高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调与混频ppt课件.ppt
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1、第六章 振幅调制、 解调与混频,6.1 振幅调制6.2 调幅信号的解调6.3 混频6.4 混频器的干扰,-1 振幅调制,6-1-1 振幅调制概述 调制与解调电路是通信、广播、测量等系统中的基本电路之一,为频率变换电路(非线性电路)。调制的其他应用如:直流放大器,6-1-2调幅的方法与电路 一、乘法器调幅,为四象限乘法器实际典型值:vc(60mv)、v (300mv)、输出载波抑制可达60dB。,二、开关型调幅电路 要求:VcV 即:vc等效为开关函数S(t)1双二极管平衡调幅电路,设:二极管导通电阻为RD,等效负载为2RL对于D1、D2:vc是共模信号,在RL上相消,v是差模信号,vS(t)在
2、RL上相加。,2二极管环型调幅电路,i5=i1-i4 i6=i2-i3i=i5+i6=i1-i4+(i2-i3)=(i1-i2)-(i4-i3)(i1-i2)同上,,3二极管桥型调幅电路 无变压器,较实用,四个二极管同时导通和截止,(上述方法均要求参数完全对称)。,4开关型调幅电路实例,对于D1、D2:vc仍是共模信号,v仍是差模信号,负载上得到的电流同(1)。,三、晶体管调幅电路基极(发射极)调幅: v控制基极(发射极)电压。集电极(漏极)调幅: v控制集电极(漏极)电压。由选频网络选出vo(已调信号)。1.基极调幅电路(发射极调幅电路),vbe=VBB+v+vc =VBB+Vcost+Vc
3、cosotv、vc幅度不同时:(1)v、vc均较小 采用幂级数法分析,产生调幅波。 (因非线性失真大,很少使用)(2)v较小(几mv几十mv) vc较大(几百mv) 采用时变参量法分析。 (3)v小(几mv) vc大(0.51v) 采用开关函数法分析。 调幅系数m1,线性范围小。(4)v、vc均较大(常用) 工作于(甲乙类)欠压状态。工作=90120度过压工作时,vce变化小,基极调幅特点:(1)所需v功率小,用于小功率发射机;(2)m不可太大,否则易包络失真;(3)集电极效率低(欠压工作),2.集电极调幅电路 v使集电极(电源)电压V发生变化,实现调幅。,可见: 在欠压区,输出的基波电压的幅
4、度不随Vcc的变化而变化。 故:过压工作,可实现调幅。集电极调幅特点:(1)因过压工作,高(与m无关),用于大功率调幅发射机。(2)要求v提供较大的驱动功率。(3)m较大时,调幅波非线性失真。,3多重调幅原理(改善线性度) 实际工作中,基极、集电极调幅均有非线性失真。例:集电极调幅VBB、Vcc不变当Vcemin随Vcc(t)减小时,Ic1下降过快,呈非线性关系,调制特性曲线向下弯曲。解决方法: Vcc减小时,Vbemax相应减小; Vcc增大时,Vbemax相应增大。即:Vbemax与Vcc(t) 按相同的调制规律变化(双重调幅)。(1)采用自给偏压电路,VBB=-Ib0Rb在过压区: V,
5、Vcc(t),Ib0,Vbemax=(VBB+Vc) V,Vcc(t),Ib0,Vbemax=(VBB+Vc)(2)采用双重调幅电路 集电极基极双重调幅 集电极调幅时,部分v调基极偏压,使: Vcc(t)时,VBB(t)同时; Vcc(t)时,VBB(t)同时。集电极集电极双重调幅 对相邻的末前级和末级,采用相同的v同时进行集电极调幅。即:末级Vcc(t)时,VBB(t)(末前级Vcc)末级Vcc(t)时,VBB(t)(末前级Vcc),6-1-3 单边带调制 一、特点: 1.压缩频带; 2.节省功率; 3.受传播条件(衰落和相移)的影响小; 4.设备复杂。二、单边带产生方法 (一)滤波法,难点
6、:接近理想的带通滤波器难以实现。解决:1.频率由低到高,多级相乘和滤波。 2.采用VSB。,(二)相移法,难点:多频工作时,调制信号的宽带相移难以实现。,- 调幅信号的解调, 6-2-1 调幅解调的方法 振幅解调方法可分为包络检波和同步检波两大类。包络检波是指解调器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方法。由于AM信号的包络与调制信号成线性关系,因此包络检波只适用于AM波。其原理框图如图630所示。,图630 包络检波的原理框图,图631 同步解调器的框图,同步检波又可以分为乘积型(图632(a)和叠加型(图632(b)两类。它们都需要用恢复的载波信号ur进行解调。,图632 同步检波器,6
7、-2-2 二极管峰值包络检波器 1原理电路及工作原理 图633(a)是二极管峰值包络检波器的原理电路。它是由输入回路、二极管VD和RC低通滤波器组成。,式中,c为输入信号的载频,在超外差接收机中则为中频I为调制频率。在理想情况下,RC网络的阻抗Z应为,图633 二极管峰值包络检波器(a)原理电路 (b)二极管导通 (c)二极管截止,图634 加入等幅波时检波器的工作过程,从这个过程可以得出下列几点: (1)检波过程就是信号源通过二极管给电容充电与电容对电阻R放电的交替重复过程。 (2)由于RC时常数远大于输入电压载波周期,放电慢,使得二极管负极永远处于正的较高的电位(因为输出电压接近于高频正弦
8、波的峰值,即UoUm)。 (3)二极管电流iD包含平均分量(此种情况为直流分量)Iav及高频分量。,图635 检波器稳态时的电流电压波形,图637 输入为AM信号时检波器的输出波形图,图637 输入为AM信号时,检波器二极管的电压及电流波形,图638 包络检波器的输出电路,2性能分析 1) 传输系数Kd 检波器传输系数Kd或称为检波系数、检波效率,是用来描述检波器对输入已调信号的解调能力或效率的一个物理量。若输入载波电压振幅为Um,输出直流电压为Uo,则Kd定义为,(643a),(643b),由于输入大信号,检波器工作在大信号状态,二极管的伏安特性可用折线近似。在考虑输入为等幅波,采用理想的高
9、频滤波,并以通过原点的折线表示二极管特性(忽略二极管的导通电压VP),则由图635有:,(644),(645),式中,uD=ui-uo,gD=1/rD,为电流通角,iD是周期性余弦脉冲,其平均分量I0为,式中,0()、1()为电流分解系数。 由式(643(a)和图635可得,基频分量为,(647),(647),(648),由此可见,检波系数Kd是检波器电流iD的通角的函数,求出后,就可得Kd。 由式(647)Uo=I0R,有,(649),等式两边各除以cos,可得,(650),当gDR很大时,如gDR50时,tan-3/3,代入式(7-50),有,(651),图639 KdgDR关系曲线图,图
10、640 滤波电路对Kd的影响,2) 输入电阻Ri 检波器的输入阻抗包括输入电阻Ri及输入电容Ci,如图641所示。输入电阻是输入载波电压的振幅Um与检波器电流的基频分量振幅I1之比值,即,(652),输入电阻是前级的负载,它直接并入输入回路,影响着回路的有效Q值及回路阻抗。由式(647),有,(653),图641 检波器的输入阻抗,当gDR50时,很小,sin-3/7, cos1-2/2,代入上式,可得,3检波器的失真 1)惰性失真 在二极管截止期间,电容C两端电压下降的速度取决于RC的时常数。,图642 惰性失真的波形,为了避免产生惰性失真,必须在任何一个高频周期内,使电容C通过R放电的速度
11、大于或等于包络的下降速度,即,(655),如果输入信号为单音调制的AM波,在t1时刻其包络的变化速度为,(657),二极管停止导通的瞬间,电容两端电压uC近似为输入电压包络值,即uC=Um(1+mcost)。从t1时刻开始通过R放电的速度为,将式(657)和式(657)代入式(655),可得,实际上,不同的t1,U(t)和Cu的下降速度不同,为避免产生惰性失真,必须保证A值最大时,仍有Amax1。故令dadt1=0,得,代入式(658),得出不失真条件如下:,(659),(670),(671),图643 底部切削失真,2) 底部切削失真 底部切削失真又称为负峰切削失真。产生这种失真后,输出电压
12、的波形如图643(c)所示。这种失真是因检波器的交直流负载不同引起的。 因为Cg较大,在音频一周内,其两端的直流电压基本不变,其大小约为载波振幅值UC,可以把它看作一直流电源。它在电阻R和Rg上产生分压。在电阻R上的压降为,(672),调幅波的最小幅度为UC(1-m),由图643可以看出,要避免底部切削失真,应满足,(673),(674),图644 减小底部切削失真的电路,4实际电路及元件选择,图645 检波器的实际电路,根据上面诸问题的分析,检波器设计及元件参数选择的原则如下: (1)回路有载QL值要大, (2) 为载波周期 (3) (4) (5),5. 二极管并联检波器 除上面讨论的串联检
13、波器外,峰值包络检波器还有并联检波器、推挽检波器、倍压检波器、视频检波器等。这里讨论并联检波器。,图647 并联检波器及波形(a)原理电路 (b)波形 (c)实际电路,根据能量守恒原理,实际加到并联型检波器中的高频功率,一部分消耗在R上,一部分转换为输出平均功率,即,当UavUC时(UC为载波振幅)有,(675),7小信号检波器 小信号检波是指输入信号振幅在几毫伏至几十毫伏范围内的检波。这时,二极管的伏安特性可用二次幂级数近似,即 一般小信号检波时Kd很小,可以忽略平均电压负反馈效应,认为,(677),(677),将它代入上式,可求得iD的平均分量和高频基波分量振幅为,若用Iav=Iav-a0
14、表示在输入电压作用下产生的平均电流增量,则,(678),相应的Kd和Ri为,(679),(670),若输入信号为单音调制的AM波,因c,可用包络函数U(t)代替以上各式中的Um,(671),图647 小信号检波, 6-2-3 同步检波 1乘积型 设输入信号为DSB信号,即us=Uscostcosct,本地恢复载波ur=Urcos(rt+),这两个信号相乘,(672),经低通滤波器的输出,且考虑r-c=c在低通滤波器频带内,有,(673),由上式可以看出,当恢复载波与发射载波同频同相时,即r=c,=0,则 uo=Uocost (674) 无失真地将调制信号恢复出来。若恢复载波与发射载频有一定的频
15、差,即r=c+c uo=Uocosctcost (675) 引起振幅失真。若有一定的相差,则 uo=Uocoscost (677),图648 几种乘积型解调器实际线路,2. 叠加型 叠加型同步检波是将DSB或SSB信号插入恢复载波,使之成为或近似为AM信号,再利用包络检波器将调制信号恢复出来。对DSB信号而言,只要加入的恢复载波电压在数值上满足一定的关系,就可得到一个不失真的AM波。图649就是一叠加型同步检波器原理电路。 设单频调制的单边带信号(上边带)为 us=Uscos(c+)t=Uscostcosct-Ussintsinct,恢复载波 ur=Urcosrt=Urcosct us+ur=
16、(Uscost+Ur)cosct-Ussintsinct =Um(t)cosct+(t) (677) 式中,(678),(679),(680),式中,m=Us/Ur。当mUs时,上式可近似为,(681),(682),图649 叠加型同步检波器原理电路,图650 平衡同步检波电路,采用图650所示的同步检波电路,可以减小解调器输出电压的非线性失真。它由两个检波器构成平衡电路,上检波器输出如式(682),下检波器的输出 uo2=KdUr(1-mcost) (683) 则总的输出 uo=uo1-uo2=2KdUrmcost (684), 6-3 混频, 6-3-1 混频的概述 6-3-2 晶体管混频
17、6-3-3 场效应管混频6-3-4 集成混频电路6-3-5 晶体管平衡混频器6-3-6 参量混频, 6-3-1 混频的概述 1混频器的功能 混频器是频谱线性搬移电路,是一个六端网络。它有两个输入电压,输入信号us和本地振荡信号uL,其工作频率分别为fc和fL输出信号为uI,称为中频信号,其频率是fc和fL的差频或和频,称为中频fI,fI=fLfc(同时也可采用谐波的差频或和频)。,混频与变频 变频:本振与混频合为一个管 混频:混频独立为一个管,图651 混频器的功能示意图,图652 三种频谱线性搬移功能 (a)调制(b)解调(c)混频,2混频器的工作原理 设输入到 混频器中的输入已调信号us和
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