4.2-频谱搬移电路的基本工作原理课件.ppt

1、1第四章 频谱搬移电路-4.24.1频谱搬移电路频谱搬移电路概述概述 4.3 非线性电路概念和频率变换本质非线性电路概念和频率变换本质4.5 本章小结本章小结 (振幅调制电路、振幅解调电路、混频电路）振幅调制电路、振幅解调电路、混频电路） 4.4 频谱搬移电路的典型电路分析频谱搬移电路的典型电路分析4.2 频谱搬移电路的基本工作原理频谱搬移电路的基本工作原理2 24.2.1 振幅调制简述振幅调制简述4.2.2调幅波的数学表示式、波形与频谱调幅波的数学表示式、波形与频谱4.2.3普通调幅波的功率普通调幅波的功率-引出引出双边带与单边带双边带与单边带4.2频谱搬移电路的基本工作原理频谱搬移电路的基

2、本工作原理 (振幅调制电路、振幅解调电路、混频电路）振幅调制电路、振幅解调电路、混频电路）4.2.4 典型的振幅调制电路框图典型的振幅调制电路框图4.2.7 本节小结本节小结2022-4-224.2.5振幅解调概念、波形与频谱示意图振幅解调概念、波形与频谱示意图4.2.6混频概念、波形与频谱示意图混频概念、波形与频谱示意图3 3将要传送的基带信号装载到某一高频载频信号上，使其振幅受调制的过程。将要传送的基带信号装载到某一高频载频信号上，使其振幅受调制的过程。高频振荡高频放大话筒声音缓冲发射 天线倍频调制音频放大2.定义定义4.2.1 振幅调制简述1.框图框图2022-4-224 41. 普通调

3、幅波的数学表示式普通调幅波的数学表示式对一般的调幅波,通常满足c。根据振幅调制信号的定义,已调信号的振幅随调制信号u线性变化。载波信号：载波信号： tV000cosv调制信号：调制信号： tVcosv按调幅信号（已调波）定义：按调幅信号（已调波）定义： ttV0mAMcos)(v由于调由于调 幅信号的振幅与调制信号成线性关系，即有：幅信号的振幅与调制信号成线性关系，即有： tVkVtVcos)(a0m，式中，式中ak为比例常数为比例常数,与两信号在电路接入端有关，见下页图示与两信号在电路接入端有关，见下页图示即：即： )cos1()cos1()(a00a0mtmVtVVkVtV2022-4-2

4、25典型的振幅调制电路典型的振幅调制电路5 vb(t) + + VCC + VBB + VC(t) + vCE vBE + L C vc v + 集电极调幅电路2022-4-22晶体三极管基极调幅电路ak为比例常数为比例常数,与两个信号在电路中接入端是否相同有关与两个信号在电路中接入端是否相同有关同一个端输入两个信号在, 1ak1ak6 61. 普通调幅波的数学表示式普通调幅波的数学表示式载波信号：载波信号： tV000cosv调制信号：调制信号： tVcosv已知：已知： )cos1()cos1()(a00a0mtmVtVVkVtV式中式中ma设为调制度，设为调制度， 0aaVVkm假设：常

5、用百分比数表示。常用百分比数表示。ttmV0a0AMcos)cos1(v2022-4-22上式为上式为普通调幅波的数学表示式普通调幅波的数学表示式7 7普通AM波的三种情况AM的三种情况(见下图)：M1：过调制，波形已失真（包络不能如实反映基带信号幅度），不用M1：临界调制（与失真仅一线之隔，参数略有变化就失真，也不用）；M1：正常调幅，最常用（实验时一般M：20%40%） 假设:ttMttMV0a0a0AMcos)cos1 ( 2cos)cos1 (v2022-4-228 8波形示意图tV000cosvtV cosv0am10am1am1am正常波形的M为：0.20.5（20%50%）M1：

6、正常调制，M1：过调制，M1：临界调制ut0(a)(b)(c)(d)(e)uCttttm 1uAM(t)UcmUc000uAM(t)m 1m 1uAM(t)0理论波形图实际波形图2022-4-229 9)1 (aomaxmVVoV)1 (aominmVV)cos1 ()(a0mtMVtV调幅波通式： 波形特点：波形特点： (1)调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致 (2) 调幅度调幅度ma反映了调幅的强弱度反映了调幅的强弱度 典型波形典型波形这里：这里：Ma设为调制度，设为调制度， 且且M1为正常调制为正常调制2022-4-221010（

7、1）由单一频率基带信号调）由单一频率基带信号调 幅幅tmtmtVttmVt)cos(21)cos(21coscos)cos1 ()(0a0a000a0AMv 调制信号0载波调幅波0+上边频0-下边频频率：0， 0 载波幅度：V0边频幅度：0a21VMMa一般为0.20.5，边频幅度小2022-4-22111100maxVVVm上0min0VVVm下(b)uAM(t)f (t)tt(a)包络未调制002022-4-22了解1212nnnnntmtmtVtmtmtVttmVt)cos(21)cos(21cos)cos(21)cos(21coscoscos1)(0000000000nnnnnnnnn

8、AMv信号带宽信号带宽max2B 0 o 调幅波调制信号载波多音调幅波信号的公式、频谱多音调幅波信号的公式、频谱max0+max上边带0-max下边带2022-4-221313 如果将普通调幅波输送功率至电阻如果将普通调幅波输送功率至电阻R上，则载波与两个边频将分别得出如上，则载波与两个边频将分别得出如下的功率：下的功率：00002Vma02Vma00VttmVtooacos)cos1 ()(v载波功率载波功率:RVP20oT21上边频或下边频上边频或下边频: :oT2a20aSB2SB1412121PmRVmPP在调幅信号一周期内，在调幅信号一周期内，AMAM信号的平均输出功率是信号的平均输

9、出功率是oTaDSBoTAMPmPPP)211 (24.2.3 调幅波中的功率关系调幅波中的功率关系-引出引出双边带与单边带双边带与单边带载波幅度： V0，0a21VM调幅波一般表达式：调幅波一般表达式：边频幅度：2022-4-221414 由于由于Ma实际为实际为0.2到到0.5，所以载波本身虽不包含信号，但它所以载波本身虽不包含信号，但它的功率（的功率（PoT）却占整个调幅波功率的绝大部分。）却占整个调幅波功率的绝大部分。当当ma1时，时，PoT(2/3)Po ；当当ma0.5时，时，PoT(8/9)Po ； 从调幅波的频谱图可知，唯有它的上、下边带分量才实际地从调幅波的频谱图可知，唯有它

10、的上、下边带分量才实际地包含调制信号的频谱结构，而载波分量仅是起到频谱搬移的作用，包含调制信号的频谱结构，而载波分量仅是起到频谱搬移的作用，不反映调制信号的变化规律。不反映调制信号的变化规律。oT2aDSBoTAMPmPPP)211 ( 00002Vma02Vma00V1、调幅波中的功率关系当当ma0.2时，时，PoT(50/51)Po ；2022-4-2215152221()2241(1)22CcLavcmUmPPRmPPdtP AM信号的平均功率 边频 由上式可以看出,AM波的总平均功率为载波功率与两个边带功率之和。而携带有用信号的功率只存在在两个边频功率上。P单边频 P总 2022-4-

11、22效率为有用功与无用功相比，即P边频/P总=M2aP上边频+P下边频+P载波P单边频4=效率上、下边频的平均功率均为一般：一般：Ma小于小于1， aM例如：=0.3：这时平均功率：这时平均功率 ，说明，说明oavPP05. 1边频功率只占总功率的边频功率只占总功率的 5%，可见发射效率极低。，可见发射效率极低。 解决的办法解决的办法 双双边带边带, 抑抑制载波制载波，即只发送两个边带。，即只发送两个边带。 单边带单边带, 不但不但抑抑制载波，还制载波，还抑抑制一个制一个边带，即边带，即只发送一个边带。只发送一个边带。 残留边带残留边带，发送一个边带和另一边带一部分。，发送一个边带和另一边带一

12、部分。2022-4-22161717ttmVtooacoscos)(v在调制过程中, 将输出信号的载波抑制就形成了抑制载波的双边带信号,简称双边带信号。它可用载波与调制信号相乘得到,其表示式为2、双边带信号定义和公式调制时,为了降低无用功率、提高效率，需将载波抑制，引出概念-双边带信号（DSB）。2022-4-221818双边带调制时的频谱图0 F(a)f0(b)ffcfc F0(c)f 0- 0+ 0a21Vm 虚线表示无载波2022-4-221919图 DSB信号波形 u0(a)uCtuDSB(t)0t(b)(c)t001800U(t)U cost由以上公式可以画出DSB信号波形和频谱图t

13、tmVtooacoscos)(v2022-4-22注意DSB与AM波的不同，在90处的跃变2020( )cos()( )cos()SSBcSSBcutUtutUt 3 单边带（SSB）信号公式单边带（SSB）信号是由DSB信号经边带滤波器滤除一个边带或在调制过程中,直接将一个边带抵消而成。为了进一步提高效率，只需保留一个边带，引出概念-单边带信号。2022-4-222121图 单边带调制时的频谱搬移 0F(a)f0(b)ffcfc F0(c)f2022-4-222222图 单音调制的SSB信号波形 uSSB(t)0tfc FU2022-4-2223三种振幅调制信号比较三种振幅调制信号比较电压电

14、压表达式表达式普通调幅波普通调幅波ttmV0a0cos)cos1 (载波被抑制双边带调幅波载波被抑制双边带调幅波ttVm00acoscos单边带信号单边带信号tVm)cos(200a)cos(2(00tVma或波形图波形图频谱图频谱图 0- 0+ 0a21Vm 0- 0+ 0a21Vm 信号信号带宽带宽)2( 2)2( 22 0- 0+ 理想效率理想效率 小于小于10% 5 0% 100%2424 调幅波的共同之处都是在调幅前后产生了新的频率分量，也调幅波的共同之处都是在调幅前后产生了新的频率分量，也就是说都需要用非线性器件就是说都需要用非线性器件( (电路电路) )来完成频率变换。来完成频率

15、变换。 这里将调制信号这里将调制信号v与载波信号与载波信号v0加入非线性器件，然后加入非线性器件，然后通过中心频率为通过中心频率为0的带通滤波器取出输出电压的带通滤波器取出输出电压vo o中的调幅波成中的调幅波成分。分。4.2.4 AM信号的实现模型-工作原理2022-4-22图4.1.4 AM信号的实现方框图 具体原理与电路在第三节讲述2525从振幅受调制的高频信号中还原出原调制的信号。从振幅受调制的高频信号中还原出原调制的信号。 高频放大 fs fs 本地振荡 fo 混频 fo fs = fi fi 低频放大 检波 中频放大 F F 2022-4-22检波简述 1.定义定义4.2.5振幅解

16、调概念、波形与频谱示意图振幅解调概念、波形与频谱示意图2626二极管检波器二极管检波器三极管检波器三极管检波器检波检波器件器件信号大小信号大小小信号检波器小信号检波器大信号检波器大信号检波器工作原理工作原理包络检波器包络检波器同步检波器同步检波器2. 检波的分类检波的分类2022-4-2227272022-4-2228282022-4-222929非线性非线性 电路电路低通低通滤滤 波器波器从已调波中检出包络信息从已调波中检出包络信息，只适用于，只适用于AM信号信号 输入输入 AM信号信号检出包络信息检出包络信息2022-4-225 典型的典型的AM振幅解调框图振幅解调框图-包络检波包络检波3

17、0 在保持相同调制规律的条件下，将输入已调信号的载波频在保持相同调制规律的条件下，将输入已调信号的载波频率从率从fs变换为固定变换为固定fi的过程称为变频或混频。的过程称为变频或混频。 高频放大 fs fs 本地振荡 fo 混频 fofs=fi fi 低频放大 检波 中频放大 F F （以调幅为例（以调幅为例 ） 在接收机中，在接收机中， fi称为中频。一般其值为称为中频。一般其值为其中其中fo是本地振荡频率。是本地振荡频率。soifff 定义定义: :其中，其中，fi大于大于fs的混频称为上混频，的混频称为上混频， fi小于小于fs的混频称为下混频。的混频称为下混频。4.2.6混频概念、波形

18、与频谱示意图混频概念、波形与频谱示意图31波形波形 经过混频器变频后，输出频率为经过混频器变频后，输出频率为soifffMHz)67 . 1 (MHz)465. 6165. 2(MHz465. 0 混频的结果：较高的不同的载波频率变为固定的较低的载混频的结果：较高的不同的载波频率变为固定的较低的载波频率，而振幅包络形状不变。波频率，而振幅包络形状不变。4.2.6. 混频器的波形频率举例：频率举例：32调幅是线性频率变换调幅是线性频率变换 ( (一般是高本振一般是高本振) ) 频谱搬移频谱搬移 4.2.6混频器的频谱soifff其中，其中，fi大于大于fs的混频称为上混频，的混频称为上混频， f

19、i小于小于fs的混频称为下混频。的混频称为下混频。公式推公式推导见调导见调制章节制章节33A.A.变频变频( (混频混频) )增益：增益：混频器输出中频电压混频器输出中频电压V Vimim与输入信号电压与输入信号电压V Vsmsm的的幅值之比。幅值之比。D.D.噪声系数：噪声系数：高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值。高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值。C.C.选择性：选择性：抑制中频以外的信号的干扰的能力。抑制中频以外的信号的干扰的能力。B.B.非线性干扰：非线性干扰：抑制组合频率干扰、交调、互调干扰等干扰的能力。抑制组合频率干扰、交调、互调干扰等干扰的能力。（重点是中频干扰和镜像

20、干扰）（重点是中频干扰和镜像干扰）4.2.6.混频器的性能指标344.2.7 本节小结4.2.1 调幅调幅 概述概述342022-4-22调制：将基带信号不失真地装载到高频信号上。调制：将基带信号不失真地装载到高频信号上。调制的原因：能量问题，调制的原因：能量问题，切实可行的天线，频道切实可行的天线，频道复用、窄带传输易于实现等。复用、窄带传输易于实现等。调幅是调幅是将要传送的基带信号装载到某一高频载频将要传送的基带信号装载到某一高频载频信号上，使其信号上，使其振幅振幅受调制的过程。受调制的过程。调幅的三种方法：调幅的三种方法：AM、DSB、SSB3535)1 (aomaxmVVoV)1 (a

21、ominmVV)cos1()(a0mtmVtV调幅波通式： 波形特点：波形特点： (1)调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致 (2) 调幅度调幅度ma反映了调幅的强弱度反映了调幅的强弱度 2022-4-220aaVVkm4.2.2调幅波的数学表示式、波形调幅波的数学表示式、波形364.2.2 调幅波的波形调幅波的波形36ut0(a )(b )(c )(d )(e )uCttttm 1uAM(t)UcmUc000uAM(t)m 1m 1uAM(t)0U0 F(a)fUc0(b)ffc10(c)ffcfc Ffc F2Fm/2m/2三种Ma的

22、值对应的波形2022-4-22Ma一般为0.2-0.53737 如果将普通调幅波输送功率至电阻如果将普通调幅波输送功率至电阻R上，则载波与两个边频将分别得出如上，则载波与两个边频将分别得出如下的功率：下的功率：00002Vma02Vma00VttmVtooacos)cos1 ()(v载波功率载波功率:RVP20oT21上边频或下边频上边频或下边频: :oT2a20aSB2SB1412121PmRVmPP在调幅信号一周期内，在调幅信号一周期内，AMAM信号的平均输出功率是信号的平均输出功率是oTaDSBoTAMPmPPP)211 (24.2.3 调幅波的功率关系-引出双边带与单边带双边带与单边带

23、 载波幅度：V0， 边频幅度：0a21VMMa小有用边频功率小边频功率小2022-4-223838 上、下边频的平均功率均为2221()2241(1)22CcLavcmUmPPRmPPdtP AM信号的平均功率 边频 由上式可以看出,AM波的总平均功率为载波功率与两个边带功率之和。而携带有用信号的功率只存在在两个边频功率上。P单边频 P总 2022-4-22效率为有用功与无用功相比，即P边频/P总=M2aP上边频+P下边频+P载波P单边频4=效率3939ttmVtooacoscos)(v在调制过程中, 将输出信号的载波抑制就形成了抑制载波的双边带信号,简称双边带信号。它可用载波与调制信号相乘得

24、到,其表示式为引出引出双边带与单边带双边带与单边带 1、双边带公式调制时,为了降低无用功率、提高效率-理想为50%），需将载波抑制，引出概念-双边带信号。2022-4-2240双边带波形与频谱40u0(a)uCtuDSB(t)0t(b)(c)t001800U (t) U cost0F(a)f0(b)ffcfc F0(c)f2022-4-224141( )cos()( )cos()SSBcSSBcutUtutUt 单边带（SSB）信号是由DSB信号经边带滤波器滤除一个边带或在调制过程中,直接将一个边带抵消而成。为了进一步提高效率-理想为100%，只需保留一个边带，引出概念-单边带信号。2022-4-222、单边带（SSB）信号公式 4242图 单音调制的SSB-上边带信号波形与频谱 uSSB(t)0tfc FU0F(a)f0(b)ffcfcF0(c)f调制时,为了进一步降低无用功率、提高效率100%），需将载波和其中一个边带抑制，引出概念-单边带信号。2022-4-22单边带波形与频谱431：画出一般调幅、检波和混频前后的波形示意图、频谱示意图2：列表画出AM/DSB/SSB的波形示意图、频谱示意图，分别写出其公式、优缺。2022-4-223：Ma的含义，一般其值小于1，为什么？ （对应三种值的电路示意图）作业与思考：