第6章振幅调制解调及混频1..ppt

1 107 第6章振幅调制 解调及混频 6 1振幅调制6 2调幅信号的解调6 3混频思考题与习题 2 107 本章重点 各种频谱线性搬移电路的概念 原理 特点及实现方法 实用的频谱线性搬移电路 了解 3 107 概述 1 地位通信系统的基本电路 2 特点 对电路中信号频谱进行的变换 电路有新频率成分产生 为此 需引用一些信号与频谱的概念 4 107 3 信号与频谱 信号的三种表示法 表达式 波形图 频谱图 5 107 4 两种类型的频谱变换电路 频谱搬移电路 将输入信号的频谱沿频率轴搬移 例 振幅调制 解调 混频电路 本章讨论 特点 仅频谱搬移 不产生新的频谱分量 频谱非线性变换电路 将输入信号的频谱进行特定的非线性变换 例 频率调制与解调电路 第7章讨论 特点 产生新的频谱分量 6 107 第一节振幅调制 几个概念 调制 调制信号 载波 已调波 解调 用调制信号去控制载波某个参数的过程 7 107 由调制信号去控制载波的振幅 使之按调制信号的规律变化 SSB SC 抑制载波的单边带调制 振幅调制的三种方式 AM 普通的调幅 DSB SC 抑制载波的双边带调制 是使高频振荡的振幅与调制信号成线性关系 其它参数 频率和相位 不变 什么是振幅调制 第一节振幅调制 8 107 u U cos t 一 调幅波的分析 1 表示式及波形 设载波电压为 调制电压 uC UCcos ct 已调波振幅 调幅度 调幅信号表达式 9 107 一 调幅波的分析 1 表示式及波形 调幅度 调幅信号表达式 调制信号波形 载波波形 已调波波形 波形表示 10 107 一 调幅波的分析 调幅度 调幅信号表达式 调制信号波形 载波波形 已调波波形 波形表示 11 107 一 调幅波的分析 调幅度 调幅信号表达式 调制信号波形 载波波形 波形表示 已调波波形 12 107 一 调幅波的分析 1 表示式及波形 调幅信号表达式 连续频谱信号f t uAM t UC 1 mf t cos ct 若调制信号为 则调幅波表示式为 式中 mn kaU n UC 13 107 一 调幅波的分析 1 表示式及波形 连续频谱信号f t 调幅波表达式 uAM t UC 1 mf t cos ct 调制信号 已调波 14 107 一 调幅波的分析 1 表示式及波形 AM信号的产生原理图 或 15 107 2 调幅波的频谱 调幅波的三角展开 带宽 BAM 2F 分析 单频调制 1 频谱的中心分量 2 两个边频分量 这说明调制信号的幅度及频率消息只含于边频分量中 调制信号频谱 载波频谱 已调波频谱 16 107 2 调幅波的频谱 BAM 2Fmax 信号带宽是决定无线电台频率间隔的主要因素 如通常广播电台规定的带宽为9kHz VHF电台的带宽为25kHz 多频调制 AM信号占用带宽 调制信号频谱 已调波频谱 17 107 3 调幅波的功率 载波功率 上下边频的平均功率 AM信号的平均功率 设 负载电阻RL 两边频功率与载波功率的比值 18 107 AM波的缺点 一 调幅波的分析 特别是AM波解调很简单 便于接收 功率浪费大 效率低 AM波的优点 1 设备简单 2 AM占用的频带窄 19 107 二 双边带信号 1 表达式 表达式为 20 107 二 双边带信号 2 波形 调制信号波形 载波波形 已调波波形 21 107 二 双边带信号 与AM波相比 DSB信号的特点 AM波的包络正比于调制信号f t 的波形 而DSB波的包络则正比于 f t DSB信号的高频载波相位在调制电压零交点处 调制电压正负交替时 要突变180 双边带调制 4 3 1 包络不同 2 180 相位跳变 22 107 三 单边带信号 单边带 SSB 信号是由DSB信号经边带滤波器滤除一个边带或在调制过程中 直接将一个边带抵消而成 uDSB t ku uC 当取上边带时 uSSB t Ucos c t uSSB t Ucos c t 当取下边带时 单频调制 23 107 三 单边带信号 当取上边带时 uSSB t Ucos c t 分析 SSB信号的振幅与调制信号的幅度 振幅 成正比 它的频率随调制信号频率的不同而不同 因此它含有消息特征 SSB信号的包络与调制信号的包络成正比 24 107 三 单边带信号 语音调制的SSB信号频谱 25 107 三 单边带信号 SSB波的优点 1 功率利用率高 2 频带利用充分 BSSB Fm 目前已成为短波通信中一种重要的调制方式 26 107 二 振幅调制电路 可分为高电平调制和低电平调制 是将功放和调制合二为一 调制后的信号不需再放大就可直接发送出去 是将调制和功放分开 调制后的信号电平较低 还需经功率放大后达到一定的发射功率再发送出去 调制效率高 调制线性范围大 失真要小等 高电平调制 低电平调制 对调制器的主要要求 27 107 一 AM调制电路 高电平调制和低电平调制 目前 AM信号大都用于无线电广播 因此多采用高电平调制方式 1 高电平调制 主要用于AM调制 是在高频功放中进行的 基极调幅 集电极调幅 集电极 基极 或发射极 组合调幅 利用改变某一电极的直流电压以控制集电极高频电流振幅 基本工作原理 28 107 一 AM调制电路 1 高电平调制 1 集电极调幅 图6 12集电极调幅电路 29 107 一 AM调制电路 1 高电平调制 1 集电极调幅 30 107 一 AM调制电路 1 高电平调制 2 基极调幅 LB1是高频扼流圈 LB为低频扼流圈 31 107 一 AM调制电路 1 高电平调制 2 基极调幅 但因其工作在欠压状态 集电极效率低是其一大缺点 一般只用于功率不大 对失真要求较低的发射机中 而集电极调幅效率较高 适用于较大功率的调幅发射机中 由于基极电路电流小 消耗功率小 故所需调制信号功率很小 调制信号的放大电路比较简单 这是基极调幅的优点 32 107 作业 6 16 66 7 33 107 一 AM调制电路 2 低电平调制 1 二极管电路产生AM波 单二极管电路 平衡二极管电路 2 利用模拟乘法器 34 107 2 低电平调制 1 二极管电路 单二极管电路 流过二极管的电流iD为 其频谱图 一 AM调制电路 35 107 2 低电平调制 1 二极管电路 平衡二极管电路 产生AM波 一 AM调制电路 36 107 平衡二极管电路 a b VD1导通 VD2截止 VD1截止 VD2导通 总电流 37 107 总电流 其频谱图 平衡二极管电路 38 107 2 低电平调制 2 利用模拟乘法器产生AM波 对单差分电路 若将uc加至uA u 加到uB 则有 一 AM调制电路 其中 39 107 2 低电平调制 若集电极滤波回路的中心频率为fc 带宽为2F 谐振阻抗为RL 则经滤波后的输出电压 一 AM调制电路 2 利用模拟乘法器产生AM波 40 107 图6 17差分对AM调制器的输出波形 2 利用模拟乘法器产生AM波 41 107 对双差分电路 2 利用模拟乘法器 将调制信号叠加上直流成分 即可得到AM信号输出 一 AM调制电路 42 107 对双差分电路 一 AM调制电路 43 107 二 DSB调制电路 DSB信号的获得 关键在于调制电路中的乘积项 单二极管电路只能产生AM信号 不能产生DSB信号 1 二极管调制电路 二极管平衡电路和二极管环形电路可以产生DSB信号 44 107 二 DSB调制电路 1 二极管调制电路 输出变压器的次级电流iL为 条件 45 107 二 DSB调制电路 1 二极管调制电路 输出变压器的次级电流iL为 若输出滤波器的中心频率fc 带宽2F 谐振阻抗RL 则 46 107 二极管平衡调制器波形 47 107 二 DSB调制电路 1 二极管调制电路 调制线性好 载漏小 输出端的残留载波电压要小 一般应比有用边带信号低20dB以上 同时希望调制效率高及阻抗匹配等 对平衡调制器的主要要求 实用的平衡调制器电路 48 107 实用的平衡调制器电路 二 DSB调制电路 VD1 VD2同时导通 VD1 VD2同时截止 C1对高频短路 对音频开路 分析 49 107 二 DSB调制电路 1 二极管调制电路 双平衡调制器电路 调制信号与载波的位置可以互换 波形 50 107 二 DSB调制电路 1 二极管调制电路 双平衡调制器电路 经滤波后 有 51 107 2 差分对调制器 二 DSB调制电路 设uB uC uA u 则双端输出电流i0 t 为 经滤波后的输出电压u0 t 为 单差分对 52 107 2 差分对调制器 二 DSB调制电路 单差分对 图6 24差分对DSB调制器的波形 53 107 二 DSB调制电路 单差分对 并不是理想乘法器 1 信号的注入必须是uA u uB uC 且U 26mV 分析 2 要得DSB信号 必须加接滤波器以滤除不必要的分量 3 必须双端差动输出 单端输出只能得到AM信号 4 当输入信号为零时 输出并不为零 54 107 2 差分对调制器 二 DSB调制电路 双差分对 差动输出电流为 若U UC均很小 则 双差分对调制器克服了单差分对调制器上述大部分的缺点 55 107 图6 25 彩色电视发送机中的双差分对调制器的实际电路 56 107 用MC1596实现DSB电路 DSB信号 57 107 产生方法主要有滤波法和移相法两种 三 SSB调制电路 1 滤波法 滤波法的关键是边带滤波器的制作 58 107 二 SSB调制电路 2 移相法 2相移网络是移相法的关键部件 59 107 作业 6 8 c d 6 116 14 60 107 第二节调幅信号的解调 一 调幅解调的方法 2 同步检波 1 包络检波 只适用于AM波 DSB和SSB信号的包络不同于调制信号 不能用包络检波 必须使用同步检波 恢复载波应与调制端的载波电压完全同步 同频同相 同步检波的含义 61 107 其原理框图如图所示 第二节调幅信号的解调 一 调幅解调的方法 1 包络检波 62 107 一 调幅解调的方法 2 同步检波 同步解调器的框图 63 107 一 调幅解调的方法 2 同步检波 乘积型 叠加型 ur 恢复的载波信号 64 107 二 二极管峰值包络检波器 1 原理电路及工作原理 RC低通滤波器 1 组成 输入回路 二极管VD 末级中放的输出回路 导通电压小 rD小的锗管 a 作为检波器的负载 在其两端产生调制频率电压 b 起到高频电流的旁路作用 RC网络须满足 65 107 二 二极管峰值包络检波器 2 工作原理 二极管串联型大信号峰值包络检波器 信号源 非线性器件二极管及RC网络三者为串联 该检波器工作于大信号状态 故全称 这种电路也可工作在小信号情况 小信号检波器 66 107 二 二极管峰值包络检波器 2 工作原理 检波过程分析 二极管截止 二极管导通 67 107 检波过程分析 ui t 为等幅波时 uo uC Uav u 检波器输出电压 充电过程 放电过程 高频纹波电压 包络为常数 只要直流调制信号为低频调制信号 68 107 检波过程是信号源通过二极管给电容充电与电容对电阻R放电的交替重复过程 导通时间很短 电流通角 很小 二极管电流是一窄脉冲序列 二极管电流iD包含平均分量 直流分量 及高频分量 二 二极管峰值包络检波器 检波过程总结 uo uC Uav u 69 107 大信号检波器在稳定状态电流电压波形 二极管伏安特性 二极管两端电压 输入等幅波时 二极管电流 解调包络 只需要直流 70 107 2 工作原理分析 uD uD ui uo 载波正半周时二极管正向导通 对电容C充电 充电时间常数为rdC uD ui uo 当uD ui uo 0 二极管导通当uD ui uo 0 二极管截止 uo t u t UDC ui t 为调幅波时 二极管VD两端电压 检波器的有用输出电压 71 107 2 工作原理分析 uD ui uo 当uD ui uo 0 二极管导通当uD ui uo 0 二极管截止 uo t u t UDC ui t 为调幅波时 二极管VD两端电压 检波器的有用输出电压 72 107 二 二极管峰值包络检波器 输入为AM信号时 检波器二极管的电压及电流波形 二极管伏安特性 二极管两端电压 输入调幅波时 二极管电流 uD ui uo uAM uo uo t u t UDC 73 107 包络检波器的输出电路 如果只需输出调制频率电压 则可在原电路上增加隔直电容Cg和负载电阻Rg 若需要检波器提供与载波电压大小成比例的直流电压 则可用低通滤波器取出直流分量 如图 74 107 2 性能分析 传输系数 输入阻抗 1 传输系数Kd 或称检波系数 检波效率 若输入载波电压 若输入AM信号 设 载波电压振幅为Um 输出直流电压为Uo 检波器输出低频电压振幅与输入高频已调波包络振幅之比 这两个定义是一致的 75 107 1 传输系数Kd 利用两个特殊点 二极管导通角 下面以等幅波为例推导Kd的表达式 Kd为Uo和Um的比值 为cos 趋于0时 Kd近似为1 Uo Um 76 107 2 性能分析 1 传输系数Kd 分析 Kd 当电路一定 管子与R一定 时 在大信号检波器中 是恒定的 它与输入信号大小无关 越小 Kd越大 并趋近于1 越贴近峰值 由图可知 当gDR 50时 Kd变化不大 且Kd 0 9 77 107 2 性能分析 1 传输系数Kd 2 输入电阻Ri 输入载波电压的振幅Um与检波器电流的基频分量振幅I1之比值 即 由此可见 输入电阻与二极管检波器负载电阻R有关 R越大 Ri越大 对前级的影响就越小 输入电阻定义 不能太大 也不能太小 为什么 78 107 3 检波器的失真 在二极管峰值包络检波器中 存在着两种特有的失真 惰性失真和底部切削失真 1 惰性失真 是由电容放电的惰性引起的 产生原因 惰性失真的波形 不失真的条件 可见 m 越大 包络下降速度就越快 要求的RC就越小 惰性失真 79 107 3 检波器的失真 调幅波的最小幅度 UC 1 m 避免失真的条件 失真的原因 R R 2 底部切削失真 又称为负峰切削失真 因此必须限制交 直流负载的差别 直流负载为R交流负载为R Rg 直流开路 电容上的电压恒定 很小时 近似等于载波振幅 uo 80 107 2 底部切削失真 又称为负峰切削失真 在工程上 减小检波器交 直流负载的差别采取的措施 在检波器与低放级间插入高输入阻抗的射极跟随器 R R1 R2 将R分成R1和R2 R R1 R2 直流负载 交流负载 R R1 R2 Rg 81 107 2 输出的高频纹波小 即 检波器设计及元件参数的选择 3 减少输出信号的频率失真 要求 4 避免惰性失真 5 避免底部切割失真 或 82 107 4 实际电路及元件选择 LPF 音量控制 83 107 5 二极管并联检波器 a 原理电路 b 波形关系 输入电阻 c 实际电路 Kd同串联检波器 输出端除需隔直电容外 还需加高频滤波电路 84 107 c 并联检波器实际电路 C1 高频滤波电容 Cg 隔直电容 a 原理电路 b 波形关系 5 二极管并联检波器 85 107 6 小信号检波器 小信号检波是指输入信号振幅在1 100mV范围内的检波 二极管的伏安特性 a0为uD 0时的静态电流 在uD 0时的斜率 在uD 0上的二次导数 86 107 1 输入信号等幅波 iD的平均分量 平均电流增量 6 小信号检波器 二极管的伏安特性 二极管两端电压 电压传输系数 87 107 1 输入信号等幅波 6 小信号检波器 二极管的伏安特性 二极管两端电压 高频基波分量振幅 电压传输系数 输入电阻 电压传输系数Kd和输入电阻Ri都小 88 107 2 输入信号为AM波 6 小信号检波器 1 输入信号等幅波 小信号检波器输出的平均电压 Uav与输入信号电压振幅Um的平方成正比 电压传输系数Kd和输入电阻Ri都小 且还有非线性失真 小信号检波器的缺点 平方律检波器 89 107 小信号检波器的原理电路和波形 90 107 三 同步检波 乘积型和叠加型 1 乘积型 要求 恢复载波与发端的载波同频同相 设输入信号 低通滤波器输出 本地恢复载波 乘法器输出 91 107 三 同步检波 1 乘积型 低通滤波器的输出 分析 有一定的频差 有一定的相差 产生振幅失真 即恢复载波与发射载波同频同相 则 无失真 92 107 2 叠加型 三 同步检波 将DSB或SSB信号插入恢复载波 使之成为或近似为AM信号 再利用包络检波器将调制信号恢复出来 分析SSB信号的叠加型同步检波 设 单边带信号 上边带 为 恢复载波为 二极管端电压 经包络检波器后 输出电压 93 107 2 叠加型 同步检波 图6 50平衡同步检波电路 则总的输出 94 107 如何提取载波 AM波通过限幅器就能去除其包络变化 得到等幅载波信号 这就是所需同频同相的恢复载波 对DSB信号 将其取平方 从中取出角频率为2 c的分量 再经二分频器 就可得到角频率为 c的恢复载波 对于SSB信号 发射导频信号 95 107 作业 6 20 96 107 第三节混频 一 混频的概述 混频 又称变频 也是一种频谱的线性搬移过程 1 混频器的功能 时域波形 频谱图 混频动画4 5 常用的中频数值为 465 455 500kHz 1 1 5 4 3 5 10 7 21 4 30 70 140MHz等 97 1