第6章频谱变换电路.ppt
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1、第6章 频谱变换电路,6.1 概述 6.2 模拟乘法器 6.3 普通幅度调制及解调电路 6.3.1 幅度调制 6.3.2 普通调幅波的产生电路 6.3.3 普通调幅波的解调电路 6.4 抑制载波调幅波的产生和解调电路 6.4.1 抑制载波调幅波的产生电路 6.4.2 DSB/SC AM波解调电路,6.5 混频电路 6.6 倍频器 6.7 调角波的基本性质 6.7.1 瞬时相位和瞬时频率的概念 6.7.2 调角波和调频波 6.8 直接调频电路 6.8.1 变容二极管调频电路 6.8.2 晶体振荡器直接调频电路 6.8.3 电容话筒调频电路 6.8.4 电抗管调频电路,6.9 间接调频电路 6.1
2、0 调频波的解调 6.10.1 斜率鉴频器 6.10.2 相位鉴频器 6.10.3 比例鉴频器 6.10.4 移相乘积鉴频器 6.10.5 脉冲均值鉴频器 *6.10.6 锁相环鉴频器 * 6.10.7 跟相环鉴频器 6.11 限幅器 6.11.1 晶体二极管限幅器 6.11.2 晶体三极管限幅器,6.1 概 述,1.什么叫频谱变换电路? 具备将输入信号频谱进行频谱变换,以获取具有所需 频谱的输出信号这种功能的电路就叫做频谱变换电路。 例如,倍频就是将频率较低的信号通过倍频变换成频 率较高的信号。又如,调幅波就是将频率很低的音频信号 或视频信号调制到高频的幅度上去。再如,检波电路就是 将载有音
3、频信号或视频信号还原成音频信号或视频信号。,频谱变换电路,频谱搬移电路,频谱非线性变换电路,调幅及解调电路 混频电路 倍频电路,普通调幅及解调电路 单边带调幅解调电路 双边带调幅解调电路,调频电路,调频波的解调电路限幅器,直接调频电路,间接调频电路,变容二极管调频电路 晶体管振荡器直接调频电路 电容话筒调频电路 电抗管调频电路,斜率鉴频器 相位鉴频器 比例鉴频器 移相乘积鉴频器 脉冲均值鉴频器 锁相环鉴频器 跟相环鉴频器,2.分类,6.2 模拟乘法器,本节主要介绍变跨导式模拟乘法器。变跨导式模拟乘 法器是以恒流源式差动放大电路为基础,并采用变换跨导 的原理而形成的,其符号见下图。,一般表达式为
4、:,6.3.1 幅度调制 用调制信号去控制高频振荡器的幅度,使其幅度的变 化量随调制信号成正比的变化,这一过程叫做调制。经过 幅度调制后的高频振荡称为幅度调制波(简称调幅波)。根 据频谱结构的不同可分为普通调幅(AM)波,抑制载波的双 边带调幅(DSB/SC AM)波和抑制载波的单边带调幅(SSB/SC AM)波。,6.3 普通调幅波的产生和解调电路,设调制信号为u(t),其,,载波为:,根据调幅的定义,已调高频振荡的幅度变化量应和调制 信号成正比,则其包络函数U(t)为,则已调波为:,式中,为调幅系数(或调制指数),它表示,1.幅度调制的特性,调幅波幅度的最大变化量与载波振幅之比,一般0ma
5、1。,载波信号的频谱函数为Uc(),则,6.3.2,则uAM(t)的频谱函数为,其对应的波形和频谱函数如图所示。,6.3.3,调幅信号及其频谱,高于c的频率分量称为上边带,低于c的频率分量称 为下边带。普通调幅波有上下两个边带,它是一个集中在 c附近的频带信号,所占带宽为最高调制频率的两倍,即 BAM=2m 由式6.3.3可见,载波分量的振幅与调制信号无关,只有 边带幅度随调制信号的变化而改变。,普通幅度调制波功率利用率很低,为了克服这个缺点, 可以只发射边带而不发射载波。这叫做抑制载波的双边带 调幅(DSB/SC AM)。 其时域表达式为 uDSB(t)=u(t)cosct,6.3.4,其频
6、谱变换为,6.3.5,显然,利用模拟乘法器很容易实现抑制载波的双边带调 幅波。其电路模型、波形和频谱示如图所示。,DSB/BC 的电路模型、信号波形及频谱图,2.DSB/SC AM的特点 信号的幅度仍然是随调制信号而变化,但与普通AM 波不同,它的包络不再能反映调制信号的形状,可是仍然 保持着AM波所具有的频谱搬移特性。 在调制信号正半周区间的载波相位与调制信号负半周 的载波相位反相。即高频振荡的相位在u(t)=0的瞬间有 180的突变。 信号所占频谱带宽仍为BDSB=2m。 为了既节省发射功率,又减小频带,可以只发射一个 边带,因为任何一个边带都反映了调制信号全部信息。,这种传输一个边带的调
7、制方式称为抑制载波的单边带调 幅(SSB/SC AM),其频谱如图所示。,SSB/SC AM信号的频谱图,6.3.2 普通调幅波的产生电路 在无线电发射机中,按功率电平的高低,普通调幅电 路可分为高电平调制电路和低电平调制电路两大类。前者 属于发射机的最后一级,直接产生发射机输出功率要求的 已调波;后者属于发射机前级产生小功率的已调波,再经 过线性功率放大达到所需的发射机功率电平。 现设载波电压为 uc(t)=Ucmcosct 调制电压为 u=Ec+Umcost 上两式相乘得到普通振幅调制信号,6.3.6,6.3.7,式中,ma称为调幅系数(或调制指数),它表示调幅波的幅 度的最大变化量与载波
8、振幅之比,即幅度变化量的最大值。 显然0ma1,否则已调波会产生失真。 根据6.3.8式,我们可以采用乘法电路实现它。,6.3.8,6.3.3 普通调幅波的解调电路 解调是调制的逆过程。幅度调幅波的解调简称检波,其 作用是从幅度调制波中不失真地检出调制信号来。从频谱上 看,就是将幅度调制波的边带信号不失真地搬到零频附近。 因此幅度调制波的解调电路也属于频谱搬移电路。需要用乘 法器来实现这种频谱搬移作用,其电路模型如图所示。 普通调幅波检波器常采用晶体三极管检波,二极管检波 和模拟乘法器解调。目前应用较多的是后两种。,幅度调制波解调电路模型,1.二极管串联型大信号检波器 如图所示,检波器电路由三
9、部分组成:信号输入电 路,一般是中放末级输出电路;检波二极管,利用单向导 电性进行检波;检波器负载电路,即低通滤波器。这种滤 波器一般要求输入信号大于0.5V,因此也称大信号检波器。,检波器等效电路,幅度调制中频信号经过检波二极管后得到的是如图所示 的波形。再经过低通滤波器后,滤除高次谐波,得到所需的 调制信号。其物理解释如下:,经过检波二极管后的输 出波形是幅度被调制的尖顶 余弦脉冲,由于低通滤波器 是由滤波电容C和负载电阻 R组成,充电时间常数由 RDC决定(RD为二极管的正 向电阻),其充电时间常数小而 放电时间常数RC大。故调,制包络可以保留下来,然后经过隔直流耦合电容Cc,隔除了 直
10、流分量。所以输出信号只有调制的包络信号。实现了幅度,检波过程的波形,调制的目的。 2.普通调幅波的同步解调 用模拟乘法器也可以完成对普通调幅波的同步解调。如 图所示。,普通调幅波的解调电路,当放大限幅器放大增益足够大时,uy(t)接近频率为c 的方波。经过傅立叶级数展开可得,当n=1时,用低通滤波器和隔直流耦合电容就可检出所需的信号。,故,6.4.1 抑制载波调幅波的产生电路 设载波电压为 uc(t)=Ucmcosct 调制电压为 u(t)=Umcost 经过模拟乘法器电路后,输出电压为抑制载波双边带振 幅调制信号,即,6.4 抑制载波调幅波的产生和解调电路,6.4.1,6.4.2,6.4.3
11、,其原理图见下图。,DSB/SC AM波产生电路,6.4.2 DSB/SC AM波的解调电路 要从抑制载波的双边带调幅波检出调制信号u(t)来, 从频谱上看,它是将幅度调制波的边带信号不失真地搬到零 频附近。因此AM波的解调电路(包括抑制载波的双边带调幅 波的解调在内)也属于频谱搬移电路。需要用乘法器来实现 这种频谱搬移作用,其电路模型如图所示。,DSB同步检波原理图,DSB/SC AM波的电压u(t)可表示为,6.4.4,6.4.5,若, 本机载波,两者相乘有,式6.4.5中第一项包含了所需的调制信号,第二项则是载 频为2c的双边带调制信号,用低通滤波器将它滤除,即可 得到所需调制信号。,用
12、同步检波器可实现对DSB/SC AM波进行解调。 同步检波一个关键问题是本机载波的恢复。本机载波产 生的方法有两种。一是在发送端输出的双边带信号中,不是 将载波分量完全抑制掉,而是保留一个小的载波分量,称为 导频,它的作用就是在接收端恢复载波。接收端只要用一个 窄带滤波器取出载波分量。这种情况与普通调幅波很类似, 只是载波分量比较小而已。另一种方法是发射机的载波和接 收机本振载波都用频率稳定度很高的频率合成器,使两者的 频率保持不变。,在保持调制类型和调制参数不变的情况下,将输入已调 波的载频c变为中频I的过程称为混频。即 I=L-s 实际上从频谱而言,混频的作用是不失真地将输入已调 信号的频
13、谱从s搬移到I位置上。因此,混频电路也是一 种频谱搬移电路。 以普通调幅波为例说明上述的混频过程。输入信号为,6.5 混频电路,6.5.1,本地振荡信号为 uL(t)=ULmcosLt 当Ls时,乘法器的输出为,式中L-s=I为所需的中频分量;L+s则是无用 分量。可以从中心频率为I的带通滤波器滤除无用分量取出 有用分量I,即实现了混频作用。其电路模型和频谱如图 所示。,混频电路模型及频谱,实际的混频器有晶体二极管平衡和环路混频电路,晶体 三极管混频电路和模拟乘法器混频电路。由于模拟乘法器构 成的混频器其输出电压中不包含信号频率分量,从而降低了,如果输出频率fo为输入频率整数值 ,即fo=nf
14、s(n=1,2, 3,),则这种频率变换电路称为倍频器。当n=2时,即 fo=2fs时称为二倍频器。 用模拟乘法器实现二倍频器的原理方框图如图6.24所示。 若us(t)=smcosst,则模拟乘法器的输出电压为,6.6 倍频器,二倍频器原理方框图,在通信系统中,角度及解调电路不同于频谱搬移电路。它 是用低频信号去调制高频振荡的相角,或是从已调波中解出 调制信号所进行的频谱变换,这种变换不是线形变换,而是 非线形变换。因此,我们把角度调制及调角波的解调电路称 为频谱非线形变换电路。 调频():如果高频振荡器的频率变化量和调制信号成正比,则称调频。 调相():如果高频振荡器的相位变化量和调制信号
15、成正比,则称调相。由于频率的变化和相位的变化都表现为总相角的变化,因此,将调频和调相统称为调角。,. 调角波的基本性质,式中,Am为简谐振荡的幅度, 为简谐振荡的总相角,式中 为瞬时角频率, 为初始相位。,6.7.1 瞬时相位和瞬时频率的概念 对于简谐振荡可以写成一般形式,如果 是随时间变化的,瞬时相位为,一般表达式为,6.7.2 调相波和调频波 调相高频振荡瞬时相位的变化量与调制信号成正比。 根据定义调相波的表达式为,可见,为比例系数;,为瞬时相位偏移;,称为最大相移,或称调制指数,以mp表示,瞬时角频率为:,于是,式中, 为瞬间相位偏移,即相 对于 的偏移。 的最大值称为最大相移,习惯上
16、又称调频指数,用mf表示,即,调频波的表达式为,为比例系数;,表示瞬时角频率相对于的偏移,称为最大角偏移,简称频偏,当,时,,可得调频波的瞬时相位,直接调频就是用调制信号去控制高频振荡器的振荡频率, 使它不失真地反映调制信号的变化规律。因此,凡是能直接 影响振荡频率的元件或参数,只要用调制信号去控制,使振 荡频率的变化量能随调制信号而线形变化,都可以完成直接 调频的任务。 在正弦波振荡器中,由于其振荡频率主要取决于振荡 回路的电感量和电容量,所以在振荡回路中接入可控电抗 器,就可以实现直接调频。,6.8 直接调频电路,可控电抗器的种类很多,有声波控制的电容式话筒或驻极 体话筒,有电压控制的变容
17、二极管和电抗管,还有电流控制 的可变电感等。只要将可控电抗器接入振荡器的振荡回 路,就能利用振荡器产生调频波。 6.1 变容二极管调频电路 变容二极管是利用pn结的结电容随反向电压(反偏)变化 这一特性制成的一种电压控制的可控电抗器。将变容二极管 接入振荡器的振荡回路,用调制电压去控制变容管的电 容量,从而控制振荡器的振荡频率达到调频的目的。,变容二极管结电容(势垒电容)可用下式表示,变容管加上偏置电压和调制电压后,总的控制电压为,由以上两式得,变容管作为振荡回路的总电容 下图为变容二极管接入振荡回路的交流等效电路。,设振荡频率近似等于振荡回路的振荡频率,且忽略加在变 容管上的高频电压。则瞬时
18、角频率为,.变容管部分接入振荡回路 为了提高载波频率稳定度,往往采用变容管部分接入振 荡回路的办法。,振荡回路电容的变化量和调制信号的关系。有,6. 晶体振荡器直接调频电路 在某些实际情况下,为了满足中心频率稳定度较高的要 求,有时采用石英晶体振荡器直接调频电路。 晶体振荡器有两种:一种是工作在石英晶体的串联振荡频 率上,晶体等效为一个短路元件,起着选频的作用;另一种 是工作于晶体串联和并联谐振频率之间,晶体等效为一个高 品质因数的电感元件,作为振荡元件之一。 通常是利用变容二极管控制后一种晶体振荡器的振荡频率 来实现调频。,如果电容二极管与石英晶体串联,其等效电路和电抗特性 如下图所示。,利
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- 频谱 变换 电路
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