CH5振幅调制信号及混频

2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,1,第5章振幅调制、解调及混频,5.1概述5.2振幅调制一、振幅调制信号分析二、振幅调制电路5.3调幅信号的解调5.4混频5.5混频器的干扰,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,2,(1)调制：用调制信号去控制载波信号的某一个参量的过程。,定义：,信号,载波信号：（等幅）高频振荡信号,正弦波,方波,三角波,锯齿波,调制信号：需要传输的信号（原始信号）,语言,图像,密码,已调信号（已调波）：经过调制后的高频信号（射频信号）,(2)解调：调制的逆过程，即从已调波中恢复原调制信号的过程。,51概述,休息1,休息2,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,3,(7)振幅调制分三种方式：,（5）相位调制：调制信号控制载波相位，使已调波的相位随调制信号线变化。,（6）解调方式：,（4）频率调制：调制信号控制载波频率，使已调波的频率随调制信号线性变化。,（3）振幅调制：由调制信号去控制载波振幅，使已调信号的振幅随调制信号线性变化。,休息1,休息2,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,4,一：振幅调制信号的分析,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,5,1：振幅调制的基本概念,定义：让要传送的低频信号去控制高频载波信号的振幅，使之按调制信号的规律变化而变化的过程。,设调制电压为：,载波电压信号为：,则已调波信号为：,满足c。,振幅受调制信号控制,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,6,定义：已调信号的振幅随调制信号u线性变化时的调制，称为普通调幅，记为AM调制。,2、AM调制,(1)AM波的数学表达式,已调波的振幅中调制信号的线性函数。,调幅指数,调幅系数,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,7,上面的分析是在单一正弦信号作为调制信号的情况下进行的，而一般传送的信号并非为单一频率的信号，例如是一连续频谱信号f(t)，这时，可用下式来描述调幅波:,上式中，f（t）是均值为零的归一化调制信号，|f（t）|max=1。若将调制信号分解为,则调幅波表示式为,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,8,(2)AM调幅波的波形频谱与带宽,调制信号,载波信号,AM波信号，且ma1,图61AM调制过程中的信号波形,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,9,AM频谱与带宽,因调幅波不是一个简单的正弦波形。在单一频率的正弦信号的调制情况下，调幅波如式用三角公式展开,信号的带宽为调制信号最高频率的两倍。,图64单音调制时已调波的频谱（a）调制信号频谱（b）载波信号频谱(c）AM信号频谱,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,10,图62实际调制信号的调幅波形,调制信号与AM信号的频谱。,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,11,AM信号在负载电阻RL上消耗的载波功率为,在负载电阻RL上，一个载波周期内调幅波消耗的功率为,(3)AM调幅波的功率,由此可见,P是调制信号的函数，是随时间变化的。,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,12,上、下边频的平均功率均为,AM信号的平均功率,边频,由上式可以看出，AM波的平均功率为载波功率与两个边带功率之和。而两个边频功率与载波功率的比值为,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,13,同时可以得到调幅波的最大功率和最小功率，它们分别对应调制信号的最大值和最小值为,两边频占AM信号的平均率比值为,例：当ma=1，33.3%当ma=0.3,4%故AM调制的有用信号的功率利用率太低。,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,14,(4)、AM波的实现模型,图63AM信号的产生原理图,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,15,(5)AM调制的特点,优点：调制与解调实现简单方便，特别是解调简单，适合于点对多点的通信。缺点：功率利用率低，信号的频谱带宽较大。改进方法：取消占大多数功率而不含信号的载波分量,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,16,在AM调制过程中，将载波抑制就形成了抑制载波双边带信号，简称双边带信号。它可用载波与调制信号相乘得到，其表示式为,在单一正弦信号u=Ucost调制时,2、双边带(DSB)信号,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,17,图66DSB信号波形,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,18,DSB信号的特点,(1)DSB信号的包络正比于调制信号,(2)DSB信号载波的相位反映了调制信号的极性，即在调制信号负半周时，已调波高频与原载波反相。因此严格地说，DSB信号已非单纯的振幅调制信号，而是既调幅又调相的信号。,(3)DSB波的频谱成份中抑制了载波分量，全部功率为边带占有，功率利用率高于AM波。,(4)占用频带,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,19,单边带(SSB)信号是由双边带调幅信号中取出其中的任一个边带部分，即可成为单边带调幅信号。其单频调制时的表示式为：,上边带信号,下边带信号,3单边带(singlesidebandSSB)信号,（1）.SSB信号的性质,在现代电子通信系统的设计中，为节约频带，提高系统的功率和带宽效率，常采用单边带（SSB）调制系统,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,20,由DSB信号经过边带滤波器滤除了一个边带而形成，如：,上边带信号,下边带信号,（2）.单边带调幅信号的实现,：滤波法,有三种基本的电路实现方法：滤波法、相移法和移相滤波法：,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,21,另外由三角公式：,：相移法,利用上三角公式的实现电路如下图所示：,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,22,移相滤波法是将移相和滤波两种方法相结合，并且只需对某一固定的单频率信号移相900，从而回避了难以在宽带内准确移相900的缺点。,：移相滤波法,移相滤波法实现单边带调幅的电路框图,u=sint,u1=sintsin1t,u2=sintcos1t,u3=cos(1-)t,u4=sin(1-)t,u5=cos(1-)tsinct,u6=sin(1-)tcosct,u5+u6,u5-u6,相加器输出电压：uSSBL=u5+u6=sin(c+1)-t=sinc1-t,相减器输出电压：uSSBU=u5-u6=sin(c-1)+t=sinc2+t,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,23,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,且21,则可以写成下式:,受u调制的双边带信号为,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,24,进一步展开,图双音调制时SSB信号的波形和频谱,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,25,由式（617）和式（618），利用三角公式，可得uSSB(t)=Ucostcosct-UsintsinctuSSB(t)=Ucostcosct+Usintsinct这是SSB信号的另一种表达式,由此可以推出u(t)=f(t),即一般情况下的SSB信号表达式,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,26,由于,sgn()是符号函数，可得f(t)的傅里叶变换,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,27,图610希尔伯特变换网络及其传递函数,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,28,图611语音调制的SSB信号频谱(a)DSB频谱(b)上边带频谱(c)下边带频谱,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,29,二、振幅调制电路,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,30,振幅调制电路实现,1、振幅调制电路的基本组成要求,非线性器件产生新的频谱分量。,选频网络选出所需的频谱分量。,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,31,1、AM调制电路的实现模型,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,32,图612集电极调幅电路,2、集电极调幅,电路组成：A：主电路是一个高频放大器B：高频功放的输入信号是载波。C：高功放的集电极电源是Ec0+调制信号。D：调制信号的频率比载波信号的频率低得多。,E：在载波信号一周内，集电极电源电压基本不变。F：工作在过压状态。,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,33,图613集电极调幅的波形,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,34,图614基极调幅电路,3、基极调幅电路,电路组成及要求：A：主电路是一个高频放大器B：高频功放的输入信号是载波。C：高功放的集电极电源是Ec。D：高功放的基极偏置电压是调制信号与自偏压的综合。E：调制信号的频率比载波信号的频率低得多。F：调幅时高功放工作欠压状态。,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,35,图615基极调幅的波形,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,36,4、二极管低电平调制,(1)、单二极管电路。可以完成AM信号的产生。当UCU时，流过二极管的电流iD为,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,37,包含有AM信号的频谱成份。,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,38,5、模拟乘法器产生普通调幅波,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,39,将uC加至uA，非线性通道将u加到uB，是线性通道,AM信号的频谱,m=U/Eex=UCVT,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。,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,40,图617差分对AM调制器的输出波形,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,41,DSB调制电路,1、DSB调制的实现模型,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,42,2、二极管平衡调幅实现(DSB),电路组成：A：两只对称的二极管作为非线性元件。B：输入输出变压器，中心抽头。C：带通滤波器输出DSB信号频谱。注意：只能产生AM信号，不能产生DSB信号。二极管平衡电路和二极管环形电路可以产生DSB信号。,图619二极管平衡调制电路,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,43,对电流进行频谱分析知，信号中包含中载波与调制信号的和频与差频，但是没有纯载频分量。故只能实现DSB调制，不能实现AM调制。,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,44,iL中包含分量和(2n+1)c(n=0,1,2,)分量，若输出滤波器的中心频率为fc，带宽为2F，谐振阻抗为RL，则输出电压为,典型的双边带调制信号的数学表达示。,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,45,图620二极管平衡调制器波形,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,46,图621平衡调制器的一种实际线路,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,47,3、二极管环形调幅,电路组成：A：四只对称的二极管产生新的频谱分量。B：输入输出为两个变压器，中心抽头C：输出回路的负载RL就、为选频网络，RL是中心频率处的阻抗值。,注意：环形电路的频谱分量比平衡电路的频谱分量少了一个直流分量，但其余频谱幅度加倍。,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,48,在u1=u，u2=uC的情况下，调制电压反向加于两桥的另一对角线上。,经滤波后,有,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,49,如果忽略晶体管输入阻抗的影响，输出电压为,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,50,图622双平衡调制器电路及波形,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,51,图623双桥构成的环形调制器,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,52,5、双平衡模拟乘法器实现DSB,电路组成：A、双平衡的模拟乘法器B：调制信号从线性通道加入。载波信号从非线性通道加入。,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,53,式中,I0=Ee/Re,m=UC/Ee,x=U/VT。经滤波后的输出电压uo(t)为,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,54,图624差分对DSB调制器的波形,双差分对电路的差动输出电流为,若U、UC均很小,上式可近似为,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,55,图625双差分调制器实际线路,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,56,SSB信号是将双边带信号滤除一个边带形成的。根据滤除方法的不同，SSB信号产生方法有好几种。主要有滤波法和移相法两种。(1)、滤波法先获得DSB信号，然后利用滤波器选出一个边带。这种方法的难点是不容易获得一个相对理想的单边带滤波器。(2)、移相法-利用移相网络，对载波和调制信号进行适当的相移，以便在相加过程中将其中的一个边带抵消而获得SSB信号。,4、SSB调制电路,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,57,图626滤波法产生SSB信号的框图,(1)滤波法实现SSB,2020/6/14,湖北大学物电学院余琼蓉,58,图627理想边带滤波器的衰减特性,2020