第4章-振幅调制与解调..ppt

2020/5/2,1,第四章模拟振幅调制和解调,光学与信息工程学院通信工程系,2,概述,调制：在发射端将调制信号从低频段变换到高频段,便于天线发送或实现不同信号源、不同系统的频分复用解调：在接收端将已调波信号从高频段变换到低频段,恢复原调制信号。按载波波形分：脉冲调制：脉幅调制(PAM),脉宽调制(PDM)和脉位调制(PPM)正弦波调制：调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)本章内容：原理、电路组成(混频、调制、解调(检波),3,4.1调幅信号的基本特性,振幅调制的方式,AM(标准振幅调制),DSBAM(抑制载波的双边带振幅调制),SSBAM(抑制载波的单边带振幅调制),VSBAM(残留边带振幅调制),4,4.1调幅信号的基本特性AM,标准振幅调制(AM)用低频调制信号去控制高频正弦波(载波)的振幅,使其随调制信号波形的变化而呈线性变化。组成模型,设载波信号为,调制信号为,已调信号为,5,4.1调幅信号的基本特性AM,单音调制,假设,ma为调幅系数,6,4.1调幅信号的基本特性AM,若01时,晶体三极管工作在放大区时的转移特性曲线的指数函数表达式为：,其中：Is为发射极反向饱和电流；热电压UT26mV,26,4.2调幅电路乘法器,交流状态下,可得：,27,单差分放大器,4.2调幅电路乘法器,若，恒流源电路是受电压u2控制的受控恒流源,28,4.2调幅电路乘法器,u1为小信号时，uo中含两输入电压的相乘项,u1为中等大小信号时，thx用傅立叶系数展开；u1为大信号时，thx近似双向开关函数，不管u1大小如何，uo中都含两输入电压的相乘项，因此单差分电路可用于调制、解调、混频等频谱搬移的场合；,uo与u2呈线性关系，即下输入端为线性。uo与u1为双曲正切关系，即上输入端是非线性，将产生高次谐波。减小上输入端信号电平，将改善非线性uo不仅有相乘项，还有其他成分，因此单差分对乘法电路不是理想的乘法器；,29,4.2调幅电路乘法器,双差分对乘法电路,双差分电路,30,4.2调幅电路乘法器,具有射极反馈电阻的双差分对乘法电路加入负反馈电阻解决输入信号线性范围太小的问题,RE远大于V5、V6的发射结电阻re,u2不是以双曲正切函数自变量的形式出现在输出电压表达式中，对u2取值只受限于受控恒流源。,为了保证ic5、ic6始终大于零，u2的动态范围为,31,4.2调幅电路乘法器,常用的单片集成模拟乘法器Motorola公司MC1496/1596(国内同类型号是XFC-1596),MC1495/1595(国内同类型号是BG314)和MC1494/1594,32,在脚间接入负反馈电阻Ry，ux小于26mV时,加入负反馈电阻Ry以后，uy的动态范围可以扩大，但ux的幅度大小仍受限制。,Motorola公司MC1496/1596,33,4.2调幅电路乘法器,X通道两输入端、脚直流电位为6V,可作为载波输入通道,Y通道两输入端、脚之间外接有调零电路,可通过调节50k电位器使脚电位比脚高UY,调制信号u(t)与直流电压UY迭加后输入Y通道,输出端、12脚外应接调谐于载频的带通滤波器,也可作为双边带调幅电路,区别在于调节电位器的目的是：使Y通道、脚之间的直流电位差为零,即Y通道输入信号仅为交流调制信号,34,4.2调幅电路二极管开关调幅,单个二极管调制二极管内部特性iD=f(uD),二极管可看成一个受输入电压控制的开关，等效电路,35,4.2调幅电路二极管开关调幅,开关调幅开关函数法,二极管受vc(t)的控制,工作在开关状态。,36,4.2调幅电路二极管开关调幅,37,4.2调幅电路二极管开关调幅,38,4.2调幅电路二极管平衡调幅器(AM,DSB,SSB),等效,二极管特性实际是指数曲线，所以实际单个二极管调制电路中存在着非线性失真。为了减小失真，采用了平衡对消技术，将两个完全相同的单个二极管调制器电路组成平衡式二极管调制器。,39,4.2调幅电路二极管平衡调幅器,经滤波，得到,用于产生DSB波、SSB波,40,4.2调幅电路二极管平衡调幅器,例：二极管平衡调制器如图所示，已知(1)写出vo(t)=?(2)若vc与v位置互换，输出vo(t)=?(3)若将此电路产生SSB信号，电路应如何变化?,41,4.2调幅电路二极管平衡调幅器,经滤波后，输出电压vo(t)为：,是DSB信号,42,4.2调幅电路二极管平衡调幅器,AM信号,43,4.2调幅电路二极管平衡调幅器,(3)通过滤波器产生SSB信号,滤波器要求：,44,4.2调幅电路环形调制器(双平衡调制器）,为进一步提高调制器的质量、减少失真，可将两个完全相同的单平衡二极管调制器组合，再一次对消，构成双平衡二极管调制器。,等效,45,4.2调幅电路环形调制器(双平衡调制器）,46,4.2调幅电路环形调制器(双平衡调制器）,47,4.3包络检波,检波（解调）：从已调波中提取，恢复调制信号,振幅检波(a)AM调幅波及其频谱；(b)检波输出波形及其频谱,48,4.3包络检波,包络检波：要从AM调幅波中提取振幅变化的信息，可以首先将AM调幅波变成单极性信号，之后再从单极性信号中取出它的平均值或峰值。,49,4.3包络检波-原理,大信号峰值包络检波器二极管峰值包络检波器将单极性信号通过电阻和电容组成的惰性网络，取出单极性信号的峰值信息输入信号振幅较大0.5V；二极管处于受控开关状态,二极管导通，信源us对C充电，充电时常数约等于RDC，RDC小，C充电快二极管截止，电容C通过电阻RL放电，RLC大，C放电慢,峰值包络检波器电路,50,4.3包络检波-原理,峰值包络检波器电路,如果us是调幅波，则u0随调幅波的包络线而变化，从而获得调制信号，完成检波作用如果us是高频等幅波，则u0为直流电压；,51,4.3包络检波电路,对检波器的要求电压传输系数（检波效率）描述检波器将高频调幅波转换为低频电压的能力。输出低频电压振幅与输入高频电压包络线的振幅之比，实际上是输出平均电压V0与输入载波电压振幅之比,越大越好,52,4.3包络检波电路,检波效率（电压传输系数）Kd二极管导通与否,不仅与输入电压us有关,还取决于输出电压uo,即输出信号有反馈作用；充放电过程交替中，除起始几个周期外,二极管导通时间均在输入高频振荡信号的峰值附近,且时间很短,或者说,其导通角很小；导通角越小,uo曲线与us的包络线越接近。若趋近于0,则uo曲线就几乎完全反映了us的包络线即调制信号波形,此时检波效率最高,失真最小,峰值包络检波器电路,53,4.3包络检波电路,导通角由二极管的电导gD和电阻RL确定，增大负载电阻可提高检波器的检波效率,二极管峰值包络检波器的电压传输系数Kd近似等于cos。导通角越小，电压传输系数越高。,54,4.3包络检波电路,输入阻抗检波器前级是中频放大器，检波器的输入阻抗就是中频放大器的负载，直接影响中频放大器的性能。检波器输入阻抗中的电抗分量可以归入中频放大器的中频谐振回路，作为回路的一部分考虑；输入电阻分量直接影响中频谐振回路的品质因数和放大器负载的轻重。输入电阻越大，谐振回路品质因数越大，带宽越窄，放大器负载越轻；,检波器与中频放大器的级联,55,4.3包络检波电路,输入阻抗,检波电容C很大，对高频呈现的阻抗近似为零，所以Xi很小,增大负载电阻可提高检波器输入电阻Ri,尖顶余弦脉冲序列的分析方法,在导通角很小的时候，,56,4.3包络检波电路,检波失真检波特性的非线性引起的失真检波器输入为一等幅高频正弦波时，输出为直流电压。输出直流电压幅度Vo与输入高频电压幅度Vim之间的关系叫检波特性。由于二极管的伏安特性是指数曲线，二极管的内阻RD随二极管两端的电压uD的增加而减小，因此输出电压uo就会随RD的减小而增加，检波特性就会随输入电压幅度Vim的增加而向上翘,电阻RL应选取足够大，以减小检波特性非线性引起的失真,57,4.3包络检波电路,例：检波电路如图所示,画出RC两端，Rg两端，Cg两端，二极管两端的电压波形。,58,4.3包络检波电路,二极管在vs负半周导通，因此检波应是调幅波vs的下包络。,59,60,4.3包络检波,惰性失真(Failure-FollowDistortion)从充放电的观点来看，增大RL和C值，可以提高检波效率和滤波能力。但RL、C过大，二极管放电速度跟不上调幅波包络的下降速度，输出电压就会产生失真。通常将这种失真称为惰性失真。,61,4.3包络检波,62,4.3包络检波,为了避免产生惰性失真，C通过RL放电速度必须大于或等于包络的下降速度。,C通过RL放电规律,在Kd1的条件下，t1时刻电容两端的电压t1时刻以后二极管截止，电容放电,63,4.3包络检波,保证A取最大值时满足A1取A对t1时刻的导数，并令其为零，可知当cost=-ma时，A取最大值。得单音调制时不产生惰性失真的充要条件：,或ma大,则包络线变化快，RLC大，则放电慢，都可能发生惰性失真,负峰切割失真（割底失真）检波器输出与下级放大器连接时，常采用下图所示电路。为有效地将检波后的低频信号耦合到下一级电路,要求耦合电容CC的容抗远远小于RL,所以CC值很大vo(t)中的直流分量Vo几乎都落在CC上,当检波系数Kd1时，这个直流分量的大小近似为输入载波的振幅Vim。所以CC等效为一个电压为Vim的直流电压源。此电压源在R上的分压为：,64,4.3包络检波,CC隔直电容，避免vo(t)中的直流分量影响下级放大器的静态工作点。RL为下一级输入阻抗,65,4.3包络检波,检波器处于稳定工作时,其输出端R上将存在一个固定电压VR。当输入调幅波vi(t)的值小于VR时,二极管将会截止。电平小于VR的包络线不能被提取出来,出现了失真。这种失真出现在调制信号的底部,故称为底部切割失真,66,4.3包络检波,ma过大，也容易发生割底失真为了避免出现负峰切割失真，在设计检波器时应尽量使检波器的交流负载阻抗接近于直流负载阻抗,67,4.3包络检波,在实际电路中，可以采取各种措施来减少交、直流阻抗值的差别。,RL2相对越小，交直流负载的差别就越小；但由于RL1和RL2的分压作用，输出的低频电压也减小；通常，两者比值在0.10.2。,4.3包络检波,例:已知普通调幅信号载频fc=465kHz,调制信号频率范围为300Hz3400Hz,ma=0.3,RL=10k,如何确定下图所示二极管峰值包络检波器有关元器件参数。,68,1)检波二极管通常选正向电阻小(500以下)、反向电阻大(500k以上)、结电容小的点接触型锗二极管,注意最高工作频率应满足要求。,2)电容C对载频信号应近似短路,故应有通常取,3)为避免惰性失真，应有，代入已知条件可得(1.73.4)10-6RC0.1510-3,4.3包络检波,69,4)设，则。为避免底部切割失真,应有maR/R,其中R=R1+R2RL/(R2+RL)。代入已知条件,可得R63k。,5)因为检波器的输入电阻Ri不应太小,而Ri=R/2,所以R不能太小。取R=6k,另取C=0.01F,这样,RC=0.0610-3,满足第一步对时间常数的要求。因此,R1=1k,R2=5k。,70,4.4同步检波（相干检波）（SynchronousDetector）,主要用来解调双边带和单边带调幅(DSB、SSB),71,4.4同步检波,乘积检波电路,本地恢复载波vr必须与输入信号保持严格同步：同频同相,72,4.4同步检波,MC1596,MC1596构成的乘积型检波器,ur,73,4.4同步检波,叠加型同步检波,DSB，SSB信号中插入恢复的本地载波ur，使之成为或近似成为AM信号，再利用包络检波器恢复调制信号本地载波ur振幅要大于us的振幅,74,4.4同步检波,75,4.4同步检波,合成信号的振幅与调制信号cost近似成线性关系,76,4.4同步检波,平衡同步检波：抵消2以及高次偏移谐波分量,4.4同步检波,如图所示为一乘积检波，恢复载波试求在下列两种情况下输出电压的表达式，说明完成什么信号的检波，是否失真。(1)(2),77,相乘器,低通滤波器,ui,uA,uo,ur,解:(1)乘法器的输出,经低通滤波器滤波，输出,如果是常量，则相当于一个幅度的衰减因子，若随时间变化，则失真。,4.4同步检波,78,(2)乘法器的输出,经低通滤波器