模拟集成电路系统第5章

第五章振幅调制与解调第一节振幅调制的基本原理第四节振幅检波第三节低电平调幅电路第二节模拟乘法器第一节振幅调制的基本原理一、概述:1．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，以避免多种信息间干扰，实现多路通信。2．几个术语：（1）载波：运载信息的工具（高频等幅波），载波的频率称载频。（2）调制信号：控制载波的信息，也就是要传送的音频信息。（3）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。（5）解调：调制的逆过程，目的是从已调波中检出调制信号。3．连续调制分类：所谓连续调制是指载波某一参数受调制信号的连续控制。按受调参数分为：（1）调幅（AM）：受调参数是载波的幅度。（2）调频（FM）：受调参数是载波的频率。（3）调相（PM）：受调参数是载波的相位。第一节振幅调制的基本原理4．调制、解调的实质：频率变换(2)频谱非线性变换电路（FM调/解、PM调/解等）实现电路分两大类：(1)频谱搬移电路(AM调/解、混频等){调幅波(已调波)的表示式为

u(t)=[Uc+kuΩ(t)]cos

ctu

(t)ttuc(t)u(t)t=Uc(1+macosΩt)cos

ct第一节振幅调制的基本原理二、调幅波波形和表示式设调制信号为uΩ(t)=UΩcosΩt，载波信号为uc(t)=Uccos

ct，其波形如图：

其中ma=kUΩ/Uc≤1，称调幅系数或调幅度，一般用%表示。

ma：表示载波受调制信号控制的程度。ma越大，控制作用越大。特殊地，当ma=1时称全调；当ma=0时，称无调，但ma不能>1，否则会出现过调失真。通常调制信号为非简谐信号且时刻变化，所以调幅度也在变，一般其均值ma=0.3=30%。第一节振幅调制的基本原理当ma＞1时，

，即在附近，为负值，如图（a）所示，包络已不能反映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（OverModulation）。

但在实际调幅电路中，由于管子截止，过调制失真的波形如图（b）所示。三、调幅波的频谱及谱宽（一）调制信号为简谐信号时u(t)=Uc(1+macosΩt)cos

ct第一节振幅调制的基本原理载波分量上边频分量下边频分量其频谱如图：频谱宽度：B=2Ω

或BHZ=2F(F=Ω/2

)B（二）调制信号为非简谐信号时，即Ωmin

Ωmax或Fmin

Fmax第一节振幅调制的基本原理频带宽度：B=2Ωmax或BHZ=2Fmax例：语音信号的频率：300~3400Hz其频谱如图：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谱宽度为9KHZ。四、调幅波功率若AM波为单频正弦波，负载电阻为R，则在R上所消耗的功率为：（一）载波功率Po=Uc2/2R第一节振幅调制的基本原理（二）上、下边频功率（它为有效功率）（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

Pmin=[Uc(1-ma)]2/2R=(1-ma)2Pou(t)=Uc(1+macosΩt)cos

ct（五）调制信号一周内调幅波的平均总功率：第一节振幅调制的基本原理四、调幅波功率

讨论：当ma=1时，PAV=3Po/2即Po=2PAV/3，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2/3，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AM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输，即双边带（DSB）和单边带（SSB）传输。AM制的优点：结构简单，技术上易于实现，因而比较经济。AM制的缺点：功率利用率低。当抑制载波之后（载波分量为0），其表示式变为：

第一节振幅调制的基本原理五、双边带及单边带调制（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：u(t)=kUc(t)U

(t)=kUcU

cos

ctcos

t=kUcU

[cos(

c+

)t+cos(

c-

)t]/2u(t)=Um[cos(

c+Ω)t+cos(

c-Ω)t]其波形和频谱分别如图：相位突变180o是因为相乘的结果B=2

第一节振幅调制的基本原理B

显见，双边带信号的带宽为：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，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SSB。它的表示式为：第一节振幅调制的基本原理（二）单边带表示式、波形及频谱u(t)=Umcos(

c+Ω)或u(t)=Umcos(

c-Ω)t它可在DSB的基础上用滤波法得到；也可用移相法得到。其波形和频谱分别如图：或B=

第一节振幅调制的基本原理B显见，单边带信号的带宽为：（三）单边带调制的优缺点

优点：

1．节省频带(节省1/2)，即波段利用率高。

2．节省功率，因为AM波Po=2/3PAV,不经济，而SSB全部发送有用功率，所以在接收端获得相同信噪比时，SSB发送可节省功率。

3．受传播条件影响小：电波传播时，对

c

、

c

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，这称作选择性衰落现象。因SSB只有

c+

或

c-

，所以这种衰落不严重。第一节振幅调制的基本原理4．抗干扰性能好，有一定保密性。缺点：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，而模拟乘法器是实现频率变换的常用器件。它具有频带宽、性能好、外接电路简单等优点。下面介绍两种常用的乘法器。

一、压控吉尔伯特乘法器模拟乘法器的符号如图：其输出与输入关系为：uo=ku1u2k~乘积系数(V-1)第二节模拟乘法器由图，各管电流方程为：第二节模拟乘法器压控吉尔伯特乘法器的原理电路如图：所以输出电压：Uo=(iC1-iC2)Rc=(i1+i3-i2-i4)Rc

IORcu1u2/4UT2=ku1u2

其中k=IORc/4UT2

显见，完成两模拟信号相乘功能。第二节模拟乘法器

MC1596也称为双平衡模拟乘法器，其基本电路见P92图5-9，方框图外是外接电路，其中Rb用来调节恒流源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关系为：第二节模拟乘法器基于压控吉尔伯特电路原理制成的有MC1596、XCC等。上述MC1596作为通用型乘法器还存在以下问题：

1.输入动态范围小；

2.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BG314、FZ4等。其原理电路如图P93图5-10所示如果此电路用框图表示流控Gilbert乘法器第二节模拟乘法器二、流控吉尔伯特模拟乘法器

吉尔伯特乘法单元由D1、D2、T5~T8构成差模U/I变换器分别由T1、T2和T3、T4构成，依赖Rx、Ry的深负反馈用以展宽动态平衡范围，实现线性补偿。工作原理：1.ux=0、uy>0时，

I3

、I4

I5

、I7

iA=常数同理I6

、I8

iB=常数

Uo=0第二节模拟乘法器uy

T3、

T4

T5~T8的ie

gm5~8ux

T1、

T2

UD

T5~T8的Ub

UO

iO

gmUb

即UO

uxuy具体推导见书理论推导出：第二节模拟乘法器其中:2.同理uy=0、ux>0时，

Uo=03.当ux>0、uy>0时，Uo

0结论：

1.输出电压只包含ux、uy的乘积，无多余成分；

2.乘积系数k

RL，k

1/RxRyIOX

所以

RL变化、RxRy变化

k变化；

3.ux、uy均可正负，故为四象限模拟乘法器，具有很大的动态范围；

4.通过平衡差分对T5~T8的补偿作用(依赖于D1、D2:温度补偿)，使k与管子的UT无关，不受T影响；

第二节模拟乘法器宽带DC--0.5～1GHz超高频单片集成四象限相乘器宽带DC—0.5～1GHz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谱搬移过程。第三节低电平调幅电路调幅电路按实现调幅级电平的高低分为：低电平调幅（可用来产生普通AM，也可可用来产生DSB、SSB）。高电平调幅（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，再与高频载波信号相乘，所以实现普通AM的原理电路如图:P96图5-12(b)是利用MC1596构成的调幅器电路。第三节低电平调幅电路普通调幅波的表达式可写成

u(t)=(Um+UmmacosΩt)cos

ct一、普通AM电路E+u

(t)Um~已调波载波幅度，ma=UΩm/E~调幅度可见,调整Rw

调整E

调整ma第三节低电平调幅电路当Rw调至不对称时(E

0)，按模拟乘法器的功能

DSB波的表达式可写成

UDSB(t)=kUc(t)UΩ(t)=kUcmcos

ctUΩmcosΩt=kUcmUΩm[cos(

c+Ω)t+cos(

c-Ω)t]/2

第三节低电平调幅电路二、DSB调制电路如果用MC1596实现DSB调制，只需将前述电路中的Rw调至对称（E=0）即可。三、SSB调制电路实现单边带调制有两种方法：滤波法；移相法

1．滤波法：在DSB调制基础上加一带通滤波器，滤去其中一个边带。原理电路:对带通滤波器的要求严格。第三节低电平调幅电路功率放大器滤波器II滤波器IuΩ(t)Uc1(t)fc1=100kHzfc2=9.9MHzUc2(t)fc1+Ffc1+fc2+FF=100Hz2．移相法:对移相器要求严格第三节低电平调幅电路90o移相网络90o移相网络+-集电极调幅(