高频电子线路振幅调制与解调.ppt

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1、1,高频电子线路,网络中心28116952,High Frequency Circuit,目 录,第1章 绪论第3章 选频网络第4章 高频小信号放大器第5章 非线性电路、时变参量电路和变频器第6章 高频功率放大器第7章 正弦波振荡器第9章 振幅调制与解调第10章 角度调制与解调第12章 反馈控制电路第13章 频率合成电路,3,第9章 振幅调制与解调,一、概述 二、调幅波的性质三、DSB与SSB信号的产生 四、正交调幅与残留边带调幅 五、低电平调幅电路 六、高电平调幅电路 七、包络检波 八、同步检波,高频电子线路High Frequency Circuit,思考题与习题,高频功放,调幅发射机组成

2、框图,高 频 部 分,低频部分,9.1 概述,超外差接收机组成框图,AGC,9.1 概述,9.1 概述,调制的必要性：,便于制作天线；,便于有选择性地接收；,便于实现信道复用。,调制的定义：,使载波的某个特征参量随调制信号的变化而变化的过程。,调制中的基本概念,调制信号：,原始低频信号，又称为基带信号。,载波信号：,运载调制信号的高频振荡信号。,已调波信号：,调制过程的结果。,解调：,调制的逆过程，又称为检波。,9.1 概述,调制方式,连续波调制,脉冲波调制,线性调制,非线性调制,数字调制,AM、DSB、SSB、VSB,FM、PM,ASK、FSK、PSK,脉冲模拟调制,脉冲数字调制,PAM、P

3、WM、PPM,PCM、DM、DPCM等,连续波调制(continous wave modulation),脉冲波调制(pulse wave modulation),9.1 概述,频分复用说明,复用：,将若干彼此独立的信号合并为一个可在同一信道上传输的复合信号的技术。,复用类型：,频分复用、时分复用、码分复用,幅度调制（AM）的定义：载波的振幅随调制信号的变化规律而变化，而载波的角频率和初相位均为常数。,9.2 调幅波的性质,数学表示式与频谱,1.AM 波的数学表示式,设调制信号为：,载波信号为：,则已调波信号振幅为：,Amplitude Modulation,1.AM波的数学表示式,调幅后的表

4、示式为,从定义与产生角度,从画波形角度,从调幅波频谱角度,称为调幅指数，在标准幅度调制中，为保证不出现过调制，要求 ma1。,调幅指数-amplitude modulation factor,思考题,9.2 调幅波的性质,数学表示式与频谱,2.AM波的波形与频谱,上边频,下边频,Upper sideband,Lower sideband,2.AM波的波形与频谱,maV0,V0,Vmax=(1+ma)V0,Vmin=(1-ma)V0,(V0+V0ma)cost,V0(1+ma cost)cos0 t,上边频,下边频,Upper sideband,Lower sideband,峰值调幅度,谷值调幅

5、度,调幅波的特点：调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致 调幅度ma反映了调幅的强弱度,2.AM波的波形与频谱,ma1时产生过调幅,3.非正弦调幅波的波形与频谱,通常的调制信号含有许多频率。,结论：,调幅波的频谱是由载波分量、上边带和下边带组成，且每个边带都含有调制信号的信息。,3.非正弦调幅波的波形与频谱,结论：,调幅过程是一种频谱的线性搬移过程,BWAM=2Fmax,BW=25,思考题,4.AM波产生的数学模型,AM产生的数学模型,AM最突出的优点是能采用包络解调，因此AM的接收机非常简单，在公共电台广播中常常采用AM调制。,可见要完成AM调制，其核心部分是实现调制信号与载波相乘。

6、,调幅波中的功率关系,载波占有功率为：,边带所占有的功率为：,调幅波所具有的总功率为：,结论：,发送的载波不含信息，因而功率利用率低。,两个边带含有相同信息，因而浪费频带。,接收设备简单且成本低。,9.2 调幅波的性质,思考题-1,标准调幅波的最大值、最小值分别为多少？,标准调幅波的最大值为：,最小值为：,思考题-2,已知某普通调幅波电压 为：,BW=2Fmax=2103=2000Hz,试画出该调幅波的频谱图，并求该调幅波占据的频带宽度。,例题,设载波功率P0T为100W，问调幅度为1及0.5时，总边频功率、总平均功率各为多少？,解：,Ma=1时，,Ma=0.5时，,双边带(DSB)调幅波,v

7、DSB(t)=Vcost V0cos0 t,v=Vcost,v0=V0cos0 t,上边频,下边频,Double Side-Band,9.2 调幅波的性质,与AM的不同：（1）包络不同：为|cost|（2）高频载波相位在调制电压过零处要突变1800。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信号只有两个频率分量（不含载波分量），频带宽度仍为调制信号带宽的两倍。BWDSB=2Fmax（4）由于DSB波的频谱成份中抑制了载波分量，全部功率为边带占有，功率利用率高于AM波。功率利用率高于AM制。,双边带(DSB)调幅波,Double Side-Band,9.2 调幅波的性

8、质,DSB波产生的数学模型,vDSB(t)=v cos0 t,双边带(DSB)调幅波,Double Side-Band,9.2 调幅波的性质,单边带(SSB)调幅波,结论,收发设备都比较复杂。,只发送一个边带，因而节省50%带宽。BWSSB=Fmax,上边频,Single Side-Band,9.2 调幅波的性质,v=Vcos1 t+Vcos2 t,上边频,单边带(SSB)调幅波,Single Side-Band,9.2 调幅波的性质,对于任一调制信号m(t),m(t)的希尔伯特变换,单边带(SSB)调幅波,Single Side-Band,9.2 调幅波的性质,已知调制信号频率范围为300H

9、z4 kHz,分别采用普通调幅(平均调幅指数ma=0.3)、双边带调幅和单边带调幅三种方式,如要求边带功率为10W,分别求出每种调幅方式的频带宽度、发射总平均功率Pav及功率利用率,例题,解：普通调幅：,双边带调幅,单边带调幅,电压表达式,普通调幅波,抑制载波的双边带调幅波,单边带调幅波,波形图,频谱图,信号带宽,三种振幅调制系统的比较,解调电路简单，造价低。,功率利用率高。,功率利用率很高；占据频带窄。,功率利用率很低,解调时需恢复载频,技术上比较复杂,优点,缺点,适用场合,电台广播系统,小型通信系统,电视广播系统,振幅调制与混频器的比较,本振信号,载波信号,调幅,混频,输入、输出均为已调幅

10、波；存在更多的干扰。,输入为低频调制信号，输出为已调幅波。,均需要通过非线性器件和BPF来实现；均为频谱的线性搬移。,注：调幅为频谱的上搬移，而检波是频谱的下搬移。,正交幅度调制与解调是一种特殊的复用技术，一般是指利用两个频率相同但相位相差900 的正弦波作为载波，以调幅的方法同时传送两路互相独立的信号的一种调制方式。,这种调制方式的已调信号所占频带仅为两路信号中的较宽者而不是二者之和，可以节省传输带宽。,补充:正交幅度调制（QAM）与解调,x(t),QAMQuadrative Amplitude Modulation,实现：,v,AM,SSB,DSB,高电平调制：功放+调制发送：AM,AMD

11、SB SSB,频谱的线性搬移,分类：,调幅方法概述,目标：效率高、线性范围大、失真度小,低电平调制：调制放大发送：AM、DSB、SSB,v0,v0,v0,9.3 平方律调幅,Square Law AM,低电平调幅,调制过程是在低电平级进行的，因而需要的调制功率小。,高电平调幅,调制过程在高电平级进行，通常是在丙类放大器中进行。,调幅方法概述,9.3 平方律调幅,Square Law AM,9.3 平方律调幅,Square Law AM,1.工作原理,设非线性器件的输入输出特性为,输入电压为,可通过电子器件特性曲线的平方律部分进行调幅。02 与0很接近，不易滤除而产生失真。,结论：,9.3 平方

12、律调幅,Square Law AM,2.平衡调幅器,结论：,平衡调幅器输出的是DSB-SC信号。若电路元器件参数不对称，则产生载漏(Carrier leak)。若滤除一个边带，则获得SSB信号。,9.4 斩波调幅,On-off AM,1.工作原理,斩波调幅的含义：,调制信号v(t)通过一个受载频0 控制的开关电路后，被斩成周期为2/0的脉冲。该脉冲含有0及各种谐波分量等。在再通过中心频率为0的BPF，即可得到调幅波输出vo(t)。,9.4 斩波调幅,On-off AM,1.工作原理,如果v(t)=Vcost，则v(t)中包含、0、30等频率分量。通过BPF后，得到DSB-SC输出。,9.4 斩

13、波调幅,1.工作原理,实用中，常用的是对称的开关电路。,开关s(t)转换的频率为0,9.4 斩波调幅,On-off AM,1.工作原理,BPF(0),v(t),v(t),vo(t),s(t),如果v(t)=Vcost，则v(t)中只包含0、30等组合频率分量，而不包含分量，而且高频分量的振幅也提高了一倍。通过BPF后，同样得到DSB-SC输出。,9.4 斩波调幅,On-off AM,2.实际电路,9.5 模拟乘法器调幅,v,v0,vDSB,XFC1596(或者MC1596）,抑制载漏的调整：当 可调,9.6 单边带信号的产生,1.滤波器法,平衡调幅器,带通滤波器,缺点：带通滤波器制作困难,一般

14、0 max，所以上下边带之间的距离很近，就对带通滤波器提出了严格的要求。如果降低0，则上下边带之间的相对距离就变宽了，这时对滤波器的要求就降低了，但要求带通滤波器的通频带就比较宽。当0太低时，则通频带宽度不易满足。所以说载频0既不能太高，也不能太低，一般选为100kHz。,用2Fmax/f0表示相对距离！,优点：原理简单,滤波法产生SSB信号电路与混频器的比较,本振信号,带通滤波器,载波信号,带通滤波器,SSB信号的产生,混频,滤波器容易制作,滤波器难以制作,二者实现的框图形式一样,上下边带,上下边带,0.13kHz,9799.9kHz,100.1103kHz,100kHz,2MHz,1897

15、1899.9kHz,2100.12103kHz,26MHz,2389723899.9kHz,28100.128103kHz,第一次调制滤波,第三次调制滤波,第二次调制滤波,原始调制信号,26MHz,2599725999.9kHz,26000.126003kHz,一次性调制滤波,解决方法：经过多次平衡调幅与滤波，使载波频率逐步提高到所需的数值。,每经过一次平衡调幅，两个边带之间的相对距离都要加宽一次。,滤波器难以制作,滤波器容易制作,9.6 单边带信号的产生,f1=100kHz，一般取f2=(1030)f1,要求调制信号中无太低频率,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

16、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。这是绝对不允许的。,调制信号,2.相移法,优点回避了复杂的带通滤波器设计，也不需多次调制。缺点难以在宽带内准确移相900。,调制信号,3.相移滤波法,移相滤波法只需对某一固定的单频率信号移相900，从而回避了难以在宽带内准确移相900的缺点。,移相滤波法是将移相和滤波两种方法相结合。,9.7 残留边带(VSB)调幅波,结论,BWVSB比BWSSB略宽。,VSB滤波器易于实现。,Vestigal Side-Band,VSB的含义：让一个边带几乎完全通过，而另一个边带少量通过(或叫残留)的调制方式。,VSB调幅波的应用：适于宽带调

17、制，如彩电中的图像调制。,VCC0,vAM,9.8 高电平调幅集电极调幅,基本原理,用调制信号控制丙类谐振功放（过压状态）的集电极偏压，从而实现调幅。,（High level AM circuit）,9.8 高电平调幅集电极调幅,过压,欠压,临界,vbe=V0cos0 t,vAM,9.8 高电平调幅基极调幅,基本原理,用调制信号控制丙类谐振功放（欠压状态）的基极偏压，从而实现调幅。,9.8 高电平调幅基极调幅,欠压,过压,临界,高电平调幅电路的优点是调幅、功放合一,整机效率高,可直接产生很大功率输出的调幅信号,但也有一些缺点和局限性。一是只能产生普通调幅信号,二是调制线性度差,例如集电极调制特

18、性中Vcm与VCC并非完全成线性关系。,9.8 高电平调幅,解调是调制的逆过程，是从高频已调波中恢复出原低频调制信号的过程。从频谱上看，解调也是一种信号频谱的线性搬移过程，是将高频端的信号频谱搬移到低频端，解调过程是和调制过程相对应的，不同的调制方式对应于不同的解调。,振幅调制过程,解调过程,AM调制,DSB调制,SSB调制,包络检波,同步检波,峰值包络检波,平均包络检波,乘积型同步检波,叠加型同步检波,9.9 包络检波,9.9 包络检波,1.工作原理,(1)电路组成,它是由输入回路、二极管D和RC低通滤波器组成。,(2)原理分析,利用了二极管单向导电性和电容快充慢放原理。,作用在二极管D两端

19、上的电压为vD=vi-vC。所以二极管的导通与否取决于vD。,当vD=vi-vC0，二极管导通；当vD=vi-vC0，二极管截止。,9.9 包络检波,1.工作原理,电压vC虽然有些起伏不平（锯齿状），但因正向导电时间很短（RdC），放电时间常数很大（RC，放电时vC基本不变）所以输出电压vC的起伏是很小的，可看成与高频调幅波包络基本一致，所以又叫包络检波(peak envelop detection),1)电压传输系数(检波效率),2.包络检波器的质量指标,9.9 包络检波,输入为AM波时,输入为高频等幅波时,用分析高频功放的折线近似分析法可以证明,其中，是二极管电流通角，R为检波器负载电阻，

20、Rd为检波器内阻。,输入为高频等幅波时,1)电压传输系数(检波效率),如果忽略二极管导通电阻上的损耗功率，则由能量守恒的原则，输入到检波器的高频功率，应全部转换为输出端负载电阻上消耗的功率(注意为直流)。,即有,而,2)等效输入电阻,峰值包络检波器常作为超外差接收机中放末级的负载，故其输入阻抗对前级的有载Q值有直接影响。,其中，Vim是输入高频电压振幅，Iim是输入高频电流振幅。,3)失真,产生的失真主要有：惰性失真；负峰切割失真；非线性失真；频率失真。,惰性失真(对角线切割失真),惰性失真(对角线切割失真),调幅波包络,如图所示，在某一点（如t1 时刻），,在t1 时刻（二极管停止导电），电

21、容两端电压vC近似为输入电压包络值，即：,3)失真,如果电容两端电压的放电速度小于包络的下降速度，就可能发生惰性失真。,而从t1 时刻开始，电容C 通过R 的放电速率为,所以在t1 时刻包络变化率为,惰性失真(对角线切割失真),从t1 时刻开始，电容C 通过R 放电的规律为,又包络表达式为,为避免失真,惰性失真(对角线切割失真),从t1 时刻开始，电容C 通过R 的放电速率为,在t1 时刻包络变化率为,实际上，调制波往往是由多个频率成分组成，即=min max。为了保证不产生失真，必须满足,或,惰性失真(对角线切割失真),在工程上的取值为,maxRC1.5,负峰切割失真(底边切割失真),隔直电

22、容CC数值很大，可认为它对调制频率交流短路，电路达到稳态时，其两端电压VCVim。,失真最可能在包络的负半周发生。假定二极管截止，Cc将通过R和RL缓慢放电，相对于高频载波一个周期内，其电压VCVim将在R 和RL上分压。直流负载电阻R上的电压为,考虑了耦合电容Cc和负载RL后的检波电路,要避免二极管截止发生，包络幅度瞬时值必须满足,交、直流负载电阻越悬殊，ma越大，越容易发生该失真。,负峰切割失真(底边切割失真),交流负载,直流负载,在工程上，减小检波器交、直流负载的差别（正常时R R）有两种常用的措施：一是在检波器与低放之间插入高输入阻抗的射随器；二是将R分成R1和R2,即R=R1+R2。

23、此时直流负载为R，R=R1+R2/RL。,要避免二极管截止发生，包络幅度瞬时值必须满足,负峰切割失真(底边切割失真),为避免分压过大，使输出到后级的信号减小太多，取R1(0.10.2)R2,D,采用分段直流负载后，R与 R差距减小了。,交流负载,直流负载,非线性失真,这种失真是由检波二极管伏安特性曲线的非线性所引起的。,非线性,iD,v，vi 不变,vD,另外，如果负载电阻 R 选得足够大，则产生的VR 越大，即加在检波二极管上的反偏压就越大，那么这个大的反偏压就使得二极管电流的变化范围减小，因而检波管非线性失真也就越小。,iD,频率失真,起因：由隔直电容 CC 和滤波电容C 引起。,CC的存

24、在主要影响检波的下限频率min。因为越小，则CC对检波出的信号压降就越大，相应地加到负载RL上的压降就减小了。因此要求,电容C 的存在主要影响检波的上限频率max。因为越高，则C的分流就越大，相应地流入负载电阻R中的有用电流就要减小，因此要求,同步检波器主要用于双边带（DSB）或单边带（SSB）信号进行解调。它的特点是必须外加一个与原调制载波同频同相的电压。同步检波的名称即由此而来。,同步检波器方框图,9.10 同步检波,载波信号相位对检波结果的影响,1.乘积检波器,引入一个振幅的衰减因子cos，如果 随时间变化，也会引起振幅失真。,经LPF后,设为上边带,2.叠加型同步检波器,由于包络检波器

25、对相位不敏感，只讨论包络的变化：,设为上边带,2.叠加型同步检波器,约等于0,利用到公式,一、调幅和检波过程，在时域上都表现为两信号的相乘；在频域上则是频谱的线性搬移。因此其原理电路模型相同，都由非线性元器件（实现频率变换）和滤波器（滤除不需要的频率分量，滤出需要的频率分量）组成。不同之处是输入信号、滤波器特性在实现调幅和检波时各有不同的形式，以完成特点要求的频谱搬移。,本 章 小 结,本 章 小 结,二、用调制信号去控制高频载波的幅度，使其幅度的变化量随调制信号成正比的变化，这一过程称为幅度调制。经幅度调制后的高频信号称为调幅波。根据频谱结构的不同，可分为普通调幅（AM）波、抑制载波的双边带

26、调幅（DSB）波、单边带调幅（SSB）波和残留边带调幅（VSB）波。为了提高频带的利用率，还可采用正交调幅（QAM）技术。AM、DSB、SSB的数学表达式、波形图、功率分配、频带宽度等各有区别。其检波也可采用不同的电路模型。,本 章 小 结,三、AM波产生电路可采用低电平调制电路，也可采用高电平调制电路；DSB波的产生电路一般可采用二极管平衡、环形调制电路，二极管桥式调制电路和利用模拟乘法器产生。,本 章 小 结,四、解调是调制的逆过程。调幅波的解调简称检波，其作用是从调幅波中不失真地检出调制信号来。从频谱上看，就是将调幅波的边带信号不失真地搬到低频。AM波中已含有载波信息，对于大信号检波可采

27、用二极管包络检波器，对于小信号宜采用同步检波。在包络检波器中要合理选择元件值，避免失真。而对于DSB和SSB波只能采用同步检波器才能解调。同步检波的关键是如何产生一个与发射载波同频、同相的参考信号。在集成电路中多采用模拟乘法器构成同步检波器。,思考题与习题,1.在调幅波的各分量中，只有两个边带分量携带信息。（）,2.对于抑制载波的单边SSB调制，在没有调制信号时，就没有发射信号。（）,3.残留边带调幅的英文缩写是()。A）SSB B）DSB C）VSB D）MSK,4.我国电视信号制式及传输方式是（）。A）PAL-I制，双边带方式传输B）PAL-D制，残留边带方式传输C）PAL-K制，残留边带

28、方式传输D）PAL-D制，单边带方式传输,思考题与习题,6.双边带调幅调制指数为1时，边带功率为载波功率的（）倍。A、1/4 B、1/2 C、1 D、2,5.当模拟调幅信号产生过调制时，下列说法正确的是：（）。A、调制指数ma100%B、调制指数ma100%C、过调制增加了载波振幅 D、接收过调制信号时产生大的失真,8.检波的方法可以分为 和 两大类。包络检波适用于对 信号的解调。而同步检波可以对、和 信号进行解调。,7.采用集电极调幅时，功放应选择在 状态，基极调幅时，它应选择在 状态。,思考题与习题,9.双边带调幅广播，可以使用包络检波器解调，也可以通过恢复本地载波使用相干（或乘法器）解调

29、。（）,10.在无线电通信中为什么要进行调制，如何进行调制？调制的方式有哪些？,11.在抑制载波的双边带信号的基础上，产生单边带信号的方法有_ 和_。,13.大信号检波器的失真可分为_、_、_和_。,12.采用正交调幅的目的是_。,思考题与习题,15.二极管串联型峰值包络检波电路中，RLC值越_，滤波效果越_，但RLC值太_，会出现_ 失真。,14.大信号包络检波器主要用于_ 信号的解调。,16.同步检波器主要用于_和_信号的解调。,19.比较振幅调制与混频器的异同点。,20.比较滤波法产生SSB信号电路与混频器的异同点。,17.调幅与检波在时域上都可以表示为两信号相乘，在频域上表现为频谱的。

30、,18.画出同步检波调幅波的框图，并说明实现同步检波的关键点。,21.图所示为四个二极管调制器电路，图中vv，且不考虑输出电压的反作用。试说明哪个电路能实现AM调制，哪个电路能实现双边带调制，并写出输出电压vo的表示式。,思考题与习题,(a),(b),(d),(c),22.利用上边带传输调制信号V1，而由下边带传输调制信号V2，请加以分析其原理。,思考题与习题,23.填写下列表格。,24.图示为二极管平衡电路，用此电路能否完成振幅调制（AM、DSB、SSB）、振幅解调、倍频、混频功能？若能，写出v1、v2应加什么信号，输出滤波器应为什么类型的滤波器，中心频率f0、带宽BW如何计算？（设：v2v

31、1，且输出滤波器的谐振频率为 f0，调制信号最高频率为Fmax。）,思考题与习题,解：,思考题与习题,（1）将v1加载波信号，v2加调制信号，可实现AM调制。此时要求滤波器为带通滤波器，中心频率为载波频率，f0=fC，带宽为2倍的调制信号最高频率，BW=2Fmax，即输入信号的带宽。,（2）将v1 加调制信号，v2 加载波信号，可实现DSB或SSB调制。滤波器为带通滤波器DSB调制时，f0=fc，BW=2Fmax。SSB调制时，BW=Fmax-Fmin.Fmax，中心频率f0=fc+0.5(Fmax+Fmin)。,思考题与习题,（4）将v1 加正弦信号信号，v2 不加信号，可实现倍频。此时要求

32、滤波器为窄带滤波器，中心频率为所需倍频的频率。,（3）将v1 加调幅信号，v2 加载波信号，可实现振幅解调。此时要求滤波器为低通滤波器，滤波器的高频截止频率fH Fmax。,（5）将v1 加调幅信号，v2 加本振信号，可实现混频。此时要求滤波器为带通滤波器，中心频率为中频频率，f0=fi=fL-fc，带宽为2倍的调制信号最高频率，BW=2Fmax，即输入信号的带宽。,25.图示为单边带（上边带）发射机方框图。调制信号为 3003000 Hz的音频信号，其频谱分布如图中所示。试画出图中各方框输出端的频谱图。,思考题与习题,线性高频功放,振荡器,放大器,混频器,二极管平衡调制器,上边带滤波器,振荡器,f1=5MHz,f2=15MHz,A,B,C,D,E,F,调制信号,滤波器,G,思考题与习题,线性高频功放,振荡器,放大器,混频器,二极管平衡调制器,上边带滤波器,振荡器,f1=5MHz,f2=15MHz,A,B,C,D,E,F,调制信号,滤波器,G,解：,书山有路勤为径，学海无涯苦作舟！,本章結束,