第5章振幅调制解调与混频(本科)

第5章振幅调制、解调与混频电路第2章与第3章分别介绍的小信号放大电路与功率放大电路，均为线性放大电路。前言：一、概述线性放大电路的特点：其输出信号与输入信号具有某种特定的线性关系。从时域上讲,输出信号波形与输入信号波形相同,只是在幅度上进行了放大；从频域上讲,输出信号的频率分量与输入信号的频率分量相同。然而,在通信系统和其它一些电子设备中,需要一些能实现频率变换的电路，例如调幅、检波、混频等。这些电路的特点是其输出信号的频谱中产生了一些输入信号频谱中没有的频率分量,即发生了频率分量的变换,故称为频谱变换电路。22.相关的基本概念1）调制信号：低频信号（需传送的信息）。2）载波：高频振荡波3）载频：载波的频率4）调制：将低频信号“装载”在载波上的过程。即用低频信号去控制高频振荡波的某个参数，使高频信号具有低频信号特征的过程。5）已调波：经调制后的高频振荡波。6）解调：从已调信号中取出原来的信息。第5章振幅调制、解调与混频电路7）模拟调制有以正弦波为载波的幅度调制和角度调制。8）幅度调制：调制后的信号频谱和基带信号频谱之间保持线性平移关系，称为线性幅度调制。（振幅调制、解调、混频）9）角度调制：频谱搬移时没有线性对应关系，称为非线性角度调制。（频率调制与解调电路）2.相关的基本概念第5章振幅调制、解调与混频电路4频谱线性电路幅度调制与解调电路倍频电路混频电路3.线性频谱变换电路分类普通幅度调制与解调单边带幅度调制与解调双边带幅度调制与解调残留边带调制与解调第5章振幅调制、解调与混频电路将要传送的信息装载到某一高频载频信号上去的过程。高频振荡高频放大话筒声音缓冲发射天线倍频调制音频放大简述：振幅调制5.1振幅调制的基本原理5.1.1普通调幅波的波形、频谱及数学表达式一、调幅制适用于：长波、中波、短波及超短波。振幅调制AM：AmplitudeModulation二、数学表达式：首先讨论单频调制的调幅波低频调制信号：Ftcos2UtcosUtuΩmΩmΩ高频载波信号：tcos2πUtcosωUtuccmccmcf调幅信号（已调波）：tcosωUtucMAAM5.1振幅调制的基本原理调幅的原则：高频载波的振幅随调制信号uΩ(t)成线性关系。uAM(t)=(Ucm+kUΩmcosΩt)cosωct=Ucm(1+macosΩt)cosωct比例常数:k,0m,UUkmaacmΩmaa=调制系数：5.1振幅调制的基本原理)m(1UUacmmaxcmU)m(1UUacmminuAM(t)=Ucm(1+macosΩt)cosωctcmminmaxminmaxminmaxa2U)U(UUUUUm波形特点：振幅的包络与调制信号的变化规律一致。振幅（包络）表达式UAM(t)=Ucm(1+macosΩt)5.1振幅调制的基本原理普通调幅调幅波的包络表达式：三、讨论：调幅波的波形与频谱uAM(t)=Ucm(1+macosΩt)cosωctUcm(1+macosΩt)=Ucm+UcmmacosΩt调幅波的平衡轴：U=Ucm载波的振幅包络的振幅：Um=Ucmma2UUminmaxΩmacmΩmacmUkUUkUcmΩmaaUUkm5.1振幅调制的基本原理三、讨论：调幅波的波形与频谱包络的振幅：Um=Ucmmama↑包络的振幅（Ucmma）↑ma↓调制系数ma的含义：表征载波的振幅受调制信号控制的强弱程度。调制程度越深调制程度越小包络的振幅（Ucmma）↓5.1振幅调制的基本原理ma=1ma1ma1当ma=1时，Umin=0当ma1时，Umin0讨论：当ma1时，Umin0Umin=UCm(1-ma)过度调制重要结论：当ma1时，包络已经失真，不能反映调制信号的变化规律，因此为了避免失真，应使调幅系数ma≤1。调幅波的频谱与带宽Ω)tcos(ωm21Ω)tcos(ωm21tcosωUt)cosωcosΩm(1U(t)ucacaccmcacmAMtΩ)tcos(ωUm21Ω)tcos(ωUm21tcosωUccmaccmaccm载波分量上边频分量下边频分量5.1振幅调制的基本原理Ω调制信号ωc载波调幅波ωc+Ω上边频ωc-Ω下边频Ω)tcos(ωUm21Ω)tcos(ωUm21tcosωUtuccmaccmaccmAM载波分量上边频分量下边频分量cmUcmaUm21cmaUm21带宽是调制信号的2倍:即或：带宽,hz2FF)(f-F)(fBWrad/s2ΩΩ)(ω-Ω)(ωWBccAMccAM5.1振幅调制的基本原理强调重要的结论：1.普通调幅波不是简单的余弦波，它包含有三个频率分量：载波fc、上边频fc+F、下边频fc-F3.载波分量不包含调制信号的信息，上下两个边频才携带者调制信息，它们的振幅反映了调制信号的振幅大小。4.调幅波从频谱的角度看，就是把低频调制信号的频谱线性对称地搬移到高频载波的两边，故属于线性频谱变换。2.上下两个边频分量对称的分布在载波两边，它们的振幅为，且是包络振幅的一半。cmaUmcmaUm215.1振幅调制的基本原理四、多频调幅波的波形与频谱tcosωtcosΩm1U(t)ucn1iiaicmAM信号带宽max2ΩBWωccω调幅波调制信号载波ωc+Ωmax上边带ωc-Ωmax下边带Ωmaxn1iicain1iicaiccmn1iicaiicaiccm)tΩcos(ωm21)tΩcos(ωm21tcosωU)tΩcos(ωm21)tΩcos(ωm21tcosωU5.1振幅调制的基本原理一般调幅波的波形与频谱5.1振幅调制的基本原理四、普通调幅波的功率关系条件：如果将普通调幅波输送功率至负载RL上，则载波与两个边频将分别得出如下功率：载波功率:L2cmtRU21P上下边频功率:t2aL2cmaSSBSSBSSBDSBPm41RUm2121PPPP2121在调幅信号一周期内，AM信号的平均输出功率是t2aSSBtAMP)m211(P2PPuAM(t)=Ucm(1+macosΩt)cosωct5.1振幅调制的基本原理讨论：载波本身并不携带调制信息，但它的功率却占整个调幅波功率的绝大部分。当ma＝1时，Pt＝(2/3)PAM；PDSS＝(1/3)PAM当ma＝0.5时，Pt＝(8/9)PAM；PDSS＝(1/9)PAM结论：因为调制信号的信息携带在上下边频中，因此在调幅的过程中，应尽量使调制系数ma大，以增大上下边带的功率，提高信号的传输能力，但不能超过1。t2aDSBtAMP)m211(PPP5.1振幅调制的基本原理普通调幅波的缺点：功率利用率太低，整机利用率低。1.设备简单。2.解调方便，便于接受。3.与其它调制方式比较占用的频带宽。普通调幅被广泛应用于中、短波无线电广播系统的原因：5.1振幅调制的基本原理课堂练习：①P198习题5.1②P198习题5.2③P198习题5.4④P199习题5.85.1振幅调制的基本原理作业：①P199习题5.6②P199习题5.75.1.2双边带调幅（DSB）和单边带调幅（SSB）总思路：既然载波不携带有用信息，有用调制信息被上下两个边带携带，为了提高整机的利用率，只发送上下边带或者上下边带其中一个边带，而不发送载波。只发送上下边带的调幅叫双边带调幅---DSBB(DoubleSidebandModulation)只发送上下边带其中一个边带的调幅叫单边带调幅调制—SSB(SingleSidebandModulation)5.1振幅调制的基本原理低频调制信号：Ftcos2UtcosUtuΩmΩmΩ高频载波信号：tcos2πUtcosωUtuccmccmcfΩ)tcos(ωΩ)tcos(ωUm21cccmaDSBtuttcosΩmtcosωUtcosωcosΩUmaccmccma载波分量调制信号分量双边带调幅（DSB）可利用模拟乘法器实现结论：一、双边带调幅DSB(DoubleSidebandModulation)5.1振幅调制的基本原理双边带调幅的波形和频谱双边带波形双边带频谱cmaUm21双边带调幅（DSB）的频带宽BW=2Ω或BW=2F结论：电压相位突变180o5.1振幅调制的基本原理低频调制信号：Ftcos2UtcosUtuΩmΩmΩ高频载波信号：tcos2πUtcosωUtuccmccmcfΩ)tcos(ωUm21tuccmaSSB下边频分量二、单边带调幅SSB(SingleSidebandModulation)5.1振幅调制的基本原理Ω)tcos(ωUm21tuccmaSSB上边频分量显然：单频调制单边带调幅信号是一个角频率为ωc+Ω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。三种调幅的优缺点比较：普通调幅：所占频带宽，能量利用率低，但发射机和接收机简单，因此在广播系统中广泛的应用。双边带调幅：能量利用率高，所占频带宽，但发射机和接收机较复杂，较少采用。单边带调幅：能量利用率高，所占频带窄，节省发射机功率又节约频带，但发射机和接收机较复杂，在短波通信中应用广泛。5.1振幅调制的基本原理三种振幅调制信号电压表达式普通调幅波tcosΩosΩt)cmUcm(1ca载波被抑制双边带调幅波tcosΩosΩtcUmccma单边带信号Ω)tcos(ωU2mccma)(Ωtcos(ωU2mccma或波形图频谱图c0-c+cmaUm21c-c+cmaUm21信号带宽,2F2F2,2FΩ,c-c+5.1振幅调制的基本原理课堂练习：①P1495.1.4②P1995.95.1振幅调制的基本原理5.2相乘电路与振幅调制电路一、振幅调制电路的分类按调幅方式分：按输出功率分：高电平调幅低电平调幅普通调幅AM双边带调幅DSB单边带调幅SSB残留边带调幅电路2.低电平调幅电路的要点：（1）先在低功率电平级进行振幅调制→经高频功率放大器放大后发射。（2）重点任务：由于低电平调幅的功率较小，输出功率和效率不是重点，而提高调制的线性度，减少不需要的频率分量，提高滤波功能是它的主要任务。（3）常用电路：模拟乘法器调幅电路——一般工作频率在几十MHZ。二极管平衡调幅电路——一般工作频率可达几GHZ。5.2相乘电路与振幅调制电路3.高电平调幅的要点：（1）直接产生满足发射机要求的发射功率，处于发射级的末级。（2）重点任务：获得最大的输出功率，最大的优点是整机利用率高。（3）常用电路：晶体管集电极调制电路。晶体管基极调制电路。它们一般只能产生普通调幅波。（4）实现手段：用调制信号控制处于丙类工作状态的末级功率放大器。已讲内容5.2相乘电路与振幅调制电路相乘器的功能和构成：功能：实现两个信号的相乘。构成：由非线性器件构成。目前通信系统广泛采用两种器件—二极管构成的平衡相乘器；晶体管构成的双差分对管构成的模拟乘法器。二极管平衡调幅电路——一般工作频率可达几GHZ。模拟乘法器调幅电路——一般工作频率在几十MHZ。5.2.1非线性器件的相乘作用一、非线性器件特性幂级数分析法(暂时不讲)5.2相乘电路与振幅调制电路1.本质:利用二极管的非线性特性进行调幅调幅波的共同之处都是在调幅前后产生了新的频率分量，也就是说都需要用非线性器件来完成频率变换。总思路：这里将调制信号uΩ与载波信号uc相加后，同时加入非线性器件，然后通过中心频率为ωc的带通滤波器取出输出电压uo中的调幅波成分。uc5.2相乘电路与振幅调制电路+u1-+u2-+-UQ+-ui(a)二极管相乘电路iu0UQIQ(b)二极管伏安