第5章 振幅調(diào)制及解調(diào)5.ppt

第5章振幅調(diào)制及解調(diào) 調(diào)制就是把調(diào)制信號寄載在載波上的過程 解調(diào)就是調(diào)制的逆過程 振幅調(diào)制就是把調(diào)制信號寄載在載波振幅上的過程 1 振幅調(diào)制后的結(jié)果分析 時域與頻域 2 非線性特性器件使兩相加的輸入信號變換為輸出端的相乘 3 用非線性特性器件 二 三極管 模擬乘法器的實現(xiàn) 4 解調(diào)就是反向頻譜搬移 逆過程 關(guān)鍵點 失真 功率與頻帶利用率 第5章振幅調(diào)制及解調(diào) 5 1概述5 2振幅調(diào)制信號分析5 3振幅調(diào)制方法5 4振幅調(diào)制電路5 5振幅解調(diào)方法5 6振幅解調(diào)電路 5 1概述 連續(xù)波模擬調(diào)制的載波是連續(xù)的等幅高頻正弦波 用uC表示 uC UCmcos Ct 將調(diào)制信號u 寄載在載波上的方法有三種 一種是把調(diào)制信號寄載在載波的幅度上 叫做振幅調(diào)制 簡稱調(diào)幅 AM 圖5 2調(diào)頻波波形圖 5 2振幅調(diào)制信號分析 ma為調(diào)幅度 5 2 1普通調(diào)幅波 AM 假設(shè)調(diào)制信號是一個單一頻率的余弦信號u U mcos t 載波uC Um0cos Ct 載波的角頻率wc 普通調(diào)幅波的表示式為 uAM Um0 1 macos t cos Ct Um0cos Ct Um0cos Ct macos t K為比例系數(shù) 把普通調(diào)幅波的表示式展開 上式中包含有三個頻率成分 即載波頻率 C 載波與調(diào)制信號的和頻 C 差頻 C 圖5 6AM調(diào)制的頻譜關(guān)系 普通調(diào)幅波中各個頻率成分所占有的能量 已調(diào)波UAM在單位電阻上消耗的平均功率Pav應(yīng)當?shù)扔诟鱾€頻率成分所消耗的平均功率之和 即等于載波功率PC和邊頻功率PSB之和 載波平均功率 上下邊帶的平均功率 實際上調(diào)制信號都是由多頻率成分組成的 如語音信號的頻率主要集中在300 3400Hz范圍 所以廣播電臺播送這樣的語音信號 已調(diào)波的帶寬等于6800Hz 相鄰兩個電臺載波頻率的間隔必須大于6800Hz 通常取為10kHz 多頻調(diào)制情況下 調(diào)制信號的通用表示式為 已調(diào)波uAM時域波形 頻譜如圖5 7所示 由于調(diào)制信號占有一定的頻帶 已調(diào)波的帶寬BAM 2 max 上 下邊帶包含的信息是相同的 從信息傳送的角度出發(fā) 只傳送一個邊帶信息就可以了 圖5 7多頻調(diào)制的AM調(diào)幅波 5 2 2雙邊帶調(diào)制 DSB 雙邊帶調(diào)制是僅傳送上 下邊帶而抑制載波的一種調(diào)制方式 雙邊帶信號可以直接通過調(diào)制信號與載波信號相乘的方法得到 雙邊帶信號的表示式為 uDSB Ku uC 圖5 10DSB調(diào)制信號波形圖 圖5 11DSB調(diào)制信號的頻譜 5 2 3單邊帶調(diào)制 SSB 單邊帶調(diào)制是僅傳送一個邊帶的調(diào)制方法 只傳送上邊帶信號叫上邊帶調(diào)制 uSSB t Um0cos C t只傳送下邊帶信號叫下邊帶調(diào)制 uSSB t Um0cos C t 圖5 13單頻調(diào)制SSB信號波形和頻譜 單邊帶信號的包絡(luò)不再反映調(diào)制信號的變化規(guī)律 單邊帶信號的頻率隨調(diào)制信號頻率的不同而不同 也就是說 調(diào)制信號頻率信息已寄載到已調(diào)波的頻率之中了 因此可以說單邊帶調(diào)制是振幅和頻率都隨調(diào)制信號改變的調(diào)制方式 AM DSB和SSB調(diào)制的表達式 調(diào)制信號波形 實現(xiàn)調(diào)制的框圖 濾波法要求濾波器過渡帶很陡 當調(diào)制信號中的低頻分量越豐富時 濾波器的過渡帶要求越窄 實現(xiàn)起來就越困難 因此往往要在載頻比較低的情況下經(jīng)過幾次濾波取出單邊帶信號 之后再將載波頻率提高到要求的數(shù)值 另一種方法叫相移法 這種方法可以直接由單邊帶信號的表示式得到 如單一頻率調(diào)制的下邊帶信號的展開式為 第一項是載波與調(diào)制信號相乘項 第二項是調(diào)制信號的正交信號與載波的正交信號的乘積項 兩項相加得下邊帶信號 單邊帶信號的表示式可以寫成 圖5 15相移法框圖 例1 試問下面三電壓表達式各為什么調(diào)制波 畫出頻譜圖 例2 某發(fā)射機輸出級在負載RL 100 上的輸出信號 試求載波功率 邊頻功率和總的輸出功率 振幅調(diào)制在時域需要有相乘運算過程 在頻域就是將信號的頻譜由低頻位置搬移到載頻左右的位置 且要求信號頻譜形狀和結(jié)構(gòu)不變 這一過程是線性頻率變換 5 3振幅調(diào)制方法 從輸入 輸出關(guān)系來看 頻率的搬移也是產(chǎn)生了新的頻率分量 所以需要用非線性或線性時變器件來實現(xiàn) 利用非線性器件實現(xiàn)兩個信號的相乘運算 三極管轉(zhuǎn)移特性iC f uBE 如圖所示 uBE EB ube 晶體管靜態(tài)工作點為Q 當ube比較小時 將轉(zhuǎn)移特性在靜態(tài)工作點附近用臺勞級數(shù)展開 其中 a0 a1 a2 a3 為各階項的系數(shù) 它們均是工作點的函數(shù) 當ube u1 u2 載波 u1 U1mcos 1t 調(diào)制信號 u2 U2mcos 2t時 各階項展開就會形成 1和 2的組合頻率 n階項產(chǎn)生的組合頻率可以用通式 p q p 1 q 2 p q n p q 0 1 2 3 表示 其中 p q n的各組合頻率分量統(tǒng)稱為n階組合頻率 例如 一個4階的冪級數(shù)近似表示晶體管的轉(zhuǎn)移特性iC a0 a1ube a2u2be a3u3be a4u4be 4階冪級數(shù)展開頻譜圖 根據(jù)需要可以通過濾波器取出所需要的頻率成分 例如 要從iC中取出AM調(diào)幅信號 即取出 1和 1 2的頻率成分 非矩形的帶通濾波器將造成非線性失真 如何減少失真呢 第一 選用特性為平方律的器件 如場效應(yīng)管 結(jié)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性 當uGS EG uC u 時 要點回顧 AM DSB和SSB調(diào)制的表達式 調(diào)制信號波形 實現(xiàn)調(diào)制的框圖 振幅調(diào)制方法 5 4振幅調(diào)制電路 5 4 1模擬乘法器乘法器是完成兩個信號相乘的器件 理想的乘法器輸出電壓uo t 與輸入電壓u1 t u2 t 的關(guān)系應(yīng)是 uo t K u1 t u2 t K是乘法器的增益 圖5 27乘法器符號 集成模擬乘法器是一種模擬集成電路 它是以差分放大器XFC1596和BG314為基礎(chǔ)構(gòu)成的信號相乘電路 模擬乘法器主要指標有工作頻率 運算精度 輸入信號動態(tài)范圍等 集成模擬乘法器XFC1596的實際應(yīng)用電路之一 1 利用XFC1596實現(xiàn)振幅調(diào)制時 調(diào)制信號u2應(yīng)由 端輸入 載波u1應(yīng)由 10端輸入 調(diào)制信號的幅度應(yīng)限定在U2m I0RE范圍之內(nèi) 2 當U1m 2UT時 輸出近似是雙邊帶調(diào)制 3 而當UT U1m 10UT時 也可用帶通濾獲得雙邊帶調(diào)制 動態(tài)范圍小 因多處近似精度低 失真大 需外偏置 2 四象限模擬乘法器BG314 對模擬乘法器BG314 采用了反正切雙曲函數(shù)電路 調(diào)制信號與載波的幅值限制是 U2m I0REU1m 0 5I0 RE1 5 4 2二極管調(diào)制器 二極管導通時的特性 所以 設(shè) 由于二極管的單向?qū)ㄐ?導通角 最大電流 輸出是余弦脈沖 外部特性 1 單二極管調(diào)制器在上述情況下 可以把二極管看成一個受輸入電壓控制的開關(guān) 等效電路如下圖所示 圖5 40單個二極管時變等效電路 當ui ED UB 0時 開關(guān)S閉合 在ui ED UB 0時 開關(guān)S打開 uo 0 開關(guān)S可用寬度等于2 幅度等于1 重復頻率等于 i的周期性脈沖序列k it 來等效 如圖5 40 b 所示 當ED UB 時 有 相應(yīng)地 通常有 RL rD 當二極管的輸入為調(diào)制信號 載波時 即 如果 c Ucm U m 可以近似認為二極管是受載波控制的開關(guān) 二極管等效的開關(guān)函數(shù)為k1 Ct 則輸出電壓 圖5 42單個二極管調(diào)制器輸出信號的頻譜圖 條件 c Ucm U m ED UB RL rD 2 單平衡式二極管調(diào)制器 二極管特性實際是指數(shù)曲線 單個二極管調(diào)制電路中存在著非線性失真 為了減小失真 采用了平衡對消技術(shù) 平衡式二極管調(diào)制器 輸出電壓 相應(yīng)的頻譜如圖5 44所示 由圖可見 在調(diào)制器輸出端用中心頻率等于 2n 1 C 帶寬B 2 的帶通濾波器 可以獲得雙邊帶調(diào)制信號 圖5 44單平衡二極管調(diào)制器輸出信號頻譜圖 在單平衡式二極管調(diào)制器電路中 將載波與調(diào)制信號對調(diào) VD1與VD2都只在載波的正半周導通 在負半周截止 輸出電壓將不含載波 例某調(diào)幅電路如圖所示 圖中D1 D2的伏安特性相同 均為自原點出發(fā)低斜率為gD的直線 設(shè)調(diào)制與載波頻率和電壓滿足 c Uc U 試問電路能否實現(xiàn)振幅調(diào)制作用 輸出電流中含有哪些頻率分量 3 雙平衡二極管調(diào)制器為了進一步提高調(diào)制器的質(zhì)量 減少失真 可將兩個完全相同的單平衡二極管調(diào)制器組合 構(gòu)成雙平衡二極管調(diào)制器 如圖所示 找通路 看二極管兩端的電壓 二極管均認為是理想二極管 rD 0 在載波正半周二極管VD1和VD2的導通 等效負載電阻是RL 加在VD1的電壓為uC u VD2的電壓為uC u 與前討論的相同 在正半周輸出電壓 在載波負半周二極管VD3和VD4的導通 等效負載電阻是RL 加在VD3的電壓為 uC u VD4的電壓為 uC u 與前討論的相同 在負半周輸出電壓 雙平衡二極管調(diào)制器的輸出電壓 圖5 47雙平衡二極管調(diào)制器輸出信號頻譜圖 5 4 3高電平調(diào)制器 高電平調(diào)制是相對于低電平調(diào)制電路而言的 高電平調(diào)制電路的基本原理是根據(jù)高頻諧振功率放大器的集電極調(diào)制特性和基極調(diào)制特性分別構(gòu)成三極管集電極調(diào)制電路和基極調(diào)制電路來實現(xiàn)AM調(diào)制 集電極調(diào)制電路中 晶體管應(yīng)該始終工作在過壓狀態(tài) 把調(diào)制信號u 與直流電壓ECO串聯(lián) 使晶體管的集電極直流電壓變成為EC ECO u 通過EC的變化 控制Ico Ic1m變化 圖5 50基極調(diào)制電路 基極調(diào)制電路如圖所示 三極管始終工作在欠壓狀態(tài) 把調(diào)制信號u 與外加直流偏置電壓EBO串聯(lián)起來 使晶體管的基極直流偏置電壓EB EBO u t 通過EB變化 控制Ico Ic1m變化 從而實現(xiàn)調(diào)制 5 5振幅解調(diào)方法 解調(diào)是從已調(diào)波中提取出調(diào)制信號的過程 是調(diào)制的逆過程 解調(diào)又叫檢波 它是把位于載頻fC附近的附近調(diào)制信號頻譜搬回到零頻附近的過程 振幅檢波 包絡(luò)檢波 AM波同步檢波 AM波 DSB SSB 5 5 1包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波適用于AM調(diào)幅波 圖5 51振幅檢波 a AM調(diào)幅波及其頻譜 b 檢波輸出波形及其頻譜 圖5 52平均包絡(luò)檢波器框圖與各點信號波形 把us t 乘以單向開關(guān)函數(shù)k1 Ct 得到的就是單極性信號 再經(jīng)過低通濾波器即可達到調(diào)制信號 一種包絡(luò)檢波是二極管峰值包絡(luò)檢波器 二極管兩端的電壓uD us uo 當uD 0時 二極管導通 信源us通過二極管對電容C充電 充電的時常數(shù)約等于rDC 由于二極管導通電阻rD很小 因此電容上的電壓迅速達到信源電壓us的幅值 當uD 0時 二極管截止 電容C通過電阻R放電 選取RC的數(shù)值滿足 5 5 2同步檢波DSB和SSB不能用包絡(luò)檢波 同步檢波有兩種形式 一種是乘積型同步檢波 另一種是疊加型同步檢波 1 乘積型同步檢波 當信源是一個雙邊帶信號us Usmcos t cos Ct本地振蕩信號是一個與載波同頻同相 同步 的信號u1 U1mcos Ct 兩個信號相乘得 kd kM kF kM是乘法器的增益 kF是低通濾波器的增益 經(jīng)低通濾波器后的輸出就是調(diào)制信號 圖5 54乘積型同步檢波器框圖 若本振與載波不同步 u1 U1mcos Ct t 相乘后經(jīng)低通濾波器后的輸出就是調(diào)制信號 輸出將與頻率和相位偏差有關(guān) 2 疊加型同步檢波疊加型同步檢波的框圖如圖5 55所示 信源電壓若是一個雙邊帶信號 它與本振相加的和信號在Usm U1m條件下為AM波 若信源電壓是一個單邊帶信號 它與本振相加的和信號 其中 當Usm U1m時 D Usm U1m 1 5 6振幅解調(diào)電路 5 6 1振幅檢波器的質(zhì)量指標振幅檢波器的質(zhì)量指標主要有電壓傳輸系數(shù) 輸入阻抗和檢波失真 1 電壓傳輸系數(shù)kd電壓傳輸系數(shù)kd又叫檢波效率 包絡(luò)檢波器的電壓傳輸系數(shù)kd定義為檢波器輸出的低頻電壓幅值與輸入高頻電壓幅值之比 電壓傳輸系數(shù)越高 說明檢波器的檢波效率越高 2 檢波器的輸入阻抗Zin檢波器的輸入阻抗Zin Rin jXin 檢波器的輸入阻抗就是中頻放大器的負載 檢波器輸入阻抗中的電抗分量可以歸入中頻放大器的中頻諧振回路 輸入電阻分量直接影響中頻諧振回路的質(zhì)量因數(shù)和放大器負載的輕重 3 檢波失真檢波失真是指檢波器輸出電壓與輸入調(diào)幅波的調(diào)制信號相似的程度 檢波失真包括線性失真和非線性失真 線性失真又叫頻率失真 它是由于檢波器帶寬不夠或帶內(nèi)增益的起伏而引起的失真 這種失真會使調(diào)制信號中各頻率分量幅值的比例關(guān)系發(fā)生變化 非線性失真是由于檢波特性的非線性而引起的失真 這種失真會產(chǎn)生調(diào)制信號的諧波分量和各調(diào)制頻率間的組合頻率分量 5 6 2包絡(luò)檢波器 大信號輸入 二極管特性可用折線近似 1 電壓傳輸系數(shù)kd若輸入電壓是一個等幅波us Usmcos Ct 輸出電壓是直流 二極管的電流iD為余弦脈沖 它的導通角 最大電流 二極管電流脈沖中的直流分量為 輸出電壓 電壓傳輸系數(shù) 在 時 可忽略5階項以上的高階項 因此 gD和R越大 越小 電壓傳輸系數(shù)kd 1 當輸入是AM調(diào)幅波時 二極管檢波器的輸出電壓 2 輸入阻抗Zin 二極管峰值包絡(luò)檢波器的輸入阻抗Zin Ri jXi 輸入電抗為容性 它是二極管的結(jié)電容與輸入端分布電容和 通常限制在幾pF的量級 檢波器的輸入電阻Ri等于輸入電壓振幅Usm與二極管電流iD中的基波分量幅度ID1之比 當 6時 3 檢波失真 檢波特性的非線性引起的失真 由于二極管的伏安特性是指數(shù)曲線 二極管的內(nèi)阻rD隨二極管兩端的電壓uD的增加而減小 因此輸出電壓uo就會隨rD的減小而增加 檢波特性就會隨輸入電壓幅度Usm的增加而向上翹 通常應(yīng)滿足 電阻R應(yīng)盡可能大 以減小檢波特性非線性引起的失真 惰性失真 為了提高電壓傳輸系數(shù)和減少檢波特性的非線性引起的失真 希望加大電阻R 而電阻R越大 時間常數(shù)RC越大 在二極管截止期間電容的放電速率越小 當電容器的放電速率低于輸入電壓包絡(luò)的變化速率時 電容器上的電壓就不再能跟隨包絡(luò)的變化 從而出現(xiàn)失真 惰性失真 所以 不產(chǎn)生惰性失真的條件就是電容器的電壓變化速率始終比輸入信號包絡(luò)的變化速率高 即 檢波器的輸入信源電壓 所以 在kd 1的條件下 t 時刻電容器兩端的電壓Uo1 Usm t1 Um0 1 macos t1 t1時刻以后二極管截止 電容器放電 電容器兩端的電壓變化規(guī)律為 電容器的放電速率 將包絡(luò)變化率式和電壓變化速率上式代入不產(chǎn)生惰性失真條件式 再經(jīng)過變換可得 t1時刻不同 A值也不同 只有在A最大值小于1 才能保證不產(chǎn)生惰性失真 因此把A對t1求導并令其等于零 得A的極值條件 cos t1 ma 所以不產(chǎn)生惰性失真的條件為 對多頻信號 若最大信號頻率為 max 則電容的放電時間常數(shù)滿足下式 例在圖示的檢波電路中 前級負載為并聯(lián)諧振電路 其諧振頻率f0 465KHz 回路本身諧振阻抗Ro 12k 檢波負載為6k C1 0 01uF rd 50 若 求檢波器輸入電壓Us及檢波器輸出電壓Uo t 的表達式 并檢查是否會產(chǎn)生惰性失真 負峰切割失真 檢波器與下級電路級聯(lián)工作時 一般下級只取用檢波器輸出的交流電壓 因此在檢波器的輸出端串接隔直流電容CC RL是下級輸入電阻如圖所示 檢波器的負載網(wǎng)絡(luò)由C R和CC RL組成 設(shè)計應(yīng)使R 1 CC 這樣負載網(wǎng)絡(luò)對調(diào)制信號的阻抗為RL R 當負載網(wǎng)絡(luò)兩端的電壓uAB Um0 1 macos t 時 相應(yīng)的輸出電流IDo I0 I1cos t 因為負載網(wǎng)絡(luò)在信號頻率的交流電阻RL R小于直流電阻R 當調(diào)幅度ma較大時 I1可能大于I0 在信號的負半周將使ID0 0 也就是二極管截止 負載網(wǎng)絡(luò)兩端的電壓不可能跟隨輸入電壓包絡(luò)的變化 從而產(chǎn)生失真 這種失真由于出現(xiàn)在輸出電壓的負半周 所以叫負峰切割失真 也叫底部失真 不產(chǎn)生負峰切割失真就應(yīng)當使I1始終小于I0 即下條件成立 2 并聯(lián)型包絡(luò)檢波器對于信源 二極管和負載三者并聯(lián)構(gòu)成的檢波器電路叫并聯(lián)型二極管檢波器 如圖所示 uD uS uC uD 0 信源uS對C2充電 時間常數(shù)是rDC2 uD rD 經(jīng)過多次充放電后 uC Usm 信源us C2兩端uc和二極管兩端uD的電壓間的關(guān)系如右圖所示 R1C3組成的低通濾波器取出uD的低頻成分 經(jīng)CC到負載電阻RL上 當輸入是等幅高頻信號 不計二極管上的功耗 由能量守恒方程式可求出檢波器的輸入電阻Ri 5 6 3同步檢波器1 乘積型同步檢波器圖5 66給出了用模擬乘法器FX 1596構(gòu)成的乘積型同步檢波器的實際電路 根據(jù)模擬乘