高频课件第四章

1、第四章第四章 频谱搬移电路频谱搬移电路 重点：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.振幅解调的基本原理 3.混频的基本原理 4.峰值包络检波电路的性能分析难点：难点： 1.1.峰值包络检波器的工作原理峰值包络检波器的工作原理 2.2.三极管混频器的工作原理三极管混频器的工作原理教学要求教学要求 n了解了解调制的作用。调制的作用。掌握掌握调幅信号的定义、调幅信号的定义、表示式、波形、频谱等基本特征。表示式、波形、频谱等基本特征。n掌握掌握典型的幅度调制电路的结构、工作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。原理、分析方法和性能特点。n了

2、解了解数字调幅的基本概念、典型方法和数字调幅的基本概念、典型方法和实现电路。实现电路。(1)调制：调制：用调制信号去控制载波信号的某一个参量的过程用调制信号去控制载波信号的某一个参量的过程。 定义：定义：信号信号 载波信号：（等幅）高频振荡信号载波信号：（等幅）高频振荡信号 正弦波正弦波 方波方波 三角波三角波 )cos( tUuccc锯齿波锯齿波调制信号：调制信号：需要传输的信号需要传输的信号（原始信号）（原始信号）语言语言图像图像 tUu cos密码密码已调信号（已调波）：经过调制后的高频信号（已调信号（已调波）：经过调制后的高频信号（射频信号射频信号）(2)解调：解调：调制的逆过程调制的

3、逆过程，即从已调波中恢复原调制信号的过程。，即从已调波中恢复原调制信号的过程。4.1振幅调制的原理振幅调制的原理（7）振幅调制分三种方式：）振幅调制分三种方式：（5）相位调制：由调制信号）相位调制：由调制信号控制控制载波相位载波相位，使，使已调波的相位随已调波的相位随调制信号调制信号线性变化。线性变化。（6）解调方式：）解调方式：（4）频率调制：由调制信号）频率调制：由调制信号控制控制载波频率载波频率，使，使已调波的频率随调已调波的频率随调制信号制信号线性变化。线性变化。（3）振幅调制：由调制信号去）振幅调制：由调制信号去控制控制载波振幅载波振幅，使，使已调信号的振已调信号的振幅随调制信号幅随

4、调制信号线性变化。线性变化。振幅检波振幅检波振幅调制的逆过程振幅调制的逆过程鉴鉴频频频率调制的逆过程频率调制的逆过程鉴鉴相相相位调制的逆过程相位调制的逆过程普通调幅（普通调幅（AM）抑制载波的双边带调幅（抑制载波的双边带调幅（DSB）单边带调幅（单边带调幅（SSB）设：设：载波信号载波信号： uc=Ucmcosct则：则：调幅信号调幅信号(已调波已调波)为：为：uAM=Um(t)cosct由于调幅信号的由于调幅信号的振幅振幅与与调制信号调制信号成线性关系，即有：成线性关系，即有： tUkUtUacmmcos)(ka：比例系数：比例系数即：即： )cos1 ()cos1 ()(tmUtUUkUt

5、Uamccmacmmma为调制指数，为调制指数，cmaaUUkm常用百分比数表示。常用百分比数表示。ttmUucacmAMcos)cos1 (1.AM调幅波的数学表达式调幅波的数学表达式调制信号调制信号： u =Ucost（AMAM调制器的功能动画）调制器的功能动画）2.调幅信号波形调幅信号波形波形特点：波形特点：(1)调幅波的振幅（包络）变化规律与调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致调制信号波形一致;(2)调幅度调幅度ma反映了调幅的强弱程度。反映了调幅的强弱程度。可以看出：可以看出： cmaUUUmminmax21一般一般ma值越大调幅越深：值越大调幅越深： (1cos)cosA

6、McmacuUmtt ( )(1cos)mcmaUtUmt tUuccmccostUu cos)1 (maxacmmUUcmU)1 (minacmmUU 实实际际电电路路中中必必须须避避免免包包络络失失真真过过调调幅幅时时百百分分之之百百最最大大调调幅幅时时未未调调幅幅时时,1)(10aaammm1ma 1ma （1 1）由单一频率信号调幅）由单一频率信号调幅 (1cos)cos11coscos()cos()22AMcmaccmcacacuUmttUtmtmt 可见：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：调幅波并不是一个简单的正弦波，包含有三个频率分量：3.调幅波的频谱调幅波

7、的频谱 调制信号调制信号c c载波载波调幅波调幅波c+上边频上边频cmaUm21c-下边频下边频cmaUm21cmU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wAM波的波的频谱宽度？频谱宽度？若将若将 )(tf分解为：分解为： 1)cos()(nnnntUtf则有则有 ttmUucnnnncmAMcos)cos(11其中：其中： nanUkm 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频谱的限带信号f(t)。则：则：ttfkUucacmAMcos)(1

8、 （2 2）多音频调制波）多音频调制波同样有三部同样有三部分频率成份分频率成份1coscos11coscos()cos()2211coscos()cos()22AMcmnncncmcncnncnncmcncnncnnnuUmttUtmtmtUtmtmt (2)限带信号的调幅波限带信号的调幅波max max c c限带限带信号信号c c载波载波调幅波调幅波c c- -max max 下边频带下边频带c c+ +maxmax上边频带上边频带max max max max max max 载载波波分分量量(c)：不含传输信息：不含传输信息上变频分量上变频分量(c+n)：含传输信息：含传输信息下变频分

9、量下变频分量(c-n)：含传输信息：含传输信息max2BWF带宽带宽 由于：由于：相加器相加器乘法器乘法器AMu直流直流cu u乘法器乘法器相加器相加器 uAMucu4.AM信号的产生原理框图信号的产生原理框图So:要完成要完成AM调制，其核心部分是实现调制信号与载波相乘。调制，其核心部分是实现调制信号与载波相乘。tUtmtUttmUuccmaccmcacmAMcoscoscoscoscos1212cmcUPR 22m1224acacm UmPPPR 上上边边下下边边 212accAMmPPPPP下下边边上上边边(2)上、下边带的平均功率：上、下边带的平均功率： (3)在调制信号一周期内，调幅

10、信号输出的平均总功率：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：上消耗的载波功率： 5.调制波的功率调制波的功率设调幅波传输信号至负载电阻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：上，那么调幅波各分量功率为：分析：分析：如当如当100%调制时调制时(ma=1)，双边带功率为载波功率的，双边带功率为载波功率的1/2，只，只占用了调幅波功率的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

11、而调幅波的功率浪费大，效率低。而调幅波的功率浪费大，效率低。但但AM波调制方便，解调方便，便于接收。波调制方便，解调方便，便于接收。分析：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。费大，效率低。如当如当100%调制时调制时(ma=1)，双边带功率为载波功率的，双边带功率为载波功率的1/2，只占用了调幅波功率的，只占用了调幅波功率的1/3。但但AM波调制方便，解调方便，便于接收。波调制方便，解调方便，

12、便于接收。22am 载载波波功功率率双双边边带带功功率率22222212aaaammmm 平平均均总总功功率率双双边边带带功功率率在在AM调制过程中，如果调制过程中，如果将载波分量抑制将载波分量抑制就形成就形成抑制载波抑制载波的双边带信号的双边带信号，简称双边带信号，它可以，简称双边带信号，它可以用载波和调制信号用载波和调制信号直接相乘得到直接相乘得到，即：，即：coscos1cos()cos()2DSBmcmcmcmccukUUttkUUtt coscos1cos()cos()2DSBcmnncncmncnncnnnukUUttkUUtUt 若调制信号为单一频率信号：若调制信号为单一频率信号

13、： 若调制信号为限带信号：若调制信号为限带信号： )()(tutkuucDSB 6.双边带（双边带（doublesideband，DSB）调幅信号）调幅信号（1）数学表达式数学表达式（2）波形与频谱）波形与频谱tU cos(1)DSB信号的包络随调制信号信号的包络随调制信号变化变化 。(2)DSB信号载波的相位反映了调制信号的极性，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，已调即在调制信号负半周时，已调波高频与原载波反相。波高频与原载波反相。因此严格地说，因此严格地说，DSB信号已非单纯的振幅调制信号，而是信号已非单纯的振幅调制信号，而是既调幅又调相的信号既调幅又调相的信号。高

14、频振荡的相位在。高频振荡的相位在f(t)=0瞬间有瞬间有180o突变。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，功率利用率高于高于AM波。波。maxmax22FB (4)占用频带占用频带 调制信号调制信号 载波载波c 上边频上边频下边频下边频c c- -max max c c+ +maxmax多频多频DSB调制动画调制动画1( )cos()cos()2DSBmcmccutkUUtt 1( )cos()2cos()SSBUmcmccutkUUtUt 1( )cos()2cos()SSBLmcmccutkUUtU

15、t 单边带单边带(SSB)信号：信号：由双边带调幅信号中取出其中的任一个边带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。部分，即可成为单边带调幅信号。其单频调制时表示式为：其单频调制时表示式为：上边带信号：上边带信号：下边带信号：下边带信号：7.单边带单边带(singlesideband，SSB)信号信号为节约频带，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。max max 限带限带信号信号c c载波载波c c- -max max 下边频带信号下边频带信号 c c+ +maxmax上边频带信号上边频带信号c c+

16、 +maxmaxc c- -max max 单音调制的单音调制的SSB信号波形信号波形uSSB(t)0tfc FU1( )cos()2cos()SSBUmcmccutkUUtUt 上边带信号：上边带信号：单边带调幅信号的单边带调幅信号的包络已不能反映调包络已不能反映调制信号的变化。制信号的变化。maxSSBBWF带宽带宽2 2、产生单边带调幅信号的方法、产生单边带调幅信号的方法 （1 1）滤波法）滤波法图中，带通滤波器中心频率为图中，带通滤波器中心频率为 max2cFf 带通滤波器的带通滤波器的带宽为多少？带宽为多少？ maxSSBBWBWF单边带信号的实现模型单边带信号的实现模型 思考：很小

17、，滤波好实现吗？min2fF (2)(2)移相法：移相法：)sinsincos(cos2 )cos(2ttttUkUtUkUuccCcCSSBtUtucccos)(减法网络相移器90相移器90tUcsin)(tuttUUkcCsinsin1ttUUkcCcoscos2SSBu此方法难以实现复杂信号的相移。此方法难以实现复杂信号的相移。由数学表达式由数学表达式 调调频频调调幅幅信信号号调调相相调调幅幅信信号号纯纯调调幅幅信信号号,)sinsincos(cos:,coscos:cos)cos1(:ttttUuSSBttUkUuDSBttmUuAMccSSBccDSBccAM 8.振幅调制电路的功能

18、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电路的实现是以乘法器为核心的线性频谱搬移电路线性频谱搬移电路。输入：调制信号和载波信号输入：调制信号和载波信号输出：调幅信号输出：调幅信号高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，要兼：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。顾输出功率、效率和调制线性的要求。主要用于主要用于AM信号。信号。低电平调制低电平调制：先调制后功放，调制低功率在下进行，输出功率、：先调制后功放，调制低

19、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。生和提高滤波性能。主要用于主要用于DSB、SSB以及以及FM信号信号。9.振幅调制电路的分类振幅调制电路的分类4.3 4.3 振幅调制电路振幅调制电路调制的方法有两种：调制的方法有两种：图图4.3.1振幅调制方法振幅调制方法（a）高电平调制）高电平调制（b）低电平调制）低电平调制高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，：功放和调制同时进行，一般在大信号下工作，主要用于主要用于AM信号。信号。低电平调制低电平调制：先调制后

20、功放，调制在低功率下进行，：先调制后功放，调制在低功率下进行，主要用于主要用于DSB、SSB以及以及FM信号信号。集电极调制集电极调制 用调制信号控制用调制信号控制集电极电源电压集电极电源电压，以实现调幅；以实现调幅；基基 极极 调制调制 用调制信号控制用调制信号控制基极电源电压基极电源电压，以实现调幅。以实现调幅。在调幅发射机（如广播发射机）中，一般采用高电在调幅发射机（如广播发射机）中，一般采用高电平调制电路。平调制电路。4.3.2 4.3.2 高电平调制器高电平调制器高电平调幅：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：根据调制信号控制的电极不同，调制方法主要有：图图4.4

21、.1谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路利用选频回路的利用选频回路的选频作用，输出选频作用，输出信号电压信号电压 放大器工作在放大器工作在丙类丙类状态；状态；集电极电流集电极电流 为周为周期性的期性的余弦脉冲余弦脉冲。Ci( )ct将仍与输入信号电压将仍与输入信号电压( )bt成正比。成正比。高电平调幅器广泛采用高效率的丙类谐振功率放大器。高电平调幅器广泛采用高效率的丙类谐振功率放大器。图图4.4.4 4.4.4 集电极调幅电路集电极调幅电路tVtcbmbcos)(tVtmcos)(若设若设0( )( )CCCCVtVt为集电极有效电源电压为集电极有效电源电压)(tVCC显然，为了实现不失真的

22、调制，电路应工作在显然，为了实现不失真的调制，电路应工作在过压状态。过压状态。ttMVtcacmoccos)cos1 ()(集电极输出电压为：集电极输出电压为：一、集电极调幅电路一、集电极调幅电路电压电流波形电压电流波形电路工作原理电路工作原理二、基极调幅电路二、基极调幅电路1coscosccmc mVtIRttVtcbmbcos)(tVtmcos)(若设若设0( )( )BBBBVtVt为基极有效电源电压为基极有效电源电压)(tVBB显然，为了实现不失真的调制，电路应工作在欠压状态。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：集电极输出电压为：ttMVtcacmocc

23、os)cos1 ()(需要说明的是：高电平调幅电路可以产生且只需要说明的是：高电平调幅电路可以产生且只能产生普通调幅波。能产生普通调幅波。u2K(t)ttu2正半周：正半周：D导通导通u2负半周：负半周：D截止截止121( )( )ddLiu tu trR 0di 22221211222()coscos 3cos5.23512(-1)cos(21)2(21)nnKttttntn 周期方波周期方波开关函数开关函数221( )0()0( )0utKtut 121()( )( )ddLiKtu tutrR +- -Du2+- -RLu10.开关函数开关函数4.3.1 4.3.1 低电平调制器低电平调

24、制器4.3.1 4.3.1 低电平调制器低电平调制器低电平调制是将调制信号 ( ) t与载波信号 ( )ct 通过时域内的相乘器实现的。 一、模拟乘法器调幅电路一、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。图图4.3.2MC1596组成的普通调幅或双边带调幅电路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二、大动态范围平衡调制器AD630AD630 图图.3是是AD630AD630的组成方框图。可产的组成方框图。可产生生DSBDSB信号。信号。图图4.3.3 AD6304.3.3 AD630的组

25、成方框图的组成方框图 合成输出电压合成输出电压 o21()focRKtR可以表示为：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，这么多芯片，怎么使用呢？怎么使用呢？http:/ 且且 coscos121()( )( )21()( )( )2ccdLccdLiKtu tutrRiKtu tutrR 而而 10()00cccuKtu (2)工作原理分析：工作原理分析：122( )()22cos122coscos3.223cdLmccdLutiiiKtrRUtttrR 121()( )( )21()( )(

26、 )2ccdLccdLiKtu tutrRiKtu tutrR i 的频谱成份：的频谱成份： ,.)2 , 1 , 0()12(nnc c+c-3c+3c-调幅波，为，若经过滤波，DSBcoscos24ttRrURuiRucLdmLLLL振幅调制电路的基本组成原理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。三部分组成。输入回路输入回路：将载波信号和调制信号直接耦合或相加后直接：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。加到非线性器件上。非线性器件（二极管、三极管、乘法器）：非线性器

27、件（二极管、三极管、乘法器）：产生新的频率。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。电平振幅调制。带通滤波器：带通滤波器：取出调幅波的频率成分，抑制不需要的频率取出调幅波的频率成分，抑制不需要的频率成分。成分。4.4 4.4 调幅信号的解调电路调幅信号的解调电路实现检波的电路称为检波电路，简称为实现检波的电路称为检波电路，简称为检波器。检波器。解调：解调：从调幅波中不失真地解调出原调制信号。从调幅波中不失真地解调出原调制信号。 高频放大 fs fs 本地振荡 fo 混频 fo fs = fi fi 低频放大

28、 检波 中频放大 F F 1、输入输出波形表示形式、输入输出波形表示形式输入为普通调幅输入为普通调幅波时，检波器输波时，检波器输出角频率为出角频率为 的正弦波。的正弦波。2、输入与输出频谱表示形式、输入与输出频谱表示形式u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。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。00普通调幅普通调幅波检波波检波0双边带调双边带调幅波检波幅波检波00单边带调单边带调幅波检波幅波检波0调幅信号的解调电路调幅信号的解调电路n同步检波器的组成：同步检波器的组成：n由乘法器和低通滤波器组成。由乘法器和低通滤波器组成。n必须加一个同步信号，与原

29、载频同频同相。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。因此称为同步检波。iu乘法器乘法器0u低通滤波低通滤波器器u振幅解调方法分为：振幅解调方法分为：包络检波包络检波只适用于只适用于AM信号信号同步检波同步检波主要用于主要用于DSB和和SSB信号的检波信号的检波i0im0mcccoscoscosKuuKU Uttt则乘法器输出为：则乘法器输出为：im0mim0mcim0mc11coscos(2)241 cos(2)4KU UtKU U tKU U t则经低通滤波器后的输出信号为：则经低通滤波器后的输出信号为：im0m1cos2uKU URt本地载波本地载波DSB信号信号cc22

30、 经过低通滤波器后被过滤经过低通滤波器后被过滤输入双边带信号时乘积检波器的有关波形和频谱输入双边带信号时乘积检波器的有关波形和频谱图图4.4.18MC1596组成的同步检波电路组成的同步检波电路实际应用电路实际应用电路注意：注意：当当频率、相位不同步时频率、相位不同步时，检出的低频信号将，检出的低频信号将产生产生频率失真和相位失真。频率失真和相位失真。输入信号振幅大于输入信号振幅大于0.5V，利用二极管两端加正向电压时导通，输入，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充电。二极管两端加反向电压时截止，电容时截止，电容C通过通过R放电这一特性实现的检波，其输出电压反映输入信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。号振幅变化的规律。二、大信号检波的工作原理二、大信号检波的工作原理1 1、原理电路、原理电路4.4.1 4.4.1 包络检波器包络检波器一、大信号检波的工作原理一、大信号检波的工作原理1、电路组成电路组成+- -uiDRC+- -ui由输入回路、二极管由输入回路、二极管D和和RC低通滤波器组成。低通滤波器组成