振幅调制解调及混频.pptx

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1、u 熟练掌握振幅调制原理与实现电路；熟练掌握振幅调制原理与实现电路；u 掌握振幅解调的原理和解调电路以及混频原理。掌握振幅解调的原理和解调电路以及混频原理。重点：重点：u振幅调制与解调原理以及实现电路。振幅调制与解调原理以及实现电路。难点：难点：u振幅调制与解调原理、调制解调电路的性振幅调制与解调原理、调制解调电路的性能参数理解。能参数理解。学习目的重点难点第1页/共99页6.1 振幅调制 （amplitude modulation）调制（modulation）：要传送的信号（调制信号）附加到高频振荡信号（载波信号）上去，形成已调信号。为什么要调制呢？为什么要调制呢？四不许！四不许！第2页/共

2、99页 四不许：四不许：低频信号直接发送，天线长的离谱！低频信号直接发送，天线长的离谱！第一不许！第一不许！信信号号的的频频率率变变化化范范围围大大，导导致致天天线线和和谐谐振振回回路路参参数数应应该在很宽的范围内变化，太困难！该在很宽的范围内变化，太困难！第二不许！第二不许！发发射射音音频频信信号号，发发射射机机工工作作于于同同一一频频率率范范围围，接接收收多多个个节节目目，导导致致无无法法加加以以选选择择。结结果果无无法法接接受受第第三三不许！不许！直接发送，信道利用率极低直接发送，信道利用率极低第四不许！第四不许！结论：必须调制！结论：必须调制！第3页/共99页 调制原理：利用调制信号去

3、控制载波信号的某一参数。可 控 参 数 有 幅 度（振 幅 调 制）、频 率（频 率 调 制:frequency modulation）、相位（相位调制:phase modulation）。解调(demodulation)：反解调，又称检波(detection)。振幅调制(三类)：普通振幅调制普通振幅调制（amplitude modulation,AMamplitude modulation,AM）；抑抑制制载载波波双双边边带带调调制制(double double side side band band modulation modulation suppressed suppressed c

4、arrier,DSB-SCcarrier,DSB-SC)；单边带调制单边带调制(single side band modulation-SC,SSB-SCsingle side band modulation-SC,SSB-SC)。第4页/共99页6.1.1振幅调制信号分析1.调幅波的分析 1)数学表示式及波形（调制信号：单频正弦信号）设载波信号电压为:调制信号电压为:（61）（62）第5页/共99页已调信号的振幅随调制信号u线性变化：调制灵敏度ka：为比例系数,调制电路确定。调幅波信号的表达式：（63）（65）第6页/共99页调幅度（调制度）m：振幅UC=kaU与载波振幅之比。范围：m1，过

5、调制失真。调制信号为连续频谱信号f（t），则调幅波:（66）(64)第7页/共99页如果将调制信号分解为：则调幅波表示式为：(67)第8页/共99页 2)调幅波的频谱单一频率的正弦信号的调制情况下，调幅波：将上式用三角公式展开，可得：(68)第9页/共99页频谱分析：单一频率的正弦信号的已调制波：三个分量 也即：中心频率：只含载波分量。上边频，下边频：包含了调制信号的幅度和频率信息。带宽：2F。多频信号：上下边频带。属于线性频谱搬移。带宽：2Fmax。第10页/共99页 3）调幅波的功率调幅波的功率：载波功率，最大功率，和最小功率以及平均功率。在负载电阻RL上消耗的载波功率：(69)第11页/

6、共99页在负载电阻RL上，一个载波周期内调幅波消耗的功率：调幅波的最大功率和最小功率:(610)第12页/共99页上、下边频的平均功率均：AM信号的平均功率:(611)(612)第13页/共99页结结论论：AM波波的的平平均均功功率率为为载载波波功功率率与与两两个个边带功率边带功率之之和和。两个边频功率与载波功率的比则为：两个边频功率与载波功率的比则为：结论：结论：变频功率所占比重很小，变频功率所占比重很小，U时，流过二极管的电流iD:（P150）滤波器H(jw)：中心频率wc，带宽2F。(629)第22页/共99页二 极 管 平 衡 电 路：u1=uC,u2=u,且UCU时，滤波器H(jw)

7、：中心频率wc，带宽2F。(544)第23页/共99页 (2)模拟乘法器产生普通调幅波。(P147)模拟乘法器：单差分对和双差分对电路，集成模拟乘法器（BG314、MC15496）。单差分对电路：伏安特性(630)第24页/共99页若将若将uC加至加至uA，u加到加到uB，则有：，则有：其中，其中，m=U/Ee，x=UCVT。(调制过程调制过程)(631)滤波回路的中心频率为fc，带宽为2F，谐振阻抗为RL，则经滤波后的输出电压：第25页/共99页双差分对电路（模拟乘法器）：采用BG314、MC15496模拟乘法器实现。2.DSB调制电路 1)二极管调制电路实现电路：二极管平衡电路和二极管环形

8、电路。平衡电路：u1=u,u2=uC ,且UCU时(633)第26页/共99页输出滤波器的中心频率为fc，带宽为2F，谐振阻抗为RL，则输出电压为：(633)第27页/共99页 2)差分对调制器与AM不同：将uC加至uB，u加到uA，则有：(639)经滤波后的输出电压经滤波后的输出电压uo(t)：(640)第28页/共99页 3.SSB调制电路SSB信号是将双边带信号DSB滤除一个边带形成的。产生方法主要有滤波法和移相法两种。滤波法（filtering method）：DSB滤掉一个边带，留下一个边带。滤波器要求很高。（原理）移相法（phase-shift method）：适当的移项，在相加时

9、实现边带的抑制。移相网路要求高。（原理）第29页/共99页振幅调制实现电路总结振幅调制实现电路总结AM:AM:高高电电平平调调制制（基基极极调调制制和和集集电电极极调调制制）和和低低电电平平调调制制（单单二二极极管管、平平衡衡二二极极管管、差差分分对对电路、模拟乘法器电路、模拟乘法器）实现实现。环形电路环形电路无法实现无法实现。DSBDSB：低低电电平平调调制制（平平衡衡二二极极管管、环环形形电电路路、差差分分对对电电路路、模模拟拟乘乘法法器器）实实现现。单单二二极极管管无无法实现。法实现。SSBSSB：DSBDSB实现基础实现基础上，上，滤波器法滤波器法和和移相法移相法实现实现。第30页/共

10、99页6.2 调幅信号的解调 6.2.1 调幅解调的方法 振幅解调方法：包络检波(envelope detection)和同步检波(synchronous detection)。包络检波：解调器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方法。只适用于AM波。同步检波：两个输入（一个：DSB或者SSB，第二个：插入载波或恢复载波），一个输出。第31页/共99页 6.2.2 二极管峰值包络检波器 1原理电路及工作原理电路组成：输入回路、二极管VD和RC低通滤波器。RC电路作用：负载；旁路作用。则应满足：理想状态，RC阻抗Z应为：第32页/共99页二极管串联型大信号峰值包络检波器：各部分串联，工作在大信

11、号状态(0.5V)，获取峰值包络。工作过程：二极管导通：电源经过二极管给电容充电。此时充电时常rDC。充电快。二极管截至：电容给电阻放电。放电时常RC，放电慢。再次导通，充电。再次截至，放电。交替进行。且很快到达平衡状态。第33页/共99页结论：检波过程：即信号源通过二极管给电容充电与电容对电阻R放电的交替重复过程。充电常数：其过程是放电时RC，慢；充电时rDC，快。二极管导通处为输入电压的峰值附近，故称 为 峰 值 包 络 检 波(peak envelope detection)。第34页/共99页二极管电流iD为一窄脉冲序列，包含平均分量Iav及高频分量。Iav也即直流分量。Iav在R上获

12、得平均电压Uav（Udc）。高频分量被旁路电容旁路，但会残留很小的高频电压 ，即输出电压uo=Uav+。(输出电压)输入AM信号：输出电压波形与输入信号包络形状相同。平均电压有直流分量和低频分量（调制信号）。Uo（t）Uav Udc u第35页/共99页低频分量输出：隔直电容；负载电阻。获取调制信号。直流分量输出：低通滤波器。获取载波的振幅信号。RC的选择：太小不行：放电快，高频波纹快，平均电压下降。太大也不行：放电慢，导致跟踪峰值不上，造成失真（惰性失真）。第36页/共99页 2性能分析 1)传输系数Kd(transmission coefficient)检波器传输系数Kd：检波系数、检波效

13、率，描述检波器对输入已调信号的解调能力或效率的一个物理量。Kd定义：(643a)(643b)第37页/共99页由二极管折线近似分析法可证明：KdUO/Umcos 当gDR=50,有结论：电路一定，恒定，Kd一定，也即传输系数与输入信号大小无关。越小，Kd越大，且当gDR=50，Kd0.9。第38页/共99页 2)输入电阻Ri(input impedance)检波器的输入阻抗：输入电阻Ri，输入电容Ci。输入电阻Ri：输入载波电压的振幅Um与检波器电流的基频分量振幅I1之比值，即在一定条件下，根据能量守恒，输入电阻Ri与R关系：(652)第39页/共99页性能分析总结性能分析总结从传输系数Kd分

14、析：R越大，检波效率就越高。想要大想要大R R！从等效输入电阻Ri分析：R越大，等效输入电阻Ri就越大，对上级影响就越小。想要大想要大R R！从高频残留滤除分析：C C越大，高频波纹就越小。想要大想要大C C！结论：结论：RCRC越大越好！越大越好！非非 也！也！第40页/共99页 3检波器的失真两种失真：惰性失真(inert distortion)；底部切削失真(bottom cutting distortion)。1)惰性失真原因：输入AM信号的包络下降速度大于电容C两端放电速度。调幅度和调制频率有关。解决办法：只需使电容C放电速度大于或等于包络的下降速度。第41页/共99页不失真条件如下

15、不失真条件如下:结结论论：调调制制度度和和调调制制信信号号频频率率越越大大，则则要要求求RC越小。越小。工程检验公式：工程检验公式：第42页/共99页 2)底部切削失真造成原因：Cg很大，就会在两端建立起直流电源UC，其值近似等于载波电压振幅。在R上产生分压UR，此直流分压反过来影响二极管的工作状态。分 析：直 流 负 载：R=R;交 流 负 载：RgR/R+Rg。(662)第43页/共99页 调幅波的最小幅度为UC(1-m),要避免底部切削失真,应满足:(663)(664)第44页/共99页总 结RCRC回回路路实实现现在在峰峰值值包包络络检检波波器器中中作作用用必必须须满满足足条条件：件：

16、消除惰性失真，必须满足：消除惰性失真，必须满足：要要满满足足不不底底部部切切削削失失真真，必须满足：必须满足：第45页/共99页 6.2.3 同步检波 方法分类：乘积型(product model)和叠加型(superposition model)。1乘积型输入信号为DSB信号：us=Uscostcosct，本地恢复载波：ur=Urcos(rt+)。相乘可得：(672)第46页/共99页(673)经经低低通通滤滤波波器器的的输输出出，且且考考虑虑r-c=c在在低低通通滤波器频带内，有：滤波器频带内，有：发射载波发射载波和和恢复载波恢复载波同同频同相频同相,即即r=c,=0：(674)第47页/

17、共99页(675)如果恢复载波与发射载频有一定的频差，如果恢复载波与发射载频有一定的频差，即即r=c+c若有一定的相差：若有一定的相差：实现办法：乘法器。实现办法：乘法器。(676)第48页/共99页6.3 混 频 6.3.1 混频(mixing)的概述 功能：获取一个新的频率信号。频域加减法器。产生：两个输入电压：输入信号us（fc）和本地振荡信号uL（fL）。一个输出信号为uI（中频信号），中频fI，fI=fLfc。第49页/共99页特点：频谱结构同。线性搬移。中频：上变频：高中频，即取和频。下变频：低中频，即取差频。实现：频谱搬移电路。调制、解调和混频都属于频谱搬移。第50页/共99页

18、2混频器的工作原理输入已调信号us：us=Uscostcosct 本振电压uL：uL=ULcosLt 其乘积：中频信号获取：信号通过带通滤波器即可获得。(685)(686)第51页/共99页 3混频器的主要性能指标主要性能指标：变频增益，噪声系数，失真和干扰，变频压缩特性，选择性。变频增益(conversion gain)：变频电压增益和变频功率增益。变频电压增益：第52页/共99页变频功率增益：分贝数表示：物理意义：变换为中频的能力。(689)(690)(691)第53页/共99页噪声系数：混频器的噪声系数NF定义为物理意义：混频器的引入噪声影响。其值越小越好。选择性(selectivity

19、)：输出只留下中频信号，其它干扰信号全部滤掉。输入信噪比输入信噪比(信号频率信号频率)输出信噪比输出信噪比(中频频率中频频率)(692)第54页/共99页 6.3.2 混频电路 混频实现电路：三极管混频器，二极管混频电路（平衡电路和环形电路），差分对电路。第55页/共99页 第56页/共99页第57页/共99页第58页/共99页第59页/共99页图63 AM信号的产生原理图 第60页/共99页已调波的频谱已调波的频谱第61页/共99页第62页/共99页 图图65语音信号及已调信号频谱语音信号及已调信号频谱（a）语音频谱（）语音频谱（b）已调信号频谱）已调信号频谱第63页/共99页第64页/共9

20、9页第65页/共99页第66页/共99页第67页/共99页图图612集电极调幅电路集电极调幅电路第68页/共99页第69页/共99页图图613集电极调幅的波形集电极调幅的波形第70页/共99页图图614基极调幅电路基极调幅电路第71页/共99页图图615基极调幅的波形基极调幅的波形第72页/共99页图图616单二极管调制电路单二极管调制电路第73页/共99页图图616单二极管调制频谱单二极管调制频谱第74页/共99页图图57二极管平衡电路二极管平衡电路第75页/共99页图图517差分对频谱搬移电路差分对频谱搬移电路第76页/共99页图图617差分对差分对AM调制器的输出波形调制器的输出波形 第

21、77页/共99页第78页/共99页第79页/共99页图图619二极管平衡调制电路二极管平衡调制电路 第80页/共99页图图626滤波法产生滤波法产生SSB信号的框图信号的框图 第81页/共99页第82页/共99页图图630包络检波的原理框图包络检波的原理框图第83页/共99页图图631同步解调器的框图同步解调器的框图第84页/共99页 图图633二极管峰值包络检波器二极管峰值包络检波器(a)原理电路原理电路(b)二极管导通二极管导通(c)二极管截止二极管截止第85页/共99页图图634加入等幅波时检波器的工作过程加入等幅波时检波器的工作过程第86页/共99页图图635检波器稳态时的电流电压波形

22、检波器稳态时的电流电压波形第87页/共99页图图636输入为输入为AM信号时检波器的输出波形图信号时检波器的输出波形图第88页/共99页图图638包络检波器的输出电路包络检波器的输出电路 第89页/共99页图图642惰性失真的波形惰性失真的波形第90页/共99页图图635检波器稳态时的电流电压波形检波器稳态时的电流电压波形第91页/共99页图图641检波器的输入阻抗检波器的输入阻抗 第92页/共99页图图643底部切削失真底部切削失真第93页/共99页图图644减小底部切削失真的电路减小底部切削失真的电路 第94页/共99页图图651混频器的功能示意图混频器的功能示意图第95页/共99页图图652三种频谱线性搬移功能三种频谱线性搬移功能(a)调制调制(b)解调解调(c)混频混频第96页/共99页图图653混频器的组成框图混频器的组成框图第97页/共99页第98页/共99页感谢您的观看！第99页/共99页