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1、6.1频谱变换,1.什么叫频谱变换电路？具备将输入信号频谱进行频谱变换，以获取具有所需 频谱的输出信号这种功能的电路就叫做频谱变换电路。 例如，倍频就是将频率较低的信号通过倍频变换成频 率较高的信号。又如，调幅波就是将频率很低的音频信号 或视频信号调制到高频的幅度上去。再如，检波电路就是 将载有音频信号或视频信号还原成音频信号或视频信号。,频谱变换电路,频谱搬移电路,频谱非线性变换电路,调幅及解调电路 混频电路 倍频电路,普通调幅及解调电路 单边带调幅解调电路 双边带调幅解调电路,调频电路,调频波的解调电路限幅器,直接调频电路,间接调频电路,变容二极管调频电路 晶体管振荡器直接调频电路 电容话
2、筒调频电路 电抗管调频电路,斜率鉴频器 相位鉴频器 比例鉴频器 移相乘积鉴频器 脉冲均值鉴频器 锁相环鉴频器 跟相环鉴频器,2.分类,6.1频谱变换的原理 6.1.1 频谱变换的基本原理,频谱变换技术是无线电通信、广播及电视等系统中必不可少的技术。信号通过一定的传输介质在发射机和接收机之间进行传送时，信号的原始形式一般不是和传输。因此必须转换他们的形式。将低频信号加载到高频载波的过程、或者说把信息加载到信息载体上以便传输的处理过程，称为调制。所谓 加载 ，其实质是使高频载波信号（信息载体）的某个特性参数随信息信号的大小呈线性变化的过程。通常称代表信息的信号为调制信号，称调制后的频带信号为已调
3、波信号。 基本原理是利用非线性器件的频率变换作用， 基本分析方法是在分线性电路分析方法的基础上借助与三角函数变换关系 。,分别将上述两个余弦信号的角频率及相应的振幅绘成如图6-2-1 a所示的谱线图 ，称为频谱图。,若令,利用非线性器件的频率变换作用,上式表明两个单频余弦信号相乘后，原来位于低端，角频率为的余弦信号，被搬移到了 附近，并对称排列在两侧。,如果信号为,若取,结论,当两个余弦（或两个正弦）信号相乘时可实现频谱的搬移。 最方便的实现办法是利用乘法器（或具有相乘功能的非线性器件）实现频谱的搬移。,6.2 模拟乘法器的特性及工作原理 6.2.1 模拟乘法器的基本特性及工作原理,集成模拟乘
4、法器是模拟集成电路的一个重要分支。 高频电路中用到的单片模拟集成电路可分为两类:一类是专用集成电路，用于实现某些特定功能，如电视接收机中的视频信号同步检波、相位检波等等。,理想模拟乘法器的输出方程为：,（6-2-3）,由图所示电路得,(6-2-4),(6-2-6),6.2.2模拟乘法器的倍频/混频特性,1.倍频特性,当两个输入信号为同频率的信号即可实现两倍频作用。如图所示电路中,假设,由,经过选频网络(高通)滤波器后，输出信号为,(6-2-8),2.混频特性,通过选频网络(带通)滤波器就可选择出我们所需要的差频分量或和频分量信号,或,则,6.2.3 模拟乘法器的解调特性,1.调制特性,经过带通
5、滤波器后,(6-2-10),经过带通滤波器后,(6-2-11),2. 解调特性,利用模拟乘法器解调时,调幅信号通常从图6-2-7所示电路,设本机振荡电压为,调幅波电压为,用低通滤波滤除高频分量, 取出低频分量,6.2.4 模拟乘法器的鉴相特性,分三种情况进性分析,假定:,滤除高频分量后, 输出电压为,(6-2-15),将利用式式(6-2-6)得,考虑到鉴相需要，展开式中取,经过低通滤波器滤后,(6-2-16),幅度调制用调制信号去控制高频振荡器的幅度，使其幅度的变 化量随调制信号成正比的变化，这一过程叫做调制。经过 幅度调制后的高频振荡称为幅度调制波(简称调幅波)。根 据频谱结构的不同可分为普
6、通调幅(AM)波，抑制载波的双 边带调幅(DSB/SC AM)波和抑制载波的单边带调幅(SSB/SC AM)波。,6.3 普通调幅波的产生和解调电路,（1） 设：载波信号：,调制信号：,那么调 幅信号（已调波）可表达为：,由于调 幅信号的振幅与调制信号成线性关系，即有：,即：,式中ma为调制 度，,常用百分比数表示。,1. AM调幅波的数学表达式,返回,6.3.1 标准振幅调制（AM）信号分析,休息1,休息2,则有,其中：,一般，实际中传送的调制信号并非单一频率的信号，常为一个连续频谱的限带信号 。,则,2、调幅信号波形,波形特点：（1）调幅波的振幅（包络）变化规律 与调制信号波形一致 (2)
7、 调幅度ma反映了调幅的强弱程度，可以看出：,一般m值越大调幅越深：,返回,休息1,休息2,仿真,（1）由单一频率信号调 幅,可见,调幅波并不是一个简单的正弦波，包含有三个频率分量：,3、调幅波的频谱,返回,同样含有三部分频率成份,(2) 限带信号的调幅波,返回,由于：,4、AM信号的产生原理框图,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。,仿真,返回,(2) 上、下边带的平均功率：,(3) 在调制信号一周期内，调幅信号输出的平均总功率,(4)边带功率，载波功率与平均功率之间的关系：,5、调制波的功率,休息1,休息2,例题1,有一普通AM调制器，载波频率为500kHz,振幅为20
8、V.调制信号频率为10kHz,它使输出调幅波的包络振幅为7.5V。求： （1）上下边频（2）调制系数（3）调制后载波和上下边频电压的振幅；（4）包络振幅的最大和最小值；（5）已调波的表达式（6）画出输出调幅波的频谱；（7）画出输出调幅波的草图,在AM调制过程中，如果将载波分量抑制就形成抑制载波的双边带信号，简称双边带信号，它可以用载波和调制信号直接相乘得到，即：,调制信号为单一频率信号：,调制信号为限带信号的调制：,双边带( double sideband DSB)调幅信号,、 数学表达式,返回,休息1,休息2,2. 波形与频谱,双边带( double sideband DSB)调幅信号,(1
9、) DSB信号的包络正比于调制信号,(2) DSB信号载波的相位反映了调制信号的极性，即在调制信号负半周时，已调波高频与原载波反相。因此严格地说，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。,(4) 占用频带,仿真,返回,休息1,休息2,单边带(SSB)信号是由双边带调幅信号中取出其中的任一个边带部分，即可成为单边带调幅信号。其单频调制时的表示式为：,上边带信号,下边带信号,单边带( single sideband SSB)信号,返回,休息1,休息2,1. SSB信号的性质,在现代电子通信系统
10、的设计中，为节约频带，提高系统的功率和带宽效率，常采用单边带（SSB）调制系统,由DSB信号经过边带滤波器滤除了一个边带而形成，如：,上边带信号,下边带信号,2. 单边带调幅信号的实现,返回,休息1,休息2,(1) 滤波法,有三种基本的电路实现方法：滤波法、相移法和移相滤波法 ：,另外由三角公式：,(2) 相移法,利用上三角公式的实现电路如下图所示：,返回,休息1,休息2,仿真,移相滤波法是将移相和滤波两种方法相结合，并且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。,(3) 移相滤波法,移相滤波法实现单边带调幅的电路框图,返回,休息1,休息2,u=sint
11、,u1 = sint sin 1t,u2 = sint cos 1t,u3 = cos(1-)t,u4 = sin (1-)t,u5 = cos(1-)t sin ct,u 6 = sin (1-)t cos ct,u5 + u 6,u5 - u 6,相加器输出电压： u SSBL = u 5+ u 6= sin (c+ 1)-t = sin c1-t,相减器输出电压： u SSBU = u 5- u 6= sin (c- 1)+t= sin c2+t,6.3.2 普通调幅波的产生电路在无线电发射机中，按功率电平的高低，普通调幅电 路可分为高电平调制电路和低电平调制电路两大类。前者 属于发射机
12、的最后一级，直接产生发射机输出功率要求的 已调波；后者属于发射机前级产生小功率的已调波，再经 过线性功率放大达到所需的发射机功率电平。现设载波电压为 uc(t)=Ucmcosct调制电压为 u=Ec+Umcost上两式相乘得到普通振幅调制信号,6.3.6,6.3.7,式中，ma称为调幅系数(或调制指数)，它表示调幅波的幅 度的最大变化量与载波振幅之比，即幅度变化量的最大值。 显然0ma1，否则已调波会产生失真。根据6.3.8式，我们可以采用乘法电路实现它。,6.3.8,6.3.3 普通调幅波的解调电路解调是调制的逆过程。幅度调幅波的解调简称检波，其 作用是从幅度调制波中不失真地检出调制信号来。
13、从频谱上 看，就是将幅度调制波的边带信号不失真地搬到零频附近。 因此幅度调制波的解调电路也属于频谱搬移电路。需要用乘 法器来实现这种频谱搬移作用，其电路模型如图所示。普通调幅波检波器常采用晶体三极管检波，二极管检波 和模拟乘法器解调。目前应用较多的是后两种。,幅度调制波解调电路模型,1.二极管串联型大信号检波器如图所示，检波器电路由三部分组成：信号输入电 路，一般是中放末级输出电路；检波二极管，利用单向导 电性进行检波；检波器负载电路，即低通滤波器。这种滤 波器一般要求输入信号大于0.5V，因此也称大信号检波器。,检波器等效电路,幅度调制中频信号经过检波二极管后得到的是如图所示 的波形。再经过
14、低通滤波器后，滤除高次谐波，得到所需的 调制信号。其物理解释如下：,经过检波二极管后的输 出波形是幅度被调制的尖顶 余弦脉冲，由于低通滤波器 是由滤波电容C和负载电阻 R组成，充电时间常数由 RDC决定(RD为二极管的正 向电阻)，其充电时间常数小而 放电时间常数RC大。故调,制包络可以保留下来，然后经过隔直流耦合电容Cc，隔除了 直流分量。所以输出信号只有调制的包络信号。实现了幅度,检波过程的波形,调制的目的。2.普通调幅波的同步解调用模拟乘法器也可以完成对普通调幅波的同步解调。如 图所示。,普通调幅波的解调电路,当放大限幅器放大增益足够大时，uy(t)接近频率为c 的方波。经过傅立叶级数展
15、开可得,当n=1时,用低通滤波器和隔直流耦合电容就可检出所需的信号。,故,6.4.1 抑制载波调幅波的产生电路设载波电压为 uc(t)=Ucmcosct调制电压为 u(t)=Umcost经过模拟乘法器电路后，输出电压为抑制载波双边带振 幅调制信号，即,6.4 抑制载波调幅波的产生和解调电路,6.4.1,6.4.2,6.4.3,其原理图见下图。,DSB/SC AM波产生电路,6.4.2 DSB/SC AM波的解调电路要从抑制载波的双边带调幅波检出调制信号u(t)来， 从频谱上看，它是将幅度调制波的边带信号不失真地搬到零 频附近。因此AM波的解调电路(包括抑制载波的双边带调幅 波的解调在内)也属于
16、频谱搬移电路。需要用乘法器来实现 这种频谱搬移作用，其电路模型如图所示。,DSB同步检波原理图,DSB/SC AM波的电压u(t)可表示为,6.4.4,6.4.5,若, 本机载波,两者相乘有,式6.4.5中第一项包含了所需的调制信号，第二项则是载 频为2c的双边带调制信号，用低通滤波器将它滤除，即可 得到所需调制信号。,用同步检波器可实现对DSB/SC AM波进行解调。同步检波一个关键问题是本机载波的恢复。本机载波产 生的方法有两种。一是在发送端输出的双边带信号中，不是 将载波分量完全抑制掉，而是保留一个小的载波分量，称为 导频，它的作用就是在接收端恢复载波。接收端只要用一个 窄带滤波器取出载波分量。这种情况与普通调幅波很类似， 只是载波分量比较小而已。另一种方法是发射机的载波和接 收机本振载波都用频率稳定度很高的频率合成器，使两者的 频率保持不变。,
