1、高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 第6章 振幅調制與解調電路 教學基本要求 1. 了解調制的作用。掌握調幅信號的定義、表達式、波形、頻譜等特征。 2. 掌握典型的幅度調制與解調電路的結構、原理、分析方法和性能特點。 3. 了解數字調幅的基本概念和典型的調制與解調方式及其實現電路。高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 本章教學內容 6.1 概述 6.2 低電平調幅電路 6.3 高電平調幅電路 6.4 單邊帶信號的產生 6.5 包絡檢波器 6.6 同步檢波器 6.7 數字信號調幅與解調高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱

2、工程大學哈爾濱工程大學 6.1概述 引言：1.調制的基本概念 (1)調制與解調是通信系統中的重要的環節。 (2)通信系統的基本任務是在要求的距離內實現不失真的傳送信息。需傳送的原始信息通常為非電量,例如語言、文字、圖像、溫度、壓力等非電量,它們不能直接在通信系統中傳輸。 (3)需傳送的原始信息(非電量)是需通過變換器轉換成電信號，再通過通信系統傳輸。此電信號是占有一定頻譜寬度的低頻信號，通常稱為基帶信號。 (4)基帶信號是占有一定頻譜寬度的低頻信號，基帶信號直接通過功率放大后,經天線發射進行無線傳輸，存在難于實現多路傳輸和有效發射的問題。 (5)將基帶信號加載到高頻信號上去(調制)，用高頻信號

3、作為運載工具，這樣就能較好地實現多路有選擇性的遠距離通信。 高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 2.什么是調制? 用需傳送的基帶信號(調制信號)去控制高頻振蕩的三參量之一(振幅、頻率和相位)，使其隨調制信號線性關系變化，輸出相應的已調波。實現將基帶信號加載到高頻信號上去的過程稱為調制。 3.調制的分類 幅度調制(AM) 模擬信號調制 頻率調制(FM) 相位調制(PM) 調制分為 幅度鍵控(ASK) 數字信號調制 頻率鍵控(FSK) 相位鍵控(PSK) 4. 解調是調制的相反過程，是從高頻已調信號中取岀調制信號。 高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工

4、程大學哈爾濱工程大學 6.1.1 普通調幅波的數學表示式、頻譜及功率關系 1.振幅調制的定義： 用需傳送的電信息(調制信號) 去控制高頻載波振蕩電壓的振幅，使其隨調制信號 線性關系變化。 2.普通調幅波的數學表示式 若載波信號電壓為 ，調制信號為 ，根據定義普通調幅波的振幅 為 其中ka為比例系數，則普通調幅波的數學表示式為 設調制信號電壓為 通常 ，根據調幅波的定義)(tu)(tutUtuccmccos)()(tu)(mtU)()(acmmtukUtUttukUtUtucacmcmcos)(cos)(FtUtUtu2coscos)(mmcttUkUtucmacmcos)cos()(ttmUc

5、acmcos)cos1 (高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 上式是單頻調制時普通調幅波的表示式。 稱為調幅指數。 是不失真調制。 為過調幅， 是失真調制。 普通調幅波又稱標準調幅波。(AM波) 3.普通調波的波形 圖6.1.1是單頻調制的普通調幅波波形圖, 調幅指數為 圖6.1.1調幅波波形cmmaa/UUkm1am1ammminmmaxmminmmaxaUUUUm)1 (acmmmaxmUU)1 (acmmminmUU高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 圖6.1.2過量調幅波形 圖(a) 和圖(b) 是實際電路中常見的兩種

6、過調幅輸岀波形。 圖(a) 是由于在調制信號電壓的最低值附近, 輸岀調幅波會變為負值。 圖(b)是由于電路管子截止, 岀現的過調幅波形。高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 4.普通調幅波的頻譜 它表明單頻調制的普通調幅波由 三個頻率分量組成，即載波分量 、圖6.1.3單音調制的調幅波頻譜 上邊頻分量 和下邊頻分量 。其圖如圖6.1.3所示。 問題： 調制信號為多頻時,數學式與頻譜如何表示?ttmUtucacmcos)cos1 ()(tUmtUmtUc)cos(21)cos(21cosccmacmaccmccc高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大

7、學哈爾濱工程大學 對于調制信號由多個頻率信號組成時，設其為根據調幅的定義則普通調幅波的數學式為 可見，其頻譜為 、 、 、 。 tUtUtUtu3m32m21m1coscoscos)()coscoscos1 (3cm3ma2cm2ma1cmm1acmtUUktUUktUUkU)coscoscos1 (3a32a21a1cmtmtmtmUc1c2c3ctUktUktUkUtUa33ma22ma11mcmmcoscoscos)(ttmtmtmUtuc3a32a21a1cmcos)coscoscos1 ()(高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 多頻調幅的數學表示式可

8、寫為 其中 mi=kaUim/Ucm ,ka 是由電路參數決定的比例系數,電路確定后, ka不變。 因為多音調制時各個低頻分量的幅度并不相等，因而調幅指數mi也不相同，所以就整個調幅波來說，常引用平均調幅指數的概念。大量實驗表明，未經加工處理的語言信號的平均調制系數為0.20.3。 從調幅波的頻譜關系可以看出，調制過程實質上是一種頻譜搬移過程。經過調制后，調制信號的頻譜由低頻被搬移到載頻附近，成為上、下邊頻帶。 niiiittmUtUtu1cccmccm)cos()cos(2cos)(高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 5.普通調幅波各頻率分量的功率關系 通常

9、將調幅波電壓加在電阻R兩端，電阻R上消耗的各頻率分量對應的功率可表示為 (1)載波功率 (2)每個邊頻功率 (3)調制一周內的平均總功率 從各頻率分量所占的功率比例來看，含有傳送信息的上、下邊頻分量所占功率成分比載波功率要小很多。 例如ma=0.3,PoT=95.7%Poav ,上下邊頻功率僅4.3%Poav。RUP2cmoT21oT2a2cma411221ccPmRUmPPoT2aoToav21ccPmPPPP高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.1.2 抑制載波的雙邊帶調幅信號和單帶調幅信號 1.為什么要用雙邊帶調幅信號或單帶調幅信號進行發射? 因為調幅

10、信號的載波本身并不包含信息，且占有較大的功率，為了減小不必要的功率浪費，可以去掉載波，只用雙邊帶調幅信號或單帶調幅信號進行發射。 2.抑制載波的雙邊帶調幅信號(DSB) 數學表示式 頻譜為 波形如圖所示,注意：調制信號負半 周時,雙邊帶載波反相。 cttUtUtUtututucmccmmccoscoscoscos)()()(高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 因為雙邊帶信號不包含載波，它的全部功率都為邊帶占有，所以發送的全部功率都載有信息，功率有效利用率高于AM制。 3.單邊帶調幅波(SSB) 因為兩個邊帶的任何一個邊帶已經包含調制信號的全部信息，所以可以進一

11、步把其中的一個邊帶抑制掉，而只發射一個邊帶，這就是單邊帶調幅波。其數學表示式為 或 單邊帶調幅波的頻譜為 或 。 單邊帶調幅波的頻譜寬度只有雙邊帶的一半，其頻帶利用率高，在通信系統中是一種常用的調制方式。tUtUUtu)cos()cos(21)(cmccmmtUtUUtu)cos()cos(21)(cmccmmcc高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 電壓電壓表達式表達式普通調幅波普通調幅波載波被抑制雙邊帶調幅波載波被抑制雙邊帶調幅波單邊帶信號單邊帶信號波形圖波形圖頻譜圖頻譜圖信號信號帶寬帶寬F2F2三種振幅調制信號三種振幅調制信號或FttmUcacmcos)c

12、os1 (ttUcmcoscostU)cos(cmtU)cos(cm高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.1.3 振幅調制電路的功能 1.功能：將輸入的調制信號和載波信號通過電路變換成高頻調幅信號輸出。 2.表示形式 (1)普通調幅波 當輸入調制信號 ， 輸入載波信號 時， 輸出信號電壓 。 輸入與輸出信號的 頻譜表示形式頻tUtucos)(mtUtuccmccos)(ttmUtucacmcos)cos1 ()(數學式表示頻譜表示法頻譜表示法高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 (2)抑制載波的雙邊帶調幅 輸入調制信號 輸入載

13、波信號 輸出信號電壓 輸入與輸出信號的 頻譜表示形式tUtucos)(mtUtuccmccos)(ttUtucmcoscos)(數學式表示頻譜表示法高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 (3)抑制載波的單邊帶調幅 輸入調制信號 輸入載波信號 輸出信號電壓 或 輸入與輸出信號的 頻譜表示形式tUtucos)(mtUtuccmccos)(tUtu)cos()(cmtUtu)cos()(cm數學式表示頻譜表示法高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.1.4 振幅調制電路的分類及基本組成 1.分類 低電平調幅電路 按調幅級電平的高低分

14、高電平調幅電路 2.要求 低電平調幅電路的功率較小，輸出功率和效率不是主要指標，重點是提高調制的線性，減少不需要的頻率分量的產生和提高濾波性能。 高電平調幅電路是直接產生滿足發射機輸出功率要求的已調波。它的優點是整機效率高。設計時必須兼顧輸出功率、效率和調制線性的要求。通常高電平調幅只能產生普通調幅波。 高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 3.振幅調制電路基本組成 一般來說振幅調制電路是由輸入回路，非線性器件和帶通濾波器三部分組成。 輸入回路的作用是將載波信號和調制信號直接耦合或相加后直接加到非線性器件上。 非線性器件（乘法器、二極管、三極管）的作用是實現產生

15、新的頻率。(產生上下邊頻分量) 帶通濾波器的作用是取出調幅波的頻率成分，抑制不需要的頻率成分。高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.1.5 調幅信號的解調電路的功能 1.功能：從調幅信號中不失真地解調出原調制信號。 2.頻譜表示 雙邊帶和單邊帶調幅信號的解調為相干解調； 普通調幅信號的解調為非相干解調。高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 3.波形表示(以普通調幅波等非相干解調為例) 圖6.1.7調幅解調電路的輸入與輸岀波形高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.1.6 調幅解調電路的分類與基

16、本組成 1.分類 包絡檢波器(非相干解調)(普通調幅解調) 調幅解調電路 同步檢波器(相干解調)(雙、單邊帶解調) 2.基本組成 頻譜搬移電路由高向低搬移高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.2低電平調幅電路 低電平調幅電路的分類： 模擬乘法器調幅電路； 單二極管開關狀態調幅電路； 二極管平衡調幅電路 二極管環形調幅電路 討論與分析應注意的關鍵內容 低電平調幅是先在低功率電平級進行振幅調制，然后再經過高頻功率放大器放大到所需要的發射功率。 由于低電平調幅電路的功率較小，輸出功率和效率不是主要指標，重點是提高調制的線性，減少不需要的頻率分量的產生和提高濾波性能

17、。高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.2.1 模擬乘法器調幅電路 模擬乘法器是一種完成兩個模擬信號(電壓或電流)相乘作用的電子器件。其電路符號如圖6.2.1所示。 圖6.2.1模擬乘法器符號 它具有兩個輸入端對(即X和Y輸入端對)和一個輸出端對，是三端對非線性有源器件。它的傳輸特性方程為 式中，K為乘法器的增益系數，單位為1/V。 實用的乘法器大多不是理想的相乘特性。 yxuKutu)(o高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 1.雙差分對管振幅調制電路 圖6.2.2是常用的的雙差分對管 模擬乘法器原理電路。 它由兩個單差分對

18、管電路T1、 T2、T5和T3、T4、T6組合而成。 圖中u1加在兩個單差分對管的 輸入端，u2加到T5和T6的輸入端。 根據晶體三極管的特性可知, T5和T6組成差分對管的電流電壓關系， 在每個晶體管的1條件下， 圖6.2.2雙差分對管電路恒流源I0為 BE5es5ukTqIi BE6es6ukTqIi )e1 ()/1 (2-5565650ukTqiiiiiiI高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 則 式中，q為電子電荷；k為波耳茲曼常數；T為熱力學溫度；I0為恒流源；u2為差模輸入電壓。 同理,對于T1、T2和T3、T4組成的差分對，可得kTquIIiuk

19、Tq2th12)e1/(20-052kTquIIiukTq2th12)e1/(20062kTquIii2th2065kTquii2th12151kTquii2th12152kTquii2th12163kTquii2th12164高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 雙端輸出時，輸出電流 代入 根據雙曲線正切函數的性質，當u1和u2都小于26mV時， IIIiii)()()()(34214231iiiiiiiiiiikTquii2th)(165)(65ii kTqukTquIi2th2th21021M21022uuKkTqukTquIi高頻電子線路高頻電子線路退出

20、下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 若將u1為載波電壓uc(t)=Ucmcosct, u2為調制電壓 ， 則可實現雙邊帶調幅。在實際電路中為使輸出電壓頻譜純凈，仍需接一個中心頻率為c的帶通濾波器。 擴大u2的動態范圍 可以在T5與T6的發射極之間接入負反 饋電阻Ry。并將恒流源I0分為兩個I0/2的 恒流源，這是集成模擬乘法器中常采用的 一種恒流源形式。 設流過Ry的電流為Iy，其方向如圖中所示。 Iy=iE5-I0/2=iE5-(iE5+iE6)/2=(iE5-iE6)/2 由于輸入電壓為u2 ,則tUtucos)(m高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學

21、 u2 =uBE5+IyRy-uBE6=uBE5-uBE6+(iE5-iE6) Ry/2 因為， ， ，則 所以 當Ry足夠大，滿足深度負反饋條件，即BE5es5E5ukTqIiiBE6es6E6ukTqIiiE6E5BE6BE5lniiqkTuuyE6E5E6E52)(21lnRiiiiqkTuE6E5yE6E5ln)(21iiqkTRiiy65yE6E52)(21)(21RiiRiiu高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 即 則乘法器的雙端輸出電流為 表明，當加入反饋電阻Ry后，雙差分對模擬乘法器輸出電流與 u1 、 u2的關系。 值得注意的是，因為iE5+

22、iE6=I0，且iE5、iE6均為正值，故u2的最大動態范圍為 y265/2Ruii12y2th2ukTquRi 220y20IRuI高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 2.MC1596平衡調幅電路 偏置電阻RB使I0=2mA； R1和R2電阻分壓給7端 和8端提供直流偏壓， 8端為交流地電位； 51電阻為與傳輸電 纜特性阻抗匹配； 兩只10k電阻與RP構 成的電路，用來對載 波信號調零。 高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 設載波信號 , ，是大信號輸入。根據雙曲線正切函數的特性，在上述條件下具有開關函數的形式 上式展開為傅

23、里葉級數 因為在2與3端加了反饋電阻Ry=1k，對于輸入調制信號 可擴大線性范圍，輸出的電流 可用 表示為tUtuccmccos)(qkTU/2cm2321221thccctt2kTquttt2kTqucccc5cos543cos34cos4thtUtucos)(miiicy2th2ukTquRi高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 若在輸出端加入一個中心頻 顯然取出的電流分量為雙邊帶信號。 實際電路采用了單端輸出方式。集電極電阻Rc對電流取樣，可得單端輸出時的uoM表示為 若帶通濾波器帶內電壓傳輸系數為ABP，則濾波后輸出電壓 這是一個抑制載波的雙邊帶調幅波。

24、ttttURicccmy5cos543cos34cos4cos2ttURicmycoscos8cyccoM2th21ukTquRRiRuttURRAucmycBPocoscos4乘法器怎樣實現普通調幅波調幅?高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.2.2 單二極管開關狀態調幅電路 1.什么是開關狀態? 開關狀態是指二極管在兩個不同頻率電壓作用下進行頻率變換時，其中一個電壓振幅足夠大，另一電壓振幅較小，二極管的導通或截止將完全受大振幅電壓的控制，可近似認為二極管處于一種理想的開關狀態。表明這種狀態下的二極管是理想的非線性器件。 2.電路分析 u1(t)是一個小信

25、號， u2(t)是一個振幅足夠大的信號, 二極管D主要受到信號u2(t)的控制， 工作在開關狀態。 tUtu11m1cos)(tUtu22m2cos)(高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 在u2(t)的正半周，二極管導通， 通過負載RL的電流為 其中，rd為二極管的導通電阻。 在u2(t)的負半周，二極管截止， 通過負載RL的電流為零。 因此，電流i可用下式表示： 若將二極管的開關作用以開關函數式來表示，可得)()(121LdtutuRri0)(00)(1)(222tututK0)(0)(0)()(12221LdtutututuRri高頻電子線路高頻電子線路退

26、出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 則電流可表示成 因為u2(t)是周期性信號，所以開關 函數K(2t)也是周期性函數，其周期與 u2(t)的周期相同。 控制信號u2(t)的作用下開關函數 K(2t)的波形是振幅為1的矩形脈沖序列， 其角頻率為2。 開關函數 K(2t)可展開為傅里葉級數， 開關函數K(2t)中只含直流分量、2和2的奇次諧波分量。 )()()(121LdtututKRrittttK22225cos523cos32cos221)(高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 可以看出，電流i中包含以下頻譜成分 u1和u2的頻率成分1和2； u1和u

27、2的和頻和差頻2+1、2-1； u1的頻率和u2的各奇次諧波頻率的和頻和差頻， 即 ； u2的偶次諧波頻率； 直流成分。 如果2 =c(載波頻率)、1 =(調制信號頻率)，并用中心頻率為c，通頻帶寬度略大于2的帶通濾波器作為負載，負載上得到的輸出電壓將只包含c、c三個頻率成分。因此，單二極管開關狀態調幅電路，只能實現普通調幅波的調幅。) tcostcos( t5cos52t3cos32tcos22112m211m222LdUURri12) 12(n高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.2.3 二極管平衡調幅電路 在Tr2一次側輸入調制電壓 在輸入Ucm足夠大

28、的載波電壓 使二極管D1、D2均工作于受uc(t)控 制的開關狀態，其導通電阻為rd。 設流過二極管D1的電流為i1， 流過二極管D2的電流為i2，它們的 流向如圖所示。根據變壓器Tr3的 一次、二次繞組匝比為21，且一 次側為中心抽頭,二次側負載RL折合到一次側的等效電阻為 4RL ,對應到有中心抽頭的每一部分，則為2RL,可得等效電路。 tUtucos)(mtUtuccmccos)(高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 在uc(t)為大信號的開關工作狀態，對D1來說，uc(t)的正半周導通，負半周截止。對D2來說，uc(t)的正半周導通，負半周截止。它們開關

29、函數都是K(ct)。因此，電流i1和i2應為 根據變壓器Tr3的同名端及假設的二次側電流i的流向。由于i1和i2流過Tr3一次側的方向相反，所以，電流i為)()()(21ccLd1tututKRri)()()(21ccLd2tututKRri)(2)(2cLd21tKRrtuiii)3cos32cos221(2cos2ccLdmttRrtUtttRrU)cos(2)cos(2cos2ccLdmtt)3cos(32)3cos(32cc高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 由上式可見，i中包含、c、3c，等頻率分量。由于采用開關狀態和平衡抵消的措施，很多不需要的頻率

30、分量在i中已不存在。通過中心頻率為c，帶寬為2的帶通濾波器濾波，只有c頻率成分的電流流過負載RL，在RL上建立雙邊帶調幅波的電壓。 問題： 1.為什么采用開關工作狀態?它與電壓都是小信號的調幅有什么區別? 2.為什么采用平衡調幅?與非平衡調幅相比其特點是什么? 3.開關函數的含意是什么?如何分析判斷?高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.2.4 二極管環形調幅電路(雙平衡調幅電路) 特點： 與平衡調幅電路的差別多接了兩只二極管D3和D4，它們的極性分別與D1和D2的極性相反，這樣，當D1和D2導通時,D3和D4是截止的；反之，當D1和D2截止時,D3和D4是

31、導通的。 環形調幅電路是由兩個平衡調幅電路組成。 高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 晶體二極管D1和D2僅在uc(t)的正半周導通，其開關函數為K(ct)，流過輸出負載電阻RL的電流為)(2)(2cLd21tKRrtuiii高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 二極管D3和D4僅在uc(t)的負半周內導通，其開關函數為 K(ct-)，流過輸出負載RL的電流為(其電流方向如圖所示) 式中)(2)(2cLd34tKRrtuiiitttKccc3cos32cos221)(高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工

32、程大學 流過RL的總電流為 可見，環形調幅電路與平衡調幅電路比較，進一步抵消了 分量，而且各分量的振幅加倍。通過中心頻率為 ，通帶為 的帶通濾波器濾波，可取出 的電流，在 上可建立雙邊帶調幅電壓。)t(Kt)(KRr(t)uiii22c1c1LdttRrtUmccLd3cos34cos42cos2ttRrU)cos(4)cos(42ccLdmtt)3cos(34)3cos(34ccc2cLR高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.3高電平調幅電路 高電平調幅電路： 集電極調幅電路； 基極調幅電路。 討論與分析應注意的關鍵內容 高電平調幅是直接產生滿足發射機輸出

33、功率要求的已調波。 它是利用丙類高頻功率放大器在改變VCC或VBB時具有調幅特性這一特點來實現。 高電平調幅的關鍵是整機效率高。設計時必須兼顧輸出功率、效率和調制線性的要求。 通常高電平調幅只能產生普通調幅波。高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.3.1 集電極調幅電路 1.基本原理 對于丙類高頻功率放大器，在VBB、 gc、UBZ、 Ubm、RP不 變的條件下,工作于過壓狀態時,集電極電流脈沖幅度將隨集電 極有效電源電壓VCC變化而變化。 即在過壓區具有調幅特性, IC0、 Ic1m將隨VCC變化而變化 。 過壓區過壓區高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁

34、首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 由集電極調幅原理電路可知,低頻調制信號 與丙類放大器的直流電源VCT相串聯，有效集電極電源電壓VCC等于兩個電壓之和，它隨調制信號變化而變化。 )(tu)(CTCCtuVV高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 2.電路分析 設基極輸入載波信號電壓 則基極瞬時電壓為 集電極輸入調制信號電壓 則集電極有效電源電壓為 輸出電壓tUtucos)(m)cos1 (cosaCTmCTCCtmVtUVVCTma/VUm)cos1 (aC0TC0tmII)cos1 (ac1Tc1mtmIIttmUtRItucacmcpc1mcos)cos1 (

35、cos)(調幅調幅指數指數tUucbmbcostUVucbmBBBEcos高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 3.功率與效率 (1) 載波狀態： ，VCC=VCT ，IC0=IC0T ，Ic1m=Ic1T 。 直流電源VCT輸入功率 P= VCT IC0T； 載波輸出功率 ； 集電極損耗功率 PcT=P=T PoT； 集電極效率 cT=PoT /P=T。 (2)調幅波峰處： , VCC=VCT(1+ma), IC0=IC0T(1+ma)， Ic1m=Ic1T(1+ma) 。 有效電源輸入功率 P=max= VCT IC0T(1+ma)2= P=(1+ma)2

36、高頻輸出功率 集電極損耗功率0)(tup2T1coT21RIP1cost2aoTP2a2c1TP2c1momax)1 ()1 (2121mPRmIRIP2acTomaxmaxcmax)1 (mPPPP高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 集電極效率 (3)在調制信號一周內的平均狀態： 集電極有效電源電壓VCC供給被調放大器的總平均輸入功率為 直流電源VCT不變, 流過VCT的調制一周內的平均直流電流為 CTomaxmaxocmaxTTPPPP)cos1 (aCTCCtmVV)cos1 (aC0TC0tmII)cos1 (ac1Tc1mtmIIaC0TaCTC0C

37、Cav)(d)cos1 ()cos1 (21)(d21-ttmItmVtIVP2122aTC0TCT2aC0TCTmPIVmIVC0TaC0TC0C0av)(d)cos1 (21)(d21-IttmItII高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 則由集電極直流電源VCT所供給的平均輸入功率為 有效電源中調制信號源 所供給的平均功率為 有效電源總平圴輸入功率是由直流電源VCT和調制信號源 共同提供。 在調制一周期內的平均輸出功率為 )(tuT2aC0TCT2aav22PmIVmPPP)(tu212121 )(d)cos1 (2121)(d21212aoT2ap2c1

38、Tp2a2c1T-p2c1moavmPmRItRtmItRIPTC0TCTC0avCTPIVIVP高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 在調制信號一周期內平均集電極損耗功率為 在一周內的平均集電極效率為 幾點結論： 集電極調幅必須工作于過壓區。 在調制過程中，效率不變，這樣可保證集電極調幅電路處于高效率下工作。常數CT2a2aavoavcav2121mPmPPPToT2121)(2aCT2aoTToavavcavmPmPPPPP高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 在調制信號一周內的平均功率都是載波狀態對應功率的 倍 總輸入功率分

39、別由VCT和 所供給，VCT供給用以產生 載波功率的直流功率P=T， 則供給用以產生邊帶功率的平均 輸入功率P。 集電極平均損耗功率等于載波點的損耗功率的 倍。應根據這一平均損耗功率來選擇晶體管，以使PCMPCav 。 因為調制信號源u(t)需提供輸入功率，故調制信號源 u(t)一定要是功率源。大功率集電極調幅就需要大功率的調制 信號源，這是集電極調幅的主要缺點。)2/1 (2am)(tu)(tu)2/1 (2am)2/1 (2am高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.3.2 基極調幅電路 C1、C3為高頻旁路電容； C2為低頻旁路電容； Tr1為高頻變壓器

40、； Tr2為低頻變壓器； 帶通濾波帶通濾波高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 高頻功率放大器在 gc、UBZ、VCC、Ubm、RP不變條件下,工作于欠壓狀態,改變 ,其輸出電流中的基波電流隨 VBB變化這一特點來實現調幅的。 基極調幅電路的特點是： (1)必須工作于欠壓區； (2)載波功率和邊頻功率都由直流電源VCC提供； (3)調制過程中效率是變化的。 只能用于輸岀功率小、對失真要求不嚴的發射機中。)(BTBBtuVV高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 調幅電路與調幅波的對應關系高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱

41、工程大學哈爾濱工程大學 6.4單邊帶信號的產生 6.4.1 單邊帶通信的優點 (1)單邊帶調幅波占有頻帶窄，頻譜寬度只有雙邊帶調幅波的一半，頻帶利用率高。 (2)它還能節省功率，功率利用率高。在與普通調幅波總功率相等的情況下，接收端的信噪比明顯提高，因而通信距離可大大增大。 (3)單邊帶只有一個邊帶分量，選擇性衰落現象影響較小，相對于普通調幅要小得多。所謂選擇性衰落是在短波傳播過程中，不同頻率的電波會產生不同的衰減和相移，引起接收信號的失真和不穩定。 (4)單邊帶調幅也有缺點，對接收機要求高，即必須采用同步檢波的方式實現解調。這必然帶來設備復雜、成本高的缺點。高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上

42、頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.4.2 單邊帶信號的產生方法 1.濾波法 圖6.4.1濾波法方框圖 由平衡調幅電路加邊帶濾波器組成。 因為雙邊帶信號中，上下邊頻的頻率間隔為2Fmin(一般約為幾十赫)，所以為了達到濾波效果好，濾除一個邊帶而保留另一個邊帶，就要求邊帶濾波器具有很陡峭的衰減特性(接近于矩形)。 又因為fcFmin，邊帶濾波器的相對帶寬很小，制作很困難。 高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 在實際應用中是適當降低第一次調制的載波頻率，這就增大了邊帶濾波器的相對帶寬，使濾波器便于制作。 (解決了邊帶濾波器要求高的問題,但是載頻低不符合要求)

43、然后再經過多次平衡調幅和濾波逐步把載頻提高到要求的數值，如圖6.4.2所示。圖中f1+f2+f3=fc，顯然設備比較復雜，但性能比較可靠。圖6.4.2實現濾波法的一種方案高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 2.移相法 在調制信號為u(t)=Umcost時，若單邊帶調幅信號為 u=KUcmUmcos(c+)t =KUmcostcosct-KUcmUmsintsinct圖6.4.3相移法單邊帶調制器方框圖兩個雙邊帶之差兩個雙邊帶之差高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.5 包絡檢波電路 6.5.1 檢波電路的主要技術指標 1.電

44、壓傳輸系數Kd 檢波電路的電壓傳輸系數是指檢波電路的輸出電壓和輸入高頻電壓振幅之比。 (1)輸入為高頻等幅波 時， Kd定義為輸出直流電壓與輸入高頻電壓振幅的比值，即 (2)輸入為高頻調幅波即 時， Kd定義為輸出的分量振幅與輸入高頻調幅波包絡變化的振幅maUim的比值，即tUtuiimicos)(imodUUK ttmUtuiaimicos)cos1 ()(imamdUmUK高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 2.等效輸入電阻Rid (1)為什么要考慮等效輸入電阻? 通常檢波器與前級高頻放大器的輸出端連接，檢波器的等效輸入電阻將作為放大器的負載影響放大器的電

45、壓增益和通頻帶。設計電路系統時,需要考慮負載對放大器性能的影響。 (2)等效輸入電阻的定義 檢波器是非線性電路，Rid的定義與線性放大器是不相同的。 Rid的定義為輸入等幅高頻電壓的振幅Uim與輸入高頻電流脈沖的基波分量振幅I1m的比值，即 實際上，檢波器的輸入阻抗是復數，可看成由電阻和電容并聯組成。通常輸入電容與高頻諧振回路構成諧振，所以可只考慮輸入電阻Rid的影響。1mimidIUR高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 3.非線性失真系數Kf 非線性失真的大小，一般用非線性失真系數Kf表示。當輸入為單頻調制的調幅波時，Kf定義為 式中U、U2、U3、分別為輸

46、出電壓中調制信號基波和各次諧波分量的有效值。UUUK2322f高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 6.5.2 6.5.2 二極管大信號檢波電路二極管大信號檢波電路 1.什么是大信號檢波? 高頻輸入信號的振幅大于0.5V，利用二極管兩端加正向電壓時導通，通過二極管對電容C充電，加反向電壓時截止，電容C上電壓對電阻R放電這一特性實現檢波的。 2.工作原理 圖6.5.1大信號檢波原理電路 圖6.5.1所示是大信號檢波原理電路。它是由輸入回路、二極管D(非線性器件)和RC低通濾波器組成。 高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 當輸入信號

47、為高頻等幅波時， 電路接通后, ,充電,充電時常數rdC小,充電快； t=t1時, 充電停止； tt1時, 放電,放電時常數RC大,放電慢； t=t2時, 放電停止； tt2時, 充電,充電時常數rdC小,充電快； t=t3時, 充電停止； tt3時, 又放電, 如此反復，直到在一周期內電容充電電荷量與放電電荷量相等，充放電達到動態平衡進入穩定工作狀態。 充電 充電放電 放電)()(oitutu)()(oitutu)()(oitutu)()(oitutu)()(oitutu)()(oitutu)()(oitutu高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 當輸入為調幅

48、波信號時，充放電波形如圖6.5.3所示。其過程與等幅波輸入情況相似。輸出電壓的變化規律正好與輸入信號的包絡相同。 圖6.5.3輸入調幅波時檢波過程高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 3.大信號檢波器的分析 對于大信號檢波，二極管的伏安特性可近似用折線表示，其數學表示式為 其中，gd為二極管導通時的電阻rd的倒數，即gd=1/rd ；UBZ為二極管的截止電壓，通常鍺二極管為0.2V左右，硅二極管為0.5V左右。0)(BZDdDUugiBZDBZDUuUu高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 圖6.5.4大信號檢波原理圖 設輸入為

49、(高頻等幅波),則 對應的二極管電流iD為一重復頻率為i的周期余弦脈沖，其通角為，振幅最大值為IM 。 tUtuiimicos)(oiimoiDcos)(utUutuu為直流電壓為直流電壓高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 iD可以分解為直流、基波和各次諧波分量。即 其中，I0=0()IM為直流分量，I1m=1()IM為基波分量振幅，Inm=n()IM為n次諧波分量振幅。 檢波器輸岀端為低通濾波器,只有直流電流I0在電阻上建立電壓,則檢波器輸岀電壓為 問題：電流脈沖的IM和半通角怎樣求得? 由二極管伏安特性知,當uDUBZ時， 當it=時，iD=0，可得tnI

50、tItIIiinmi2mi1m0Dcoscos2cosRIRIuM00o)()cos(BZiimodDUtUugiimBZocosUUu 高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 當it=0時，iD=IM，可得 由于 而imoBZimdBZimodM1)(UuUUgUUugI)cos1 (imdMUgI)cos1 (cossin)(0)cos(sin1)(imd0M0UrII)cos1 (cossin)(1高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 經低通濾波器的輸出電壓為 將上式除cos得 在UBZ=0或uoUBZ的條件下，上式可寫成)c

51、ossin(1)(imd1M1mUrII)cos(sinimd0oUrRRIu)(tanimdimBZooUrRUUuuRrdtan高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 在很小的條件下，( / 6 )，tan可展開成級數 忽略高次項，可得 在UBZ=0， / 6（rad）的條件下，通角僅與檢波器的電路參數rd和R有關，而與輸入高頻信號的振幅Uim無關。 輸入電壓為高頻等幅波ui=Uimcosit時, 檢波輸出電壓為 5315231tan(rad)3d3RrcoscosimBZimoUUUu高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 輸入

52、信號為調幅波ui=Uim(1+macost)cosit時， 由于 ，在高頻電壓一周內，由引起的振幅變化可以認為是不變的。則檢波輸出電壓 式中含有： 由載波檢波得到的直流成分Uimcos； 邊頻分量檢波而得到的成分Uimmacostcos。 問題：怎樣的措施能將兩電壓信號分開? 為了取出原調制信號，要去除直流成分，需在低通濾波器后增加隔直電容Cc來實現,可以選用圖6.5.6所示的檢波電路， 。 icoscoscoscos)cos1 (aimimaimotmUUtmUu高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 輸入信號圖6.5.6檢波電路 檢波器輸岀 tUtuiimic

53、os)(cosimAUu 0Burad)(3d3Rr高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 輸入信號圖6.5.6檢波電路 檢波器輸岀rad)(3d3RrttmUtuiaimicos)cos1 ()(coscoscoscos)cos1 (aimimaimAtmUUtmUutmUucoscosaimB高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 實用電路參數選取的幾點說明： (1)要滿足假設條件 / 6 （rad）和UBZ=0； (2)應選導通電阻rd盡可能小的檢波二極管，而直流負載電阻R要選大些，滿足 / 6 （rad）的條件； (3) UB

54、Z=0的條件，可以采用給檢波電路加固定偏壓的方法來獲得。圖6.5.5給出了加固定偏壓的檢波電路的形式。 圖6.5.5加固定偏壓的檢波電路高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 4.大信號檢波器的技術指標 (1)電壓傳輸系數 若輸入電壓為ui=Uimcosit的等幅波時，則檢波器的輸出電壓uo=Uimcos。 根據輸入為等幅波時電壓傳輸系數的定義，則 若輸入電壓為ui=Uim(1+macost)cosit的調幅波，檢波器的輸出電壓uo=Uim(1+macost)cos。 根據調幅波的電壓傳輸系數的定義，可得 coscosimimdUUKcoscosimaimadUm

55、UmK高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 (2)等效輸入電阻Rid 根據定義，等效輸入電阻為輸入高頻電壓振幅與流過檢波二極管的高頻電流的基波振幅之比。即 電流脈沖中的基波分量振幅為 所以 將tan、sin、cos展開成級數1mimidIUR cossind1mimidrIUR)cossin()cos1 (cossin)cos1 ()(dimimd1CMm1rUUgII高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 通常很小，可忽略高次項，可得3512tan3152411cos12 !4 ! 3511sin35！RRRR21! 21! 31

56、31! 211! 3131333233id2idRR 高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 (3) 失真 檢波器的失真可分為頻率失真、非線性失真、惰性失真和負峰切割失真。 頻率失真 當輸入信號是調制頻率為minmax的調幅波時，檢波器輸出端A點的電壓頻率包含直流、minmax ，而輸出B點的電壓頻譜包含minmax。 低通濾波器RC具有一定的頻率特性，電容C的主要作用是濾除調幅波中的載波頻率分量，為此應滿足RCi1C選取條件之1高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 當C取得過大時，對于檢波后輸出電壓的上限頻率max來說，C的容抗將

57、產生旁路作用。不同的將產生不同的旁路作用。這樣也要引起了頻率失真。為了不產生頻率失真，應使電容C的容抗對上限頻率max不產生旁路作用，為此應滿足 耦合電容的容抗將影響檢波器下限頻率min的輸出電壓，即在minmax范圍內，電容Cc上電壓降大小不同，在輸出端B點的電壓會因此而產生頻率失真。為了不引起頻率失真，應使Cc對于下限頻率min的電壓降很小，必須滿足RCmax1RCcmin1C選取條件之2高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 非線性失真 檢波器的輸出電壓是二極管的反向偏壓，具有負反饋作用。輸出電壓大，負反饋強，輸出電壓減小，負反饋減弱。這個反向偏壓的調整作用

58、，將使非線性失真減小。檢波負載電阻越大，反向偏壓越大，非線性失真就越小。一般說來，二極管大信號檢波器的非線性失真很小。 惰性失真 檢波器的低通濾波器RC的數值大小對檢波器的特性有較大影響。 從性能指標來看,負載電阻R越大，檢波器的電壓傳輸系數Kd越大，等效輸入電阻Rid越大，非線性失真越小。 但是隨著負載電阻R的增大，RC的時間常數將增大，就有可能產生惰性失真。 產生惰性失真的原因是什么?高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 大信號檢波器是利用二極管單向導電性和電容C的充電放電來實現的。在正常情況下，在高頻電壓一周內，二極管導通一次。導通時，電容C經二極管內阻r

59、d被充電。截止時，電容C通過負載電阻R放電。充放電過程所產生的鋸齒波，其平均值與高頻信號電壓的包絡一致。 電容上電壓在t5t6時間 內均高于輸入電壓，二 極管一直截止。 輸出電壓的變化規律就 不能反映輸入電壓的變 化規律，從而產生失真。 這種失真是由電容C放電速度太慢引起的，所以稱為惰性失 真。惰性失真失高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 不產生惰性失真的條件： 當電容器上電壓變化的速度比調幅波振幅變化的速度快時，則不會產生惰性失真。即 具體分析 設輸入高頻調幅波為ui=Uim(1+macost)cosit， 其振幅為 ,振幅變化速度為 電容器C通過電阻R放電

60、，放電時通過C的電流為tUtuddddimc)cos1 (aimimtmUUtUmtUsinddimaimtuCiddcc高頻電子線路高頻電子線路退出下頁上頁首頁哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 流過R的電流為 ,且 ,可得 則電容器C上電壓的變化速度為 若設大信號檢波器的電壓傳輸系數Kd1，則 uc =Uim(1+macost)Kd Uim (1+macost) 根據不產生惰性失真的條件 ,令 則不產生惰性失真的條件為1。Rui/cRRcii RutuCccddRCutuccdd)cos1 (ddaimctmRCUtutUtuddddimctutUAddddcim高頻電子線路高頻電子線路退出下頁