射頻模擬電路_No6_第四章 頻譜搬移電路-振幅調(diào)制與解調(diào)

1、第四章 頻譜搬移電路-振幅調(diào)制與解調(diào) 電子科技大學 電子工程學院主要內(nèi)容頻譜線性變換的一般概念振幅調(diào)制與解調(diào)24-1 頻譜搬移的一般概念3調(diào)制、解調(diào)、混頻等，需使用非線性電路,在頻域上，屬頻譜搬移。頻譜線性變換，頻譜線性變換實質(zhì)上是將輸入信號頻譜沿頻率軸進行不失真的搬移,如振幅調(diào)制與解調(diào)、混頻等頻譜非線性變換，頻譜非線性變換的作用是將輸入信號頻率進行特定的非線性變換，如頻率調(diào)制、相位調(diào)制等4-1 頻譜搬移的一般概念4頻譜搬移需要用非線性器件來實現(xiàn)輸入輸出關(guān)系為折線形式或開關(guān)段形式，即斜率有特變輸入輸出關(guān)系為漸變形式，即斜率無突變4-1 調(diào)制解調(diào)的一般概念5調(diào)制: 就是讓高頻振蕩信號的某個參數(shù)，

2、例如振幅、 頻率、相位，隨調(diào)制信號的大小而線性變化的過程。調(diào)制信號可以是數(shù)字的，也可以是模擬的，通常用 f（t）或v表示。未受調(diào)制的高頻振蕩信號稱為載波。已調(diào)制后的高頻振蕩波稱為已調(diào)信號，它帶有調(diào)制信號的特征信息。解調(diào):是調(diào)制的逆過程，其作用是從已調(diào)信號中取出調(diào)制信號。 4-1 調(diào)制解調(diào)的一般概念6重點討論模擬信號的調(diào)制與解調(diào)，即振幅調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)及相位調(diào)制(PM)。其中振幅調(diào)制屬于頻譜的線性變換，而頻率調(diào)制及相位調(diào)制則屬于頻譜的非線性變換。4-1 調(diào)制解調(diào)的一般概念7頻譜的線性變換：線性的特點：信號頻譜不失真的搬移。非線性的特點：對信號頻譜進行特定的非線性變換，產(chǎn)生新的頻譜結(jié)

3、構(gòu)。頻域中的頻譜搬移對應(yīng)于時域中的兩信號相乘，可以實現(xiàn)相乘的器件有二極管、三極管、場效應(yīng)管、模擬乘法器等，是利用器件的非線性來完成的。例4-2 振幅調(diào)制與解調(diào) 主要內(nèi)容頻譜線性變換的一般概念振幅調(diào)制與解調(diào)普通振幅調(diào)制波雙邊帶與單邊帶振幅調(diào)制電路解調(diào)電路混頻84-2 振幅調(diào)制與解調(diào)振幅調(diào)制振幅調(diào)制（AM）是指強迫高頻載波的振幅隨著低頻調(diào)制信號變化而變化的調(diào)制過程普通調(diào)幅波AM，抑制載波雙邊帶調(diào)制DSB，單邊帶調(diào)制SSB振幅調(diào)制波的解調(diào)解調(diào)是調(diào)制的逆過程，普通振幅調(diào)制波的解調(diào)常常稱為檢波。94-2-2 普通振幅調(diào)制波的功率4-2-1 普通振幅調(diào)制波的基本特性及其數(shù)學表達式振幅應(yīng)正比于信息 高頻載波

4、 調(diào)幅波 比例系數(shù) 4-2 振幅調(diào)制與解調(diào)調(diào)制信號為單音余弦波 調(diào)幅指數(shù) 已調(diào)載波的振幅 振幅最大值 振幅最小值 調(diào)幅波 振幅 單音調(diào)幅波由三個頻率分量組成 ：載頻振幅上邊頻下邊頻4-2-1 普通振幅調(diào)制波的基本特性及其數(shù)學表達式普通調(diào)幅波的波形、頻譜4-2-1 普通振幅調(diào)制波的基本特性及其數(shù)學表達式普通調(diào)幅波的矢量合成 載波 為靜止矢量OC，長度邊頻CB”矢量長度為以角速度 順時針方向旋轉(zhuǎn)邊頻CB矢量長度為以角速度 逆時針方向旋轉(zhuǎn)兩個矢量的合成矢量的方向或與OC矢量方向一致，或者反相?？偟暮铣墒噶糠较虿蛔?，僅長短變化，形成調(diào)幅波。4-2-1 普通振幅調(diào)制波的基本特性及其數(shù)學表達式調(diào)幅波的振幅

5、的最小值為使調(diào)幅波的包絡(luò)不失真， 總是小于等于1，否則會產(chǎn)生過調(diào)幅失真（調(diào)幅指數(shù)大于1時）。峰值調(diào)幅指數(shù) 谷值調(diào)幅指數(shù) 4-2-1 普通振幅調(diào)制波的基本特性及其數(shù)學表達式普通調(diào)幅波的波形調(diào)幅波的功率 載波作用在單位電阻上的功率 時變振幅 作用在 電阻上的功率為？ 4-2-1 普通振幅調(diào)制波的基本特性及其數(shù)學表達式18載波作用在單位電阻上的功率 時變振幅 ，于是調(diào)制波作用在 上的功率為 最大狀態(tài)功率 最小狀態(tài)功率 調(diào)制信號的一個周期內(nèi)的平均功率 4-2-2 普通振幅調(diào)制波的功率19其中 稱為邊頻功率，即上下頻分量的功率之和 上下邊頻分量的振幅相等，因此功率也相等 調(diào)幅波所占的頻帶寬度為：其中 為

6、調(diào)制信號的最高頻率 4-2-2 普通振幅調(diào)制波的功率進一步分解平均功率當為復雜信號時，例如調(diào)幅波 普通振幅調(diào)制波的帶寬AM調(diào)制波例題 例某一調(diào)幅波，其載波功率，(I)若調(diào)幅系數(shù) 0.3，求邊頻功率。(2)若調(diào)幅系數(shù) 1，求邊頻功率及最大狀態(tài)功率。解：(1) 0.3 (2) 1時， 最大狀態(tài)功率： 224-2-3 抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB）抑制載波雙邊帶調(diào)制DSB從傳輸信息的角度講,普通調(diào)幅波中占發(fā)射功率絕大部分的載波是“無用的”如果在頻譜搬移后傳輸前將載波濾除，就可以在不影響傳輸效率的條件下大大節(jié)省發(fā)射機功率，這種模式就稱為“抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB）”DSB所占的頻帶寬度為：抑制載波的雙

7、邊帶調(diào)制(DSB) 帶寬=？4-2-3 抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB）4-2-3 抑制載波雙邊帶調(diào)制（DSB）(1) DSB信號的包絡(luò)正比于調(diào)制信號 (2) DSB信號載波的相位反映了調(diào)制信號的極性，即在調(diào)制信號負半周 時，已調(diào)波高頻與原載波反相。因此嚴格地說，DSB信號已非單純 的振幅調(diào)制信號，而是既調(diào)幅又調(diào)相的信號。(3) DSB波的頻譜成份中抑制了載波分量，全部功率為邊帶占有，功率 利用率高于AM波。254-2-3 單邊帶調(diào)制（SSB）單邊帶調(diào)制SSBDSB中，上下邊頻頻譜對稱，從傳輸信息的角度看，只要傳輸一半的頻譜，就可以完整的傳輸調(diào)制信號的信息將這種只傳輸DSB的一個邊頻信息的調(diào)制方式

8、稱為單邊帶調(diào)制SSBSSB所占頻帶寬度264-2-4 振幅調(diào)制電路用模擬乘法器實現(xiàn)調(diào)幅模擬乘法器AM:用模擬乘法器實現(xiàn)調(diào)幅。DSB:雙邊帶調(diào)制(DSB)和單邊帶調(diào)制(SSB)BPF雙邊帶調(diào)制(DSB)和單邊帶調(diào)制(SSB)用模擬乘法器實現(xiàn)調(diào)幅。SSB?1、移相法缺點：Fmax/Fmin很大，則在很寬的頻率范圍內(nèi)移相90也極困難。 雙邊帶調(diào)制(DSB)和單邊帶調(diào)制(SSB)用模擬乘法器實現(xiàn)調(diào)幅。SSB?2、修正移相法f(t)V1COSw1tCOS(w1- )tSin(w1- )t優(yōu)點：避免了對f(t)的90移相，僅對單頻率1，2移相(1，2是固定頻點)。 電壓表達式普通調(diào)幅波載波被抑制雙邊帶調(diào)幅

9、波單邊帶信號波形圖頻譜圖信號帶寬 三種振幅調(diào)制信號幾種調(diào)幅波的特點4.殘留邊帶調(diào)幅（VSB調(diào)幅） Vestigial Sideband VSB調(diào)幅的特點是調(diào)幅波中包含一個完整的邊帶、載波及另一個邊帶的一部分。 該調(diào)幅不是對一個邊帶完全抑制，而是使它逐漸截止，截止特性使傳輸邊帶在載頻附近被抑制的部分被不需要邊帶的殘留部分精確地補償。 VSB調(diào)幅可以用普通調(diào)幅的解調(diào)電路進行解調(diào)。這樣，即節(jié)省了頻帶又降低了接收機的成本，為數(shù)眾多的接收機持有者提供了便利。殘留邊帶的獲得原理如下頁圖所示。4.殘留邊帶調(diào)幅（VSB調(diào)幅）Vestigial Sideband 普通調(diào)幅帶通濾波器為減少帶寬又使解調(diào)方式簡單，電

10、視圖像信號采用殘留邊帶調(diào)幅方式，我國采用的殘留邊帶調(diào)幅的幅頻特性如圖1所示。即00.75MHz的圖像信號采用雙邊帶傳送，（0.756）MHz的圖像信號采用單邊帶傳送。接收機中頻特性采用了具有圖2所示的幅頻特性曲線。 4.殘留邊帶調(diào)幅的頻譜調(diào)幅電路的種類很多，有分立、集成調(diào)幅電路；有低電平、高電平調(diào)幅電路；有普通調(diào)幅、有其它調(diào)幅電路；雖然電路形式各異，但原理是相同的，都是采用非線性器件產(chǎn)生新的頻率成分，再加相應(yīng)的濾波器得到相應(yīng)的頻率成分。另外，高電平調(diào)幅電路在調(diào)幅的同時具有功率增益。具體調(diào)幅電路（二）、高電平調(diào)幅電路基極調(diào)幅電路集電極調(diào)幅電路（一）、低電平調(diào)幅電路模擬乘法器調(diào)幅電路平方律調(diào)幅斬波

11、調(diào)幅4-2-4 振幅調(diào)制電路高電平調(diào)制 （集電極調(diào)幅、基極調(diào)幅）低電平調(diào)制1、模擬乘法器調(diào)幅MC1496MC1596AD834AD835AD6034-2-4 振幅調(diào)制電路 這里將調(diào)制信號v與載波信號v0相加后，同時加入非線性器件，然后通過中心頻率為0的帶通濾波器取出輸出電壓vo中的調(diào)幅波成分。非線性調(diào)幅方框圖平方律調(diào)幅電路低電平調(diào)制 2、平方律調(diào)幅0平方律調(diào)幅電路可實現(xiàn)AM波！場效應(yīng)管具有典型的平方律特性，可用平方律一般特性描述。如果要獲得抑制載波的雙邊帶信號，觀察輸出電流表示式總的輸出電流總的輸出電壓平方律平衡調(diào)幅電路0平衡調(diào)幅電路如果要獲得抑制載波的雙邊帶信號，觀察輸出電流表示式總的輸出電

12、流總的輸出電壓平方律平衡調(diào)幅電路可實現(xiàn)DSB波！場效應(yīng)管具有典型的平方律特性，可用平方律一般特性描述。平衡調(diào)幅電路平方律平衡調(diào)幅電路二極管平方律調(diào)幅電路 如果靜態(tài)工作點和輸入信號變換范圍選擇合適，非線性器件工作在滿足平方律的區(qū)段。低電平調(diào)制 3、斬波調(diào)幅4-2-4 振幅調(diào)制電路 斬波調(diào)幅：開關(guān)函數(shù)：當載波處于正半周時，它的幅度為1，負半周時幅度為0。 用載波頻率的變化來通斷 ，把信號 “斬”成周期為 的間斷信號，再通過中心頻率 為的帶通濾波器取出調(diào)幅信號。4-2-4 振幅調(diào)制電路444-2-4 振幅調(diào)制電路 斬波調(diào)幅傅立葉級數(shù)展開：于是開關(guān)函數(shù)：454-2-4 振幅調(diào)制電路傅立葉級數(shù)展開：于是

13、雙向開關(guān)函數(shù)：為提高調(diào)幅信號的幅度，還可采用雙向斬波 。雙向開關(guān)函數(shù) 4-2-4 振幅調(diào)制電路雙向開關(guān)函數(shù) +-+-大載波，小調(diào)制?。?）uc(t)正半周時，V1和V2導通，V3和V4截止，V（t)=2f(t) ； uc(t)負半周時，V1和V2截止，V3和V4導通， V0（t)=-2f(t) 。即輸出電壓為 2 f(t） uc(t) 0 uo (t) -2 f(t） uc(t) 0uo (t)2 S*(t) 二極管環(huán)形斬波調(diào)幅電路 4-2-4 振幅調(diào)制電路斬波調(diào)幅器方框圖大載波，小調(diào)制！4-2-4 振幅調(diào)制電路斬波調(diào)幅器工作圖解大載波，小調(diào)制！斬波調(diào)幅器工作圖解平衡斬波調(diào)幅及其圖解平衡斬波調(diào)

14、幅及其圖解 二極管電路如下圖所示的電路設(shè): (1)單二極管電路且 則回路電流: 而 vd+V L (t)_51電路分析舉例14-2-4 振幅調(diào)制電路如果選頻回路工作在 處，且?guī)挒?而諧振時的負載電阻為RL，則輸出電壓為： )(tVL為一個AM信號 0 20 30的頻譜成份：52+v L_+v o1_-v o2+ 上半部分與下半部分電路對稱其等效電路如右圖所示。 1 電路結(jié)構(gòu)：(2) 二極管平衡電路 2 工作原理分析，設(shè)： vd1vd2id1id2式中 而 vo(t)53電路分析舉例2的頻譜成份：0+ 0-30+30-如果輸出回路濾波器諧振在 處，且?guī)挒闉椋?則輸出電壓 輸出調(diào)制電路的乘積項

15、，并要求抑制載波項。54 在平衡電路的基礎(chǔ)上，再增加兩個二極管D3,D4使電路中四個二極管首尾相接i.電路結(jié)構(gòu)v+VL_v構(gòu)成環(huán)形， vo設(shè)：vv+VL1-vv+VL2-ii.工作原理分析當時，平衡電路I在負載回路中產(chǎn)生的電壓為：時，平衡電路I在負載回路中產(chǎn)生的電壓為：當 而其中：（3）二極管環(huán)形電路實現(xiàn)DSB信號則有 55電路分析舉例3S 1(t)S 2(t)S (t)V 0(t)那么在一個周期內(nèi)平衡電路I，II在負載RL上產(chǎn)生的電壓為：式中稱為雙向開關(guān)函數(shù)的付里葉級數(shù)展開式為：而有 的頻率成份：只有組合頻率性能更接近理想乘法器。30- 3+0- +經(jīng)濾波后的輸出電壓： 56574-2-5

16、振幅調(diào)制解調(diào)模型及電路1振幅波的解調(diào)模型 解調(diào)是調(diào)制的逆過程。從頻譜搬移的角度看，解調(diào)是頻譜從高頻端搬到基帶的過程，普通振幅波的解調(diào)常常稱為檢波。 非線性 電路低通濾 波器從已調(diào)波中檢出包絡(luò)信息，只適用于AM信號，何種電路同時也可以解調(diào)DSB信號？ 輸入 AM信號檢出包絡(luò)信息4-2-5 振幅調(diào)制解調(diào)模型及電路三極管檢波器普通振幅波中包含載波分量，可以直接利用非線性器件的作用進行解調(diào)，不需額外加入提供載波的電路。 同步檢波器用于對載波被抑制的雙邊帶或單邊帶信號進行解調(diào)。它的特點是必須外加一個頻率和相位都與被抑制的載波相同的信號。同步檢波的名稱即由此而來。(a） 同步檢波器方框圖 同步檢波電路 載

17、波信號相位對檢波結(jié)果的影響1. 乘積檢波器乘積檢波電路低通濾波器 v1Viv0乘積檢波器 同步檢波電路 輸入雙邊帶信號時乘積檢波器的有關(guān)波形和頻譜 同步檢波電路 本地載波與輸入信號載波相位相同而頻率不同對檢波結(jié)果的影響 本地載波與輸入信號載波頻率相同而相位不同對檢波結(jié)果的影響 同步檢波電路提取載波的方法一般分為兩類：一類是不專門發(fā)送導頻，而在接收端直接從發(fā)送信號中提取載波，這類方法稱為直接法，也稱為自同步法；另一類是在發(fā)送有用信號的同時，在適當?shù)念l率位置上，插入一個（或多個）稱作導頻的正弦波，接收端就利用導頻提取出載波，這類方法稱為插入導頻法，也稱為外同步法。同步檢波電路-載波提取乘積檢波電路

18、低通濾波器 v1V0iv0乘積檢波器同步檢波電路-載波提取乘積檢波電路低通濾波器 v1V0iv0乘積檢波器直接法（自同步法） 有些信號（如抑制載波的雙邊帶信號等）雖然本身不包含載波分量，但對該信號進行某些非線性變換以后，就可以直接從中提取出載波分量來，這就是直接法提取同步載波的基本原理。1、平方變換法和平方環(huán)法同步檢波電路-載波提取乘積檢波電路低通濾波器 v1V0iv0乘積檢波器利用鎖相環(huán)提取載波的常用方法如圖所示。加于兩個相乘器的本地信號分別為壓控振蕩器的輸出信號 和它的正交信號 ，因此，通常稱這種環(huán)路為同相正交環(huán)，有時也被稱為科斯塔斯（Costas）環(huán)。 同步檢波電路-載波提取乘積檢波電路

19、低通濾波器 v1V0iv0乘積檢波器插入導頻法 對于抑制載波的雙邊帶調(diào)制而言，在載頻處，已調(diào)信號的頻譜分量為零，同時對調(diào)制信號 進行適當?shù)奶幚?，就可以使已調(diào)信號在載頻附近的頻譜分量很小，這樣就可以插入導頻，這時插入的導頻對信號的影響最小。但插入的導頻并不是加在調(diào)制器的那個載波，而是將該載波移相90后的所謂“正交載波”。 68這種檢波需要一個與載波同頻同相的參考信號，因此稱之為同步檢波或相干檢波。如果參考信號與載波信號不同頻同相，會產(chǎn)生失真，使檢波性能下降，即 4-2-5 振幅調(diào)制解調(diào)模型它由二極管與RLC并聯(lián)構(gòu)成的低通濾波器構(gòu)成。 D:檢波二極管，結(jié)電容小，反向電流小?？蛇x擇點接觸二極管，肖特

20、基二極管。RL:負載電阻，數(shù)值較大，低頻電流流過時產(chǎn)生低頻電壓。C:負載電容，高頻短路和 濾波。條件：4-2-6 二極管包絡(luò)檢波二極管包絡(luò)檢波器的工作原理 VDCC+vWRL+充電放電iDvi串聯(lián)型二極管包絡(luò)檢波器ViVcV 電壓傳輸系數(shù)（檢波效率）、輸入電阻和失真。1) 電壓傳輸系數(shù)(檢波效率)定義：二極管包絡(luò)檢波器的指標二極管包絡(luò)檢波器的指標二極管工作在大信號，其特性用通過原點的折線代表(忽略導通電壓)，折線的斜率為gd。這樣假設(shè)后，可用折線近似分析法來分析二極管包絡(luò)檢波器。 二極管包絡(luò)檢波器的近似分析二極管包絡(luò)檢波器的指標二極管包絡(luò)檢波器的近似分析條件：折線近似分析法 折線的斜率為 值很

21、?。〔ㄐ畏纸庀禂?shù)級數(shù)分解二極管包絡(luò)檢波器的近似分析二極管包絡(luò)檢波器的近似分析二極管包絡(luò)檢波器的近似分析二極管包絡(luò)檢波器的近似分析二極管包絡(luò)檢波器的近似分析二極管包絡(luò)檢波器的近似分析等幅波輸入時大信號包絡(luò)檢波器的效率 輸入為等幅波時：定值與 成線性關(guān)系稱為線性檢波其中，是二極管電流通角，L為檢波器負載電阻，d為二極管導通電阻。2) 等效輸入電阻 考慮到包絡(luò)檢波電路一般作為諧振回路的負載，它將影響回路選頻特性（Q），下面分析其等效輸入電阻 其中，Vim是輸入高頻電壓振幅， Iim是輸入高頻電流振幅。流過二極管的電流是窄脈沖序列，它的級數(shù)展開式近似表示為： 檢波器的輸入電阻 利用功率等效可證明！二極

22、管包絡(luò)檢波器的指標2) 等效輸入電阻認為在幾個高頻周期內(nèi)為恒定值直流分量解出來的是調(diào)制信號分量振幅值 如果輸入是調(diào)幅波，二極管包絡(luò)檢波器的指標3) 失真 產(chǎn)生的失真主要有：惰性失真；負峰切割失真；非線性失真；頻率失真。 如果檢波電路的時間常數(shù)RC太大，當調(diào)幅波包絡(luò)朝較低值變化時，電容上的電荷來不及釋放以跟蹤其變化，所造成的失真稱作惰性失真。 惰性失真(對角線切割失真)4-2-7 二極管包絡(luò)檢波的失真 惰性失真(對角線切割失真)調(diào)幅波包絡(luò) 如圖所示，在某一點，如果電容兩端電壓的放電速度小于包絡(luò)的下降速度，就可能發(fā)生惰性失真。包絡(luò)變化率電容放電4-2-7 二極管包絡(luò)檢波的失真 惰性失真(對角線切割

23、失真)放電速率假定此時調(diào)幅波包絡(luò)包絡(luò)變化率電容放電為避免失真4-2-7 二極管包絡(luò)檢波的失真 惰性失真(對角線切割失真) 實際上，調(diào)幅波往往是由多個頻率成分組成，即=minmax。為了保證不產(chǎn)生失真，必須滿足如則不產(chǎn)生隋性失真的條件為：4-2-7 二極管包絡(luò)檢波的失真考慮了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路負峰切割失真(底邊切割失真) 隔直電容Cc數(shù)值很大，可認為它對調(diào)制頻率交流短路，電路達到穩(wěn)態(tài)時，其兩端電壓VCVim。 失真最可能在包絡(luò)的負半周發(fā)生。假定二極管截止，Cc將通過R和RL緩慢放電，相對于高頻載波一個周期內(nèi)，其電壓VCVim將在R和RL上分壓。直流負載電阻R上的電壓為調(diào)幅

24、波的最小幅度為UC(1-m)，要避免底部切削失真，應(yīng)滿足4-2-7 二極管包絡(luò)檢波的失真負峰切割失真(底邊切割失真)V i m（1-m）V i mV RV RV RV RV RV R考慮了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路4-2-7 二極管包絡(luò)檢波的失真負峰切割失真(底邊切割失真)要避免二極管截止發(fā)生，包絡(luò)幅度瞬時值必須滿足交、直流負載電阻越懸殊，ma越大，越容易發(fā)生該失真?？紤]了耦合電容Cc和低放輸入電阻RL后的檢波電路4-2-7 二極管包絡(luò)檢波的失真在實際應(yīng)用中，為了提高RL，可在檢波器和下級放大器之間插入一級射級跟隨器，如下圖所示： 減小底部切削失真的電路 和C的選擇原則 考慮到電壓傳輸系數(shù) 和高