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1、第六章频谱搬移1第一页，本课件共有59页本章重点：本章重点：各种频谱线性搬移电路的概念、原理、各种频谱线性搬移电路的概念、原理、特点及实现方法。特点及实现方法。实用的频谱线性搬移电路。实用的频谱线性搬移电路。了解：了解：第二页，本课件共有59页概述概述1地位地位通信系统的基本电路。通信系统的基本电路。2特点特点对电路中信号频谱进行的变换，电路有新频率成分产生。对电路中信号频谱进行的变换，电路有新频率成分产生。为此，需引用一些信号与频谱的概念。为此，需引用一些信号与频谱的概念。第三页，本课件共有59页3信号与频谱信号与频谱信号的三种表示法：表达式、波形图、频谱图。信号的三种表示法：表达式、波形图
2、、频谱图。载载 波波复音复音调制调制波波单音单音调制调制波波频频 谱谱波波 形形表达式表达式信号信号第四页，本课件共有59页4两种类型的频谱变换电路两种类型的频谱变换电路 频谱搬移电路频谱搬移电路：将输入信号的频谱沿频率轴搬移。：将输入信号的频谱沿频率轴搬移。例：振幅调制、解调、混频电路例：振幅调制、解调、混频电路(本章讨论本章讨论)。特点：仅频谱搬移，不产生新的频谱分量。特点：仅频谱搬移，不产生新的频谱分量。频频谱谱非非线线性性变变换换电电路路：将将输输入入信信号号的的频频谱谱进进行行特特定定的的非线性变换。非线性变换。例：频率调制与解调电路例：频率调制与解调电路(第第 7 章章讨论讨论)。
3、特点：产生新的频谱分量。特点：产生新的频谱分量。第五页，本课件共有59页 由调制信号去控制载波的振幅，使之按调制由调制信号去控制载波的振幅，使之按调制信号的规律变化。信号的规律变化。(SSB)：抑制载波的单边带调制。：抑制载波的单边带调制。振幅调制的三种方式：振幅调制的三种方式：(AM)：普通的调幅；：普通的调幅；(DSB)：抑制载波的双边带调制；：抑制载波的双边带调制；是使高频振荡的振幅与调制信号成线性关系，其它参是使高频振荡的振幅与调制信号成线性关系，其它参数数(频率和相位频率和相位)不变。不变。什么是振幅调制？什么是振幅调制？第一节第一节 振振 幅调幅调 制制第六页，本课件共有59页u=
4、Ucost （一）（一）调幅波的分析调幅波的分析1、表示式及波形、表示式及波形设载波电压为设载波电压为:调制电压调制电压:uC=UCcosct已调波振幅：已调波振幅：调幅度：调幅度：调幅信号表达式调幅信号表达式:第七页，本课件共有59页（一）（一）调幅波的分析调幅波的分析1、表示式及波形、表示式及波形调幅度调幅度 调幅信号表达式调幅信号表达式调制信号波形调制信号波形载波波形载波波形已调波波形已调波波形波形表示波形表示第八页，本课件共有59页（一）（一）调幅波的分析调幅波的分析调幅度调幅度 调幅信号表达式调幅信号表达式调制信号波形调制信号波形载波波形载波波形已调波波形已调波波形波形表示波形表示第
5、九页，本课件共有59页（一）（一）调幅波的分析调幅波的分析调幅度调幅度 调幅信号表达式调幅信号表达式调制信号波形调制信号波形载波波形载波波形波形表示波形表示已调波波形已调波波形 过调制！过调制！第十页，本课件共有59页（一）（一）调幅波的分析调幅波的分析1、表示式及波形、表示式及波形调幅信号表达式调幅信号表达式连续频谱信号连续频谱信号f(t)uAM(t)=UC1+m f(t)cosct若调制信号为：若调制信号为：则调幅波表示式为：则调幅波表示式为：式中，式中，mn=kaUn/UC第十一页，本课件共有59页（一）（一）调幅波的分析调幅波的分析1、表示式及波形、表示式及波形连续频谱信号连续频谱信号
6、f(t)调幅波表达式调幅波表达式:uAM(t)=UC1+m f(t)cosct调制信号调制信号已调波已调波第十二页，本课件共有59页（一）（一）调幅波的分析调幅波的分析1、表示式及波形、表示式及波形AM信号的产生原理图信号的产生原理图或或第十三页，本课件共有59页2、调幅波的频谱、调幅波的频谱调幅波的三角展开：调幅波的三角展开：带宽带宽BAM2F分析：分析：单频调制单频调制(1)频谱的中心分量；频谱的中心分量；(2)两个边频分量；两个边频分量；这说明调制信号的幅度及频率消息只含于边频分量中。这说明调制信号的幅度及频率消息只含于边频分量中。调制信号频谱调制信号频谱载波频谱载波频谱已调波频谱已调波
7、频谱第十四页，本课件共有59页2、调幅波的频谱、调幅波的频谱BAM=2Fmax 信号带宽是决定无线电台频率间隔的主要因素信号带宽是决定无线电台频率间隔的主要因素，如通常广，如通常广播电台规定的带宽为播电台规定的带宽为9 kHz，VHF电台的带宽为电台的带宽为25 kHz。多频调制多频调制AM信号占用带宽：信号占用带宽：调制信号频谱调制信号频谱已调波频谱已调波频谱第十五页，本课件共有59页3、调幅波的功率、调幅波的功率 载波功率载波功率上下边频的平均功率上下边频的平均功率AM信号的平均功率信号的平均功率设：负载电阻设：负载电阻RL两边频功率与载波功两边频功率与载波功率的比值：率的比值：第十六页，
8、本课件共有59页 例6-1 已知已调幅信号的频谱图如图所示。已知已调幅信号的频谱图如图所示。1)1)写出已调信号电压的数学表达式：写出已调信号电压的数学表达式：2)2)计算在单位电阻上消耗的边带功率和总计算在单位电阻上消耗的边带功率和总功率以及已调波的频带宽度。功率以及已调波的频带宽度。解：解：1)1)根据频谱图知根据频谱图知因此因此v vAMAM(t)=2(1+0.3cos2(t)=2(1+0.3cos210102)cos22)cos210106t(V)6t(V)。2)2)载波功率载波功率 双边带功率双边带功率 总功率总功率 已调波的频带宽度已调波的频带宽度 (Hz)第十七页，本课件共有59
9、页AM波的缺点：波的缺点：（一）（一）调幅波的分析调幅波的分析特别是特别是AM波解调很简单，便于接收。波解调很简单，便于接收。功率浪费大，效率低。功率浪费大，效率低。AM波的优点：波的优点：（1）设备简单。）设备简单。（2）AM占用的频带窄。占用的频带窄。第十八页，本课件共有59页（二）双边带信号（二）双边带信号1.表达式表达式表达式为：表达式为：第十九页，本课件共有59页（二）双边带信号（二）双边带信号2.波形波形调制信号波形调制信号波形载波波形载波波形已调波波形已调波波形 相位跳变！相位跳变！第二十页，本课件共有59页（二）双边带信号（二）双边带信号与与AM波相比，波相比，DSB信号的特点
10、信号的特点:AM波的包络正比于调制信号波的包络正比于调制信号f(t)的波形，而的波形，而DSB波的包络则正比于波的包络则正比于|f(t)|。DSB信号的高频载波相位在调制电压零交点处信号的高频载波相位在调制电压零交点处(调制电压正负交替时调制电压正负交替时)要要突变突变180。(1)包络不同。包络不同。(2)180。相位跳变。相位跳变。（3）DSB信号只有上、下两个边频带，所占频谱宽度为信号只有上、下两个边频带，所占频谱宽度为，与与AMAM信号具有相同的带宽。信号具有相同的带宽。第二十一页，本课件共有59页2.单边带调幅波单边带调幅波 上边频与下边频的频谱分量对称含有相同的信息。也可上边频与下
11、边频的频谱分量对称含有相同的信息。也可以只发送单个边带信号，称之为单边带通信以只发送单个边带信号，称之为单边带通信(SSB)。其表达式为：其表达式为：或或其频带宽度为：其频带宽度为：上边频 下边频第二十二页，本课件共有59页单边带调幅波的波形单边带调幅波的波形 下边频单边带调幅波的频谱单边带调幅波的频谱第二十三页，本课件共有59页（三）单边带信号（三）单边带信号语音调制的语音调制的SSB信号频谱信号频谱第二十四页，本课件共有59页（三）单边带信号（三）单边带信号SSB波的优点：波的优点：（1）功率利用率高。）功率利用率高。（2）频带利用充分。）频带利用充分。BSSB Fm目前已成为短波通信中一
12、种重要的调制方式。目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。第二十五页，本课件共有59页电压电压表达式表达式普通调幅波普通调幅波载波被抑制双边带调幅波载波被抑制双边带调幅波单边带信号单边带信号波形图波形图频谱图频谱图信号信号带宽带宽表表6-1 三种振幅调制信号三种振幅调制信号第二十六页，本课件共有59页调幅波的共同之处都是在调幅前后产生了新的频率分量，也就调幅波的共同之处都是在调幅前后产生了新的频率分量，也就是说都需要用非线性器件来完成频率变换。是说都需要用非线性器件来完成频率变换。(a)普通调幅波实现框图普通调幅波实现框图(b)抑制载波的双边带调幅波抑制载波的双边带调幅波(c)单边带调幅波实现
13、框图单边带调幅波实现框图原理框图如下：原理框图如下：6.3.1概述概述6.3振幅调制方法与电路振幅调制方法与电路第二十七页，本课件共有59页高电平调幅电路高电平调幅电路一般置于发射机的最后一级，是在功率电平较高的情况下进一般置于发射机的最后一级，是在功率电平较高的情况下进行调制。行调制。低电平调幅电路低电平调幅电路一般置于发射机的前级，再由线性功率放大器放大已一般置于发射机的前级，再由线性功率放大器放大已调幅信号，得到所要求功率的调幅波。调幅信号，得到所要求功率的调幅波。按调制电路输出功率的高低可分为：按调制电路输出功率的高低可分为：第二十八页，本课件共有59页1.简单的二极管调幅电路简单的二
14、极管调幅电路二极管调幅电路二极管调幅电路调制信号和载波信号相加后，调制信号和载波信号相加后，通过二极管非线性特性的变换，在通过二极管非线性特性的变换，在电流电流i中产生了各种组合频率分量，中产生了各种组合频率分量，将谐振回路调谐于将谐振回路调谐于0，便能取出和的成分，这便是普通调幅波。，便能取出和的成分，这便是普通调幅波。(1)平方律调幅平方律调幅二极管信号较小时的工作状态二极管信号较小时的工作状态当当vD很小时，级数可只取前四项很小时，级数可只取前四项6.3.2低电平调幅电路低电平调幅电路第二十九页，本课件共有59页 利用三角公式展开，并分类整理，可得利用三角公式展开，并分类整理，可得 第三
15、十页，本课件共有59页0第三十一页，本课件共有59页如果静态工作点和输入信号变换范围选择合适，如果静态工作点和输入信号变换范围选择合适，非线性器件工作在满足平方律的区段。非线性器件工作在满足平方律的区段。0第三十二页，本课件共有59页经分类整理可知：经分类整理可知：是我们所需要的上、下边频。这对边频是我们所需要的上、下边频。这对边频是由平方项产生的，故称为平方律调幅。其中最为有害的分量是是由平方项产生的，故称为平方律调幅。其中最为有害的分量是 项。项。经滤波后平方律调幅器数学表达式经滤波后平方律调幅器数学表达式:平方律调幅器的调制度：平方律调幅器的调制度：第三十三页，本课件共有59页 (2).
16、(2).平衡调幅器平衡调幅器 平衡调制是由两个简单的二极管调幅电路对称连接组成。载波平衡调制是由两个简单的二极管调幅电路对称连接组成。载波成分由于对称而被抵消，在输出中不再出现，因而平衡调制器是产成分由于对称而被抵消，在输出中不再出现，因而平衡调制器是产生生DSBDSB和和SSBSSB信号的基本电路。信号的基本电路。单管调幅器频谱中所含的直流分量、载波分量以及载波的各次单管调幅器频谱中所含的直流分量、载波分量以及载波的各次谐波分量，在平衡调制器里都被抑制掉了。谐波分量，在平衡调制器里都被抑制掉了。平衡调制器原理图及其等效电路平衡调制器原理图及其等效电路第三十四页，本课件共有59页如果要获得抑制
17、载波的双边带信号，观察输出电流表如果要获得抑制载波的双边带信号，观察输出电流表示式示式总的输出电流总的输出电流总的输出电压总的输出电压0平衡调幅电路平衡调幅电路第三十五页，本课件共有59页 (2)普通调幅波的高频振荡是连续的，可是双边带调幅波在调制普通调幅波的高频振荡是连续的，可是双边带调幅波在调制信号极性变化时，它的高频振荡的相位要发生信号极性变化时，它的高频振荡的相位要发生180 的突变，这是的突变，这是因为双边带波是由因为双边带波是由v0和和v 相乘而产生的。相乘而产生的。（1）它虽然是调幅波，但因失去了载波，因而包络不能完全反映调制）它虽然是调幅波，但因失去了载波，因而包络不能完全反映
18、调制信号变化的规律，这就给以后的解调工作带来困难；信号变化的规律，这就给以后的解调工作带来困难；平衡调制器的重要优点就是有效地抑制了载波，其条件是平衡调制器的重要优点就是有效地抑制了载波，其条件是Tr1和和Tr2对中心抽头来说必须严格对称，对中心抽头来说必须严格对称，D1，D2两管的特性完全相同。两管的特性完全相同。实际上，这是很难做到的。如果电路稍有不平衡，载波电压就会泄实际上，这是很难做到的。如果电路稍有不平衡，载波电压就会泄漏到输出端。漏到输出端。抑制载波的双边带信号波形如图所示，它有两个重要的特点：抑制载波的双边带信号波形如图所示，它有两个重要的特点：平衡调制器输出的电压波形平衡调制器
19、输出的电压波形第三十六页，本课件共有59页平衡开关调幅器平衡开关调幅器 在大信号情况应用时，依靠二极管的导通和截止来实现频率变换，在大信号情况应用时，依靠二极管的导通和截止来实现频率变换，这时二极管就相当于一个开关。这时二极管就相当于一个开关。满足满足 的条件时，二极管的通、断由载波电压决定。的条件时，二极管的通、断由载波电压决定。输出调幅波有用电流分量输出调幅波有用电流分量平衡调制器输出的电压波形平衡调制器输出的电压波形第三十七页，本课件共有59页 1.1.单管开关调幅器单管开关调幅器第三十八页，本课件共有59页令二极管导通时的电导故通过二极管的电流为：将和代入，得输出电流为 1.1.平衡开
20、关调幅器平衡开关调幅器第三十九页，本课件共有59页t电流波形电压波形第四十页，本课件共有59页平衡调幅器的一种实用电路平衡调幅器的一种实用电路 电路中电路中C1C1接地为边带信号提供交流通路；接地为边带信号提供交流通路；R1R1和和R2R2配合电位器配合电位器R3R3来平衡二极管正向特性的不对称；来平衡二极管正向特性的不对称；C2C2和和C1C1的作用是平衡二极管反向工作时结电容的不对称。的作用是平衡二极管反向工作时结电容的不对称。调制电压单端输入，边带信号经调谐于载频的回路单端输出，调制电压单端输入，边带信号经调谐于载频的回路单端输出，第四十一页，本课件共有59页3.3.环形调制器环形调制器
21、在平衡调制器的基础上，再增加在平衡调制器的基础上，再增加两个二极管，使电路中两个二极管，使电路中4 4个二极管首尾个二极管首尾相接构成环形，这就是环形调制器。相接构成环形，这就是环形调制器。环行调制器原理图环行调制器原理图 环型调制器等效电路环型调制器等效电路第四十二页，本课件共有59页环形调制器输出电流的有用分量环形调制器输出电流的有用分量:=gDVcos(0)t+cos(0)t 振幅比平衡调制器提高了一倍，并抑制了低频振幅比平衡调制器提高了一倍，并抑制了低频 分量，分量，因而获得了广泛应用。因而获得了广泛应用。iL=iL1+iL2第四十三页，本课件共有59页单边带通信设备复杂、价格昂贵，单
22、边带通信设备复杂、价格昂贵，收发信机需要很高的频率稳定度及其它技术措施。收发信机需要很高的频率稳定度及其它技术措施。单边带通信单边带通信优点优点:1.1.节约频带节约频带2.2.节省功率节省功率3.3.受传播条件影响小受传播条件影响小,抗选择性衰落能力强抗选择性衰落能力强缺点缺点:第四十四页，本课件共有59页4.产生单边带信号的方法产生单边带信号的方法(1)滤波法滤波法 滤波器法实现单边带调制滤波器法实现单边带调制DSB信号经过带通滤波器后，滤除了下边带，就得到了信号经过带通滤波器后，滤除了下边带，就得到了SSB信号。由信号。由于于 0 max，上、下边带之间的距离很近，要想通过一个边带而滤除
23、，上、下边带之间的距离很近，要想通过一个边带而滤除另一个边带，就对滤波器提出了严格的要求。另一个边带，就对滤波器提出了严格的要求。第四十五页，本课件共有59页实际滤波器法单边带发射机方框图实际滤波器法单边带发射机方框图 必须强调指出，提高单边带的载波频率决不能用倍频的必须强调指出，提高单边带的载波频率决不能用倍频的方法。因为倍频后，音频频率也跟着成倍增加，使原方法。因为倍频后，音频频率也跟着成倍增加，使原来的调制信号变了样，产生严重的失真。这是绝对不允来的调制信号变了样，产生严重的失真。这是绝对不允许的。许的。问题：问题：为什么不用倍频的方法来提高单边带的载波频率为什么不用倍频的方法来提高单边
24、带的载波频率?第四十六页，本课件共有59页第四十七页，本课件共有59页(2)相移法相移法相移法是利用移相的方法，消去不需要的边带。如图所示相移法是利用移相的方法，消去不需要的边带。如图所示相移法单边带调制器方框图相移法单边带调制器方框图 图中两个平衡调幅器的调制信图中两个平衡调幅器的调制信号电压和载波电压都是互相移相号电压和载波电压都是互相移相90。因此，输出电压为因此，输出电压为第四十八页，本课件共有59页这种方法原则上能把相距很近的两个边频带分开，这种方法原则上能把相距很近的两个边频带分开，而不需要多次重复调制和复杂的滤波器。而不需要多次重复调制和复杂的滤波器。但这种方法要求调制信号的移相
25、网络和载波但这种方法要求调制信号的移相网络和载波的移相网络在整个频带范围内，都要准确地移相的移相网络在整个频带范围内，都要准确地移相90。这一点在实际上是很难做到的。这一点在实际上是很难做到的。第四十九页，本课件共有59页(3)修正的移相滤波法修正的移相滤波法 这种方法所需要的这种方法所需要的90移相网络工作于固定频率移相网络工作于固定频率 1与与 2，因此，因此制造和维护都比较简单。它特别适用于小型轻便设备，是一种制造和维护都比较简单。它特别适用于小型轻便设备，是一种有发展前途的方法。有发展前途的方法。第五十页，本课件共有59页高电平调幅电路能同时实现调制和功率放大，即用调制信号高电平调幅电
26、路能同时实现调制和功率放大，即用调制信号v去控制谐振功率放大器的输出信号的幅度去控制谐振功率放大器的输出信号的幅度Vcm来实现调幅的。来实现调幅的。VCC对工作状态的影响对工作状态的影响过压欠压0临界VCC欠压过压0临界VbmVbm对工作状态的影响对工作状态的影响6.3.3高电平调幅电路高电平调幅电路根据调制信号控制方式的不同，对晶体管而言，高电平调幅根据调制信号控制方式的不同，对晶体管而言，高电平调幅又可分为基极调幅和集电极调幅。又可分为基极调幅和集电极调幅。第五十一页，本课件共有59页高电平调幅电路需要兼顾输出功率、效率和调制线性的高电平调幅电路需要兼顾输出功率、效率和调制线性的要求。最常
27、用的方法是对功放的供电电压进行调制。要求。最常用的方法是对功放的供电电压进行调制。1.集电极调幅电路集电极调幅电路集电极调幅电路集电极调幅电路调制信号调制信号 经低频变压经低频变压器加在集电极上，并与直流电器加在集电极上，并与直流电源电压源电压VcT相串馈。相串馈。高频载波高频载波v0(t)=v0cos经高频变压器加在经高频变压器加在基极回路中。基极回路中。第五十二页，本课件共有59页集电极调幅在调制信号一周期内的各平均功率为：集电极调幅在调制信号一周期内的各平均功率为：1)集电极有效电源电压集电极有效电源电压Vc(t)供给被调放大器的总平均功率供给被调放大器的总平均功率2)集电极直流电源集电
28、极直流电源VcT所供给的平均功率则为所供给的平均功率则为3)调制信号源调制信号源Vc 供给的平均功率供给的平均功率4)平均输出功率平均输出功率5)集电极平均耗散功率集电极平均耗散功率输出信号为输出信号为:Vc(t)=Vc(t)cos0t=VcT+v1cost cos 0t第五十三页，本课件共有59页6)集电极效率集电极效率故：故：2)总输入功率分别由总输入功率分别由VCT与与VC 所供给，所供给，VCT供给用以产供给用以产 生载波功率的直流功率生载波功率的直流功率P=T，VC 则供给用以产生边则供给用以产生边 带功率的平均功率带功率的平均功率PDSB。1)平均功率均为载波点各功率的平均功率均为
29、载波点各功率的()()倍倍3)集电极平均耗散功率等于载波点耗散功率的集电极平均耗散功率等于载波点耗散功率的()倍，倍，应根据这一平均耗散功率来选择晶体管，以使应根据这一平均耗散功率来选择晶体管，以使PCMPcav。4)输出的边频功率由调制器供给的功率转换得到，大功输出的边频功率由调制器供给的功率转换得到，大功 率集电极调幅就需要大功率的调制信号电源。率集电极调幅就需要大功率的调制信号电源。5)集电极调幅为等效率、等电压利用系数调幅。集电极调幅为等效率、等电压利用系数调幅。第五十四页，本课件共有59页直流功率：P在调幅峰处：V=V(1+m=I (1+m=I=V.I=P(1+m)输出功率：P=VI
30、=P(1+m)集电极耗散功率：P=P-P=P(1+m)集电极效率：)(1+m).第五十五页，本课件共有59页集集电电极极调调幅幅电电路路波波形形图图集集电电极极调调幅幅应应工工作作在在过过压压区区第五十六页，本课件共有59页2.基极调幅电路基极调幅电路基极调幅电路基极调幅电路与集电极调幅电路与集电极调幅电路同样的分析，可以认为同样的分析，可以认为VB(t)=VBT+v(t)是放是放大器的基极等效低频大器的基极等效低频供电电源。供电电源。因为因为VB(t)随调制信号随调制信号v(t)变化，如果要求放大器的输变化，如果要求放大器的输出电压也随调制信号变化，则应使输出电压随出电压也随调制信号变化，则
31、应使输出电压随VB(t)变化。变化。放大器应工作在欠压区，保证输出回路中的基波电流放大器应工作在欠压区，保证输出回路中的基波电流Ic1m、输、输出电压出电压Vc(t)按基极供电电压按基极供电电压VBT(t)变化，从而实现输出电压变化，从而实现输出电压随调制电压变化的调幅。随调制电压变化的调幅。第五十七页，本课件共有59页icvAM（t）临界临界过压过压欠压欠压V BB(t)基极调幅电路应工作在欠压区基极调幅电路应工作在欠压区V VBEBEV VCECE第五十八页，本课件共有59页二、振幅调制电路二、振幅调制电路可分为高电平调制和低电平调制。可分为高电平调制和低电平调制。是将功放和调制合二为一，调制后的信号不需再是将功放和调制合二为一，调制后的信号不需再放大就可直接发送出去。放大就可直接发送出去。是将调制和功放分开，调制后的信号电平较低，还需经功是将调制和功放分开，调制后的信号电平较低，还需经功率放大后达到一定的发射功率再发送出去。率放大后达到一定的发射功率再发送出去。调制效率高、调制线性范围大、失真要小等。调制效率高、调制线性范围大、失真要小等。高电平调制：高电平调制：低电平调制：低电平调制：对调制器的主要要求：对调制器的主要要求：第五十九页，本课件共有59页