P5M1TY (简化版)

P5调幅及解调电路 学习目标 能正确测量各类调幅器的基本特性 能正确记录测量结果并对结果作准确描述 能正确测量各类检波器的基本特性 能正确记录测量结果并对结果作准确描述 理解调幅发射机的电路结构 工作原理和电路中元器件的作用 理解调幅发射机的性能指标及其物理意义 理解调幅接收机的电路结构 工作原理和电路中元器件的作用 理解调幅接收机的性能指标及其物理意义 无线电调幅发射机的组成框图 为什么不能把信号经过放大之后直接发射出去呢 1 天线要将低频信号有效地辐射出去 它的尺寸就必须很大 例如 频率为3000Hz的电磁波 其波长为100000M 即100KM 如果采用1 4波长的天线 则天线的长度应为25KM 显然这是一个非常 艰巨 的任务 2 为了使发射与接收效率高 在发射机与接收机方面都必须采用天线和谐振回路 但语言 音乐 图像信号等的频率变化范围很大 因此天线和谐振回路的参数应该在很宽范围内变化 显然 这又是难以做到的 3 如果直接发射音频信号 则发射机将工作于同一频率范围 这样 接收机将同时收到许多不同电台的节目 无法加以选择 为了克服以上困难 必须利用高频振荡 将低频信号 附加 在高频振荡上 这样 就使天线的辐射效率提高 尺寸缩小 同时 每个电台都工作于不同的高频振荡频率 接收机可以调谐选择不同的电台 这就解除了上述的种种困难 发射方这一 附加 的过程 就是所谓的调制 需要发射的低频信号称为调制信号 高频振荡是携带低频信号的 运载工具 称为载波 被低频信号调制之后的高频信号称为已调波 在接收信号的一方 接收端 经过解调 反调制 的过程 把载波所携带的信号取出来 得到原有的信息 解调过程也叫检波 调制与解调都是频谱变换的过程 必须用非线性元件才能完成 Modulation 正弦波的三要素 频率 振幅和相位u t Umsin t Demodulation 1 低电平调幅 Low levelAM 调制过程是在低电平级进行的 因而需要的调制功率小 属于这种类型的调制方法有 1 平方律调幅 SquarelawAM 利用电子器件的伏安特性曲线的平方律部分的非线性作用进行调幅 2 斩波调幅 On offAM 将所要传送的音频信号按照载波频率来斩波 然后通过中心频率等于载波频率的带通滤波器滤波 取出调幅成分 2 高电平调幅 high levelAM 调制过程在高电平级进行 通常是在丙类放大器中进行调制 属于这一类型的调制方法有 1 集电极 阳极 调幅 2 基极 控制栅极 调幅 调幅电路的分类 A 调幅的工作原理调幅就是使载波的振幅随调制信号的变化规律而变化 调幅波是载波振幅按照调制信号的大小成线性变化的高频振荡 其波形的疏密程度均匀一致 与未调制时的载波波形疏密程度相同 注 此处均以单频正弦信号为例简化分析 P5M1调幅器基本特性的测试 a 调制信号 b 载波 c 调幅波形 图5 1调幅波的形成 正弦调制 图5 2由非正弦波调制所得到的调幅波形 一 调幅波的数学表达式和波形 标准形式 用调制信号u t 去控制载波uc t 的振幅 uc t Ucmcos ct Ucmcos2 fct频率和相位不变 振幅随调制信号线性的变化 则 调幅波的振幅为 Ucm t Ucm kau t ka是一个与调幅电路有关的比例常数 调幅波的数学表达式为 uAM t Ucm t cos ct Ucm kau t cos ct 若调制信号为单频正弦波 即u t U mcos t U mcos2 Ft F fc 则得调幅波的表达式为 uAM t Ucm kaU mcos t cos ct 1 单频调制 数学表达式 1 单频调制分析 ma定义及算法 调幅波的最大振幅Ucmmax Ucm 1 ma 最小振幅Ucmmin Ucm 1 ma 故有 时 调幅波的包络与调制信号的形状完全相同 它反映了调制信号变化的规律 故为不失真的调制 1 单频调制分析 ma取值对AM的影响 不失真AM 过调幅 调幅波的波形和ma的大小有关 如果ma 1 振幅Ucm在某个时间段会小于0 此时的调幅称为过调幅 调幅波将产生失真 应避免 此时调幅波的包络已不能反映调制信号的规律 1 单频调制分析 ma取值对AM的影响 2 多频调制 数学表达式 如果调制信号为多频信号 即u t U m1cos 1t U m2cos 2t U mncos nt设F1 F2 F3 Fn 则 只要u t 瞬时值的绝对值不超过Ucm 则uAM t 的包络就反映了u t 的规律 二 调幅波的频谱与带宽 1 单音频调制 fbw fc F fc F 2F 由正弦波调制的调幅波是由三个不同频率的正弦波组成的 载波 Carrier 下边频 LowerSideband 上边频 UpperSideband 的最大值只能等于l 因此边频振幅的最大值不能超过载波振幅的二分之一 NOTICE 正弦调制的调幅波频谱 若u t U 1mcos 1t U 2mcos 2t U nmcos nt则uAM t Ucm 1 ma1cos 1t ma2cos 2t mancos nt coswCt 2 多频调制 图5 5非正弦调幅波的频谱 调幅过程实际上是一种频率搬移过程 经过调制后 调制信号的频谱被搬移到载频附近 成为上边带与下边带 带宽fBW 2Fmax 三 调幅波的功率关系 1 载波功率Pc Ucm2 2RL 2 上 下边频功率P上 P下 maUCm 2 2 2RL ma2Ucm2 8RL ma2Pc 4 3 总边频功率Psb ma2Pc 2 有用的功率 4 总平均功率Pav Pc Psb 1 ma2 2 Pc 设载波功率Pc为100W 问调幅度为1及0 3时 总边频功率 总平均功率各为多少 ma 1时 Psb 50W Pav 150W ma 0 3时 Psb 4 5W Pav 104 5W EXERCISES EXAMPLE CONCLUSION 调幅波的平均功率Pav和边频功率Psb随ma的增大而增加 载波不包含待传输的调制信号 所要传输的信息 即调制信号 只存在于边频功率中 调幅波平均功率Pav中真正有用的是边频功率Psb 载波功率Pc是没有用的 有用的边频功率占整个调幅波平均功率的比例很小 发射机的效率很低 调幅波的最大振幅为Ucm 1 ma 故其最大瞬时功率Pmax 1 ma 2Pc如果调制信号为多频信号 则调幅波平均功率等于载波和各边频功率之和 EXERCISES 1 已知某调幅波的最大振幅为10V 最小振幅为6V 求其调幅系数ma 2 若单频调幅波的载波功率Pc 1000W 调幅系数ma 0 3 求 1 边频功率Psb 2 平均功率 即总功率 Pav 3 最大瞬时功率Pmax 3 某调幅广播电台的载频为1300kHz 音频调制信号频率为100Hz 4kHz 求其频率分布范围和带宽 4 试求下列调幅波在单位电阻上消耗的平均功率及相应的带宽 1 2 EXERCISES DIY 四 DSB和SSB 为了克服AM调幅波的缺点 即载波不含有用信息 又占整个调幅波平均功率的很大比重 在调幅系统中采用抑制载波的双边带调幅和单边带调幅 在传输前将载波抑制掉 可大大节省发射机的发射功率 传输两个边带的调幅方式简称双边带调幅 用DSB表示 只传输一个边带的调幅方式简称单边带调幅 用SSB表示 读一读 1 DSB DoubleSideBand 1 单频调制 频谱宽度 fbw 2F DSB的波形 与AM比 包络线不同DSB为半波 AM为全波相位不同DSB调幅波的高频相位在调制信号正负交替处要突变而AM波则为连续变化 其包络不再反映调制信号的规律 1 单频调制DSB 2 多频调制DSB 带宽fBW 2Fmax 2 SSB SingleSideBand 当调制信号为单频时 单边带调幅信号就是等幅波 数学表达式为 上边带 下边带 2 SSB SingleSideBand 频谱宽度fbw Fmax单边带调幅把AM或DSB信号的带宽压缩一半 这对于提高短波波段的频带利用率具有重大的现实意义 上边带 下边带 2 SSB SingleSideBand CONCLUSION 普通调幅 AM 发射机和接收机都较简单 但所占频带宽 还要传输不含信息的载波 在广播系统中 多采用普通调幅 以降低接收机成本 双边带调幅 DSB 可大大节省发射机的功率 但所占频带宽 发射机和接收机都较复杂 应用很少 单边带调幅 SSB 既可大大节省发射机的功率 又能节约频带 但发射机和接收机较复杂 在短波无线通信中得到广泛应用 B 调幅电路 AMCircuits 地位 无线电发射机的重要组成部分 分类 按功率高低 高电平调制电路 分为基极调幅和发射极调幅 低电平调制电路 按调幅波产生方式 AM调制电路 DSB调制电路 DSB调制电路 高电平调制电路 置于发射机的末端 要求产生功率足够大的已调信号 低电平调制电路 置于发射机的前端 产生小功率的已调信号 而后通过多级线性功率放大器放大到所需的发射功率 1 普通调幅电路 AM 1 模拟乘法器调幅电路 若u t U mcos t为单频信号 uc t Ucmcos ct为载波信号 则输出电压 uO t uc t uZ t Ucm 1 KMU mcos t cos ct Ucm 1 macos t cos ct其中 ma KMU m 为保证不失真 要求 KMU m 1 显然 该电路的输出信号为普通的调幅波 假设非线性器件为二极管 它的特性可表示式中 输入电压为 2 二极管平方律调幅器 框图 2 二极管平方律调幅器 具体电路 若忽略输出电压的反作用 这种忽略不会影响电路的定性分析 则二极管两端电压 u t U u t uc t UQ U mcos t Ucmcos ct u t U u t uc t UQ U mcos t Ucmcos ct则流过二极管的电流 i f u a0 a1 U mcos t Ucmcos ct a2 U mcos t Ucmcos ct 2 an U mcos t Ucmcos ct n 上式含有无限多个频率成分 其一般表达式为 fk pfc qF p q 0 1 2 该组合频率中含有fc fc F的频率成分 被中心频率为fc 通带宽度为2F的带通滤波器选出 而其他组合频率成分被滤掉 设其滤波特性是理想的 则uO t 为普通调幅波 2 二极管平方律调幅器 原理分析 2 二极管平方律调幅器 原理分析 设L C回路的谐振电阻为R0 且i f u 的幂级数展开式只取前三项 不难推出 uO t a1UcmR0 1 macos t cos ct 式中 ma 2a2U m a1 由于i中有用相乘项的存在才能得到调幅波 而有用相乘项是由幂级数展开式中的二次方项产生的 所以该电路称为平方律调幅器 SHORTCOMINGS 1 调幅度的大小由调制信号电压振幅及调制器的特性曲线所决定 亦即由 所决定 2 通常 因此用这种方法所得到的调幅度是不大的 3 为了使电子器件工作于平方律部分 电子管或晶体管应工作于甲类非线性状态 因此效率不高 所以 这种调幅方法主要用于低电平调制 此外 它还可以组成平衡调幅器 balancedmodulator 以抑除载波 载波通过高频变压器T1加到晶体管基极上 调制信号通过低频变压器T2加到基极回路 Cb2为高频旁路电容 Cb1和Ce高低频旁路 uBE VBB u t uc t VBB t VBB u t 1 基极调幅电路 BaseAMCircuit 在欠压状态下 集电极电流ic的基波分量振幅随基极偏压线性变化 经过LC的选频作用 输出电压振幅Uom随调制信号的规律变化 uo t 为普通调幅波 基极调幅电路可看成是以载波为激励信号 基极偏压受调制信号控制的丙类谐振功放 在欠压状态 1 基极调幅电路 BaseAMCircuit 2 集电极调幅 载波通过高频变压器Tr1加到基极 调制信号通过低频变压器加到集电极回路 C1 C2为高频旁路电容 L C也谐振在载频fc上 基极电流的直流分量流过Rb 使V工作在丙类状态 2 集电极调幅 Vcc t Vcc u t 丙类谐功放工作在过压状态 Ucm随Vcc线性变化 集电极调幅可看成是以载波为激励信号 集电极电压受调制信号控制的丙类谐功放 由于工作在过压区 故效率高 但调制信号所需的功率大 2 双边带调幅电路 DSB 1 二极管平衡调幅器 DiodeBalancedAmplitude Modulator 1 电路图 1 二极管平衡调幅器 2 工作原理 V1 V2为两个特性相同的二极管 它们的伏安特性分别为i1 a0 a1u1 a2u12 anu1n i2 a0 a1u2 a2u22 anu2n 当忽略输出电压的反作用时 u1 uc u u2 uc u 则 uO i1 i2 RL 2a1u 4a2u uc RL 则由上式可以得到uO中的组合频率fk pfc 2q 1 F p q 0 1 2 可见 组合频率分量已大为减少 如果上述幂级数展开式只取前三项 则可得到uO 2RL a1U mcos t a2UcmU mcos c t a2UcmU mcos c t 由此可知 输出不含载波分量 若用中心频率为fc 通带宽度为2F的带通滤波器接在输出端 则得到只含有 fc F 的上 下边频分量 即实现了双边带调幅 uO i1 i2 RL 2a1u 4a2u uc RL 1 二极管平衡调幅器 2 工作原理 3 平衡斩波调幅 在实际运用时经常遇到大载波和小调制信号的情况 即Ucm U m 这时可以认为二极管工作在受uc控制的开关状态 开关S的作用可用开关函数S1 t 来表示 故uO i1 i2 RL 2u t S1 t 则 3 平衡斩波调幅 3 平衡斩波调幅 如果u t U mcos t 则uO t 中的组合频率为F和 2p 1 fc F 可见 平衡斩波调幅与平衡调幅相比 组合频率分量大大减少 频谱也 干净 多了 如果在输出端接一个中心频率为fc 通带宽度为2F的带通滤波器 就可取出其中的fc F分量 于是就获得双边带调幅信号uDSB t 1 3 平衡斩波调幅 O uDSB t 实现斩波调幅的两种电路 图5 18二极管电桥斩波调幅电路 图5 19环形调幅器电路 2 二极管环形调幅器 DiodeRingAmplitudeModulator 环形调幅器与平衡调幅器相比 只不过多了两个二极管V3 V4 因此其工作原理大致相似 环形调幅器也常用于大载波 小调制信号的情况 这时也出现斩波调幅 称为环形斩波调幅 当cos ct 0时 uc t 则V1 V2导通 V3 V4截止 分别有电流i1 i2流过 而i3 i4 0 这时环形调幅器相当于由V1 V2和变压器Tr1 Tr2 Tr3组成的平衡调幅器 当cos ct 0时 uc t 0 则V1 V2截止 V3 V4导通 分别有电流i3 i4流过 而i1 i2 0 这时环形调幅器相当于由V3 V4和变压器Tr1 Tr2 Tr3组成的平调幅器 2 二极管环形调幅器 根据电流方向 有 uO t i1 i2 i3 i4 RL i1 i2 RL i3 i4 RL 2u t S1 t 2u S2 t 2u t S t 2 二极管环形调幅器 开关函数S2 t 表示uc t 对V3 V4的作用 开关函数S t 可展开成下列傅里叶级数 故 2 二极管环形调幅器 uO t 2u t S t 显然 uO t 只含有 2p 1 fc F的频率分量 与平衡斩波调幅相比 环形斩波调幅输出电压中没有了调制信号频率F分量 而其他分量的振幅加倍 如果在输出端接一个中心频率为fc 通带宽度为2F的带通滤波器 就能获得双边带调幅信号uDSB t 其波形如后图所示 2 二极管环形调幅器 图 环形斩波调幅器的波形 2 二极管环形调幅器 3 模拟乘法器双边带调幅电路 图 由F1596构成的调制电路 端和 端外接的两个750 51 电阻及Rw为偏置电阻 其中Rw还起输出失调调零的作用 与 VCC连接的两个1k 电阻也为偏置电阻 适当调节Rw 使电桥平衡 则输出为双边带调幅波 3 模拟乘法器双边带调幅电路 令代入即得 模拟乘法器的输出为载波被抑止的调幅波 亦即实现了调幅 集成电路应用于调制电路 通常是采用模拟乘法器 AnalogMultiplier 的形式 国产集成电路双差分对模拟乘法器XFCl596 调制信号 负反馈电阻以扩大的线性动态范围 3 9k电阻为两管的集电极负载电阻 提供基极偏置电压 输入载波电压 载波调零电位器 RW为载波调零电位器 其作用是 将调制信号移去 只加载波电压 调节RW 使输出载波电压UO 0 双差分对的工作特性取决于载波输入电压振幅U1m的大小 当u1m 26mV时 电路工作于开关状态 当u1m 26mV时