调制原理

LOGO2020/4/261第四章模拟振幅调制和解调光学与信息工程学院通信工程系2概述调制：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：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。按载波波形分：脉冲调制：脉幅调制(PAM),脉宽调制(PDM)和脉位调制(PPM)正弦波调制：调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)本章内容：原理、电路组成（混频、倍频、调制、解调（检波））34.1调幅信号的基本特性振幅调制的方式1.AM(标准振幅调制)2.DSBAM(载波的双边带振幅调制)3.SSBAM(抑制载波的单边带振幅调制)4.VSBAM(残留边带振幅调制)共同特性：对频谱进行不失真的搬移44.1调幅信号的基本特性－AM标准振幅调制(AM)用低频调制信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。组成模型tVtvccmccos)(设载波信号为)(tv调制信号为ttkvVttvtvccmcmcos)(cos)()(已调信号为)()()(tvtvtvAccm)(tv)(tvcmA)(tvkVAcmm54.1调幅信号的基本特性－AM单音调制tVtvmcos)(假设ttmVttVkVVttkVVtvcacmccmmcmcmcmcos)cos1(cos)cos1(cos)cos()(ma为调幅系数若0ma1,看图4-1若ma1(过调),看图4-2，产生失真，包络变化不再与调制信号相同64.1调幅信号的基本特性－AMcmaVmv)1(max调幅信号的最大值cmaVmv)1(min调幅信号的最小值已调波振幅包络cmcmcmcmcmaVVvVvVVvvmmaxminminmax)(21ttmVtvcacmcos)cos1()(74.1调幅信号的基本特性－AMAM信号的频谱带宽tVmtVmtVttmVtvccmaccmaccmcacm)cos(21)cos(21coscos)cos1()(cmVccccmaVm2上边频cmaVm2下边频84.1调幅信号的基本特性－AM若v(t)为一般非周期调制信号u(t)c－maxc＋max0ttmaxminuAM(t)0cc－minc＋minBWu(t)c－maxc＋max0ttmaxminuAM(t)0cc－minc＋minBW94.1调幅信号的基本特性－AM功率oaDSBAMPmPPP)21(20oaSSBDSBPmPP222oaLcmaSSBPmRVmP421)21(22上边频或下边频LcmoRVP221载波调幅波的功率利用率2202022)21(2aaaaAMDSBmmPmPmPPtVmtVmtVtvccmaccmaccm)cos(21)cos(21cos)(104.1调幅信号的基本特性－AMAM信号的产生和解调方法非线性器件低通滤波器u(t)uAM(t)包络检波原理图ur(t)uAM(t)u(t)低通滤波器同步检波原理图)(tv)(tvcmA)(tv调幅波产生原理图)()()()(tvtvtvAtvccm114.1调幅信号的基本特性－DSB抑制载波的双边带调制(DoubleSidebandModulation)])cos()[cos(21)(ttVKVvKvtvcccmmcDSB(a)(b)u(t)uc(t)0uDSB(t)00ttt000cc－c＋)22(2maxFBWDSB包络不再反映调制信号，但保持频谱搬移的特征在调制信号波形过零点处的高频相位有180的突变所占带宽不变124.1调幅信号的基本特性－DSBDSB信号的产生和解调方法ttVKVtvccmmDSBcoscos)(ur(t)uAM(t)u(t)低通滤波器同步检波原理图uKuCuDSB134.1调幅信号的基本特性－SSB抑制载波的单边带调制(SingleSidebandModulation)2maxFBWSSBcmmVKV2ctVKVvccmmSSB)cos(2下边带cmmVKV2ctVKVvccmmSSB)cos(2或上边带144.1调幅信号的基本特性－SSBSSB信号的产生和解调方法产生uc(t)u(t)带通滤波器uDSB(t)uSSB(t)频域滤波法具有陡峭过渡带的带通滤波器这样的高频高阶带通滤波器不易制作154.1调幅信号的基本特性－SSB当调制波为频带信号，对每个频率分量均准确移相90°的电路比较复杂UcmUmsinct·sint90°相移器90°相移器UmsintUcmsinctuc＝Ucmcosctu＝UmcostuSSB(t)UcmUmcosct·cost＋－时域相移法164.1调幅信号的基本特性例：已知载波信号为v(t)=Vcmcosct，调制信号如图所示，为f1，f2。，分别画出m=0.5及m=1两种情况下AM波形以及DSB波形。tT)(tf111Tfc1tT)(tf211解图4-3解图4-4174.2调幅电路振幅调制电路高电平调制在发射极的最后一级直接产生达到输出功率要求的已调波，有利于提高发射机的效率；谐振功率放大器结合调制电路–基极调幅–集电极调幅低电平调制产生小功率已调波，再经线性功率放大器放大，达到所需的发射功率–乘法器–二极管调制器184.2调幅电路－丙类谐振功放高电平调幅电路－常用于AM信号调制利用丙类谐振功放的基极或集电极调制特性；集电极电源电压UCC(t)=UCC0+uΩ(t),即一个固定直流电压与一个低频交流调制信号之和。随着UCC变化,使静态工作点左右平移,从而使动态线左右平移。当谐振功放工作在过压状态时,Ucm将发生变化,近似有Ucm∝UCC(t)的关系。如输入信号为高频载波cosωct,输出LC回路调谐在ωc上,则输出信号可写成:uo(t)=Ucmcosωct=k［UCC0+uΩ(t)］cosωct其中k为比例系数。＋－uc(t)＋－UBB－＋UCC0u－＋UCC(t)＋－LC＋－uo(t)集电极调制原理图194.2调幅电路－丙类谐振功放为实现深度调幅，放大器需始终工作于过压区；Ucm与UCC(t)不可能是线性关系；效率高，但调制信号的功率要大；204.2调幅电路－乘法器低电平调幅电路－常用于DSB信号单片集成模拟乘法器则两信号相乘后的输出信号为,,cos,cos21222111tUutUu设两个输入信号分别为])cos()[cos(221212121ttVkVukuummo乘法运算能够产生两个输入信号频率的和频与差频，这正是调幅、检波和混频等电路所需要的功能。214.2调幅电路－乘法器模拟乘法器是利用非线性器件完成两个模拟信号的相乘运算。集成模拟乘法器是一种模拟集成电路，它是以差分放大器为基础构成的信号相乘电路。模拟乘法器主要指标有工作频率、运算精度、载波抑制比、输入信号动态范围等。u1u2uo乘法器的符号224.2调幅电路－乘法器差分放大器原理差模放大、共模抑制，信号噪声比优单差分放大器单差分放大器＋ECRCRCiC1iC2V1V2uBE1uBE2＋－u1＋－－＋＋－uoIoV3RE－EE(a)＋－u2RE－EEV3Io(b)12121211211222BETBEToCQCQCQCCoBEBEuUEsCuUEsCIIIIiiIuuuiIeiiIei直流状态下EoEEIR1时晶体三极管工作在放大区时的转移特性曲线的指数函数表达式为：TbeUusCeIi其中：Is为发射极反向饱和电流；热电压UT≈26mV234.2调幅电路－乘法器12121211211222BETBEToCQCQCQCCoBEBEuUEsCuUEsCIIIIiiIuuuiIeiiIei1112(1)22(1)22oCToCTIuithUIuithUxxxxeeeexchxshxth)()()(双曲正切：交流状态下单差分放大器＋ECRCRCiC1iC2V1V2uBE1uBE2＋－u1＋－－＋＋－uoIoV3RE－EE(a)＋－u2RE－EEV3Io(b)可得：TBETBEUusCUusCeIieIi2121,24单差分放大器＋ECRCRCiC1iC2V1V2uBE1uBE2＋－u1＋－－＋＋－uoIoV3RE－EE(a)＋－u2RE－EEV3Io(b)4.2调幅电路－乘法器＋ECRCRCiC1iC2V1V2uBE1uBE2＋－u1＋－－＋＋－uoIoV3RE－EE(a)＋－u2RE－EEV3Io(b))21(2)21(2122121TEEcTEEcUuthRuEiUuthRuEi若，恒流源电路是受电压u2控制的受控恒流源CccoRiiu)(21TTTUuUuthUu2212111时，有当21112222uuURRuURREUuRRuEuTECTECETCEEoEEoRuEI2254.2调幅电路－乘法器21112222uuURRuURREUuRRuEuTECTECETCEEou1为中等大小信号时，thx用傅立叶系数展开，u1为大信号时，thx近似双向开关函数，不管u1大小如何，uo中都含两输入电压的相乘项，因此单差分电路可用于调制、解调、混频等频谱搬移的场合；uo与u2呈线性关系，即下输入端为线性，uo与u1为双曲正切关系，即上输入端是非线性，将产生高次谐波，减小上输入端信号电平，将改善非线性；uo不仅有相乘项，还有其他成分，因此单差分对乘法电路不是理想的乘法器；264.2调幅电路－乘法器双差分对乘法电路RCiC1V1V2＋－u1(a)＋－uoRC＋ECiC2iC3iC4＋－u2IoV5V6iC5iC6V3V4(b)＋－u2IoV5V6iC5iC6RE双差分电路2526(1)22(1)22oCToCTIuithUIuithU511512613614(1)22(1)22(1)22(1)22CCTCCTCCTCCTiuithUiuithUiuithUiuithUCccccoRiiiiu)]()[(4231TCCCUuthRii2)(165TCToUuthRUuthI22122124uuURITCo274.2调幅电路－乘法器EEeeRuRrrui2652具有射极反馈电阻的双差分对乘法电路加入负反馈电阻解决输入信号线性范围太小的问题RE远大于V5、V6的发射结电阻reRCiC1V1V2＋－u1(a)＋－uoRC＋ECiC2iC3iC4＋－u2IoV5V6iC5iC6V3V4(b)＋－u2IoV5V6iC5iC6REiEoocRuIiIi2522EoocRuIiIi2622u2不是以双曲正切函数自变量的形式出现在输出电压表达式中，对u2取值没有限制。TCCCoUuthRiiu2)(165TEcUuthuRR2212283.9kUCC(＋12V)RciAiBiC1iC2V1V2V3V4uo＋－uxiC5iC3iC4iC6V5V6RyV7V8500500V9500uy6.8kMC1496iR20I20IUEE(－8V)3.9kRc1262351414810－＋－＋恒流源在②③脚间接入负反馈电阻Ry，ux小于26mV时yxTycouuURRu加入负反馈电阻Ry以后，uy的动态范围可以扩大，但ux的幅度大小仍受限制。Motorola公司MC1496/1596294.2调幅电路－乘法器1kMC1496515