第6章通信精选文档.ppt
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1、第6章通信本讲稿第一页,共一百三十四页第第6章章 调幅、调幅、检波与混频电路检波与混频电路(线性频率线性频率变换电路变换电路)6.1 概述概述 调制电路与解调电路是通信系统中的重要组成部分。正如绪论中所介绍的,调制是在发射端将调制信号从低频段变换到高频段,便于天线发送或实现不同信号源、不同系统的频分复用;解调是在接收端将已调波信号从高频段变换到低频段,恢复原调制信号。在模拟系统里,按照载波波形的不同,可分为脉冲调制和正弦波调制两种方式。本讲稿第二页,共一百三十四页 脉冲调制是以高频矩形脉冲为载波,用低频调制信号分别去控制矩形脉冲的幅度、宽度或位置三个参量,分别称为脉幅调制(PAM),脉宽调制(
2、PDM)和脉位调制(PPM)。正弦波调制是以高频正弦波为载波,用低频调制信号分别去控制正弦波的振幅、频率或相位三个参量,分别称为调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。本书仅讨论正弦波调制。本章首先分别在时域和频域讨论振幅调制与解调的基本原理,然后介绍有关电路组成。由于混频电路、倍频电路与调幅电路、振幅解调电路(又称为检波电路)同属于线性频率变换电路,所以也放在这一章介绍。本讲稿第三页,共一百三十四页6.2 振幅调制与解调原理振幅调制与解调原理 6.2.1普通调幅方式普通调幅方式 1.普通调幅信号的表达式、普通调幅信号的表达式、波形、波形、频谱和功率谱频谱和功率谱 普通调幅方式是用低频调制信
3、号去控制高频正弦波(载波)的振幅,使其随调制信号波形的变化而呈线性变化。设 载 波 为 uc(t)=Ucmcosct,调 制 信 号 为 单 频 信 号,即u(t)=Umcost(c),则普通调幅信号为:uAM(t)=(Ucm+kUm cos t)cosct =Ucm(1+Macost)cosct (6.2.1)本讲稿第四页,共一百三十四页 其中调幅指数Ma=,0Ma1,k为比例系数。图6.2.1(a)给出了u(t),u c(t)和uAM(t)的波形图。从图中并结合式(6.2.1)可以看出,普通调幅信号的振幅由直流分量Ucm和交流分量kUm cost迭加而成,其中交流分量与调制信号成正比,或者
4、说,普通调幅信号的包络(信号振幅各峰值点的连线)完全反映了调制信号的变化。另外,还可得到调幅指数Ma的表达式:本讲稿第五页,共一百三十四页本讲稿第六页,共一百三十四页 显然,当Ma1时,普通调幅波的包络变化与调制信号不再相同,产生了失真,称为过调制,如图6.2.2所示。所以,普通调幅要求Ma必须不大于1。式(6.2.1)又可以写成uAM(t)=Ucmcosct+cos(c+)t+cos(c-)t 可见,uAM(t)的频谱包括了三个频率分量:c(载波)、c+(上边频)和c-(下边频)。原调制信号的频带宽度是 或(F=),而普通调幅信号的频带宽度是2(或2F),是原调制信号的两倍。普通调幅将调制信
5、号频谱搬移到了载频的左右两旁,如图6.2.1(b)所示。本讲稿第七页,共一百三十四页图 6.2.2 过调制波形 本讲稿第八页,共一百三十四页 由式(6.2.3)还可以看到,若此单频调幅信号加在负载R上,则载频分量产生的平均功率为:Pc=(6.2.4)两个边频分量产生的平均功率相同,均为:PSB=调幅信号总平均功率为:Pav=Pc+2PSB=(6.2.6)本讲稿第九页,共一百三十四页 由于被传送的调制信息只存在于边频分量而不在载频分量中,所以从式(6.2.6)可知,携带信息的边频功率最多只占总功率的三分之一(因为Ma1)。在实际系统中,平均调幅指数很小,所以边频功率占的比例更小,功率利用率更低。
6、为了提高功率利用率,可以只发送两个边频分量而不发送载频分量,或者进一步仅发送其中一个边频分量,同样可以将调制信息包含在调幅信号中。这两种调幅方式分别称为抑制载波的双边带调幅(简称双边带调幅)和抑制载波的单边带调幅(简称单边带调幅),在以下两小节将分别给予介绍。本讲稿第十页,共一百三十四页 根据信号分析理论,一般非周期调制信号u(t)的频谱是一连续频谱,假设其频率范围是minmax,如载频仍是c,则这时的普通调幅信号可看成是调制信号中所有频率分量分别与载频调制后的迭加,各对上、下边频的迭加组成了上、下边带,相应的波形和频谱如图6.2.3所示。可见,这时普通调幅信号的包络仍然反映了调制信号的变化,
7、上边带与下边带呈对称状分别置于载频的两旁,且都是调制信号频谱的线性搬移,上、下边带的宽度与调制信号频谱宽度分别相同,总频带宽度仍为调制信号带宽的两倍,即BW=2max。本讲稿第十一页,共一百三十四页本讲稿第十二页,共一百三十四页 2 普通调幅信号的产生和解调方法普通调幅信号的产生和解调方法 式(6.2.1)可以改写如下:由上式可见,将调制信号与直流相加后,再与载波信号相乘,即可实现普通调幅。图6.2.4给出了相应的原理方框图。由于乘法器输出信号电平不太高,所以这种方法称为低电平调幅 第3章曾经讨论过利用丙类谐振功放的调制特性也可以产生普通调幅信号。由于功放的输出电压很高,故这种方法称为高电平调
8、幅。普通调幅信号的解调方法有两种,即包络检波和同步检波。本讲稿第十三页,共一百三十四页本讲稿第十四页,共一百三十四页 (1)包络检波。利用普通调幅信号的包络反映了调制信号波形变化这一特点,如能将包络提取出来,就可以恢复原来的调制信号。这就是包络检波的原理。图6.2.5给出了包络检波的原理图。设输入普通调幅信号uAM(t)如式(6.2.1)所示,图6.2.5中非线性器件工作在开关状态,其特性可用第5章第5.3节式(5.3.5)那样的单向开关函数来表示,则非线性器件输出电流为:io(t)=guAM(t)K1(ct)=gUcm(1+Macost)cosct本讲稿第十五页,共一百三十四页本讲稿第十六页
9、,共一百三十四页 g是非线性器件伏安特性曲线斜率。可见io中含有直流,c,c以及其它许多组合频率分量,其中的低频分量是:用低通滤波器取出io中这一低频分量,滤除c-及其以上的高频分量,同时用隔直流电容滤除直流分量,就可以恢复与原调制信号u(t)成正比的单频信号了。图6.2.5中的非线性器件可以用晶体二极管,也可以用晶体三极管。本讲稿第十七页,共一百三十四页 (2)同步检波。同步检波必须采用一个与发射端载波同频同相(或固定相位差)的信号,称为同步信号。同步检波可由乘法器和低通滤波器实现,其原理见图6.2.6。设输入普通调幅信号uAM(t)仍如式(6.2.1)所示,乘法器另一输入同步信号为:ur(
10、t)=Urmcosct 则乘法器输出为:本讲稿第十八页,共一百三十四页本讲稿第十九页,共一百三十四页其中k2是乘法器增益。可见,输出信号中含有直流,2c,2c几个频率分量。用低通滤波器取出直流和分量,再去掉直流分量,就可恢复原调制信号。如果同步信号与发射端载波同频不同相,有一相位差,即ur=Urmcos(ct+),则乘法器输出中的分量为 k2UcmUrmMacoscost。若是一常数,即同步信号与发射端载波的相位差始终保持恒定,则解调出来的分量仍与原调制信号成正比,只不过振幅有所减小。当然90,否则cos=0,分量也就为零了。若是随时间变化的,即同步信号与发射端载波之间的相位差不稳定,则解调出
11、来的分量就不能正确反映调制信号了。本讲稿第二十页,共一百三十四页 6.2.2双边带调幅方式双边带调幅方式 1 双边带调幅信号的特点双边带调幅信号的特点 设载波为uc(t)=Ucmcosct,单频调制信号为u(t)=Um cost(c),则双边带调幅信号为:uDSB(t)=ku(t)uc(t)=kUm Ucmcostcosct =cos(c+)t+cos(c-)t 其中k为比例系数。可见双边带调幅信号中仅包含两个边频,无载频分量,其频带宽度仍为调制信号带宽的两倍。本讲稿第二十一页,共一百三十四页 图6.2.7显示了单频调制双边带调幅信号的有关波形与频谱图。需要注意的是,双边带调幅信号不仅其包络已
12、不再反映调制信号波形的变化,而且在调制信号波形过零点处的高频相位有180的突变。由式(6.2.10)可以看到,在调制信号正半周,cost为正值,双边带调幅信号uDSB(t)与载波信号uc(t)同相;在调制信号负半周,cost为负值,uDSB(t)与uc(t)反相。所以,在正负半周交界处,uDSB(t)有180相位突变。2 双边带调幅信号的产生与解调方法双边带调幅信号的产生与解调方法 由式(6.2.10)可以看出,产生双边带调幅信号的最直接法就是将调制信号与载波信号相乘。本讲稿第二十二页,共一百三十四页本讲稿第二十三页,共一百三十四页 由于双边带调幅信号的包络不能反映调制信号,所以包络检波法不适
13、用,而同步检波是进行双边带调幅信号解调的主要方法。与普通调幅信号同步检波不同之处在于,乘法器输出频率分量有所减少。设 双 边 带 调 幅 信 号 如 式(6.2.10)所 示,同 步 信 号 为ur(t)=Urmcosct,则乘法器输出为:uo(t)=k2uDSB(t)ur(t)=k2kUrmUm Ucmcostcos2tc 本讲稿第二十四页,共一百三十四页其中k2是乘法器增益。用低通滤波器取出低频分量,即可实现解调。将式(6.2.10)所示双边带信号取平方,则可以得到频率为2c的分量,然后经二分频电路,就可以得到c分量。这是从双边带调幅信号中提取同步信号的一种方法。本讲稿第二十五页,共一百三
14、十四页 6.2.3单边带调幅方式单边带调幅方式 单边带调幅方式是指仅发送上、下边带中的一个。如以发送上边带为例,则单频调制单边带调幅信号为:uSSB(t)=cos(c+)t (6.2.12)由上式可见,单频调制单边带调幅信号是一个角频率为c+的单频正弦波信号,但是,一般的单边带调幅信号波形却比较复杂。不过有一点是相同的,即单边带调幅信号的包络已不能反映调制信号的变化。单边带调幅信号的带宽与调制信号带宽相同,是普通调幅和双边带调幅信号带宽的一半。产生单边带调幅信号的方法主要有滤波法、相移法以及两者相结合的相移滤波法。本讲稿第二十六页,共一百三十四页 1 滤波法滤波法 这种方法是根据单边带调幅信号
15、的频谱特点,先产生双边带调幅信号,再利用带通滤波器取出其中一个边带信号。滤波法原理见图6.2.8。由图6.2.7(b)所示双边带调幅信号频谱图可以推知,对于频谱范围为minmax的一般调制信号,如min很小,则上、下两个边带相隔很近,用滤波器完全取出一个边带而滤除另一个边带是很困难的。2 相移法相移法 这种方法是基于单边带调幅信号的时域表达式。式(6.2.12)所示单频单边带调幅信号可写成:本讲稿第二十七页,共一百三十四页本讲稿第二十八页,共一百三十四页 uSSB(t)=由上式可知,只要用两个90相移器分别将调制信号和载波信号相移90,成为sint和sinct,然后进行相乘和相减,就可以实现单
16、边带调幅,如图6.2.9所示。显然,对单频信号进行90相移比较简单,但是对于一个包含许多频率分量的一般调制信号进行90相移,要保证其中每个频率分量都准确相移90是很困难的。本讲稿第二十九页,共一百三十四页本讲稿第三十页,共一百三十四页 3 相移滤波法相移滤波法 滤波法的缺点在于滤波器的设计困难。若调制信号频率范围为FminFmax,则上下边带间隔为2Fmin。如果要求滤波器取出一个边带而滤除另一个边带,则过渡带宽度就是2Fmin。当滤波器的过渡带宽度固定,则工作频率越高,要求衰减特性越陡峭,实现越困难。举个例子,设过渡带宽度2Fmin=1kHz,要求在过渡带内衰减20 dB,若工作频率fc=1
17、MHz,则滤波器边沿的衰减特性必须为-46 000dB10倍频程;若工作频率fc=10kHz,则要求相应的衰减特性为-500dB10倍频程。本讲稿第三十一页,共一百三十四页 相移法的困难在于宽带90相移器的设计,而单频90相移器的设计比较简单。结合两种方法的优缺点而提出的相移滤波法是一种比较可行的方法,其原理图见图6.2.10。相移滤波法的关键在于将载频c分成1和2两部分,其中1是略高于max的低频,2是高频,即c=1+2,12。现仍以单频调制信号为例说明此法的原理。为简化起见,图6.2.10中各信号的振幅均表示为1。本讲稿第三十二页,共一百三十四页本讲稿第三十三页,共一百三十四页 调制信号u
18、(t)与两个相位差为90的低载频信号u1、u1分别相乘,产生两个双边带信号u3、u4,然后分别用滤波器取出u3、u4中的下边带信号u5和u6。因为1是低频,所以用低通滤波器也可以取出下边带u5和u6。由于1c,故滤波器边沿的衰减特性不需那么陡峭,比较容易实现。取出的两个下边带信号分别再与两个相位差为90的高载频信号u2、u2相乘,产生u7、u8两个双边带信号。将u7,u8相减,则可以得到 uo(t)=u7-u8=cos2tcos(1-)t-sin2tsin(1-)t =cos(2+1-)t=cos(c-)t 本讲稿第三十四页,共一百三十四页其中uo(t)就是单边带调幅信号。与双边带调幅信号相同
19、,单边带调幅信号的解调也不能采用包络检波方式而只能采用同步检波方式。与普通调幅与双边带调幅方式不同之处在于,从单边带调幅信号中无法提取同步信号。一般可在发送单边带调幅信号的同时,也附带发送一个功率较小的载波信号,供接收端从中提取作为同步信号。本讲稿第三十五页,共一百三十四页 6.2.4残留边带调幅方式残留边带调幅方式 残留边带调幅是指发送信号中包括一个完整边带、载波及另一个边带的小部分(即残留一小部分)。这样,既比普通调幅方式节省了频带,又避免了单边带调幅要求滤波器衰减特性陡峭的困难,发送的载频分量也便于接收端提取同步信号。在电视广播系统中,由于图像信号频带较宽,为了节约频带,同时又便于接收机
20、进行检波,所以对图像信号采用了残留边带调幅方式,而对于伴音信号则采用了调频方式。现以电视图像信号为例,说明残留边带调幅方式的调制与解调原理。本讲稿第三十六页,共一百三十四页 电视图像信号带宽为6MHz。在发射端先产生普通调幅信号,然后利用图6.2.11(a)所示特性的滤波器取出一个完整的上边带、一部分下边带以及载频分量,组成残留边带调幅信号发送出去。在接收端,采用图6.2.11(b)所示特性的滤波器从残留边带调幅信号中取出所需频率分量。由于载频两旁的接收滤波器幅频特性正好互补,而上、下边带又对称置于载频两边,所以实际上可等效为接收到一个完整的上边带和增益为上边带一半的载频信号。于是,采用同步检
21、波方式可对此单边带信号进行解调。本讲稿第三十七页,共一百三十四页本讲稿第三十八页,共一百三十四页 由图6.2.11可见,若采用普通调幅,每一频道电视图像信号的带宽需12 MHz,而采用残留边带调幅只需8 MHz。另外,对于滤波器过渡带的要求远不如单边带调幅那样严格,故容易实现。普通调幅功率利用率低,但可采用简单、低成本的包络检波方式,故广泛用于电台广播系统,给广大接收者带来便利。双边带调幅与单边带调幅功率利用率高,可用于小型通信系统,其中单边带调幅可节省一半频带,但需解决如何获得同步信号的问题。残留边带调幅广泛用于电视广播系统。本讲稿第三十九页,共一百三十四页 例 6.1已知调制信号频率范围为
22、300Hz4 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 解:普通调幅:由式(6.2.6)可得边带功率 本讲稿第四十页,共一百三十四页故所以双边带调幅:单边带调幅本讲稿第四十一页,共一百三十四页6.3 调幅电路调幅电路 6.3.1高电平调幅电路高电平调幅电路 丙类谐振功放的调制特性分为基极调制特性和集电极调制特性两种,据此可以分别组成基极调幅电路和集电极调幅电路。现以集电极调幅电路为例,说明高电平调幅的原理。集电极调制特性是指固定丙类谐振功放的VBB和R,当输入一
23、个等幅高频正弦波时,输出高频正弦波的振幅Ucm将随集电极电源电压的变化而变化。若集电极电源电压为VCC(t)=VCC0+u(t),即一个固定直流电压与一个低频交流调制信号之和,则根据图3.2.10,随着VCC的变化,使得静态工作点左右平移,从而使动态线左右平移。本讲稿第四十二页,共一百三十四页 当谐振功放工作在过压状态时,Ucm将发生变化,近似有UcmVCC(t)的关系。如输入信号为高频载波cosct,输出LC回路调谐在c上,则输出信号可写成:uo(t)=Ucmcosct=kVCC0+u(t)cosct其中k为比例系数。图6.3.1是集电极调幅电路原理图。可见,集电极调幅电路可以产生且只能产生
24、普通调幅波,但必须工作在过压状态。读者可以自行分析图6.3.2所示基极调幅电路,需要注意的是,基极调幅电路必须工作在欠压区。本讲稿第四十三页,共一百三十四页本讲稿第四十四页,共一百三十四页本讲稿第四十五页,共一百三十四页 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,例如集电极调制特性中Ucm与VCC并非完全成线性关系。本讲稿第四十六页,共一百三十四页 6.3.2低电平调幅电路低电平调幅电路 模拟乘法器是低电平调幅电路的常用器件,它不仅可以实现普通调幅,也可以实现双边带调幅与单边带调幅。既
25、可以用单片集成模拟乘法器来组成低电平调幅电路,也可以直接采用含有模拟乘法器部分的专用集成调幅电路。1 单片集成模拟乘法器单片集成模拟乘法器 模拟乘法器可实现输出电压为两个输入电压的线性积,典型应用包括:乘、除、平方、均方、倍频、调幅、检波、混频、相位检测等。单片集成模拟乘法器种类较多,由于内部电路结构不同,各项参数指标也不同。在选择时,应注意以下主要参数:工作频率范围、电源电压、输入电压动态范围、线性度等。本讲稿第四十七页,共一百三十四页 现将常用的Motorola公司MC1496/1596(国内同类型号是XFC-1596),MC1495/1595(国内同类型号是BG314)和MC1494/1
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