高频电子线路第6章振幅调制解调及混频

2019/8/51第6章振幅调制、解调及混频振幅调制信号分析振幅调制电路调幅解调电路混频电路混频器的干扰2019/8/52一、振幅调制信号分析1.振幅调制的概念振幅调制：用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律变化，而其它参数(相位、频率)不变。调制信号：由原始信号(声音、数据和图象)转换成的低频或视频模拟信号(数字的或模拟的)，用uΩ或f(t)表示；载波：未受调制的高频振荡信号，常用正弦波，用uc或ic表示；已调波：受调制后的高频振荡信号。振幅调制方式：分为三种方式。(1)普通调幅方式：AM；(2)抑制载波的双边带调制(简称双边带调制)：DSB-SC(简称DSB)；(3)拟制载波的单边带调制(简称单边带调制)：SSB-SC(简称SSB)。三种已调波信号称为：调幅波信号、双边带信号和单边带信号。2019/8/532、调幅波(AM)载波电压：uc=Uccosωct调制电压：uΩ=UΩcosΩt(ωcΩ)调幅波的瞬时振幅：Um(t)=Uc+ΔUc(t)=Uc+kaUΩcosΩt=Uc(1+mcosΩt)ΔUc(t)：调制电压uΩ成正比；ka：比例系数或调制灵敏度，由调制电路决定；m=kaUΩ/Uc：调幅度(调制度)。AM信号表达式：uAM=Um(t)cosωct=Uc(1+mcosΩt)cosωct调幅度的要求：m≤1为正常调制；m＞1为过调制，导致信号产生失真，不能正确解调，应当避免出现。2019/8/54AM调制过程中的信号波形：调制信号为余弦波注意：图(e)发生严重失真，无法通过解调恢复出调制信号！2019/8/55连续谱信号的AM调制：uAM=Uc[1+mf(t)]cosωct，其中f(t)为归一化调制信号，而且|f(t)|max=1。1)cos()(nnnntUtf1cos)cos(1)(c1CAMcnannnnnUUkmttmUtu，展开：调制信号的傅里叶级数连续谱信号的AM已调波又可以表示为：2019/8/56AM信号的产生原理图：由加法器和乘法器完成。＋×uAMucuΩ常数(a)＋uAMucuΩ(b)×2019/8/57AM信号的频谱：(1)单频AM波：单频AM波可以用三角函数展开为()coscos()cos()22AMCcCcCcmmutUtUtUt0F(a)fUc0(b)ffc10(c)ffc2Fm/2m/2fc+Ffc−FUAMU下边频上边频载频分量三个频率分量ccccc,：2/,2AMFFB：波带宽2019/8/58下图中给出语音调制信号频谱及其已调信号频谱.振幅0(a)300振幅0(b)fc3400fc+3400fc−3400f/Hzf/Hz(2)多频AM波：包含载频、上边带和下边带。带宽：B=2Fmax，其中Fmax为f(t)的最高频率。说明：AM调制是把调制信号的频谱搬移到载频两端，但频谱结构未变，因此这种调制方式属于频谱的线性搬移。2019/8/59AM信号的功率：通常指AM波的平均功率(总功率)，包括载波功率和两个边带的平均功率。有时涉及AM波的最大功率和最小功率。假设负载阻抗为RL。以单频AM波为例讨论。LCCLCCCRUtdRtUP2cos21222：载波功率(1).CCLPmmURP4221).2(22边频：每个边频功率212)(AM).3(2mPPPPCCav边频：总功率信号平均功率()coscos()cos()22AMCcCcCcmmutUtUtUt22)cos1(2)cos1()(AM).4(tmPRtmUtPCLc：信号瞬时功率2019/8/510说明：AM信号中虽然载波频率分量不携带信息，却占有2/3以上的功率，效率较低。但由于其设备简单，占的频带窄(相对于调频)，因此仍然得到广泛的应用。Pmax决定了高频谐振功放管的额定输出功率PH，PH≥Pmax。22)cos1(2)cos1()(tmPRtmUtPCLc：重写瞬时功率2min2max)1()1(AM).5(mPPmPPCC：信号的最大最小功率242).6(22mPPmCC载波功率两个边频功率功率效率：举例：100%调制(m=1)，两个边频功率为载波功率的1/2，两个边频功率只占AM调幅波总功率的1/3。当m值减小时，两者的比值将显著减小，边频功率所占比重更小。2019/8/5112.双边带信号DSB信号的形成：将AM信号中的载波抑制掉就形成了抑制载波的双边带信号(DSB-SC)，简称双边带信号(DSB)。双边带信号的表示：uDSB(t)=kf(t)cosωct，k≠0说明:(1).DSB信号只有上下边带，没有载波分量，因此功率利用较充分；(2).DSB信号的产生原理：仅需要一个模拟乘法器即可。×uDSBuCf(t)2019/8/512DSB和AM信号比较：(1)包络不同：AM信号的包络正比于调制信号f(t)，而DSB信号的包络则正比于|f(t)|；(2)DSB信号的高频载波相位在f(t)的零交点处(正负电压交替处)出现180°的相位跃变；2019/8/513(3)DSB实质上是一个调幅调相信号；uDSB(t)=|f(t)|cos(ωct+φ)其中当f(t)0时，φ=0；当f(t)0时，φ=180°；(3)带宽：B=2Fmax，其中Fmax为f(t)的最高频率。2019/8/5144、单边带信号(SSB)SSB信号形成原理：将DSB信号经边带滤波器滤除一个边带，或者在调制过程中直接将一个边带抵消而成。SSB信号可以取DSB中上边带，也可以取下边带。单频调制SSB信号：取上边带：uSSB(t)=Ucos(ωc+Ω)t取下边带：uSSB(t)=Ucos(ωc–Ω)t0tUuSSB(t)fc+F0F(a)f0(b)ffc0(c)ffc+F2019/8/515双音调制的SSB信号：振幅相等的双音调制产生的SSB信号121212Ω2Ω1ΩΩ,)(21cos)(21cos2coscos设ttUtUtUu2019/8/516tUtUttUu)cos(4)cos(4)(21cos)(21cos22cΩ1cΩ12c12ΩSSBtttUuc1212ΩDSBcos)(21cos)(21cos2019/8/517ttfttftuCCSSBsin)(ˆcos)()(代表卷积*,)(1)(*1)(ˆdtftfttf连续频谱信号调制：(1)“+”代表下边带；“−”代表上边带(2)f(t)的希尔伯特变换：单频调制SSB信号的另一种表示：uSSB(t)=Ucos(ωc+Ω)t=UcosΩtcosωct−UsinΩtsinωct上边带uSSB(t)=Ucos(ωc−Ω)t=UcosΩtcosωct+UsinΩtsinωct下边带ttfttfttfttfcos)(ˆsin)(sin)(ˆcos)(：特殊2019/8/518希尔伯特变换的频域解释：上式意味着对F(ω)的各频率分量均移相－π/2！)()()()()(ˆ)()()(12/sgneFFjsgnFFtfjsgntj2019/8/519语音调制的DSB信号和SSB信号频谱比较：(a).DSB频谱；(b).SSB上边带频谱；(c).SSB下边带频谱0(a)c220(b)0(c)c−m−c+mFSSBL()c+m−c−mFSSBU()c+mc−m−c+m−c−c−mF(+c)F(−c)FDSB()2019/8/520SSB信号的特点:(1)SSB信号从本质上讲是一种幅度和频率混合调制；(2)SSB信号所占的带宽：BSSB=Fmax。说明：SSB信号所占的频带比AM和DSB减少了一半，频带利用充分，因此目前已成为短波通信的主要调制方式。2019/8/521二、振幅调制电路原理：振幅调制过程属于频谱的线性搬移，因此可以利用上一章讲的频谱线性搬移电路来实现振幅调制。要求：调制效率高、调制的线性范围大、失真小。方式：高电平调制和低电平调制。(1)高电平调制：将调制过程和功率放大过程合二为一，利用高频功放的调制特性来完成调制，高电平调制主要用于形成AM信号；(2)低电平调制：将调制和功放分开，调制后的信号是低电平信号，需要经过功率放大器才能送到天线。AM、DSB、SSB、FM(第七章讲)均可以采用这种方式。2019/8/522ucT1EcT2Ec0uAMT3u1.AM调制AM信号可以采用高电平调制和低电平调制。1)高电平调制：分为集电极调幅和基极调幅。(1)集电极调幅：利用高频功放集电极调制特性，放大器应工作在过压状态，集电极偏置电压为时变偏置电压。Ec=Ec0+uΩ，m:由Eco和uΩ的幅度决定。tuEiuEIccccccos0101tuERtRIuccccAMcoscos00012019/8/523集电极调幅的波形:2019/8/524(2)基极调幅：利用高频功放基极调制特性，放大器应工作在欠过压状态，基极偏置电压为时变偏置电压。RLC1C2ucC3C4C6C5EcR1LBCBLB1u)(tuAMcLLbbbERRREuEE100,tuEiuEIcbcbccos,0101tuERtRIucbccAMcoscos00012019/8/525基极调幅的波形:2019/8/5262)低电平调制：用第5章的频谱搬移电路实现低电平AM调制。(1)单二极管电路：u1=uΩ，u2=uc,UcUΩ。uo(t)VDucuDiDi(a)uΩ−+H(j)−+ttUgtUgtUgUgicoscosπ2cos2cos2πcΩDcCDΩDCDDCΩcCDcΩDcCDAMπ4,coscos12coscosπ2cos2UUmttmUgRttUgRtUgRuLLL0fFfc2fc3fc(b)流过二极管的电流频谱FffnFfnnffFiccccc，：滤波取出,2,1,)12(,2,,:D2019/8/527(2)单差分对电路：mVuuVuEuIiBATAeBoo26,,2)1(eceTcLooccABEUmttEUVURIutUutUu,coscos12coscos单差分对AM调制器的输出波形：2019/8/528关于AM调制的说明：(1).高电平AM调制：集电极调幅需要谐振功放工作在过压状态，而基极调幅需要谐振功放在欠压状态，前者优点是输出功率较大，后者优点是所需的激励功率功率较小；(2).二极管AM调制：合理选择信号的注入位置，可以用二极管平衡电路直接实现AM调制；要想用二极管环形电路实现AM调制，需要在输出电压中再加入载波分量，或者在输入调制信号中叠加上直流成分；(3).双差分对AM调制电路：在小信号状态下，双差分对电路就是一个标准的模拟乘法器，要想利用它实现AM调制，也需要在输出端再加入载频分量，或者在输入调制信号中叠加上直流成分。2019/8/5292.DSB调制电路单二极管和单差分对不能产生DSB信号，平衡二极管、环形二极管和双差分对电路可实现DSB调制。(1).平衡二极管DSB调制器：u1=uΩ，u2=uc，且UcUΩ。带通滤波器T1RLT2ucVD1VD2N2uD1uD2AN1N1BN2ON1N2uo(t)O'−+−+−+uttUgttUgtUgutKgi3coscos3π4coscosπ4cos)(2cΩDcΩDΩDΩcDLttUgRuCDLDSBcoscos4要求