1、第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电路6.1 信号变换概述信号变换概述6.2 振幅调制电路振幅调制电路6.3 振幅解调电路振幅解调电路6.4 混频电路混频电路6.5 自动增益控制自动增益控制6.6 实训实训:幅度调制电路幅度调制电路及幅度解调电路的仿真及幅度解调电路的仿真第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电6.1 信号变换概述信号变换概述在信号传输中,为了满足信道的频率响应特性,需要将基带信号变换到适合传输的频 率范围内,这就是调制。调制在通信系统中起着十分重要的作用,调制方式在很大程度上 决定了一个通信系统的性能。应用最广泛的模拟调制方式
2、,是以正弦波作为载波的幅度调 制和角度调制。在幅度调制过程中,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,这称为线性幅度调制,属于这类电路的有振幅调制电路、解调电路、混频电路等。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电而 在角度调制过程中,尽管也完成频谱搬移,但并没有线性对应关系,故称为非线性角度调 制,属于这类电路的有频率调制与解调电路等。另外,解调的过程是从已调制波中恢复基带信号,完成与调制相反的频谱搬移。混频过程与线 性调制类似,只是将输入信号频谱由载频附近线性平 移到中频附近,并不改变频谱内部结构。无论线性搬 移或非线性搬移,作为频谱搬移电路的共同特点是,为得到所需要的新频
3、率分量,都必须采用非线性器件 进行频率变换,并用相应的滤波器选取有用频率分 量。各种频率变换电路均可用图6.1所示的模型表示。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.1 频率变换电路的一般组成模型 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电6.1.1 振幅调制电路振幅调制电路 振幅调制电路有两个输入端和一个输出端,如图6.2所示。图6.2 调幅电路示意图 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电1.普通调幅普通调幅(AM)1)普通调幅电路模型 普通调幅信号是载波信号振幅按输入调制信号规律变化的一种振幅调制信号,简称调 幅信号。普通调幅电路的模型可由一个乘法器和一个加法器组成,如图6.
4、3所示。图中,Am 为乘法器的乘积常数,A 为加法器的加权系数。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.3 普通调幅电路的模型 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.4 普通调幅电路的波形第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.5 过量调幅失真第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电4)普通调幅信号的频谱结构和频谱宽度 将式(6-1)用三角函数展开:由式(6-3)可得调幅信号的频谱图,如图6.6所 示。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.6-普通调幅的频谱 第六章 信号变
5、换一:振幅调制、解调与混频电由图6.6可得,调幅信号的频谱宽度 BWAM 为调制信号频谱宽度的两倍,即从以上分析可知,普通调幅电路模型中的乘法器对u(t)和uc(t)实现相乘运算的结果将 反映在波形上和频谱上。在波形上的反映是将u(t)不失真地转移到载波信号振幅上;在 频谱上的反映则是将u(t)的频谱不失真地搬移到c 的两边。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电5)非余弦的周期信号调制 假设调制信号为非余弦的周期信号,其傅里叶级数展开式为 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电则输出调幅信号电压为第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电可以看到,uo(t)的频谱结构中,除载波分量外
6、,还有由相乘器产生的上、下边频分量,其 角频率为(c),(c+2),(cnmax)。这些上、下边频分量是指将调制信号频 谱不失真地搬移到c 两边,如图6.7所示。不难看出,调幅信号的频谱宽度为调制信号频 谱宽度的两倍,即第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.7 非余弦的周期信号调制 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电2.双边带调制双边带调制(DSB)和单边带调制和单边带调制(SSB)1)双边带调制 从上述调幅信号的频谱结构可知,占绝大部分功率 的载频分量是无用的,唯有其上、下边频分量才反映调 制信号的频谱结构,而载频分量通过相乘器仅起
7、着将调 制信号频谱搬移到c 两边的作用,本身并不反映调制 信号的变化。如果在传输前将载频分量抑制掉,那么就 可以大大节省发射机的发射功率。这种仅传输两个边频的调制方式称为抑制载波的双边带 调制,简称双边带调制。双边带调制电路模型如图6.8所示。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.8 双边带调制电路的模型 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电双边带调幅信号数学表达式为由上式可得双边带调幅信号的波形,如图6.9(a)所示。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.9 双边带调制信号 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电2)单边
8、带调制 单边带调制已成为频道特别拥挤的短波无线电通信中最主要的一种调制方式。从双边带调制的频谱结构上可以发现,上边带和下边带都反映了调制信号的频谱结 构。因此,从传输信息的观点来说,还可进一步将其中的一个边带抑制掉。这种仅传输一 个边带(上边带或下边带)的调制方式称为单边带调制。单边带调制不仅可保持双边带调制 波节省发射功率的优点,而且还可将已调信号的频谱宽度压缩一半,即单边带调幅的波形及频谱如图6.10所示。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.10 单边带调幅的波形及频谱 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电一种由乘法器和带通滤波器组成,如图6.11所示,称为滤波法。其中,
9、乘法器产生双 边带调制信号,然后由带通滤波器取出一个边带信号,抑制另一个边带信号,便得到所需 的单边带调制信号。图6.11 采用滤波法的单边带调制电路模型 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电另一种由两个乘法器、两个90相移器和一个加法器组成,如图6.12所示,称为相移法。图6.12 采用相移法的单边带调制电路模型 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电相移法模型中各点信号的频谱如图6.13所示,图(a)是乘法器产生的双边带调制信号 的频谱,图(b)是乘法器产生的双边带调制信号的频谱。图中,u (t)表示u(t)中各频率分 量均相移90后合成的信号。比较两个输出信号的频谱可见,它们的
10、下边带是同极性的,而上 边带是异极性的。因此,将它们相加或相减便可取得下边带或上边带的单边带调制信号。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.13 相移法模型中各点信号的频谱 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电6.1.2 振幅解调电路振幅解调电路 振幅调制信号的解调电路称为振幅检波电路,简称检波电路。解调是调制的逆过程,作用是从振幅调制信号中不失真地检出调制信号来,如图6.14所示。图6.14 检波器输入输出波形 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电在频域上,振幅检波电路的作用就是将振幅调制信号频谱不失真地搬回到零频率附 近。因此对于同步检波来说,检波电路模型可由一个乘法
11、器和一个低通滤波器组成,如图 6.15所示。图6.15 同步检波电路模型 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电由图6.15可见,将us(t)振幅调制信号先与一个等幅余弦电压信号ur(t)相乘,并要求 ur(t)信号与us(t)信号同频同相,即ur(t)=Urmcosct,称之为同步信号。相乘结果是us(t)频谱被搬移到c 的两边,如图6.16所示。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.16-振幅检波电路模型各点的频谱 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电6.1.3 混频电路混频电路 混频电路是一种典型的频率变换电路。它将某一个频率的输入信号变换成另一个频率 的输出信号,而
12、保持原有的调制规律。混频电路是超外差式接收机的重要组成部分。它的 作用是将载频为fc 的已调信号us(t)不失真地变换成载频为fI 的已调信号uI(t),如图 6.17 所示。通常将uI(t)称为中频信号,相应地,fI 称为中频频率,简称中频。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.17 混频电路输入输出波形 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.18 混频电路模型各点的频谱 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电6.2 振幅调制电路振幅调制电路 6.2.1 模拟乘法器模拟乘法器 1.模拟乘法器的电路符号模拟乘法器的电路符号 1)
13、乘法器的电路符号 模拟乘法器是对两个以上互不相关的模拟信号实现相乘功能的非线性函数电路。通常 它有两个输入端(x端和y端)及一个输出端,其电路符号如图6.19(a)或(b)所示。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.19 模拟乘法器符号 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电3)乘法器的主要交流参数 与集成运放的交流参数定义的条件不同,在定义乘法器的上述交流参数时,有两点必 须说明:在乘法器中,小信号通常是指加在乘法器输入端的交流信号电压峰-峰值Upp为满 量程电压范围(例如10V)的5%,即Up
14、p=1V。当乘法器x和y输入信号为两个无关的不同频率正弦信号时,输出信号频率会变得 较复杂,为了能有一个共同规范,应把乘法器当作一个线性放大系统来处理。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电(1)小信号带宽 BW。固定增益乘法器的输出电压幅度随工作频率增加而降低到直流 或低频幅度的0.707(即-3dB)时所对应的频率被定义为 BW,即小信号-3dB频率。(2)小信号1%矢量误差带宽 BWv。BWv 是表征乘法器相位特性的参数。乘法器一个 输入端加上直流电压(例如10V),另一输入端加上Upp=1V 的正弦信号,当信号频率增 加到输出与输入信号之间的瞬时矢量误差为 1%或相位差为0.01r
15、ad(0.5730)时所对应的 频率,定义为 BWv。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电(3)小信号1%幅度误差带宽 BWA。将乘法器接成单位增益放大器。当输入正弦信号 频率增加到其交流增益相对于直流增益下降 1%时所对应的频率,定义为 BWA。(4)全功率带宽 BWP。将乘法器接成单位增益放大器,输入满量程正弦信号电压,乘 法器输出电压非线性失真系数Df1%所对应的频率被定义为 BWP。(5)转换速率SR。将乘法器接成单位增益放大器,输入大信号(例如Upp=20V)方波 电压时,其输出电压的最大平均变化速率被定义为SR。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电(6)建立时间tset
16、。将乘法器接成单位增益放大器,输入大信号(例如Upp=20V)方波 电压时,其输出电压幅度进入输出稳态值的既定误差带(通常为0.1%)所需时间被定义为tset。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电2.双差分对管模拟乘法器双差分对管模拟乘法器 1)电路结构 图6.20所示为压控吉尔伯特乘法器,它是电压输入、电流输出的乘法器。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.20 双差分对管模拟乘法器 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.21 扩展u2 的动
17、态范围 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电3)典型的集成电路 MC1596-MC1596集成电路是常用的廉价且性能较好的乘法器。MC1596的内部电路如图6.22所示。图中 V1、V2、V3、V4 和 V5、V6-共同组成双差分对管 模拟乘法器,V7、V8 作为 V5、V6-的电流源。在端与之间的外接反馈电阻Re 用来扩 展ux 的动态范围,端和上接的电阻为两输出端的负载电阻。作为双边调制电路时载 波信号从端、输入,调制信号从、输入。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.22 MC1596的内部电路 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电4)同时扩展u1、u2 的动态范围
18、电路 作为通用的模拟乘法器,还必须同时扩展u1 的动态范围,为此,在图 6.20 上增加 V7V10 补偿电路,如图6.23所示。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.23 扩展u1、u2 的动态范围 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电5)典型集成电路 AD834 图6.24所示为 AD834简化原理电路。它的工作原理一目了然。为了达到宽带和低噪 声的目的,在集成电路内,制成由 V9、V10和Re1以及由 V5、V6-和Re2组成的x和y差模电 压-电流变换器的负反馈电阻,Re1=Re2285。为了降低非线性误差,在本电路上增加 了输
19、入失真抵消电路。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.24 AD834简化原理电路 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.25所示为超高频四象限乘法器 AD834的外引线与基本宽带应用接线图。按图6.25所示的基本接法,它的传输关系式为第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.25 AD834宽带接线图 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电6.2.2 低电平调制电路低电平调制电路1.MC1596集成平衡调制器集成平衡调制器 用 MC1596构成 双 边 带 调 制 器 的 实 际 电 路 如 图 6.26-所 示。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.
20、26-MC1596构成平衡调制器 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.27 双边带调制的波形及频谱 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电由图看出,模拟乘法器输出电压呈时通时断形式,相当于有一个高频开关控制它。若 接入带通滤波器,则将uom 中的高次谐波滤掉,得式中,ABP是滤波器带内增益系数,A1=2/。载波抑制度与 MC1596及工作频率fc 有关,一般大于3640dB。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电2.普通调幅器普通调幅器 在图6.26所示电 路 结 构 中,稍 微 改 动 一
21、 些 参 数,将 与 RP 串 接 的 10k 电 阻 改 作 750,就接成普通调幅(AM)方式,如图6.28所示。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.28 MC1596构成普通调幅 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电6.2.3 高电平调制电路高电平调制电路 1.集电极调幅电路集电极调幅电路 在谐振功率放大器中,当UBB、Ubm 及RP 保持不变时,只要使放大器工作于过压状态,通过改变集电极电源电压uCC便可使Ic1m 发生变化,这就是所谓的集电极调制特性。应用 谐振功率放大器的集电极调制特性,可构成集电极调幅电路。集电极调幅电路原理如图6.29所示(集电极电源电压uCC
22、=UCC+u)。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.29 集电极调幅电路 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电2.基极调幅电路基极调幅电路 在谐振功率放大器中,当UCC、Ubm 及RP 保持不变时,只要使放大器工作于欠压状态,通过改变基极电源电压uBB便可得到相同变化规律的Ic1m,这就是所谓的基极调制特性。应 用谐振功率放大器的基极调制特性,便可实现调幅过程。基极调幅电路原理如图6.30所示(基极电源电压uBB=UBB+u)。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.30 基极调幅电路 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电6.3 振幅解调电路振幅解调电路6.3.
23、1 二极管包络检波电路二极管包络检波电路 振幅调制有三种信号形式:普通调幅信号(AM)、双边带信号(DSB)和单边带信号(SSB)。它们在反映同一调制信号时,频谱结构和波形不同,因此解调方法也有所不同。这 里有两点需要说明:不论哪种振幅调制信号,对于同步检波电路而言,都可实现解调。对于普通调幅信号来说,由于载波分量的存在,可以直接采用非线性器件(二极管、三 极管)实现相乘作用,得到所需的解调电压,不必另加同步信号,这种检波电路称为包络 检波。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电1.二极管包络检波电路的工作原理二极管包络检波电路的工作原理 二极管包络检波电路有两种电路形式:二极管串联型和二
24、极管并联型,如图6.31所 示。下面主要讨论二极管串联型包络检波电路。图6.31 二极管包络检波原理电路 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.32 检波电路波形 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电2.输入电阻输入电阻 检波器电路作为前级放大器的输出负载,可用检波器输入电阻Ri 来表示,如图6.33(a)所示。其定义为输入高频电压振幅Uom 与二极管电流中基波分量I1m 振幅的比值,即 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电Ri 的作用会使L1C1 谐振回路的谐振电阻由 RP 减小到 RP
25、Ri,如图6.33(b)所示。为了减小二极管检波器对谐振回路的影响,必须增大Ri,相应地就必须增大RL。但是,增 大RL 将受到检波器中非线性失真的限制。图6.33 放大器和检波器级联 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电解决这个矛盾的一个有效方法是采用图6.34所示的三极管射极包络检波电路。由图可见,就其检波物理过程而言,它利用发射极产生与 二极管包络检波器相似的工作过程,不同的仅是输入电阻比二极管检波器增大到了1+倍。这种检波电路适宜于集成化,在集成电路中得到了广泛的应用。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.34 三极管包络检波器 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频
26、电3.二极管包络检波电路中的失真二极管包络检波电路中的失真1)惰性失真 惰性失真是由于RLC 取值过大而造成的。在实际电路中,为了提高检波性能,RLC 取 值应足够大,但是RLC 取值过大,将会出现二极管截止期间电容C 对RL 放电速度变慢,这样检波输出电压就不能跟随包络线变化,于是产生惰性失真,如图6.35所示。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.35 惰性失真 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电避免产生惰性失真的条件如下:上式表明,ma 和 越大,包络下降速度就越快,不产生惰性失真所要求的RLC 值也就必须越小。在多音调制时,作为工程估算,ma 和 应取其中的最大值。第
27、六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.36-负峰切割失真 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电在实际电路中,可以采用各种措施来减小 交、直流负载电阻值的差别。例如,将 RL 分成 RL1和 RL2,并通过隔直流电容Cc 将 RL 并接在 RL2两端,如图 6.37 所示。图6.37 减小交、直流负载电阻值 差别的检波电路第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电6.3.2 同步检波电路同步检波电路同步检波,又称相干检波(SynchronousDetector),主要用来解调双边带和单边带调制 信号
28、。它有两种实现电路,一种是采用二极管包络检波器构成叠加型同步检波器,另一种 由乘法器和低通滤波器组成。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电1.叠加型同步检波电路叠加型同步检波电路 叠加型同步检波电路实现模型如图6.38所示。叠加型同步检波电路的工作原理是将双 边带调制信号us(t)与同步信号ur(t)叠加,叠加后的信号是普通调幅波,然后再经包络检波 器,解调出调制信号。由二极管包络检波器构成的叠加型同步检波器如图6.38(b)所示。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.38 叠加型同步检波电路模型 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电2.MC1596模拟乘法器构成的同步检
29、波模拟乘法器构成的同步检波 图6.39为 MC1596模拟乘法器构成的同步检波器实例。图图6.39 MC1596接成同步检波器 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电要注意的是,在同步检波中,只保持频率同步而相位不同步时,解调输出信号有相位 失真,这时对语音通信质量影响较小,但对电视图像信号会有明显影响。如果只保持相位 同步而频率不同步,则解调输出信号将出现严重失真。因此,在同步解调中要求频率和相 位都保持严格同步。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电6.4 混混 频频 电电 路路混频器的主要指标如下:(1)混频增益Ac:混频器输出电压UI(或功率PI)与输入信号电压Us(或功率 P
30、s)的 比值,用分贝数表示,即 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电(2)噪声系数 NF:输入端高频信号信噪比与输出端中频信号信噪比的比值,用分贝数 表示,即混频器的主要指标还有选择性、混频失真、稳定度、隔离度,等等。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电6.4.1 混频电路混频电路 1.二极管双平衡混频电路二极管双平衡混频电路 图6.40(a)所示为二极管双平衡混频电路。图6.40 二极管双平衡混频电路 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.41 二极管开关函数 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调
31、制、解调与混频电2.晶体三极管混频电路晶体三极管混频电路 1)晶体三极管混频电路的工作原理 三极管混频电路的原理电路如图6.42所示。三极管的等效基极偏置电压为uBB(t)=UBB+uL,由于该偏置是不断变化的,故称为 时变基极偏压。在uBB(t)作用下,三极管的工作点在原静态工作点Q 的基础上上下移动,即本振电压控制着三极管工作点。这时三极管混频电路可看做是以us 为输入信号,基极偏 压不断变化的电路,称为时变电路。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.42 三极管混频电路第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.43 三极管的转移特性第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频
32、电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电2)晶体三极管混频电路形式 晶体三极管混频电路有图6.44所示的四种基本形式。这四种形式的混频电路各自具 有不同的特点,但是它们的混频原理都是相同的。尽管uL 和us 的输入点不同,但是实际 上uL 和us 都是串接后加到管子的发射结上的。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.44 晶体三极管混频电路的几种基本形式 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电3)晶体三极管混频电路应用 图6.45是晶体三极管实际混频电路。图中,由 V2 管组成本振信号,接成电感三点式 电路,本振信号通过耦合线圈Le
33、加到 V1 管的发射极上。天线接收的信号通过耦合线圈 La 加到输入回路上,再经过耦合线圈Lb 加到 V 管基极上。中频信号是通过LC 谐振回路 取得并输出的。中频频率为fI=465kHz。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.45 晶体三极管混频电路应用 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电3.MC1596构成的混频电路构成的混频电路 图6.46所示为 MC1596构成的混频电路。图6.46-MC1596组成的混频器 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电它利用非线性器件实现两个信号相乘。本振 信号 uL=ULm cosLt 加 在 8 端,7 端 交 流 电 位 为 零
34、。外 来 的 调 幅 信 号 电 压 us=Usm(1+cosmt)cosct 加在1端。频率Lcm。6端和9端通过两个100H 的电感 与+UCC相接。中心频率为9 MHz的混频信号经带通滤波器取出。I=L-c=29 MHz。输出电压uo 为第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电6.4.2 混频过程中产生的干扰和失真混频过程中产生的干扰和失真 1.混频器的干扰混频器的干扰 由于混频器件特性的非线性,在混频器上的信号电压和本振电压共同作用下,不仅产 生所需要的频率分量,而且产生许多无用(干扰)的组合频率分量,如果这些无用(干扰)的 组合频率分量等于或接近中频,即第六章 信号变换一:振幅调制
35、、解调与混频电那么,它将和有用信号一起通过中频放大和解调,在输出端形成干扰,并影响有用信号的 正常接收。这些组合频率分量,并不都能在混频器输出端出现,只有落在输出滤波器通带内的那些频率分量才能输出,即式中,fI 和 f0.7分别为输出滤波器的中心频率和通带。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电当p=0,q=1时,由式(6-38)求得寄生通道的fM=fI,称为中频干扰。混频器对这 种干扰信号起到中频放大作用,而且它比有用信号有更强的传输能力。当p=-1,q=1时,由式(6-38)求得的寄生通道 fK=fM=
36、fL+fI=fc+2fI,称为镜像干扰。其中fL 可看成一面镜 子,则fK 是fc 的镜像,如图6.47所示。对于这种信号,它所 通过的寄生通道具有与有用通道相同的p=q=1值,因而具有 与有用通道相同的变换能力。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.47 镜像干扰示意图 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电从以上分析可以看出,只要这两种干扰信号进入混频器,混频器自身就很难予以削弱或抑制。因而,要对抗这两种干扰信号,就必须在它们进入混 频器前将它们抑制掉。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电2.混频器中的失真混频器中的失真 1)交叉失真 当有用信号电压和干扰电压同时作用在
37、混频器的输入端时,由于混频器的非线性作 用,使输出中频信号的包络(调幅波)上叠加有干扰电压的包络,造成有用信号的失真,这 种现象称为交叉调制失真。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电交叉调制是由非线性特性中的三次以上的非线性项产生的,并且与干扰电压振幅平方 成正比,而与其频率无关。这种失真的特点是,在有用信号存在的同时,有干扰电压的包 络存在,一旦有用信号消失,干扰电压的包络也随之消失。一般抑制交叉干扰的措施是:提高混频器前级的选择性,尽量减小干扰信号;选择合适的器件和合适的工作状态,使混 频器的非线性高次方项尽可能小;采用抗干扰能力较强的平衡混频器和模拟乘法器混频 电路。第六章 信号变
38、换一:振幅调制、解调与混频电2)互调失真 当混频器输入端有两个干扰电压同时作用时,由于混频器的非线性,这两个干扰电压 与本振电压相互作用,会产生接近中频的组合频率分量,并能通过中频放大器,在输出端 形成干扰信号。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电6.5 自动增益控制自动增益控制 6.5.1 AGC电路的作用及组成电路的作用及组成 对于无线接收机而言,输出电平主要取决于所接收信号的强弱及接收机本身的电压增 益。当外来信号较强时,接收机输出电压或功率较大;当外来信号较弱时,接收机输出电 压或功率较小。由于各种原因,接收信号的起伏变化较大,信号微弱时仅只有几微伏或 几十微伏;而 信 号 较
39、强 时 可 达 几 百 毫 伏。也 就 是 说,接 收 机 所 接 收 的 信 号 有 时 会 相 差 几十dB。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电增益控制电路一般可分为手动及自动两种方式。手动增益控制电路,是根据需要,靠 人工调节增益的,如收音机中的“音量控制”等。手动增益控制电路一般只适用于输入信号 电平基本上与时间无关的情况。当输入信号电平与时间有关时,由于信号电平变化是快速 的,人工调节无法跟踪,则必须采用自动增益控制电路(AGC)进行调节。带有自动增益控制电路的调幅接收机的组成方框图如图6.48所示。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.48 带有自动增益控制电路的
40、调幅接收机的组成方框图 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电为了实现自动增益控制,在电路中必须有一个随输入信号改变的电压,称为 AGC 电 压。AGC电压可正可负,分别用UAGC和-UAGC表示。利用这个电压去控制接收机的某些级 的增益,达到自动增益控制的目的。这里要注意的是,AGC检波器不同于包络检波器,包络检波器的输出反映包络变化的 解调电压,而 AGC检波器仅输出反映输入载波电压振幅的直流电压。从以上分析可以看出,AGC 电路有两个作用:一是产生 AGC 电压UAGC;二是利用 AGC电压去控制某些级的增益。下面介绍 AGC电压的产生及实现 AGC的方法。第六章 信号变换一:振幅调
41、制、解调与混频电6.5.2 AGC电压的产生电压的产生 接收机的UAGC大都是利用它的中频输出信号经检波后产生的。按照UAGC产生的方法 不同而有各种电路形式,基本电路形式有平均值式 AGC电路和延迟式 AGC电路,在某些 场合也会采用峰值式 AGC电路及键控式 AGC电路等形式。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电1.平均值式平均值式AGC 电路电路 平均值式 AGC电路是利用检波器输出电压中的平均直流分量作为 AGC电压的。图6.49所示为典型的平均值式 AGC电路,常用于超外 差收音机中。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.49 平均值式 AGC电路 第六章 信号变换一
42、:振幅调制、解调与混频电2.延迟式延迟式AGC 电路电路 平均值式 AGC电路的主要缺点是,一有外来信号,AGC 电路立刻起作用,接收机的 增益就因受控制而减小。这对提高接收机的灵敏度是不利的,这一点对微弱信号的接收尤 其是十分不利的。为了克服这个缺点,可采用延迟式 AGC电路。延迟式 AGC电路如图6.50所示。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.50 延迟式 AGC电路 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电6.5.3 实现实现 AGC的方法的方法 实现自动增益控制的方法很多,这里仅介绍利用UAGC控制晶体管IE 电流,最终达到 对放大器的增益控制。图6.51(a)、(b)
43、为改变IE 的 AGC电路。图中,所使用的晶体三极管具有图6.51(c)所示的特性。当静态工作电流IE 在AB 范围内时,都有IE的特性。图(a)所示为 单调谐小信号放大器。由于 AGC 电压UAGC 通过 R4 及 R3 加到发射极上,便产生如下变 化:第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.51 改变IE 的 AGC电路 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.52(a)和(b)为另一种改变IE 的 AGC 电路。图中所使用的晶体三极管具有图 6.52(c)所示的特性。当静态工作电流IE 在AB 范围内时,却有IE的特性。图(a)所示为单调谐小信号放大器。由于 AGC 电压
44、UAGC通过R4 加到基极上,所以本电路可产 生如下变化:或第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.52 另一种改变IE 的 AGC电路 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电6.6 实训实训:幅度调制电路及幅度解调电路的仿真幅度调制电路及幅度解调电路的仿真调幅电路及解调电路都是线性频谱搬移电路。普通调幅和双边带调幅电路都可以用模 拟乘法器构成。本节采用分立元器件构成模拟乘法电路(MC1596集成模拟乘法器内部结 构,详细说明请看6.2.2节)来实现调制信号与载波信号间的调制。幅度解调电路也称为幅 度检波器,本节采用同步检波器来实现解调。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电范
45、例一范例一:观察普通调幅、观察普通调幅、双边调幅电路的输出波形及频谱结双边调幅电路的输出波形及频谱结构构 步骤一步骤一 绘出普通调幅电路图(1)请建立一个项目 CH5,然后绘出如图6.53所示的电路图。其中 V1是载波信号源用 VSIN,V2是调制信号源用 VSIN。(2)其它元件编号和参数按图6.53中设置。(3)点击测试笔选项工具栏的 按钮,在 C10和 R14之间设置电压测试笔,用于测 试输出波形。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.53 普通幅度调制电路 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电步骤二步骤二 观察普通幅度调制电路的输出波形及频谱图(1)设定瞬态分析参数:R
46、untotime(仿真运行时间)设置为100s,Startsavingdata after(开始存储数据时间)设置为0s,Maximumstepsize(最大时间增量)设置为10ns。(2)启动仿真,观察普通调幅电路的输出波形及频谱图。由于使用了测试笔观察输出电压波形,仿真成功后,会自动弹出输出波形。普通调 幅电路的输出波形如图6.54所示,根据波形图可以分析并读出调幅信号的最大振幅、最小 振幅,并计算出调制度。选择菜单 TraceFourier,或者点击工具栏上的 按钮,会出现普通调幅波的频谱 图,如图6.55所示。根据频谱图可以分析频谱结构,读出频谱宽度。第六章 信号变换一:振幅调制、解调
47、与混频电图6.54 普通调幅电路的输出波形 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.55 普通调幅波的频谱图 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电步骤三步骤三 绘出双边带调幅电路图(1)请建立一个项目CH6,重新绘制图6.53,其中电阻 R7、R8分别改成10k,如图6.56所示。(2)其它元件编号和参数按图6.56中设置。(3)点击测试笔选项工具栏的 按钮,在 C10和 R14之间设置电压测试笔,用于测 试输出波形。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.56-双边带调幅电路 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电步骤四步骤四 观察双边带幅度调制电路的输出波形及频谱
48、图(1)设定瞬态分析参数:Runtotime(仿真运行时间)设置为100s,Startsavingdata after(开始存储数据时间)设置为20s,Maximumstepsize(最大时间增量)设置为10ns。(2)启动仿真,观察普通调幅电路的输出波形及频谱图。由于使用了测试笔观察输出电压波形,仿真成功后,会自动弹出输出波形。双边带 调幅电路的输出波形如图6.57所示。选择菜单 TraceFourier,或者点击工具栏上的 按钮,会出现普通调幅波的频谱 图,如图6.58所示。根据频谱图可以分析频谱结构,读出频谱宽度。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.57 双边带调幅电路的输出
49、波形 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.58 双边带调幅波的频谱图 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电范例二范例二:观察同步检测波的输出波形观察同步检测波的输出波形 步骤一步骤一 绘出同步检波电路图(1)请建立一个项目CH7,然后绘出如图6.59所示的电路图。乘法器 A 采用 MULT/ABM,同步信号 V5与载波信号 V1同频、同相。(2)其它元件编号、参数以及电压测试笔按图中设置。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电图6.59 同步检波电路 第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电范例二范例二:观察同步检测波的输出波形 步骤一 绘出同步检波电路图(1)请建立一个项目CH7,然后绘出如图6.59所示的电路图。乘法器 A 采用 MULT/ABM,同步信号 V5与载波信号 V1同频、同相。(2)其它元件编号、参数以及电压测试笔按图中设置。第六章 信号变换一:振幅调制、解调与混频电由于使用了测试笔观察输出电压波形,仿真成功后,会自动弹出输出两路波形,这时 的波形窗口出现同步检波电路的输出波形与调制信号波形,如图6.60所示。根据波形可以 分析得出解调后的波形与调制信号同频,但存在很小的相移,这在音频信号调制中人的耳 朵是听不出来的。
