高频电子线路--5

第五章振幅调制电路 一 了解调制的作用 掌握调幅信号的定义 表达式 波形 频谱等基本特征 二 掌握典型的幅度调制电路的结构 工作原理 分析方法和性能特点 三 了解数字调幅的基本概念和典型方式及其实现电路 第一节概述第二节低电平调幅电路第三节高电平调幅电路第四节单边带信号的产生第五节数字信号调幅 本章教学基本要求 本章教学主要内容 第一节概述 一 调制的作用1 基带信号通信中所需传送的信息通过换能器转换成电信号 此电信号是占有一定频谱宽度的低频信号 通常称为基带信号 2 基带信号直接通过发射机进行传输 要实现多路远距离传输很困难 因基带信号都属于低频范围 不易区分 3 将基带信号加载到高频信号上 用高频信号作为运载工具 能够较好地实现多路有选择性的通信 将需传送的基带信号加载到高频信号上去的过程称为调制 基带信号在调制时又常称调制信号 4 调制分为振幅调制 频率调制和相位调制三类 一 定义 用需传送的信息 调制信号 去控制高频载波振荡电压的振幅 使其随调制信号线性关系变化 二 普通调幅波 AM波 的数学表示式 波形及其频谱 若载波信号电压为 调制信号电压为 根据定义普通调幅波的振幅为 二 普通调幅波的数学表示式 第一节概述 则普通调幅波的数学表示式为其中称为调幅指数 调幅度 若时 根据定义 则普通调幅波的数学表示式为 图5 2过量调幅波形 三 普通调幅波的波形1 图5 1是单频调制普通调幅波的波形图 已调波振幅的包络形状与调制信号一样 是不失真调幅 图5 1调幅波波形 3 不失真调幅ma 1 当ma 1时 将产生过量调制 如图5 2所示 包络形状会产生严重失真 第一节概述 2 从波形上看 可知Ummax Ucm 1 ma Ummin Ucm 1 ma 则调幅指数 四 普通调幅波的频谱1 单频调制的普通调幅波的频谱 由数学表示式可得 可见单频调制的普通调幅波的频谱为 和 设则 可见多频调制的普通调幅波的频谱为载波 上边带和下边带 图5 4多音调制的调幅波频谱 图5 3单音调制的调幅波频谱 2 多频调制的普通调幅波的频谱 第一节概述 三 普通调幅波的功率关系 一 普通调幅波中各频率分量之间的功率关系 1 载波功率 2 每一边频功率 3 调制一周内的平均总功率 二 普通调幅波的特点 五 结论 调幅过程是一种线性频谱搬移过程 将调制信号的频谱由低频被搬移到载频附近 成为上 下边频带 将普通调幅波电压加在电阻R两端 电阻R上消耗的各频率分量对应的功率可表示为 1 普通调幅波中载波分量占有的功率较大 而含有信息的上 下边频分量占有的功率较小 ma 1时 载波功率占总功率的2 3 而上 下边频功率只占总功率的1 3 而多频调制中平均ma 0 3 这样上下边频功率就更小了 2 从能量观点看 普通调幅波进行传送 不含信息的载波功率过大 是一种很大的浪费 这是普通调幅波本身固有的 目前只有中短波无线电广播系统采用这样调制 第一节概述 1 双边带调幅的振幅为可正可负 其包络随调制信号变化 但包络不能完全准确地反映调制信号变化规律 2 双边带调幅波在调制信号负半周 已调波高频与原载频反相 调制信号正半周 已调波高频与原载频同相 也就是说双边带信号的高频相位在调制电压零交点处要突变 四 抑制载波的双边带调幅信号和单边带调幅信号 一 抑制载波的双边带调幅波 DSB 图5 5双边带调幅波的波形 第一节概述 1 数学表示式 3 双边带调幅波的频谱 2 波形 由数学表示式可知可见单频调制的双边带调幅波只有 2 频谱 二 单边带调幅波 SSB 第一节概述 1 数学表示式 3 特点 1 频带只有双边带调幅波的一半 其频带利用率高 2 全部功率都含有信息 功率有效利用率高 单频调制的单边带调幅波的频谱为 图5 6三种调幅电路的频率变换关系 五 振幅调制电路的功能 四 单边带调幅波调幅电路输入信号为载波信号 调制信号 其输出信号为 三 双边带调幅波调幅电路输入信号为载波信号 调制信号 其输出信号为 二 普通调幅波调幅电路输入信号为载波信号 调制信号 其输出信号为 一 振幅调制电路的功能是将输入的调制信号和载波信号通过电路变换成高频调幅信号输出 第一节概述 六 振幅调制电路的分类及要求 七 振幅调制电路的基本组成原理 一 分低电平调幅和高电平调幅两大类 二 低电平调幅是在低功率电平级进行振幅调制 输出功率和效率不是主要指标 重点是提高调制的线性 减小不需要的频率分量的产生和提高滤波性能 一 振幅调制电路的输入频谱为和 而输出中必须有新的频率分量 因而调幅电路必须是非线性器件组成 其特性必须含有载波信号与调制信号相乘积项 二 集成模拟乘法器能实现载波信号和调制信号的相乘 是用于调幅电路的理想非线性器件 三 具有平方律特性的二极管或场效应管 利用载波信号与调制信号相加的平方项中的实现产生项 也能用于调幅电路作为非线性器件 四 一般来说 振幅调制电路由输入回路 非线性器件和带通滤波器三部分组成 第一节概述 三 高电平调幅是直接产生满足发射机输出功率要求的已调波 利用丙类高功放改变来实现调幅 其优点是效率高 设计时必须兼顾输出功率 效率和调制线性的要求 第二节低电平调幅电路 一 单二极管开关状态调幅电路 一 什么是开关状态 当二极管在两个不同频率电压下进行频率变换时 其中一个电压振幅足够大 另一个电压振幅较小 二极管的导通或截止将完全受大振幅电压的控制 可以近似认为二极管处于理想开关状态 图5 7二极管开关状态原理电路 1 原理如图5 7所示 其中是小信号 是大信号 2 流过二极管的电流i为 其中 rd为二极管的导通电阻 二 电路原理 4 通过带通滤波器选出调幅波输出 流过二极管电流中含有直流 等频率分量 图5 8输入与输出信号的频谱 在大信号的作用下 二极管的开关函数为 第二节低电平调幅电路 则流过二极管的电流i为 是角频率为的周期函数 可用傅立叶级数表示 如图5 8所示 经中心频率为 通频带略大于的带通滤波器取出的普通调幅波信号输出 3 开关函数表示式 二 二极管平衡调幅电路 1 二极管平衡调幅电路如图5 9所示 图中变压器为理想变压器 B2的初次级匝数比为1 2 B3的初次级匝数比为2 1 载波信号是大信号 由B1输入 调制信号是小信号 由B2初级输入 二极管D1 D2均工作于受uc t 控制的开关状态 其导通电阻为rd 由于B3的初次级匝比为2 1 负载RL折合到初级的等效电阻为4RL 对于中心抽头 每一部分为2RL 第二节低电平调幅电路 图5 9二极管平衡调幅电路 2 在无带通滤波器的条件下 流过二极管D1 D2的电流为 根据变压器B3的同名端及假设的次级电流的流向 由于i1和i2流过B3初级方向相反 所以电流i为 3 通过带通滤波器取出双边带调幅波 第二节低电平调幅电路 由于i中包含 等频率成分 经中心频率为 带宽略大于的带通滤波器取出的频率成分电流在负载上建立双边带调幅电压输出 三 二极管环形调幅电路 1 环形调幅电路如图5 10所示 它与平衡调幅电路的差别是多接了两只二极管D3和D4 它们的极性分别与D1和D2的极性相反 在的正半周 D1和D2导通 D3和D4截止 在的负半周 D1和D2截止 D3和D4导通 因此 D1和D2的开关函数为 而D3和D4的开关函数为 第二节低电平调幅电路 2 在无带通滤波器的条件下 流过负载的总电流是流过图 b 负载的电流i 和流过图 c 负载的电流i 之差 图5 10环形调幅电路 3 通过带通滤波器取出双边带调幅波 4 带通滤波器一般可选为LC并联谐振回路 在输出变压器的初级加电容组成带通滤波器 也有在次级组成LC带通滤波器 流过负载的总电流中含有等频率分量 经过中心频率为 通带略大于的带通滤波器 则在上只取的双边带调幅电压 第二节低电平调幅电路 则 因为 所以 四 模拟乘法器调幅电路 一 模拟乘法器的传输特性 图5 11模拟乘法器符号 模拟乘法器是有两个输入端对 即X和Y输入端对 和一个输出端对的非线性有源器件 电路符号如图5 11所示 它的传输特性方程为式中 K乘法器的增益系数 单位为1 V 第二节低电平调幅电路 二 双差分对管振幅调制电路1 图5 12是双差分对管模拟乘法器的原理电路 它由两个单差分对管电路T1 T2 T5和T3 T4 T6组合而成 输入信号u1加在两个单差分对管的输入端 u2加在T5和T6的输入端 图5 12双差分对管电路 2 T5和T6组成差分对管的电流电压关系根据晶体三极管的特性 在每个晶体管的 1条件下 恒流源I0为 则 式中 q为电子电荷 k为波耳兹曼常数 T为绝对温度 I0为恒流源 u2为差模输入电压 第二节低电平调幅电路 3 T1 T2和T3 T4组成的差分对管的电流电压关系 模拟乘法器的基本关系式 小信号输入的应用关系式 4 双端输出时 输出电流i i i i i1 i3 i i2 i4则i i i i1 i3 i2 i4 i1 i2 i4 i3 5 当u1和u2都小于26mV时 第二节低电平调幅电路 6 扩大u2的线性动态范围的措施 图5 13引入负反馈的差分对电路 1 在T5和T6的发射极之间接入负反馈电阻Ry 并将恒流源I0分为两个I0 2的恒流源 2 Ry足够大 满足深度负反馈条件 即 则经过分析计算 应说明的是 ie5 ie6 I0 且ie5 ie6均为正值 故u2的最大动态范围为 第二节低电平调幅电路 可得双端输出电流 加入Ry后的关系式 3 MC1496平衡调幅电路 图5 14MC1596平衡调幅电路 1 图5 14是用模拟乘法器MC1596构成的双边带调幅电路 偏置电阻RB使I0 2mA R1和R2向7端和8端提供偏压 8端为交流地电位 51 电阻为与传输电缆特性阻抗匹配 两只10k 电阻与RW构成的电路 用来对载波信号调零 2 设输入载波信号 是大信号输入 根据双曲线正切函数的特性 大信号条件下具有开关函数的形式 可展开为傅立叶级数 另一个输入调制信号 因为2与3端满足接入 则可扩大到的线性范围 3 双端输出电流 若在输出端加入一个中心频率为 带宽为的带通滤波器 则取出的差值电流为 4 从图中可以看出 电路采用了单端输出方式 集电极对电流取样 可得单端输出时的uoM为 若带通滤波器带内电压传输系数为ABP 则经带通滤波器后输出电压 这是一个抑制载波的双边带调幅波 5 图中RW是调节MC1596的4和1端的直流电位差为零 确保输出为抑制载波的双边带调幅波 如果4和1端直流电位差不为零 则有载波分量输出 相当于是普通调幅波 第二节低电平调幅电路 第三节高电平调幅电路 一 集电极调幅电路 图5 15集电极调幅电路 一 图5 15是集电极调幅原理电路 低频调制信号u t 与丙类放大器的直流电源VcT相串联 有效集电极电源电压Vcc等于两个电压之和 并随调制信号变化而变化 电容器C 是高频旁路电容 它的作用是高频相当于短路 高频电流不能通过调制变压器B3的次级线圈以及VcT电源 而对调制信号频率应相当于开路 有效电源电压能加在放大器上 二 输入载波信号保持不变 集电极回路调谐在 带宽略大于 丙类放大器工作于过压状态 图5 16理想化静态调幅特性 三 从图5 16的调幅特性看 在及一定的条件下 因为则会引起随之变化 由 式中 称为调幅指数 根据理想化调幅特性可得 输出电压 第三节高电平调幅电路 丙类功率放大器在不变的条件下 改变时 集电极电流在欠压区可认为不变 而在过压区将随变化而变化 具有调幅特性 四 集电极调幅电路的功率与效率1 载波状态 时 1 直流电源提供的输入功率 2 载波输出功率 3 集电极损耗功率 4 集电极效率 2 调制最大状态 1 有效电源输入功率 2 高频输出功率 3 集电极损耗功率 4 集电极效率 第三节高电平调幅电路 3 调制一周的平均功率 1 有效电源提供的平均输入功率 其中 直流电源提供的平均输入功率 调制信号源提供的平均输入功率 2 平均输出功率 其中 载波输出功率为 边频功率为 第三节高电平调幅电路 五 集电极调幅电路的特点 1 必须工作于过压区 2 调制过程中效率不变 可保持在高效率下工作 3 总输入功率分别由直流电源和调制信号源提供 因而调制信号源应是功率源 4 载波输出功率是由直流电源提供 而边频输出功率是由调制信号源提供 5 在调制一周内的平均功率都是载波状态对应功率的倍 6 集电极平均损耗功率是载波状态损耗功率的倍 选管子时 应采用管子的允许损耗功率 3 平均集电极损耗功率 4 平均集电极效率 第三节高电平调幅电路 二 基极调幅电路 图5 17基极调幅电路 三 基极调幅电路的特点 1 必须工作于欠压区 2 载波输出功率和边频功率都由直流电源提供 3 调制过程中 效率是变化的 4 调制线性范围小 只能用于输出功率小 对失真要求不严的发射机中 二 基极调幅电路的基本原理是利用丙类功率放大器在直流电源 输入信号 谐振电阻 晶体管不变的条件下 在欠压区改变 其输出电流随变化这一特点来实现调幅的 一 图5 17是基极调幅电路原理图 图中 为高频旁路电容 为低频旁路电容 为高频变压器 为低频变压器 LC回路谐振于载波频率 通频带为 第三节高电平调幅电路 第四节单边带信号的产生 一 单边带信号的产生方法单边带信号产生的方法有滤波法和移相法 1 图5 18是滤波法的原理方框图 它是由平衡调幅电路加边带滤波器组成 但是由于双边带信号中的上下边频的频率间隔为 一般为几十Hz 对边带滤波器的选频特性要求很高 特别是 边带滤波器的相对带宽很小 制作很困难 图5 18滤波法方框图 二 滤波法产生的单边带信号 2 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 使边带滤波器便于制作 然后再经过多次平衡调幅和滤波逐步把载频提高到要求的数值 如图5 19所示 图中 虽然设备复杂些 但性能比较可靠 图5 19实现滤波法的一种方案 第四节单边带信号的产生 图5 20相移法单边带调制器方框图 设载频信号 调制信号 若用它们产生单边带调幅信号为u t KUcmU mcos c t KUcmU mcos tcos ct KUcmU msin tsin ct前项为双边带信号 后一项也有双边带信号 只是载波信号和调制信号都移相 因而可用图5 20方框原理图来实现单边带信号的产生 移相法产生单边带信号是利用移相来实现的 不需要要求高的边带滤波器 但当调制信号为多