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第四章频谱搬移电路 重点 1 振幅调制波的基本特性 数学表达式 波形图 频谱图 带宽 功率 2 振幅的基本原理3 混频的基本原理4 峰值包络检波电路的性能分析 难点 1 峰值包络检波器的工作原理2 三极管混频器的工作原理 教学要求 了解调制的作用 掌握调幅信号的定义 表示式 波形 频谱等基本特征 掌握典型的幅度调制电路的结构 工作原理 分析方法和性能特点 了解数字调幅的基本概念 典型方法和实现电路 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 4 1振幅调制的原理 7 振幅调制分三种方式 5 相位调制 由调制信号控制载波相位 使已调波的相位随调制信号线性变化 6 解调方式 4 频率调制 由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 振幅检波振幅调制的逆过程鉴频频率调制的逆过程鉴相相位调制的逆过程 普通调幅 AM 抑制载波的双边带调幅 DSB 单边带调幅 SSB 设 载波信号 uc Ucmcos ct 则 调幅信号 已调波 为 uAM Um t cos ct 由于调幅信号的振幅与调制信号成线性关系 即有 ka 比例系数 即 ma为调制指数 常用百分比数表示 1 AM调幅波的数学表达式 调制信号 u U cos t AM调制器的功能动画 2 调幅信号波形 波形特点 1 调幅波的振幅 包络 变化规律与调制信号波形一致 2 调幅度ma反映了调幅的强弱程度 可以看出 一般ma值越大调幅越深 1 由单一频率信号调幅 可见 调幅波并不是一个简单的正弦波 包含有三个频率分量 3 调幅波的频谱 载波分量 c 不含传输信息上变频分量 c 含传输信息下变频分量 c 含传输信息 w AM波的频谱宽度 则有 其中 一般实际传送的调制信号并非单一频率的信号 常为一个连续频谱的限带信号f t 则 2 多音频调制波 同样有三部分频率成份 2 限带信号的调幅波 载波分量 c 不含传输信息上变频分量 c n 含传输信息下变频分量 c n 含传输信息 带宽 由于 4 AM信号的产生原理框图 So 要完成AM调制 其核心部分是实现调制信号与载波相乘 2 上 下边带的平均功率 3 在调制信号一周期内 调幅信号输出的平均总功率 1 R上消耗的载波功率 5 调制波的功率 设调幅波传输信号至负载电阻R上 那么调幅波各分量功率为 分析 如当100 调制时 ma 1 双边带功率为载波功率的1 2 只占用了调幅波功率的1 3 有用信息只携带在边频带内 而载波本身并不携带信息 但它的功率却占了整个调幅波功率的绝大部分 因而调幅波的功率浪费大 效率低 但AM波调制方便 解调方便 便于接收 分析 有用信息只携带在边频带内 而载波本身并不携带信息 但它的功率却占了整个调幅波功率的绝大部分 因而调幅波的功率浪费大 效率低 如当100 调制时 ma 1 双边带功率为载波功率的1 2 只占用了调幅波功率的1 3 但AM波调制方便 解调方便 便于接收 在AM调制过程中 如果将载波分量抑制就形成抑制载波的双边带信号 简称双边带信号 它可以用载波和调制信号直接相乘得到 即 若调制信号为单一频率信号 若调制信号为限带信号 6 双边带 doublesideband DSB 调幅信号 1 数学表达式 2 波形与频谱 1 DSB信号的包络随调制信号变化 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 高频振荡的相位在f t 0瞬间有180o突变 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 多频DSB调制动画 单边带 SSB 信号 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 其单频调制时表示式为 上边带信号 下边带信号 7 单边带 singlesideband SSB 信号 为节约频带 提高系统功率和带宽效率 常采用单边带调制系统 单音调制的SSB信号波形 上边带信号 单边带调幅信号的包络已不能反映调制信号的变化 带宽 2 产生单边带调幅信号的方法 1 滤波法 图中 带通滤波器中心频率为 带通滤波器的带宽为多少 单边带信号的实现模型 思考 很小 滤波好实现吗 2 移相法 此方法难以实现复杂信号的相移 由数学表达式 8 振幅调制电路的功能 分析 三种信号都有一个调制信号和载波的乘积项 所以振幅调制电路的实现是以乘法器为核心的线性频谱搬移电路 输入 调制信号和载波信号输出 调幅信号 高电平调制 功放和调制同时进行 一般在大信号下工作 要兼顾输出功率 效率和调制线性的要求 主要用于AM信号 低电平调制 先调制后功放 调制低功率在下进行 输出功率 效率不是主要技术指标 提高调制线性 减小不需要的分量的产生和提高滤波性能 主要用于DSB SSB以及FM信号 9 振幅调制电路的分类 4 3振幅调制电路 调制的方法有两种 图4 3 1振幅调制方法 a 高电平调制 b 低电平调制 高电平调制 功放和调制同时进行 一般在大信号下工作 主要用于AM信号 低电平调制 先调制后功放 调制在低功率下进行 主要用于DSB SSB以及FM信号 集电极调制 用调制信号控制集电极电源电压 以实现调幅 基极调制 用调制信号控制基极电源电压 以实现调幅 在调幅发射机 如广播发射机 中 一般采用高电平调制电路 4 3 2高电平调制器 高电平调幅 根据调制信号控制的电极不同 调制方法主要有 图4 4 1谐振功率放大器电路 利用选频回路的选频作用 输出信号电压 放大器工作在丙类状态 集电极电流为周期性的余弦脉冲 高电平调幅器广泛采用高效率的丙类谐振功率放大器 图4 4 4集电极调幅电路 若设 为集电极有效电源电压 显然 为了实现不失真的调制 电路应工作在过压状态 集电极输出电压为 一 集电极调幅电路 电压电流波形 电路工作原理 二 基极调幅电路 若设 为基极有效电源电压 显然 为了实现不失真的调制 电路应工作在欠压状态 集电极输出电压为 需要说明的是 高电平调幅电路可以产生且只能产生普通调幅波 u2正半周 D导通u2负半周 D截止 周期方波 开关函数 0 开关函数 4 3 1低电平调制器 4 3 1低电平调制器 低电平调制是将调制信号 与载波信号 通过时域内的相乘器实现的 一 模拟乘法器调幅电路 模拟乘法器是低电平调幅电路的常用器件 它不仅可以实现普通调幅 也可以实现双边带调幅与单边带调幅 图4 3 2MC1596组成的普通调幅或双边带调幅电路 二 大动态范围平衡调制器AD630 图4 3 3是AD630的组成方框图 可产生DSB信号 图4 3 3AD630的组成方框图 合成输出电压 可以表示为 可用于实现乘法功能的芯片型号有MC1596 MC1496 MC1496 AD630 AD834 AD734 这么多芯片 怎么使用呢 上半部分与下半部分电路对称 1 电路结构 三 二极管平衡调幅电路 而 2 工作原理分析 i的频谱成份 振幅调制电路的基本组成原理 一般 振幅调制电路由输入回路 非线性器件和带通滤波器三部分组成 输入回路 将载波信号和调制信号直接耦合或相加后直接加到非线性器件上 非线性器件 二极管 三极管 乘法器 产生新的频率 二极管和乘法器多用于低电平振幅调制 三极管多用于高电平振幅调制 带通滤波器 取出调幅波的频率成分 抑制不需要的频率成分 4 4调幅信号的解调电路 实现检波的电路称为检波电路 简称为检波器 解调 从调幅波中不失真地解调出原调制信号 1 输入输出波形表示形式 输入为普通调幅波时 检波器输出角频率为的正弦波 2 输入与输出频谱表示形式 检波的过程也是频谱的搬移过程 将频谱由载频附近搬移到低频段 调幅信号的解调电路 同步检波器的组成 由乘法器和低通滤波器组成 必须加一个同步信号 与原载频同频同相 因此称为同步检波 振幅解调方法分为 包络检波 只适用于AM信号同步检波 主要用于DSB和SSB信号的检波 则乘法器输出为 则经低通滤波器后的输出信号为 输入双边带信号时乘积检波器的有关波形和频谱 图4 4 18MC1596组成的同步检波电路 实际应用电路 注意 当频率 相位不同步时 检出的低频信号将产生频率失真和相位失真 输入信号振幅大于0 5V 利用二极管两端加正向电压时导通 输入信号电压通过二极管对低通滤波器的电容C充电 二极管两端加反向电压时截止 电容C通过R放电这一特性实现的检波 其输出电压反映输入信号振幅变化的规律 二 大信号检波的工作原理 1 原理电路 4 4 1包络检波器 一 大信号检波的工作原理 1 电路组成 由输入回路 二极管D和RC低通滤波器组成 4 4 1包络检波器 一 大信号检波的工作原理 1 电路组成 由输入回路 二极管D和RC低通滤波器组成 RC低通滤波电路的作用 1 对低频调制信号u 来说 电容C的容抗 电容C相当于开路 电阻R就作为检波器的负载 其两端产生输出低频解调电压 2 对高频载波信号uc来说 电容C的容抗 电容C相当于短路 起到对高频电流的旁路作用 即滤除高频信号 4 4 1包络检波器 2 工作原理分析 当uD ui uo 0 二极管导通 当uD ui uo 0 二极管截止 uD ui uo 此时 对电容C充电 充电时间常数为rdC 此时 C把导通期间储存的电荷通过R放电 因放电时常数RC较大 放电较缓慢 3 检波过程 经过多次反复充放电 直到在一周内电容充电电荷量与放电电荷量相等 充放电达到动态平衡进入稳定工作状态 二极管导通 对C充电 充电时常数很小 充电快 二极管截止 C通过R放电 放电时常数很大 放电慢 二极管导通 又对C充电 二极管截止 C上电压对R放电 包含了直流及低频调制分量 检波器的实际输出电压 uo uo u UDC uo 当电路元件选择正确时 高频纹波电压 uo很小 可以忽略 输出电压为 uo u UDC 电路中 负载RL上的电压是多少 2 性能指标 1 检波效率 2 等效输入电阻 已知输入信号 如何求输出呢 4 性能指标 1 检波效率 2 等效输入电阻 已知输入信号 如何求输出呢 51 RC过大 放电太慢 使得输入AM信号包络的变化率 RC放电的速率 产生惰性失真的原因 避免产生惰性失真的条件 在任何时刻 电容C上电压的变化率应大于或等于包络信号的变化率 即 5 二极管包络检波器中的失真 1 惰性失真 不产生惰性失真的条件 单音频调幅波检波时 不产生惰性失真的条件 多音频调幅波检波时 不产生惰性失真的条件 2 底部切割失真 由于UR对检波二极管D来说相当于一个反向偏置电压 会影响二极管的工作状态 在输入调幅波包络的负半周峰值处可能会低于UR 当UR Uim 1 ma 二极管截止 检波输出信号不跟随输入调幅波包络的变化而产生负峰切割失真 避免产生负峰切割失真的条件 输入调幅波的包络的最