高频电路原理与分析-第6章振幅调制、解调与混频课件.ppt
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1、高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 第六章第六章 振幅调制、振幅调制、解调与混频解调与混频6.1 振幅调制振幅调制6.2 调幅信号的解调调幅信号的解调6.3 混频混频6.4 混频器的干扰混频器的干扰高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 -1 振幅调制6-1-1 振幅调制概述振幅调制概述 调制与解调电路是通信、广播、测量等系统中的基本电路之一,为频率变换电路(非线性电路)。调制的其他应用如:直流放大器高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 6-1-2调幅的方法与电路调幅的方法与电路 一、乘法器调幅 为四象限乘法器实际典型值:实际典型值:vc(60mv)、v(300mv)、
2、输出载波抑制、输出载波抑制可达可达60dB。高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 二、开关型调幅电路 要求:VcV 即:即:vc等效为开关函数S(t)1双二极管平衡调幅电路 高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 设:二极管导通电阻为RD,等效负载为2RL对于D1、D2:vc是共模信号,在RL上相消,v是差模信号,vS(t)在RL上相加。高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 2二极管环型调幅电路 高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 i5=i1-i4 i6=i2-i3i=i5+i6=i1-i4+(i2-i3)=(i1-i2)-(i4-i3)(i1-i2)同上,高频
3、电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 3二极管桥型调幅电路 无变压器,较实用 四个二极管同时导通和截止(上述方法均要求参数完全对称)。高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 4开关型调幅电路实例 对于D1、D2:vc仍是共模信号,v仍是差模信号,负载上得到的电流同(1)。高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 三、晶体管调幅电路基极(发射极)调幅:v控制控制基极(发射极)电压。集电极(漏极)调幅:v控制控制集电极(漏极)电压。由选频网络选出vo(已调信号)。1.基极调幅电路(发射极调幅电路)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 vbe=VBB+v+vc=VBB+Vcos
4、t+Vccosotv、vc幅度不同时:幅度不同时:(1)v、vc均较小均较小 采用幂级数法分析,产生调幅波。采用幂级数法分析,产生调幅波。(因非线性失真大,很因非线性失真大,很少使用少使用)(2)v较小较小(几几mv几十几十mv)vc较大较大(几百几百mv)采用时变参量法分析。采用时变参量法分析。(3)v小小(几几mv)vc大大(0.51v)采用开关函数法分析。采用开关函数法分析。调幅系数调幅系数m1,线性范围小。线性范围小。(4)v、vc均较大均较大(常用常用)工作于工作于(甲乙类甲乙类)欠压状态。欠压状态。工作工作=90120度度过压工作时,vce变化小高频电路原理与分析第6章振幅调制、解
5、调及混频 基极调幅特点:(1)所需v功率小,用于小功率发射机;(2)m不可太大,否则易包络失真;(3)集电极效率低(欠压工作)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 2.集电极调幅电路 v使集电极(电源)电压V发生变化,实现调幅。高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 可见:在欠压区,输出的基波电压的幅度不随Vcc的变化而变化。故:过压工作,可实现调幅。集电极调幅特点:(1)因过压工作,高高(与与m无关无关),用于大功率调幅发射机。(2)要求v提供较大的驱动功率。(3)m较大时,调幅波非线性失真。高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及
6、混频 3多重调幅原理(改善线性度)实际工作中,基极、集电极调幅均有非线性失真。例:集电极调幅VBB、Vcc不变不变当当Vcemin随随Vcc(t)减小时减小时,Ic1下降过快,呈非线性关系,调制特性曲下降过快,呈非线性关系,调制特性曲线向下弯曲。线向下弯曲。解决方法:解决方法:Vcc减小时,减小时,Vbemax相应减小;相应减小;Vcc增大时,增大时,Vbemax相应增大。相应增大。即:即:Vbemax与与Vcc(t)按相同的调制规律变化按相同的调制规律变化(双重调幅)。(1)采用自给偏压电路高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 VBB=-Ib0Rb在过压区:V,Vcc(t),Ib0,
7、Vbemax=(VBB+Vc)V,Vcc(t),Ib0,Vbemax=(VBB+Vc)(2)采用双重调幅电路 集电极集电极基极基极双重调幅 集电极调幅时,部分集电极调幅时,部分v调基极偏压,使:调基极偏压,使:Vcc(t)时,时,VBB(t)同时同时;Vcc(t)时,时,VBB(t)同时同时。集电极集电极集电极集电极双重调幅 对相邻的末前级和末级,采用相同的v同时进行集电极集电极调幅。即:末级Vcc(t)时时,VBB(t)(末前级Vcc)末级Vcc(t)时时,VBB(t)(末前级Vcc)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 6-1-3 单边带调制单边带调制 一、特点:1.压缩频带;2.
8、节省功率;3.受传播条件(衰落和相移)的影响小;4.设备复杂。二、单边带产生方法(一)滤波法 难点:接近理想的带通滤波器难以实现。解决:1.频率由低到高,多级相乘和滤波。2.采用VSB。高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频(二)相移法 难点:多频工作时,调制信号的宽带相移难以实现。高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频-调幅信号的解调调幅信号的解调 6-2-1 调幅解调的方法 振幅解调方法可分为包络检波和同步检波两大类。包络检波是指解调器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方法。由于AM信号的包络与调制信号成线性关系,因此包络检波只适用于AM波。其原理框图如图630所示。高频电
9、路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 图630 包络检波的原理框图 ui非线性电路(器件)低 通滤波器u00fttf00F(a)(b)fc Ffcfc F高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 图631 同步解调器的框图 插入载波同步解调器低通滤波器uUcos(ctc)DSB信号SSB信号或ffc Ffcfc Fffc F00fF0高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 同步检波又可以分为乘积型(图632(a)和叠加型(图632(b)两类。它们都需要用恢复的载波信号ur进行解调。图632 同步检波器 低通滤波器us(a)uour包络检波器us(b)uour高频电路原理与分析第6章
10、振幅调制、解调及混频 6-2-2 二极管峰值包络检波器 1原理电路及工作原理 图633(a)是二极管峰值包络检波器的原理电路。它是由输入回路、二极管VD和RC低通滤波器组成。11cRRCC 式中,c为输入信号的载频,在超外差接收机中则为中频I为调制频率。在理想情况下,RC网络的阻抗Z应为()0()cZZR 高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 图633 二极管峰值包络检波器(a)原理电路(b)二极管导通 (c)二极管截止 uiCRVDuo(a)CRuoui(b)CR(c)uo高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 图634 加入等幅波时检波器的工作过程 uCU1U2uiU3uCU
11、4tUAUB0通断断通(a)(b)(c)t00 0tUouoiDUav高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 从这个过程可以得出下列几点:(1)检波过程就是信号源通过二极管给电容充电与电容对电阻R放电的交替重复过程。(2)由于RC时常数远大于输入电压载波周期,放电慢,使得二极管负极永远处于正的较高的电位(因为输出电压接近于高频正弦波的峰值,即UoUm)。(3)二极管电流iD包含平均分量(此种情况为直流分量)Iav及高频分量。高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 图635 检波器稳态时的电流电压波形 0iDgDuDuDUottiD0iDmax(a)(b)高频电路原理与分析第6章振幅
12、调制、解调及混频 图637 输入为AM信号时检波器的输出波形图t0(a)(b)t0uC(t)Uo(t)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 图637 输入为AM信号时,检波器二极管的电压及电流波形 0iDuDUo(t)uDiDt0高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 图638 包络检波器的输出电路 CRu(a)RgCgCRUdc(b)CR高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 2性能分析 1)传输系数Kd 检波器传输系数Kd或称为检波系数、检波效率,是用来描述检波器对输入已调信号的解调能力或效率的一个物理量。若输入载波电压振幅为Um,输出直流电压为Uo,则Kd定义为odm
13、dCUKUUKmU(643a)(643b)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 由于输入大信号,检波器工作在大信号状态,二极管的伏安特性可用折线近似。在考虑输入为等幅波,采用理想的高频滤波,并以通过原点的折线表示二极管特性(忽略二极管的导通电压VP),则由图635有:000DDDDDg uuiu(644)(645)式中,uD=ui-uo,gD=1/rD,为电流通角,iD是周期性余弦脉冲,其平均分量I0为max()(1cos)DDmoDmigUUg U高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 式中,0()、1()为电流分解系数。由式(643(a)和图635可得0max01max1()
14、(sincos)()(sinsin)DmDDmDg UIiag UIia基频分量为(647)(647)cosodmUKU(648)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 由此可见,检波系数Kd是检波器电流iD的通角的函数,求出后,就可得Kd。由式(647)Uo=I0R,有(sincos)cosooDmmUI Rg RUU(649)等式两边各除以cos,可得tanDg R(650)当gDR很大时,如gDR50时,tan-3/3,代入式(7-50),有33Dg R(651)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 图639 KdgDR关系曲线图 020406080100gDRKd0.20
15、.40.60.81.00Kd0.20.40.60.81.0101001000gDRRC0RC5RC图640 滤波电路对Kd的影响 高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 2)输入电阻Ri 检波器的输入阻抗包括输入电阻Ri及输入电容Ci,如图641所示。输入电阻是输入载波电压的振幅Um与检波器电流的基频分量振幅I1之比值,即1miURI(652)输入电阻是前级的负载,它直接并入输入回路,影响着回路的有效Q值及回路阻抗。由式(647),有(sincos)iDRg(653)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 图641 检波器的输入阻抗 CRisR0LC1ZiRiCi高频电路原理与分析
16、第6章振幅调制、解调及混频 当gDR50时,很小,sin-3/7,cos1-2/2,代入上式,可得2222mCiiUURRRR高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 3检波器的失真 1)惰性失真 在二极管截止期间,电容C两端电压下降的速度取决于RC的时常数。图642 惰性失真的波形 0uCtui高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 为了避免产生惰性失真,必须在任何一个高频周期内,使电容C通过R放电的速度大于或等于包络的下降速度,即()ouU ttt(655)如果输入信号为单音调制的AM波,在t1时刻其包络的变化速度为11()sint tmU tmUtt(657)高频电路原理与分析
17、第6章振幅调制、解调及混频 二极管停止导通的瞬间,电容两端电压uC近似为输入电压包络值,即uC=Um(1+mcost)。从t1时刻开始通过R放电的速度为1111111(1cos)sin11cost tt tRCRCCmu eUmt etRCRCmtAmt 将式(657)和式(657)代入式(655),可得高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 实际上,不同的t1,U(t)和Cu的下降速度不同,为避免产生惰性失真,必须保证A值最大时,仍有Amax1。故令dadt1=0,得122maxmaxmaxcos11tmmRCmmRCm 代入式(658),得出不失真条件如下:(659)(670)(67
18、1)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 图643 底部切削失真 usCVDRRgCg(a)usutt00(b)(c)URUC高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 2)底部切削失真 底部切削失真又称为负峰切削失真。产生这种失真后,输出电压的波形如图643(c)所示。这种失真是因检波器的交直流负载不同引起的。因为Cg较大,在音频一周内,其两端的直流电压基本不变,其大小约为载波振幅值UC,可以把它看作一直流电源。它在电阻R和Rg上产生分压。在电阻R上的压降为 RCgRUURR(672)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 调幅波的最小幅度为UC(1-m),由图643可以看出
19、,要避免底部切削失真,应满足(1)CCggRUmURRRRmRRR(673)(674)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 图644 减小底部切削失真的电路 C1(a)C2R2RgCgR1(b)射随器RRg高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 4实际电路及元件选择图645 检波器的实际电路C3放 大20R382 k6 V10 kR4 Ec2AP9C1R1680RgR24.7 k5 100 pF5 100 pFCg10C2高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 根据上面诸问题的分析,检波器设计及元件参数选择的原则如下:(1)回路有载QL值要大,(2)为载波周期 (3)(4)
20、(5)000/12LRRQC11,CCCcRCTTTf0011,2mmR CRC2maxmaxmax1(1)gggmRCmRm RmRRRm高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 5.二极管并联检波器 除上面讨论的串联检波器外,峰值包络检波器还有并联检波器、推挽检波器、倍压检波器、视频检波器等。这里讨论并联检波器。高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 图647 并联检波器及波形(a)原理电路(b)波形(c)实际电路 uiR(a)(c)(b)uCVDuDR1CgRgC1RVDEcCcuDttt000uCui高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 根据能量守恒原理,实际加到并联
21、型检波器中的高频功率,一部分消耗在R上,一部分转换为输出平均功率,即2222223CCaviiUUURRRRR当UavUC时(UC为载波振幅)有(675)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 7小信号检波器 小信号检波是指输入信号振幅在几毫伏至几十毫伏范围内的检波。这时,二极管的伏安特性可用二次幂级数近似,即 一般小信号检波时Kd很小,可以忽略平均电压负反馈效应,认为2012DDDiaa ua u(677)cosDiaVimcuuuuUt(677)将它代入上式,可求得iD的平均分量和高频基波分量振幅为2021112aVmmIaa UIaU高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 若
22、用Iav=Iav-a0表示在输入电压作用下产生的平均电流增量,则2212aVaVmUIRa U(678)相应的Kd和Ri为211121aVdmmmiDUKa RUUURrIa(679)(670)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 若输入信号为单音调制的AM波,因c,可用包络函数U(t)代替以上各式中的Um22222221(1cos)2111(1)2coscos2222aVmmUa RUmta RUmmtmt(671)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 图647 小信号检波 iDQ0EQtuD0iDIav(音频成分)a0tVDuiCREQ高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调
23、及混频 6-2-3 同步检波 1乘积型 设输入信号为DSB信号,即us=Uscostcosct,本地恢复载波ur=Urcos(rt+),这两个信号相乘coscoscos()1coscos()cos()2srscrsrrcrcu uUttttU Uttt(672)经低通滤波器的输出,且考虑r-c=c在低通滤波器频带内,有cos()cosoocuUtt(673)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 由上式可以看出,当恢复载波与发射载波同频同相时,即r=c,=0,则 uo=Uocost (674)无失真地将调制信号恢复出来。若恢复载波与发射载频有一定的频差,即r=c+c uo=Uocosct
24、cost (675)引起振幅失真。若有一定的相差,则 uo=Uocoscost (677)高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 图648 几种乘积型解调器实际线路 10 k2 k10 k10 k10 k10 k10 kC2C1载波输入7/15 pFT27/15 pFC4T1中频输入10 pF10 pFC3音频输出(a)220 pF(470 pF)220 pF(470 pF)0.01(0.005)(0.005)0.014.7 k中频输入9 MHz(455kHz)载频输入500500500 H(2.5 mH)0.01(b)中频输入470 pFE47 k470 k100 k22 pF0.01
25、1 k载频0.011251 k0.014.7 k0.1u(c)0.0151f0 f1681 k1 k0.01输出1120023中频输入22000.01载频1.5 V0.0017100259 V(d)T112 V10 k10 k2 k2200 pF高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 2.叠加型 叠加型同步检波是将DSB或SSB信号插入恢复载波,使之成为或近似为AM信号,再利用包络检波器将调制信号恢复出来。对DSB信号而言,只要加入的恢复载波电压在数值上满足一定的关系,就可得到一个不失真的AM波。图649就是一叠加型同步检波器原理电路。设单频调制的单边带信号(上边带)为 us=Uscos
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