通信电路第6章.ppt
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1、第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路).概述概述.振幅调制与解调原理振幅调制与解调原理.调幅电路调幅电路.检波电路检波电路.混频混频.倍频倍频.接收机中的自动增益控制电路接收机中的自动增益控制电路.实例介绍实例介绍.9章末小结章末小结第第6章章模拟调幅、检波与混频电路模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路线性频率变换电路)第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)(1)调制:调制:用调制信号去控制载波信号的某一个参量的过程用调制信号去控制载波信号的某一个参量的过程。定义:定义:信号信号 载波信号:(等幅)高频振荡信号载波信号:(等幅)高频振荡信号 正弦波正弦波 方波方波
2、 三角波三角波 锯齿波锯齿波调制信号:调制信号:需要传输的信号需要传输的信号(原始信号)(原始信号)语言语言图像图像 密码密码已调信号(已调波):经过调制后的高频信号(已调信号(已调波):经过调制后的高频信号(射频信号射频信号)振幅调制振幅调制解调(检波解调(检波)混频(变频)混频(变频)属于属于 线性频率变换电路线性频率变换电路(2)解调:解调:调制的逆过程调制的逆过程,即从已调波中恢复原调制信号的过程。,即从已调波中恢复原调制信号的过程。6.1概述概述第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)(7)振幅调制分三种方式:振幅调制分三种方式:(5)相位调制:)相位调制:调制信号控制载波
3、相位调制信号控制载波相位,使,使已调波的相位随调已调波的相位随调制信号线变化。制信号线变化。(6)解调方式:)解调方式:(4)频率调制:)频率调制:调制信号控制载波频率调制信号控制载波频率,使,使已调波的频率随调制已调波的频率随调制信号线性变化。信号线性变化。(3)振幅调制:由)振幅调制:由调制信号去控制载波振幅调制信号去控制载波振幅,使,使已调信号的振已调信号的振幅幅随调制信号线性变化。随调制信号线性变化。第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)调制电路与解调电路是通信系统中的重要组成部分。调制电路与解调电路是通信系统中的重要组成部分。调调制制是是在在发发射射端端将将调调制制信信号
4、号从从低低频频段段变变换换到到高高频频段段,便便于于天天线发送或实现不同信号源、不同系统的频分复用;线发送或实现不同信号源、不同系统的频分复用;解解调调是是在在接接收收端端将将已已调调波波信信号号从从高高频频段段变变换换到到低低频频段段,恢恢复复原调制信号。原调制信号。在在模模拟拟系系统统里里,按按照照载载波波波波形形的的不不同同,可可分分为为脉脉冲冲调调制制和和正弦波调制两种方式。正弦波调制两种方式。第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)脉脉冲冲调调制制是是以以高高频频矩矩形形脉脉冲冲为为载载波波,用用低低频频调调制制信信号号分分别别去去控控制制矩矩形形脉脉冲冲的的幅幅度度、宽宽
5、度度或或位位置置三三个个参参量量,分分别别称称为为脉脉幅幅调调制制(PAM),脉宽调制脉宽调制(PDM)和脉位调制和脉位调制(PPM)。正正弦弦波波调调制制是是以以高高频频正正弦弦波波为为载载波波,用用低低频频调调制制信信号号分分别别去去控控制制正正弦弦波波的的振振幅幅、频频率率或或相相位位三三个个参参量量,分分别别称称为为调调幅幅(AM)、调频调频(FM)和调相和调相(PM)。本书仅讨论正弦波调制。本书仅讨论正弦波调制。本本章章首首先先分分别别在在时时域域和和频频域域讨讨论论振振幅幅调调制制与与解解调调的的基基本本原原理理,然然后后介介绍绍有有关关电电路路组组成成。由由于于混混频频电电路路、
6、倍倍频频电电路路与与调调幅幅电电路路、振振幅幅解解调调电电路路(又又称称为为检检波波电电路路)同同属属于于线线性性频频率率变变换换电电路路,所以也放在这一章介绍。所以也放在这一章介绍。第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)6.2.1普通调幅方式普通调幅方式(1)设:载波信号:设:载波信号:调制信号:调制信号:那么调那么调幅信号(已调波)可表达为:幅信号(已调波)可表达为:由于由于调调幅信号的振幅与调制信号成线性关系幅信号的振幅与调制信号成线性关系,即有:,即有:,式中,式中为比例常数为比例常数即:即:式中式中ma为调制为调制度,度,常用百分比数表示。常用百分比数表示。1.AM调幅波
7、的数学调幅波的数学表达式表达式6.2振幅调制与解调原理振幅调制与解调原理则有则有 其中:其中:若将若将 分解为:分解为:一一般般,实实际际中中传传送送的的调调制制信信号号并并非非单单一一频频率率的的信信号号,常常为为一个连续频谱的限带信号一个连续频谱的限带信号。则则第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)普通调幅信号波形普通调幅信号波形波形特点:波形特点:(1)调幅波的振幅(包络)变化规律)调幅波的振幅(包络)变化规律与调制信号波形一致与调制信号波形一致(2)调幅度调幅度ma反映了调幅的强弱程度,反映了调幅的强弱程度,可以看出:可以看出:一般一般m值越大调幅越深:值越大调幅越深:第6
8、章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)(1)由单一频率信号调)由单一频率信号调幅幅可见可见,调幅波并不是一个简单的正弦波,包含有三个频率分量:调幅波并不是一个简单的正弦波,包含有三个频率分量:普通调幅波的频谱普通调幅波的频谱调制信号调制信号c载波载波调幅波调幅波c+上边频上边频c-下边频下边频频带宽度是频带宽度是频带宽度是频带宽度是2第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)同样含有三部分频率成份同样含有三部分频率成份(2)限带信号的调幅波限带信号的调幅波maxc c限带限带信号信号 c c载波载波调幅波调幅波c c-max下边频带下边频带c c+max上边频带上边频带maxm
9、axmax第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)(2)上、下边带的平均功率: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在调制信号一周期内,调幅信号输出的平均总功率率(4)边带功率,载波功率与平均功率之间的关系:边带功率,载波功率与平均功率之间的关系:RL上消耗的载波功率:上消耗的载波功率:(1)调制波的功率调制波的功率那么调幅波各分量的功率为:那么调幅波各分量的功率为:设调幅波传输信号至负载电阻设调幅波传输信号至负载电阻RL上,上,由于由于在普通调幅波信号中,有用信息只携带在边频带内,而载波本身并在普通调幅波信号中,有用信息只携带在边频带内,而载波本身并
10、不携带信息,但它的功率却占了整个调幅波功率的绝大部分,因而调幅不携带信息,但它的功率却占了整个调幅波功率的绝大部分,因而调幅波的功率浪费大,效率低。波的功率浪费大,效率低。但但AM波调制方便,解调方便,便于接收。波调制方便,解调方便,便于接收。如当如当100%调制时调制时(ma=1),双边带功率为载波功率的双边带功率为载波功率的 ,只占用了调幅,只占用了调幅波功率的波功率的 ,而当,而当 ,213121=maPc98PAM=为了提高功率利用率为了提高功率利用率,可以只发送两个边频分量而不发送可以只发送两个边频分量而不发送载频分量载频分量,或者进一步仅发送其中一个边频分量或者进一步仅发送其中一个
11、边频分量,同样可以将同样可以将调制信息包含在调幅信号中。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这两种调幅方式分别称为抑制载波的双边带调幅波的双边带调幅(简称双边带调幅简称双边带调幅)和抑制载波的单边带调幅和抑制载波的单边带调幅(简称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。在以下两小节将分别给予介绍。第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)由于:由于:相加器相加器乘法器乘法器直流直流乘法器乘法器相加器相加器AM信号的产生原理框图信号的产生原理框图可见可见要完成要完成AM调制,其核心部分是实现调制信号与载波相乘。调制,其核心部分是实现调制信号与载波相乘。第
12、6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)普通调幅信号的解调方法普通调幅信号的解调方法 解解调调是是调调制制的的逆逆过过程程,是是从从高高频频已已调调波波中中恢恢复复出出原原低低频频调调制制信信号号的的过过程程。从从频频谱谱上上看看,解解调调也也是是一一种种信信号号频频谱谱的的线线性性搬搬移移过过程程,是是将将高高频频端端的的信信号号频频谱谱搬搬移移到到低低频频端端,解解调调过过程程是是和和调调制制过过程程相相对对应应的的,不不同同的的调调制制方方式式对对应应于于不不同同的的解解调调。普通调幅信号的解调方法有两种普通调幅信号的解调方法有两种,即包络检波和同步检波。即包络检波和同步检波。1
13、 1、包络检波。、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如能将包络提取出来,就可以恢复原来的调制信号。这就是就可以恢复原来的调制信号。这就是包络检波的原理。包络检波的原理。t调幅波调幅波调幅波频谱调幅波频谱c+c-c输出信号频谱输出信号频谱包络检波输出包络检波输出t非线形电路非线形电路低通滤波器低通滤波器t调幅波调幅波t调幅波调幅波t调幅波调幅波包络检波输出包络检波输出t包络检波输出包络检波输出t包络检波输出包络检波输出t第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)设输入普通调幅信号uAM(t
14、),原理图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: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:第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)用低低通通滤滤波波器器取出io中这一低频分量,滤除c-及其以上的高频分量,同时用隔隔直直流流电电容容滤除直流分量,就可以恢复与原调制信号u(t)成正比的单频信号了。原理图中的非线性器件可以用晶体二极管,也可以用晶体三极管。非线形电路非线形电路低通滤波器低通滤波器第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)(2)
15、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。图 6.2.6 同步检波原理图 第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)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(t)=Urmcosct则乘法器输出为: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。第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)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
16、 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,则解调出来的分量就不能正确反映调制信号了。如果同步信号与发射端载波不同频,有一角频率差,即 ur=Urmcos(ct+t)则 乘 法 器 输 出 中 的 分 量 为 k2UcmUrmMacos tcost已不再与调制信号成线性关系。产生与发射端载波同频同相的同步信产生与发射端载波同频同相的同步信号是进行同
17、步检波的前提条件号是进行同步检波的前提条件第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)在在AM调调制制过过程程中中,如如果果将将载载波波分分量量抑抑制制就就形形成成抑抑制制载载波波的的双双边边带带信信号号,简简称称双双边边带带信信号号,它它可可以以用用载载波波和和调调制制信号直接相乘得到信号直接相乘得到,即:,即:调制信号为单一频率信号调制信号为单一频率信号:调制信号为限带信号的调制调制信号为限带信号的调制:6.2.2双边带双边带(doublesidebandDSB)调幅调幅方式方式、数学表达式、数学表达式第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)2.波形与频谱波形与频谱(1)D
18、SB信号的包络正比于调制信号信号的包络正比于调制信号,即其包络不能反映调制信号。,即其包络不能反映调制信号。(2)DSB信号载波的相位反映了调制信号的极性,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,即在调制信号负半周时,已调波高频与原载波反相。已调波高频与原载波反相。因此严格地说,因此严格地说,DSB信号已非单纯的振幅调制信号,信号已非单纯的振幅调制信号,而是既调幅又调相的信号而是既调幅又调相的信号。所以所以,在正负半周交界处在正负半周交界处,uDSB(t)有有180相位突变。相位突变。(3)DSB波波的的频频谱谱成成份份中中抑抑制制了了载载波波分分量量,全全部部功功率率为为边
19、边带带占占有有,功功率率利利用用率高于率高于AM波。波。(4)占用频带占用频带 调制信号调制信号载波载波上边频上边频下边频下边频第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)图 6.2.7 双边带调幅波形与频谱 第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)3.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。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。第6章
20、模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)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: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。(6.2.11)第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)单单边边带带(SSB)信信号号是是由由双双边边带带调调幅幅信信号号中中取取出出其其中中的的任任一一个个边边带带部部分分,即即可可成成为为单单边边带带调调幅幅信信号号。单单边边带带
21、调调幅幅信信号号的的包包络络已已不不能能反反映映调调制制信信号号的的变变化化。单单边边带带调调幅幅信信号号的的带带宽宽与与调调制制信信号号带带宽宽相相同同,是是普普通通调调幅幅和和双双边带调幅信号带宽的一半。其单频调制时的表示式为:边带调幅信号带宽的一半。其单频调制时的表示式为:上边带信号上边带信号下边带信号下边带信号6.2.3单边带单边带(singlesidebandSSB)信号信号1.SSB信号的信号的性质性质 在现代电子通信系统的设计中,为节约频带,提高系统的功率在现代电子通信系统的设计中,为节约频带,提高系统的功率和带宽效率,常采用单边带(和带宽效率,常采用单边带(SSB)调制系统调制
22、系统max限带限带信号信号c c载波载波c c-max下边频带信号下边频带信号 c c+max上边频带信号上边频带信号c c+maxc c-max第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)由由DSB信号经过边带滤波器滤除了一个边带而形成,信号经过边带滤波器滤除了一个边带而形成,如:如:上边带信号上边带信号下边带信号下边带信号2.单边带调幅信号的实现单边带调幅信号的实现上边带滤波器上边带滤波器下边带滤波器下边带滤波器乘法乘法器器(1)(1)滤波法滤波法 有三种基本的电路实现方法:滤波法、相移法和移相滤波法有三种基本的电路实现方法:滤波法、相移法和移相滤波法:下边频带信号下边频带信号DSB
23、信号信号c c-max c c+max上边频带信号上边频带信号c c+maxc c-max对于频谱范围为对于频谱范围为minmax的一般调制信号的一般调制信号,如如min很小很小,则上、下两个边带相隔很近则上、下两个边带相隔很近,用滤波器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。完全取出一个边带而滤除另一个边带是很困难的。第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)另外由三角公式:另外由三角公式:(2)相移法相移法利用上三角公式的实现电路如下图所示:利用上三角公式的实现电路如下图所示:乘法乘法器器乘法乘法器器00相移相移00相移相移加法加法器器减法减法器器对单频信号进行对单频信
24、号进行90相移比较简单相移比较简单,但是对于一个包但是对于一个包含许多频率分量的一般调制信号进行含许多频率分量的一般调制信号进行90相移相移,要保要保证其中每个频率分量都准确相移证其中每个频率分量都准确相移90是很困难的。是很困难的。第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)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,
25、要求在过渡带内衰减20 dB,若工作频率fc=1MHz,则滤波器边沿的衰减特性必须为-46000dB10倍频程;若工作频率fc=10kHz,则要求相应的衰减特性为-483dB10倍频程。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。第6章模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)移相滤波法是将移相和滤波两种方法相结合,并且只需对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,从而回避了难以在宽带内准确移相确移相900的缺点。的
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