《电子线路-非线性部分(第四版)谢嘉奎-第4章振幅调制-解调与混频电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子线路-非线性部分(第四版)谢嘉奎-第4章振幅调制-解调与混频电路（153页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 4 章振幅调制、解调与混频电路,概述,4.1频谱搬移电路的组成模型,4.2相乘器电路,4.3混频电路,4.4振幅调制与解调电路,4.5参量混频电路,概述,调幅与检波的概念,1地位 通信系统的基本电路。,2特点,对电路中信号频谱进行的变换，电路有新频率成分产生。,为此，需引用一些信号与频谱的概念。,3信号与频谱,信号的三种表示法：表达式、波形图、频谱图。,4模拟相乘器,作用：实现两信号的相乘，实现频谱变换。,5两种类型的频谱变换电路, 频谱搬移电路：将输入信号的频谱沿频率轴搬移。,例：振幅调制、解调、混频电路(本章讨论)。,特点：仅频谱搬移，不产生新的频谱分量。, 频谱非线性变换电路：将输入
2、信号的频谱进行特定的非线性变换。,例：频率调制与解调电路(第 5 章讨论)。,特点：产生新的频谱分量。,本章内容,4.1频谱搬移电路的组成模型(调制、解调、混频) (原理),4.2相乘器电路(电路实现),4.3混频电路,4.4振幅调制与解调电路,频谱搬移电路的重要应用,第 4 章振幅调制、解调与混频电路,4.1频谱搬移电路的组成模型,4.1.1振幅调制电路的组成模型,4.1.2振幅解调和混频电路的组成模型,4.1.1振幅调制电路的组成模型,一、调幅波的数学表式,设：调制信号v(t) = V cos t (1),载波信号vc(t) = Vcmcos ct (2),其中，c = 2fc：载波角频率
3、；,fc：载波频率，c 。,若同时作用在一个非线性器件 i = f(v) 上，有,Vcmcos ct + V cos t(3),将非线性器件的输出电流用三角函数展开,(4),将式(3)代入式(4) ，取前三项，则,(5),将第三项展开，利用式 ，,故式(5)可写为,(6),若负载为 LC 调谐回路， ，2 ，2c 均远离 c，去掉它们及直流分量，则式(6)可写为,(7),(7),所以，输出调幅波电流的数学表达式为,(8),式中：Im0 = a1Vcm ：调制前载波电流振幅；,Im0(1 + Ma cos t) ：调幅波电流振幅；,Ma：调幅度。(9),若负载为 LC 调谐回路，谐振在 fc，谐
4、振电阻 RP，则回路两端电压 vO(t) = iRP = Vm0 (1 + Ma cos t) cos ct (4-1-1),式中，Vm0 = kVcm：输出载波电压振幅,将式(9)代入式(4-1-1)， 得,vO(t) = Vm0 + kav(t) cos ct(4-1-2),二、普通调幅信号及其电路组成模型,1电路组成模型,式中，AM ：相乘器乘积系数； A：相加器的加权系数，且 A = k，AM AVcm = ka。,2单音调制,(1)表达式,vO(t) = Vm0 (1 + Ma cos t) cos ct(4-1-2),式中： Vm0 (1 + Ma cos t) ：vO(t) 的振
5、幅，反映调制信号的变化，称为调幅信号的包络。,：调幅度，表征调幅信号的重要参数。,图 4-1-2调幅信号的波形,(2)波形,当 Ma = 0，未调制；当 Ma = 1，最大不失真； 若 Ma 1，在 t = 附近，vO(t) 变为负值，出现过调幅失真。,(a)(b) 图 4-1-3过调幅失真,在实际调幅电路中，由于管子截止，过调幅的波形变为图 4-1-3(b) 。,(3)频谱,将式(4-1-2) vO(t) = Vm0 (1 + Ma cos t) cos ct 用三角函数展开,单音调制时调幅信号的频谱：由三个分量组成：, c 载波分量, (c + ) 上边频分量, (c - ) 下边频分量,
6、两边频为相乘器对 v(t) 和 vc(t) 相乘的结果。,3复音调制,(1)表达式,设 v(t) 为非余弦的周期信号，其傅里叶展开式为,式中，nmax = max / = Fmax / F， max = 2Fmax 为最高调制角频率，其值小于 c 。,输出信号电压为,(2)频谱,可见，vO(t) 的频谱结构：,c ：载波分量；,(c )、(c 2)、 、(c nmax) ：上、下边频分量，其幅度与调制信号中相应频谱分量的幅度 Vmn 成正比。,图 4-1-5过调幅失真 (a)调制信号(b)普通调幅信号,(3) 频谱宽度,调幅信号的频谱宽度为调制信号频谱宽度的两倍，即 BWAM = 2Fmax,
7、4结论,调幅电路组成模型中的相乘器可对 v(t) 和 vc(t) 实现相乘运算，其结果 ：,在波形上，将 v(t) 不失真地转移到载波信号振幅上；,在频谱上，将 v(t) 的频谱不失真地搬移到的 c 两边。,调幅波的数学表达式与频谱,5 调幅波的功率(设单位电阻、单音调制),(1)调幅信号在一个载频周期内的平均功率,式中， ：常数，载波分量产生的平均功率。,P(t) 为 t 与 Ma 的函数，,当 Ma = 1 时，Pmax = 4P0，Pmin = 0,(2)P(t) 在一个调制波周期内的平均功率,：上、下边频分量的功率，称为边频功率。,(3)讨论,Pav 为各频谱分量产生的平均功率之和。,
8、当 Pav 一定时，P0 ，PSB ，而 P0 为载波功率，PSB 携带信息。,例：当 Ma = 1 时，,这说明：当 Ma = 1 时，P0 占 Pav 的 67%，PSB占 Pav 的 33%。,Ma = 0.3(一般电台发射信号)时， P0 = 0.955 Pav, PSB = 0.045 Pav 。,结论：普通调幅波，发射效率极低。,解决办法：抑制载波。,三、双边带和单边带调制电路组成模型,1双边带(DSB)调制：仅传输两个边频的调制方式。,(1)目的：,节省发射机的发射功率。,调制信号的频谱结构包括：,上、下边频分量：反映调制信号的频谱结构；, 载波分量：通过相乘器将调制信号频谱搬移
9、到 c 两边，本身不反映调制信号的变化，故传输前可抵制掉。,(2)表达式,普通调幅： vO(t) = Vm0 + kav(t) cos ct,双边带调幅： vO(t) = kav(t) cos ct,特点：, 普通调幅：调制波叠加在载波振幅 Vm0 上；, 双边带调幅：调制波不再依托 Vm0 。当 v(t) 进入负半周时，vO(t) 也变为负值，载波电压产生 180 相移。调制信号波形在过零处出现 180 的相位突变。,(3)波形,图 4-1-6双边带调制信号 (a) 波形(b) 频谱,双边带调制,(4)组成模型,图 4-1-6双边带调制信号 (c) 频谱,2单边带(SSB)调制信号,(1)定
10、义,仅传输一个边频的调制方式。,原理：上、下边带均反映了调制波的频谱结构(区别仅在于下边带是调制信号频谱的倒置,对传输信息无关紧要)。因此可将其中一个边带抑制掉而不影响传送信息。,优点：节省发射功率；频谱宽度压缩一半，BWSSB = Fmax。,(2)实现模型,(a) (b) 图 4-1-7采用滤波法的单边带调制电路组成模型 (a) 组成模型(b) v(t) 频谱, 滤波法：相乘器 + 带通滤波器。,相乘器：产生双边带调制信号；滤波器：取出单边带信号。,(a) (b) 图 4-1-7采用滤波法的单边带调制电路组成模型 (a) 组成模型(b) v(t) 频谱, 相移法：相乘器、90 相移器、相加
11、器组成,相乘器 ：,相乘器：,两式相减或相加,输出仅为单边带调制信号,对复杂信号，相移法的组成模型也成立。,4.1.2振幅解调和混频电路的组成模型,特点：均实现频谱不失真地搬移，两类组成模型类似。,一、振幅解调电路,1定义,解调(Demodulation)：调制的逆过程。,振幅检波(简称检波 Detector)：振幅调制信号的解调电路，从调幅信号中不失真地检出调制信号的过程。,2组成模型,图 4-1-11(a)调幅解调电路的组成模型,相乘器 + 低通滤波器。,vS(t) ：调制信号,vr(t) ：同步信号，特点 与原载波信号同频同相位。,3原理,频谱搬移：将调制信号频谱不失真地搬回零频附近。,
12、图 4-1-11调幅解调电路电路的组成模型和相应的频谱搬移 (b)调幅解调电路的组成模型,频谱的搬移过程(假设为双边带)：调幅信号 vS(t) 与同步信号 vr(t) 相乘，结果 vS(t) 的频谱被搬到：,频谱的搬移过程(假设为双边带)：调幅信号 vS(t) 与同步信号 vr(t) 相乘，结果 vS(t) 的频谱被搬到：, 2c 的两侧，构成载波角频率为 2c 的双边带调制信号，它是无用的寄生分量；, 搬到零频率两侧。其中，vS(t) 的一个边带被搬到负频率轴上(不存在)，叠加在正频率分量上，数值上加倍。,4讨论, vr(t) 必须与原载波信号严格同步(同频、同相)，故称为同步检波电路。否则
13、检波性能下降。, 另一种检波电路不需要vr(t)，称为包络检波电路，以后讨论。,二、混频(Mixer)电路,又称变频(Convertor)电路，超外差接收机的重要组成。,1作用,图 4-1-12混频电路的作用,频谱搬移：将载频为 fc 的已调信号 vS(t) 不失真地变换为载频为 fI 的已调信号 vI(t) 。,vL(t) ：由本机振荡器产生的本振电压，fL ：本振频率。,fL、fI 、fc 之间的关系为,2组成模型,图 4-1-13混频电路的实现模型 (a)混频电路的组成模型,图 4-1-13(a) 为典型的频谱搬移电路，可用相乘器和滤波器实现。,3原理,(1)混频,设,vS(t) = V
14、sm0 + ka v (t) cos ct,vL(t) = VLm cos Lt,图 4-1-13混频电路的实现模型 (b)输入信号频谱 (c)相乘器输出电压频谱,若 fL fc 时，经相乘器，将 vS(t) 的频谱不失真地搬移到 L 的两边：,一边搬到 L + c 上，构成载波角频率为 L + c 的调幅信号；,另一边搬到 L - c 上，载波角频率为 L - c。,若令 I = L - c， 则前者为无用的寄生分量，而后者为有用中频分量。,(2)滤波,用调谐在 I = L - c 上的带通滤波器取出有用的分量。,第 4 章振幅调制、解调与混频电路,4.2相乘器电路,4.2.1非线性器件的相
15、乘作用及其特性,4.2.2双差分对平衡调制器和模拟相乘器,4.2.3大动态范围平衡调制器 AD630,4.2.4 二极管双平衡混频器,功能：实现频谱搬移。,实现：利用非线性器件。,本节内容：,1非线性器件的相乘作用及其特性(时变参量分析法)；,2双差分对平衡调制器和模拟相乘器；,3大动态范围平衡调制器 AD630；,4二极管双平衡混频器。,4.2.1 非线性器件的相乘作用及其特性,一、一般分析,例如二极管、晶体管，其伏安特性为,i = f(v)(4-2-1),式中，v = VQ + v1 + v2,VQ ：静态工作点电压， v1、v2 ：输入电压。,由泰勒级数,令 x = VQ + v1 +
16、v2 ， i = f(v)。在 Q 点的展开式为,式中，a0，a1， ，an 由下列通式表示,(4-2-2),(4-2-3),由二项式定理，所以,(4-2-4),可见，在两个电压同时作用下，响应电流中：, 出现了两个电压的相乘 2a2v1v2，(m = 1，n = 2), 出现了无用高阶相乘项，(m 1，n 2)。,设 v1 = V1mcos1t，v2 = V2mcos2t ，代入(4-2-4)式，由三角变换，可知该非线性器件的输出电流中包含众多组合频率电流分量，用通式表示,p,q = | p1 q2|，(p，q = 0，1，2 ，) (4-2-5),其中，只有 p = 1，q = 1 的和频或差频(1,1 = | 1 2|) 是有用的，而其他组合频率分量都是无用的。,消除无用组合频率分量的措施：, 器件特性：选有平方律特性的器件(如场效晶体管)；, 电路：组成对称平衡电路，抵消部分组合分量；, 输入电压上：限制输入信号 v2 大小，使非线性器件处于线性时变状态，组合分量最小。,二、线性时变状态,1线性时变表达式,将式(4-2-4)改写为 v2 的幂级数,故,上式可看成
