第6章__振幅调制、_解调及混频.ppt

1、第6章 振幅调制、 解调及混频,6.1 振幅调制 6.2 调幅信号的解调 6.3 混频 ,熟练掌握振幅调制原理与实现电路； 掌握振幅解调的原理和解调电路以及混频原理。,重点： 振幅调制与解调原理以及实现电路。 难点： 振幅调制与解调原理、调制解调电路的性能参数理解。,学习目的,重点难点,6.1 振幅调制 （amplitude modulation ）,调制（modulation）：要传送的信号（调制信号）附加到高频振荡信号（载波信号）上去，形成已调信号。 为什么要调制呢？,四不许！,四不许： 低频信号直接发送，天线长的离谱！第一不许！ 信号的频率变化范围大，导致天线和谐振回路参数应该在很宽的范

2、围内变化，太困难！第二不许！ 发射音频信号，发射机工作于同一频率范围，接收多个节目，导致无法加以选择。结果无法接受第三不许！ 直接发送，信道利用率极低第四不许！ 结论：必须调制！,调制原理：利用调制信号去控制载波信号的某一参数。可控参数有幅度（振幅调制）、频率（频率调制:frequency modulation）、相位（相位调制:phase modulation）。 解调(demodulation)：反解调，又称检波(detection )。 振幅调制(三类)： 普通振幅调制（amplitude modulation ,AM）； 抑制载波双边带调制(double side band modul

3、ation suppressed carrier,DSB-SC)； 单边带调制(single side band modulation -SC,SSB-SC)。,6.1.1振幅调制信号分析,1. 调幅波的分析 1) 数学表示式及波形（调制信号：单频正弦信号） 设载波信号电压为: 调制信号电压为:,（61）,（62）,已调信号的振幅随调制信号u线性变化： 调制灵敏度ka：为比例系数, 调制电路确定。 调幅波信号的表达式：,（63）,（65）,调幅度（调制度）m：振幅UC=kaU与载波振幅之比。范围：m1，过调制失真 。 调制信号为连续频谱信号f（t），则调幅波:,（66 ）,(64),如果将调制

4、信号分解为： 则调幅波表示式为：,(67),2) 调幅波的频谱 单一频率的正弦信号的调制情况下，调幅波： 将上式用三角公式展开，可得：,(68),频谱分析： 单一频率的正弦信号的已调制波：三个分量 也即： 中心频率：只含载波分量。 上边频，下边频：包含了调制信号的幅度和频率信息。 带宽：2F。 多频信号：上下边频带。属于线性频谱搬移。 带宽：2Fmax。,3）调幅波的功率 调幅波的功率：载波功率，最大功率，和最小功率以及平均功率。 在负载电阻RL上消耗的载波功率：,(69),在负载电阻RL上，一个载波周期内调幅波消耗的功率： 调幅波的最大功率和最小功率:,(610),上、下边频的平均功率均：

5、AM信号的平均功率:,(611),(612),结论：AM波的平均功率为载波功率与两个边带功率之和。 两个边频功率与载波功率的比则为： 结论：变频功率所占比重很小，=1/3。 优点：设备简单，易于实现；频带窄。 缺点：效率低。,边频功率,载波功率,2. 双边带信号 抑制载波双边带：载波与调制信号相乘得到： 在单一正弦信号u=Ucost调制时,有：,（616）,（615）,与AM比较： 包络不同：AM正比于调制信号f（t），双边带则正比于|f(t)|. 相位：DSB信号在调制电压零处要突变1800，即调幅有调相。 频谱：消除了载波频率部分。 效率：大大提高。,3. 单边带信号 单边带（SSB）信号

6、：由DSB信号经边带滤波器滤除一个边带或在调制过程中，直接将一个边带抵消而成。 单频调制时，uDSB（t）=kuuC。 当取上边带时：,（617）,（618）,取下边带时：,单边带（SSB）信号分析：是一等幅波，但帧幅和频率发生了变化。 频谱：只有一边带频率信号。 优点：效率极高。 缺点：实现复杂。,6.1.2 振幅调制电路 （amplitude modulation circuit） 调制实现：只要包含乘积项即可实现，如二极管电路（单、平衡、环形）、差分对电路（单、双、模拟乘法器）。 调制分类：高电平调制和低电平调制。 高电平调制(high level modulation)：功放和调制二合

7、一。AM调制。 低电平调制(low level modulation) ：功放和调制分开。先调后放。,1、AM调制电路 实现方法： 高电平调制和低电平调制。 1)高电平调制 在高频功率放大器中进行的。通常分为基极调幅、集电极调幅以及集电极基极(或发射极)组合调幅。 集电极调幅。集电极偏置电压：Ec=Ec0+u，过压状态下，集电极电流基波分量Ic1与集电极偏置电压Ec成线性关系。,集电极调制的特点：效率高，大功率发射机中。 基电极调幅：Eb=Eb0+u，欠压状态下，集电极电流基波分量Ic1与基电极偏置电压Eb成线性关系。 基极调制特点：工作于欠压状态；效率低，小功率发射机中。,2) 低电平调制

8、二极管电路：用单二极管电路和平衡二极管电路作为调制电路。 单二极管电路：u1=u,u2=uC ,且UCU时，流过二极管的电流iD:（P136和P138） 滤波器H(jw)：中心频率wc，带宽2F。,(629),平衡二极管电路：u1=uC , u2=u ,且UCU时， 滤波器H(jw)：中心频率wc，带宽2F。,(544),(2) 模拟乘法器产生普通调幅波。(P147) 模拟乘法器：单差分对和双差分对电路，集成模拟乘法器（BG314、MC15496）。 单差分对电路：伏安特性,(630),若将uC加至uA，u加到uB，则有： 其中，m=U/Ee，x=UCVT。(调制过程),(631),滤波回路的

9、中心频率为fc，带宽为2F，谐振阻抗为RL，则经滤波后的输出电压：,双差分对电路（模拟乘法器）：采用BG314、MC15496模拟乘法器实现。,2. DSB调制电路 1)二极管调制电路 实现电路：二极管平衡电路和二极管环形电路。 平衡电路： u1=u, u2=uC ,且UCU时,(633),输出滤波器的中心频率为fc，带宽为2F，谐振阻抗为RL，则输出电压为：,(633),2) 差分对调制器 与AM不同：将uC加至uB，u加到uA，则有：,(639),经滤波后的输出电压uo(t)：,(640),3. SSB调制电路 SSB信号是将双边带信号DSB滤除一个边带形成的。产生方法主要有滤波法和移相法

10、两种。 滤波法（filtering method ）：DSB滤掉一个边带，留下一个边带。滤波器要求很高。（原理） 移相法（phase-shift method）：适当的移项，在相加时实现边带的抑制。移相网路要求高。 （原理）,振幅调制实现电路总结 AM: 高电平调制（基极调制和集电极调制）和低电平调制（单二极管、平衡二极管、差分对电路、模拟乘法器）实现。环形电路无法实现。 DSB：低电平调制（平衡二极管、环形电路、差分对电路、模拟乘法器）实现。单二极管无法实现。 SSB：DSB实现基础上，滤波器法和移相法实现。,6.2 调幅信号的解调,6.2.1 调幅解调的方法 振幅解调方法：包络检波(env

11、elope detection)和同步检波(synchronous detection) 。 包络检波：解调器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方法。只适用于AM波。 同步检波：两个输入（一个：DSB或者SSB，第二个：插入载波或恢复载波），一个输出。,6.2.2 二极管峰值包络检波器 1原理电路及工作原理 电路组成：输入回路、二极管VD和RC低通滤波器。 RC电路作用：负载；旁路作用。则应满足： 理想状态，RC阻抗Z应为：,二极管串联型大信号峰值包络检波器：各部分串联，工作在大信号状态(0.5V)，获取峰值包络。 工作过程： 二极管导通：电源经过二极管给电容充电。此时充电时常rDC。充电

12、快。 二极管截至：电容给电阻放电。放电时常RC，放电慢。 再次导通，充电。再次截至，放电。交替进行。且很快到达平衡状态。,结论： 检波过程：即信号源通过二极管给电容充电与电容对电阻R放电的交替重复过程。 充电常数：其过程是放电时RC，慢；充电时rDC，快。 二极管导通处为输入电压的峰值附近，故称为峰值包络检波(peak envelope detection)。,二极管电流iD为一窄脉冲序列，包含平均分量Iav及高频分量。 Iav也即直流分量。 Iav在R上获得平均电压Uav（ Udc ）。高频分量被旁路电容旁路，但会残留很小的高频电压 ，即输出电压uo= Uav + 。(输出电压) 输入AM信

13、号：输出电压波形与输入信号包络形状相同。平均电压有直流分量和低频分量（调制信号）。 Uo（t） Uav Udc u,低频分量输出：隔直电容；负载电阻。获取调制信号。 直流分量输出：低通滤波器。获取载波的振幅信号。 RC的选择： 太小不行：放电快，高频波纹快，平均电压下降。 太大也不行：放电慢，导致跟踪峰值不上，造成失真（惰性失真）。,2性能分析 1) 传输系数Kd( transmission coefficient ) 检波器传输系数Kd：检波系数、检波效率，描述检波器对输入已调信号的解调能力或效率的一个物理量。 Kd定义：,(643a),(643b),由二极管折线近似分析法可证明： KdUO

14、/Umcos 当gDR=50,有 结论： 电路一定，恒定，Kd一定，也即传输系数与输入信号大小无关。 越小， Kd越大，且当gDR=50， Kd0.9。,2) 输入电阻Ri (input impedance ) 检波器的输入阻抗：输入电阻Ri，输入电容Ci。 输入电阻Ri：输入载波电压的振幅Um与检波器电流的基频分量振幅I1之比值，即 在一定条件下，根据能量守恒，输入电阻Ri与R关系：,(652),性能分析总结 从传输系数Kd分析：R越大，检波效率就越高。想要大R！ 从等效输入电阻Ri分析：R越大，等效输入电阻Ri就越大，对上级影响就越小。想要大R！ 从高频残留滤除分析：C越大，高频波纹就越小

15、。 想要大C！ 结论：RC越大越好！,非 也！,3检波器的失真 两种失真：惰性失真(inert distortion )；底部切削失真(bottom cutting distortion )。 1)惰性失真 原因：输入AM信号的包络下降速度大于电容C两端放电速度。调幅度和调制频率有关。 解决办法：只需使电容C放电速度大于或等于包络的下降速度。,不失真条件如下: 结论：调制度和调制信号频率越大，则要求RC越小。 工程检验公式：,2) 底部切削失真 造成原因：Cg很大，就会在两端建立起直流电源UC，其值近似等于载波电压振幅。在R上产生分压UR，此直流分压反过来影响二极管的工作状态。 分析：直流负载

16、：R= =R; 交流负载：RgR/R+Rg。,(662),调幅波的最小幅度为UC(1-m), 要避免底部切削失真, 应满足:,(663),(664),总 结,RC回路实现在峰值包络检波器中作用必须满足条件： 消除惰性失真，必须满足： 要满足不底部切削失真，必须满足：,6.2.3 同步检波 方法分类：乘积型(product model )和叠加型(superposition model )。 1乘积型 输入信号为DSB信号：us=Uscostcosct， 本地恢复载波：ur=Urcos(rt+)。相乘可得：,(672),(673),经低通滤波器的输出，且考虑r-c=c在低通滤波器频带内，有： 发

17、射载波和恢复载波同频同相,即r=c,=0 ：,(674),(675),如果恢复载波与发射载频有一定的频差，即 r=c+c 若有一定的相差： 实现办法：乘法器。,(676),6.3 混 频 ,6.3.1 混频(mixing)的概述 功能：获取一个新的频率信号。频域加减法器。 产生： 两个输入电压：输入信号us（ fc ）和本地振荡信号uL （ fL ） 。 一个输出信号为uI（中频信号），中频fI，fI=fLfc。,特点：频谱结构同。线性搬移。 中频： 上变频：高中频，即取和频。 下变频：低中频，即取差频。 实现：频谱搬移电路。调制、解调和混频都属于频谱搬移。,2混频器的工作原理 输入已调信号u

18、s： us=Uscostcosct 本振电压uL： uL=ULcosLt 其乘积： 中频信号获取：信号通过带通滤波器即可获得。,(685),(686),3混频器的主要性能指标 主要性能指标：变频增益，噪声系数，失真和干扰，变频压缩特性，选择性。 变频增益(conversion gain)：变频电压增益和变频功率增益。 变频电压增益：,变频功率增益： 分贝数表示： 物理意义：变换为中频的能力。,(689),(690),(691),噪声系数：混频器的噪声系数NF定义为 物理意义：混频器的引入噪声影响。其值越小越好。 选择性(selectivity)：输出只留下中频信号，其它干扰信号全部滤掉。,输入信噪比(信号频率),输出信噪比(中频频率),(692),6.3.2 混频电路 混频实现电路：三极管混频器，二极管混频电路（平衡电路和环形电路），差分对电路。,图63 AM信号的产生原理图,已调波的频谱,图65 语音信号及已调信号频谱 （a）语音频谱（b）已调信号频谱,图612 集电极调幅电路,图613 集电极调幅的波形,图614 基极调幅电路,图615 基极调幅的波形,图616 单二极管调制电路,图616 单二极管调制频谱,图57 二极管平衡电路,图517 差分对频谱搬移电路,图617 差分对AM调制器的输出波形,图619 二极管平衡调制电路,图626 滤