第五章電磁波.ppt

將要傳送的信息裝載到某一高頻載頻信號上去的過程 聲音 1 定義 2 調(diào)制的原因 從切實可行的天線出發(fā) 為使天線能有效地發(fā)送和接收電磁波 天線的幾何尺寸必須和信號波長相比擬 一般不宜短于1 4波長 音頻信號 20Hz 20kHz 波長 15 15000km 天線長度 3 75 3750km 2 調(diào)制的原因 便于不同電臺相同頻段基帶信號的同時接收 頻譜搬移 通信系統(tǒng)的基本組成電路 振幅調(diào)制 解調(diào) 混頻 調(diào)頻 鑒頻等電路 這些電路的共同特點是 將輸入信號進行頻譜變換 以獲得所需要的頻譜輸出信號 故稱之為頻率 頻譜 變換電路 根據(jù)頻譜變換的不同特點 頻譜變換電路有 頻譜搬移電路包括 VestigialSidebandAmplitudeModulation 一 調(diào)制調(diào)制的定義 將需要傳送的基帶信號加載到高頻信號上去的過程 基帶信號 占有一定寬度的低頻信號 調(diào)制的作用 用高頻信號做運載工具 實現(xiàn)多路有選擇性的遠距離通信 第一節(jié)概述 數(shù)字調(diào)制 調(diào)制分為 幅度調(diào)制 AM 頻率調(diào)制 FM 相位調(diào)制 PM 幅度鍵控 ASK 頻率鍵控 FSK 相位鍵控 PSK 模擬調(diào)制 調(diào)制的分類 2 普通調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式 則普通調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式為 其中稱為調(diào)幅指數(shù) 調(diào)幅度 若載波信號 調(diào)制信號 1 定義 用需傳送的信息 調(diào)制信號 去控制高頻載波振蕩電壓的振幅 使其隨調(diào)制信號線性關(guān)系變化 二 普通調(diào)幅波 AM波 的數(shù)學(xué)表示式 波形及其頻譜 單音頻調(diào)制 3 普通調(diào)幅波的波形 右圖是單音頻調(diào)制普通調(diào)幅波的波形圖 從波形上可以看出 調(diào)制信號 載波信號 已調(diào)波信號 已調(diào)波振幅的包絡(luò)形狀與調(diào)制信號一樣 則調(diào)幅指數(shù) 調(diào)幅指數(shù)當(dāng)ma 1時 已調(diào)波振幅的包絡(luò)形狀與調(diào)制信號一樣不失真調(diào)幅 當(dāng)ma 1時 將產(chǎn)生過量調(diào)制如下圖所示 包絡(luò)形狀會產(chǎn)生嚴重失真 必須盡力避免 包絡(luò)失真 單頻調(diào)制的AM波的頻譜 4 普通調(diào)幅波的頻譜 單頻調(diào)制的普通調(diào)幅波的頻譜 由數(shù)學(xué)表示式可得 單頻調(diào)制的AM波的頻帶寬度 多音頻調(diào)制的普通調(diào)幅波的頻譜 多頻調(diào)制的AM波的頻帶寬度 5 結(jié)論 調(diào)幅過程是一種線性頻譜搬移過程將調(diào)制信號的頻譜由低頻被搬移到載頻附近 成為上 下邊頻帶 三 普通調(diào)幅波的功率關(guān)系 載波功率 每一邊頻功率 調(diào)制一周內(nèi)的平均總功率 將普通調(diào)幅波電壓加在電阻R兩端 電阻R上消耗的各頻率分量對應(yīng)的功率可表示為 1 普通調(diào)幅波中各頻率分量之間的功率關(guān)系 調(diào)幅波的輸出功率隨著ma的增大而增大 當(dāng)ma 1時 PoT 2 3 Po 當(dāng)ma 0 5時 PoT 8 9 Po 2 普通調(diào)幅波的特點 普通調(diào)幅波中載波分量占有的功率較大 而含有信息的上 下邊頻分量占有的功率較小 從能量觀點看 普通調(diào)幅波進行傳送 不含信息的載波功率過大 是一種很大的浪費 這是普通調(diào)幅波本身固有的 雙邊帶調(diào)幅的振幅 其包絡(luò)隨調(diào)制信號變化 但包絡(luò)不能完全準確地反映調(diào)制信號變化規(guī)律 雙邊帶信號的載波相位在調(diào)制電壓零交點突變 四 抑制載波的雙邊帶調(diào)幅信號和單邊帶調(diào)幅信號 1 抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波 DSB 數(shù)學(xué)表示式 雙邊帶調(diào)幅波的頻譜 波形特點 即 雙邊帶調(diào)幅波的頻帶寬度 2 單邊帶調(diào)幅波 SSB 單頻調(diào)制的單邊帶調(diào)幅波的頻譜為 頻譜 數(shù)學(xué)表示式 特點頻帶只有雙邊帶調(diào)幅波的一半 其頻帶利用率高 全部功率都含有信息 功率有效利用率高 頻帶寬度 三種振幅調(diào)制信號 五 振幅調(diào)制電路的功能 1 振幅調(diào)制電路的功能是將輸入的調(diào)制信號和載波信號通過電路變換成高頻調(diào)幅信號輸出 2 功能的表示 當(dāng)載波為調(diào)制信號為時 三種振幅調(diào)制電路的功能可以用頻譜表示 如右圖所示 六 振幅調(diào)制電路的分類及要求 1 分類 分低電平調(diào)幅和高電平調(diào)幅兩大類 2 要求 低電平調(diào)幅是在低功率電平級進行振幅調(diào)制 輸出功率和效率不是主要指標 重點是提高調(diào)制的線性 減小不需要的頻率分量的產(chǎn)生和提高濾波性能 高電平調(diào)幅是直接產(chǎn)生滿足發(fā)射機輸出功率要求的已調(diào)波 利用丙類高功放改變來實現(xiàn)調(diào)幅 其優(yōu)點是效率高 設(shè)計時必須兼顧輸出功率 效率和調(diào)制線性的要求 七 振幅調(diào)制電路的基本組成 調(diào)幅電路需要產(chǎn)生新的頻率分量非線性器件是主要器件 其特性必須含有載波信號和調(diào)制信號的乘積項 一般來說 振幅調(diào)制電路由輸入回路 非線性器件和帶通濾波器三部分組成 輸入回路的作用是將載波信號和調(diào)制信號直接耦合或相加后直接加到非線性器件上 非線性器件產(chǎn)生新的頻率分量 帶通濾波器取出調(diào)幅波的頻率成分 抑制不需要的頻率成分 第二節(jié)低電平調(diào)幅電路 一 單二極管開關(guān)狀態(tài)調(diào)幅電路1 開關(guān)狀態(tài)當(dāng)二極管在兩個不同頻率電壓下進行頻率變換時 其中一個電壓振幅足夠大 另一個電壓振幅較小 二極管的導(dǎo)通或截止將完全受大振幅電壓的控制 可以近似認為二極管處于理想開關(guān)狀態(tài) 第二節(jié)低電平調(diào)幅電路 2 電路原理 二極管的導(dǎo)通電阻 經(jīng)中心頻率為 通頻帶略大于的帶通濾波器取出的普通調(diào)幅波信號輸出 流過二極管電流中含有 直流 3 通過帶通濾波器選出調(diào)幅波輸出 結(jié)論 單二極管開關(guān)狀態(tài)調(diào)幅電路只能實現(xiàn)普通調(diào)幅波 AM 1 電路特點圖中變壓器為理想變壓器 B1為1 1 B2為1 2B3為2 1載波信號是大信號 調(diào)制信號是小信號 二極管D1 D2均工作于受uc t 控制的開關(guān)狀態(tài) 二 二極管平衡調(diào)幅電路 2 在無帶通濾波器的條件下 流過二極管D1 D2的電流為 根據(jù)變壓器B3的同名端及假設(shè)的次級電流的流向 由于i1和i2流過B3初級方向相反 所以電流i為 由于i中包含 等頻率成分 經(jīng)中心頻率為 帶寬略大于的帶通濾波器取出的頻率成分電流在負載上建立雙邊帶調(diào)幅電壓輸出 3 通過帶通濾波器取出雙邊帶調(diào)幅波 結(jié)論 雙二極管開關(guān)狀態(tài)調(diào)幅電路能實現(xiàn)平衡調(diào)幅 在負載上建立雙邊帶調(diào)幅波的電壓 多接了兩只二極管D3和D4 當(dāng)D1和D2導(dǎo)通時 D3和D4是截止的 反之 D1和D2截止時 D3和D4是導(dǎo)通的 即接入D3和D4不影響D1和D2的工作 環(huán)形調(diào)制器可以看成是兩個平衡調(diào)制器組成 三 二極管環(huán)形調(diào)幅電路 環(huán)形調(diào)制器 1 在的正半周 D1和D2導(dǎo)通 D3和D4截止 D1和D2的開關(guān)函數(shù)為 在無帶通濾波器的條件下 流過負載的總電流 1 2 2 1 2 在的負半周 D1和D2截止 D3和D4導(dǎo)通 而D3和D4的開關(guān)函數(shù)為 在無帶通濾波器的條件下 流過負載的總電流 1 2 2 1 流過負載的總電流中含有等頻率分量 經(jīng)過中心頻率為 通帶略大于的帶通濾波器 則在上只取的雙邊帶調(diào)幅電壓 4 通過帶通濾波器取出雙邊帶調(diào)幅波 則 3 負載RL中的電流 結(jié)論 二極管環(huán)形調(diào)幅電路能實現(xiàn)平衡調(diào)幅 DSB 與雙二極管調(diào)幅電路相比輸出信號的頻譜少了的成份 且幅度為其二倍 四 模擬乘法器調(diào)幅電路1 模擬乘法器 模擬乘法器是有兩個輸入端對 即X和Y輸入端對 和一個輸出端的非線性有源器件 模擬乘法器符號 模擬乘法器是完成兩個模擬信號 電壓或電流 相乘作用的電子器件 模擬乘法的傳輸特性方程為式中 K乘法器的增益系數(shù) 單位為1 V 常用于頻率變換的模擬乘法器的型號 國外同類產(chǎn)品 MC1496MC1596MC1495MC1496LM1496LM1596 AD834 寬帶 AD630 多功能 AD734 高精度 國內(nèi)同類產(chǎn)品 CB1595CB1596BG314 2 雙差分對管振幅調(diào)制電路 它由兩個單差分對管電路T1 T2 T5和T3 T4 T6組合而成 輸入信號u1加在兩個單差分對管的輸入端 u2加在T5和T6的輸入端 雙端輸出時 輸出電流而則 T1 T2和T3 T4組成的差分對管的電流電壓關(guān)系 T1 T2組成的差分對管的電流電壓關(guān)系 當(dāng)u1和u2都小于26mV時 PN結(jié)內(nèi)建電壓溫度當(dāng)量 常溫下為26mV 一 雙差分對相乘器電路 吉爾伯特乘法器單元 雙差分對模擬相乘器 吉爾伯特乘法器單元 原理電路如圖所示 由圖知 差分對T1 T2的差模輸出電流為 吉爾伯特乘法器單元 差分對T3 T4的差模輸出電流為 故雙差分對模擬相乘器的差值輸出電流為 其中 晶體管T5和T6差分對管的差模輸出電流 其值為 吉爾伯特乘法器單元 因而雙差分對相乘器電路的輸出電流為 顯然 該電路不能實現(xiàn)兩個電壓 的相乘運算 僅 提供了兩個非線性函數(shù) 雙曲正切 相乘的特征 但由雙曲正切函數(shù)的特性知 時 上式可以 1 當(dāng) 近似為 2 當(dāng) 為任意值時 可以 近似為 實現(xiàn)了線性時變工作狀態(tài) 擴大u2的線性動態(tài)范圍的措施 A 在T5和T6的發(fā)射極之間接入負反饋電阻Ry 并將恒流源I0分為兩個I0 2的恒流源 B Ry足夠大 滿足深度負反饋條件 即 u2的最大動態(tài)范圍為 雙端輸出電流 現(xiàn)將常用的Motorola公司MC1496 1596 國內(nèi)同類型號是XFC 1596 MC1495 1595 國內(nèi)同類型號是BG314 和MC1494 1594單片模擬乘法器的參數(shù)指標簡介如下 MC14系列與MC15系列的主要區(qū)別在于工作溫度 前者為0 70 后者為 55 125 其余指標大部分相同 個別后者稍好一些 MC1596是以雙差分電路為基礎(chǔ) 在Y輸入通道加入了反饋電阻 故Y通道輸入電壓動態(tài)范圍較大 X通道輸入電壓動態(tài)范圍很小 MC1596工作頻率高 常用作調(diào)制 解調(diào)和混頻 通常X通道作為載波或本振的輸入端 而調(diào)制信號或已調(diào)波信號從Y通道輸入 當(dāng)X通道輸入是小信號 小于26mV 時 輸出信號是X Y通道輸入信號的線性乘積 單片集成模擬相乘器MC1496 1596的內(nèi)部電路及其引腳排列 3 MC1596平衡調(diào)幅電路 MC1596組成的普通調(diào)幅或雙邊帶調(diào)幅電路 設(shè)輸入載波信號 根據(jù)雙曲線正切函數(shù)的特性 大信號條件下具有開關(guān)函數(shù)的形式 輸入調(diào)制信號 因為2與3端滿足接入 則可擴大到的線性范圍 大信號 即 雙端輸出電流 管腳直流電位差為零時 管腳直流電位差不為零時 雙端輸出電流 1代表直流 RW是調(diào)節(jié)MC1596的4和1端的直流電位差為零 確保輸出為抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波 如果4和1端直流電位差不為零 則有載波分量輸出 相當(dāng)于是普通調(diào)幅波 高電平調(diào)幅 高電平調(diào)幅電路能同時實現(xiàn)調(diào)制和功率放大 即用調(diào)制信號U 去控制諧振功率放大器的輸出信號的幅度Ucm來實現(xiàn)調(diào)幅的 集電極調(diào)制 用調(diào)制信號控制集電極電源電壓 以實現(xiàn)調(diào)幅 基極調(diào)制 用調(diào)制信號控制基極電源電壓 以實現(xiàn)調(diào)幅 在調(diào)幅發(fā)射機 如廣播發(fā)射機 中 一般采用高電平調(diào)制電路 高電平調(diào)幅 根據(jù)調(diào)制信號控制的電極不同 調(diào)制方法主要有 一 集電極調(diào)幅電路 1 集電極調(diào)幅原理電路 具有下列特點 集電極回路調(diào)諧在 帶寬略大于 丙類放大器工作于過壓狀態(tài) 有效電源隨變化 第三節(jié)高電平調(diào)幅電路 直流電源 旁路電容 式中 稱為調(diào)幅指數(shù) 根據(jù)理想化調(diào)幅特性可得 輸出電壓 丙類功率放大器在不變的條件下 改變時 集電極電流在欠壓區(qū)可認為不變 而在過壓區(qū)將隨變化而變化 具有調(diào)幅特性 有效電源 2 調(diào)幅原理 集電極調(diào)幅 3 集電極調(diào)幅電路的功率與效率 時 直流電源提供的輸入功率 載波輸出功率 集電極損耗功率 集電極效率 載波狀態(tài) 調(diào)制最大狀態(tài)電流和電壓都達到最大值 有效電源輸入功率 高頻輸出功率 集電極損耗功率 集電極效率 結(jié)論 在調(diào)制信號波峰處 所有功率都是載波狀態(tài)的倍 而集電極效率不變 調(diào)制信號源提供的平均輸入功率 直流電源提供的平均輸入功率 調(diào)制一周的平均功率 有效電源提供的平均輸入功率 平均輸出功率 其中 載波輸出功率為 邊頻功率為 平均集電極損耗功率 平均集電極效率 在調(diào)制一周內(nèi)的平均功率都是載波狀態(tài)對應(yīng)功率的倍 集電極平均損耗功率是載波狀態(tài)損耗功率的倍 選管子時 應(yīng)采用管子的允許損耗功率 載波輸出功率是由直流電源提供 而邊頻輸出功率是由調(diào)制信號源提供 總輸入功率分別由直流電源和調(diào)制信號源提供 因而調(diào)制信號源應(yīng)是功率源 4 集電極調(diào)幅電路的特點 必須工作于過壓區(qū) 調(diào)制過程中效率不變 可保持在高效率下工作 二 基極調(diào)幅電路 1 基極調(diào)幅原理 基極調(diào)幅電路的基本原理是利用丙類功率放大器在電源電壓VCC 輸