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高频电子线路

高频电子线路. 第四章 振幅调制、解调与混频电路 （一）. 4.1 频谱搬移电路的组成模型 振幅调制电路的组成模型 振幅解调电路和混频电路的组成模型 4.2 相乘器电路 非线性器件的相乘作用及其特性 双差分对平衡调制器和模拟相乘器 大动态范围平衡调制器 AD630 二极管双平衡混频器 4.3 混频电路 通信接收机中的混频电路 二极管混频电路 混频失真 4.4 振幅调制与解调电路 振幅调制电路 二极管包络检波电路 同步检波电路. 主要内容说明. 什么是调制？. 调制是使消息载体的某些特性随消息变化的过程

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Presentation Transcript

  1. 高频电子线路 第四章 振幅调制、解调与混频电路 （一）

  2. 4.1 频谱搬移电路的组成模型 振幅调制电路的组成模型 振幅解调电路和混频电路的组成模型 4.2 相乘器电路 非线性器件的相乘作用及其特性 双差分对平衡调制器和模拟相乘器 大动态范围平衡调制器AD630 二极管双平衡混频器 4.3 混频电路 通信接收机中的混频电路 二极管混频电路 混频失真 4.4 振幅调制与解调电路 振幅调制电路 二极管包络检波电路 同步检波电路 主要内容说明

  3. 什么是调制？ • 调制是使消息载体的某些特性随消息变化的过程 • 调制的作用是把消息置于消息载体，以便传输和处理 • 解调是调制的逆过程，从消息载体中还原出原来的消息 • 用来传送消息的载体vc(t)称为载波，消息vΩ(t)称为调制信号，调制后的信号v(t)称为已调信号 • 用调制信号vΩ (t)控制载波vc(t)的某些参数，使之随vΩ (t)的变化而变化，就可实现调制

  4. 调制可以实现有效地发射和有选择地接收 为什么要调制 • 天线尺寸 • 无线信道中传输信号时，利用电磁场在空间的传播，需要天线把电磁波发射和接收下来 • 天线的尺寸和波长相关，如采用/4天线，对于3kHz的声音信号，天线尺寸为25km，这是无法实现的，如果调制在900MHz上，天线仅需8cm，容易实现 • 无线传输系统，调制是一个基本环节 • 调制可以将不同信号分在同一信道中传输而互不影响，例如分频复用 • 调制可以降低干扰对信号传输的影响，如扩频调制

  5. 调制是一种非线性过程。载波被调制后将产生新的频率分量， 调制是一种非线性过程。载波被调制后将产生新的频率分量， 通常它们分布在载波频率的两边，并占有一定的频带 调制分类 • 按调制信号vΩ(t) • 模拟调制、数字调制 • 按载波vc(t) • 脉冲调制、正弦波调制、光强度调制 • 正弦波调制 • 幅度调制、角度调制（频率调制、相位调制）

  6. 4.1 频谱搬移电路的组成模型4.1.1 振幅调制电路的组成模型 • 幅度调制（AM）是指载波的幅度随调制信号的变化规律而变化，而其角频率和初相位均为常数 • 幅度调制方式 • 普通（标准）幅度调制（Standard AM） • 双边带幅度调制（Double SideBand AM） • 抑制载波调幅（Suppressed Carrier AM） • 单边带幅度调制（Single SideBand AM） • 残留边带幅度调制（Vestigial SideBand AM） • 正交幅度调制（Quadrature AM） • 数字幅度调制（幅度键控，ASK）

  7. 一、普通调幅信号及其电路组成模型 • 普通幅度调制是各种幅度调制中最基本的一种 • 由于在合理使用功率和占有频带宽度等方面，不如其他调幅方式优越，其应用范围受到限制 • 在关于幅度调制的性质以及调制与解调技术原理等方面，它还是最基本的。 • 将幅度调制的共同问题，集中在普通幅度调制里说明，从不同角度说明幅度调制信号的特性 • 数学表达式 • 波形图 • 频谱图 • 矢量图 • 功率在各频谱分量之间的分配关系

  8. 调幅系数（调幅度） 1. 普通幅度调制的基本特性-1 • 数学表达式 以单音调制为例 定义 波形 频谱

  9. 在普通幅度调制中，为了不出现过调制，要求Ma  1 普通幅度调制的基本特性-2 • 波形图

  10. 普通幅度调制的基本特性-3 • 频谱图

  11. 普通幅度调制的基本特性-4 • 矢量图

  12. 普通幅度调制的基本特性-5 • 功率分配 • 载波占有功率 • 上边带功率 • 下边带功率 • 总功率 标准调幅波的有用信息包含在边带内，但一半以上功率却浪费在载波上：缺点 由于有大的载波，使得接收机可以使用简单而便宜的解调器电路：主要优点

  13. 在保证不过调的情况下，要使用尽可能高的调制百分比 在保证不过调的情况下，要使用尽可能高的调制百分比 对于振幅最大的有用信号，标准AM系统应保证其调制指数在0.9~0.95之间 例：调制指数和功率 • 有一标准AM波，未调制载波峰值电压为10V，负载电阻为10，调制指数为1，求载波和上下边带的功率；如果调制指数变化为0.5，载波和上下边带功率？

  14. 普通AM特性再讨论（1） • 已调信号的幅度随调制信号而变化。因此，调幅信号幅度的包络线近似为调制信号的波形，只要能取出这个包络信号就可实现AM的解调

  15. 普通AM特性再讨论（2） • 普通调幅波的频谱由两部分组成。一部分是载波频谱，另一部分是平移至载波处调制信号的频谱，幅度减半 • 普通调幅信号所占的频带宽度为2m--调制信号频带宽度的两倍 • 但从传递信息的角度看，普通调幅信号所占的频带宽度中有一半是多余的，因此，这种调幅方式在频率资源利用上是有缺点的 • 用单边带调幅

  16. 有新频率产生，一定是非线性过程 频谱只是在频率轴上进行了简单的平移，没有结构上的变化，故称线性调制 普通AM特性再讨论（3） • 幅度调制是一种非线性过程，因为它将调制信号的各频率分量变换为载波频率与这些频率的和频和差频分量 • 但这都是将信号的频谱在频率轴上平移，因此又称幅度调制为线性调制

  17. 2.实现普通幅度调制电路组成模型 • 两种方案 幅度调制其实是一个变频过程，即两个信号相乘

  18. 二、双边带和单边带调制电路组成模型 1.（抑制载波的）双边带调幅 • 从信息传输的角度看，载波是多余的，并且普通AM载波的功率占了总功率的一半以上，对充分利用发射机功率是不利的 • 采用抑制载波调幅

  19. 波形图

  20. DSB AM的性质 • 已调信号的幅度随调制信号的变化而变化，但其包络不能反映调制信号的形状 • 调制信号正值时的载波相位与调制信号负值时的相位是反相的（差180） • 不能使用包络检波，只能采用同步检波（相干解调） • 抑制载波调幅不含固定的载波分量，如果调制信号的平均值不为0，将会出现载漏现象

  21. DSB AM的实现 • 乘法器实现 • 模拟乘法器 • 环行乘法器 带通滤波器

  22. 同步解调的关键在于产生出和载波信号同频同相的本地载波信号同步解调的关键在于产生出和载波信号同频同相的本地载波信号 DSB AM的解调 • 由于抑制载波调幅信号的幅度包络不反映调制信号的波形，因而也不能应用峰值包络检波方法。对包络不能反映调制信号变化规律的调幅信号，只能使用同步解调方法 低通滤波器

  23. 本地载波的产生 平方器 带通滤波器 分频器

  24. 2. 单边带调幅 • 双边带抑制载波调幅方式中，不含固定载波分量，因而可以有效地利用发射机的功率传递信息 • 但它是双边带信号，所占带宽仍为调制信号最高角频率的两倍 • 从有效传输信息的角度看，只要传送一个边带就够了，只传送一个边带的调幅信号称为单边调幅，可以选择上边带也可以采用下边带单边带调幅，简记为SSBAM • 单边带调幅既可充分利用发射机的功率又节省占有频带 • 所以，它是传输信息的最佳调幅方式 • 但是实现这种调幅方式的调制和解调技术比较复杂

  25. 用滤波法实现单边带调幅 • 对滤波器要求甚高，尤其是调制信号中的低频很低时 带通滤波器

  26. - /2 - /2 用移相法实现单边带调幅 宽带移相器在很宽的频带上要求移动相同的相位，很难制造

  27. 对单音调制的数学分析：

  28. 对复杂信号调制：

  29. 4.1.2 振幅解调和混频电路的组成模型 一、振幅解调电路 • 调幅信号的解调就是从调幅信号中取出调制信号，它是调幅的逆过程 • 标准调幅波的解调方法分为两类 • 相干解调 • 频谱平移，用同频同相的本地载波与调制信号相乘，如用模拟相乘器实现 • 非相干解调 • 利用非线性器件本身的非线性实现解调 • 小信号平方律解调 • 大信号峰值包络解调 • 利用标准调幅波幅度包络变化就是调制信号变化的规律来实现解调 解调电路也称检波器

  30. 相干解调 • 相干解调是将调幅信号与一本地载波信号相乘以得出调制信号分量 • 这个本地载波信号是在接收设备内产生的，并且与调幅信号中的载波相干，或者说是同步的，即本地载波与调幅信号中载波的频率相同，二者的相位也应相同或有很小的相位差，所以这种解调方法又称同步解调 低通滤波器

  31. 相角直接影响解调输出 产生和载波同频同相的本地载波是相干解调的关键问题 相干解调的数学分析

  32. 非相干解调 • 利用非线性元件的非线性特性对调幅信号进行非线性变换来实现调幅波的解调 • 它不需要本地载波作为相干信号，因此称之为非相干解调 • 非相干解调方法 • 小信号平方律检波 • 大信号峰值包络检波 • 当载波频率比调制信号的最高频率高得多时，调幅信号幅度的包络线近似为调制信号的波形。因此，只要能取出这个包络信号就可实现解调

  33. 二、 混频电路 • 混频电路又称变频电路（Mixer,Convter)是实现信号频谱线性变换的一种电路，它完成频谱在频率轴上的搬移。 • 是超外差接收机的重要组成部分。 • 混频器产生输入信号频率与控制信号频率的和频与差频，取其一为输出信号 • 输出信号频率小于输入信号频率，称为下变频器(Down－Convertor）（取差频）；输出信号频率大于输入信号频率，称为上变频器（Up－Convertor）（取和频）

  34. 混频电路的作用 • 两个输入电压,输入信号vs和本地振荡信号vL,其工作频率分别为fc和fL输出信号为vI,称为中频信号,其频率是fc和fL的差频或和频,称为中频fI, fI=fL+fc 或 fI= fc－fL（fc>fL) fL－fc（fc<fL)

  35. 实现模型

  36. 小结 • 振幅调制、解调与混频都属于频谱搬移电路，都可以用乘法器和滤波器组成的模型来实现。 • 乘法器的作用就是将输入信号频谱不失真的搬到参考信号频率两边。 • 滤波器是取出有用分量，抑制无用分量

  37. 4.2 相乘器电路 • 4.2.1 非线性器件的相乘作用及其特性 • 4.2.2 双差分对平衡调制器和模拟相乘器 • 4.2.3 大动态范围平衡调制器AD630 • 4.2.4 二极管双平衡混频器

  38. 4.2 模拟相乘器 • 4.2.1 模拟相乘器的基本概念 • 4.2.2 差分对模拟相乘器电路 • 4.2.3 模拟相乘器的功能和应用

  39. v为加在非线性器件上的电压。一般情况下,v＝vQ+v1+v2,其中vQ为静态工作点,v1和v2为两个输入电压 4.2.1 非线性器件的相乘作用及其特性 一、非线性器件相乘作用的一般分析 1.非线性器件的伏安特性,可用下面的非线性函数来表示: 用泰勒级数展开得： 响应电流中出现2a2v1v2项（对应于m＝1，n＝2的展开项）

  40. 作用再非线性器件上两个电压均为余弦信号： i中包含下列频率通式表示得众多组合频率分量: 产生规律:（p＋q）为偶数 的组合频率分量均是由级数中n≥(p＋q）各偶次方项产生的，（p＋q）为奇数的组合频率分量均是由级数中n≥(p＋q）各奇次方项产生的，

  41. 为了实现理想的相乘运算（减少无用得高阶相乘项及其产生得组合频率分量），要从三个方面考虑:为了实现理想的相乘运算（减少无用得高阶相乘项及其产生得组合频率分量），要从三个方面考虑: （1）从非线性器件的特性考虑 选择合适得静态工作点 （2）从电路考虑 采用平衡电路 ，采用补偿或负反馈 （3）从输入信号的大小考虑。 减小v1，v2

  42. 为i＝f（VQ＋v1＋v2）在（VQ＋v1）上对v2的泰勒级数展开式为i＝f（VQ＋v1＋v2）在（VQ＋v1）上对v2的泰勒级数展开式 二、线性时变状态 • 变换电流i为v2的幂级数： 忽略v2的二次方及其以上各次方项

  43. i与v2之间的关系是线性的，系数是时变的，称这种器件的工作状态为线性时变状态i与v2之间的关系是线性的，系数是时变的，称这种器件的工作状态为线性时变状态 • 时变增量电导 • 时变增量电流 • V1＝v1mcosω1t时，g（v1）的傅立叶级数展开式为：

  44. V2＝v2mcosω2t，g（v1）与V2相乘，产生的新的频率分量的频率通式为：V2＝v2mcosω2t，g（v1）与V2相乘，产生的新的频率分量的频率通式为： • 构成频谱电路时，易于用滤波器取出有用分量

  45. 导通区的斜率为：gD＝1/RD • I0(v1) = I0 (t)为半周期余弦脉冲序列 • g(v1)=g(t)为矩形脉冲序列 例.二极管电路 • 加在其上的电压：v1＝V1mcosω1t足够的大时，轮流工作在导通和截止区；其伏安特性可用自原点转折的两段折线近似。 • 引入开关函数，其傅立叶级数展开式为

  46. 则I0（t）和g（t）可分别表示为： • 右图所示电路中，v2足够小时:

  47. 特点： 不必限制v2的大小

  48. 4.2.1小结： • 两种相乘模式： • 直接将v1和v2相乘（模拟相乘器） • 频谱搬移电路，信号处理电路 • 将v2与经过线性变换的v1相乘 • 主要应用于频谱搬移电路中

  49. 4.2.2 双差分对平衡调制器和模拟相乘器 一、双差分对平衡调制器 • 差分对电流关系

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