第6章--振幅调制解调及混频...ppt

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6 4混频器的干扰 振幅调制 调制是利用调制信号的大小去控制高频载频信号的振幅 使其随调制信号波形的变化而呈线性变化 其它参数 频率与相位 不变 振幅调制分类 AMDSBSSB 6 1振幅调制 6 1 1 振幅调制信号分析 6 1 2 振幅调制电路 1 调幅波的数学表示式推导 一 调幅波的分析 a 设调制信号为单频余弦信号载波信号 由振幅调制信号的定义 已调信号的振幅与调制信号u 成正比 则已调信号振幅 6 1 1 振幅调制信号分析 2 普通调幅波的波形图 令 c 0 m 1 a 调制信号为单频余弦波 图中已调波的振幅称为调幅信号的包络 见图示 大小为 当m 1时 调幅信号会出现过调幅失真的现象 所以 m不能大于1 a 调制信号为单频余弦波 3 调幅信号的频谱及带宽 由图看出调幅过程实际上是频谱搬移过程 即将调制信号的频谱搬移到载波附近 成为对称排列在载波频率两侧的上 下边频 幅度均等于 对于单音信号调制已调幅波 从频谱图上可知其占据的频带宽度B 2 或B 2F 2 F b 调制信号为连续频谱信号 b 调制信号为连续频谱信号 对于多音频的调制信号 若其频率范围是 fmin fmax 则已调信号的频带宽度等于调制信号最高频率的两倍 B 2fmax a 语音信号频谱 b 已调信号频谱 4 普通调幅波的功率关系 将作用在负载电阻RL上 a 载波功率 c 在调幅信号一周期内 AM信号的平均输出功率是 因为ma 1 所以边频功率之和最多占总输出功率的1 3 即调幅波中至少有2 3的功率不含信息 从有效利用发射机功率来看 普通调幅波是很不经济的 普通调幅波的产生原理框图 b 发射机的功率利用率不高 AM信号主要特点 a 调制信号的包络反映调制信号的变化规律 二 抑制载波的双边带调幅波 分析 为了克服普通调幅波效率低的缺点 提高设备的功率利用率 可以不发送载波 而只发送边带信号 这就形成了抑制载波双边带信号 简称双边带信号 其数学表达式为 f t DSB信号波形 注意 1 波形在调制信号过零点处出现有180O的相位变化 2 双边带调制信号的包络已不再反映调制信号的变化规律 3 信号既调幅又调相 DSB信号频谱与带宽 其所占据的频带宽度仍为2F 或为调制信号频谱中最高频率的两倍 即 调幅波的产生原理框图 DSB信号的功率 a 由于抑制了载波分量 大大节省了发射机的发射功率 双边带信号主要特点 b 双边带调制信号的包络已不再反映调制信号的变化规律 三 单边带调幅波 上边频与下边频的频谱分量对称 含有相同的信息 若只发送单个边带信号 称之为单边带通信 SSB 单频调制的表达式 或写为 单频调制的波形与频谱图 为了看清SSB信号波形的特点 下面分析双音调制时产生的SSB信号波形 为分析方便 设双音频振幅相等 即 将式6 22进行频谱分解可得 3 双音调制时SSB的表达式 式 6 22 式 6 23 式 6 20 由式 6 22 可以画出SSB的时域波形图 由式 6 23 可以画出SSB的频谱图 4 双音调制时SSB信号的波形和频谱 可见DSB信号是调幅调频波 可见DSB调制是频谱的线性搬移 5 语音信号的频谱图及带宽 其频带宽度为 6 SSB信号的输出功率为 8 单边带信号的主要特点 a 节省发射机的发射功率 b 单边带已调信号的频谱宽度被压缩一半 带宽利用率高 c 双边带调制信号的包络已不再反映调制信号的变化规律 7 单边带调制的实现方法 一是滤波法 二是相移法 下面简单介绍滤波法的原理 下边带 上边带 带通滤波器的带宽要大于或等于调制信号的带宽 三种振幅调制信号对比 6 1 2 振幅调制电路 一 AM调制电路 二 DSB调制电路 三 SSB调制电路 1 高电平调制 低电平AM调制 1 高电平调制 高电平调制主要用于AM调制 这种调制是在高频功率放大器中进行的 通常分为基极调幅 集电极调幅以及集电极基极 或发射极 组合调幅 a 集电极调幅电路 b 基极调幅电路 a 集电极调幅电路 集电极调幅的原理分析 b 基极调幅电路 基极调幅的波形 1 二极管电路 a 单二极管调制电路 b 平衡二极管调制电路 2 利用 单 差分对电路产生普通调幅波 3 利用模拟乘法器产生AM信号电路 低电平AM调制 a 单二极管调制电路 三 SSB调制电路 SSB信号是将双边带信号滤除或抵消掉一个边带形成的 主要有滤波法和移相法两种 1 滤波法 上 下边带通滤波器 中心频率为 fc Fmax 2 带宽为略大于或等于Fmax 由于 0 min 上 下边带间的距离很近 要想通过一个边带而滤除另一个边带 就对滤波器提出了严格的要求 移相法是利用移相网络 对载波和调制信号进行适当的相移 然后相加 从而将其中的一个边带抵消掉而获得SSB信号 2 移相法 1 其依据如下 可写为 同理有 2 移相法产生SSB调制信号原理框图 6 2调幅信号的解调 振幅解调方法可分为包络检波和同步检波两大类 一 调幅解调的方法 振幅解调 又称检波 是振幅调制的逆过程 它的作用是从已调制的高频振荡中恢复出原来的调制信号 从频谱上看 检波就是将幅度调制波中的边带信号不失真地从载波频率附近搬移到零频率附近 因此 检波器也属于频谱搬移电路 包络检波 主要用于普通调幅 AM 信号的解调 主要由二极管和低通滤波器组成 b 同步检波器 主要用于双边带和单边带信号 DSB SSB 的解调 它们都需要用同步的恢复载波信号ur进行解调 同步检波又可以分为乘积型和叠加型两类 2 工作波形图 二 二极管峰值包络检波器 1 原理电路 RC电路 二是作为检波器的负载 在其两端输出已恢复的调制信号 一是起高频滤波作用 故必须满足 式中 c为输入信号的载频 在超外差接收机中则为中频 I 为调制频率 即在理想情况下 RC网络的阻抗Z应为 包络检波器的输出电路 在二极管截止期间 电容C两端电压下降的速度取决于RC的时间常数 检波器的失真 1 惰性失真 为了避免产生惰性失真 必须在任何一个高频周期内 使电容C通过R放电的速度大于或等于包络的下降速度 可得出不失真条件如下 6 60 负峰切割失真 底部切割失真 检波器输出常用隔直流电容Cc与下级耦合 如图所示 Rg代表下级电路的输入电阻 考虑了耦合电容Cc和低放输入电阻Rg后的检波电路 为了有效地传送低频信号 要求 则检波过程中 Cc两端建立了直流电压经电阻R和Rg分压 在R上得到的直流电压为 对于二极管来说 VR是反偏压 它有可能阻止二极管导通 从而产生失真 负峰切割失真波形 为了避免底部切割失真 调幅波的最小幅度Vim 1 ma 必须大于VR 即 图6 44减小底部切削失真的电路 小信号检波器 6 3混频 一 混频的概述1 混频的概念 a 定义 混频也称为变频 是一种频谱线性搬移过程 是指将原信号的各频率分量搬移到新的频率上 混频器有两个输入电压 输入信号us和本地振荡信号uL 其工作频率分别为fc和fL 混频器的输出信号称为中频信号uI 其频率是fc和fL的差频或和频 称为中频fI b 分类 fI fL fc时称为向上变频 输出高中频 用于发射系统 fI fL fc或fI fc fL时称为向下变频 输出低中频 用于接收系统 其中fI fL fc时称为超外差 fI fL fc时称为超内差 c 作用 在通信接收机中 混频电路的作用在于将不同载频的高频已调波信号变换为同一个固定载频 一般称为中频 的高频已调波信号 而保持其调制规律不变 例如 在超外差式广播接收机中 把载频位于535kHz 1605kHz中波波段各电台的普通调幅信号变换为中频为465kHz的普通调幅信号 把载频位于88MHz 10 8MHz的各调频台信号变换为中频为10 7MHz的调频信号 把载频位于四十几兆赫至近千兆赫频段内各电视台信号变换为中频为38MHz的视频信号 变频的优点 由于设计和制作增益高 选择性好 工作频率较原载频低的固定中频放大器比较容易 所以采用混频方式可大大提高接收机的性能 1 变频可提高接收机的灵敏度2 提高接收机的选择性3 工作稳定性好4 波段工作时其质量指标一致性好 变频的缺点 容易产生镜像干扰 中频干扰等干扰 d 混频的波形变换关系 AM超外差 e 混频的频谱变换关系 AM超外差 f 混频器的实现方法原理组成框图 g 三种频谱线性搬移功能频谱变换关系对比图 2 混频器的工作原理 1 乘积型混频器实现模型 6 86 b 若输入已调信号us为AM波 a 设输入到混频器中的输入已调 DSB 信号us和本振电压uL分别为us Uscos tcos ctuL ULcos Lt 采用中心频率不同的带通滤波器 0 s 或 0 s 则可完成低中频混频或高中频混频 2 叠加型非线性混频器模型 设混频器的输入信号为 SSB 高频等幅波us Uscos2 fct本振电压为uL ULcos2 fLt混频电路中的非线性器件的转移特性的幂级数展开式为 i a0 a1u a2u2 a3u3 a4u4 其中u us uL Uscos2 fct ULcos2 fLt 可见 i中含有无限多个组合频率分量 若用带通滤波器取出所需的中频成分 和频 0 s 或差频 0 s 可达到混频的目的 3 混频器的主要性能指标 1 变频增益 变频电压增益定义为变频器中频输出电压振幅UI与高频输入信号电压振幅Us之比 即 6 88 通常用分贝数表示变频增益 有 6 90 变频电压增益越大 越有利于提高接收的灵敏度 2 噪声系数 混频器的噪声系数NF定义为 输入信噪比 信号频率 输出信噪比 中频频率 6 92 噪声系数NF越小越好 3 失真与干扰 要求变频器工作在非线性不太严重的区域 使之既能完成频率变换 又能抑制各种干扰 4 变频压缩 抑制 在混频器中 输出与输入信号幅度应成线性关系 实际上 由于非线性器件的限制 当输入信号增加到一定程度时 中频输出信号的幅度与输入不再成线性关系 如图所示 变频压缩主要是指混频电路在最大输出中频功率时所对应的最大的输入电平 5 选择性 混频器的中频输出应该只有所要接收的有用信号 反映为中频 即fI fL fc 而不应该有其它不需要的干扰信号 但在混频器的输出中 由于各种原因 总会混杂很多与中频频率接近的干扰信号 即对混频器的输出回路的选择性提出了要求 混频器的分类 平衡混频 按器件分 二极管混频器 三极管混频器 场效应管混频器 模拟乘法器混频器 按工作特点分 单管混频 环型混频 从两个输入信号在时域上的处理过程看 叠加型混频器 乘积型混频器 二 混频电路 1 晶体三极管混频器 1 三极管混频器的电路模型 6 93 经集电极谐振回路滤波后 得到中频电流iI 6 94 式中 gC称为变频跨导 gC gm1 2 6 95 6 96 6 97 2 三极管混频器的其它形式 图 a 电路对振荡电压来说是共发电路 输出阻抗较大 混频时所需本地振荡注入功率较小 但因为信号输入电路与振荡电路相互影响较大 直接耦合 可能产生频率牵引现象 图 b 电路的输入信号与本振电压分别从基极输入和发射极注入 产生牵引现象的可能性小 对于本振电压来说是共基电路 其输入阻抗较小 不易过激励 因此振荡波形好 失真小 但需要较大的本振注入功率 图 c 和 d 两种电路都是共基混频电路 在较低的频率工作时 变频增益低 输入阻抗也较低 因此在频率较低时一般都不采用 但在较高的频率工作时 几十MHz 因为共基电路的截止频率f 比共发电路的f 要大很多 所以变频增益较大 因此 在较高频率工作时采用这种电路 三极管混频器优点 有变频增益缺点 1 动态范围较小2 组合频率干扰严重3 噪声较大4 存在本地辐射 二极管混频器优点 1 动态范围较大2 组合频率干扰少3 噪声较小4 不存在本地辐射缺点 无变频增益 2 二极管混频电路 1 二极管平衡混频器 6 98 输出端接中频滤波器 则输出中频电压uI为 6 100 输入信号us为已调信号 本振电压为uL 有UL Us 大信号工作 由第5章可得输出电流为 平衡混频器输出电流的频率成份为 在高质量通信设备中以及工作频率较高时 常使用二极管混频器 其优点是噪声低 电路简单 组合分量少 2 二极管环形混频器 经中频滤波后 得输出中频电压 6 100 6 101 环型混频器输出电流的频率成份为 环形混频器由两个平衡混频器构成 其主要优点是输出中频信号是平衡混频器的两倍 而且抵消了输出电流中的某些组合频率分量 从而减小混频器中所特有的组合频率干扰 目前 许多从短波到微波波段的整体封装二极管环形混频器已作为系列产品 一个用于0 5 500MHz的典型环形混频器 SRA 1双平衡混频器 的外形及电路示于下图 使用时 8 9端外接信号电压 s 3 4端相连 5 6端相连 然后在3 5端间加本振电压 L 中频信号由1 2端输出 此电路除用作混频器外 还可以用作相位检波器 电调衰减器 调制器等 封装环形混频器的外形与电路 前面讲过 混频是由非线性器件完成 其可产生多个组合频率分量 因此 也由此会产生各种干扰和失真 主要类型有 1 干扰哨声2 寄生通道干扰 副波道干扰 3 交叉调制失真4 互相调制失真5 包络失真和阻塞干扰6 倒易混频 6 4混频器的干扰 一 信号与本振的自身组合干扰 干扰哨声 但同时必然有组合频率分量 这些分量落在谐振回路的通频带内 和有用的中频分量一起通过中放进入检波器 并在检波电路中与有用信号产生差拍 这时在接收机的输出端将产生哨叫声 形成有害的干扰 这种干扰称为干扰哨叫 对混频器而言 作用于非线性器件的两个信号为输入信号us fc 和本振电压uL fL 则非线性器件产生的组合频率分量为 这样 能产生中频组合分量的信号频率 本振频率与中频之间有下列关系 p q为正整数或零 其中 p q 1时形成中频 如果取fc fL fI 可得 6 106 表6 1 fc fI与p q的关系表 当取fL fc fI时 上式变为 6 105 fc fI称为变频比 存在这种干扰的条件是 可见 1 接收信号的频率是中频的整数倍或分数倍 即产生干扰哨声 2 接收的信号频率越接近中频 干扰越强 其它信号可忽略 解决的办法 a 选择合适的中频值 如 避开 将中频移到接收信号频段以外 b 选择合适的混频电路 减少组合频率分量 如乘法器 二 外来干扰与本振的组合干扰 寄生通道干扰 副波道干扰 意思是 接收机在正常接收某电台信号时 接收到的电台信号送入混频器与本振信号混频产生中频 进入中频放大器放大 然后检波 形成声音 但同时接收机也还会收到其它无关电台的频率信号 若其与本振混频也产生中频 则它会与有用的中频信号一起被放大 检波 形成干扰信号的声音 表现为串台 还可能夹杂着哨叫声 这种干扰就叫寄生通道干扰 设干扰电压为uJ t UJcos Jt 频率为fJ 所以形成干扰的条件是 干扰信号也能产生中频 即 外来干扰的示意图 在这种情况下 混频器的输入 输出和本振的示意图见图 用fL fc fI 超外差 fL fc fI 代入上式 可得 6 107 产生最强的干扰 一是中频干扰 二是镜像频率干扰 1 中频干扰 当 即时的干扰 2 镜像频率干扰 当 即的干扰 3 组合副波道干扰 当 即的干扰 1 中频干扰 当干扰频率等于或接近于接收机中频时 如果接收机前端电路的选择性不够好 干扰电压一旦漏到混频器的输入端 混频器对这种干扰相当于一级 中频 放大器 放大器的跨导为gm t 中的gm0 从而将干扰放大 并顺利地通过其后各级电路 就会在输出端形成干扰 抑制中频干扰的措施 a 提高前端的选择性 b 加中频陷波电路 c 将中频选在接收频段以外 2 镜像干扰 设混频器中fL fc 当外来干扰频率fJ fL fI时 uJ与uL共同作用在混频器输入端 也会产生差频fJ fL fI 从而在接收机输出端听