幅度调制电路及幅度解调电路的仿真课件.ppt
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1、5.1 信号变换概述信号变换概述 图5.1 频率变换电路的一般组成模型非线性器件滤波器输入输出 5.1.1 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5.2所示。输入端有两个信号:一个是输入调制信号u(t)Umcost=Um cos2Ft,称之为调制信号,它含有所需传输的信息;另一个是输入高频等幅信号,uc(t)Ucmcosct=Ucmcos2fct,称之为载波信号。其中,c=2fc,为载波角频率;fc为载波频率。图5.2 调幅电路示意图 1.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
2、可由一个乘法器和一个加法器组成,如图5.3所示。图中,m为乘法器的乘积常数,为加法器的加权系数。图5.3 普通调幅电路的模型uc(t)u(t)uo(t)AmA2)普通调幅信号的数学表达式输入单音调制信号:u(t)U m cost=U m cos2Ft载波信号:uc(t)Ucmcosct=Ucmcos2fct且fcF,根据普通调幅电路模型可得输出调幅电压()()()(1cos)cos(1cos)cosocmccmmmcomacuA u tA u t utUAA UttUmtt 式中,Uom=kUcm,是未经调制的输出载波电压振幅,k=A;ma=AmUm=kaUm/Uom,是调幅信号的调幅系数,称
3、作调幅度,ka=AmAUcm;ka,k均是取决于调幅电路的比例常数。3)普通调幅信号的波形 如图5.4所示,Uom(1+macost)是uo(t)的振幅,它反映调幅信号的包络线的变化。由图可见,在输入调制信号的一个周期内,调幅信号的最大振幅为 Uommax=Uom(1+ma)最小振幅为 Uommin=Uom(1-ma)由上两式可解出ommaxomminommaxomminUUU+Uam(52)4)普通调幅信号的频谱结构和频谱宽度 将式(51)用三角函数展开:()coscos11coscos()cos()22oomcomcomcaomcaomcU tUtmUttUtm Utm Ut(53)图5.
4、4 普通调幅电路的波形u(t)uc(t)uo(t)tttUom(1 macost)UommaxUommin图5.5 过量调幅失真uo(t)tuo(t)t(a)(b)图5.6 普通调幅的频谱 cccmaUom1212UommaUom 由图5.6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 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2AMBWF(54)max1()cosnnnutUn t 则输出调幅信号电压为 maxmax11()()coscoscoscoscos()cos()2omacnomancnnaomcnccnuo tUk uttUkUn
5、 ttkUtUntnt (55)可以看到,uo(t)的频谱结构中,除载波分量外,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、下边频分量是将调制信号频谱不失真地搬移到c两边,如图5.7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 BWAM=2Fmax (56)图5.7 非余弦的周期信号调制u(t)0t0maxccmaxcmaxBWAM0uo(t)t(a)(b)6)功率分配关系 将式(51)所表示的调幅波电压加到电阻R的两端,则可分别得到载波功率和每个边频功率为20221201211()224cmaacmUPRmmPPUPR(57)(58
6、)在调制信号的一个周期内,调幅波输出的平均总功率为20120012(1)221,33amPPPPPPP PPP 上式表明调幅波的输出功率随ma增加而增加。当ma=1时,有 2.双边带调制(DSB)和单边带调制(SSB)1)双边带调制 双边带调幅信号数学表达式为 uo(t)=Amuc(t)u(t)=AmUm cost Ucmcosct (510)由上式可得双边带调幅信号的波形,如图5.9(a)所示。根据(510)式可得双边带调幅信号的频谱表达式为1()cos()cos()2ommcmccutA UUtt(511)u(t)Amuc(t)uo(t)Amu(t)uc(t)图5.8 双边带调制电路的模型
7、图5.9 双边带调制信号u(t)0uc(t)0uo(t)00相位180 突变(a)波形u(t)cuc(t)ccc(b)频谱 双边带信号的频谱宽度为 BWDSB=2F (512)从以上分析可见,双边带调制与普通调幅信号的区别就在于其载波电压振幅不是在Uom上、下按调制信号规律变化。这样,当调制信号u(t)进入负半周时,uo(t)就变为负值,表明载波电压产生180相移。2)单边带调制 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。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 BWSSB=F (513)单边带调幅的波形及频谱如图
8、5.10所示。单边带调制电路有两种实现模型。一种是由乘法器和带通滤波器组成,如图5.11所示,称为滤波法。图5.10 单边带调幅的波形及频谱 0uo(t)SSBtcmaxcmax图5.11 采用滤波法的单边带调制电路模型uc(t)带通滤波器uo(t)u(t)Am图5.12 采用相移法的单边带调制电路模型 90相移 90相移u(t)uc(t)AmAmuououo(t)图5.13 相移法模型中各点信号的频谱Amuo(t)u(t)cosctcAmuo(t)u(t)sinctccc(a)(b)(c)(d)Amuo(t)u(t)cosctAmuo(t)u(t)sinctAmuo(t)u(t)cosctA
9、muo(t)u(t)sinct 5.1.2 振幅解调电路 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器和一个低通滤波器组成,如图5.15所示。图中,us(t)为输入振幅调制信号,ur(t)输入同步信号,uo(t)为解调后输出的调制信号。图5.14 检波器输入输出波形振幅调制波的解调电路us(t)uo(t)图5.15 同步检波电路模型ur(t)低通滤波器uo(t)us(t)Amu(t)图5.16 振幅检波电路模型各点的频谱us(t)cur(t)u(t)c00uo(t)2c 5.1.3混频电路 混频电路是一种典型的频率
10、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5.17所示。图5.17 混频电路输入输出波形混频器us(t)uI(t)fcfIfLuL(t)IcLcLcLLcLcfffffffffffIf(514)(515)若设输入调幅信号()()cosscmacu tUk utt图5.18 混频电路模型各点的频谱us(t)c0uL(t)LL0LcLcLcuo(t)0uL(t)带通滤波器uo(t)us(t)u(t)(a)u(t)(b)(c)5
11、.2 振幅调制电路振幅调制电路 5.2.1 模拟乘法器 1.模拟乘法器的电路符号 1)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5.19(a)或(b)所示。表示相乘特性的方程为()()omxyuA u t u t图5.19 模拟乘法器符号Amx yxyux(t)uy(t)uo(t)uy(t)ux(t)Amuo(t)(a)(b)2)乘法器的主要直流参数 (1)输出失调电压Uoo。(2)满量程总误差E。(3)非线性误差ENL。(4)馈通误差EF。3)乘法器的主要交流参数 与集成运放的交流参数定
12、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U p-p为满量程电压范围(例如10V)的5%,即U p-p=1V。(1)小信号带宽BW。(2)小信号1矢量误差带宽BWv。(3)小信号1幅度误差带宽BWA。(4)全功率带宽BWP。(5)转换速率SR。(6)建立时间tset。2.双差分对管模拟乘法器 1)电路的结构 图5.20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。11113241243i=i-i=(i+i)-(i+i)=(i-i)-(i-i)(5-16)图5.20 双差分对管模拟乘法器 u1u2V5V6
13、i3RcRciIi UCCI0UEEi4V3V4uoV2i2i1V1i5i6112514362560120()2()2()2()()22TTTTTuiii thUuiii thUuiiI thUuuiI ththUU(517)(518)上式表明,i和u1、u2之间是双曲正切函数关系,u1和u2不能实现乘法运算关系。只有当u1和u2均限制在UT=26mV以下时,才能够实现理想的相乘运算:12024Tu uiIU 2)扩展u2的动态范围电路21002()211()44eTeTeTuuithRUI RUuI RU可以计算出u1允许的最大动态范围为(519)(520)图5.21 扩展u2的动态范围Vi
14、eReVu2I02I02 UEEi5i6 3)典型的集成电路MC1596 MC1596主要技术参数如下:载波馈通:Urms=140V(fc=10MHz,Ucm=300mV方波)。载波抑制:65dB(fc=50MHz,Urms=60mV输入)。互导带宽:300MHz(Rc50,Urms=60mV输入)。图5.22 MC1596的内部电路 V7V5V6V3V4V1V2i5i6V8500500500uyucuxuIEE2 4)同时扩展u1、u2的动态范围电路 当接入补偿电路后,双差分对管的输出差值电流为120124eeu uiI R R(521)可以计算出u1、u2允许的最大动态范围为0110102
15、20211()4411()44eTeTeTeTI RUuI RUI RUuI RU(522)图5.23 扩展u1、u2的动态范围V7i7i8V8RIkRe1i9i10V9u1I02I02V10V5i5V6i6Re2I02I02u2 UCC UEERciRciV1V2V3V4 5)典型集成电路AD834图5.24 AD834简化原理电路x输入失真抵消电路V7V8Re1285V12V13V11能隙基检偏置电压源x1V9V10 x2 UCCy输入失真抵消电路y1V5V14285Re2V6V15y2V16V19V20 UB UB差模输出电流V17V18内部基极偏压 UEEV1V2V3V4 按图5.25
16、所示的基本接法,它的传输关系式为010220102201024(1)1250()1250 xyxycxycodcu uiimAVu uRiiVu uRuR iiV 图5.25 AD834宽带接线图X2Y1X1Y2VsW1W2Vs最佳电阻最佳电阻x输入电压1 V(FS)y输入电压1 V(FS)87651 62R3Rc50Rci014i021R41234.750Rc差模输出电压UCC(49)V(49)VUEE400 mV(FS)5.2.2 低电平调制电路 1.MC1596集成平衡调制器 设载波信号Ucm的幅度Ucm2UT,是大信号输入,根据式(518)和图5.26(a)可知,双曲正切函数具有开关函
17、数的特性,如图5.26(b)所示。于是得下式:11223122ccTctuthUt图5.26 MC1596构成平衡调制器MC15968147102511kR210 kRP10 k(8 V)UEE510.1 1 ucu351 kRe0.1 1 kR169Re500500Re0.1 带通滤波器uo UCC(12 V)516.8 kRbIEE2(a)图5.26 MC1596构成平衡调制器1ucth2UT0uc2UT1ucth2UT0t110uct 对上式按傅里叶级数展开为1cos2sin(/2)/2cncnTnuthAtUnAnn为奇数 调制信号u加在1端。由于有负反馈电阻,Re1k,在2与3端之间
18、,不能成立。在负反馈电阻足够强的情况下,如图5.22所示,有 2cTuU562euiiR(524)将图5.20与图5.26(a)所示电路结合起来分析,Rc对电流取样,于是可得单端输出时的uom表达式为561()()()222ccccomcTeTuu Ruuii R ththURU 将uU m cost和式(523)代入上式,得1e1ecoscoscos()cos()2conmncncmnccnRuUtAtRRUAntntR (525)式中,ABP是滤波器带内增益系数,A12/。载波抑制度与MC1596及工作频率fc有关,一般大于3640dB1()coscosBPcomceA Ru tAuttR
19、 图5.27 双边带调制的波形及频谱ucth2UTuut小信号输入大信号输入tuom调制输出tuotuoccccuomucc3c5c00000000 2.普通调幅器图5.28 MC1596构成普通调幅MC15968147102511 k750RP750(8V)510.1 1 ucu351 kRe0.1 1 k693.9 kuo(12 V)516.8 k3.9 k0.1 5.2.3 高电平调制电路 1.集电极调幅电路 2.基极调幅电路图5.29 集电极调幅电路V载波T1ucC1C2CLuC3UBBUCC调制信号T2T3调幅波图5.30 基极调幅电路T1VR3CLLbT2调幅波ucC4uC2C3R
20、2R1C1UCC5.3 振幅解调电路振幅解调电路 5.3.1 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)。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。1.二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:二极管串联型和二极管并联型,如图5.31所示。下面主要讨论二极管串联型包络检波电路。图5.31(a)是二极管VD和低通滤波
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