频谱搬移的基本原理及组成模型.ppt

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1、第四章 频谱搬移电路,重点：1.振幅调制波的基本特性(数学表达 式，波形图，频谱图，带宽，功率)。2.振幅解调的基本原理 3.混频的基本原理 4.峰值包络检波电路的性能分析,难点：1.峰值包络检波器的工作原理 2.三极管混频器的工作原理,4.1,通信系统的基本组成电路：振幅调制、解调、混频、调频、鉴频等电路。这些电路的共同特点是：将输入信号进行频谱变换，以获得所需要的频谱输出信号。故称之为频率（频谱）变换电路。,根据频谱变换的不同特点，频谱变换电路有：,4.1,4.1.1 振幅调制的原理及电路组成模型,调制的定义：在发射端将调制信号从低频端搬移到高频端,便于天线发送或实现不同信号源、不同系统的

2、频分复用。,4.1 频谱搬移的基本原理及组成模型,频谱搬移电路包括,一.普通调幅信号的基本特性及组成模型,设载波为,1、单音频调制波,若调制信号,（为单音频信号），且,（1）普通调幅信号表达式：,（AM调制器的功能动画）,其中,，调幅指数,ka为由调制电路决,定的比例系数。,（2）波形图（动画）,由图可以得到调幅,指数Ma的另一表达式:,为负值，如图4.1.2（a）所示，包络,通常称这种失真为过调制失真（Over Modulation）。,但在实际调幅电路中，由于管子截止，过调制失真的波形如图（b）所示。,图4.1.2 过调制失真波形,（动画）,（3）频谱图：,将调幅信号表达式改写成,可见,单

3、频信号调制的AM波，有一对边频，对称分布在,结论：将,的频谱搬移到了载频的左右两边，形成了,（4）频谱宽度：,上、下边频。,AM信号频谱动画,（5）功率谱,载频功率为:,两个边频分量产生的平均功率相同,均为:,边频总功率为：,调幅信号的总平均功率为,2、多音频调制波,设,则,其中,波形图与频谱图,带宽,多频率调制时AM调制信号动画,3、AM信号的实现模型（动画）,调幅信号的表达式式可以改写为,实现模型如下图示，其中带通滤波器的中心频率为,，带宽为,图4.1.4 AM信号的实现方框图,其中,二双边带调幅信号基本特性及其组成模型,1、单频率调制的双边带调幅信号,设载波,单频率调制信号,且,（1）D

4、SB信号数学表达式为,其中 为由调制电路决定的比例系数。,图4.1.5 单频调制的DSB信号的波形图和频谱图（a）DSB波形图（b）DSB频谱图,（2）波形图和频谱图,DSB信号波形与频谱动画,2、多频率调制的双边带调幅信号,波形图与频谱图,图4.1.6 DSB信号的波形图与频谱图,多频DSB调制动画,由以上讨论知，DSB信号与AM信号相比，具有以下特点：,（1）包络不同。AM信号的包络正比于调制信号,（2）DSB信号的高频载波在调制信号自正值或负值通过零点时，出现180的相位突变。因此，严格地讲，DSB信号已非单纯的振幅调制信号，而是既调幅又调相的信号。,（3）DSB信号只有上、下两个边频带

5、，所占频谱宽度为,，,与AM信号具有相同的带宽。,（4）由于DSB信号不含载波，全部功率为边带占有，所以发送的全部功率都载有信息，功率利用率高于AM信号。,3、双边带调幅信号的产生,的频率特性。,图4.1.7 双边带调幅信号的实现模型,DSB实现模型动画,三、单边带调幅信号的基本特性及实现模型,1、单边带信号的基本特性,取下边带时,由上式可见，单频率调制的单边带调幅信号是一个角频率为,所示。,图4.1.8 单频调制时单边带信号的波形图与频谱图,SSB波形动画,一般的单边带调幅信号波形比较复杂。不过有一点是相同的，即单边带调幅信号的包络已不能反映调制信号的变化。单边带调幅信号的带宽与调制信号带宽

6、相同，是普通调幅和双边带调幅信号带宽的一半，即,2、产生单边带调幅信号的方法,（1）滤波法,图中，带通滤波器应该采用单边带滤波器.中心频率为,带宽为,图4.1.9 单边带信号的实现模型,SSB实现模型动画,这种实现方法电路简单，但其难点在于滤波器的实现。当调制信号的最低频率,很小（甚至为0）时，,很小，要求滤波器的矩形系数几乎接近1，导致滤波器的实现十分困难。,在实际设备中可以采用多次搬移法来降低对滤波器的要求，如图所示。,图4.1.10 频谱多次搬移产生单边带信号,相移法是基于单边带调幅信号的时域表达式实现的。如,和,然后进行相乘和相减，就可以实现单边带调幅.,如图所示。,由上式可知，只要用

7、两个90相移器分别将调制信号和载波信号相移90，成为,（2）相移法,图4.1.11 相移法产生单边带调幅信号,将上两式相加（减），输出为取下（上）边带的单边带调幅信号。即,显然，对单频信号进行90相移比较简单，但是对于一个包含许多频率分量的一般调制信号进行90移相，要保证其中每个频率分量都准确移相90，且幅频特性又应为常数，这是很困难的。,（3）相移滤波法,结合两种方法的优缺点而提出的相移滤波法是一种比较可行的方法,其原理图见图。为简化起见,图中各信号的振幅均表示为1。,图4.1.12 相移滤波法,四、残留边带调幅方式（VSB）（动画）,残留边带调幅是指发送信号中包括一个完整边带、载波及另一个

8、边带的小部分（即残留一小部分)。在广播电视系统中，由于图像信号频带较宽，为了节约频带，同时又便于接收机进行检波，所以对图像信号采用了残留边带调幅方式，而对于伴音信号则采用了调频方式。现以电视图像信号为例，说明残留边带调幅方式的调制与解调原理。,在接收端，采用具有图4.1.12(b)所示特性的滤波器从残留边带调幅信号中取出所需频率分量。,在发射端先产生普通调幅信号，然后利用具有图4.1.12(a)所示特性的滤波器取出一个完整的上边带、一部分下边带以及载频分量。,例如：电视图像信号带宽为6MHz。,由图可见，若采用普通调幅，每一频道电视图像信号的带宽需12MHz，而采用残留边带调幅只需8MHz，另

9、外，对于滤波器过渡带的要求远不如单边带调幅那样严格，故容易实现。,图4.1.12 残留边带调幅发送和接收滤波器的幅频特性（a）发送滤波器幅频特性（b）接收滤波器幅频特性,从高频已调信号中恢复出原调制信号,的过程称为解调，又称为检波。实现检波的电路称为检波电路，简称为检波器，功能如图所示。,图4.1.13 检波器的功能(a)组成框图(b)检波器输入、输出信号的波形(c)检波器输入、输出信号的频谱,的过程,振幅解调的原理及电路组成模型,显然，解调是调制的逆过程，具有类似于调幅电路的实现模型，如图所示。,图4.1.14 振幅解调电路的组成模型,（同频同相），又称同步信号。若,则,此时，相乘器输出为,

10、等。用低通滤波器取出低频分量，滤除高频分,量，得到的输出信号为,从而实现线性解调。图为相应的频谱搬移过程。,图4.1.15 振幅解调电路的频谱搬移过程,混频的原理及电路组成模型,混频的过程也是一种频谱的线性搬移过程，把载,波为 的已调信号，不失真地变换成载波为 的已调,信号，同时保持调制类型、调制参数不变，即保持原调制规律、频谱结构不变。完成这种功能的电路称为混频器（Mixer）或变频器（Convertor）。,超外差式接收机通常满足满足下列关系之一,或,混频。调幅广播收音机普遍采用下混频，它的中频规定为465kHz。,混频器也是频率合成器等电子设备的重要组成部分，用来实现频率加，减的运算功能

11、。,则混频器的输出信号频率为,式中p和q为任意正整数。,一、混频器的功能（动画）,图4.1.16 混频器的功能（a）混频前、后的波形图（b）混频前、后的频谱图,3、从频域角度看，混频前后各频率分量的相对大小和相互间隔并不发生变化，即混频是一种频谱的线性搬移，输出中频信号与输入高频信号的频谱结构相同，惟一不同的也是载频，如图（b）所示。,1、从频谱上看：将接收到的高频已调制的信号搬移到中频上。,2、从时域波形上看，混频前后的调制规律保持不变，即输出中频信号的波形与输入高频信号的波形相同，只是载波频率不同，如图（a）。,二、混频器的实现模型及简单的工作原理,混频是频谱的线性搬移过程。完成频谱的线性

12、搬移功能的关键是要获得两个输入信号的乘积，实现模型如图所示。,图4.1.17 混频器的实现模型,设,则相乘器的输出为：,若带通滤波器的中心频率为,带 宽,则输出的中频信号为,式中,为中频输出电压的振幅。,混频器的频谱搬移过程如图所示。,图4.1.18 混频器的频谱搬移过程,4.1.4 小结,振幅调制的过程，是频谱的线性搬移过程，它将调制信号频谱从低频段不失真地搬移到高频载波的两端，成为了上、下变频（带）。振幅解调是从已调幅信号中不失真的恢复出原调制信号的过程，它也是频谱的线性搬移过程，它将已调制信号的频谱从高频段重新搬回到原来低频的位置。,混频的过程同样是频谱的线性搬移过程，它将输入信号的频谱

13、从一个高频不失真的搬移到另一个高频。,图4.1.19 频谱搬移电路的实现模型,振幅调制与解调、混频电路都是频率变换电路，在频域中起频率加、减的作用，它们同属频谱的线性搬移电路，都可以用乘法器和相应的滤波器组成的模型来实现，如图所示。,的高频带通滤波器，此时电路实现的是振,幅调制功能。,为同步信号时，滤波器需要带,能。,图4.1.19 频谱搬移电路的实现模型,为本地振荡信号时，滤波器需要,带宽为,此时电路实现的是混频的功能。,振幅调制、解调、混频电路的共同特点是：相乘器实现将输入信号的频谱不失真的向左、向右搬移一个参考信号频率的位置。不同点是：根据实现功能的不同，相乘器的两个相乘信号不同，滤波器的参数不相同。,图4.1.19 频谱搬移电路的实现模型,中心频率为,中频带通滤波器，,