模拟集成电路系统第5章

1、第五章第五章 振幅调制与解调振幅调制与解调第一节第一节 振幅调制的基本原理振幅调制的基本原理第四节第四节 振幅检波振幅检波第三节第三节 低电平调幅电路低电平调幅电路第二节第二节 模拟乘法器模拟乘法器一、概述一、概述: :1调制目的：调制目的：（1）使不能直接传送的音频信息借助高频幅射特性载送）使不能直接传送的音频信息借助高频幅射特性载送到接收端。到接收端。（2）将不同信息附着在不同频率的载波上，以避免多种）将不同信息附着在不同频率的载波上，以避免多种信息间干扰，实现多路通信。信息间干扰，实现多路通信。2几个术语：几个术语：（1）载波：运载信息的工具（高频等幅波），载波的频）载波：运载信息的工具

2、（高频等幅波），载波的频率称率称载频载频。（2）调制信号：控制载波的信息，也就是要传送的音频）调制信号：控制载波的信息，也就是要传送的音频信息。信息。（3）已调波：载波经调制信号调制后的波形。）已调波：载波经调制信号调制后的波形。（4）调制：载波受调的过程。）调制：载波受调的过程。（5）解调：调制的逆过程，目的是从已调波中检出调制）解调：调制的逆过程，目的是从已调波中检出调制信号。信号。3连续调制分类：连续调制分类：所谓连续调制是指载波某一参数受调所谓连续调制是指载波某一参数受调制信号的连续控制。制信号的连续控制。 按受调参数分为：按受调参数分为： （1）调幅（）调幅（AM）：受调参数是载波的

3、幅度。）：受调参数是载波的幅度。 （2）调频（）调频（FM）：受调参数是载波的频率。）：受调参数是载波的频率。 （3）调相（）调相（PM）：受调参数是载波的相位。）：受调参数是载波的相位。4调制、解调的实质调制、解调的实质：频率变换：频率变换 (2)频谱非线性变换电路（频谱非线性变换电路（FM调调/解、解、PM调调/解等）解等）实现电路分两大类：实现电路分两大类：(1)频谱搬移电路频谱搬移电路(AM调调/解、混频等解、混频等)调幅波调幅波(已调波已调波)的表示式为的表示式为 u(t)=Uc+ku(t)cos ctttUkUccccos)cosU1 (u(t)ttuc(t)u(t)tcaUmkU

4、 =Uc(1+macost)cos ct二、调幅波波形和表示式二、调幅波波形和表示式设设 调制信号为调制信号为u(t)=Ucost， 载波信号为载波信号为uc(t)=Uccos ct，其波形如图：其波形如图： 其中其中ma=kU/Uc1，称，称调幅系数或调幅度调幅系数或调幅度，一般用，一般用%表表示。示。 ma：表示载波受调制信号控制的程度。表示载波受调制信号控制的程度。ma越大，控制越大，控制作用越大。特殊地，当作用越大。特殊地，当ma=1时称全调；当时称全调；当ma=0时，称无调时，称无调，但，但ma不能不能1，否则会出现过调失真。通常调制信号为非简，否则会出现过调失真。通常调制信号为非简

5、谐信号且时刻变化，所以调幅度也在变，一般其均值谐信号且时刻变化，所以调幅度也在变，一般其均值ma=0.3=30%。当当m ma a1 1时，时， min(1)0aUm，即在，即在 t附近，附近， ( )AMut为负值，如图（为负值，如图（a a）所示，包络）所示，包络 ( )mUt已不能反映已不能反映 原调制信号的变化规律而产生了失真，原调制信号的变化规律而产生了失真，通常称这种失真为过调制失真（通常称这种失真为过调制失真（Over ModulationOver Modulation）。）。 但在实际调幅电路中，由于管子截止，过调制失真的波形如但在实际调幅电路中，由于管子截止，过调制失真的波形

6、如图（图（b b）所示。）所示。三、调幅波的频谱及谱宽三、调幅波的频谱及谱宽（一）调制信号为简谐信号时（一）调制信号为简谐信号时 u(t)= Uc(1+macost)cos ct)t-cos(mU21)tcos(mU21tcos UCaCCaCCC载波分量载波分量上边频分量上边频分量下边频分量下边频分量其频谱如图：其频谱如图：频谱宽度：频谱宽度： B=2 或或 BHZ=2F (F=/2/2 )UUcUccccaUm21caUm21B（二）调制信号为非简谐信号时，即（二）调制信号为非简谐信号时，即min max或或Fmin F FmaxB频带宽度：频带宽度：B=2max 或或 BHZ=2Fmax

7、例：语音信号的频率：例：语音信号的频率：3003400Hz 其频谱如图其频谱如图：Ucminmaxmincmincmaxcmaxc无线系统中，为避免电台间干扰，国际上对多波段与不同用途无线系统中，为避免电台间干扰，国际上对多波段与不同用途的电台所占有频带均有严格规定，如调幅广播电台容许占有频的电台所占有频带均有严格规定，如调幅广播电台容许占有频谱宽度为谱宽度为9KHZ。四、调幅波功率四、调幅波功率 若若AM波为单频正弦波，负载电阻为波为单频正弦波，负载电阻为R，则在，则在R上所消耗的功率为：上所消耗的功率为： （一）载波功率（一）载波功率 Po=Uc2/2RoaacPmRmUPPcc22412

8、/)21(（二）上、下边频功率（它为有效功率）（二）上、下边频功率（它为有效功率）（三）瞬时最大点功率：（三）瞬时最大点功率： Pmax=Uc(1+ ma)2/2R=(1+ma)2Po（四）瞬时最小点功率（四）瞬时最小点功率 Pmin=Uc(1- ma)2/2R =(1-ma)2PoCCCaCCaC11( )U costU m cos()tU m cos(- )t22u t u(t)= Uc(1+macost)cos ct（五）调制信号一周内调幅波的平均总功率：（五）调制信号一周内调幅波的平均总功率：02)2/1 (PmPPPPaoAVcc四、调幅波功率四、调幅波功率 讨论：讨论：当当ma=1

9、时，时，PAV=3Po/2即即Po=2PAV/3，这说明不含任何有，这说明不含任何有用信息的载波消耗了一周平均总功率的用信息的载波消耗了一周平均总功率的2/3，而实际有用功率只占，而实际有用功率只占PAV/3，这还是在理想情况下。所以功率利用率低是普通，这还是在理想情况下。所以功率利用率低是普通AM制的制的最大缺点。为了提高功率利用率，可采用抑制载波功率的边带传最大缺点。为了提高功率利用率，可采用抑制载波功率的边带传输，即双边带（输，即双边带（DSB）和单边带（）和单边带（SSB）传输。）传输。AM制的优点：制的优点：结构简单，技术上易于实现，因而比较经济。结构简单，技术上易于实现，因而比较经

10、济。AM制的缺点：制的缺点：功率利用率低。功率利用率低。当抑制载波之后（载波分量为当抑制载波之后（载波分量为0），其），其表示式表示式变为：变为： 五、双边带及单边带调制五、双边带及单边带调制（一）双边带的表示式、波形及频谱（一）双边带的表示式、波形及频谱它可以由载波信号和调制信号相乘得到：它可以由载波信号和调制信号相乘得到：u(t) =kUc(t)U (t)=kUcU cos ctcos t =kUcU cos( c+ )t+cos( c- )t/2u(t)=Umcos( c+)t+cos( c-)t其其波形波形和和频谱频谱分别如图：分别如图：t)(tu相位突变相位突变180o是因为相乘的结

11、果是因为相乘的结果B=2 UmUmUccB 显见，双边带信号的显见，双边带信号的带宽带宽为：为：u(t) =kUc(t)U (t)=kUcU cos tcos ct=kUcU cos( c+ )t+cos( c- )t/2因为边频中，任何一个边频已包含了调制信号的全部信息，因为边频中，任何一个边频已包含了调制信号的全部信息，所以为了节省频带，可进一步抑制掉其中一个边带，而只发所以为了节省频带，可进一步抑制掉其中一个边带，而只发送一个边频，这就是送一个边频，这就是SSB。它的它的表示式表示式为：为：（二）单边带表示式、波形及频谱（二）单边带表示式、波形及频谱u(t)=Umcos( c+) 或或

12、u(t)=Umcos( c-)t它可在它可在DSB的基础上用滤波法得到；也可用移相法得到。的基础上用滤波法得到；也可用移相法得到。其其波形波形和和频谱频谱分别如图：分别如图：t)(tucc或UB= mUccB显见，单边带信号的带宽为：显见，单边带信号的带宽为：（三）单边带调制的优缺点（三）单边带调制的优缺点 优点：优点： 1节省频带节省频带(节省节省1/2)，即波段利用率高。，即波段利用率高。 2节省功率，因为节省功率，因为AM波波Po=2/3PAV,不经济，而不经济，而 SSB全部发全部发送有用功率，所以在接收端获得相同信噪送有用功率，所以在接收端获得相同信噪 比时，比时，SSB发送可节发送

13、可节省功率。省功率。 3受传播条件影响小：电波传播时，对受传播条件影响小：电波传播时，对 c 、 c 等不同等不同频率成分的衰落和相移不同会引起信号失真或不稳，这称作选频率成分的衰落和相移不同会引起信号失真或不稳，这称作选择性衰落现象。因择性衰落现象。因SSB只有只有 c + 或或 c - ，所以这种衰落不所以这种衰落不严重。严重。4抗干扰性能好，有一定保密性。抗干扰性能好，有一定保密性。缺点：缺点：发送技术和解调设备复杂，造价较高。发送技术和解调设备复杂，造价较高。 前已述及，调制、解调的实质是频率变换，而模拟乘前已述及，调制、解调的实质是频率变换，而模拟乘法器是实现频率变换的常用器件。它具

14、有法器是实现频率变换的常用器件。它具有频带宽、性能好、频带宽、性能好、外接电路简单外接电路简单等优点。下面介绍两种常用的乘法器。等优点。下面介绍两种常用的乘法器。 一、压控吉尔伯特乘法器一、压控吉尔伯特乘法器模拟乘法器的符号如图：模拟乘法器的符号如图：kou2u1u其输出与输入关系为：其输出与输入关系为：uo=ku1u2 k乘积系数乘积系数(V-1)由图，各管电流方程为：由图，各管电流方程为：)2(1 2151TUuthii)2(12152TUuthii)2(1 2163TUuthii)2(1 2164TUuthii)2(1 225ToUuthIi)2(1 226ToUuthIi压控吉尔伯特乘

15、法器的原理电路如图：压控吉尔伯特乘法器的原理电路如图：u2u1UEEI0i5i6T5T6T1T2T3T4i1i2i3i4u0RcRcic1ic2Ucc所以输出电压：所以输出电压：Uo=(iC1-iC2)Rc= (i1+i3-i2-i4)RcCTToRUuthUuthI)2()2(21 IORcu1u2/4UT2=ku1u2 其中其中k=IORc/4UT2 显见，完成两模拟信号相乘功能。显见，完成两模拟信号相乘功能。 MC1596也称为双平衡模拟乘法器，其基本电路见也称为双平衡模拟乘法器，其基本电路见P92图图5-9，方框图外是外接电路，其中，方框图外是外接电路，其中Rb用来调节恒流源用来调节恒

16、流源I1、I2 ；Ry调整增益和输入信号的动态范围。可推得它输出与输入的调整增益和输入信号的动态范围。可推得它输出与输入的关系为：关系为：yxukuuuUcTyLOURR基于压控吉尔伯特电路原理制成的有基于压控吉尔伯特电路原理制成的有MC1596、XCC等。等。上述上述MC1596作为通用型乘法器还存在以下问题：作为通用型乘法器还存在以下问题： 1.输入动态范围小；输入动态范围小； 2.线性较差。线性较差。 MC1595较好的解决了以上问题，与其对应的国内型号为较好的解决了以上问题，与其对应的国内型号为BG314、FZ4等。等。其原理电路如图其原理电路如图P93图图5-10所示所示如果此电路用

17、框图表示如果此电路用框图表示ou流控Gilbert乘法器yuxuIUIU二、流控吉尔伯特模拟乘法器二、流控吉尔伯特模拟乘法器 吉尔伯特乘法单元由吉尔伯特乘法单元由D1、D2、T5T8构成构成 差模差模U/I变换器分别由变换器分别由T1、T2和和T3、T4构成，依赖构成，依赖Rx、Ry的深负反馈用以展宽动态平衡范围，实现线性的深负反馈用以展宽动态平衡范围，实现线性补偿。补偿。工作原理：工作原理：1. ux=0、uy0时，时，I3 、I4I5 、I7iA=常数常数同理同理 I6 、I8iB=常数常数 Uo=0 uyT3、 T4T5T8的的ie gm58 ux T1、 T2 UDT5T8的的UbUO

18、 iO gmUb 即即UO uxuyOXyxLIRRRk2 yxyxOXyxLOukuuuIRRRU2具体推导见书具体推导见书 理论推导出：理论推导出：其中其中:2. 同理同理uy=0、ux0时，时，Uo=03. 当当ux0、uy0时，时，Uo 0结论：结论： 1.输出电压只包含输出电压只包含ux、uy的乘积，无多余成分；的乘积，无多余成分； 2.乘积系数乘积系数k RL，k 1/RxRyIOX 所以所以 RL变化、变化、RxRy变化变化k变化；变化； 3. ux、uy均可正负，故为四象限模拟乘法器，具有很大均可正负，故为四象限模拟乘法器，具有很大的动态范围；的动态范围； 4.通过平衡差分对通

19、过平衡差分对T5T8的补偿作用的补偿作用(依赖于依赖于D1、 D2:温温度补偿度补偿)，使，使k与管子的与管子的UT无关，不受无关，不受T影响；影响； 宽带宽带DC-0.51GHz 超高频单片集成四象限相乘器超高频单片集成四象限相乘器 宽带宽带DC0.51GHz的四象限相乘器简化原理框图的四象限相乘器简化原理框图 AD834简化原理框图 AD834基本应用外部连接图调幅过程就是把信号频谱从低频移到载波两侧的频调幅过程就是把信号频谱从低频移到载波两侧的频谱搬移过程。谱搬移过程。调幅电路按实现调幅级电平的高低分为：调幅电路按实现调幅级电平的高低分为：低电平调幅低电平调幅（可用来产生普通（可用来产生

20、普通AM，也可可用来产生，也可可用来产生DSB、SSB）。）。高电平调幅高电平调幅（适用于通信、广播设备的普通调幅发射机）；（适用于通信、广播设备的普通调幅发射机）； 它可以看成是一直流电压加低频调制信号，再与高频它可以看成是一直流电压加低频调制信号，再与高频载波信号相乘，所以实现普通载波信号相乘，所以实现普通AM的原理电路如图的原理电路如图:P96图图5-12(b)是利用是利用MC1596构成的调幅器电路。构成的调幅器电路。普通调幅波的表达式可写成普通调幅波的表达式可写成 u(t)=(Um+Ummacostt)cos ct一、普通一、普通AM电路电路)(tuc)(tuoE+u(t)cos(c

21、os)(0tUEtUURRtumccmTyLttEUURUERcmTycmccos)cos1 (ttmUcam cos)cos1( Um已调波载波幅度，已调波载波幅度，ma=Um m/E /E 调幅度调幅度 可见可见,调整调整Rw调整调整E调整调整ma当当Rw调至不对称时调至不对称时(E 0)，按模拟乘法器的功能，按模拟乘法器的功能 DSB波的表达式可写成波的表达式可写成 UDSB(t)=kUc(t)U(t) =kUcmcos ctUmmcostcost =kUcmUmcos( c+)t+cos( c-)t/2 )( tuDSB)( tu )( tuc二、二、DSB调制电路调制电路如果用如果用

22、MC1596实现实现DSB调制，只需将前述电路中的调制，只需将前述电路中的Rw调至调至对称（对称（E=0）即可。）即可。三、三、SSB调制电路调制电路实现单边带调制有两种方法：滤波法；移相法实现单边带调制有两种方法：滤波法；移相法 1滤波法：滤波法：在在DSB调制基础上加一带通滤波器，滤去其中调制基础上加一带通滤波器，滤去其中一个边带。原理电路一个边带。原理电路:)( tuc)( tu )( tuDSB)( tuSSB对带通滤波器的要求严格。对带通滤波器的要求严格。功率放大器功率放大器滤波器滤波器IIII滤波器滤波器 I Iu u(t)(t)Uc1(t)Uc1(t)fc1=100kHzfc1=

23、100kHzfc2=9.9MHzfc2=9.9MHzUc2(t)Uc2(t)fc1+Ffc1+Ffc1+fc2+Ffc1+fc2+FF=100HzF=100Hz2移相法移相法:对移相器要求严格对移相器要求严格tUtucSSB)cos()( tUtucSSB)cos()( ttUtucc)cos()cos(21)(2 tUccm costUuccmc sin tUum sintUm cos ttUtucc)cos()cos(21)(1 90o移移相网络相网络90o移移相网络相网络+-集电极调幅集电极调幅( (高电平调幅）高电平调幅） 集电极调幅电路集电极调幅电路（a）实际调幅电路）实际调幅电路

24、（b）原理电路）原理电路通常把调幅波解调器称为检波器通常把调幅波解调器称为检波器 调幅波解调：调幅波解调：从调幅波中提取出原调制信号。从调幅波中提取出原调制信号。前已述及，调幅波有三种形式，即普通前已述及，调幅波有三种形式，即普通AM、DSB和和SSB，形式，形式不同，检波方法亦不同，如峰值包络检波、平均包络检波方法不同，检波方法亦不同，如峰值包络检波、平均包络检波方法，可用于解调普通，可用于解调普通AM，而乘积检波（亦称同步检波），以上三，而乘积检波（亦称同步检波），以上三种方式均可用，但主要用于种方式均可用，但主要用于DSB或或SSB的解调。的解调。CLcaLacadUUUmUmUmUAM

25、k 波波的的包包络络振振幅幅输输入入输输出出低低频频电电压压振振幅幅 UL为输出直流为输出直流 注意：注意：kd=Po/Pdc2检波失真要小（检波输出的检波失真要小（检波输出的u接近包络）接近包络）3检波器输入电阻要高，这样对前级影响小检波器输入电阻要高，这样对前级影响小检波器检波器中放中放AM波波频率变换器频率变换器低通滤波器低通滤波器 u对检波器的要求（质量指标）：对检波器的要求（质量指标）： 1检波效率检波效率kd要高要高检波器的构成：检波器的构成：一、峰值包络检波一、峰值包络检波（属大信号检波，一般要求（属大信号检波，一般要求Ui0.5V） （一）电路：（一）电路：DDi LRC充充放

26、放)(tuiLu （二）工作原理：（二）工作原理： ui(t)=Uc(1+macost)cos ct Ui+给给C充电，充电， 充充=rd C很小，很小，uL很快接近很快接近ui的峰值，的峰值， 并对并对D形成反压形成反压(-UL) 当当uLui时，时，D截止，电容上的电压截止，电容上的电压RL放电，放电， 放放=RLC，波形如图：波形如图： 显然只有显然只有uiuL时，才有电流时，才有电流iD，它的幅度与包络幅度相对应，它的幅度与包络幅度相对应. 由图可见，由图可见，uL为锯齿波型，它为锯齿波型，它与与ui的包络形状基本一致，重现的包络形状基本一致，重现调制信号包络形状，从而完成调制信号包络

27、形状，从而完成峰包检波峰包检波.iDtuiuLt 应该指出：应该指出：uL中既包括低频分量（与中既包括低频分量（与ui包络相对应），包络相对应），又包括直流分量（与又包括直流分量（与ui的载波振幅相对应），还包括残余的载波振幅相对应），还包括残余的高频分量的高频分量(由于由于uL的锯齿状波动的锯齿状波动)适当选择适当选择RLC的时间常的时间常数，使数，使RLCTC (=2 / C)，放电很缓慢，可提高输出直流，放电很缓慢，可提高输出直流分量，低频分量，抑制高频分量。分量，低频分量，抑制高频分量。（三）定量分析：（三）定量分析：用折线法分析：用折线法分析：则二极管特性的解析式为：则二极管特性的解

28、析式为：0 UD UriD=g(UD-Ur) UDUr考虑到平均直流电压的反作用：考虑到平均直流电压的反作用： UD=Ui-UL=UIcos ct-UL所以所以 当当UDUr时，二极管时，二极管D导通，则导通，则iD=g(UIcos ct-UL-Ur)当当 ct= 时，时，iD=0所以所以 cos =(UL+Ur)/UI=UL/UI设设D的特性可用理想折线表示的特性可用理想折线表示DiDigLUrUtUuIIi cos DUDU 2mI tUL负载上的直流电压负载上的直流电压 当当 一定时，一定时，UL UI，当输入为，当输入为AM波，波，UL Uc(1+macost)，即输出与输入的峰值成正

29、比。已知，即输出与输入的峰值成正比。已知IM=gUI(1-cos )，则二极管，则二极管电流中的平均分量为：电流中的平均分量为：)cos(sin)cos1 ()cos(sin0ImmLgUIII)cos(sin LILLLRgURIU 将此代入将此代入式得到：式得到：即即 U UL L U UI Icoscos LdLRrgRtg 1 将此代入上式解的：将此代入上式解的：当当 很小时（很小时（x1，tgx x+x3/3）,有有 tg+ 3/33333LdLRrgR 显然：显然：1 1、r rd dU UL L 2 2、R RL LU UL L （四）技术指标（四）技术指标1检波效率：检波效率：

30、kd=UL/UIcos ULkd 当电路一定，当电路一定，RL=常数，大信号状态时常数，大信号状态时g常数，常数， 所以所以cos常数常数=kd故大信号峰包检波的输出与输入之间近似成线性关系。故大信号峰包检波的输出与输入之间近似成线性关系。2检波失真检波失真（1）对角切割失真（亦称惰性失真）：）对角切割失真（亦称惰性失真）：它主要是由于它主要是由于RLC太大引起的。太大引起的。 前已述及，适当提高前已述及，适当提高RLC有利有利于滤除高频成分，但如太大，将因于滤除高频成分，但如太大，将因放电时间过长而跟不上包络的变化放电时间过长而跟不上包络的变化，而产生惰性失真。，而产生惰性失真。(如图所示如

31、图所示)解决方法：解决方法：选择合适的选择合适的RLC，使放，使放电速率电速率输入高频电压振幅变化速输入高频电压振幅变化速率，即：率，即：dtdUdtdUIL推导得出推导得出不产生对角切割失真条件不产生对角切割失真条件为：为：max21 aaLmmCR)(tuL证明：证明： UI(t)=UC(1+macos t) tUmdttdUCaIsin)(放电电流：放电电流：dtduCiLCLCLRRtui)(两者相等两者相等,设设 kd=1，则，则 uC(t)=UI(t)1 (tCosmCRUCRudtduaLCLCLAdtdUdtdULI /令令tmtmCRAaaL cos1sin则则要不失真，必须

32、要不失真，必须 A1 ，只要保证，只要保证A的最大值的最大值RL；1/minCcRi2，以以避免检波器频避免检波器频率失真。率失真。若输入载波若输入载波UC=Uccos ct，则输入功率则输入功率Pi=Uc2/2Ri，输出功率，输出功率Po=UL2/RL。若忽略二极管损耗。若忽略二极管损耗(因为导通时间极短，基本不因为导通时间极短，基本不耗功率耗功率)，则有，则有PiPo 即即 Uc2/2RiUL2/RL=（kdUc）2/RLDCLRiR 特殊地若特殊地若 kd1 则则 RiRL/2 。 显然显然RL越大越大Ri越大，对前级的负越大，对前级的负 载作用越小。载作用越小。Ri=RL/2kd23

33、. 输入电阻输入电阻例如，图示电路是某收音机二极管检波器的实际电路。例如，图示电路是某收音机二极管检波器的实际电路。二、乘积检波二、乘积检波 上述峰包检波器只能解调普通上述峰包检波器只能解调普通AM波，而不能解调波，而不能解调DSB、SSB波，因为它们的包络不反映调制信号的变化规波，因为它们的包络不反映调制信号的变化规律。要解调后二种，需采用乘积检波。律。要解调后二种，需采用乘积检波。（一）乘积检波原理（一）乘积检波原理 电路框图：电路框图：iu)(1本本振振ukLu SSBDSB则则 U2=kUiU1= kUIU1cos t cos(t+ )+ cos(2 C+)t+ /2 滤除滤除经低通滤波器滤波得到：经低通滤波器滤波得到：UL= kUIU1cos tcos(