拟集成 乘法器4 6 2 21 不同的调幅制式由 4 6 6 式可知 载波分量 是不包含信息的 因此 为了提高设备的功率利用率 可以不传送载波 而只传送两个边带信号 这叫做抑制载波双边带调幅 用DSB Double SideBand 表示 cos 21cos cost Umt t Um uc cm amaDSB 其频谱图如图4 6 7 c 所示 cos 21t Umc cma 第4章模拟集成乘法器图4 6 7不同制式的调幅波频谱Ou 幅 度uD SB幅度uA M幅度 c c c a b c c c uS SB幅度 c d OOO第4章模拟集成乘法器由于两个边频带所含调 制信息完全相同 从信号传输角度看 只要发送一个边带的信号即可 这种方式称为单边带调制 用SSB SingleSideBand 表示 其表达式 为t Um ut Umuma SSBmaSSB cos 21 cos 21 4 6 10 4 6 11 其频谱图如图4 6 7 d 所示 由图可以看出 只要将双边带调幅信号抑制掉一个边频带 就成为单 边带调幅信号 由于SSB调制方式只发送一个边带 因而它不但第4章 模拟集成乘法器功率利用率高 而且它所占用频带近似为 比普通 调幅和双边带调幅减小了一半 提高了波段利用率 如果保留一个边带及载波对另一个边带进行部分抑制 称为残留单边 带调制 用VSB VestigialSideBand 表示 在电视发射技术中 普遍采用了残留单边带调幅制式 2 调幅电路由式 4 6 6 4 6 9 4 6 10 4 6 11 可以看出 调幅的过程实际上就是信号相乘的过程 因此 利用模拟 乘法器就能实现振幅调制 图4 6 8给出了用模拟乘法器MC1496实现一般调幅的第4章模拟集成 乘法器电路 调制信号u t 从芯片的1脚输入 载波u c t 由10脚输入 已调信号由6脚输出 在 1 4之间接两个10k 电阻和一个47k 的电位器 是为了灵活调节 1 4之间的直流电压 由式 4 6 5 可知 只要在调制信号u t 上附加直流电压后 再与 载波信号直接相乘 即可得到一般调幅信号 因此 只要调节RP 使 1 4两端直流电位不相等 这就给u t 上叠加了一个直流电压U 这时 图中的输出电压为第4章模拟集成乘法器UUmt tm KUUt tUUKUUt uUtKUt uUtKu tumac acmcmcmm mc o cos cos1 cos cos1 cos cos 其中 4 6 12 第4章模拟集成乘法器可见 改变直流电压的大小可以改 变一般调幅信号的调幅度 为了增加调节范围 可将图4 6 8中的R 1 R2阻值由10k 改为750 但U值不能小于U m 否则将会产生过调幅现象 第4章模拟集成乘法器MC14968101423614512R651 R451 1k R yR c3 9k Rc3 9k R r2k R92k 6V 12V U CCR1R2RP10k 10k 47k R751 u xu yR511k 12V U EEu OC10 1 FC210 FC30 1 FC60 1 FC40 1 FC50 1 Fu Cu 2oI图4 6 8MC1496型模拟乘法器调幅电路第4章模拟集成乘法器 如果调节RP使 1 4之间的直流电位相等 即1端子上只有调制信号u t 就实现了 u t 与u c t 的直接相乘 可得 cos cos 21cos cos tt U KUt t U KU tutKutucm cmm cmc o 可见 图4 6 8电路也可获得抑制载频的双边带调幅 信号输出 第4章模拟集成乘法器4 6 2 3模拟乘法器检波电路1 包络检波包络 检波是指检波器输出的电压与输入的调幅波的包络成正比的检波方 法 非线性电路低通滤波器uiu a 0ui幅度 c b c c 0u 幅度 图4 6 9 a 包络检波原理图 b 频谱图第4章模拟集成乘法器收音 机中的检波电路和电视接收机中的高频检波电路均采用包络检波 其原理可由图4 6 9 a 来表示 图4 6 9 b 为检波输入 输出频谱 图 图4 6 9 a 中的非线性器件可以是二极管 也可以是三极管或场效应 管 电路种类也较多 下边以二极管峰值包络检波器为例进行讨论 电路 如图4 6 10 a 所示 在图中 u i为输入的普通调幅信号 V为检波二极管 R C构成低通滤波器 要求 C对高频短路 而对低频阻抗趋于无穷大 而C L为检波器输出端的耦合电容 其值较大 对于低频信号而言 电容C L相当于短路 R L为下级电路的输入电阻 第4章模拟集成乘法器由图4 6 10 a 可见 加在二极管的正向电压为 u V u i u o 二极管导通与否 不仅与输入电压u i有关 还取决于输出电压u o 二极管导通时 电容充电 充电时间常数为r VC 二极管截止时 电容放电 放电时间常数为RC 由于二极管导通电阻很小 因而一般有r VCu o时 二极管导通 电容器充电 u o上升 如图 b 中AB CD EF等上升段 当u i 第4章模拟集成乘法器由分析可知 二极管两端电压u V在大部分时间里为负值 只在输入电压的每个高频周期的峰值附近 才导通 因此其输出电压波形与输入信号包络相同 此时 平均电压uO包含直流及低频分量 如图4 6 10 c 所示 经C L隔直后 将u 耦合至R L上 如图4 6 10 d 所示 第4章模拟集成乘法器 uoR RLCLu ui uv a VC第4章模 拟集成乘法器Auou ui000tttu uoui包络BCEF b c d D图4 6 10包 络检波原理及波形第4章模拟集成乘法器2 同步检波由于DSB和SSB信 号的包络与调制信号不同 它们的包络并不真实地反映调制信号变化 规律 因而不能用简单的包络检波 而必须采用同步检波 电路原理框 图如图4 6 11 a 所示 图4 6 11 a 是为利用模拟乘法器构成的同步检波电路原理框图 它有两个输入电压 一个是调幅信号 可以是AM DSB和SSB信号 电 压u i 另一个是本地载波电压u r 或称恢复载波电压 为了能不失真地恢复原调制信号 本地载波和原调制端的载波必须保 持同频同相 所以第4章模拟集成乘法器称为同步检波 设输入信号为抑制载频的双边带调幅信号 即tt Uucim i cos cos 同步信号u r U rm cos r t 要求 r c 因此可得乘法器输出电压u ott U KU t U KUt tU tKUKu uc rm imrm imrrmcimt io 2cos cos21cos21cos cos cos 4 6 13 第4章模拟集成乘法器低通滤波器KXYXYuiuru ou a 0uD SB幅度 c c c uS SB幅度0 c cur幅度0 r c b 0u 幅度 图4 6 11 a 原理图 b 频谱图第4章模拟集成乘法器式中 项是解调所需要的原调制信 号 而cos2 c t项是高频分量 用低通滤波器将其滤除掉 就可得到tUKUrm im cos21tUU urm im cos21 4 6 14 同样 若输入信号为单边带调幅信号 信号 即 u i U im cos c t 则乘法器的输出电压u o为tUKU tU KUt tUKUKu ucrm imrm imrmimt io 2cos 21cos21cos cos 4 6 15 第4章模拟集成 乘法器经低通滤波器滤除高频分量 即可获得低频信号输出 图4 6 11 b 为频谱图 由集成模拟乘法器构成的实际同步检波电路如图4 6 12所示 图中 模拟乘法器的型号为MC1596 普通调幅信号或双边带调幅信号经耦合 电容后从y通道 1 4脚输入 同步信号u r从x通道 8 10脚输入 12脚单端输出后经RC 型低通滤波器取出调制信号u 第4章模拟集成乘法器MC15968101423614512 12V U CCu xu y0 1 F0 1 Fu r51 0 1 F0 1 F1k 1k 1k 0 1 F680 3k 3k 0 005 F1k 0 005 F0 005 F47 Fu R510k 0 1 Fu i820 1 2k 图4 6 12模拟乘法器MC1596组成的同步检波电路第4章模 拟集成乘法器4 6 34 6 3 1概述用调制信号去控制载波的相位 使载 波信号的相位随调制信号的大小变化 则称为相位调制 简称为调相 PhaseModulation 简写为PM 4 6 3 21 调频信号调频信号是高频信号的振幅不变 而高频信号 的瞬时频率随调制信号而变化 且瞬时频率变化的大小与调制信号的 强度成线性关系的已调信号 第4章模拟集成乘法器设低频调制信号u U m cos t 高频载波信号u c t U cmcos c t 则已调波的角频率为m fmm cmf cf cu ktt u k tu k t coscos 4 6 17 k f为由调制电路决定的比例常数 c为未调制时载波的中心频率 m为调频波最大角频偏 瞬时相位 dt tuk t dt t ttfct 00 4 6 18 第4章模拟集成乘法器调频波的波 形如图4 6 13所示 图 a 为高频载波信号波形 图 b 为低频调 制信号u 的波形 图 c 为调频波波形 图 d 为调频波的角频率 波形 的波形 图 c 为调频波波形 图 d 为调频波的角频率波形 当u 为波峰时 调频波的瞬时角频率为最大 等于 c m 调 频波波形最密 当u 为波谷时 调频波的瞬时角频率为最小 等于 c m 调频波波形最疏 调频波的瞬时角频率按调频信号 cos dttuktUt uft cmFM 4 6 19 第4章模拟集成乘法器低频信号变化规律而变化 由图 d 可见 它是在载频的基础上叠加了受低频调制信号控制的 变化部分 2 调相信号调相信号是高频信号的振幅不变 而高频信号的瞬时 相位随调制信号u t 而变化的已调信号 设高频载波为u c t U cmcos c t 调制信号为u t U mcos t 则调相信号的瞬时相位为tUkttuk ttm p c p c cos 4 6 20 其中 k p为由调制电路决定的比例常数 第4章模拟集成乘法器瞬时角频率为 cos cos sin cos sin tmt UtUktUt uUkt Ukdtt dtpc cmm pm PMmp mmpc PM信号最大角频偏为则调相信号的表 达式为其中 mp k pu m第4章模拟集成乘法器调相信号的波形如图4 6 13 e f 所 示 其中 图 e 为调相波波形 图 f 为调相波的角频率波形 由上述分析可知 调频与调相信号都是等幅信号 二者的频率和相位 都随调制信号而变化 但二者的频率和相位随调制信号而变化的规律 不同 由于频率与相位是微积分关系 因而二者是有密切联系的 第4章模拟集成乘法器4 6 3 3能够实现调频的方法很多 归纳起来有 两种 直接调频和间接调频 直接调频是用调制信号直接控制载波的瞬时频率 以产生调频信号 间接调频是先将调制信号进行积分 然后对载波进行调相 结果也可 产生调频信号 在调频电路中 常常利用变容二极管与电感线圈构成的LC谐振回路进 行调频 随着集成电路的发展 涌现出了各种由集成电路构成的调频电路 例 如 利用压控振荡器可以使输出信号的频率随着输入电压的变化而变 化 达到调频的目的 利用555电路 一种集成电路 也可实现调频 第4章模拟集成乘法器4 6 3 41 调相信号的解调叫做相位检波 简称鉴相 鉴相是将两个信号的相位差变换成电压的过程 图4 6 14 a 是实现乘积型相位检波的方框图 图中 相位不同的两个 高频信号电压u x和u y分别加到乘法器的两个输入端 低通滤波器用来取出反映两输入信 号变化的低频电压 第4章模拟集成乘法器低通滤波器u xuyu o a u o KXYXY b c uo0 uo0 2 2 0 5图4 6 14模拟乘法 器的鉴相功能 a 鉴相原理框图 b 正弦鉴相特性 c 大信号工作 状态的鉴相特性第4章模拟集成乘法器为了能够正确地鉴别两输入信 号相位的超前和滞后关系 两个输入信号必须有 2的固定相差 即 输入信号为 sin 2 sin 21cos sin cos sin t UKUttU KUuKu ut U utU uymxmym xmyx oymyxm x 4 6 24 第4章模拟集成乘法器由式 4 6 24 可以看出 鉴相器输 出电压与两个高频信号电压的相位差的正弦成比例 即鉴相特性为正 弦特性曲线 如图4 6 14 b 所示 其线性鉴相范围为 6 即当 6时 sin 鉴相特性 接近于直线 鉴相电路的线性鉴相范围越宽越好 经低通滤波器后 可滤除高频分量 则可得ymxmomom ymxm oUU KkUU UU Kku 21sin sin21 4 6 25 第4章模拟集成乘法器如果乘法器输入信号ux uy 均为大信号 经分析可得鉴相特性呈三角形特性 如图4 6 14 c 所示 2 鉴频是调频信号的解调过程 也就是将输入信号的频率变化转 换为电压变化的过程 从式 4 6 16 4 6 18 4 6 19 的调频信号表达式来看 由于随 调制信号u t 成线性变化的瞬时角频率与相位是微分关系 而相位 与电压又是三角函数关系 因而要从调频信号中提取与u t 成正比 的电压信号很困难 通常采用间接方法来实现 常用的方法是相位鉴频 它是第4章模拟集 成乘法器通过线性移相网络把调频信号的瞬时频率变化转化为瞬时 相位变化 然后进行鉴相的过程 在一定条件下 只要移相网络具有线性的相频特性 鉴相器的输出电 压就能正确反映调频信号的瞬时频率变化 其原理框图如图4 6 15所示 图中的频率 相位变换网络 往往是由LC并联谐振回路组成 它将调频信号的瞬时 频率变化转换成瞬时相位变化 所以调频信号经过频率 相位变换网络以后 就成为每一个频率成分都附加一个相移的信号 这样鉴相器两输入信号成为具有同一调频规律而在不同频率第4章模 拟集成乘法器上具有不同相位差的信号 经由模拟乘法器与低通滤波器所组成的鉴相器后 其输出电压就成为 原低频调制信号 频率 相位变换网络低通滤波器uxuyuFM t uo t 鉴相器KXYXY图4 6 15用 模拟乘法器实现鉴频功能的框图第4章模拟集成乘法器4 6 4混频 倍频与锁相环路4 6 4 1混频用非线性器件和模拟乘法器均能实现混 频 分立元件超外差式收音机中的混频电路就是由晶体三极管及LC谐振 回路组成的 在这里 仅介绍由模拟乘法器实现混频的原理 其原理框图如图4 6 1 6所示 设输入到混频器的已调波为tUut tU uLLm Lcmi coscos cos 本地振荡为第4章模拟集成乘法器uo t 带通滤波器 uo t uL uiKXYXY图4 6 16由模拟乘法器实现混频的原理框图第4章模拟集成 乘法器 cos cos cos21cos coscos tt tU KUTttUKU tuc Lc LLm imLc Lm im o 乘法器的输出电压为可利用带通滤波器取出所需的 边带 即可得到中频信号电压为cLo Lmim omoomc LLmimoU KUUttUttUKUtu 21coscos cos cos21 其中 4 6 2 6 第4章模拟集成乘法器从 4 6 26 式可看出 混频后得到的中频 信号u o t 与输入信号u i相似 中频信号所包含的信息没变 只是载频由原来的 c变为 o 4 6 4 2倍频电路输出信号的频率是输入信号频率的整数倍 即倍频 电路可以成倍数地把信号频谱搬移到更高的频段 能够实现倍频的电路很多 而由模拟乘法器实现倍频的原理如图4 6 17所示 第4章模拟集成乘法器 2cos1 2cos cos 222t UKtKUtutUt uimimoim i uo t 高通滤波器 uo t ui t KXYXY图4 6 17用模拟乘法 器实现二倍频的原理图 4 6 28 第4章模拟集成乘法器经高通滤波 器选出二倍频 可得t UKtuim o 2cos2 2 4 6 29 倍频在电子系统及通信系统中均有广泛的应用 如利用倍频器可以实现频率合成 对振荡器的输出进行倍频 可以 得到更高的所需振荡频率 等等 4 6 4 3锁相环路锁相环路 PLL 是一种自动相位控制系统 它能使受 控振荡器频率和相位均与输入信号保持确定的关系 即保持相位同步 因此称为锁相 第4章模拟集成乘法器1 锁相环路的基本组成如图4 6 18所示 它 由鉴相器 PD 环路滤波器 LF 和压控振荡器 VCO 组成闭合 环路 图4 6 18锁相环路基本组成框图鉴相器 PD 环路滤波器 LF 压控振 荡器 VCO 输入信号 参考信号 uPD t uC t uo t ui t i o输出信 号第4章模拟集成乘法器鉴相器可由模拟乘法器实现 可鉴别出两信 号相位之差 环路滤波器具有低通特性 用来滤除误