高頻電子線路線性頻譜搬移電路

1、12 振幅調制、解調和混頻電路均屬頻譜線性搬移電路 振幅調制：用代表消息的低頻信號去改變高頻載波的振幅 解調：從高頻已調信號中還原調制信號 混頻：將已調信號的載頻變成另一個載頻提示3本章主要內容5.1 頻譜搬移及調幅基本原理5.2 幅度調制電路5.3 調幅波的解調5.4 混頻電路本章小結45.1 頻譜搬移及調幅基本原理5 -頻譜搬移?。▽⒋硐⒌牡皖l基帶信號的頻譜搬移到高頻信道的工作頻帶內） 調制目的？ 調制？ 分類？-見下頁-以低頻基帶信號（稱調制信號），去改變高頻載波的振幅（或頻率或相位），使其受調而間接寄載基帶信息，便信道傳輸！一、概述6脈沖調制脈寬調制脈位調制脈幅調制數(shù)字調制移頻鍵控

2、(FSK)移相鍵控(PSK)振幅鍵控(ASK)調制AMDSBSSBVSB合稱角度調制連續(xù)波調制振幅調制頻率調制相位調制模擬調制7表5.1 線性頻譜搬移電路分類根據功能分類振幅調制電路AM調幅電路根據關鍵元器件分類 二極管電路二極管平衡環(huán)形調幅電路DSB調幅電路峰值包絡檢波電路SSB調幅電路平衡、環(huán)形混頻電路振幅檢波電路包絡檢波電路三極管電路高電平調幅電路同步檢波器三極管混頻電路混頻電路(變頻電路)上變頻電路模擬集成電路濾波法調幅電路下變頻電路乘積型同步檢波電路81.1.普通調幅普通調幅 (AM)1）表達式載波信號tUtuccmccos)( tfUccm 2cos )(tu調制信號)()(cmm

3、tukUtUa 普通調幅波幅值)cos()()cos()()(cacmcAMttukUttUtum普通調幅波信號二、調幅的基本類型和特點9cmmaaUUkm 2）單音AM調幅通常 F1時時 產生過調幅失真12 單音AM調幅波的頻譜 已調信號頻譜由上、下邊頻分量+載頻分量組成 帶寬：BW = 2F)cos()cos()cos(ccma21ccma21ccmtUmtUmtU tmUtuAMcacmcostcos1)(（ )cos( )cos()cos(ccma21ccma21ccmt Umt Umt U 13例例5.1 已知調制信號 (V)，AM波的振幅峰值 =1.9V，振幅谷值 =0.6V，比例

4、常數(shù) =0.9 (1/V)，求已調波載頻分量的振幅 ，原調制信號的振幅 以及調幅系數(shù) 。( )cosmu tUtmax( )AMUtmin( )AMUtaKcmUmUam0.72mUV解：解：由教材式（由教材式（5.1.3a）和（）和（5.1.3b）得：）得： =1.9V， =0.6V 聯(lián)立兩式并解方程可得：聯(lián)立兩式并解方程可得： 又又 將將代入代入可解得：可解得： 再將再將 =1.9V； =0.6V代入代入(5.1.3c)式可式可 得：得： 最后由最后由 解得：解得： (1)cmaUm(1)cmaUm0.65acmm U0.9ammacmcmk UUmUU0.9acmmm UUmax( )A

5、MUtmin( )AMUt0.65acmmU1.25cmUV143）多音信號的AM調幅代表消息的調制信號往往并非單頻信號，而是由許多頻率成分組成。譬如，電話（話音）信號的頻率變化范圍為300 3400Hz，廣播信號的頻率變化范圍為10KHz左右，而普通電視信號的頻帶寬達6.5MHz152.2.抑制載波的雙邊帶調幅抑制載波的雙邊帶調幅（DSBDSB）( )( ) cosDSBacutk utt ka由調制電路和載波幅值決定1）表達式單頻調制時 含上下邊頻分量，但無載頻分量！ “相乘”實現(xiàn)！( )coscoscos()cos() 2DSBaccacccutm Uttm Utt 162）單音DSB的

6、波形和頻譜17183.單邊帶調幅波（ SSB波）1）表達式2）波形及頻譜( )cos()cos() 2acmSSBHcSSBcm UuttUt上邊帶（頻）：acmSSBLcSSBcm U(t)cos()tUcos()t2u下邊帶（頻）：194.殘留邊帶調幅（ VSB）與AM和DSB相比，SSB無疑最能節(jié)約能量和頻帶。但是，SSB的調制和解調設備都比較復雜，且不適于傳送含有直流成分的基帶信號。欲解決單/雙邊帶調幅的不足，可選擇折衷的調幅方式：VSB調幅。VSB調幅，是傳送雙邊帶信號中的一個邊帶和另一邊帶的殘留部分VSB調幅的典型應用是電視圖象信號的殘留邊帶調幅。205.調幅波的故載波分量功率邊頻

7、分量功率：AM波在調制信號一周期內的平均功率：2201(cos)12TcmccmcLLUtdtUTPRR2021cos() 124TacmcSSBacLm UtdtTPm PR2122DSBSSBacPPmP21(1)2AMcDSBacPPPmP21例例5.25.2 已知兩個信號電壓的頻譜如圖5. 8所示，要求：(1) 寫出兩個信號電壓的數(shù)學表達式，并指出已調波的性質。(2) 計算在單位電阻（1 ）上消耗的邊帶功率和總功率、以及已調波的帶寬。解(1) 圖(a)為普通雙邊帶調幅波 且：10.32acmm UV2cmUV調幅系數(shù)0.3am 信號時域表達式：36( )1coscos21 0.3cos

8、(210cos(210AMcmacutUmtttt（）22圖(b)為DSB調幅波：6( )0.6cos200cos210( )DSButtt V解(2) 先求圖（a）所示AM信號功率： 其中載波功率： 221122()22cmcUPWR又邊帶功率：22110.320.045()44SSBacPm PWAM調幅波總功率：22.09()AMCSSBPPPW再求圖（b）所示DSB信號功率：20120.3cos(2999 )0.09()TDSBPtdtWT 上下邊頻分量相同情況下，DSB信號發(fā)射功率比AM信號要小得多 因它們均為雙邊帶調幅信號，因此它們的帶寬相等。23三、調幅電路的組成模型三、調幅電路

9、的組成模型1、相乘器（調幅關鍵電路之一）實現(xiàn)兩信號相乘 AM增益系數(shù)（乘積系數(shù)）1/V MAXYX Y0u t（ ）xuyu圖5.9 模擬乘法器電路符號 調幅電路可實現(xiàn)信號頻譜的線性搬移！按卷積定理，如果兩信號在時域作相乘運算的話，頻域則進行兩信號頻譜的卷積運算，即頻域就能實現(xiàn)信號頻譜的線性搬移。前面從時間和頻率兩個領域對AM和DSB等調幅信號的分析也充分說明了這些。可見，乘法器乃線性頻譜搬移電路的關鍵部件。24MAXYXYQUucu+MAXYXYucu(a) AM調幅(b) DSB調幅圖5.1.7 調幅電路模型AMut（）D SBut（ ）BPFBPF00( )( ) ( )cos( )co

10、scos( )cos( )cosAMMQcMQcmcMcmcmcacmacutA Uut u tA U UtA U uttUtk uttUk utt2、AM調幅電路組成模型帶通作用？25MAXYXYQUucu+MAXYXYucu(a) AM 調 幅(b) DSB調 幅圖 5.1.7 調 幅 電 路 模 型A Mut（ ）D S Bu t（ ）BPFBPF3、DSB調幅電路組成模型( )( )( )( )cos( )cosDSBMcMcmcacutA ut u tA U uttk utt帶通作用？264、SSB調幅電路大致模型（濾波法）思路 DSB除去一個邊帶SSB濾波法、移相法 過渡帶寬：f

11、= 2Fmin 當濾波器邊帶相對 f / fc較小時，直接濾波很困難27小 結 調幅電路由具有頻率變換作用的乘法器以及濾波器等部件組成 乘法器電路既可以是二極管、三極管等分立元件組成的工作頻帶較窄的非線性時變參量電路，也可以是模擬IC芯片加外圍元件構成的性能更加優(yōu)越乘法器電路。 濾波器的任務是取出有用的雙邊帶或單邊帶分量，濾除無用的邊帶分量以及非線性電路可能產生的其它無用頻率分量。285.2 幅度調制電路291. 非線性器件的相乘作用2012aa ua u22012220212012coscos11coscos 222coscos 2mmmmmmmaa Uta Utaa Ua Uta UtII

12、tIt（）qukTsiI e230123aaua ua u-式5.11一、相乘器電路30 當兩個不同頻幅的交流信號電壓作用于非線性元件時，流過該元件的電流中含有：直流、基波和二次諧波以及兩輸入信號間的和頻、差頻（即上、下邊頻）等組合頻率分量。 說明非線性器件具備相乘器功能由這種器件構成的非線性電路與選頻電路（如濾波器或LC諧振回路）相結合，就可以組成實現(xiàn)線性頻譜搬移的調幅電路以及振幅檢波電路等。201222220c12222ccc(coscos)(coscos)acoscos)22(cos2cos2)2cos()tcos()tmcmcmcmcmmmcmcmcmcmmiaa UtUta UtUt

13、aaaUUUtUtaUtUta UU =（）+ (312. 集成模擬乘法器集成模擬乘法器coscos1cos()() 2MCMmcmcMmcmccA uuA UUttA UUtt 集成模擬乘法器也是一種性能理想的電路。隨著半導體集成工藝的發(fā)展和技術性能的提高，模擬乘法器芯片如MC1496/1596、BG314加外圍元件所構成的完整線性頻譜搬移電路已經得到了廣泛的應用 模擬乘法器芯片是在加有恒流源電路的差分對管放大電路基礎之上發(fā)展起來的?。?.13）式321）單差分對放大器的乘積功能33當所有管子的電流放大系數(shù)1時，流過RE的電流為：E EoEVIR122oC QC QCQIIII21211(1

14、)CoCCCCiIiiii111BETuUECsiiI e222BETuUECsiiI e21111211(1)(1)(1)xBEBETTuuuUUCCoooCiiIIeIei由圖5.15（b）可見： 而匯入恒流源的電流為： 工作在正向導通區(qū)的兩管發(fā)射極電流可如下表示：341(1)22oxCTIuithU2(1)22oxCTIuithUEEyoEVuIR11(1)22EEyxCCQCCQCETVuuithIiIiRU22(1)22EEyxCCQCCQCETVuuithIiIiRU1222EEyxCCCETVuuiiithRU 用雙曲正切函數(shù)表示：同理：如圖5.15(b)，若恒流源電路是受uy控

15、制的受控恒流源，則有：其中：35單差分對管電路的局部交流通路如圖5.16示，其雙端輸出電壓：211212()()22occcccccEEyxCCCCCCETui Ri RiiRVuuiiRi RR thRU 1252mTUUm V則當：22xxTTuuthUU1222EECCoxxyMxMxyETETVRRuuuuAuAuuR UR U 362）雙差分對放大器的乘積功能22cxoyMxyETRuuuA uuRU 電路及輸出電壓表達式注：UT26mV(常溫下的電壓當量值)37設小信號工作狀態(tài)：T2T1,UuUu即：004y2TcxI RuuuU 0022yxcuuuI R ththUUTT輸出電

16、壓 的解析 TT22UuUuth這時 故5 . 02TUu（雙曲正切函數(shù)的性質）-說明實現(xiàn)了ux與uy理想相乘注：UT=26mV381124()CxCoyxyMxyEkEEEkRuRuu th arcthu uA u uRI RR R I只有滿足 52xmUmV才能使輸出電壓 0cxyMxyyTRuu uA u uR U這類模擬乘法器的線性動態(tài)范圍受限。為此， BG314等模擬乘法器芯片內部加入了如圖5.18示意的反雙曲正切函數(shù)電路（修正電路）。這樣，輸出電壓表達式可修正為下式：393）MC1496/1596 集成模擬相乘器外圍引腳排列圖集電極外接負載電阻40 先在發(fā)射機的末前級產生高頻調幅信

17、號，再經過線性高頻功率放大器放大后達到所需要的發(fā)射功率。 圖5.19 低電平調幅系統(tǒng)框圖二、低電平調幅電路 411.二極管低電平調幅電路 工作條件- uc信號足夠大器件工作于開關狀態(tài) u信號應足夠小 二極管開關工作狀態(tài)分析ucu+u+iuc = Ucmcos ctu = U m cos tUcm U m ，uc控制V開關工作ucu+K1(u1 )irD=1/gD單向開關函數(shù)表達式：K1(ct)=1 cos(ct) 00 cos(ct1)0.5V，RC1/wc , RrD 時，可認為 Uom Usm71要求：Uim0.5V， RC1/wc , RrD2） ui為AM調幅波時0mU00mdmUU7

18、22、電路詳細分析：RLCCui+CR+uo+uW0123coscos2cos3DmcmcmciIItItIt733、檢波效率與輸入電阻1） 檢波效率d d Usm2sm2smrmm sin costUtUUU tUtUtUUUU sin cos cos222sm22smsmrm2rmm 接下頁 cos21rmsmrmmtUUUU 則 ) cos1 (rmsmrmtUUU 由此可見：兩不同頻率信號疊加后的合成電壓乃調幅調相波。當兩者幅度相差較大時，合成電壓近似為AM波送至包絡檢波器可重建低頻調制信號。合成電壓振幅按兩輸入信號的頻差規(guī)律變化的現(xiàn)象稱差拍現(xiàn)象。92疊加型平衡同步檢波電路（可減少失真

19、）)(21OmmdUUutUuuucmcos 1rsi1ui1tUuuucmcos 2rsi2ui2 cos- tcosrmsmrmrmrmsmrmrmtUUUUUUUUd tcos2rmsmrmUUUdus+CRurV1+uous+ CRV2+-+-93總總 結結v 調幅電路有兩類：v 低電平調幅電路：實現(xiàn)單/雙邊帶調幅；廣泛采用二極管環(huán)型相乘器和雙差分對集成模擬乘法器v 高電平調幅電路：常用丙類諧振功放產生大功率的AM波v 檢波電路有兩類：v 二極管峰值包絡檢波電路：AM信號包絡能直接反映調制信號變化規(guī)律可用簡單的二極管包絡檢波器解調v 同步檢波電路： SSB和DSB信號中不含載波，須采用

20、同步檢波器解調，為獲得良好的檢波效果，要求本地載波嚴格與發(fā)載波同步（同頻同相） 同步檢波電路較復雜！945.4 混頻電路95一、混頻基本原理一、混頻基本原理1、混頻電路的作用變頻！將已調信號的載頻變成另一載頻。LcIfff cLILcIffffff 或或或兩輸入間的和頻與差頻分量962、混頻電路的組成模型與基本原理( )(1cos)cossAMsmasuutUmtt假設：( )(1cos)cos()(1cos)cosiimaLsimaiu tUmttUmtt( )(1cos)cos()(1cos)cosiimaLsimaiu tUmttUmtt則相乘器輸出( )1coscoscososmasL

21、mLutUmtt Ut1coscos()cos() LmsmaLsLs2UUmttt設帶通通帶增益為1，且調諧在中頻fI =fl- fs上，則混頻器輸出為設帶通通帶增益為1，且調諧在中頻fI =fl+ fs上，則混頻器輸出為97可見，混頻器能實現(xiàn)信號頻譜的線性搬移，將其由fs端搬到fI端差頻分量和頻分量981、二極管環(huán)形混頻器 要求本振信號功率足夠大，而輸入信號為小信號 實際應用時，輸入輸出端口均接濾波50匹配網絡二、 二極管混頻電路99 中頻濾波器(b) uL0時的等效電路 （c） u0時的等效電路圖5.48 二極管環(huán)形混頻器100011()()LsLuuukt021()()LsLuuukt

22、0010212()sLuuuu kt032()()LsLuuukt042()()LsLuuukt0030422()sLuuuu kt0002()sLuuuukt由（b）圖：由（c）圖：1244()coscos33LLLktkktt0442(coscos3)34cos()cos() 4cos(3)cos(3) 3sLLsmLsLssmLsLsuuttUttaUtt101三、晶體三極管混頻電路 1. 基本電路1022. 三極管混頻電路的工作原理 ( )( )BE UtBBcuBEig tu1030123( )( )( )( )g tgg tg tg t1111( )( )coscos1cos()cos() 2csLsmssmLsLsigt utgt Utg Utti11cos()2smLsigUt下變頻所對應的中頻電流應為： 112ismIgU該中頻電流的振幅： 1043. 具體的三極管混頻電路1)自激式105