通信电路与系统 第四章

第四章幅度调制&解调第章幅度制解和混频电路北京理工大学本章主要内容4-1 概述4-2 幅度调制原理4-3 调幅电路幅电路4-4 幅度解调电路44幅度解调电路45 混频原理与电路4-5混频原理与电路北京理工大学24-0 40 调制的必要性¾调制就是用基带信号改变高频信号的某一参量（幅度、频率相位）使其含有基带信号的变化规律调制不是目的率、相位），使其含有基带信号的变化规律；调制不是目的，而是手段，是信息传输的需要，其必要性为：无线传输时易于辐射1．无线传输时易于辐射天线振子尺寸，才能开始有效辐射；高载频有利10/λ>l 于天线尺寸实现2．便于实现多路信号传输通过调制可将不同的基带信号信息搬移到不同载波上通过调制，可将不同的基带信号信息搬移到不同载波上，彼此保持一定的频率间隔，这就是所谓FDM 体制，这就需要调制环节的介入3. 传输信号的功率和带宽可以互换北京理工大学3如超宽带(射频信号带宽为载频的1/10或大于500MHz)调制4-14-1-1 线性频率变换：41 概述模拟基带信号频谱模拟幅度调制与混频f0B sf c －Bsf cfc＋B普通调幅f cs抑制载波的双边带调幅f c －Bsf cf0fc＋Bsf Iff c下混频北京理工大学4上混频4-141 概述4-1-1 线性频率变换：模拟幅度调制与混频无论是调幅，还是混频，其频率变换都是频谱 无论是调幅，还是混频，其频率变换都是“频谱的线性搬移”频率变换电路必须是非线性电路，如乘法电路混频不改变原信号的调制规律(原信号的频谱结构与时域波形)，所改变的仅仅是信号的中心频率所改变的仅仅是信号的中心频率北京理工大学54-1 4-1-2 非线性频率变换：模拟角度调制，包括频率调制和相位制41 概述制和相位调制以调频(FM ：frequency modulation)信号为例：FM 波瞬时角频率：B ()()c t k s t ωω=+⋅t t===s B (t)为基带信号FM 波瞬时总相角：B 00()()()()c c t t dt t k s t dt t t φωωωϕ++∫∫[]()cos ()cos ()m c S t A t t A t ωϕφ=+=FM 波：为单一频率的正弦波的为单一频率的正弦波的f C北京理工大学6s B (t)为单频率的正弦波的FM 波时域波形s B (t)为单频率的正弦波的FM 波频谱4-1 4-1-2 非线性频率变换：模拟角度调制，包括频率调制和相位制41 概述制和相位调制角度调制是对基带调制信号的非线性频率变换，即已调波的频谱结构不同于基带信号频谱对于同一基带信号产生的调角波带宽大于调幅 对于同基带信号产生的调角波带宽大于调幅波带宽北京理工大学74-2 42 幅度调制原理调制器示意图a(t):u(t)：已调制信号调制器a(t)u(t)m(t)：所要传送的基带信号a(t): 正弦高频振荡电压或电流，称为未调制载波信号m(t) 实际中所传输的基带信号通常是随机的、多频率的 为了便于清晰地对调幅波进行数学分析, 通常先假设基带调制信号为单音信号即为频率较低的余弦波;然后带调制信号为单音信号, 即为频率较低的余弦波; 然后将分析结果推广到多频率基带信号的调幅场合北京理工大学842 幅度调制原理4-2¾调幅方式：普通双边带调幅（AM）抑制载波双边带调幅（DSB-SC）DSB SC单边带调幅（SSB）残留边带调幅（VSB）北京理工大学94-2 42 幅度调制原理4-2-1 普通(常规)双边带调幅(AM)A. 单音普通AM 波的时域表达=普通AM 波的时域表达式为其中，m 称为调幅系数或调幅度()/m dc m U V Ω=01m ≤≤()()()AM m c u t u t u t ⋅[]1cos cos cm c U m t t ω=+Ω调幅系数m 取值调幅状态未载波m = 0未调载波0 <m < 1AM 波m = 1满度调制m > 1过度调制(产生过调失真)北京理工大学114-2-1 普通(常规)双边带调幅(AM)A. 单音普通AM 波的时域表达¾调幅系数的测量U AM,max ()()()AM m c u t u t u t ⋅[]1cos cos cm c U m t t ω=+ΩU AM,min]1[max ,m U U cm AM +=]1[min ,m U U cm AM −=min ,max ,AM AM U U U U m +−=min,max ,AM AMω+Ωω单音普通AM波能量利用率很低，调制效率不高，关键问题在于不含信(%)m η息的载波分量在总功率中占了很大比例，含有基带调制信息的边带功率所占的比例不超过1/3为了提高调制效率，相继出现了“抑制载波的双边带调幅”和“抑制载波的单边带调幅”方式m制载波的单边带调幅方式4-2 42 幅度调制原理4-2-1 普通(常规)双边带调幅(AM)E. 普通AM 的实现模型Σ乘法器BPFV dcu AM¾普通AM 的乘积调制模型U Ωm cos ΩtU c cos ωc t¾普通AM 的叠加调制模型Σ非线性器件BPFu AMU Ωm cos Ωt北京理工大学20U c cos ωc t)1其波形为：()()(AM c u t u t u t Ω=⋅tU U t U U c c m c c m )cos(21)cos(2Ω++Ω−=ΩΩωω包络不再直接反映基带调制信号规律！载波倒相4-2 42 幅度调制原理4-2-2 抑制载波双边带调幅(AM-DSBSC)单音AM-DSBSC的频谱Ω+c ωΩ−c ω 多音AM-DSBSC的频谱上边带下边带−Ω−Ωω9不发送载波，只发送包含信息的上下边带c NωΩ1c ωΩ1c ω+Ωc Nω+Ω北京理工大学224-2 42 幅度调制原理4-2-3 单边带调幅(AM-SSB)在AM DSBSC信号中上下边带包含同样的信息为了最大限度地节在AM-DSBSC信号中，上下边带包含同样的信息，为了最大限度地节省传输带宽，提高通信的有效性，可以采用只传输一个边带的方式，即所谓单边带传输方式上边带下边带ωAM-DSBSCc Nω−Ω1c ω−Ω1c ω+Ωc Nω+Ω上边带1c ω+Ωc Nω+ΩωAM-SSB 下边带ω−Ωω−ΩωAM SSB北京理工大学23c N 1c4-242 幅度调制原理4-2-3 单边带调幅(AM-SSB)¾单边带与双边带调幅的特点单边带与边带幅的特点(1) AM-DSBSC波和AM-SSB波都没有载频分量，都是调制效率(能量利用率)很高的调制方式；()(2) AM-SSB波较AM-DSB波，信号带宽节省至少一倍；(3) 由于已调波中没有载频分量，对于AM-DSBSC波和AM-(3)由已调波中对AM DSBSC波和AMSSB波，各自的振幅包络规律不直接反映基带调制信号时变规律；(4) 在接收端对AM-SSB波和AM-DSBSC波进行解调或检波时，必须采用同步检波(即收、发端的载波要同频同相,严必须采用“”(即收发端的载波要同频同相严格同步)；() 生复杂，要陡、复杂边滤波(5)AM-SSB信号产生复杂，需要陡峭、复杂的边带滤波器北京理工大学244-2 4-2-3 单边带调幅(AM-SSB)单边带与双边带42 幅度调制原理AM-DSBSC 波¾调幅的特点AM-SSB 波[下边带]北京理工大学2542 幅度调制原理4-24-2-3 单边带调幅(AM-SSB)¾单边带传输的两种模式独立边带:上下两个边带同时、独立地传输两路互不相关的信号残留边带(VSB)：双边带调制频带宽，不利于窄带谐振放大；而单边带调制所需的接收机解调复杂、成本高；既然上下边带在频率轴上对称分布着同样的信息，可以只抑制掉部分信号边带，以减小传输带宽，抑制部分信号带宽的原则是应有利于解带以减小传输带宽抑制部分信号带宽的原则是应有利于解调的简单方便北京理工大学264-2 42 幅度调制原理4-2-3 单边带调幅(AM-SSB)¾独立边带基带信号1调幅器上边带滤波器信号1基带信号ω载波相加放大基带信号2ω下边带信号2下边带传输上边带传输调幅器滤波器ωcω北京理工大学2742 幅度调制原理4-24-2-4 残留边带调幅(AM-VSB)¾AM-VSB信号的特点VSB滤波器特性H v( f )保留了载频分量和一个完整的上或下边带，而另一边带部分保留;较AM-DSBSC信号节省了传输频带，便于窄带谐振放大;相比AM-SSB信号，由于载频分量仍然保留，使解调电路更加简单、成本低单成本低f cf 北京理工大学284-2 42 幅度调制原理4-2-4 残留边带调幅(AM-VSB))¾AM -VSB滤波器特性(v c H ωω−()v c H ωω+10.5ω残留边带滤波器具有对称特性，在对称转折点处的频率为载频且增益为0.5；()H ωω−()H ωω+＋= 常数北京理工大学29v c v c 常数4-2AM DSBSC 42 幅度调制原理4-2-5 四种调幅方式的比较AM-DSBSC波AM 波AM-SSB 波[下边带]AM-VSB 波北京理工大学3042 幅度调制原理4-24-2-5 四种调幅方式的比较普通(常规)双边带调幅(AM)，其包络直接反映了基带调制信号的时变规律抑制载波双边带调幅(AM-DSBSC)，其包络存在载波倒相问题，间接反映了基带调制信号的规律在载波倒相问题间接反映了基带调制信号的规律单边带调幅(AM-SSB)，其包络不直接反映基带调制信号的时变规律残留边带调幅(AM VSB)，其包络已经无法完全 (AM-VSB)反映基带调制信号的时变规律了，采用直接包络检波将出现失真，需要用同步检波北京理工大学3143 调幅电路4-3¾幅度调制过程是信号的频谱搬移过程，频谱搬移需要非线性变换最直接的非线性变换是“乘法”运算，能够对两个¾最直接的非线性变换是“乘法”运算能够对两个模拟输入信号进行乘法运算的器件称为“模拟乘法器”¾吉尔伯特四象限乘法器，由三组“差分对+恒流源”组成个最为典型的吉尔伯特单元()，组成一个最为典型的“吉尔伯特单元(Gilbert Cell)”是最常用的模拟乘法器；两输入端信号均可作正负极性变化¾其它的非线性变换还包括二极管调幅北京理工大学324-3 43 调幅电路4-3-1 吉尔伯特乘法器原理i I i II¾由三组“差分对+恒流源”构成¾一组“差分对+恒流源”计算：12+i c1i c2+-u be1+-u be2+u in u 1-i tail-+Tbe V u s c e I i /11=Tbe V u s c e I i /22=Tin V u c c e i i /21/=tailc c i i i =+21u 2-]2tanh 1[21//1Tin tail V u V u tail c V u i e e i i Tin Tin +=+=]tanh 1[1/2intail V u tail c u i i i Tin −==北京理工大学33221T V e+4-3 43 调幅电路4-3-1 吉尔伯特乘法器原理]2tanh 1[2]2tanh1[2164151T T V u i i V u i i +=+=，1615u i u i −−i Ii IIR L R L ]2tanh 1[2]2tanh 1[232T T V i V i ==，]2tanh 1[2]2tanh 1[2206205TT V u I i V u I i −=+=，+II I u u u i i i i i i i i i i i h h h )()()()(34214231−−−=+−+=−=u 1-T T T V V I V i i 2tanh2tanh 2tanh )(120165=−=xx x ≈<tanh ,1+TT LL o V u u u V R I R i u 2,)2(2,12120<=⋅=u 2-北京理工大学344-3 43 调幅电路4-3-1 吉尔伯特乘法器原理i Ii IIR L R L Z 通道有均mV 522,)2(2,12120≈<=⋅=T T LL o V u u u V R I R i u +¾只有当u 1和u 2均小于52mV 时，才能实现理想的”乘法”，因此输入动态范围受限u 1-X 通道(载波)¾+u Y 通道提高输入动态范围：9X 通道引入预失真网络；9Y 通道引入负反馈2-(调制信号)北京理工大学354-3 43 调幅电路4-3-1 吉尔伯特乘法器原理i Ii IIR L R L ¾Y 通道引入负反馈265566552)(ln )2ln ()2ln (u R i i i i V R i I i V R i I i V e T e T e T =−+=+−++6s s eR large u i i 265=−u 1-u eR 5.0+R e211652tanh)(u u R V RV i i R u eT L T L o ≈−= mV,5221≈<T V u u 2has no limitationu 2-Y 通道北京理工大学3643 调幅电路4-34-3-2 模拟乘法器芯片－MC1496基于吉尔伯特结构的乘法器请自学教材页91～96页注意AM和AM-DSBSC时，芯片外围电路的不同接法注意芯片不同管脚及其外接元器件的功能北京理工大学374-343 调幅电路4-3-3 二极管调幅电路不同于吉尔伯特乘法器(乘积模型)，这里是叠加模型，利用二极管的非线性实现调幅介绍该电路的主要目的：了解幂级数法分析频谱的方法u Ωi D调谐于ωc ～u o～uc北京理工大学384-3 43 调幅电路4-3-3 二极管调幅电路i D调谐于ωc设：载波电压为tU u c c c ωcos =调制电压为t U u Ω=cos ～u Ω调制压为m ΩΩ二极管的伏安特性用幂级数表示为～u c u onkD kDk i au==∑忽略LC 回路端电压对二极管上电压的反馈作用，则有kc k kDk D u u a u a i )(Ω+≈=∑∑222u a a u a u a u a a u u =++++++Lkk011222c c c ΩΩΩL+++++ΩΩΩ3323233333u a u u a u u a u a c c c 北京理工大学394-3 43 调幅电路4-3-3 二极管调幅电路220112222c c c u a a u a u a u a a u u ΩΩΩ=++++++L L++++ΩΩΩ3323233333u a u u a u u a u a c c c i D 信号叠加Ωωc频率变换ωcΩ2ωc3ωcωc2Ω北京理工大学ωcωc -Ωωc +Ω选频滤波4-4 44 幅度解调电路4-4-1 检波电路的作用、组成及原理¾检波：从已调幅波中无失真地捡出调制信号；完成幅度解调，是调制的逆过程¾频谱向下搬移，检波电路一定由非线性器件(二极管或模拟乘法器)和低通滤波器构成¾常用的检波方式：包络检波，同步检波包络检波是指检波器的输出电压直接反映了高频已调波包络变化规律的一种检波方式A 包络检波种检波方式包络检波器仅仅适用于对普通AM 波(波形包络直接反映调制北京理工大学41信号的变化规律)的解调4-4 44 幅度解调电路4-4-1 检波电路的作用、组成及原理A 包络检波不适合AM-DSBSC、AM-SSB和AM-VSB的解调北京理工大学42不适合和的解调4-4 44 幅度解调电路4-4-1 检波电路的作用、组成及原理B 同步检波，也叫“相干解调”2cos 15.0t t ω+低通滤波器⊗()cos c f t t ω()f t ])[(f c 同步载波cos tω¾适用于所有线性幅度调制信号(AM, AM-DSBSC, AM-SSB, AM VSB)的解调提取电路c AM-VSB)的解调¾检波器中载波的频率和相位，与发送端调幅中载频分量一致，并保持同步变化,即频差为0，相差固定北京理工大学43并保持同步变化, 即频差为0，相差固定44 幅度解调电路4-44-4-1 检波电路的作用、组成及原理B 同步检波同步检波涉及的两个基本概念：凡是振幅包络不直接反映基带调制信号规律的调幅波对其解调(检波)必须采用同步检波方式AM普通波的解调也可以采用同步检波方式(本地/Local)能够事同步检波的前提是在接收端先获得同步载波北京理工大学44经低通滤波(通带电阻为R)后，输出电压uu s u oi D检波器输出平均电压av av LU I R=在峰值附近导通，也叫峰值检波器U avωtI avωt北京理工大学492θ4-4 44 幅度解调电路4-4-2 二极管包络检波器u s u o A 工作原理9时域分析¾瞬态响应反映了检波器对于输入电压幅度变化的跟踪能力，稳态响应反映输出电压建立与内部负反馈(u o 反馈极管两端)因素动态平衡作用的结果二极管两端)因素动态平衡作用的结果¾一旦输入电压幅度发生变化，动态平衡就被打破，电路重新进入瞬态调节程如果检波输电随输调0节过程；如果检波输出电压随输入调幅波幅度变化的调节速率很合适，输出电压就可以跟踪输入调幅波振幅包包0¾检波二极管必须有直流通路，否则不能实现检波，因为流经检波二极管电流中的动态平均分量才是真正要解调的信号规律络的变化规律，实现包络检波功能北京理工大学50。