第7章 振幅調(diào)制的應(yīng)用

第7章振幅調(diào)制的應(yīng)用 7 1概述7 2單邊帶發(fā)信機(jī)7 3調(diào)幅廣播接收機(jī) 7 1概述 振幅調(diào)制被廣泛的應(yīng)用于廣播和通信 如目前遍及千家萬戶的語言 音樂廣播采用的是普通調(diào)幅 廣播電視圖像信號的傳輸采用的是殘留邊帶調(diào)制 通信用的收發(fā)信機(jī)廣泛采用的是單邊帶調(diào)制 郵電業(yè)務(wù)使用的多路載波電話系統(tǒng)是單邊帶調(diào)制等等 多路信息同時在一個信道中傳輸時 必須防止它們之間的干擾 解決這個問題目前采用了兩種多路復(fù)用體制 一種是時分復(fù)用體制 簡稱為TDM體制 一種是頻分復(fù)用體制 簡稱為FDM體制 如圖7 1所示 頻分復(fù)用體制是采用頻率分割的方法 每路信息占用一個頻道 每個頻道都有一定的帶寬 使各路信號在頻域互不混疊 圖7 1FDM和TDM體制 時分復(fù)用體制是每路信息通過采樣變成時間上是離散的信息 各路信息占用不同的時間 時間分割體制各路信息在頻域是混雜在一起的 無法辯認(rèn)和區(qū)分 但在時域它們各自保持自己的獨(dú)立性 互不混疊 圖7 2示出了兩路信號的時分復(fù)用 在接收端 頻分復(fù)用體制采用不同的帶通濾波器將各路信息分離開來 整個系統(tǒng)的原理框圖如圖7 3所示 時分復(fù)用體制在時域采用收發(fā)同步的方法 接收端在各相應(yīng)的時刻把各路信息送到不同的接收通道中 實現(xiàn)多路的分離 時分復(fù)用系統(tǒng)的原理框圖如圖7 4所示 圖7 2兩路信號的時分復(fù)用 圖7 3FDM體制系統(tǒng)框圖 頻分復(fù)用系統(tǒng)中主要問題是各路信息之間的互相干擾 稱這種干擾為串?dāng)_ 引起串?dāng)_的原因是系統(tǒng)的非線性造成各路信號頻譜的展寬 調(diào)制的非線性所造成的串?dāng)_可以通過發(fā)射端的帶通濾波器消除 但信道傳輸中非線性所造成的串?dāng)_則無法消除 因而 在頻分復(fù)用中對系統(tǒng)的線性要求很高 為此各路信號頻譜間都留有一定的保護(hù)間隔 以下幾節(jié)將分別介紹幾種振幅調(diào)制系統(tǒng) 使讀者對振幅調(diào)制的應(yīng)用有個初步的了解 以期提高學(xué)習(xí)目的性的認(rèn)識 增加學(xué)習(xí)情趣 達(dá)到學(xué)以致用的效果 圖7 4TDM體制系統(tǒng)框圖 7 2單邊帶發(fā)信機(jī) 圖7 5給出一種當(dāng)前正在使用的具有代表性的FDD 1A型單邊帶發(fā)射機(jī)的框圖 該單邊帶發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率為1600W 主要由單邊帶信號產(chǎn)生電路 激勵器 線性功率放大器組成 圖7 5FDD 1A單邊帶發(fā)射機(jī)框圖 7 2 1主要功能 FDD 1A型單邊帶發(fā)射機(jī)能夠完成的功能主要有4種 功能1是利用上 下邊帶同時傳送兩路話音信號 路話音和 路話音信號頻率范圍為300 3000Hz 經(jīng)過音頻放大器 在平衡調(diào)制器中完成雙邊帶調(diào)制 中頻載波頻率等于500kHz 兩路雙邊帶信號分別經(jīng)過上 下邊帶濾波器濾波 路取出上邊帶信號 路取出下邊帶信號 之后在混合網(wǎng)絡(luò)中相加形成兩路雙邊帶信號 其頻譜如圖7 6所示 圖7 6利用上 下邊帶同時傳送 功能2是發(fā)送等幅電報信號 等幅電報信號的產(chǎn)生靠圖中電鍵開關(guān)控制 當(dāng)電鍵開關(guān)按下時 27V電源被接通 繼電器2J1工作 繼電器的觸點吸合 把500kHz的中頻載波送入放大器 同時繼電器的另一組觸點把發(fā)射機(jī)功率放大級打開使之工作 從而天線上輻射出高頻電磁波 當(dāng)電鍵開關(guān)抬起后 27V電源斷開 繼電器2J1停止工作 觸點斷開 500kHz中頻載波不能送到放大器中 同時發(fā)射機(jī)的功放級停止工作 天線上無電磁波輻射 電鍵按照電報碼的信息按下 抬起 發(fā)射機(jī)就會向空間輻射出包含有同樣信息碼的高頻等幅的電磁波 圖7 7示意出了等幅電報信號的波形 功能3是形成兼容式的調(diào)幅話音信號 兼容式調(diào)幅話音信號是利用上邊帶話音再加500kHz的中頻載波構(gòu)成 這種信號只要載波比邊帶大得多 它的包絡(luò)變化就近似為邊帶調(diào)制信號 所以同樣可以用包絡(luò)檢波的方法實現(xiàn)解調(diào) 當(dāng)發(fā)射機(jī)工作方式開關(guān) 在整機(jī)面板上 圖中無 擲于 調(diào)幅話 位置時 只要按動位于話筒上的 手鍵 繼電器2J1工作 500kHz的中頻載波就會由放大器加到發(fā)射的信號中去了 其頻譜結(jié)構(gòu)如圖7 8所示 圖7 7等幅電報 圖7 8兼容式調(diào)幅話音 功能4是頻移電報 頻移電報又叫頻率鍵控 FSK 電報 當(dāng)傳送電報或數(shù)據(jù)信息時 二進(jìn)制代碼的碼元有兩個狀態(tài) 這兩個狀態(tài)的傳輸代碼采用不同頻率的高頻正弦波 如碼元值為1時 用振蕩頻率等于fa的高頻正弦波傳輸 碼元值為0時 用振蕩頻率等于fb的高頻正弦波傳輸 如圖7 9所示 FDD 1A型單邊帶發(fā)射機(jī)可完成雙路頻移電報的傳輸 路的鍵控頻率為fa fb 路的鍵控頻率為fc fd 它們的配置為fa 501 25kHz fb 501 75kHzfc 502 25kHz fd 502 75kHz 圖7 9頻移電報 如圖7 10所示 頻移電報信號的形成是由圖7 5中移頻方框完成的 這部分的原理框圖如圖7 11所示 4個串聯(lián)型石英晶體振蕩器A B C D各自的頻率為202 5kHz 203 5kHz 204 5kHz 205 5kHz 它們的輸出分別通過4個選通門 選通門的通斷靠兩位的二進(jìn)制碼控制 其狀態(tài)編碼列于表7 1中 圖7 10雙路頻移電報鍵控頻率 表7 1狀態(tài)編碼表 圖7 11頻移電路框圖 7 2 2工作頻率 FDD 1A單邊帶發(fā)射機(jī)的工作頻率范圍為2 29 9999MHz短波頻段 在這個頻率范圍內(nèi) 工作頻率可通過發(fā)射機(jī)的控制電路人為地設(shè)置 每間隔100Hz 設(shè)置一個工作頻率點 總共可設(shè)置28萬個頻率點 所以這臺發(fā)射機(jī)有28萬個工作頻率點 根據(jù)需要可以隨時調(diào)整 頻率的改變是通過頻率合成器完成的 頻率合成器的基本框圖如圖7 12所示 頻率合成器由5個部分組成 頻標(biāo)系統(tǒng) 尾數(shù)環(huán)單元 輔助頻率源 主環(huán)單元和搬頻電路 主振蕩器是5MHz泛音石英晶體振蕩器 頻率準(zhǔn)確度為5 10 8 頻率穩(wěn)定度為2 10 7 月 圖7 12FDD 1A單邊帶發(fā)射機(jī)頻率合成器框圖 7 3調(diào)幅廣播接收機(jī) 7 3 1調(diào)幅廣播接收機(jī)原理 廣播是用電的方法向廣大聽眾傳送聲音 文字和圖像信號 它是傳遞信息 文化娛樂的重要工具 隨著電子技術(shù)的發(fā)展 廣播的形式也越來越多 目前主要的形式有 有線廣播和無線廣播 無線廣播又有電臺廣播 衛(wèi)星廣播和電視廣播等 電臺廣播有調(diào)幅和調(diào)頻兩種調(diào)制方式 調(diào)幅廣播采用的是AM振幅調(diào)制方式 調(diào)幅廣播電臺使用的波段是中波和短波 中波波段的頻率范圍為535 1605kHz 短波波段通常分成短波 和短波 短波 是指頻率等于2 3 6MHz的頻段 短波 是指頻率等于6 26MHz的頻段 電臺廣播傳送的是語音信號 頻率范圍為200 3500Hz 每個電臺所占的頻帶寬度規(guī)定為9kHz 家用廣播收音機(jī)的組成框圖如圖7 13所示 常稱這種形式的收音機(jī)叫超外差式收音機(jī) 圖7 13調(diào)幅收音機(jī)框圖 混頻器的輸出是載頻等于465kHz的中頻調(diào)幅波 它的包絡(luò)應(yīng)當(dāng)與收聽電臺的信號包絡(luò)相同 D點 中頻放大器是多級高增益放大器 通常它的增益為1000倍左右 即60dB左右 由于中頻放大器是中心頻率恒等于465kHz 帶寬為9kHz的放大器 所以它的增益可以做得很高 幅頻特性可以做得很好 單級中頻放大器的電路如圖7 14所示 中頻放大器又叫小信號電壓調(diào)諧放大器 輸入是載頻等于中頻的電壓信號 集電極負(fù)載是LC并聯(lián)諧振回路組成的雙調(diào)諧回路 初級回路與次級回路之間通過互感耦合 也可通過電容耦合 雙調(diào)諧回路調(diào)諧在中頻 所以又把它叫做中頻變壓器 簡稱中周 為了減小失真 中頻放大器必須是線性狀態(tài)工作 圖7 14單級中頻放大器電路 圖7 15集中選頻放大器框圖 在調(diào)幅接收機(jī)中調(diào)諧回路 高放 中放 低放都是線性的無源或有源電路 混頻 本振 檢波 功放都是非線性有源電路 自1919年出現(xiàn)廣播以后 廣播接收機(jī)電路經(jīng)歷了電子管收音機(jī) 晶體管收音機(jī)和集成電路收音機(jī)的發(fā)展過程 1978年單片集成收音機(jī)投入市場 集成單片收音機(jī)與晶體管收音機(jī)的性能可列出表7 2予以說明 單片收音機(jī)是由一塊集成電路芯片和一些外圍電路組成 它屬于系統(tǒng)集成電路 系統(tǒng)集成電路具有整機(jī)電路簡單 耗電少 性能改善 可靠性高等特點 所以系統(tǒng)集成電路發(fā)展很快 并領(lǐng)導(dǎo)了電子電路的方向 表7 2集成單片接收機(jī)與晶體管收音機(jī)的性能比較 7 3 2廣播收音機(jī)的電性能指標(biāo) 廣播收音機(jī)電性能指標(biāo)主要有以下4點 1 工作波段 調(diào)幅廣播收音機(jī)的工作波段分成中波波段和短波波段 兩個波段覆蓋的頻率范圍為500kHz 30MHz 各個廠家在這個頻段范圍內(nèi)又分成不同的段數(shù) 如1985年索尼公司推出的CXA1019M P帶有高頻調(diào)諧器的調(diào)幅 調(diào)頻單片集成收音機(jī) 劃分了10個波段 一個調(diào)頻波段88 108MHz 長波波段150 270kHz 中波波段530kHz 1 6MHz 短波波段分成了7個波段 覆蓋了4 75 18MHz的范圍 國產(chǎn)的廣播收音機(jī)通常為4波段 一個調(diào)頻波段 一個中波波段 再加短波 和短波 兩個波段 2 靈敏度 靈敏度是衡量接收機(jī)能夠接收微弱信號的能力 靈敏度的定義是 保證接收機(jī)輸出一定的功率和具有一定信噪比要求的條件之下 接收機(jī)天線上所必需的最小感應(yīng)電動勢或接收天線周圍所應(yīng)具有的最小電磁場場強(qiáng) 接收機(jī)靈敏度越高 即天線中所需的感應(yīng)電勢越小或天線周圍所需的電磁場場強(qiáng)越小 一般中檔收音機(jī)靈敏度在幾十微伏的量級 要得到高的靈敏度 必須在提高接收機(jī)增益的同時 還要減少接收機(jī)的內(nèi)部噪聲 接收機(jī)內(nèi)部噪聲大小用噪聲系數(shù)NF來描述 噪聲系數(shù)的定義已在前面章節(jié)介紹過 3 選擇性 選擇性表示接收機(jī)選擇出所需要的信號 抑制掉干擾信號的能力 在保證一定帶寬要求下 接收機(jī)高頻放大與中頻放大部分的幅頻特性曲線邊緣越陡 即越接近矩形 對干擾的抑制能力越好 也就是說選擇性越好 圖7 16示出了歸一化的接收機(jī)高中頻部分的幅頻特性曲線 圖7 16中頻放大器選擇性 4 失真度 失真度用于衡量接收機(jī)恢復(fù)原始調(diào)制信號的質(zhì)量 頻率失真是接收機(jī)對不同頻率成分的增益不同造成的 對于300Hz 3kHz的語音信號要求幅頻特性的起伏小于10 15dB 對收聽音樂節(jié)目要求在60Hz 6 5kHz范圍內(nèi)幅頻特性的起伏小于10dB 非線性失真是由于器件的非線性產(chǎn)生不應(yīng)有的諧波分量或組合頻率分量造成通常語音傳輸要求非線性失真小于10 7 3 3單片集成收音機(jī)舉例 自1978年單片收音機(jī)集成電路投入市場以來 音響集成電路發(fā)展很快 據(jù)不完全統(tǒng)計 目前世界上開發(fā)生產(chǎn)的音響集成電路的品種超過千余種 在模擬集成電路中 它的數(shù)量居第一位 在功能方面 已從20世紀(jì)70年代的單一功能電路發(fā)展成多功能的復(fù)合電路 集成度越來越高 性能越來越好 目前音響集成電路的發(fā)展趨勢主要有三個方面 1 低電壓 低功耗 小型化 2 采用超高頻 高頻兼容工藝 使高頻調(diào)諧器與高 中頻放大器集成在一塊芯片上 3 外接元件數(shù)目減少 1 TA7641BP內(nèi)部電路框圖 TA7641BP單片調(diào)幅收音機(jī)集成電路 采用16腳雙列直插塑料封裝結(jié)構(gòu) 內(nèi)部電路框圖如圖7 17所示 由天線回路接收到的高頻調(diào)幅信號由16腳輸入 在變頻器中與本振相差產(chǎn)生465kHz的中頻調(diào)幅信號 由 腳輸出 經(jīng)過片外的中頻調(diào)諧回路選頻 從 腳進(jìn)入片內(nèi)的中頻放大器 放大后的中頻調(diào)幅信號經(jīng)檢波器檢波取出音頻信號 從 腳輸出 音頻信號經(jīng)外部的音量調(diào)整電位器 由 13 腳進(jìn)入片內(nèi) 被送到音頻功率放大器放大 再從 10 腳輸出加到揚(yáng)聲器上 為了使電路工作穩(wěn)定 功放級供電電壓由 腳加入 其他各級電源電壓由 腳輸入 電源電壓值為3V 圖7 17TA7641BP的內(nèi)部電路框圖 2 TA7641BP單片收音機(jī)電路用TA7641BP構(gòu)成的單片收音機(jī)電路如圖7 18所示 圖中 B1是繞在磁棒天線上的輸入調(diào)諧回路電感 1 2兩端的電感與C 組成輸入調(diào)諧回路 空間的電磁波在磁棒天線上感生出高頻磁場 經(jīng)輸入回路選取出收聽電臺的信號 經(jīng)3 4端點間電感耦合 得到高頻調(diào)幅信號 由 16 腳送入變頻器 B2是本地振蕩器的振蕩線圈 C 與1 3端點間的電感組成本地振蕩器的選頻回路 C C 是統(tǒng)調(diào)的雙連電容 兩個電容的轉(zhuǎn)動軸同步旋轉(zhuǎn) 以保證本振頻率與接收信號頻率之間恒差一個中頻 B3是變頻器輸出的中頻變壓器 中周 調(diào)諧在465kHz B4是中頻放大器的中頻選擇回路 RW是音量調(diào)整電位器 當(dāng)電源電壓EC 3V 輸入信號的載頻等于1MHz 調(diào)制信號頻率等于1kHz 調(diào)制度等于0 3 外接8 的揚(yáng)聲器做負(fù)載 環(huán)境溫度25 的條件下 測得該收音機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如下 頻率范圍 中波525 1605kHz 最大靈敏度 輸出功率Po 5mW時 輸入信號為41dB m 信噪比 輸入為74dB m時 輸出信噪比為44dB 輸出功率 100mW 諧波失真 輸入為74dB m時 輸出非線性失真系數(shù)為2 AGC范圍 50dB 圖7 18TA7641BP單片收音機(jī)電路 3 TA7641BP的內(nèi)部電路分析TA7641BP的內(nèi)部電路由恒流源電路 變頻電路 中頻放大器 檢波電路和音頻放大器組成 詳見圖7 19 1 恒流