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1、第第5章章 振幅调制及解振幅调制及解调调5第1页，本讲稿共89页第第5章章 振幅调制及解调振幅调制及解调 5.1 概述概述5.2 振幅调制信号分析振幅调制信号分析5.3 振幅调制方法振幅调制方法5.4 振幅调制电路振幅调制电路5.5 振幅解调方法振幅解调方法5.6 振幅解调电路振幅解调电路第2页，本讲稿共89页5.1 概述概述连续波模拟调制的载波载波是连续的等幅高频正弦波，用uC表示：uC=UCmcos(Ct+)将调制信号调制信号u寄载在载波上的方法有三种。一种是把调制信号寄载在载波的幅度上，叫做振幅调制，简称调幅(AM)。第3页，本讲稿共89页图5.2 调频波波形图第4页，本讲稿共89页5.
2、2 振幅调制信号分析振幅调制信号分析 ma为调幅度：5.2.1普通调幅波(AM)假设调制信号是一个单一频率的余弦信号u=Umcost。载波uC=Um0cosCt，载波的角频率wc。普通调幅波的表示式为:uAM=Um0(1+macost)cosCt =Um0 cosCt+Um0cosCt macostK为比例系数第5页，本讲稿共89页把普通调幅波的表示式展开：上式中包含有三个频率成分，即载波频率C、载波与调制信号的和频C+、差频C-。第6页，本讲稿共89页图5.6 AM调制的频谱关系第7页，本讲稿共89页 普通调幅波中各个频率成分所占有的能量。已调波UAM在单位电阻上消耗的平均功率Pav应当等于
3、各个频率成分所消耗的平均功率之和，即等于载波功率PC和边频功率PSB之和载波平均功率：上下边带的平均功率：第8页，本讲稿共89页实际上调制信号都是由多频率成分组成的。如语音信号的频率主要集中在3003400Hz范围，所以广播电台播送这样的语音信号，已调波的带宽等于6800Hz，相邻两个电台载波频率的间隔必须大于6800Hz，通常取为10kHz。多频调制情况下，调制信号的通用表示式为已调波uAM时域波形，频谱如图5.7所示。由于调制信号占有一定的频带，已调波的带宽BAM=2max。上、下边带包含的信息是相同的，从信息传送的角度出发，只传送一个边带信息就可以了。第9页，本讲稿共89页图5.7 多频
4、调制的AM调幅波第10页，本讲稿共89页5.2.2 双边带调制(DSB)双边带调制是仅传送上、下边带而抑制载波的一种调制方式。双边带信号可以直接通过调制信号与载波信号相乘的方法得到。双边带信号的表示式为：uDSB=KuuC第11页，本讲稿共89页图5.10 DSB调制信号波形图 图5.11 DSB调制信号的频谱第12页，本讲稿共89页5.2.3单边带调制(SSB)单边带调制是仅传送一个边带的调制方法。只传送上边带信号叫上边带调制：uSSB(t)=Um0cos(C+)t只传送下边带信号叫下边带调制：uSSB(t)=Um0cos(C-)t 第13页，本讲稿共89页图5.13 单频调制SSB信号波形
5、和频谱第14页，本讲稿共89页单边带信号的包络不再反映调制信号的变化规律。单边带信号的频率随调制信号频率的不同而不同，也就是说，调制信号频率信息已寄载到已调波的频率之中了。因此可以说单边带调制是振幅和频率都随调制信号改变的调制方式。AM，DSB和和SSB调制的表达式，调制信号波形，调制的表达式，调制信号波形，实现调制的框图实现调制的框图。第15页，本讲稿共89页滤波法要求滤波器过渡带很陡，当调制信号中的低频分量越丰富时，滤波器的过渡带要求越窄，实现起来就越困难。因此往往要在载频比较低的情况下经过几次滤波取出单边带信号。之后再将载波频率提高到要求的数值。另一种方法叫相移法。这种方法可以直接由单边
6、带信号的表示式得到，如单一频率调制的下边带信号的展开式为：第一项是载波与调制信号相乘项，第二项是调制信号的正交信号与载波的正交信号的乘积项，两项相加得下边带信号。第16页，本讲稿共89页单边带信号的表示式可以写成：图5.15 相移法框图第17页，本讲稿共89页例1：试问下面三电压表达式各为什么调制波？画出频谱图例2：某发射机输出级在负载RL100上的输出信号试求载波功率、边频功率和总的输出功率第18页，本讲稿共89页 振幅调制在时域需要有相乘运算过程；在频域就是将信号的频谱由低频位置搬移到载频左右的位置，且要求信号频谱形状和结构频谱形状和结构不变，这一过程是线性频率变换第19页，本讲稿共89页
7、5.3 振幅调制方法振幅调制方法 从输入/输出关系来看，频率的搬移也是产生了新的频率分量，所以需要用非线性非线性或线性时变器件来实现。第20页，本讲稿共89页利用非线性器件实现两个信号的相乘运算 三极管转移特性iC=f(uBE)如图所示，uBE=EB+ube。晶体管静态工作点为Q。当ube比较小时，将转移特性在静态工作点附近用台劳级数展开第21页，本讲稿共89页其中，a0，a1,a2,a3,为各阶项的系数，它们均是工作点的函数。当ube=u1+u2,载波：u1=U1mcos1t，调制信号：u2=U2mcos2t 时，各阶项展开就会形成1和2的组合频率，n阶项产生的组合频率可以用通式pq=p1q
8、2,p+qn(p,q=0,1,2,3,)表示。其中，p+q=n的各组合频率分量统称为n阶组合频率。例如：一个4阶的幂级数近似表示晶体管的转移特性iC=a0+a1ube+a2u2be+a3u3be+a4u4be第22页，本讲稿共89页4阶幂级数展开频谱图根据需要可以通过滤波器取出所需要的频率成分。例如，要从iC中取出AM调幅信号，即取出1和12的频率成分。非矩形的带通滤波器将造成非线性失真。第23页，本讲稿共89页如何减少失真呢?第一，选用特性为平方律的器件，如场效应管。结型场效应管的转移特性当uGS=EG+uC+u时第24页，本讲稿共89页图5.19 场效应管漏极电流的频谱带通滤波器的幅频特性
9、2wCIDwp,qw0W2WwCWwCwCW各频谱分量的幅值由式(5.3-4)决定第25页，本讲稿共89页要点回顾：1.AM，DSB和SSB调制的表达式，调制信号波形，实现调制的框图。2.振幅调制方法第26页，本讲稿共89页5.4 振幅调制电路振幅调制电路 5.4.1模拟乘法器乘法器是完成两个信号相乘的器件。理想的乘法器输出电压uo(t)与输入电压u1(t)，u2(t)的关系应是：uo(t)=Ku1(t)u2(t)K是乘法器的增益。图5.27 乘法器符号 集成模拟乘法器是一种模拟集成电路，它是以差分放大器XFC1596和BG314为基础构成的信号相乘电路。模拟乘法器主要指标有工作频率、运算精度
10、、输入信号动态范围等。第27页，本讲稿共89页集成模拟乘法器XFC1596的实际应用电路之一第28页，本讲稿共89页1)利用XFC1596实现振幅调制时，调制信号u2 应由、端输入，载波u1应由、10端输入。调制信号的幅度应限定在U2mI0RE范围之内。2)当U1m2UT时，输出近似是双边带调制。3)而当UTU1m10UT时，也可用带通滤获得双边带调制动态范围小，因多处近似精度低，失真大，需外偏置。第29页，本讲稿共89页2.四象限模拟乘法器BG314对模拟乘法器BG314，采用了反正切双曲函数电路。调制信号与载波的幅值限制是：U2mI0RE U1m0.5I0RE1第30页，本讲稿共89页5.
11、4.2 二极管调制器二极管导通时导通时的特性：所以第31页，本讲稿共89页设由于二极管的单向导通性，导通角最大电流：输出是余弦脉冲。外部特性第32页，本讲稿共89页1.单二极管调制器在上述情况下，可以把二极管看成一个受输输入入电电压控制的开关压控制的开关，等效电路如下图所示。图5.40单个二极管时变等效电路第33页，本讲稿共89页当ui+ED-UB0时，开关S闭合在ui+ED-UBrD第35页，本讲稿共89页当二极管的输入为调制信号调制信号+载波载波时，即如果：c，UcmUm,可以近似认为二极管是受载波载波控制的开关。第36页，本讲稿共89页二极管等效的开关函数为k1(Ct)，则输出电压：图5
12、.42 单个二极管调制器输出信号的频谱图条件：c c，U UcmcmU Umm ；E ED D=U=UB B；R RL LrrD D第37页，本讲稿共89页2.单平衡式二极管调制器 二极管特性实际是指数曲线，单个二极管调制电路中存在着非线性失真。为了减小失真，采用了平衡对消技术-平衡式二极管调制器。输出电压：第38页，本讲稿共89页相应的频谱如图5.44所示。由图可见，在调制器输出端用中心频率等于(2n+1)C、带宽B2的带通滤波器，可以获得双边带调制信号。图5.44 单平衡二极管调制器输出信号频谱图第39页，本讲稿共89页在单平衡式二极管调制器电路中，将载波与调制信号对调，VD1与VD2都只
13、在载波的正半周导通，在负半周截止。输出电压将不含载波。第40页，本讲稿共89页例某调幅电路如图所示。图中D1、D2的伏安特性相同，均为自原点出发低斜率为gD的直线，设调制与载波频率和电压满足c，UcU。试问电路能否实现振幅调制作用？输出电流中含有哪些频率分量？第41页，本讲稿共89页3.双平衡二极管调制器为了进一步提高调制器的质量、减少失真，可将两个完全相同的单平衡二极管调制器组合，构成双平衡二极管调制器，如图所示。找通路，看二极管两端的电压。第42页，本讲稿共89页二极管均认为是理想二极管，rD=0。在载波正半周二极管VD1和VD2的导通，等效负载电阻是RL。加在VD1的电压为uC+u，VD
14、2的电压为uC-u。与前讨论的相同。在正半周输出电压：第43页，本讲稿共89页在载波负半周二极管VD3和VD4的导通，等效负载电阻是RL。加在VD3的电压为-uC+u，VD4的电压为-uC-u。与前讨论的相同。在负半周输出电压：第44页，本讲稿共89页双平衡二极管调制器的输出电压：图5.47 双平衡二极管调制器输出信号频谱图第45页，本讲稿共89页5.4.3 高电平调制器 高电平调制是相对于低电平调制电路而言的。高电平调制电路的基本原理是根据高频谐振功率放大器的集电极调制特性和基极调制特性分别构成三极管集电极调制电路和基极调制电路来实现AM调制调制。第46页，本讲稿共89页集电极调制电路中，晶
15、体管应该始终工作在过压状态。把调制信号u与直流电压ECO串联，使晶体管的集电极直流电压变成为 EC=ECO+u。通过EC的变化，控制Ico、Ic1m变化。第47页，本讲稿共89页图5.50 基极调制电路基极调制电路如图所示。三极管始终工作在欠压状态。把调制信号u与外加直流偏置电压EBO串联起来，使晶体管的基极直流偏置电压EB=EBO+u(t)。通 过 EB变化，控制Ico、Ic1m变化，从而实现调制。第48页，本讲稿共89页5.5 振幅解调方法振幅解调方法 解调是从已调波中提取出调制信号的过程，是调制的逆过程，解调又叫检波。它是把位于载频fC附近的附近调制信号频谱搬回到零频附近的过程。振幅检波
16、包络检波：AM波同步检波：AM波，DSB,SSB 5.5.1 包络检波包络检波适用于AM调幅波：第49页，本讲稿共89页 图5.51 振幅检波(a)AM调幅波及其频谱；(b)检波输出波形及其频谱第50页，本讲稿共89页图5.52 平均包络检波器框图与各点信号波形第51页，本讲稿共89页把us(t)乘以单向开关函数k1(Ct)得到的就是单极性信号。再经过低通滤波器即可达到调制信号。第52页，本讲稿共89页 一种包络检波是二极管峰值包络检波器。二极管两端的电压uD=us-uo。当uD0时，二极管导通，信源us通过二极管对电容C充电，充电的时常数约等于rDC。由于二极管导通电阻rD很小，因此电容上的
17、电压迅速达到信源电压us的幅值。当uD0时，二极管截止，电容C通过电阻R放电。选取RC的数值满足第53页，本讲稿共89页5.5.2同步检波DSB和SSB不能用包络检波，同步检波有两种形式，一种是乘积型同步检波，另一种是叠加型同步检波。1.乘积型同步检波：当信源是一个双边带信号us=UsmcostcosCt本地振荡信号是一个与载波同频同相（同步）的信号u1=U1mcosCt两个信号相乘得：第54页，本讲稿共89页kd=kMkF，kM是乘法器的增益，kF是低通滤波器的增益。经低通滤波器后的输出就是调制信号：图5.54 乘积型同步检波器框图第55页，本讲稿共89页若本振与载波不同步，u1=U1mco
18、s(Ct+t+)相乘后经低通滤波器后的输出就是调制信号：输出将与频率和相位偏差有关。第56页，本讲稿共89页2.叠加型同步检波叠加型同步检波的框图如图5.55所示。信源电压若是一个双边带信号，它与本振相加的和信号在UsmU1m条件下为AM波。第57页，本讲稿共89页若信源电压是一个单边带信号，它与本振相加的和信号其中第58页，本讲稿共89页当UsmU1m 时，D=Usm/U1m1第59页，本讲稿共89页5.6 振幅解调电路振幅解调电路5.6.1 振幅检波器的质量指标振幅检波器的质量指标主要有电压传输系数、输入阻抗和检波失真。1.电压传输系数kd 电压传输系数kd又叫检波效率。包络检波器的电压传
19、输系数kd定义为检波器输出的低频电压幅值与输入高频电压幅值之比。电压传输系数越高，说明检波器的检波效率越高。第60页，本讲稿共89页 2.检波器的输入阻抗Zin 检波器的输入阻抗Zin=Rin+jXin。检波器的输入阻抗就是中频放大器的负载。检波器输入阻抗中的电抗分量可以归入中频放大器的中频谐振回路；输入电阻分量直接影响中频谐振回路的质量因数和放大器负载的轻重。第61页，本讲稿共89页3.检波失真检波失真是指检波器输出电压与输入调幅波的调制信号相似的程度。检波失真包括线性失真和非线性失真。线性失真又叫频率失真，它是由于检波器带宽不够或带内增益的起伏而引起的失真。这种失真会使调制信号中各频率分量
20、幅值的比例关系各频率分量幅值的比例关系发生变化。非线性失真是由于检波特性的非线性而引起的失真，这种失真会产生调制信号的谐谐波波分分量量和和各各调调制制频频率率间间的组合频率分量的组合频率分量。第62页，本讲稿共89页5.6.2 包络检波器大信号大信号输入，二极管特性可用折线近似。第63页，本讲稿共89页(1)电压传输系数kd若输入电压是一个等等幅幅波波us=UsmcosCt，输出电压是直流。二极管的电流iD为余弦脉冲，它的导通角：最大电流：二极管电流脉冲中的直流直流分量为：输出电压输出电压：第64页，本讲稿共89页电压传输系数在时，可忽略5阶项以上的高阶项，因此gD 和和 R 越大，越大，越小
21、，越小，电压传输电压传输系数系数kd1。第65页，本讲稿共89页当输入是AM调幅波时，二极管检波器的输出电压：第66页，本讲稿共89页 (2)输入阻抗Zin。二极管峰值包络检波器的输入阻抗Zin=Ri+jXi。输入电抗为容性，它是二极管的结电容与输入端分布电容和，通常限制在几pF的量级。检波器的输入电阻Ri等于输入电压振幅Usm与二极管电流iD中的基波分量基波分量幅度ID1之比。当/6时，第67页，本讲稿共89页(3)检波失真检波特性的非线性引起的失真检波特性的非线性引起的失真。由于二极管的伏安特性是指数曲线，二极管的内阻rD随二极管两端的电压uD的增加而减小，因此输出电压uo就会随rD的减小
22、而增加，检波特性就会随输入电压幅度Usm的增加而向上翘。通常应满足:电阻R应尽可能大，以减小检波特性非线性引起的失真。第68页，本讲稿共89页惰惰性性失失真真：为了提高电压传输系数和减少检波特性的非线性引起的失真，希望加大电阻R。而电阻R越大，时间常数RC越大，在二极管截止期间电容的放电速率越小。当电容器的放电速率低于输入电压包络的变化速率时，电容器上的电压就不再能跟随包络的变化，从而出现失真-惰性失真。第69页，本讲稿共89页所以，不产生惰性失真的条件就是电容器的电压变化速率始终比输入信号包络的变化速率高，即检波器的输入信源电压所以在kd1的条件下，t时刻电容器两端的电压Uo1=Usm(t1
23、)=Um0(1+macost1)。t1时刻以后二极管截止，电容器放电，电容器两端的电压变化规律为第70页，本讲稿共89页电容器的放电速率 将包络变化率式和电压变化速率上式代入不产生惰性失真条件式，再经过变换可得：第71页，本讲稿共89页t1时刻不同，A值也不同。只有在A最大值小于1，才能保证不产生惰性失真。因此把A对t1求导并令其等于零，得A的极值条件：cost1=-ma，所以不产生惰性失真的条件为：对多频信号，若最大信号频率为max，则电容的放电时间常数满足下式：第72页，本讲稿共89页例在图示的检波电路中，前级负载为并联谐振电路，其谐振频率f0=465KHz，回路本身谐振阻抗Ro=12k，
24、检波负载为6k，C10.01uF，rd=50。若求检波器输入电压Us及检波器输出电压Uo(t)的表达式，并检查是否会产生惰性失真。第73页，本讲稿共89页负峰切割失真负峰切割失真：检波器与下级电路级联工作时检波器与下级电路级联工作时，一般下级只取用检波器输出的交流电压交流电压，因此在检波器的输出端串接隔直流电容CC，RL是下级输入电阻下级输入电阻如图所示。检波器的负载网络由C，R和CC，RL组成。设计应使R1/CC。这样负载网络对调制信号的阻抗为RL/R。第74页，本讲稿共89页当负载网络两端的电压uABUm0(1+macost)时，相应的输出电流IDo=I0+I1cost因为负载网络在信号频
25、率的交流电阻RL/R小于直流电阻R，当调幅度ma较大时，I1可能大于I0，在信号的负半周将使ID00，信源uS对C2充电，时间常数是rDC2；uDrD,经过多次充放电后，uCUsm。第77页，本讲稿共89页 信源us，C2两端uc和二极管两端uD的电压间的关系如右图所示。R1C3组成的低通滤波器取出uD的低频成分，经CC到负载电阻RL上。当输入是等幅高频信号，不计二极管上的功耗，由能量守恒方程式可求出检波器的输入电阻Ri第78页，本讲稿共89页 5.6.3 同步检波器1.乘积型同步检波器图5.66给出了用模拟乘法器FX-1596构成的乘积型同步检波器的实际电路。第79页，本讲稿共89页根据模拟
26、乘法器的分析可知12脚的电压：当u12UT时若单边带输入us=Usmcos(C+)t，u1=U1mcos1t，1=C的情况下，输出电压：kF是低通滤波器的电压传输系数。第80页，本讲稿共89页 下图是一个利用二极管构成的乘积型同步检波器。为了减小失真，采用平衡对消技术，利用4只二极管构成双平衡检波器电路。第81页，本讲稿共89页 右图示出了该电路的 等 效 电 路。由 于u1us，因此二极管处于开开关关状状态态工作。u10时，VD1、VD4导 通，VD2、VD3截止；相反地u10时，VD1、VD4截止，VD2、VD3导通。被解调信号在A点的压降：第82页，本讲稿共89页总的A点电压:当us=U
27、smcos(C+)t,u1=U1mcos1t，1=C时，检波器的输出电压：kF是低通滤波器的增益。第83页，本讲稿共89页2.叠加型同步检波器 右图是等效电路，与单平衡的调制电路相似。调制波的幅值UsmU1m本地载波，二极管仅在载波的正半周导通。第84页，本讲稿共89页二极管VD1和VD2的输入电压分别是u1us/2，设us=Usmcos(C+)t,u1=U1mcosct,由于电容的滤波作用，设包络检波器的电压传输系数为kd，输出电压的幅度为：D=Usm/2U1m1，利用(1+x)0.5的展开式得：第85页，本讲稿共89页例如图所示为一乘积检波器，恢复载波试求下列二种情况下输出电压表达式，并说明是否失真。第86页，本讲稿共89页例二极管平衡检波电路如图所示。若和分别为如下信号时，求输出电压第87页，本讲稿共89页例：如图所示的两个二极管电路中，已知：us=Usm(1+macost)cosct，试分析电路能否实现包络检波，并求输出电压和输入电阻。若二极管VD1断开，输出电压有何变化？第88页，本讲稿共89页例考毕兹振荡电路如图所示。C1=36pF,C2=680pF,L=2.5uH,Q0=100,晶体管参数Rs=10k，Ri=2k,C0=4.3pF,Ci=36pF。求振荡频率，反馈系数和等效总负载电阻。第89页，本讲稿共89页