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1、第 5 章 振幅調(diào)制、解調(diào) 與混頻電路,振幅調(diào)制：用待傳輸?shù)牡皖l信號去控制高頻載波信號的幅值。,振幅解調(diào)：從高頻調(diào)幅信號中還原出原調(diào)制信號。,混頻：將已調(diào)信號的載頻變成另一載頻。,振幅調(diào)制、解調(diào)和混頻電路都是頻譜搬移電路，即為將輸入信號頻譜沿頻率軸進(jìn)行不失真搬移的電路，通常利用相乘器實現(xiàn)。,引言,主要要求：,掌握模擬相乘器的頻率變換作用,掌握三極管相乘器工作原理及集成模擬相乘器MC1496/1495和MC1596/1595,掌握和理解二級管混頻器工作原理,5.1 模擬相乘器,5.1.1 相乘器的特性,相乘器是一種完成兩個模擬信號相乘的電路或器件。,AM 為增益系數(shù)，1/V,設(shè),出現(xiàn)兩個新的頻率

2、分量，分別是和頻和差頻。,說明相乘器是非線性器件，具有頻率變換作用。,則,5.1.2 二極管相乘器電路,一、非線性器件二極管特性的冪級數(shù)表示,該式在Q點的泰勒級數(shù)展開式為,的各冪級數(shù)項展開，可得,將,由二次方產(chǎn)生了有用乘積項,令 u1=U1mcos 1t， u2=U2mcos 2t ，,則得眾多組合頻率分量的通式為： pq= p1 q 2 P、q為0或正整數(shù)。,其中p =q =1 對應(yīng) 11= 1 2是有用乘積項產(chǎn)生的和頻、差頻，其余頻率分量都由無用乘積項產(chǎn)生。,同時產(chǎn)生眾多無用高階相乘項，故相乘作用不理想。,為減小無用組合頻率分量，應(yīng)選擇合適的Q 點，使 非線性器件工作在特性接近平方律的區(qū)段

3、，或選用具有 平方律特性的器件。,另外，常使非線性器件工作于線性時變工作狀態(tài)或 開關(guān)工作狀態(tài)。,二、線性時變工作狀態(tài),1. 工作條件： u2為足夠小的信號,當(dāng)u2足夠小，則可忽略下式中u2的二次方及其以上各次方項,得,2. 為何稱為線性時變工作狀態(tài)？,二、線性時變工作狀態(tài),1. 工作條件： u2為足夠小的信號,當(dāng)u2足夠小，則可忽略下式中u2的二次方及其以上各次方項,得,2. 為何稱為線性時變工作狀態(tài)？,二、線性時變工作狀態(tài),1. 工作條件： u2為足夠小的信號,當(dāng)u2足夠小，則可忽略下式中u2的二次方及其以上各次方項,得,2. 為何稱為線性時變工作狀態(tài)？,i 與 u2 的關(guān)系是線性的，但其系

4、數(shù)是時變的，故稱為線性時變工作狀態(tài)。,線性時變工作狀態(tài)的圖示,時變工作點按大信號u1的變化規(guī)律隨時間變化。,對小信號u2 而言，管子特性等效為時變工作點處的一小段切線，故呈線性特性。但切線斜率即增量電導(dǎo)隨時變工作點而變。,則I0 (u1)和g (u2)都是周期函數(shù)，可用傅里葉級數(shù)展開，故,3. 為何線性時變工作狀態(tài)能減少無用組合頻率分量？,u1 = U1mcos 1t,若,I0(u1)= I0 + I1mcos 1t + I2mcos 21t +,g(u1)= g0 + g1cos 1t + g2cos 21t +,直流分量,基波,二次諧波,將 u2=U2mcos 2t 和上述兩式代入,則得,

5、可見，線性時變工作狀態(tài)能減少無用組合頻率分量：,(2) 有用頻率分量與無用頻率分量的間隔大，易濾除。,(1) 輸出電流者只含：直流成分， 1及其各次諧波、2 、 1及其各次諧波與2 的組合頻率。,消除了 2 的各次諧波， 2 的各次諧波與1及各次諧波的組合頻率。,從組合頻率分量的通式 pq= p1 q 2看，即消除了 q1、p為任意值時的所有頻率分量。,三、開關(guān)工作狀態(tài),1. 工作條件： u1為足夠大信號，使器件工作于開關(guān)狀態(tài)； u2為足夠小信號。,2. 二極管開關(guān)工作狀態(tài)的分析,原理電路,開關(guān)等效電路模型,大信號,小信號,是受u1控制的單向開關(guān)函數(shù),單向開關(guān)函數(shù)表達(dá)式為,其傅里葉級數(shù)展開式為

6、：,開關(guān)函數(shù)波形,可見：,輸出電流中只含有：直流、2 、1 及其偶次諧波、1 及其奇次諧波與2的組合頻率分量。,不存在1的奇次諧波以及1偶次諧波與2的組合頻率分量。,四 二極管雙平衡相乘器,u1=U1mcos(1t)為大信號,u2=U2mcos( 2t)為小信號,u1正半周V1、V2導(dǎo)通,u1負(fù)半周V3、V4導(dǎo)通,一、電路組成及工作原理,為便于分析，暫時不考慮負(fù)載的 反作用，則,流過負(fù)載的總的輸出電流為,實際應(yīng)考慮負(fù)載的反作用，則要用 代替,四管特性 相同，N1=N2,兩個單向開關(guān)函數(shù)合成一個雙向開關(guān)函數(shù)：,于是得到總的輸出電流：,輸出電流中只含有p1 2（p為奇數(shù)）的組合頻率分量。 若1較高

7、，則(3 1 2 )及以上的組合頻率分量很容易被濾 除。因此二極管雙平衡相乘器具有接近理想特性的相乘功能。,二極管環(huán)形相乘器,四個二極管組成一個環(huán)路，且二極管極性沿環(huán)路一致，故又稱為環(huán)型相乘器。,若二極管特性一致，變壓器中心抽頭上下完全對稱，則各端口間良好隔離。信號分別從其中兩個端口輸入，則另一端口為相乘器輸出端。,五、二極管環(huán)形混頻器組件,混頻器通常利用二極管環(huán)形相乘器原理組成，故又將二極管環(huán)形相乘器稱為二極管混頻器。 已形成環(huán)形混頻器組件系列。工作頻率幾十kHz幾千MHz。,二極管混頻器優(yōu)點：電路簡單、噪聲低、動態(tài)范圍大、 組合頻率分量少、工作頻帶寬。,二極管混頻器缺點：無增益；各端口間隔

8、離度較差，并隨 工作頻率的提高而下降。,外形,內(nèi)部電路,環(huán)形混頻器組件采用精密配對的肖特基表面勢壘二極管或砷化鎵器件和傳輸線變壓器構(gòu)成。,L：本振,R: 輸入,I：中頻輸出,使用方法： 從任兩個端口輸入，從第三端口獲得輸出。 各端口的匹配阻抗均為50，要求接入濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。,5.1.3 三極管相乘器電路,一、雙差分對模擬相乘器基本工作原理,靜態(tài)分析,u1= u2 = 0時： IC5 = IC6 = I0 / 2 IC1 = IC2 = IC3 = IC4 =I0 / 4 I13 = IC1 +IC3 = I0 / 2 I24 = IC2 +IC4 = I0 / 2,交流分析,圖示電路的輸出電壓

9、uo受輸入電壓u1、 u2的控制,可表示為:,式中UT是溫度電壓當(dāng)量，常溫下，UT26mV。,是雙正曲函數(shù)。,當(dāng)u1 UT（26 mV）、 u2 UT（26 mV）時，雙差分對模擬相乘器工作在小信號狀態(tài)。u2UT 0.5，根據(jù)雙曲正切函數(shù)特性有：,因此,說明：雙差分對模擬相乘器當(dāng)u1、u2均為小信號，即輸入信號幅度均小于26 mV時，能實現(xiàn)理想的相乘功能。,二、MC1496集成模擬相乘器,組成多路 電流源，外接R5調(diào)節(jié)I0/2的大小。,利用RY負(fù)反饋作用擴大輸入電壓u2的動態(tài)范圍,外接負(fù)載電阻。,擴展后u2的動態(tài)范圍為：,可得MC1496相乘器的輸出電壓表達(dá)式為：,當(dāng)u1 UT時, MC149

10、6相乘器的輸出電壓表達(dá)式為：,當(dāng)u1 =UIm(1t)時，,為周期性函數(shù)，當(dāng)UIm 260mV時，,趨于周期性方波，幅值為1。,此時雙差分對模擬相乘器工作在雙向開關(guān)狀態(tài)。,其中,三、MC1596集成模擬相乘器,外接負(fù)載電阻,擴大輸入電壓uY的動態(tài)范圍。,擴大輸入電壓uX的動態(tài)范圍。,設(shè)定靜態(tài)電流,設(shè)定1端電位，以保證各管放大工作,MC1596輸出電壓表示為：,相乘器的增益系數(shù)，典型值為0.1V,uX、uY的動態(tài)范圍必須滿足下面關(guān)系：,作業(yè)：,5.2 振幅調(diào)制器,主要要求：,掌握普通調(diào)幅（AM）的基本工作原理及其典型AM調(diào)幅電路。,掌握雙邊帶調(diào)幅（DSB）的基本工作原理及其典型的DSB調(diào)幅電路。

11、,了解單邊帶調(diào)幅（SSB）的基本工作原理及其實現(xiàn)方法。,5.2.1 普通調(diào)幅原理及典型電路,一、 普通調(diào)幅信號基本原理,uo(t),為輸出載波電壓振幅,為相乘器和載波電壓 振幅決定的比例常數(shù),載波信號,ma 稱為調(diào)幅系數(shù)或調(diào)幅度，它表示輸出載波振幅受調(diào)制信號控制的程度。 ma越大，調(diào)幅波幅度的變化越大。,1. 單頻調(diào)制,調(diào)制信號,振幅在載波振幅上、下按調(diào)制信號的規(guī)律變化的高頻信號稱為普通調(diào)幅波，用AM表示。,將調(diào)幅波振幅的變化規(guī)律，即 稱為調(diào)幅波的包絡(luò)。,最大振幅,最小振幅,調(diào)幅波的包絡(luò),ma=1時，最小振幅為0,ma1時，調(diào)幅波產(chǎn)生 過調(diào) 失真。,故要求ma1。,載波,上邊頻分量,載波中不含

12、任何有用信息，要傳送的信息只包含于兩個邊頻中。,BW = 2F,下邊頻分量,2.復(fù)雜信號調(diào)制,調(diào)制信號,調(diào)幅信號,調(diào)制信號,調(diào)制后對每一個頻率分量都產(chǎn)生一對邊頻，形成上、下邊帶。,上邊帶,下邊帶,上邊帶和下邊帶頻譜分量的相對大小及間距均與調(diào)制信號的頻譜相同，僅下邊帶頻譜倒置而已。可見調(diào)幅的作用是將調(diào)制信號頻譜不失真地搬移到載頻兩側(cè)。,復(fù)雜信號調(diào)制時調(diào)幅波頻譜,BW = 2Fn,3. 調(diào)幅波的功率,載波分量功率,邊頻分量功率：,調(diào)幅波在調(diào)制信號一個周期內(nèi)的平均功率：,單頻調(diào)制時AM調(diào)幅波的功率：,當(dāng)調(diào)幅波處于包絡(luò)峰值時，高頻輸出功率最大，稱為調(diào)幅波最大功率，也稱峰值包絡(luò)功率。即,當(dāng) ma = 1

13、時，邊頻功率最大，但僅為PAV / 3。實際使用中， ma 在0.11 之間，平均值為0.3。可見普通調(diào)幅波中邊頻分量所占功率非常小，而不攜帶信息的載波占去很大比例。,對調(diào)幅電路的主要要求： 失真小、調(diào)制線性范圍大、調(diào)制效率高。,調(diào)制在發(fā)送設(shè)備的低電平級實現(xiàn)，然后經(jīng)線性功率放大器放大（工作于欠壓區(qū)）。對三種調(diào)制方式都適用。低電平調(diào)幅電路一般用相乘器實現(xiàn),振幅調(diào)制與功放合二為一，在發(fā)送設(shè)備末級實現(xiàn)，適用普通調(diào)幅，整機效率高。高電平調(diào)幅電路一般利用丙類諧振功率放大器實現(xiàn)。,二、普通調(diào)幅典型電路,1.雙差分對模擬相乘器調(diào)幅電路（低電平調(diào)幅電路）,調(diào)節(jié)載波調(diào)零電位器，可使載漏最小。,電路組成,擴展u的

14、線性動態(tài)范圍。,1mA,當(dāng)Ucm 260mV時,工作在開關(guān)狀態(tài) 通過滑動變阻器提供直流偏置電壓UQ，實現(xiàn)AM調(diào)幅，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器也可以調(diào)節(jié)調(diào)幅系數(shù)。,工作原理,2 高電平振幅調(diào)制電路,主要要求：兼顧輸出功率大、效率高、調(diào)制線性度好。,用途：普通調(diào)幅。,主要電路：利用丙類諧振功放實現(xiàn)。,工作于欠壓區(qū)，效率較低，適用于小功率發(fā)射機。,工作于過壓區(qū)，效率高，適用于大功率發(fā)射機。,諧振回路調(diào)諧在載頻fc上。,基極調(diào)幅電路,基極偏置電壓隨調(diào)制信號而改變。,集電極脈沖電流也隨調(diào)制信號的大小而改變。,通過諧振回路調(diào)諧在載頻fc 上，在輸出端獲得不失真調(diào)幅信號。,被調(diào)放大器在調(diào)制信號變化范圍內(nèi)應(yīng)始終工作于

15、欠壓狀態(tài)，因此基極調(diào)幅效率較低,基極調(diào)幅工作原理,集電極調(diào)幅電路,工作原理：,5.2.2 雙邊帶調(diào)幅的原理及典型電路 一、雙邊帶調(diào)幅原理,抑制載波、只發(fā)送含有信息的上、下邊帶的調(diào)幅信號稱為雙邊帶調(diào)幅信號，用DSB表示。,則,若,包絡(luò)正比于u(t)不再反應(yīng)原調(diào)制信號的形狀。,調(diào)制信號每次過零值時，DSB信號波形均發(fā)生180o的相位突變。,調(diào)制信號的頻譜被不失真地搬移到載頻的兩邊。同時抑制了載波。,BW = 2F,2.雙邊帶調(diào)幅電路,工作原理：與用相乘器實現(xiàn)AM調(diào)幅電路是相同的，沒有畫出集成模擬相乘器MC1596的內(nèi)部電路，該圖作為雙邊帶調(diào)幅時，可變電阻的滑動片要處于中間位置，使1、4腳之間的直流

16、電壓為零，輸出的調(diào)幅波就是抑制了載波的雙邊帶調(diào)幅波。,5.2.3 單邊帶調(diào)幅原理及實現(xiàn)方法,DSB組成模型,SSB組成模型,通過帶通濾波器濾除DSB 信號中的一個邊帶，就可以獲得SSB 信號。,或,1.濾波法,由于雙邊帶調(diào)幅信號上、下邊帶都含有調(diào)制信號的全部信息，為節(jié)省發(fā)射功率，減小頻譜寬度只發(fā)射一個邊帶，這種只傳輸一個邊帶的調(diào)幅方式稱為單邊帶調(diào)幅，用SSB表示。,濾除法的關(guān)鍵是帶通濾波器,2.移相法,故,移相法的關(guān)鍵是移相器，要求精確移相90且幅頻特性為常數(shù)。,試分別畫出下列電壓表示式的波形和頻譜圖，并說明它們各為何種信號。（令c=9）,(1),解:普通調(diào)幅信號 ，ma=1，波形與頻譜如下圖所示：,試分別畫出下列電壓表示式的波形和頻譜圖，并說明它們各為何種信號。（令c=9）,(2),解:抑制載頻雙邊帶調(diào)幅信號，波形與頻譜如下圖所示：,試分別畫出下列電壓表示式的波形和頻譜圖，并說明它們各為何種信號。（令c=9）,(3),解:單頻調(diào)制的單邊帶調(diào)幅信號，波形與頻譜如下圖所示：,試分別畫出下列電壓表示式的波形和頻譜圖，并說明它們各為何種信號。（令c=9）,(4),解:低頻信號與高頻信號相疊加