高频电子线路之信号变换一:振幅调制、解调与混频电路

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在频率变换,就是输出信号的频率与输入信号的 频率不相同,而且满足一定的变换关系。 进行频率变换必须利用非线性器件。非线性器件 可采用二极管、三极管、场效应管、差分对管及 模拟乘法器。
非线性特性的幂级数表示法 i=a0+a1u+a2u2+ · · ·
一、为什么要调制
1. 信号不调制进行发射天线太长,无法架设。
⒈ 什么是调幅? ——载波的振幅值随调制信号的大小作线 性变化,称为振幅调制,简称调幅(AM) 2. 普通调幅电路模型
3.普通调幅信号的表达式
设载波uC=UCmcoswCt 调制信号uΩ=UΩmcosΩt 则uo=A( uC +Am uC uΩ ) =AUCm(1+AmUΩmcosΩt)coswCt =Uom(1+ kaUΩm/Uom cosΩt)coswCt =Uom(1+ma cosΩt)coswCt Uom=AUCm是未经调制的输出载波电压振幅 ma =AmUΩm =kaUΩm/Uom调幅系数 ka是取决于调幅电路的比例常数。
三、调制的方式
模拟调制有以正弦波为载波的幅度调制和 角度调制。
幅度调制,调制后的信号频谱和基带信号 频谱之间保持线性平移关系,称为线性幅 度调制。(振幅调制、解调、混频)
角度调制中,频谱搬移时没有线性对应关 系,称为非线性角度调制。(频率调制与 解调电路)
5.1.1 振幅调制电路
一、普通调幅(AM)
≈I0( Ui /2 UT)
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∴ Uo=△ICRC≈I0RC(Ui /2 UT)
⒉ 恒流可变差分放大器的相乘特性
⒉ 恒流可变差分放大器的相乘特性
(两象限相乘器)
Io变成可变的,即由Uy控制Io ,而Ui=Ux。
当Ux很小即Ux﹤﹤UT,Uy很大即Uy>>ube3, △IC≈I0(Ui/2UT)≈(Uy/Re)(Ux/2UT) Uo=△ICRC≈(RC/Re) ( Ux Uy /2 UT) Uy控制Io ,也就控制了V1和V2的跨导,也称 跨导相乘器。
三、双差分模拟相乘器 (四象限变跨导相乘器)
双差分放大器的相乘特性
当Ux 、Uy﹤﹤UT时
△IC≈I0(Ux/2UT)(Uy/2UT)
因此,对小信号而言,电路起模拟相乘作用。
可扩大输入电压的线性动态范围,见P109
的图5.21。
四、实用集成模拟相乘器举例
1. FZ4相乘器的简化电路图
2. FZ4相乘器的相乘特性
第五章 信号变换一:振幅调制、
解调与混频电路
5.1 信号变换概述 5.2 振幅调制电路 5.3 振幅解调电路 5.4 混频电路 5.5 自动增益控制 本章小结
高频电子线路
第五章 信号变换一:振幅调 制、 解调与混频电路
5.1 信号变换概述
5.1 信号变换概述
在电子技术中,有时需要频率变换,例如调幅、 检波、混频等。
⒉ 普通调幅
相乘器 uo=Amuxuy 设ux为载波uC=UCmcoswCt uy为调制信号叠加直流信号即 uy= Uo+UΩmcosΩt 则uo=AmUCmcoswCt (Uo+UΩmcosΩt) =AmUCmUocoswCt+0.5AmUΩmUCmcos(wC+Ω)t
+0.5AmUΩmUCmcos(wC- Ω)t
二、混频器组成框图及工作原理
⒈ 组成框图
⒉ 工作原理
两个不同频率的高频电压作用于非线性器 件时,经非线性变换,电流中包含直流分 量、基波、谐波、和频、差频分量等。其 中差频分量fLo-fs就是混频所需要的中频成 分,通过中频带通滤波器把其它不需要的 频率分量滤掉,取出差频分量完成混频。 若同一个非线性器件既完成混频、又作为 本地振荡,则这个混频器通常称为变频器。
二、集电极调幅
⒈ 原理图——为实现集电极调幅,应工作在
弱过压状态
高频电子线路
5.3 振幅解调电路
5.3 振幅解调电路
按解调方法分有包络检波和同步检波。 包络检波是指检波器输出电压与输入已调波 的包络成正比的检波方法。这种方法只适用 于AM波。 同步检波是本地载波和发送载波必须保持同 频同相,即完全同步的检波方法。它对于 AM、DSB、SSB、VSB都适用,但解调AM 信号比包络检波复杂,所以很少采用。
1. 对角线失真(惰性失真)
——原因:RLCL选得太大,放电太慢,跟 不上输入信号包络线的变化 2. 底部切割失真(负峰切割失真)
1. 对角线失真(惰性失真)
1. 对角线失真(惰性失真)
调制信号Ω越高、 ma越大,则包络下降速 度越快,越易产生惰性失真
信号在(10~60)mV,已避免已调信号失
真。
3. MC1596实现双边带调幅见p112图5.26。
三、环形调幅器
——实现DSB调幅 原理图
5.2.3 高电平调制电路 一、基极调幅⒈ 原理图——要实现基
极调幅,应工作在欠压状态
各元件作用
T1:高频变压器 T2:低频变压器 T3:输出变压器 C1:低频旁路 C2:高频旁路、低频开路 CE:交流旁路 RE、RB1、RB2:偏置电阻 EB0=RB2EC/(RB1+RB2)-IERE L、C回路:带通滤波器把AM信号取出
一、乘法器的电路符号
5.2.1 模拟乘法器
二、恒流可变差分放大器的相乘特性
⒈ 恒流源差分放大器的相乘特性
⒈ 恒流源差分放大器的相乘特性
令 UT=kT/q 为热力学电压 Ui=Ube1-Ube2 (T=300K时, UT ≈26mV) 当差模输入电压Ui远小于UT ,即| Ui |﹤﹤ UT △IC=Ic1-Ic2≈Iotanh (Ui/2UT)
例题
设载波功率Pc为100W,问调幅度为1及0.3 时,总边频功率、总平均功率各为多少?
(ma =1时, PΩ= 50W、 P∑a=150W、 ma = 0.3 时, PΩ= 4.5W、 P∑a=104.5W)
7.调幅波的几种调制方式
普通调幅(AM):含载频、上、下边带 双边带调幅(DSB):不含载频 单边带调幅(SSB):只含一个边带 残留单边带调幅(VSB):含载频、一个 边带
若uΩ=UΩ1mcosΩ1 t+UΩ2mcosΩ2t +· · · +UΩnmcos Ωnt 则uo= Uom(1+ma1 cos Ω1t+ ma2 cos Ω2t +· · · + man cos Ωnt )coswCt 带宽 BW=2 Fmax
6.调幅波的功率关系
(1)载波功率 Pc =U2cm / (2 RL ) (2) 上、下边频功率 P上= P下=(maUCm/2)2 /(2 RL) = m2a U2cm / (8 RL ) = m2a Pc / 4 (3)总边频功率 PΩ= m2a Pc / 2 (有用的功率) (4)总平均功率P∑a=Pc+PΩ =(1+ m2a / 2)Pc
电阻、电容的充放电过程来完成检波任务。
二、主要技术指标
二、主要技术指标
⒈ 检波效率——大
直流传输系数 Kd=UD/UCm 交流传输系数 Ka=UΩm/ma UCm ⒉ 检波器的输入阻抗 Ri =Ucm/Ic1m ≈RL/2
为了减小检波器对谐振回路的影响,常采用
三极管射极包络检波器(p116)。
三、二极管包络检波电路中的失真
包络线不同
DSB为半波、AM为全波
相位不同
DSB调幅波的高频相位在调制信号正负交 替处要突变而AM波则为连续变化。
(3)DSB的波形
2.单边带调制(SSB)
(1)频谱宽度 BWSSB =F (2)单边带信号产生方法常用滤波法、移 相法。 滤波法是在DSB调制后加一带通滤波器, 滤除一个边带,即可得到SSB已调波。 移相法调制电路由两个乘法器、两个90° 相移器和一个加法器组成。
2. 信号不调制进行传播会相互干扰,无法接 收。
二、几个基本概念
⒈ 载波:高频振荡波 ⒉ 载频:载波的频率 ⒊ 调制:将低频信号“装载”在载波上的过 程。即用低频信号去控制高频振荡波的某个 参数,使高频信号具有低频信号的特征的过 程。 ⒋ 已调波:经调制后的高频振荡波。 ⒌ 解调:从已调信号中取出原来的信息。
二、双边带调制和单边带调制
1. 双边带调制
(1) 双边带调制电路的模型
(2)DSB信号数学表达式及频谱宽度
uo= Am uC uΩ = Am UΩmcosΩt UCm coswCt =1 /2 Am UΩm UCm 〔cos(wC+Ω)t +cos(wC- Ω)t〕 频谱宽度BWDSB =2F
(3)DSB的波形(与AM比)
单频调制时包络检波器的输入与输出波形
同步检波器的框图
一、二极管包络检波电路的工作原理
⒈ 原理图
5.3.1 二极管包络检波电路
要求:1/wcCL﹤﹤RL 滤去高频 1/ΩCL >> RL 取出低频 即低通滤波器
⒉ 工作原理(输入信号大于0.5v)
① 检波过程
ui正半周时,二极管导通,即输入电压ui对CL充电。 由于二极管正向电阻很小,故充电时间常数小,很 快充到输入电压峰值,充电电压相对二极管是附加 了反向偏置uo ,当ui下降到小于充电电压uo时,二 极管截止, CL向RL放电,由于RL很大,放电时间 常数大,故CL上电压还没下降多少,输入信号ui下 一个周期又来到,充电、放电· · ·· · · 如此循环,直 到电容上的充放电达到平衡。
Uo≈4UxUyRC/(I3RxRy)=KUxUy 其中K=4RC/(I3RxRy),称为相乘因子。 在Uo的表达式中已不再有UT,这说明在这种电 路中,不再有Ux 、Uy﹤﹤UT的要求,即扩展了 输入电压Ux 、Uy的线性动态范围。
5.2.2 低电平调制电路
一、模拟相乘器调幅原理
⒈ 双边带调幅 相乘器 uo= Amuxuy 设ux为载波uC=UCmcoswCt uy为调制信号uΩ=UΩmcosΩt 则uo=AmUCmcoswCt UΩmcosΩt =0.5AmUCmUΩm [cos(wC+Ω)t +cos(wC- Ω)t] ——实现DSB调制
4.调幅波的波形
调幅系数不同时的已调波波形
0≤Ma ≤1
5.调幅波的频谱及其带宽
(1)单音频调幅波 uo= Uom(1+ma cosΩt)coswCt =UomcoswCt+maUom/2cos(wC+Ω)t + maUom/2cos(wC- Ω)t BW=( fc+F)-(fc-F)=2F
(2)多音频调幅波
ma=UΩm/Uo即调节直流电压Uo可改变ma
二、集成模拟乘法器实现调幅
1.典型的调制解调器MC1596内部电路图
2. MC1596实现普通调幅的电路
为了获得合适的直流电压Uo ,以调节ma的大
小,在输入端的1、4间接入了两个750Ω 的电
阻,50kΩ 的电位器(也称调零电路)。
一般输入载波信号在(100~400)mV,调制
移相法单边带产生器框图
5.1.2 振幅解调电路
从已调波中提、恢复调制信号的过程,称
为解调,通常也称为检波。
完成解调的电路称为解调器或检波器。
解调器的频谱变换
5.1.3 混频电路
一、混频的概念 ——将频率为fc的高频已调载波信号不失真地变换 成频率为fI的中频已调信号。(调制规律不变) 。 fI 、 fc之间的关系为 fI = fc + f L fc - fL fc > f L fI = fL - fc fL > f c fI > fC的混频称为上混频, fI < fC的混频称为下混 频。调幅广播收音机一般采用下混频,它的中频 规定为465kHz。
② 输入等幅波时检波器的工作过程
③ 输入AM信号时检波器工作过程
检波过程
以上检波过程,实际上是二极管在端电压ui-uo 的作用下,依次导通、截止,使得流过的电
流为尖顶余弦脉冲,其中含有直流分量、低 频调制分量、高频基波分量及各次谐波分量。
由低通滤波器滤除高频基波和各次谐波分量, 保留下与包络变化规律相对应的低频电压信 号。 结论:利用二极管的单向导电性和检波负载
高频电子线路
第五章 信号变换一:振幅调制、 解调与混频电路
5.2 振幅调制电路
5.2 振幅调制电路
振幅调制按其功率的高低可分为低电平调制和 高电平调制。
低电平调制主要用来实现双边带和单边带调制, 目前应用最广泛的低电平调制电路有:双差分 对模拟乘法器调幅、二极管环形调幅器调幅。 高电平调制主要用于实现普通调幅波调制,它 主要用在调幅发射机的末端。
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