通信電子線路第五章第1～4節(jié).ppt

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1,第5章振幅調(diào)制與解調(diào),2,5.1概述5.2調(diào)幅信號的分析5.3調(diào)幅波產(chǎn)生原理的理論分析5.4普通調(diào)幅波的產(chǎn)生電路5.5普通調(diào)幅波的解調(diào)電路5.6抑制載波調(diào)幅波的產(chǎn)生和解調(diào)電路,一、本章內(nèi)容,3,（一）本章重點(diǎn)１.調(diào)幅波的性質(zhì)，調(diào)幅波產(chǎn)生的理論分析；冪級數(shù)分析法；２.普通調(diào)幅波產(chǎn)生電路；３.大信號基極、集電極調(diào)幅工作原理及設(shè)計、調(diào)整要點(diǎn)；４.大信號峰值包絡(luò)檢波；５.抑制載波調(diào)幅波的產(chǎn)生和解調(diào)電路。（二）本章難點(diǎn)１.大信號基極、集電極調(diào)幅工作原理及設(shè)計、調(diào)整要點(diǎn)；２.抑制載波雙邊帶調(diào)幅。,二、本章重點(diǎn)和難點(diǎn),4,三、符號,————高頻———低頻,,5,四、三角函數(shù)復(fù)習(xí),,6,五、數(shù)學(xué)分析方法,1）冪級數(shù)分析法（小信號）2）折線近似分析法（大信號）,7,5.1概述,一、調(diào)幅1.含意----振幅調(diào)制就是用低頻調(diào)制信號去控制高頻載波信號的振幅，使載波的振幅隨調(diào)制信號成正比地變化。2.波形圖,9,,只有天線實(shí)際長度與電信號的波長相比擬時，這時電信號才能以電磁波形式有效地輻射。若信號頻率為1kHz，其相應(yīng)波長300km，若采用波1/4波長的天線，就需要75km，制造這樣的天線是很困難的。這就要求原始電信號必須有足夠高的頻率。,3.為什么要調(diào)制？,10,對于有線通信雖然可以傳輸語音之類的低頻信號。但一條信道只傳輸一路信號太不經(jīng)濟(jì)，利用率太低。所以有線通信也需要將各路語音信號搬移到不同的頻段，以實(shí)現(xiàn)多路信號一線傳輸而又不互相干擾。采用調(diào)幅1）由于頻率高，可以無線傳輸；2）可以實(shí)現(xiàn)多路信號一線傳輸而又不互相干擾。,11,1）檢波---調(diào)幅波的解調(diào)2）檢波的波形圖,二、檢波,檢波器的輸入、輸出波形,13,5.2調(diào)幅信號的分析,一、普通調(diào)幅波（表達(dá)式、波形、頻譜、功率）,14,圖5-1調(diào)幅波的波形,15,1．調(diào)幅波的表達(dá)式、波形,調(diào)制信號：載波信號：調(diào)幅波的振幅為,,16,調(diào)幅波為,調(diào)幅系數(shù)或調(diào)幅度,表示載波振幅受調(diào)制信號控制的程度,調(diào)幅波幅度變化?，,若ma>1幅波產(chǎn)生失真，這種情況稱為過調(diào)幅.,17,2.調(diào)幅波的頻譜,單音頻調(diào)制信號,由三個高頻分量組成：角頻率為的載波稱為上邊頻分量；稱為下邊頻分量。,,,,18,1）三個高頻分量的振幅,載波頻率分量的振幅仍為Ucm,而兩個邊頻分量的振幅為1/2maUcm因ma的最大值只能等于1，故邊頻振幅的最大值不能超過1/2Ucm。,,,,,19,2）頻譜圖,調(diào)幅波的每一個正弦分量用一個線段表示，線段的長度代表其幅度，線段在橫軸上的位置代表其頻率。,調(diào)幅的過程就是在頻譜上將低頻調(diào)制信號搬移到高頻載波分量兩側(cè)的過程。,圖5-2普通調(diào)幅波的頻譜圖,20,在單頻調(diào)制時，其調(diào)幅波的頻帶寬度為調(diào)制信號頻譜的兩倍，即B=2F。,,,3）頻帶寬度,多頻調(diào)制時，調(diào)幅波方程為：相應(yīng)地，其調(diào)幅波含有一個載頻分量及一系列的高低邊頻分量等?？偟念l帶寬度為最高調(diào)制頻率的兩倍，即B=2Fmax。,21,圖5-3多頻調(diào)制調(diào)幅波的頻譜圖,22,結(jié)論：調(diào)制后調(diào)制信號的頻譜被線性地搬移到載頻的兩邊，成為調(diào)幅波的上、下邊帶。調(diào)幅的過程實(shí)質(zhì)上是一種頻譜搬移的過程。,23,3．調(diào)幅波的功率,載波分量功率：上邊頻分量功率：下邊頻分量功率：,,,因此，調(diào)幅波在調(diào)制信號的一個周期內(nèi)給出的平均功率為,,24,邊頻功率隨ma的增大而增加；當(dāng)ma=1時，邊頻功率為最大，即P=3/2Pc，這時上、下邊頻功率之和只有載波功率的一半，這也就是說，用這種調(diào)制方式，發(fā)送端發(fā)送的功率被不攜帶信息的載波占去了很大的比例，顯然，這是很不經(jīng)濟(jì)的。但由于這種調(diào)制設(shè)備簡單，特別是解調(diào)更簡單，便于接收，所以它仍在某些領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。,25,,,,二、抑制載波雙邊帶調(diào)幅DSB/SC-AM,26,1.DSB/SC-AM調(diào)幅波頻譜與波形圖,圖5-5DSB/SC-AM的頻譜圖,29,2.DSB/SC-AM的特點(diǎn),1）DSB/SC-AM信號的幅值仍隨調(diào)制信號而變化，但與普通調(diào)幅波不同，DSB/SC-AM的包絡(luò)不再反映調(diào)制信號的形狀，仍保持調(diào)幅波頻譜搬移的特征。,,,,,30,2.DSB/SC-AM的特點(diǎn),2）在調(diào)制信號的正負(fù)半周，載波的相位反相，即高頻振蕩的相位在uΩ(t)=0瞬間有1800的突變。3）信號仍集中在載頻附近，所占頻帶為BDSB=2Fmax,,,,,31,雙邊帶調(diào)幅波的包絡(luò)已不再反映調(diào)制信號的變化規(guī)律。由于調(diào)制抑制了載波，輸出功率是有用信號，它比普通調(diào)幅經(jīng)濟(jì)。但在頻帶利用率上沒有什么改進(jìn)。為進(jìn)一步節(jié)省發(fā)送功率，減小頻帶寬度，提高頻帶利用率，下面介紹單邊傳輸方式。,,32,由通過邊帶濾波器后，可得上邊帶或下邊帶：下邊帶信號上邊帶信號,,,,,,三、抑制載波單邊帶調(diào)幅SSB/SC-AM,33,單邊帶調(diào)幅的數(shù)學(xué)模型,圖5-6實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)幅信號的數(shù)學(xué)模型,34,5.3調(diào)幅波產(chǎn)生原理的理論分析,該節(jié)相關(guān)內(nèi)容插在5.5及5.6節(jié)中，例如：5.5中，小信號平方律檢波用冪級數(shù)分析法；5.6中，大信號調(diào)幅的數(shù)學(xué)分析用開關(guān)函數(shù)近似分析法。,35,5.4普通調(diào)幅波的產(chǎn)生電路,一、引言疊加波=調(diào)幅波？必須通過非線性器件兩個思考題：1）若在電阻R兩端加入一個正弦波信號，此時在示波器觀察R兩端的波形應(yīng)該是一個什么波形？,36,37,2）若在電阻R兩端加入一個調(diào)制信號和一個載波電壓，此時在示波器觀察兩端的波形是什么波形呢？,38,39,看到的是一個疊加波。疊加波≠調(diào)幅波，要得到調(diào)幅波，、必須通過非線性器件。,,40,1.疊加波=調(diào)幅波？，必須通過非線性器件。2.調(diào)幅的方法1）二、三極管2）大、小信號3）高、低電平4）從哪個極加入（基極、集電極、發(fā)射極調(diào)幅）3.實(shí)現(xiàn)調(diào)幅的方框圖4.數(shù)學(xué)分析法大信號——折線近似法小信號——冪級數(shù)分析法,41,按功率電平的高低分為：高電平和低電平調(diào)幅高電平調(diào)幅電路（用于發(fā)射機(jī)的最后一級）低電平調(diào)幅電路（用于發(fā)射機(jī)的前級）(1)低電平調(diào)幅電路特點(diǎn)：電路簡單，輸出功率小一般用模擬相乘器產(chǎn)生。(2)高電平調(diào)幅電路特點(diǎn)：輸出功率大，可提高整機(jī)效率。一般以調(diào)諧功率放大器為基礎(chǔ)。即為輸出電壓幅度受調(diào)制信號控制的調(diào)諧功率放大器。分為：基極調(diào)幅集電極調(diào)幅,42,1.電路,圖5-9基極調(diào)幅電路,二、大信號基極調(diào)幅電路,44,在調(diào)制過程中，基極電壓隨調(diào)制信號的變化而變化，(調(diào)制信號相當(dāng)于一個緩慢變化的偏壓)使放大器的集電極脈沖電流的最大值icmax和導(dǎo)通角?也按調(diào)制信號的大小而變化。,思路,2.基本工作原理,45,偏壓往正向時，icmax和?增大；使偏壓往反向時，icmax和?減少，使故輸出電壓幅值正好反映調(diào)制信號的波形。,46,基極調(diào)幅波形圖,47,基極調(diào)幅波形圖（圖片版),48,圖5-11基極調(diào)幅調(diào)制特性測試和調(diào)制特性曲線,線性段很小，只在ma很小時可得到較好的線性調(diào)制。,49,1）關(guān)于放大器的工作狀態(tài)。2）放大器的最佳集電極負(fù)載電阻3）晶體管的選擇4）對激勵的要求5）對調(diào)幅放大器的要求6）基極調(diào)幅波的失真波形,3.設(shè)計要求,50,1）關(guān)于放大器的工作狀態(tài),放大器應(yīng)工作于欠壓狀態(tài)為保證放大器工作在欠壓狀態(tài)，設(shè)計時應(yīng)使放大器最大工作點(diǎn)（調(diào)幅波幅值最大處叫最大工作點(diǎn)或調(diào)幅波波峰；反之，調(diào)幅波幅值最小處叫最小工作點(diǎn)或調(diào)幅波波谷）剛剛處于臨界狀態(tài)。,51,設(shè)調(diào)幅系數(shù)ma=1，則最大工作點(diǎn)，電壓幅值為(Ucm)max=Ec-Uces載波狀態(tài)電壓幅值為(Ucm)c=1/2(Ucm)max=1/2(Ec-Uces)2）放大器的最佳集電極負(fù)載電阻,52,3）晶體管的選擇,放大器的工作情況在調(diào)制過程中是變化的，應(yīng)根據(jù)最不利情況選擇晶體管。電流脈沖和槽路電壓都是在最大工作點(diǎn)處最大，故(1)(PC)c——載波狀態(tài)下的管耗。(2)在載波狀態(tài)下，放大器工作于欠壓狀態(tài)，其電壓利用系數(shù)和集電極效率低，管耗很大，所以管子的功率容量應(yīng)按載波狀態(tài)選取。,53,(3)分析,由,可得,而,因?yàn)?所以,54,一般激勵電壓幅度是不變的，但由于基流脈沖大小是隨調(diào)制信號改變的，所以所需功率也在變。激勵電壓可按調(diào)諧功率放大器的方法進(jìn)行初步估算。但在調(diào)整時，應(yīng)以達(dá)到在載波狀態(tài)下的槽路電壓為準(zhǔn)。關(guān)于激勵功率。因?yàn)樽畲蠊ぷ鼽c(diǎn)處的基流脈沖最大，所以應(yīng)根據(jù)該處的基流幅值(Ib1m)max確定激勵功率，即,4）對激勵的要求,55,主要是確定調(diào)制電壓和調(diào)制功率的大小，以及變壓器的等效負(fù)載電阻，以滿足匹配之需要。調(diào)制電壓大，則調(diào)制度加深，但過大則出現(xiàn)過調(diào)失真。在正常情況下，為不造成過調(diào)，讓與大小配合好。,,,,5）對調(diào)幅放大器的要求,56,電流：在ma＝1的情況下，調(diào)制電流的幅值近似等于載波狀態(tài)的直流分量，即調(diào)制功率：等效負(fù)載電阻：,57,由上述可見:基極調(diào)幅電路的優(yōu)點(diǎn)是（1）所需調(diào)制信號功率很?。ㄓ捎诨鶚O調(diào)幅電路基極電流小，消耗功率也?。?（2）調(diào)制信號的放大電路比較簡單。缺點(diǎn)是因其工作在欠壓狀態(tài)，集電極效率低。,58,失真現(xiàn)象有兩種：一種是波谷變平;一種是波腹變平。,6）基極調(diào)幅波的失真波形,由于過調(diào)或激勵電壓過小，造成管子在波谷處截止所致。因此，減少反偏壓的大小或加大激勵電壓的值都可改善過調(diào)，但加大激勵以不引起波腹失真為原則。,59,產(chǎn)生波腹變平的原因,（1）放大器工作在過壓狀態(tài)。(造成過壓原因——激勵過強(qiáng)或阻抗匹配不當(dāng)。)（2）激勵功率不夠或激勵信號源內(nèi)阻過大，造成波腹處的基流脈沖增長不上去。（3）管子在大電流下輸出特性不好，造成波腹處集電極電流脈沖增長不上去。此外，假如調(diào)諧電路失諧，也可造成調(diào)幅波包絡(luò)失真。,60,三、集電極調(diào)幅,圖5-14集電極調(diào)幅電路,62,1）高頻載波信號仍從基極加入，而調(diào)制信號加在集電極。調(diào)制信號與Ec串接在一起，故可將二者合在一起看作一個緩慢變化的綜合電源Ecc。所以，集電極調(diào)制電路就是一個具有緩慢變化電源的調(diào)諧放大器。2）R1C1是基極自給偏壓環(huán)節(jié)。,,,,,,,,,,1.電路特點(diǎn),63,2.基本工作原理,圖5-15集電極調(diào)制波形,64,2.基本工作原理（圖片版）,圖5-15集電極調(diào)制波形,65,集電極調(diào)幅uce、ic、ib、Eb的波形如圖示。1）圖5-15（a）表示綜合電源電壓Ecc及集電極uce的波形。Ecc和諧振回路電壓幅值Ucm都隨調(diào)制信號而變化，Ucm的包絡(luò)線反映了調(diào)制信號的波形變化。,,,,,,,,,,66,2）圖5-15（b）表示脈沖的波形。由于工作在過壓狀態(tài)，ic脈沖波形下凹。Ecc愈小，過壓愈深，脈沖下凹愈甚；Ecc愈大，過壓程度下降。脈沖下凹輕。,,,,,,,,,,67,3）圖5-15（c）表示ib脈沖的波形。它的幅值變化規(guī)律剛好與ic相反，過壓愈深，輸入特性曲線左移愈多，ib脈沖愈大4）圖5-15（d）繪出了Eb的波形。它與Ib0的波形是一致的。,68,集電極調(diào)幅的調(diào)制特性雖比基極調(diào)幅好，但也并不理想，即在Ecc較低時，晶體管進(jìn)入嚴(yán)重過壓狀態(tài)，Ic1m隨Ecc的下降很快。而當(dāng)Ecc很大時，晶體管進(jìn)入欠壓狀態(tài)，Ic1m隨Ecc的增大變化緩慢，從而使調(diào)幅產(chǎn)生失真。,69,為了進(jìn)一步改善調(diào)制特性，可在電路中引入補(bǔ)償措施，補(bǔ)償?shù)脑瓌t是在調(diào)制過程中，隨著綜合電源電壓變化，輸入激勵電壓也作相應(yīng)的變化。例如:綜合電源電壓降低時，激勵電壓幅度也隨之減小，調(diào)幅器不進(jìn)入強(qiáng)過壓區(qū)，而當(dāng)電源電壓提高時，激勵電壓也隨之增大，調(diào)幅器也不進(jìn)入欠壓區(qū)，始終保持在弱過壓——臨界狀態(tài)。這樣不但改善了調(diào)制特性，而且還保持較高的效率。實(shí)現(xiàn)的方法有以下幾種：,如何改善調(diào)制特性？,激勵電壓與Ecc的變化方向一致,70,方法1——采用基極自給偏壓由圖（c）知道，Ib0隨調(diào)制信號而變，它造成的自給偏壓（Ib0R1）也相應(yīng)地變化。當(dāng)Ecc降低時，過壓深度增大,Ib0增大，反偏壓也增大，相當(dāng)于激勵電壓變小，從而使過壓深度減輕。當(dāng)Ecc提高時，則情況相反，放大器也不會進(jìn)入欠壓區(qū)工作。因此，采用基極自給偏壓在一定程度上改善了放大器的調(diào)制特性。,,,,,,,71,方法2——采用雙重集電極調(diào)幅,圖5-17雙重集電極調(diào)幅,72,調(diào)制信號同時對兩級調(diào)幅器進(jìn)行集電極調(diào)制，調(diào)幅器（Ⅰ）的輸出作為調(diào)幅器（Ⅱ）的激勵信號。當(dāng)調(diào)幅器（Ⅱ）受調(diào)制信號控制集電極電源電壓升高時，它的激勵信號也在增大；反之，調(diào)幅器（Ⅱ）電源電壓降低，激勵也相應(yīng)減小，達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康?，使調(diào)特性得到改善。適當(dāng)控制激勵極的調(diào)制深度，可使總的調(diào)制特性接近線性。因?yàn)檫@種調(diào)制方式調(diào)制信號源同時控制兩個調(diào)幅器，所以它必須能給出足夠的輸出功率。,雙重集電極調(diào)幅工作原理,73,3.設(shè)計要點(diǎn),1)放大器的工作狀態(tài)。2)選管子3）對激勵的要求4）對調(diào)制信號的要求5）對輸出LC回路的通頻帶和品質(zhì)因數(shù)Q要求,74,最大工作點(diǎn)應(yīng)設(shè)計在臨界狀態(tài)，那么便可保證其余時間都處于過壓狀態(tài)。,,,,,1）放大器的工作狀態(tài),75,（1）管子電流的ICM應(yīng)根據(jù)最大工作點(diǎn)電流脈沖幅值來定，即式中(Icmax)max是最大工作點(diǎn)電流脈沖ic最大值。（2）管子耐壓應(yīng)根據(jù)最大集電極電壓來定。集電極電壓是綜合電源電壓和高頻電壓之和。在最大工作點(diǎn)處，Ecc可接近2Ec，集電極瞬時電壓最大值約為4Ec，故BVceo>4Ec,,,,,2）選管子,76,圖5-18集電極瞬時電壓波形,77,（3）管子最大集電極容許損耗集電極平均耗損功率為設(shè)ma=1時，,,,,,,,,,,,,,78,3）對激勵的要求,在過壓狀態(tài)下，激勵是有余量的，余量最小瞬間是在最大工作點(diǎn)。為保證放大器工作在過壓狀態(tài)，激勵的強(qiáng)度（電壓、功率）應(yīng)滿足最大工作點(diǎn)（且ma=1)工作在臨界狀態(tài)。如激勵不足，在Ecc較高的時間內(nèi)，放大器將進(jìn)入欠壓狀態(tài)，這時uce幅值將不隨Ecc變化，從而造成調(diào)幅波包絡(luò)線腹部變平。,,,,,79,,,,,原因：工作在欠壓,80,4）對調(diào)制信號的要求,（1）為了獲得ma=1的深度調(diào)制，調(diào)制電壓應(yīng)接近Ec即再大，則產(chǎn)生過調(diào)失真。,,,,,過調(diào)失真的波形,81,當(dāng)為負(fù)，且其值大于Ec時，綜合電源電壓（Ec+）為負(fù)值，即其極性與正常工作時相反。此時，當(dāng)基極電位為正時，集電結(jié)（b-c）處于正向狀態(tài)，原來的集電極實(shí)際上變成了“發(fā)射極”，產(chǎn)生“發(fā)射極”電流（此電流與原來的集電極電流方向相反），然后通過槽路而造成過調(diào)情況下的電壓輸出。,,,82,（2）調(diào)制功率計算,當(dāng)ma=1時，它是調(diào)制信號源供給的，當(dāng)ma=1時，它等于直流電源供給功率的一半。非常明顯，它比基極調(diào)幅需要的調(diào)制功率大得多，這是集電極調(diào)幅的缺點(diǎn)。（3）調(diào)制變壓器的等效負(fù)載,,,,,83,5）對輸出LC回路的通頻帶和品質(zhì)因數(shù)Q要求,輸出回路的通頻帶不小于所以回路品質(zhì)因數(shù)必須滿足：式中，F(xiàn)max是調(diào)制信號的最高頻率。為了濾除其他因非線性應(yīng)用所產(chǎn)生的諧波，要求Q較高。因此傳送信號的頻譜2Fmax越寬，所需載波頻率fc也越高。,,,,,,84,大信號基極調(diào)幅與集電極調(diào)幅比較,,,,