第8章 (模电)频率变换电路：振幅.ppt

1、第8章 频率变换电路,8.1 信号变换概述 8.2 振幅调制解调电路 8.3 角度调制与解调 8.4 混频、倍频和锁相环路 本章小结,高频电子线路,通信系统直接完成信息的传递任务，传递信息既可以通过有线信道，也可以通过无线信道。 无线通信是将经过处理的信息（大多转换为电信号或光信号形式）从一个地方经空间传递到另一个地方。为了使我们获取的声音或图像信号，能不失真地传递到其它地方，需要对声音或图像信号做一些处理，使代表这些信息的电信号变换成有利于传输的信号。这就是通信系统的基本功能,8.1 信号变换概述,在电子技术中，有时需要频率变换，例如调幅、检波、混频等。 频率变换，就是输出信号的频率与输入信

2、号的频率不相同，而且满足一定的变换关系。 进行频率变换必须利用非线性器件。非线性器件可采用二极管、三极管、场效应管、差分对管及模拟乘法器。,信息的传输过程 一个完整的通信系统 框图如下：,图8.2是无线通信系统基本组成的方框图,所谓调制，就是用欲传输的的信号（称为调制信号）去控制另一个信号（如光、高频电磁波等）的某一参数（振幅、频率或相位），使该参数随调制信号的变化而变化。也就是把所要传送的信号“附加”在高频振荡信号上，再由天线发射出去。,2、调制与解调, 载波：高频振荡波 载频：载波的频率 调制：将低频信号“装载”在载波上的过程。即用低频信号去控制高频振荡波的某个参数，使高频信号具有低频信号

3、的特征的过程。 已调波：经调制后的高频振荡波。 解调：从已调信号中取出原来的信息。 调制信号：低频信号（需传送的信息）。,为什么要调制,1.其一是提高频率以便于辐射。信号不调制进行发射天线太长，无法架设。 2.其二是实现信道复用，提高信道利用率。信号不调制进行传播会相互干扰，无法接收。 3.其三是改善系统性能 .通过调制将信号变换，使它占有较大的带宽，可以提高抗干扰性。,3. 混频电路,混频的概念 将频率为fc的高频已调载波信号不失真地变换成频率为fI的中频已调信号。（调制规律不变） 。 fI 、 fc之间的关系为 fI fc + fL fc fL fc fL fI fL fc fL fc f

4、I fC的混频称为上混频， fI fC的混频称为下混频。调幅广播收音机一般采用下混频，它的中频规定为465kHz。,三、调制的方式,模拟调制有以正弦波为载波的幅度调制和角度调制。 幅度调制，调制后的信号频谱和基带信号频谱之间保持线性平移关系，称为线性幅度调制（振幅调制、解调、混频） 角度调制中，频谱搬移时没有线性对应关系，称为非线性角度调制。（频率调制与解调电路）,8.2 振幅调制与解调电路一、普通调幅（AM）, 什么是调幅？ 载波的振幅值随调制信号的大小作线性变化，称为振幅调制，简称调幅（AM） 2. 普通调幅电路模型,3.普通调幅信号的表达式,设载波uCUCmcoswCt 调制信号uUmc

5、ost 则uoA（ uC Am uC u ） Uom（1 kaUmUom cost）coswCt Uom（1ma cost）coswCt ma kaUmUcm调幅系数 ka是取决于调幅电路的比例常数。,4.调幅波的波形,ma (a-b)/(a+b) ,调幅系数不同时的已调波波形,0Ma 1,5.调幅波的频谱及其带宽,（1）单音频调幅波 uo Uom（1ma cost）coswCt UomcoswCtmaUom/2cos（wC+）t maUom/2cos（wC- ）t BW=（ fc+F）-（fc-F）=2F,（2）多音频调幅波,若uU1mcos1 t+U2mcos2t +Unmcos nt 则

6、uo Uom（1ma1 cos 1t+ ma2 cos 2t + man cos nt ）coswCt 带宽 BW=2 Fmax,6.调幅波的功率关系,（1）载波功率 Pc =U2cm / （2 RL ） （2） 上、下边频功率 P上= P下=（maUCm/2）2 /（2 RL） = m2a U2cm / （8 RL ） = m2a Pc / 4 （3）总边频功率 P= m2a Pc / 2 （有用的功率） （4）总平均功率Pa=Pc+P =（1+ m2a / 2）Pc,例题,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， P= 50W、

7、Pa=150W、 ma = 0.3 时， P= 4.5W、 Pa=104.5W）,7.调幅波的几种调制方式,普通调幅（AM）：含载频、上、下边带 双边带调幅（DSB）：不含载频 单边带调幅（SSB）：只含一个边带 残留单边带调幅（VSB）：含载频、一个边带,2）DSB信号数学表达式及频谱宽度,uo Am uC u Am Umcost UCm coswCt 1 /2 Am Um UCm cos（wC+）t cos（wC- ）t 频谱宽度BWDSB =2F,（3）DSB的波形,3.单边带调制（SSB）,（1）频谱宽度 BWSSB =F （2）单边带信号产生方法常用滤波法、移相法。 滤波法是在DSB

8、调制后加一带通滤波器，滤除一个边带，即可得到SSB已调波。 移相法调制电路由两个乘法器、两个90相移器和一个加法器组成。,8.2.2 振幅解调电路,从已调波中提、恢复调制信号的过程，称为解调，通常也称为检波。 完成解调的电路称为解调器或检波器。,解调器的频谱变换,8.1.3 混频电路,一、混频的概念 将频率为fc的高频已调载波信号不失真地变换成频率为fI的中频已调信号。（调制规律不变） 。 fI 、 fc之间的关系为 fI fc + fL fc fL fc fL fI fL fc fL fc fI fC的混频称为上混频， fI fC的混频称为下混频。调幅广播收音机一般采用下混频，它的中频规定为

9、465kHz。,二、混频器组成框图及工作原理 组成框图, 工作原理,两个不同频率的高频电压作用于非线性器件时，经非线性变换，电流中包含直流分量、基波、谐波、和频、差频分量等。其中差频分量fLo-fs就是混频所需要的中频成分，通过中频带通滤波器把其它不需要的频率分量滤掉，取出差频分量完成混频。 若同一个非线性器件既完成混频、又作为本地振荡，则这个混频器通常称为变频器。,高频电子线路,第8章 信号变换一：振幅调制、 解调与混频电路 8.2 振幅调制电路,8.2.2 振幅调制电路,振幅调制按其功率的高低可分为低电平调制和高电平调制。 低电平调制主要用来实现双边带和单边带调制，目前应用最广泛的低电平调

10、制电路有：双差分对模拟乘法器调幅、二极管环形调幅器调幅。 高电平调制主要用于实现普通调幅波调制，它主要用在调幅发射机的末端。,1 模拟乘法器调幅电路一、乘法器的电路符号,2. FZ4相乘器的相乘特性,Uo4UxUyRC/（I3RxRy）=KUxUy,如果调节RP使1、4之间的直流电位相等，即1端子上只有调制信号u(t)，就实现了u(t)与uc(t)的直接相乘,图3.10电路也可获得抑制载频的双边带调幅信号输出。,2 高电平调幅电路基极调幅 原理图要实现基极调幅，应工作在欠压状态,各元件作用,T1：高频变压器 T2：低频变压器 T3：输出变压器 C1：低频旁路 C2：高频旁路、低频开路 CE：交

11、流旁路 RE、RB1、RB2：偏置电阻 EB0=RB2EC/（RB1+RB2）-IERE L、C回路：带通滤波器把AM信号取出,集电极调幅原理图为实现集电极调幅，应工作在弱过压状态,8.2.3 振幅解调电路,按解调方法分有包络检波和同步检波。 包络检波是指检波器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方法。这种方法只适用于AM波。 同步检波是本地载波和发送载波必须保持同频同相，即完全同步的检波方法。它对于AM、DSB、SSB、VSB都适用，但解调AM信号比包络检波复杂，所以很少采用。,包络检波器的输入与输出波形,1 二极管包络检波电路一、二极管包络检波电路的工作原理, 原理图 要求：1/wcCL

12、RL 滤去高频 1/CL RL 取出低频 即低通滤波器, 工作原理（输入信号大于0.5v） 检波过程,ui正半周时，二极管导通，即输入电压ui对CL充电。由于二极管正向电阻很小，故充电时间常数小，很快充到输入电压峰值，充电电压相对二极管是附加了反向偏置uo ，当ui下降到小于充电电压uo时，二极管截止， CL向RL放电，由于RL很大，放电时间常数大，故CL上电压还没下降多少，输入信号ui下一个周期又来到，充电、放电 如此循环，直到电容上的充放电达到平衡。, 输入AM信号时检波器工作过程,检波过程,以上检波过程，实际上是二极管在端电压ui-uo的作用下，依次导通、截止，使得流过的电流为尖顶余弦脉

13、冲，其中含有直流分量、低频调制分量、高频基波分量及各次谐波分量。由低通滤波器滤除高频基波和各次谐波分量，保留下与包络变化规律相对应的低频电压信号。 结论：利用二极管的单向导电性和检波负载电阻、电容的充放电过程来完成检波任务。,二、二极管包络检波电路中的失真,1. 对角线失真（惰性失真） 原因：RLCL选得太大，放电太慢，跟不上输入信号包络线的变化 2. 底部切割失真（负峰切割失真） ,1. 对角线失真（惰性失真）,1. 对角线失真（惰性失真）,调制信号越高、 ma越大，则包络下降速度越快，越易产生惰性失真 为避免产生惰性失真 RLCL1- m2a / （maxmma ）,2. 底部切割失真（负

14、峰切割失真）,是指耦合电容Cc通过电阻RL放电，对二极管引入一附加偏置电压，导致二极管截止而引入的失真。,底部切割失真（负峰切割失真）,2. 底部切割失真（负峰切割失真）,为避免负峰切割失真，应满足 UCm（1ma ）RLUCm/（RL+RL） 即maRL/（RL+RL）=R /RL R RL / RL 为低频交流负载电阻， RL为检波器的直流负载电阻。 可见检波器的负峰切割失真产生的原因是检波器交、直流负载电阻不等造成的。,减小交、直流负载电阻值差别的检波电路,2. MC1596构成的同步检波,本地载波必须与发送载波 同频同相，即完全同步。,图3.17同步检波原理图 (a)原理图；(b)频谱

15、图,经低通滤波器滤除高频分量，即可获得低频信号输出。,MC1596接成同步检波器,高频电子线路,8.4 混频电路,一、混频器组成框图及工作原理 组成框图,二、对混频器的主要要求, 混频增益高 混频增益是指混频器输出中频电压振幅与输入的高频电压振幅之比。 A 20lg（UI Us）或 G20lg（PI Ps） 2. 失真和干扰要小（各种组合频率分量引起） 3. 噪声系数NF小 NF =10 lg（Ps / PN ）/（PI / PN ） 4. 选择性好、工作稳定性好,8.4.1 混频电路,混频电路按所用器件分： 二极管混频器、晶体三极管、场效应管、 差分对管 混频电路按工作特点分： 单管混频器、

16、平衡 、环形,一、晶体三极管混频电路 1. 混频电路的基本形式(书中P123),共e：b极输入、b极注入/ b极输入、e极注入 共b：e极输入、e极注入 / e极输入、b极注入, 工作原理,信号电压和本振电压串联后，加在管子发射结be上，利用ic和ube的非线性关系即ica0a1（uLo+us）a2（uLo+us）2 进行频率变换，输出电流中包含直流分量、基波分量、谐波、和频、差频分量，通过LC并联谐振回路这一中频带通滤波器取出差频分量，完成混频。,3. 三极管混频电路,实用混频电路（1）自激式变频电路,（2） 他激式混频电路,二、二极管平衡混频电路 原理图及等效电路, 工作原理,u1=uLo

17、+ us i1a0a1u1 a2u12 u2=uLo- us i2a0a1u2 a2u22 i1a0a1（ uLo+ us）a2（ uLo+ us）2 i2a0a1（ uLo- us）a2（ uLo- us ）2 i1-i22a1us+4a2usuLo+6a3usuLo2+2a3us3+ ,三、二极管环形混频器 原理图及等效电路, 工作原理,i=（i1- i2）-（i3- i4） =8a2usuLo+16a4us3uLo+16a4usuLo3+ 为保证二极管工作在开关状态，本振信号的 功率必须足够大，且输入信号功率必须远小 于本振功率。, 优点,灵敏度及抑制干扰方面比平衡混频器更优越,四、模拟

18、相乘器混频电路,8.4.2 混频干扰,一、组合频率干扰有用输入信号产生 二、副波道干扰（寄生通道干扰） 三、交调干扰 外来无用信号产生 四、互调干扰,一、组合频率干扰干扰哨声, 产生原因 有用信号频率fs与本振信号频率fLo的组合频率接近于有用中频而产生的干扰。 即 |p fLoq fs|= fI=fIF 式中F为可听见的音频频率 比如： fs=931kHz、 fI=465kHz、 fLo=1396kHz 当p=1、q=2时 fI=-1396+2931=466kHz, 抑制措施,p、q越小，影响越大。 措施：uLom取小些、 usm取小些、合理选择中频。 为避免最强的干扰哨声，应将接收机中频选

19、在接收机频段外。,二、副波道干扰,原因：外来干扰信号与本振的组合频率产生的干扰。即|p fLoq fN|=fI 最强的两种干扰 中频干扰 当p=0、q=1时， fN=fI 镜像干扰 当p=1、q=1时， fN= fLo+fI,抑制副波道干扰的办法,提高前级各电路的频率选择性。在混频电路之前将这些干扰信号滤除。 对中频干扰也可在高放输入回路接入中频陷波器或高通滤波器。,三、交叉调制干扰（交调干扰）,原因：一个已调的强干扰信号与有用信号（已调波）同时作用于混频器，经非线性作用，使输出中频信号的包络上叠加有干扰电压的包络，而形成对有用信号的干扰。 现象：有用信号与干扰信号同存亡。 措施：提高前级电路

20、的选择性选择合适的混频器件及其工作状态，使混频器工作在弱非线性区。,四、互调干扰,原因：两个干扰信号彼此混频，产生频率接近于有用信号频率而造成的干扰。 现象：只接收到干扰信号。,高频电子线路,8.5 自动增益控制,复习提问, 该电路为何种检波器？用于解调何种调幅波？ 当输入AM波时， uo为怎样的波形？ 当把二极管反向，则uo又为怎样的波形？,结论, 从检波二极管阴极取出为正电压 从检波二极管阳极取出为负电压 检波器输出电压的幅度与输入调幅波幅度成正比,一、增益控制的必要性, 接收的信号为不同的功率、不同的距离。 接收机的环境会发生变化。 由于电离层的变化，使接收的信号有衰落。 接收机与发射机

21、之间的相对距离发生变化。 电源电压不稳定。 由于以上原因使输入信号有强有弱，就必须使用自动增益控制（AGC）来控制接收机的增益使其随输入信号强弱变化。其目的是使接收机输出电平保持一定。,二、AGC的分类,1. 简单AGC(平均值型AGC) 一有外来信号，AGC立刻起作用。这对微弱信号的接收不利。 2. 延迟式AGC 在小于检波器的控制电压U时，AGC不起作用。,三、具有AGC控制的接收机方框图,四、AGC电压的产生, 产生方法 （1） 平均值型 （2） 延迟式, 平均值型AGC电路, 平均值型AGC电路,在包络检波中， RLCL太大会产生对角线失 真， RLCL太小会影响滤波效果。 在AGC检波电路中， tp= RpCp太大失去AGC 作用， RpCp太小滤波效果不好， UAGC中有低 频分量会出现反调制现象。 tp取决于Fmin， 当Fmin=50Hz时，Rp取4.7k、Cp取10