电子电路第一学期004第二次应用课

1、电子电路与系统基础应用课第二讲已调波信号分析电子工程系大纲课程定位课程内容课程知识架构已调波信号分析 调幅、调频、调相波的频谱结构电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期2一、本课程地位信息是人进行决策的依据，它直接影响或者决定了人的行为信息处理系统是帮助人解决信息获取、处理、传输、存储与发布中的各种问题或拓展相应能力的人造系统，是为人进行科学探索、日常生活、行为决策、实施控制等服务的电子信息系统是当前信息处理系统的主要形式 快捷、方便而电路是电子信息系统的物理层基础 电子信息处理系统的实体是电路电子电路基础实验电子工程系3电子信息科学技术知识体系图相互作用信息载体系统人人类交流交流工

2、具网络服务网络工具认知认知理论网络社会应用 算法库数据包网络系统工具数字集成电路通用逻辑电路网络理论互联网络数据算法通信原理网络协议算法理论电子计算机程序处理器数据结构编程语言计算机原理微处理器信息论电路系统模拟集成电路比特逻辑离散数学离散信号处理代数微波工程光电工程电势电路开关电路电路理论随机过程元器件场电荷载体统计信号处理模式识别信号与系统电磁场理论介质材料固体物理数理方程量子物理概率与统计物质及其运动规律复变函数微积分 几何与代数抽象空间普通物理电子电路基础实验电子工程系4以人为喻人电子信息处理系统软架硬构语言、文字、交流、家庭、社会、计算机语言、算法、网络、大系统、子系统感官系统、神经

3、系统、循环系统、骨骼系统、肌肉系统、消化系统、免疫系统、传感系统、控制系统、总线系统硬系统、发布系统、无线传输线系统、能源管理系统、性件基因放大器、滤波器、混频器、振荡非脑、眼、耳、心、肺、肝、肾、处理线性单元电路胃、肠、骨骼、牙、器、数字门电路、触、基舌、鼻、手、脚、皮肤、器、整流器、稳压器、遗、脑细胞、神经细胞、红血球细胞、传肌肉细胞、脂肪细胞、皮肤细胞、细胞电阻、电容、电感、电源、受控反础源、开关、二极管、晶体管、馈、元件精细胞、设成分水、蛋白、脂肪、糖、氧、碳、氢、氮、磷、钾、氯、镁、硫、钙、铁、碘、导体、半导体、绝缘体、铜、金、硅、锗、砷化镓、二氧化硅、陶瓷、施材料电子电路基础实验电

4、子工程系5与其他课程的高等模拟集成电路大规模数字集成电路射频集成电路计算机架构数字系统设计微波电路模拟电路原理通信电路原理数字逻辑与处理器基础信号与 系统电子电路与系统基础关联固体物理 材料、化学、电磁场电磁学数学基础电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期6二、本课程内容通过本课程的学习，掌握电路的基本原理基本元件基本单元电路基本分析方法基本应用 上述五个电路基本背后的关于信号及系统分析的基本概念电子电路基础实验电子工程系7基本原理物理基础物质原子结构载流子：价带电子、空穴、导带电磁场与物质相互作用电子载流子在场作用下的运动、载流子的运动可形成场第一个层次：从场与物质的相互作用导出元

5、件的电特性基本定律欧姆定律：元件约束关系，元件电特性描述定律：元件连接关系描述第二个层次：元件相互连接分析？基本电路，电路如何电子电路基础实验电子工程系8基本分析方法电路分析方法基本方法：KCL+KVL+OL（元件约束关系）列方程方法：回路分析法、节点分析法、法：数学方程解，计算机数值解 变换域方法：Fourier变换、Laplace变换 等效法：定理等效，等效、叠加定理、替代近似分析法：例交直流分析法，分段线性法、准线性法对非线性的分析，开关对非线性的近似图解法：简单非线性电路的原理性分析电子电路基础实验电子工程系9基本元件电阻/电导电感，互感电容耗能储能储能：无源有损：无源无损：无源无损：

6、代数：微积分：微积分源供能：换能独立源（直流电源、交流电源）：有源：代数受控源（基本放大器：电压、电流、跨导、跨阻）负阻（换能元件，与受控源一样，可形成放大器、振荡器电路）开关传输线传能：传能：能量传输的通或断（状态变换）通过电磁能量的转储而传输能量电子电路基础实验电子工程系10基本单元电路信息处理角度放大振荡滤波信号电平调整信号产生信号选择变频、调制、解调信号变换，利于传输重点以乘法器和开关的实现信号器、状态锁存传感器电路角度看，可提供电激励，等效为信源处理信号处理激励器电路角度看，消简单门电路，简单AD/DA耗了电能，等效为电阻电能处理角度整流逆变稳压交流能量转换为直流能量直流能量转换为交

7、流能量有波动的直转恒定值的直11基本应用第一个层次：从场与物质相互作用导出元件的电特性第二个层次：元件相互连接基本功能电路第三个层次：基本功能电路连接成电路系统课程最后以射频通信系统为例问题电路系统的基本完成信息的远距离传递：信息处理功能针对一个射频通信系统的功能分析，系统拆分，功能电路实现，实现一个信息处理系统需要的基本电路功能和模块实现这些内容散落在课程之中，课程最后给出一个汇总说明课程中，还将会涉及到电路系统的各种实际应用例子电子电路基础实验电子工程系12关于信号与系统分析的基本概念线性非线性 时变时不变，时频分析无，集总与分布，时域与频域，复频域分析正负反馈以及负反馈稳定性噪声与失真信

8、噪比，噪声系数，非线性失真，线性度，电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期13课程中5+1个基本的整合相互作用基本原理物质：价电子，电子，载流子电磁场电阻基本元件电源电容电感开关二极管晶体管电能转换电路受控源、负阻独立源激励器传感器基本单元电路门电路乘法器振荡器滤波器/积分器放大器ADC、DAC数字处理基本分析方法：KVL，KCL，OL：支路电压电流法，结点分析法；等效法，图解法、近似法基本数学求解方程方法，变换域方法系统级概念：线性、非线性 时变、时不变，正/负反馈，基本应用信息处理系统信号时频域描述三、本课程体系相互作用基本原理物质：价电子，电子，载流子电磁场基本元件电阻晶体管电

9、源电容电感开关二极管电能转换电路受控源、负阻独立源激励器传感器基本单元电路门电路 乘法器振荡器放大器滤波器/积分器ADC、DAC数字处理基本分析方法：KVL，KCL，OL ：支路电压电流法/结点分析法；等效法/图解法/近似法基本数学求解方程方法系统级概念：线性/非线性信号时、信息处理系统基本应用变换域方法频域描述时变/时不变、负/正反馈，第二学期：动态电路第一学期：电阻电路两学期内容划分依据电阻电路：电阻、晶体管、开关、电源放大器、乘法器、与或非门电阻NIdVdtI k0RCIKCLkD电容HE基尔霍夫方程动态电路：电容、电感、传输线 滤波器、振荡器、触发器B定律ELV电感MdIdt0kKVL

10、k电子电路与系统基础电子工程系16课程内容（试行暂定）电阻电路动态电路线性电路基本定律：KVL，KCL，OL，列方程基本定理：叠加、替代、基本元件：电源，线性电阻，线性受控源，二端口网络（线性网络参量）基本单元：分压器、分流器、电桥，放大器（受控源，运放），基本概念：线性与非线性， 无 ，负反馈，受控，放大（增益），噪声，信噪比，噪声系数，时频分析，基本元件：线性电容，电感，互感，传输线，基本单元：滤波器，微分电路，积分电路，晶体管放大器（高频模型），基本分析方法：变换域法，特征根法，时域积分法，状态变量法，基本概念：滤波（选频），充放电，延时，耦合，传输，反射，匹配，阻抗变换，谐振，时频分析

11、，集总与分布，非线性电路基本元件：非线性电阻（二极管，晶体管），等效：负阻，受控源，开关，基本单元：放大器，电流镜，乘法器，混频器，与或非门，整流器，稳压器，逆变器，基本分析方法： 法，图解法，交直流分析法，组合逻辑，基本概念：时变与时不变，非线性失真，变频，幅度调制解调，时频分析，基本单元：大信号放大器，负阻放大器，负阻振荡器，正反馈振荡器，锁相环， 频率调制、解调器，整流器，触发器，基本分析方法：非线性线性化（平均跨 导增益，交直流分析，折），开关，时序逻辑（状态转移），基本概念：谐振与振荡，正反馈，负反馈控制，负反馈稳定性，时频分析，调制解调，四、已调波信号分析变换频谱的性质调制与解调调

12、幅波调频波电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期18变换频谱特性4.1F f te jt dtF FT f t f t IFT F 1 2f t F e jt df jt *F f f F * jtjtdt dt t edtt et eI F ej FI F e j F电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期194.2 调制与解调调制：modulation将低频信号负荷到高频载波（carrier）上解调：demodulation把负荷在高频载波上的低频信号卸载下来为什么要调制？第一个理由：无线通信天线尺寸的要求第二个理由：电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期20天

13、线尺寸的要求低频信息低频信息发射天线接收天线开放式的天线结构，电磁波可以被耦合到自电力线天线尺寸只有和波长相比拟，才能有效将受导体的电磁能量（电压、电流） 转化为辐射的电 磁能量（电磁波）常见的天线尺寸为/2，/421由空间中并出去电磁波能量开放结构形成天线发射天线，导行电磁波转换为辐射电磁波接收天线，辐射电磁波转换为导行电磁波辐射电磁波发射电路导行电磁波发射机/4天线以音频为例 300Hz -3.4kHz 1kHz：/4=75km如果调制到1GHz高频上 1GHz： /4=7.5cm工程可实现性决定了调制解调是无线通信中的基本环节电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期22调制与解调

14、低频信号不适宜传输，高频信号适宜于传输 如何实现低频信号（代表了信息）的传输呢？v f t Vm cos t调制信号： modulating signal这里用单频信号替代实际有带宽的信号将低频信号线性负荷到高频载波的幅度上、频率上、相位上V t Vcm kAMlitude Modulationt c kFMFrequency Modulationtt v f v fv t Vcos t ccmc0载波信号： carrier wavetcos t V ttvdtmodt v tk0PMf已调波信号： modulated wavePhase Modulation电子电路与系统基础电子工程系 20

15、11年春季学期23三种基本调制方式t Vv tcos t kv幅度调制AMcmAMfc0cost Vt d vFMcm0 0频率调制cos t k d tv VcmcFMf0 0cos t kt Vv tv相位调制PMcmcPMf0电子电路与系统基础电子工程系2011年秋季学期24调制时域波形：模拟调制10.5v0b-0.5-1100.20.40.60.811.21.41.61.820.5v0C-0.5-1200.20.40.60.811.21.41.61.8210vSAM-1-2100.20.40.60.811.21.41.61.820.5vFM0-0.5-1100.20.40.60.811

16、.21.41.61.820.5vPM0-0.5-100.20.40.60.811.21.41.61.82调制时域波形：数字调制v f t vc t vAM t ASKvFM t FSKvPM t PSK26数字调制：基带信号为数字码流4.3 调幅波t Vv tcos t kvAMcmAMfc0v f t Vm cos t这里用单频正弦信号替代实际有带宽的调制信号vAM t Vcm k AMVm cos t cosct 0 cos t cos t kV V1AMmcmc0Vcm Vcm 1 mA cos t cosct 0 mA：调制指数电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期27频谱结

17、构vAM t Vcm 1 mA Vcm cosct 0 0.5mAVcm cosc0.5mAVcm cosccos t cosct 0 载频分量 t 0 t 0 上边频：和频分量下边频：差频分量电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期28单音调制vAM t Vcm 1 mA cos tcosct 0 Vf OVcmVAM0.5mAVcmc 0.5mAVcmc Oc电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期29双音调制vAM t Vcm 1 mA1 cos 1t mA2 cos 2tcosct 0 Vf O 2112VAMOcc 1 c 1c 2c 2电子电路与系统基础电子工程系

18、2011年春季学期30调幅波的频谱结构调幅波：litude Modulated waveVfv Vv tcos tAMCMfcOVAMv t V调幅：，基本型OfCMcVDSB 0VCM双边带调幅：DSBcOVSSB单边带调幅：SSBcO2011年春季学期电子电路与系统基础电子工程系3110调制信号-1100.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2载波信号0-1200 020 040 060 080 10 120 140 160 180 2标准调幅0-2100 020 040 060 080 10 120 140 160 180 2双边带调幅0-11 00.0

19、20.040.060.080.10.120.140.160.180.2单边带0（上边带）-1100 020 040 060 080 10 120 140 160 180 2单边带0（下边带）-11V f0调制信号O-1100.020.040.060.08 0.10.120.140.160.180.2VAM载波信号0cO-10 V12AM200 020 040 060 080 0 140 160 180 2标准调幅0cO-2100 020 040 060 08 双边带调幅0-11 00.020.040.060.08SSB单边带0（上边带）Oc-1100 020 040 060 080 0 1V2

20、 SSB0 140 160 180 2单边带0（下边带）Oc-14.4 调角波频率调制使正弦信号的瞬时频率与调制信号成线性关系变化，而初始相位不变瞬时频率： instantaneous frequency t v tkFcFMf t tdt tdt ttv0 t kFF0cFMf00t Vcos t kt dt tvvFMcmcFMf0 0相位调制P t ct kPM v f t0保持正弦信号的中心角频率不变，而使其瞬时相位与调制信号成线性关系变化瞬时相位： instantaneous phaset Vcos t kv t vPMcmcPMf0dv f t dt t PdtkPMPcdt电子工

21、程系 2011年春季学期电子电路与系统基础34调角波数学表达式t Vcos t kt dt 调频波tvvFMcmcFMf0 frequency modulated wave调相波phase modulated wave0t Vcos t kv tvPMcmcPMf0j tvt dt t k0 t VcFMf调频波复数表述方式ve0FMcme j ct kPM v f t 0 t Vv调相波复数表述方式PMcm电子电路与系统基础电子工程系2011年春季学期35频率与相位的调制与解调v f t vt FMv f t vt PMv f t vt FMv f t vt PMvFM t v f t vP

22、M t v f t vFM t v f t vPM t v f t 电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期37积分器频率解调器微分器相位解调器相位解调器频率解调器频率调制器微分器相位调制器积分器相位调制器频率调制器单音调频v f t Vm cos t调制信号m KFVm最大频偏F t ckFM v f t kVcos t瞬时频率FMmc c m cos t t t dt tfFF0mm m F0瞬时相位F ct m sint 0调制指数vFM t Vcm cosct mFsin t 0 单音调频波电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期38单音调频波的频谱分析vFM t Vc

23、m cosct mF sin t 0 调频波t Vejt t m tsin jm sin Vjjt复数表述veeecF00cFFMcmcm J me jnte jmF sin t级数展开nFnt V J me jnt0 e j0 e jct e jmF sin te j0 e jct VvFMcmcmnFnJ me j0 e jct e jntJ me j ccm cm V VnFnFnn单音调频波的级数展开vFM t RevFM t Vcm Jn mF cos c nt 0 n电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期39函数的性质cos m n 21J m 4nFF2mF（1）当mF

24、很大时，呈现近似周期性变化，峰值下降Jn mF 1Jn mF n（2）正负频率幅度关系J 1n mF 12m（3）功率分频关系nFnJn mF 0.1（4）能量集中带宽关系BWFM 2mF 1F电子工程系 2011年春季学期关于带宽的Carson公式电子电路与系统基础40函数曲线1J0 mF 0.90.8J1 mF 0.7J 2mFJ m0.63FJ5 mF J 4mF0.50.40.30.2mF0.10-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5012345678910电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期41函数曲线1J 0J m 0.10.9nF0.8n mF 1J0.710.6J

25、 2JJ 40.53J 50.40.30.2mF0.10-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5012345678910电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期42调频波带宽Jn mF 0.1BWFM 2mF 1电子工程系 2011年春季学期卡森公式n m 1F电子电路与系统基础43mFJ0J1J2J3J4J5J6J7J8J90.001100.00%0.250.98440.12400.007899。98%0.500.93850.24230.030699.82%1.000.76520.44010.11490.019699.93%1.500.51180.55790.23210.061099

26、.22%2.000.22390.57670.35280.12890.034099.75%2.405-0.00010.51910.43180.19900.064899.10%3.00-0.26010.33910.48610.30910.13200.043099.61%4.00-0.3971-0.06600.36410.43020.28110.13210.049199.46%5.00-0.1776-0.32760.04660.36480.39120.26110.13100.053499.34%5.520-0.0000-0.3403-0.12330.25100.39600.32300.18910.0

27、88198.18%6.000.1506-0.2767-0.24290.11480.35760.36210.24580.12960.056599.26%Vf单音调频波的频谱结构44 O10.93850.2423mF 0 0.5mF cc cc0.76520.44010.1149cmF 1 5.52mFc c c ccc 2c 2c 6 6电子电路与系统基础电子工程系2011年春季学期双音调频v f t Vm1 cos 1t Vm2 cos 2t双音调制信号F t c kFM v f t c kFMVm1 cos 1t kFMVm2 cos 2t瞬时频率 c m1 cos 1t m2cos 2t

28、t t dt tFF00瞬时相位 t sin t sin t m1m2c12012vFM t Vcm cosct mF1 sin 1t mF 2 sin 2t 0 双音调频波电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期45双音调频频谱结构t Ve j ct mF 1 sin 1t mF 2 sin 2t 0 vFMcme j ct 0 e jmF 1 sin 1t e jmF 2 sin 2t VcmJ me jn1tJ me jk2tj t Vec0cmnF1kF 2nk J mJme j c n1 k2 t 0 VcmnF1kF 2n k vFM t RevFM t Vcm Jn mF

29、1 Jk mF 2 cos c n1 k2 t 0 n k 双音调频波频谱：组合频率分量电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期46vFM t cos2fct mF1 sin 2F1t mF 2 sin 2F2t 2, mF 2 3.333mF1双音调频频谱例f t kFM v t v t cos 2F t cos 2F t10.80.60.40.20f12f2F1 50Hz, F2 30Hz 100 cos 2F t 100 cos 2F tHz 1202004006008001000120014001600v t cos 2f t10.80.60.40.20cfc 1kHzc02004006008001000BW 500Hz1200140016000.40.200200400600电子工程系8002011年春季学期1000120014001600电子电路与系统基础47实际调制信号的调频波频谱结构VfOmVFMcO2 BWFMm电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期48习题1：数字调制ASK，FSK，PSK三种数字调制已调波的数学表达式写出v f t vc t vAM t ASKvFM t FSKvPM t PSK电子电路与系统基础电子工程系 2011年春季学期49习题2：调幅波请给出三种幅