4.1频谱搬移电路的组成模型

1、第第 4 章振幅调制、解调章振幅调制、解调与混频电路与混频电路概述概述 4.1频频谱搬移电路的组成模型谱搬移电路的组成模型 4.2相乘器电路相乘器电路4.3混频电路混频电路4.4振幅调制与解调电路振幅调制与解调电路4.5参量混频电路参量混频电路本章内容本章内容4.1频谱搬移电路的组成模型频谱搬移电路的组成模型( (调制、解调、混频调制、解调、混频) )( (原理原理) )4.2相相乘器电路乘器电路( (电路实现电路实现) )4.3混频电路混频电路4.4振幅调制与解调电路振幅调制与解调电路频谱搬移电路的重要应用频谱搬移电路的重要应用概述概述1地位地位通信系统的基本电路。通信系统的基本电路。2特点

2、特点对电路中信号对电路中信号频谱进行的变换频谱进行的变换，电路有，电路有新频率新频率成分产生。成分产生。为此，需引用一些信号与频谱的概念。为此，需引用一些信号与频谱的概念。3信号与频谱信号与频谱信号的三种表示法：表达式、波形图、频谱图。信号的三种表示法：表达式、波形图、频谱图。载载 波波复音复音调制调制波波单音单音调制调制波波频频 谱谱波波 形形表达式表达式信号信号 max1mcos)(nnntnVtv tVtvcos)( tVtvccmccos)( 4模拟相乘器模拟相乘器 作用：实现两信号的相乘，实作用：实现两信号的相乘，实现频谱变换。现频谱变换。5两种类型的频谱变换电路两种类型的频谱变换电

3、路 频谱搬移电路频谱搬移电路：将输入信号的频谱沿频率轴搬移。：将输入信号的频谱沿频率轴搬移。例：振幅调制、解调、混频电路例：振幅调制、解调、混频电路( (本章讨论本章讨论) )。 特点：特点：仅频谱搬移，不产生新的频谱分量。仅频谱搬移，不产生新的频谱分量。 频谱非线性变换电路频谱非线性变换电路：将输入信号的频谱进行特定：将输入信号的频谱进行特定的非线性变换。的非线性变换。 例：频率调制与解调电路例：频率调制与解调电路( (第第 5 章章讨论讨论) )。 特点：产生新的频谱分量。特点：产生新的频谱分量。 第第 4 章振幅调制、解调章振幅调制、解调与混频电路与混频电路4.1频谱搬移电路的组成模型频

4、谱搬移电路的组成模型4.1.1振幅调制电路的组成模型振幅调制电路的组成模型4.1.2振幅解调和混频电路的组成模型振幅解调和混频电路的组成模型傅里叶变换常见傅里叶变换傅里叶变换 12FTFTIFTIFTFTIFTf tF;x tXf tx tFX 00FF 4.1.1振幅调制电路的组成模型振幅调制电路的组成模型载波载波信号信号vc(t) = Vcmcos ct 调制信号调制信号v (t) = V cos t振幅调制：振幅调制：用调制信号控制载波的幅度用调制信号控制载波的幅度普通调幅（普通调幅（AM）双边带（双边带（DSB）单边带（单边带（SSB）残留边带（残留边带（VSB）一、普通调幅信号及其电

5、路组成模型一、普通调幅信号及其电路组成模型1电路组成模型电路组成模型ttvkVttvAVAAVAtvtvAtvtvcam0ccmMcmcMcOcos)(cos)()()()()( 式中，式中，AM ：相：相乘器乘积系数；乘器乘积系数；A：相加器的加权系数，且：相加器的加权系数，且 Vm0 = AVcm，AM AVcm = ka。2单音调制单音调制( (1) )表达式表达式 vO(t) = Vm0 (1 + Ma cos t) cos ct( (4- -1- -2) )式中式中： Vm0 (1 + Ma cos t) ：vO(t) 的振幅，反映调制信号的的振幅，反映调制信号的变化，称为变化，称为

6、调幅信号的包络调幅信号的包络。 ：调幅度调幅度，表征调幅信号的重要参数。，表征调幅信号的重要参数。m0maaVVkM 图图 4- -1- -2调幅信号的波形调幅信号的波形%1002/m0mminmmaxa VVVM）（( (2) )波形波形 当当 Ma = 0，未调制；当，未调制；当 Ma = = 1，最大不失真；最大不失真；若若 Ma 1，在，在 t = 附近，附近，vO(t) 变为负值，出现过调幅失真。变为负值，出现过调幅失真。( (a) )( (b) )图图 4- -1- -3过调幅失真过调幅失真在实际调幅电路中，在实际调幅电路中，由于管子截止，由于管子截止，过调幅的波形变为图过调幅的波

7、形变为图 4- -1- -3( (b) ) 。包络要为正；包络要为正；Ma1( (3) )频谱频谱将式将式( (4- -1- -2) )vO(t) = Vm0 (1 + Ma cos t) cos ct 用三角函数展开用三角函数展开 ttVMtVtvcm0acm0Ocoscoscos)( tVMtVMtV)cos(21)cos(21coscm0acm0acm0 单音调制时调幅信号的频谱单音调制时调幅信号的频谱：由三个分量组成：由三个分量组成： c 载波分量载波分量 ( c + ) 上边频分量上边频分量 ( c ) 下边频分量下边频分量两边频为相乘器对两边频为相乘器对 v (t) 和和 vc c

8、(t) 相乘的结果。相乘的结果。0mV2amoM V2amoM V上边频上边频下边频下边频3复音调制复音调制( (1) )表达式表达式设设 v (t) 为为非余弦的周期信号非余弦的周期信号，其傅里叶展开式为，其傅里叶展开式为 max1mcos)(nnnnVtv式中，式中，nmax = max / = Fmax / F， max = 2 Fmax 为最高调为最高调制角频率，其值小于制角频率，其值小于 c 。输出信号电压为输出信号电压为 ttnVkVttvkVtvnnnc1mam0cam0Ocoscoscos)()(max ( (2) )频谱频谱 )cos()cos(2coscoscc1mac1m

9、amaxmaxtntnVkttnVknnnnnn 可见，可见，vO(t) 的频谱结构的频谱结构： c ：载波分量载波分量；( ( c ) ) 、 ( ( c 2 ) )、 、( ( c nmax ) ) ：上、下边频分量，其幅度与上、下边频分量，其幅度与调制信号中相应频谱分量的调制信号中相应频谱分量的幅度幅度 V mn 成正比。成正比。图图 4- -1- -5过调幅失真过调幅失真( (a) )调制信号调制信号( (b) )普通调幅信号普通调幅信号( (3) ) 频谱宽度频谱宽度 调幅信号的频谱宽度为调幅信号的频谱宽度为调制信号频谱宽度的两倍，调制信号频谱宽度的两倍，即即BWAM = 2Fmax

10、4结论结论 调幅电路组成模型中的相乘器可对调幅电路组成模型中的相乘器可对 v (t) 和和 vc(t) 实现实现相乘运算，相乘运算，其结果其结果 ： 在波形上，将在波形上，将 v (t) 不失真地转移到载波信号振幅上；不失真地转移到载波信号振幅上； 在频谱上，将在频谱上，将 v (t) 的频谱不失真地搬移到的的频谱不失真地搬移到的 c 两边。两边。5 调幅波的功率调幅波的功率( (设单位电阻、单音调制设单位电阻、单音调制) ) ( (1) )调幅信号调幅信号在一个在一个载频周期载频周期内的平均功率内的平均功率2a02a20mcc22a-20m)cos1()cos1(21dcos)cos1(21

11、)(tMPtMVtttMVtP 式中，式中， ：常数，：常数，载波分量产生的平均功率载波分量产生的平均功率。2/20m0VP P(t) 为为 t 与与 Ma 的函数，的函数， tMPPtMPPtP，)1(0)1()(a0min2a0max当当 Ma = 1 时，时，Pmax = 4P0，Pmin = 0( (2) )P(t) 在一个在一个调制波周期调制波周期内的平均功率内的平均功率SB02a02a0av)211 (d)cos1 (21d)(21PPMPttMPttPP ：上、下：上、下边频分量的功率边频分量的功率，称为，称为边频功率边频功率。)21(02aSBPMP ( (3) )讨论讨论Pa

12、v 为为各频谱分量产生的平均功率之和。各频谱分量产生的平均功率之和。 当当 Pav 一定时，一定时，P0 ，PSB ，而，而 P0 为为载波功率载波功率，PSB 携带信息。携带信息。P0不携带信息，不携带信息， PSB越大越好。越大越好。例例：当：当 Ma = 1 时，时，02aSB21PMP ，0SB0av5 . 1PPPP ，av067. 0PP ，av02aSB33. 021PPMP 这说明这说明：当：当 Ma = 1 时，时，P0 占占 Pav 的的 67%，PSB占占 Pav 的的 33%。 Ma = 0.3( (一般电台发射信号一般电台发射信号) )时，时， P0 = 0.955

13、Pav, , PSB = 0.045 Pav 。 结论结论：普通调幅波，发射效率极低。：普通调幅波，发射效率极低。解决办法解决办法：抑制载波。：抑制载波。三、双边带和单边带调制电路组成模型三、双边带和单边带调制电路组成模型1双边带双边带( (DSB) )调制调制：仅传输两个边频的调制方式。仅传输两个边频的调制方式。( (1) )目的目的：节省发射机的发射功率。节省发射机的发射功率。调制信号的频谱结构包括调制信号的频谱结构包括：上、下边频分量：反映调制信号的频谱结构；上、下边频分量：反映调制信号的频谱结构； 载波分量：通过相乘器将调制信号频谱搬移到载波分量：通过相乘器将调制信号频谱搬移到 c 两

14、两边，本身不反映调制信号的变化，故传输前可抵制掉。边，本身不反映调制信号的变化，故传输前可抵制掉。 ( (2) )表达式表达式 普通调幅：普通调幅： vO(t) = Vm0 + kav (t) cos ct双边带调幅：双边带调幅： vO(t) = kav (t) cos ct特点：特点： 普通调幅：调制波叠加在载波振幅普通调幅：调制波叠加在载波振幅 Vm0 上；上； 双边带调幅：调制波不再依托双边带调幅：调制波不再依托 Vm0 。当。当 v (t) 进入负进入负半周时，半周时，vO(t) 也变为负值，载波电压产生也变为负值，载波电压产生 180 相移。调制相移。调制信号波形在过零处出现信号波形

15、在过零处出现 180 的相位突变。的相位突变。( (3) )波形波形图图 4- -1- -6双边带调制信号双边带调制信号( (a) ) 波形波形( (b) ) 频谱频谱( (4) )组成模型组成模型图图 4- -1- -6双边带调制信号双边带调制信号( (c) ) 频谱频谱ttvVAtvccmMOcos)()( acmMkVA ttvktvcaOcos)()( 2单边带单边带( (SSB) )调制信号调制信号( (1) )定义定义仅传输一个边频的调制方式。仅传输一个边频的调制方式。原理原理：上、下边带均反映了调制波的频谱结构上、下边带均反映了调制波的频谱结构( (区别仅区别仅在于下边带是调制信

16、号频谱的倒置在于下边带是调制信号频谱的倒置, ,对传输信息无关紧要对传输信息无关紧要) )。因此可将其中一个边带抑制掉而不影响传送信息。因此可将其中一个边带抑制掉而不影响传送信息。优点优点：节省发射功率；频谱宽度压缩一半，：节省发射功率；频谱宽度压缩一半，BWSSB = Fmax。 ( (2) )实现模型实现模型 ( (a) ) ( (b) )图图 4- -1- -7采用滤波法的单边带调制电路组成模型采用滤波法的单边带调制电路组成模型( (a) ) 组成模型组成模型( (b) ) v(t) 频谱频谱 滤波法滤波法：相乘器：相乘器 + 带通滤波器。带通滤波器。 相相乘器：产生双边带调制信号；滤波

17、器：取出单边带乘器：产生双边带调制信号；滤波器：取出单边带信号。信号。( (a) ) ( (b) )图图 4- -1- -7采用滤波法的单边带调制电路组成模型采用滤波法的单边带调制电路组成模型( (a) ) 组成模型组成模型( (b) ) v(t) 频谱频谱 相移法相移法：相乘器、：相乘器、90 相移器、相加器组成相移器、相加器组成相乘器相乘器 ：)cos()cos(21coscos)(cccmmMccmmM1OttVVAttVVAtv 相乘器相乘器：两式相减或相加两式相减或相加)(2OtvttVVAttVVAccmmMccmmMsinsin)2cos()2cos( )cos()cos(21c

18、ccmmMttVVA tVVAtvtvtVVAtvtvtv)cos()()()cos()()()(ccmmM2O1OccmmM2O1OO 下下边带抵消边带抵消上边带抵消上边带抵消输出仅为单边带调制信号输出仅为单边带调制信号 对复杂信号，对复杂信号，相移法的组成模型相移法的组成模型也成立。也成立。4.1.2振幅解调和混频电路的组成模型振幅解调和混频电路的组成模型特点：均实现频谱不失真地搬移，两类组成模型类似。特点：均实现频谱不失真地搬移，两类组成模型类似。一、振幅解调电路一、振幅解调电路1定义定义解调解调( (Demodulation) )：调制的逆过程。：调制的逆过程。振幅检波振幅检波( (简

19、称检波简称检波 Detector) )：振幅调制信号的解：振幅调制信号的解调电路，从调幅信号中不失真地检出调制信号的过程。调电路，从调幅信号中不失真地检出调制信号的过程。2组成模型组成模型图图 4- -1- -11( (a) )调幅解调电路的调幅解调电路的组成模型组成模型相乘器相乘器 + + 低通低通滤波器滤波器。vS(t) ：调制信号调制信号vr(t) ：同步信号同步信号，特点，特点与原载波信号同频同相位。与原载波信号同频同相位。tVtvcrmrcos)( 3原理原理 频谱搬移频谱搬移：将调制信号频谱不失真地搬回零频附近。：将调制信号频谱不失真地搬回零频附近。图图 4- -1- -11调幅解

20、调电路电路的组成模型和相应的频谱搬移调幅解调电路电路的组成模型和相应的频谱搬移( (b) )调幅解调电路的调幅解调电路的组成模型组成模型频谱的搬移过程频谱的搬移过程( (假设为双边带假设为双边带) )：调幅信号：调幅信号 vS(t) 与同与同步信号步信号 vr(t) 相乘，结果相乘，结果 vS(t) 的频谱被搬到：的频谱被搬到： 频谱的搬移过程频谱的搬移过程( (假设为双边带假设为双边带) )：调幅信号：调幅信号 vS(t) 与同与同步信号步信号 vr(t) 相乘，结果相乘，结果 vS(t) 的频谱被搬到：的频谱被搬到： 2 c c 的两侧，构成载波角频率为的两侧，构成载波角频率为 2 c c

21、 的双边带调制信的双边带调制信号，它是无用的寄生分量；号，它是无用的寄生分量； 搬到零频率两侧。其中，搬到零频率两侧。其中，vS(t) 的一个边带被搬到负的一个边带被搬到负频率轴上频率轴上( (不存在不存在) )，叠加在正频率分量上，数值上加倍。，叠加在正频率分量上，数值上加倍。4讨论讨论 vr(t) 必须与原载波信号必须与原载波信号严格同步严格同步( (同频、同相同频、同相) )，故，故称为称为同步检波电路同步检波电路。否则检波性能下降。否则检波性能下降。 AM可以采用可以采用包络检波。包络检波。 二、混频二、混频( (Mixer) )电路电路又称变频又称变频( (Convertor) )电路，超外差接收机的重要组成。电路，超外差接收机的重要组成。 1作用作用图图 4- -1- -12混频电路的作用混频电路的作用频谱搬移频谱搬移：将