4.2 頻譜搬移電路的基本工作原理 2012.4.21

1、11第四章 頻譜搬移電路-4.24.1頻譜搬移電路頻譜搬移電路概述概述 4.3 非線性電路概念和頻率變換本質(zhì)非線性電路概念和頻率變換本質(zhì)4.5 本章小結(jié)本章小結(jié) (振幅調(diào)制電路、振幅解調(diào)電路、混頻電路）振幅調(diào)制電路、振幅解調(diào)電路、混頻電路） 4.4 頻譜搬移電路的典型電路分析頻譜搬移電路的典型電路分析4.2 頻譜搬移電路的基本工作原理頻譜搬移電路的基本工作原理2 2 24.2.1 振幅調(diào)制簡述振幅調(diào)制簡述4.2.2調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式、波形與頻譜調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式、波形與頻譜4.2.3普通調(diào)幅波的功率普通調(diào)幅波的功率-引出引出雙邊帶與單邊帶雙邊帶與單邊帶4.2頻譜搬移電路的基本工作原理頻譜搬移電

2、路的基本工作原理 (振幅調(diào)制電路、振幅解調(diào)電路、混頻電路）振幅調(diào)制電路、振幅解調(diào)電路、混頻電路）4.2.4 典型的振幅調(diào)制電路框圖典型的振幅調(diào)制電路框圖4.2.7 本節(jié)小結(jié)本節(jié)小結(jié)2022-3-64.2.5振幅解調(diào)概念、波形與頻譜示意圖振幅解調(diào)概念、波形與頻譜示意圖4.2.6混頻概念、波形與頻譜示意圖混頻概念、波形與頻譜示意圖3 3 3將要傳送的基帶信號裝載到某一高頻載頻信號上，使其振幅受調(diào)制的過程。將要傳送的基帶信號裝載到某一高頻載頻信號上，使其振幅受調(diào)制的過程。高頻振蕩高頻放大話筒聲音緩沖發(fā)射 天線倍頻調(diào)制音頻放大2.定義定義4.2.1 振幅調(diào)制簡述1.框圖框圖2022-3-64 4 41

3、. 普通調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式普通調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式對一般的調(diào)幅波,通常滿足c。根據(jù)振幅調(diào)制信號的定義,已調(diào)信號的振幅隨調(diào)制信號u線性變化。載波信號：載波信號： tV000cosv調(diào)制信號：調(diào)制信號： tVcosv按調(diào)幅信號（已調(diào)波）定義：按調(diào)幅信號（已調(diào)波）定義： ttV0mAMcos)(v由于調(diào)由于調(diào) 幅信號的振幅與調(diào)制信號成線性關(guān)系，即有：幅信號的振幅與調(diào)制信號成線性關(guān)系，即有： tVkVtVcos)(a0m，式中，式中ak為比例常數(shù)為比例常數(shù),與兩信號在電路接入端有關(guān)，見下頁圖示與兩信號在電路接入端有關(guān)，見下頁圖示即：即： )cos1()cos1()(a00a0mtmVtVVkVtV202

4、2-3-65 5典型的振幅調(diào)制電路典型的振幅調(diào)制電路5 vb(t) + + VCC + VBB + VC(t) + vCE vBE + L C vc v + 集電極調(diào)幅電路2022-3-6晶體三極管基極調(diào)幅電路ak為比例常數(shù)為比例常數(shù),與兩個(gè)信號在電路中接入端是否相同有關(guān)與兩個(gè)信號在電路中接入端是否相同有關(guān)同一個(gè)端輸入兩個(gè)信號在, 1ak1ak6 6 61. 普通調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式普通調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式載波信號：載波信號： tV000cosv調(diào)制信號：調(diào)制信號： tVcosv已知：已知： )cos1()cos1()(a00a0mtmVtVVkVtV式中式中ma設(shè)為調(diào)制度，設(shè)為調(diào)制度， 0aaV

5、Vkm假設(shè)：常用百分比數(shù)表示。常用百分比數(shù)表示。ttmV0a0AMcos)cos1(v2022-3-6上式為上式為普通調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式普通調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式7 7 7普通AM波的三種情況AM的三種情況(見下圖)：M1：過調(diào)制，波形已失真（包絡(luò)不能如實(shí)反映基帶信號幅度），不用M1：臨界調(diào)制（與失真僅一線之隔，參數(shù)略有變化就失真，也不用）；M1：正常調(diào)幅，最常用（實(shí)驗(yàn)時(shí)一般M：20%40%） 假設(shè):ttMttMV0a0a0AMcos)cos1 ( 2cos)cos1 (v2022-3-68 8 8波形示意圖tV000cosvtV cosv0am10am1am1am正常波形的M為：0.20.5（2

6、0%50%）M1：正常調(diào)制，M1：過調(diào)制，M1：臨界調(diào)制ut0(a)(b)(c)(d)(e)uCttttm 1uAM(t)UcmUc000uAM(t)m 1m 1uAM(t)0理論波形圖實(shí)際波形圖2022-3-69 9 9)1 (aomaxmVVoV)1 (aominmVV)cos1 ()(a0mtMVtV調(diào)幅波通式： 波形特點(diǎn)：波形特點(diǎn)： (1)調(diào)幅波的振幅（包絡(luò)）變化規(guī)律與調(diào)制信號波形一致調(diào)幅波的振幅（包絡(luò)）變化規(guī)律與調(diào)制信號波形一致 (2) 調(diào)幅度調(diào)幅度ma反映了調(diào)幅的強(qiáng)弱度反映了調(diào)幅的強(qiáng)弱度 典型波形典型波形這里：這里：Ma設(shè)為調(diào)制度，設(shè)為調(diào)制度， 且且M1為正常調(diào)制為正常調(diào)制2022

7、-3-6101010（1）由單一頻率基帶信號調(diào)）由單一頻率基帶信號調(diào) 幅幅tmtmtVttmVt)cos(21)cos(21coscos)cos1 ()(0a0a000a0AMv 調(diào)制信號0載波調(diào)幅波0+上邊頻0-下邊頻頻率：0， 0 載波幅度：V0邊頻幅度：0a21VMMa一般為0.20.5，邊頻幅度小2022-3-611111100maxVVVm上0min0VVVm下(b)uAM(t)f (t)tt(a)包絡(luò)未調(diào)制002022-3-6了解121212nnnnntmtmtVtmtmtVttmVt)cos(21)cos(21cos)cos(21)cos(21coscoscos1)(000000

8、0000nnnnnnnnnAMv信號帶寬信號帶寬max2B 0 o 調(diào)幅波調(diào)制信號載波多音調(diào)幅波信號的公式、頻譜多音調(diào)幅波信號的公式、頻譜max0+max上邊帶0-max下邊帶2022-3-6131313 如果將普通調(diào)幅波輸送功率至電阻如果將普通調(diào)幅波輸送功率至電阻R上，則載波與兩個(gè)邊頻將分別得出如上，則載波與兩個(gè)邊頻將分別得出如下的功率：下的功率：00002Vma02Vma00VttmVtooacos)cos1 ()(v載波功率載波功率:RVP20oT21上邊頻或下邊頻上邊頻或下邊頻: :oT2a20aSB2SB1412121PmRVmPP在調(diào)幅信號一周期內(nèi)，在調(diào)幅信號一周期內(nèi)，AMAM信號

9、的平均輸出功率是信號的平均輸出功率是oTaDSBoTAMPmPPP)211 (24.2.3 調(diào)幅波中的功率關(guān)系調(diào)幅波中的功率關(guān)系-引出引出雙邊帶與單邊帶雙邊帶與單邊帶載波幅度： V0，0a21VM調(diào)幅波一般表達(dá)式：調(diào)幅波一般表達(dá)式：邊頻幅度：2022-3-6141414 由于由于Ma實(shí)際為實(shí)際為0.2到到0.5，所以載波本身雖不包含信號，但它所以載波本身雖不包含信號，但它的功率（的功率（PoT）卻占整個(gè)調(diào)幅波功率的絕大部分。）卻占整個(gè)調(diào)幅波功率的絕大部分。當(dāng)當(dāng)ma1時(shí)，時(shí)，PoT(2/3)Po ；當(dāng)當(dāng)ma0.5時(shí)，時(shí)，PoT(8/9)Po ； 從調(diào)幅波的頻譜圖可知，唯有它的上、下邊帶分量才實(shí)際

10、地從調(diào)幅波的頻譜圖可知，唯有它的上、下邊帶分量才實(shí)際地包含調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)，而載波分量僅是起到頻譜搬移的作用，包含調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)，而載波分量僅是起到頻譜搬移的作用，不反映調(diào)制信號的變化規(guī)律。不反映調(diào)制信號的變化規(guī)律。oT2aDSBoTAMPmPPP)211 ( 00002Vma02Vma00V1、調(diào)幅波中的功率關(guān)系當(dāng)當(dāng)ma0.2時(shí)，時(shí)，PoT(50/51)Po ；2022-3-61515152221()2241(1)22CcLavcmUmPPRmPPdtP AM信號的平均功率 邊頻 由上式可以看出,AM波的總平均功率為載波功率與兩個(gè)邊帶功率之和。而攜帶有用信號的功率只存在在兩個(gè)邊頻功率上

11、。P單邊頻 P總 2022-3-6效率為有用功與無用功相比，即P邊頻/P總=M2aP上邊頻+P下邊頻+P載波P單邊頻4=效率上、下邊頻的平均功率均為16一般：一般：Ma小于小于1， aM例如：=0.3：這時(shí)平均功率：這時(shí)平均功率 ，說明，說明oavPP05. 1邊頻功率只占總功率的邊頻功率只占總功率的 5%，可見發(fā)射效率極低。，可見發(fā)射效率極低。 解決的辦法解決的辦法 雙雙邊帶邊帶, 抑抑制載波制載波，即只發(fā)送兩個(gè)邊帶。，即只發(fā)送兩個(gè)邊帶。 單邊帶單邊帶, 不但不但抑抑制載波，還制載波，還抑抑制一個(gè)制一個(gè)邊帶，即邊帶，即只發(fā)送一個(gè)邊帶。只發(fā)送一個(gè)邊帶。 殘留邊帶殘留邊帶，發(fā)送一個(gè)邊帶和另一邊帶

12、一部分。，發(fā)送一個(gè)邊帶和另一邊帶一部分。2022-3-616171717ttmVtooacoscos)(v在調(diào)制過程中, 將輸出信號的載波抑制就形成了抑制載波的雙邊帶信號,簡稱雙邊帶信號。它可用載波與調(diào)制信號相乘得到,其表示式為2、雙邊帶信號定義和公式調(diào)制時(shí),為了降低無用功率、提高效率，需將載波抑制，引出概念-雙邊帶信號（DSB）。2022-3-6181818雙邊帶調(diào)制時(shí)的頻譜圖0 F(a)f0(b)ffcfc F0(c)f 0- 0+ 0a21Vm 虛線表示無載波2022-3-6191919圖 DSB信號波形 u0(a)uCtuDSB(t)0t(b)(c)t001800U(t)U cost由

13、以上公式可以畫出DSB信號波形和頻譜圖ttmVtooacoscos)(v2022-3-6注意DSB與AM波的不同，在90處的躍變202020( )cos()( )cos()SSBcSSBcutUtutUt 3 單邊帶（SSB）信號公式單邊帶（SSB）信號是由DSB信號經(jīng)邊帶濾波器濾除一個(gè)邊帶或在調(diào)制過程中,直接將一個(gè)邊帶抵消而成。為了進(jìn)一步提高效率，只需保留一個(gè)邊帶，引出概念-單邊帶信號。2022-3-6212121圖 單邊帶調(diào)制時(shí)的頻譜搬移 0F(a)f0(b)ffcfc F0(c)f2022-3-6222222圖 單音調(diào)制的SSB信號波形 uSSB(t)0tfc FU2022-3-6232

14、3三種振幅調(diào)制信號比較三種振幅調(diào)制信號比較電壓電壓表達(dá)式表達(dá)式普通調(diào)幅波普通調(diào)幅波ttmV0a0cos)cos1 (載波被抑制雙邊帶調(diào)幅波載波被抑制雙邊帶調(diào)幅波ttVm00acoscos單邊帶信號單邊帶信號tVm)cos(200a)cos(2(00tVma或波形圖波形圖頻譜圖頻譜圖 0- 0+ 0a21Vm 0- 0+ 0a21Vm 信號信號帶寬帶寬)2( 2)2( 22 0- 0+ 理想效率理想效率 小于小于10% 5 0% 100%242424 調(diào)幅波的共同之處都是在調(diào)幅前后產(chǎn)生了新的頻率分量，也調(diào)幅波的共同之處都是在調(diào)幅前后產(chǎn)生了新的頻率分量，也就是說都需要用非線性器件就是說都需要用非線

15、性器件( (電路電路) )來完成頻率變換。來完成頻率變換。 這里將調(diào)制信號這里將調(diào)制信號v與載波信號與載波信號v0加入非線性器件，然后加入非線性器件，然后通過中心頻率為通過中心頻率為0的帶通濾波器取出輸出電壓的帶通濾波器取出輸出電壓vo o中的調(diào)幅波成中的調(diào)幅波成分。分。4.2.4 AM信號的實(shí)現(xiàn)模型-工作原理2022-3-6圖4.1.4 AM信號的實(shí)現(xiàn)方框圖 具體原理與電路在第三節(jié)講述252525從振幅受調(diào)制的高頻信號中還原出原調(diào)制的信號。從振幅受調(diào)制的高頻信號中還原出原調(diào)制的信號。 高頻放大 fs fs 本地振蕩 fo 混頻 fo fs = fi fi 低頻放大 檢波 中頻放大 F F 2

16、022-3-6檢波簡述 1.定義定義4.2.5振幅解調(diào)概念、波形與頻譜示意圖振幅解調(diào)概念、波形與頻譜示意圖262626二極管檢波器二極管檢波器三極管檢波器三極管檢波器檢波檢波器件器件信號大小信號大小小信號檢波器小信號檢波器大信號檢波器大信號檢波器工作原理工作原理包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器同步檢波器同步檢波器2. 檢波的分類檢波的分類2022-3-62727272022-3-62828282022-3-6292929非線性非線性 電路電路低通低通濾濾 波器波器從已調(diào)波中檢出包絡(luò)信息從已調(diào)波中檢出包絡(luò)信息，只適用于，只適用于AM信號信號 輸入輸入 AM信號信號檢出包絡(luò)信息檢出包絡(luò)信息2022-3-65

17、典型的典型的AM振幅解調(diào)框圖振幅解調(diào)框圖-包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波3030 在保持相同調(diào)制規(guī)律的條件下，將輸入已調(diào)信號的載波頻在保持相同調(diào)制規(guī)律的條件下，將輸入已調(diào)信號的載波頻率從率從fs變換為固定變換為固定fi的過程稱為變頻或混頻。的過程稱為變頻或混頻。 高頻放大 fs fs 本地振蕩 fo 混頻 fofs=fi fi 低頻放大 檢波 中頻放大 F F （以調(diào)幅為例（以調(diào)幅為例 ） 在接收機(jī)中，在接收機(jī)中， fi稱為中頻。一般其值為稱為中頻。一般其值為其中其中fo是本地振蕩頻率。是本地振蕩頻率。soifff 定義定義: :其中，其中，fi大于大于fs的混頻稱為上混頻，的混頻稱為上混頻， fi小于小于

18、fs的混頻稱為下混頻。的混頻稱為下混頻。4.2.6混頻概念、波形與頻譜示意圖混頻概念、波形與頻譜示意圖3131波形波形 經(jīng)過混頻器變頻后，輸出頻率為經(jīng)過混頻器變頻后，輸出頻率為soifffMHz)67 . 1 (MHz)465. 6165. 2(MHz465. 0 混頻的結(jié)果：較高的不同的載波頻率變?yōu)楣潭ǖ妮^低的載混頻的結(jié)果：較高的不同的載波頻率變?yōu)楣潭ǖ妮^低的載波頻率，而振幅包絡(luò)形狀不變。波頻率，而振幅包絡(luò)形狀不變。4.2.6. 混頻器的波形頻率舉例：頻率舉例：3232調(diào)幅是線性頻率變換調(diào)幅是線性頻率變換 ( (一般是高本振一般是高本振) ) 頻譜搬移頻譜搬移 4.2.6混頻器的頻譜soif

19、ff其中，其中，fi大于大于fs的混頻稱為上混頻，的混頻稱為上混頻， fi小于小于fs的混頻稱為下混頻。的混頻稱為下混頻。公式推公式推導(dǎo)見調(diào)導(dǎo)見調(diào)制章節(jié)制章節(jié)3333A.A.變頻變頻( (混頻混頻) )增益：增益：混頻器輸出中頻電壓混頻器輸出中頻電壓V Vimim與輸入信號電壓與輸入信號電壓V Vsmsm的的幅值之比。幅值之比。D.D.噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)：高頻輸入端信噪比與中頻輸出端信噪比的比值。高頻輸入端信噪比與中頻輸出端信噪比的比值。C.C.選擇性：選擇性：抑制中頻以外的信號的干擾的能力。抑制中頻以外的信號的干擾的能力。B.B.非線性干擾：非線性干擾：抑制組合頻率干擾、交調(diào)、互調(diào)干擾等干擾

20、的能力。抑制組合頻率干擾、交調(diào)、互調(diào)干擾等干擾的能力。（重點(diǎn)是中頻干擾和鏡像干擾）（重點(diǎn)是中頻干擾和鏡像干擾）4.2.6.混頻器的性能指標(biāo)34344.2.7 本節(jié)小結(jié)4.2.1 調(diào)幅調(diào)幅 概述概述342022-3-6調(diào)制：將基帶信號不失真地裝載到高頻信號上。調(diào)制：將基帶信號不失真地裝載到高頻信號上。調(diào)制的原因：能量問題，調(diào)制的原因：能量問題，切實(shí)可行的天線，頻道切實(shí)可行的天線，頻道復(fù)用、窄帶傳輸易于實(shí)現(xiàn)等。復(fù)用、窄帶傳輸易于實(shí)現(xiàn)等。調(diào)幅是調(diào)幅是將要傳送的基帶信號裝載到某一高頻載頻將要傳送的基帶信號裝載到某一高頻載頻信號上，使其信號上，使其振幅振幅受調(diào)制的過程。受調(diào)制的過程。調(diào)幅的三種方法：調(diào)幅

21、的三種方法：AM、DSB、SSB353535)1 (aomaxmVVoV)1 (aominmVV)cos1()(a0mtmVtV調(diào)幅波通式： 波形特點(diǎn)：波形特點(diǎn)： (1)調(diào)幅波的振幅（包絡(luò)）變化規(guī)律與調(diào)制信號波形一致調(diào)幅波的振幅（包絡(luò)）變化規(guī)律與調(diào)制信號波形一致 (2) 調(diào)幅度調(diào)幅度ma反映了調(diào)幅的強(qiáng)弱度反映了調(diào)幅的強(qiáng)弱度 2022-3-60aaVVkm4.2.2調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式、波形調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表示式、波形36364.2.2 調(diào)幅波的波形調(diào)幅波的波形36ut0(a )(b )(c )(d )(e )uCttttm 1uAM(t)UcmUc000uAM(t)m 1m 1uAM(t)0U0 F

22、(a)fUc0(b)ffc10(c)ffcfc Ffc F2Fm/2m/2三種Ma的值對應(yīng)的波形2022-3-6Ma一般為0.2-0.5373737 如果將普通調(diào)幅波輸送功率至電阻如果將普通調(diào)幅波輸送功率至電阻R上，則載波與兩個(gè)邊頻將分別得出如上，則載波與兩個(gè)邊頻將分別得出如下的功率：下的功率：00002Vma02Vma00VttmVtooacos)cos1 ()(v載波功率載波功率:RVP20oT21上邊頻或下邊頻上邊頻或下邊頻: :oT2a20aSB2SB1412121PmRVmPP在調(diào)幅信號一周期內(nèi)，在調(diào)幅信號一周期內(nèi)，AMAM信號的平均輸出功率是信號的平均輸出功率是oTaDSBoTAMPmPPP)211 (24.2.3 調(diào)幅波的功率關(guān)系-引出雙邊帶與單邊帶雙邊帶與單邊帶 載波幅度：V0， 邊頻幅度：0a21VMMa小有用邊頻功率小邊頻功率小2022-3-6383838 上、下邊頻的平均功率均為2221()2241(1)22CcLavcmUmPPRmPPdtP AM信號的平均功率 邊頻 由上式可以看出,AM波