高频电子线路第二版第6章振幅调制与解调电路.

1、高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 第6章 振幅调制与解调电路 教学基本要求 1. 了解调制的作用。掌握调幅信号的定义、表达式、波形、频谱等特征。 2. 掌握典型的幅度调制与解调电路的结构、原理、分析方法和性能特点。 3. 了解数字调幅的基本概念和典型的调制与解调方式及其实现电路。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 本章教学内容 6.1 概述 6.2 低电平调幅电路 6.3 高电平调幅电路 6.4 单边带信号的产生 6.5 包络检波器 6.6 同步检波器 6.7 数字信号调幅与解调高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨

2、工程大学哈尔滨工程大学 6.1概述 引言：1.调制的基本概念 (1)调制与解调是通信系统中的重要的环节。 (2)通信系统的基本任务是在要求的距离内实现不失真的传送信息。需传送的原始信息通常为非电量,例如语言、文字、图像、温度、压力等非电量,它们不能直接在通信系统中传输。 (3)需传送的原始信息(非电量)是需通过变换器转换成电信号，再通过通信系统传输。此电信号是占有一定频谱宽度的低频信号，通常称为基带信号。 (4)基带信号是占有一定频谱宽度的低频信号，基带信号直接通过功率放大后,经天线发射进行无线传输，存在难于实现多路传输和有效发射的问题。 (5)将基带信号加载到高频信号上去(调制)，用高频信号

3、作为运载工具，这样就能较好地实现多路有选择性的远距离通信。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.什么是调制? 用需传送的基带信号(调制信号)去控制高频振荡的三参量之一(振幅、频率和相位)，使其隨调制信号线性关系变化，输出相应的已调波。实现将基带信号加载到高频信号上去的过程称为调制。 3.调制的分类 幅度调制(AM) 模拟信号调制 频率调制(FM) 相位调制(PM) 调制分为 幅度键控(ASK) 数字信号调制 频率键控(FSK) 相位键控(PSK) 4. 解调是调制的相反过程，是从高频已调信号中取岀调制信号。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工

4、程大学哈尔滨工程大学 6.1.1 普通调幅波的数学表示式、频谱及功率关系 1.振幅调制的定义： 用需传送的电信息(调制信号) 去控制高频载波振荡电压的振幅，使其随调制信号 线性关系变化。 2.普通调幅波的数学表示式 若载波信号电压为 ，调制信号为 ，根据定义普通调幅波的振幅 为 其中ka为比例系数，则普通调幅波的数学表示式为 设调制信号电压为 通常 ，根据调幅波的定义)(tu)(tutUtuccmccos)()(tu)(mtU)()(acmmtukUtUttukUtUtucacmcmcos)(cos)(FtUtUtu2coscos)(mmcttUkUtucmacmcos)cos()(ttmUc

5、acmcos)cos1 (高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 上式是单频调制时普通调幅波的表示式。 称为调幅指数。 是不失真调制。 为过调幅， 是失真调制。 普通调幅波又称标准调幅波。(AM波) 3.普通调波的波形 图6.1.1是单频调制的普通调幅波波形图, 调幅指数为 图6.1.1调幅波波形cmmaa/UUkm1am1ammminmmaxmminmmaxaUUUUm)1 (acmmmaxmUU)1 (acmmminmUU高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 图6.1.2过量调幅波形 图(a) 和图(b) 是实际电路中常见的两种

6、过调幅输岀波形。 图(a) 是由于在调制信号电压的最低值附近, 输岀调幅波会变为负值。 图(b)是由于电路管子截止, 岀现的过调幅波形。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 4.普通调幅波的频谱 它表明单频调制的普通调幅波由 三个频率分量组成，即载波分量 、图6.1.3单音调制的调幅波频谱 上边频分量 和下边频分量 。其图如图6.1.3所示。 问题： 调制信号为多频时,数学式与频谱如何表示?ttmUtucacmcos)cos1 ()(tUmtUmtUc)cos(21)cos(21cosccmacmaccmccc高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大

7、学哈尔滨工程大学 对于调制信号由多个频率信号组成时，设其为根据调幅的定义则普通调幅波的数学式为 可见，其频谱为 、 、 、 。 tUtUtUtu3m32m21m1coscoscos)()coscoscos1 (3cm3ma2cm2ma1cmm1acmtUUktUUktUUkU)coscoscos1 (3a32a21a1cmtmtmtmUc1c2c3ctUktUktUkUtUa33ma22ma11mcmmcoscoscos)(ttmtmtmUtuc3a32a21a1cmcos)coscoscos1 ()(高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 多频调幅的数学表示式可

8、写为 其中 mi=kaUim/Ucm ,ka 是由电路参数决定的比例系数,电路确定后, ka不变。 因为多音调制时各个低频分量的幅度并不相等，因而调幅指数mi也不相同，所以就整个调幅波来说，常引用平均调幅指数的概念。大量实验表明，未经加工处理的语言信号的平均调制系数为0.20.3。 从调幅波的频谱关系可以看出，调制过程实质上是一种频谱搬移过程。经过调制后，调制信号的频谱由低频被搬移到载频附近，成为上、下边频带。 niiiittmUtUtu1cccmccm)cos()cos(2cos)(高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.普通调幅波各频率分量的功率关系 通常

9、将调幅波电压加在电阻R两端，电阻R上消耗的各频率分量对应的功率可表示为 (1)载波功率 (2)每个边频功率 (3)调制一周内的平均总功率 从各频率分量所占的功率比例来看，含有传送信息的上、下边频分量所占功率成分比载波功率要小很多。 例如ma=0.3,PoT=95.7%Poav ,上下边频功率仅4.3%Poav。RUP2cmoT21oT2a2cma411221ccPmRUmPPoT2aoToav21ccPmPPPP高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.1.2 抑制载波的双边带调幅信号和单带调幅信号 1.为什么要用双边带调幅信号或单带调幅信号进行发射? 因为调幅

10、信号的载波本身并不包含信息，且占有较大的功率，为了减小不必要的功率浪费，可以去掉载波，只用双边带调幅信号或单带调幅信号进行发射。 2.抑制载波的双边带调幅信号(DSB) 数学表示式 频谱为 波形如图所示,注意：调制信号负半 周时,双边带载波反相。 cttUtUtUtututucmccmmccoscoscoscos)()()(高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 因为双边带信号不包含载波，它的全部功率都为边带占有，所以发送的全部功率都载有信息，功率有效利用率高于AM制。 3.单边带调幅波(SSB) 因为两个边带的任何一个边带已经包含调制信号的全部信息，所以可以进一

11、步把其中的一个边带抑制掉，而只发射一个边带，这就是单边带调幅波。其数学表示式为 或 单边带调幅波的频谱为 或 。 单边带调幅波的频谱宽度只有双边带的一半，其频带利用率高，在通信系统中是一种常用的调制方式。tUtUUtu)cos()cos(21)(cmccmmtUtUUtu)cos()cos(21)(cmccmmcc高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 电压电压表达式表达式普通调幅波普通调幅波载波被抑制双边带调幅波载波被抑制双边带调幅波单边带信号单边带信号波形图波形图频谱图频谱图信号信号带宽带宽F2F2三种振幅调制信号三种振幅调制信号或FttmUcacmcos)c

12、os1 (ttUcmcoscostU)cos(cmtU)cos(cm高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.1.3 振幅调制电路的功能 1.功能：将输入的调制信号和载波信号通过电路变换成高频调幅信号输出。 2.表示形式 (1)普通调幅波 当输入调制信号 ， 输入载波信号 时， 输出信号电压 。 输入与输出信号的 频谱表示形式频tUtucos)(mtUtuccmccos)(ttmUtucacmcos)cos1 ()(数学式表示频谱表示法频谱表示法高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (2)抑制载波的双边带调幅 输入调制信号 输入载

13、波信号 输出信号电压 输入与输出信号的 频谱表示形式tUtucos)(mtUtuccmccos)(ttUtucmcoscos)(数学式表示频谱表示法高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (3)抑制载波的单边带调幅 输入调制信号 输入载波信号 输出信号电压 或 输入与输出信号的 频谱表示形式tUtucos)(mtUtuccmccos)(tUtu)cos()(cmtUtu)cos()(cm数学式表示频谱表示法高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.1.4 振幅调制电路的分类及基本组成 1.分类 低电平调幅电路 按调幅级电平的高低分

14、高电平调幅电路 2.要求 低电平调幅电路的功率较小，输出功率和效率不是主要指标，重点是提高调制的线性，减少不需要的频率分量的产生和提高滤波性能。 高电平调幅电路是直接产生满足发射机输出功率要求的已调波。它的优点是整机效率高。设计时必须兼顾输出功率、效率和调制线性的要求。通常高电平调幅只能产生普通调幅波。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.振幅调制电路基本组成 一般来说振幅调制电路是由输入回路，非线性器件和带通滤波器三部分组成。 输入回路的作用是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（乘法器、二极管、三极管）的作用是实现产生

15、新的频率。(产生上下边频分量) 带通滤波器的作用是取出调幅波的频率成分，抑制不需要的频率成分。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.1.5 调幅信号的解调电路的功能 1.功能：从调幅信号中不失真地解调出原调制信号。 2.频谱表示 双边带和单边带调幅信号的解调为相干解调； 普通调幅信号的解调为非相干解调。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.波形表示(以普通调幅波等非相干解调为例) 图6.1.7调幅解调电路的输入与输岀波形高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.1.6 调幅解调电路的分类与基

16、本组成 1.分类 包络检波器(非相干解调)(普通调幅解调) 调幅解调电路 同步检波器(相干解调)(双、单边带解调) 2.基本组成 频谱搬移电路由高向低搬移高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.2低电平调幅电路 低电平调幅电路的分类： 模拟乘法器调幅电路； 单二极管开关状态调幅电路； 二极管平衡调幅电路 二极管环形调幅电路 讨论与分析应注意的关键内容 低电平调幅是先在低功率电平级进行振幅调制，然后再经过高频功率放大器放大到所需要的发射功率。 由于低电平调幅电路的功率较小，输出功率和效率不是主要指标，重点是提高调制的线性，减少不需要的频率分量的产生和提高滤波性能

17、。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.2.1 模拟乘法器调幅电路 模拟乘法器是一种完成两个模拟信号(电压或电流)相乘作用的电子器件。其电路符号如图6.2.1所示。 图6.2.1模拟乘法器符号 它具有两个输入端对(即X和Y输入端对)和一个输出端对，是三端对非线性有源器件。它的传输特性方程为 式中，K为乘法器的增益系数，单位为1/V。 实用的乘法器大多不是理想的相乘特性。 yxuKutu)(o高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 1.双差分对管振幅调制电路 图6.2.2是常用的的双差分对管 模拟乘法器原理电路。 它由两个单差分对

18、管电路T1、 T2、T5和T3、T4、T6组合而成。 图中u1加在两个单差分对管的 输入端，u2加到T5和T6的输入端。 根据晶体三极管的特性可知, T5和T6组成差分对管的电流电压关系， 在每个晶体管的1条件下， 图6.2.2双差分对管电路恒流源I0为 BE5es5ukTqIi BE6es6ukTqIi )e1 ()/1 (2-5565650ukTqiiiiiiI高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 则 式中，q为电子电荷；k为波耳兹曼常数；T为热力学温度；I0为恒流源；u2为差模输入电压。 同理,对于T1、T2和T3、T4组成的差分对，可得kTquIIiuk

19、Tq2th12)e1/(20-052kTquIIiukTq2th12)e1/(20062kTquIii2th2065kTquii2th12151kTquii2th12152kTquii2th12163kTquii2th12164高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 双端输出时，输出电流 代入 根据双曲线正切函数的性质，当u1和u2都小于26mV时， IIIiii)()()()(34214231iiiiiiiiiiikTquii2th)(165)(65ii kTqukTquIi2th2th21021M21022uuKkTqukTquIi高频电子线路高频电子线路退出

20、下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 若将u1为载波电压uc(t)=Ucmcosct, u2为调制电压 ， 则可实现双边带调幅。在实际电路中为使输出电压频谱纯净，仍需接一个中心频率为c的带通滤波器。 扩大u2的动态范围 可以在T5与T6的发射极之间接入负反 馈电阻Ry。并将恒流源I0分为两个I0/2的 恒流源，这是集成模拟乘法器中常采用的 一种恒流源形式。 设流过Ry的电流为Iy，其方向如图中所示。 Iy=iE5-I0/2=iE5-(iE5+iE6)/2=(iE5-iE6)/2 由于输入电压为u2 ,则tUtucos)(m高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学

21、 u2 =uBE5+IyRy-uBE6=uBE5-uBE6+(iE5-iE6) Ry/2 因为， ， ，则 所以 当Ry足够大，满足深度负反馈条件，即BE5es5E5ukTqIiiBE6es6E6ukTqIiiE6E5BE6BE5lniiqkTuuyE6E5E6E52)(21lnRiiiiqkTuE6E5yE6E5ln)(21iiqkTRiiy65yE6E52)(21)(21RiiRiiu高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 即 则乘法器的双端输出电流为 表明，当加入反馈电阻Ry后，双差分对模拟乘法器输出电流与 u1 、 u2的关系。 值得注意的是，因为iE5+

22、iE6=I0，且iE5、iE6均为正值，故u2的最大动态范围为 y265/2Ruii12y2th2ukTquRi 220y20IRuI高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.MC1596平衡调幅电路 偏置电阻RB使I0=2mA； R1和R2电阻分压给7端 和8端提供直流偏压， 8端为交流地电位； 51电阻为与传输电 缆特性阻抗匹配； 两只10k电阻与RP构 成的电路，用来对载 波信号调零。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 设载波信号 , ，是大信号输入。根据双曲线正切函数的特性，在上述条件下具有开关函数的形式 上式展开为傅

23、里叶级数 因为在2与3端加了反馈电阻Ry=1k，对于输入调制信号 可扩大线性范围，输出的电流 可用 表示为tUtuccmccos)(qkTU/2cm2321221thccctt2kTquttt2kTqucccc5cos543cos34cos4thtUtucos)(miiicy2th2ukTquRi高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 若在输出端加入一个中心频 显然取出的电流分量为双边带信号。 实际电路采用了单端输出方式。集电极电阻Rc对电流取样，可得单端输出时的uoM表示为 若带通滤波器带内电压传输系数为ABP，则滤波后输出电压 这是一个抑制载波的双边带调幅波。

24、ttttURicccmy5cos543cos34cos4cos2ttURicmycoscos8cyccoM2th21ukTquRRiRuttURRAucmycBPocoscos4乘法器怎样实现普通调幅波调幅?高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.2.2 单二极管开关状态调幅电路 1.什么是开关状态? 开关状态是指二极管在两个不同频率电压作用下进行频率变换时，其中一个电压振幅足够大，另一电压振幅较小，二极管的导通或截止将完全受大振幅电压的控制，可近似认为二极管处于一种理想的开关状态。表明这种状态下的二极管是理想的非线性器件。 2.电路分析 u1(t)是一个小信

25、号， u2(t)是一个振幅足够大的信号, 二极管D主要受到信号u2(t)的控制， 工作在开关状态。 tUtu11m1cos)(tUtu22m2cos)(高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 在u2(t)的正半周，二极管导通， 通过负载RL的电流为 其中，rd为二极管的导通电阻。 在u2(t)的负半周，二极管截止， 通过负载RL的电流为零。 因此，电流i可用下式表示： 若将二极管的开关作用以开关函数式来表示，可得)()(121LdtutuRri0)(00)(1)(222tututK0)(0)(0)()(12221LdtutututuRri高频电子线路高频电子线路退

26、出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 则电流可表示成 因为u2(t)是周期性信号，所以开关 函数K(2t)也是周期性函数，其周期与 u2(t)的周期相同。 控制信号u2(t)的作用下开关函数 K(2t)的波形是振幅为1的矩形脉冲序列， 其角频率为2。 开关函数 K(2t)可展开为傅里叶级数， 开关函数K(2t)中只含直流分量、2和2的奇次谐波分量。 )()()(121LdtututKRrittttK22225cos523cos32cos221)(高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 可以看出，电流i中包含以下频谱成分 u1和u2的频率成分1和2； u1和u

27、2的和频和差频2+1、2-1； u1的频率和u2的各奇次谐波频率的和频和差频， 即 ； u2的偶次谐波频率； 直流成分。 如果2 =c(载波频率)、1 =(调制信号频率)，并用中心频率为c，通频带宽度略大于2的带通滤波器作为负载，负载上得到的输出电压将只包含c、c三个频率成分。因此，单二极管开关状态调幅电路，只能实现普通调幅波的调幅。) tcostcos( t5cos52t3cos32tcos22112m211m222LdUURri12) 12(n高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.2.3 二极管平衡调幅电路 在Tr2一次侧输入调制电压 在输入Ucm足够大

28、的载波电压 使二极管D1、D2均工作于受uc(t)控 制的开关状态，其导通电阻为rd。 设流过二极管D1的电流为i1， 流过二极管D2的电流为i2，它们的 流向如图所示。根据变压器Tr3的 一次、二次绕组匝比为21，且一 次侧为中心抽头,二次侧负载RL折合到一次侧的等效电阻为 4RL ,对应到有中心抽头的每一部分，则为2RL,可得等效电路。 tUtucos)(mtUtuccmccos)(高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 在uc(t)为大信号的开关工作状态，对D1来说，uc(t)的正半周导通，负半周截止。对D2来说，uc(t)的正半周导通，负半周截止。它们开关

29、函数都是K(ct)。因此，电流i1和i2应为 根据变压器Tr3的同名端及假设的二次侧电流i的流向。由于i1和i2流过Tr3一次侧的方向相反，所以，电流i为)()()(21ccLd1tututKRri)()()(21ccLd2tututKRri)(2)(2cLd21tKRrtuiii)3cos32cos221(2cos2ccLdmttRrtUtttRrU)cos(2)cos(2cos2ccLdmtt)3cos(32)3cos(32cc高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 由上式可见，i中包含、c、3c，等频率分量。由于采用开关状态和平衡抵消的措施，很多不需要的频率

30、分量在i中已不存在。通过中心频率为c，带宽为2的带通滤波器滤波，只有c频率成分的电流流过负载RL，在RL上建立双边带调幅波的电压。 问题： 1.为什么采用开关工作状态?它与电压都是小信号的调幅有什么区别? 2.为什么采用平衡调幅?与非平衡调幅相比其特点是什么? 3.开关函数的含意是什么?如何分析判断?高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.2.4 二极管环形调幅电路(双平衡调幅电路) 特点： 与平衡调幅电路的差别多接了两只二极管D3和D4，它们的极性分别与D1和D2的极性相反，这样，当D1和D2导通时,D3和D4是截止的；反之，当D1和D2截止时,D3和D4是

31、导通的。 环形调幅电路是由两个平衡调幅电路组成。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 晶体二极管D1和D2仅在uc(t)的正半周导通，其开关函数为K(ct)，流过输出负载电阻RL的电流为)(2)(2cLd21tKRrtuiii高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 二极管D3和D4仅在uc(t)的负半周内导通，其开关函数为 K(ct-)，流过输出负载RL的电流为(其电流方向如图所示) 式中)(2)(2cLd34tKRrtuiiitttKccc3cos32cos221)(高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工

32、程大学 流过RL的总电流为 可见，环形调幅电路与平衡调幅电路比较，进一步抵消了 分量，而且各分量的振幅加倍。通过中心频率为 ，通带为 的带通滤波器滤波，可取出 的电流，在 上可建立双边带调幅电压。)t(Kt)(KRr(t)uiii22c1c1LdttRrtUmccLd3cos34cos42cos2ttRrU)cos(4)cos(42ccLdmtt)3cos(34)3cos(34ccc2cLR高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.3高电平调幅电路 高电平调幅电路： 集电极调幅电路； 基极调幅电路。 讨论与分析应注意的关键内容 高电平调幅是直接产生满足发射机输出

33、功率要求的已调波。 它是利用丙类高频功率放大器在改变VCC或VBB时具有调幅特性这一特点来实现。 高电平调幅的关键是整机效率高。设计时必须兼顾输出功率、效率和调制线性的要求。 通常高电平调幅只能产生普通调幅波。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.3.1 集电极调幅电路 1.基本原理 对于丙类高频功率放大器，在VBB、 gc、UBZ、 Ubm、RP不 变的条件下,工作于过压状态时,集电极电流脉冲幅度将随集电 极有效电源电压VCC变化而变化。 即在过压区具有调幅特性, IC0、 Ic1m将随VCC变化而变化 。 过压区过压区高频电子线路高频电子线路退出下页上页

34、首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 由集电极调幅原理电路可知,低频调制信号 与丙类放大器的直流电源VCT相串联，有效集电极电源电压VCC等于两个电压之和，它随调制信号变化而变化。 )(tu)(CTCCtuVV高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.电路分析 设基极输入载波信号电压 则基极瞬时电压为 集电极输入调制信号电压 则集电极有效电源电压为 输出电压tUtucos)(m)cos1 (cosaCTmCTCCtmVtUVVCTma/VUm)cos1 (aC0TC0tmII)cos1 (ac1Tc1mtmIIttmUtRItucacmcpc1mcos)cos1 (

35、cos)(调幅调幅指数指数tUucbmbcostUVucbmBBBEcos高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.功率与效率 (1) 载波状态： ，VCC=VCT ，IC0=IC0T ，Ic1m=Ic1T 。 直流电源VCT输入功率 P= VCT IC0T； 载波输出功率 ； 集电极损耗功率 PcT=P=T PoT； 集电极效率 cT=PoT /P=T。 (2)调幅波峰处： , VCC=VCT(1+ma), IC0=IC0T(1+ma)， Ic1m=Ic1T(1+ma) 。 有效电源输入功率 P=max= VCT IC0T(1+ma)2= P=(1+ma)2

36、高频输出功率 集电极损耗功率0)(tup2T1coT21RIP1cost2aoTP2a2c1TP2c1momax)1 ()1 (2121mPRmIRIP2acTomaxmaxcmax)1 (mPPPP高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 集电极效率 (3)在调制信号一周内的平均状态： 集电极有效电源电压VCC供给被调放大器的总平均输入功率为 直流电源VCT不变, 流过VCT的调制一周内的平均直流电流为 CTomaxmaxocmaxTTPPPP)cos1 (aCTCCtmVV)cos1 (aC0TC0tmII)cos1 (ac1Tc1mtmIIaC0TaCTC0C

37、Cav)(d)cos1 ()cos1 (21)(d21-ttmItmVtIVP2122aTC0TCT2aC0TCTmPIVmIVC0TaC0TC0C0av)(d)cos1 (21)(d21-IttmItII高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 则由集电极直流电源VCT所供给的平均输入功率为 有效电源中调制信号源 所供给的平均功率为 有效电源总平圴输入功率是由直流电源VCT和调制信号源 共同提供。 在调制一周期内的平均输出功率为 )(tuT2aC0TCT2aav22PmIVmPPP)(tu212121 )(d)cos1 (2121)(d21212aoT2ap2c1

38、Tp2a2c1T-p2c1moavmPmRItRtmItRIPTC0TCTC0avCTPIVIVP高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 在调制信号一周期内平均集电极损耗功率为 在一周内的平均集电极效率为 几点结论： 集电极调幅必须工作于过压区。 在调制过程中，效率不变，这样可保证集电极调幅电路处于高效率下工作。常数CT2a2aavoavcav2121mPmPPPToT2121)(2aCT2aoTToavavcavmPmPPPPP高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 在调制信号一周内的平均功率都是载波状态对应功率的 倍 总输入功率分

39、别由VCT和 所供给，VCT供给用以产生 载波功率的直流功率P=T， 则供给用以产生边带功率的平均 输入功率P。 集电极平均损耗功率等于载波点的损耗功率的 倍。应根据这一平均损耗功率来选择晶体管，以使PCMPCav 。 因为调制信号源u(t)需提供输入功率，故调制信号源 u(t)一定要是功率源。大功率集电极调幅就需要大功率的调制 信号源，这是集电极调幅的主要缺点。)2/1 (2am)(tu)(tu)2/1 (2am)2/1 (2am高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.3.2 基极调幅电路 C1、C3为高频旁路电容； C2为低频旁路电容； Tr1为高频变压器

40、； Tr2为低频变压器； 带通滤波带通滤波高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 高频功率放大器在 gc、UBZ、VCC、Ubm、RP不变条件下,工作于欠压状态,改变 ,其输出电流中的基波电流随 VBB变化这一特点来实现调幅的。 基极调幅电路的特点是： (1)必须工作于欠压区； (2)载波功率和边频功率都由直流电源VCC提供； (3)调制过程中效率是变化的。 只能用于输岀功率小、对失真要求不严的发射机中。)(BTBBtuVV高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 调幅电路与调幅波的对应关系高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨

41、工程大学哈尔滨工程大学 6.4单边带信号的产生 6.4.1 单边带通信的优点 (1)单边带调幅波占有频带窄，频谱宽度只有双边带调幅波的一半，频带利用率高。 (2)它还能节省功率，功率利用率高。在与普通调幅波总功率相等的情况下，接收端的信噪比明显提高，因而通信距离可大大增大。 (3)单边带只有一个边带分量，选择性衰落现象影响较小，相对于普通调幅要小得多。所谓选择性衰落是在短波传播过程中，不同频率的电波会产生不同的衰减和相移，引起接收信号的失真和不稳定。 (4)单边带调幅也有缺点，对接收机要求高，即必须采用同步检波的方式实现解调。这必然带来设备复杂、成本高的缺点。高频电子线路高频电子线路退出下页上

42、页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.4.2 单边带信号的产生方法 1.滤波法 图6.4.1滤波法方框图 由平衡调幅电路加边带滤波器组成。 因为双边带信号中，上下边频的频率间隔为2Fmin(一般约为几十赫)，所以为了达到滤波效果好，滤除一个边带而保留另一个边带，就要求边带滤波器具有很陡峭的衰减特性(接近于矩形)。 又因为fcFmin，边带滤波器的相对带宽很小，制作很困难。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 在实际应用中是适当降低第一次调制的载波频率，这就增大了边带滤波器的相对带宽，使滤波器便于制作。 (解决了边带滤波器要求高的问题,但是载频低不符合要求)

43、然后再经过多次平衡调幅和滤波逐步把载频提高到要求的数值，如图6.4.2所示。图中f1+f2+f3=fc，显然设备比较复杂，但性能比较可靠。图6.4.2实现滤波法的一种方案高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.移相法 在调制信号为u(t)=Umcost时，若单边带调幅信号为 u=KUcmUmcos(c+)t =KUmcostcosct-KUcmUmsintsinct图6.4.3相移法单边带调制器方框图两个双边带之差两个双边带之差高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.5 包络检波电路 6.5.1 检波电路的主要技术指标 1.电

44、压传输系数Kd 检波电路的电压传输系数是指检波电路的输出电压和输入高频电压振幅之比。 (1)输入为高频等幅波 时， Kd定义为输出直流电压与输入高频电压振幅的比值，即 (2)输入为高频调幅波即 时， Kd定义为输出的分量振幅与输入高频调幅波包络变化的振幅maUim的比值，即tUtuiimicos)(imodUUK ttmUtuiaimicos)cos1 ()(imamdUmUK高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.等效输入电阻Rid (1)为什么要考虑等效输入电阻? 通常检波器与前级高频放大器的输出端连接，检波器的等效输入电阻将作为放大器的负载影响放大器的电

45、压增益和通频带。设计电路系统时,需要考虑负载对放大器性能的影响。 (2)等效输入电阻的定义 检波器是非线性电路，Rid的定义与线性放大器是不相同的。 Rid的定义为输入等幅高频电压的振幅Uim与输入高频电流脉冲的基波分量振幅I1m的比值，即 实际上，检波器的输入阻抗是复数，可看成由电阻和电容并联组成。通常输入电容与高频谐振回路构成谐振，所以可只考虑输入电阻Rid的影响。1mimidIUR高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.非线性失真系数Kf 非线性失真的大小，一般用非线性失真系数Kf表示。当输入为单频调制的调幅波时，Kf定义为 式中U、U2、U3、分别为输

46、出电压中调制信号基波和各次谐波分量的有效值。UUUK2322f高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 6.5.2 6.5.2 二极管大信号检波电路二极管大信号检波电路 1.什么是大信号检波? 高频输入信号的振幅大于0.5V，利用二极管两端加正向电压时导通，通过二极管对电容C充电，加反向电压时截止，电容C上电压对电阻R放电这一特性实现检波的。 2.工作原理 图6.5.1大信号检波原理电路 图6.5.1所示是大信号检波原理电路。它是由输入回路、二极管D(非线性器件)和RC低通滤波器组成。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 当输入信号

47、为高频等幅波时， 电路接通后, ,充电,充电时常数rdC小,充电快； t=t1时, 充电停止； tt1时, 放电,放电时常数RC大,放电慢； t=t2时, 放电停止； tt2时, 充电,充电时常数rdC小,充电快； t=t3时, 充电停止； tt3时, 又放电, 如此反复，直到在一周期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。 充电 充电放电 放电)()(oitutu)()(oitutu)()(oitutu)()(oitutu)()(oitutu)()(oitutu)()(oitutu高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 当输入为调幅

48、波信号时，充放电波形如图6.5.3所示。其过程与等幅波输入情况相似。输出电压的变化规律正好与输入信号的包络相同。 图6.5.3输入调幅波时检波过程高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.大信号检波器的分析 对于大信号检波，二极管的伏安特性可近似用折线表示，其数学表示式为 其中，gd为二极管导通时的电阻rd的倒数，即gd=1/rd ；UBZ为二极管的截止电压，通常锗二极管为0.2V左右，硅二极管为0.5V左右。0)(BZDdDUugiBZDBZDUuUu高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 图6.5.4大信号检波原理图 设输入为

49、(高频等幅波),则 对应的二极管电流iD为一重复频率为i的周期余弦脉冲，其通角为，振幅最大值为IM 。 tUtuiimicos)(oiimoiDcos)(utUutuu为直流电压为直流电压高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 iD可以分解为直流、基波和各次谐波分量。即 其中，I0=0()IM为直流分量，I1m=1()IM为基波分量振幅，Inm=n()IM为n次谐波分量振幅。 检波器输岀端为低通滤波器,只有直流电流I0在电阻上建立电压,则检波器输岀电压为 问题：电流脉冲的IM和半通角怎样求得? 由二极管伏安特性知,当uDUBZ时， 当it=时，iD=0，可得tnI

50、tItIIiinmi2mi1m0Dcoscos2cosRIRIuM00o)()cos(BZiimodDUtUugiimBZocosUUu 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 当it=0时，iD=IM，可得 由于 而imoBZimdBZimodM1)(UuUUgUUugI)cos1 (imdMUgI)cos1 (cossin)(0)cos(sin1)(imd0M0UrII)cos1 (cossin)(1高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 经低通滤波器的输出电压为 将上式除cos得 在UBZ=0或uoUBZ的条件下，上式可写成)c

51、ossin(1)(imd1M1mUrII)cos(sinimd0oUrRRIu)(tanimdimBZooUrRUUuuRrdtan高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 在很小的条件下，( / 6 )，tan可展开成级数 忽略高次项，可得 在UBZ=0， / 6（rad）的条件下，通角仅与检波器的电路参数rd和R有关，而与输入高频信号的振幅Uim无关。 输入电压为高频等幅波ui=Uimcosit时, 检波输出电压为 5315231tan(rad)3d3RrcoscosimBZimoUUUu高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 输入

52、信号为调幅波ui=Uim(1+macost)cosit时， 由于 ，在高频电压一周内，由引起的振幅变化可以认为是不变的。则检波输出电压 式中含有： 由载波检波得到的直流成分Uimcos； 边频分量检波而得到的成分Uimmacostcos。 问题：怎样的措施能将两电压信号分开? 为了取出原调制信号，要去除直流成分，需在低通滤波器后增加隔直电容Cc来实现,可以选用图6.5.6所示的检波电路， 。 icoscoscoscos)cos1 (aimimaimotmUUtmUu高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 输入信号图6.5.6检波电路 检波器输岀 tUtuiimic

53、os)(cosimAUu 0Burad)(3d3Rr高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 输入信号图6.5.6检波电路 检波器输岀rad)(3d3RrttmUtuiaimicos)cos1 ()(coscoscoscos)cos1 (aimimaimAtmUUtmUutmUucoscosaimB高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 实用电路参数选取的几点说明： (1)要满足假设条件 / 6 （rad）和UBZ=0； (2)应选导通电阻rd尽可能小的检波二极管，而直流负载电阻R要选大些，满足 / 6 （rad）的条件； (3) UB

54、Z=0的条件，可以采用给检波电路加固定偏压的方法来获得。图6.5.5给出了加固定偏压的检波电路的形式。 图6.5.5加固定偏压的检波电路高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 4.大信号检波器的技术指标 (1)电压传输系数 若输入电压为ui=Uimcosit的等幅波时，则检波器的输出电压uo=Uimcos。 根据输入为等幅波时电压传输系数的定义，则 若输入电压为ui=Uim(1+macost)cosit的调幅波，检波器的输出电压uo=Uim(1+macost)cos。 根据调幅波的电压传输系数的定义，可得 coscosimimdUUKcoscosimaimadUm

55、UmK高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (2)等效输入电阻Rid 根据定义，等效输入电阻为输入高频电压振幅与流过检波二极管的高频电流的基波振幅之比。即 电流脉冲中的基波分量振幅为 所以 将tan、sin、cos展开成级数1mimidIUR cossind1mimidrIUR)cossin()cos1 (cossin)cos1 ()(dimimd1CMm1rUUgII高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 通常很小，可忽略高次项，可得3512tan3152411cos12 !4 ! 3511sin35！RRRR21! 21! 31

56、31! 211! 3131333233id2idRR 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (3) 失真 检波器的失真可分为频率失真、非线性失真、惰性失真和负峰切割失真。 频率失真 当输入信号是调制频率为minmax的调幅波时，检波器输出端A点的电压频率包含直流、minmax ，而输出B点的电压频谱包含minmax。 低通滤波器RC具有一定的频率特性，电容C的主要作用是滤除调幅波中的载波频率分量，为此应满足RCi1C选取条件之1高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 当C取得过大时，对于检波后输出电压的上限频率max来说，C的容抗将

57、产生旁路作用。不同的将产生不同的旁路作用。这样也要引起了频率失真。为了不产生频率失真，应使电容C的容抗对上限频率max不产生旁路作用，为此应满足 耦合电容的容抗将影响检波器下限频率min的输出电压，即在minmax范围内，电容Cc上电压降大小不同，在输出端B点的电压会因此而产生频率失真。为了不引起频率失真，应使Cc对于下限频率min的电压降很小，必须满足RCmax1RCcmin1C选取条件之2高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 非线性失真 检波器的输出电压是二极管的反向偏压，具有负反馈作用。输出电压大，负反馈强，输出电压减小，负反馈减弱。这个反向偏压的调整作用

58、，将使非线性失真减小。检波负载电阻越大，反向偏压越大，非线性失真就越小。一般说来，二极管大信号检波器的非线性失真很小。 惰性失真 检波器的低通滤波器RC的数值大小对检波器的特性有较大影响。 从性能指标来看,负载电阻R越大，检波器的电压传输系数Kd越大，等效输入电阻Rid越大，非线性失真越小。 但是随着负载电阻R的增大，RC的时间常数将增大，就有可能产生惰性失真。 产生惰性失真的原因是什么?高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 大信号检波器是利用二极管单向导电性和电容C的充电放电来实现的。在正常情况下，在高频电压一周内，二极管导通一次。导通时，电容C经二极管内阻r

59、d被充电。截止时，电容C通过负载电阻R放电。充放电过程所产生的锯齿波，其平均值与高频信号电压的包络一致。 电容上电压在t5t6时间 内均高于输入电压，二 极管一直截止。 输出电压的变化规律就 不能反映输入电压的变 化规律，从而产生失真。 这种失真是由电容C放电速度太慢引起的，所以称为惰性失 真。惰性失真失高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 不产生惰性失真的条件： 当电容器上电压变化的速度比调幅波振幅变化的速度快时，则不会产生惰性失真。即 具体分析 设输入高频调幅波为ui=Uim(1+macost)cosit， 其振幅为 ,振幅变化速度为 电容器C通过电阻R放电

60、，放电时通过C的电流为tUtuddddimc)cos1 (aimimtmUUtUmtUsinddimaimtuCiddcc高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 流过R的电流为 ,且 ,可得 则电容器C上电压的变化速度为 若设大信号检波器的电压传输系数Kd1，则 uc =Uim(1+macost)Kd Uim (1+macost) 根据不产生惰性失真的条件 ,令 则不产生惰性失真的条件为1。Rui/cRRcii RutuCccddRCutuccdd)cos1 (ddaimctmRCUtutUtuddddimctutUAddddcim高频电子线路高频电子线路退出下页