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1、通信系统的基本概念和模型,模拟通信系统框图,1 信息源：需传送的原始信息,2 输入变换器：将发信者提供的非电量消息变换为电信号,3 发送设备：主要有两大任务：调制、放大,4 信道：是连接发、收两端的信号通道，又称传输媒介。,5 接收设备：是从已调信号中恢复出发送端相一致的基带信号,6 输出变换器：将输出的基带信号变换成原来形式的消息,1.3 通信信号传输模型,5.1 数学模型及性能指标概述5.2 低电平和高电平调幅电路5.3 数字信号调幅5.4 集成电路芯片系统设计,第5章 振幅调制,学习要求,掌握调制的作用。掌握调幅信号的定义、表示式、波形、频谱等基本特征。掌握典型的幅度调制电路的结构、工作
2、原理、分析方法和性能特点。掌握采用集成幅度调制芯片完成通信系统调制模块设计、分析、测试的方法。了解数字调幅的基本概念、典型方法和实现电路。,(1)调制：用调制信号去控制载波信号的某一个参量的过程。,定义：,信号,载波信号：（等幅）高频振荡信号,正弦波,方波,三角波,锯齿波,调制信号：需要传输的信号（原始信号）,语言,图像,密码,已调信号（已调波）：经过调制后的高频信号（射频信号）,(2)解调：调制的逆过程，即从已调波中恢复原调制信号的过程。,5.1 数学模型概述及性能指标,（7）振幅调制分三种方式：,（5）相位调制：由调制信号控制载波相位，使已调波的相位随调 制信号线性变化。,（6）解调方式：
3、,（4）频率调制：由调制信号控制载波频率，使已调波的频率随调 制信号线性变化。,（3）振幅调制：由调制信号去控制载波振幅，使已调信号的振 幅随调制信号线性变化。,振幅检波 振幅调制的逆过程鉴 频 频率调制的逆过程鉴 相 相位调制的逆过程,普通调幅（AM）抑制载波的双边带调幅（DSB）单边带调幅（SSB）,设：载波信号：uc(t)=Ucmcosct,则：调幅信号(已调波)为：uAM(t)=Um(t)cosct,由于调幅信号的振幅与调制信号成线性关系，即有：,ka：比例常数,即：,ma为调制度，,常用百分比数表示。,1.AM调幅波的数学表达式,一般实际传送的调制信号并非单一频率的信号，常为一个连续
4、频谱的带限信号 f(t)。,则：,调制信号：u(t)=Ucost,则有,2.调幅信号波形,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;(2)调幅度ma反映了调幅的强弱程度。可以看出：,一般ma值越大调幅越深：,（1）由单一频率信号调幅,可见：调幅波并不是一个简单的正弦波，包含有三个频率分量：,3.调幅波的频谱,载 波 分 量(c)：不含传输信息上变频分量(c+)：含传输信息上变频分量(c-)：含传输信息,同样有三部分频率成份,(2)限带信号的调幅波,载 波 分 量(c)：不含传输信息上变频分量(c+n)：含传输信息上变频分量(c-n)：含传输信息,由于：,4.AM信号的产生
5、原理框图,So:要完成AM调制，其核心部分是实现调制信号与载波相乘。,(2)上、下边带的平均功率：,(3)在调制信号一周期内，调幅信号输出的平均总功率：,(4)边带功率，载波功率与平均功率之间的关系：,(1)R上消耗的载波功率：,5.调制波的功率,设调幅波传输信号至负载电阻R上，那么调幅波各分量功率为：,分析：有用信息只携带在边频带内，而载波本身并不携带信息，但它的功率却占了整个调幅波功率的绝大部分，因而调幅波的功率浪费大，效率低。如当100%调制时(ma=1)，双边带功率为载波功率的1/2，只占用了调幅波功率的1/3。但AM波调制方便，解调方便，便于接收。,在AM调制过程中，如果将载波分量抑
6、制就形成抑制载波的双边带信号，简称双边带信号，它可以用载波和调制信号直接相乘得到，即：,若调制信号为单一频率信号：,若调制信号为限带信号：,6.抑制载波双边带（double side band，DSB）调幅信号,（1）数学表达式,（2）波形与频谱,(1)DSB信号的包络随调制信号 变化，但不完全准确。,(2)DSB信号载波的相位反映了调制信号的极性，即在调制信号负半周时，已调波高频与原载波反相。因此严格地说，DSB信号已非单纯的振幅调制信号，而是既调幅又调相的信号。高频振荡的相位在f(t)=0瞬间有180o突变。,(3)DSB波的频谱成份中抑制了载波分量，全部功率为边带占有，功率利用率高于AM
7、波。,(4)占用频带,单边带(SSB)信号：由双边带调幅信号中取出其中的任一个边带部分，即可成为单边带调幅信号。其单频调制时表示式为：,上边带信号：,下边带信号：,7.单边带(single side band，SSB)信号,为节约频带，提高系统功率和带宽效率，常采用单边带调制系统。,单音调制的SSB信号波形,8.振幅调制电路的功能,分析：三种信号都有一个调制信号和载波的乘积项，所以振幅调制电路的实现是以乘法器为核心的线性频谱搬移电路。,输入：调制信号和载波信号输出：调幅信号,例1 已知调幅信号的频谱如图所示，试写出其数学表达式。,高电平调制：功放和调制同时进行，一般在大信号下工作，要兼顾输出功
8、率、效率和调制线性的要求。主要用于AM信号。,低电平调制：先调制后功放，调制低功率在下进行，输出功率、效率不是主要技术指标；提高调制线性，减小不需要的分量的产生和提高滤波性能。主要用于DSB、SSB以及FM信号。,9.振幅调制电路的分类,10.振幅调制电路的基本组成原理,一般，振幅调制电路由输入回路、非线性器件和带通滤波器三部分组成。,具有平方率特性的二极管调幅电路,集成模拟乘法器调幅电路,输入回路：将载波信号和调制信号直接耦合或相加后直接加到非线性器件上。,非线性器件（二极管、三极管、乘法器）：产生新的频率。,带通滤波器：取出调幅波的频率成分，抑制不需要的频率成分。,u2正半周：D导通u2负
9、半周：D截止,周期方波开关函数,5.2 低电平调幅电路,0.开关函数,id 的频谱成份：,设:,且:,回路电流:,而:,id 的频谱成份：,1.单二极管开关状态调幅电路（产生AM信号）,如果选频回路工作在c 处，且带宽为B=2。,而谐振时的负载电阻为RL，则输出电压为uL(t)。,为一个AM信号,上半部分与下半部分电路对称,(1)电路结构：,2.二极管平衡调幅电路,(2)工作原理分析：设：,而,i 的频谱成份：,二极管平衡调制器波形,在平衡电路的基础上，增加两个二极管D3、D4使电路中四个二极管首尾相接。T1的初次级匝数比为1:2，T2为2:1，T3为1:1。,构成环形，,设：,3.二极管环形
10、调幅电路（实现DSB信号）,则有,+uL-,当,当,而其中：,那么在一个周期内平衡电路I，II在负载RL上产生的电流为：,i 的频率成份：只有组合频率,性能更接近理想乘法器。,总结：,这种调制是在高频功率放大器中进行的，通常分为：,AM信号大都用于无线电广播，因此多用高电平调制。,5.3 高电平调幅电路,基极调幅(Base AM),集电极调幅电路(Collector AM),Cb为高频旁路电容；Cc对高频旁路，对低频调制信号呈高阻抗；Rb为基极自给偏压电阻。放大器工作在丙类状态，集电极电路中除直流电压VCT外，还串有调制信号：,集电极有效动态电源为：,+uc-,+u-,+uo-,+VCT,VC
11、C,1.集电极调幅电路,过压,欠压,*波形分析,1.综合供电电压越低，饱和越深，过压越严重，uces也越小；2.ic的波形：ic波形下凹，过压越深，下凹越严重；当 达到最高点时，达到临界。,*问题：VcT 时，进入严重过压，Ic1m VcT 时，进入欠压，Ic1m 变化缓慢。,调制特性不理想,载波状态时,调幅波峰时,调制信号一个周期内：,C1、C3 为高频旁路电容C2 为低频旁路电容,特点：基极调幅电路的调幅效率较低，输出波形较差，但所要求基极输入调制信号的功率较小。,2.基极调幅电路,uBEmax,过压,欠压,载波状态时:,调幅波峰时:,调制信号一个周期内：,基极调幅优点：对调制信号只要求很
12、小的功率，电路简单，有利于整机的小型化。基极调幅缺点：因工作在欠压状态，电压利用系数和集电极效率较低，管耗很大。,若：,上边带信号,5.4 单边带调幅信号的实现,(1)滤波法 由DSB信号经过边带滤波器滤除了一个边带而形成。,三种基本的电路实现：滤波法、相移法和移相滤波法。,下边带信号,由三角公式：,(2)相移法,将三角公式实现的电路如下图：,优点：省去了边带滤波器，但要把无用边带完全抑制掉，必须满足下列两个条件:(1)两个调制器输出的振幅应完全相同；(2)移相网络必须对载频及调制信号均保证精确的/2相移。,移相滤波法是将移相和滤波两种方法相结合，且只需对某一固定的单频率信号移相900，回避了
13、难以在宽带内准确移相900的缺点。,(3)移相滤波法,移相滤波法实现单边带调幅的电路框图,u=sint,u1=sint sin 1t,u2=sint cos 1t,u3=cos(1-)t,u4=sin(1-)t,u5=cos(1-)t sin ct,u 6=sin(1-)t cos ct,u5+u 6,u5-u 6,相加器输出电压：u SSBL=u 5+u 6=sin(c+1)-t=sin c1-t,相减器输出电压：u SSBU=u 5-u 6=sin(c-1)+t=sin c2+t,一、什么是数字信号调幅？,二、数字信号调幅的基本原理,将,通过基带信号形成器转换成单极性基带矩形序列s(t),
14、式中，g(t)为持续时间为,的矩形脉冲。,调制信号为数字信号，对载波信号进行振幅调制称为数字信号调幅，也称为幅度键控（ASK）。二进制数字振幅键控通常称为2ASK。,设二进制数字 为数字序列,1、数字基带信号s(t),5.5 数字信号调幅,图5-22 2ASK波形图,图5-21 数字线性调幅原理,设模拟乘法器输出电压 u=KMu1u2，将数字基带信号s(t)和载波信号uc(t)=Ucmcosct作为输入，经相乘得:,u(t)是数字信号。,2、基本原理,三、实现电路,图5-23 乘法器实现法,特点：数字基带信号s(t)加在5、6端。载波信号加在1、2端（注意与模拟信号调幅不同）。工作原理：当s(
15、t)为“1”时，D1、D2导通，D3、D4截止，3、4端有载波信号输出。当s(t)为“0”时，D1、D2截止，D3、D4也截止，3、4端输出为零。此电路相当于s(t)与载波信号相乘的作用。s(t)为二进制基带信号时，输出为2ASK信号。,1、乘法器实现法,可以利用模拟乘法器和环形调制器来现数字信号调幅。,图5-24 键控法,用一个电键控载波振荡器的输出可以获得2ASK信号。图5-24所示是这种方法的原理框图。,2、键控法,4.6 模拟相乘器及基本单元电路,等各种技术领域。,模拟乘法器可应用于：,模拟相乘器的基本概念：,具有两个输入端（常称X输入和Y输入）和一个输出端（常称Z输出），是一个三端口
16、网络，电路符号如图所示。,ux,uy,uz,理想乘法器：,uz(t)=kux(t)uy(t),或 Z=kXY,一、乘法器的工作象限,乘法器有四个工作区域，可由它的两个输入电压的极性确定。,输入电压可能有四种极性组合：,两个输入信号只能为单极性信号的乘法器为“单象限乘法器”；一个输入信号适应两种极性，而一个只能是一种单极性的乘法器为“二象限乘法器”；两个输入信号都能适应正、负两种极性的乘法器为“四象限乘法器”。,二、理想乘法器的基本性质,1、乘法器的静态特性,（1）,（3）当X=Y或X=-Y，Z=KX2或Z=-KX2，,输出与输入是平方律特性（非线性）。,2、乘法器的线性和非线性,理想乘法器属于
17、非线性器件还是线性器件取决于两个输入电压的性质。,当X或Y为一恒定直流电压时，Z=KCY=KY，乘法器为一个线性交流放大器。,当X和Y均不定时，乘法器属于非线性器件。,（2）当X=C（常数），Z=KCY=KY，,Z与Y成正比（线性关系）,基本电路结构,是一个恒流源差分放大电路，不同之处在于恒流源管VT3的基极输入了信号uy(t)，即恒流源电流Io受uy(t)控制。,三、模拟相乘器的基本单元电路,1、二象限变跨导模拟相乘器,ube1,ube2,ube3,由图可知：ux=ube1-ube2,根据晶体三极管特性，VT1、VT2集电极电流为：,VT3的集电极电流可表示为：,可得：,同理可得：,式中，为
18、双曲正切函数。,差分输出电流io为:,可以看出，当ux 2UT 时，,ic1、ic2与 近似成线性关系。,可近似为:,uo,恒流源电流Io为:（uy0）,输出电压uo为:,由于uy控制了差分电路的跨导gm，使输出uo中含有uxuy相乘项，故称为变跨导乘法器。,变跨导乘法器输出电压uo中存在非相乘项，而且要求uyube3，只能实现二象限相乘。,差分放大电路的跨导gm为:,基本电路结构,VT1，VT2，VT3，VT4为双平衡的差分对，VT5，VT6差分对分别作为VT1，VT2和VT3，VT4双差分对的射极恒流源。,四、吉尔伯特（Gilbert）乘法器,1、Gilbert乘法单元电路,是一种四象限乘
19、法器，也是大多数集成乘法器的基础电路。,工作原理分析,根据差分电路的工作原理：,又因输出电压：,+ux-,+uy-,+uo-,当输入为小信号并满足：,而标度因子,分析：只有当输入信号较小时，具有较理想的相乘作用，ux，uy 均可取正、负两极性，故为四象限乘法器电路，但因其线性范围小，不能满足实际应用的需要。,2、具有射极负反馈电阻的Gilbert乘法器,使用射极负反馈电路Ry，可扩展uy的线性范围，Ry取值应远大于晶体管T5,T6 的发射极电阻，即有,当加入信号uy时，流过Ry的电流为：,+ux-,+uo-,有,+uy-,如果ux2UT=52mV时，,+uy-,3、线性化Gilbert乘法器电
20、路,具有射极负反馈电阻的双平衡Gilbert乘法器，尽管扩大了对输入信号uy的线性动态范围，但对输入信号ux的线性动态范围仍较小，在此基础上需作进一步改进，下图为改进后的线性双平衡模拟乘法器的原理电路，其中VD1，VD2，VT7，VT8 构成一个反双曲线正切函数电路。,ux,ux,uy,uo,工作原理分析：,VT7，VT8，Rx，Iox构成线性电压电流变换器。,有,uo,而 为二极管D1与D2上的电压差，即:,利用数学关系：，则上式可写成：,（1）代入（2）可得：,其中标度因子：,可见大大扩展了电路对ux和uy的线性动态范围，改变电阻Rx或Iox可很方便地改变相乘器的增益。,+UD1-,+UD
21、2-,五、单片集成模拟乘法器及其典型应用,1.MC1496/MC1596及其应用,ux,uy,1、内部电路结构,与具有射极负反馈的双平衡Gilbert 相乘器单元电路比较，电路基本相同，仅恒流源用晶体管VT7，VT8代替，二极 管VD与500 电阻构成VT7，VT8的偏置电路。,反偏电阻Ry外接在引脚、两端，可展宽uy输入信号的动态范围，并可调整标度因子K。,2、外接元件参数的计算,+uy-,负反馈电阻Ry,且应满足|iy|Ioy,若选择Ioy=1mA，Uym=1V（峰值）,当 时，,负载电阻Rc,引脚、端的静态电压：,U6=U9=Ec-IoyRc，若选U6=U9=8V，Ec=12V，,则有：
22、，,标称值为3.9。,偏置电阻R10,U6,U9,2.MC1495/MC1595（BG314）及其应用（*）,1、内部电路结构,vx+,+vy,内部电路如图所示，由线性化双平衡Gilbert乘法器单元电路组成。,输入差分对由T5，T6，T7，T8和T11，T12，T13，T14的达林顿复合管构成，以提高放大管增益及输入阻抗。,负反馈电阻RY，Rx，负载电阻Rc，恒流偏置电阻R3及RW5，R13及R1均采用外接元件。,vo,2、外围元件设计计算,如果设计一个上图所示的乘法器电路，并要求：,输入信号范围为：,输出电压范围为：,由以上的要求可知，乘法器的增益系数,负电源的-VEE的选取,负电源应能确
23、保输入信号Vx，Vy为最大负值时，电路仍能正常工作，以Vy输入端为例：,当|Vy|=|Vym|=10V时，,由右图的等效电路可以看出：,VBE5,VBE6,VCE9,VRe9,若T5，T6，T9正常工作，,且设VBE5=VBE6=0.7V，,VCE9+VRE92V（以保持T9工作于线性区）,则,故可取-VEE=-15V,偏置电阻R3，R13的计算,恒流源偏置电阻R3，R13应保证能提供合适的恒流电流，使三极管工作在特性曲线良好的指数律部分，恒流源电流一般取0.52mA之间的电流值，现若取Iox=Ioy=1mA，,以引脚为例，设VD3=VD4=0.7V，如右图的等效电路可,同理可求出R13=13
24、.8，一般R3采用10 固定电阻和6.8 电位器的串联，以便通过调Iox来控制增益参数K。,+vx-,负反馈电阻Rx和Ry的计算,如右图所示电路可得：,同理可得：,负载电阻Rc,由于增益系数：,电阻R1,取引脚的电压为+9V，则,V1,3、失调误差电压及其调整,实际乘法器电路由于工艺技术、元器件特性的不对称，不可能实现理想相乘，会引入乘积误差，若设乘法器工作在直流输入时，输出电压可表示为：,其中：K：增益系数误差，可通过IR3的调整使其误差值达最小值；,XIO：乘法器X通道输入对管不对称引起的输入失调电压；,YIO：乘法器Y通道输入对管不对称引起的输入失调电压；,Zos：负载不匹配引起的输出失
25、调电压。,输出失调误差电压Zoo,定义：当X=Y=0时的输出电压称为输出失调误差电压Zoo。,Zoo=KXIOYIO+Zos，忽略了二阶小量项（KXIO，KYIO）。,输出失调误差电压Zoo，可借助外电路予以调零，以补偿输出失调电压，下图给出两种输出失调调零电路。,图（a）通过调节电位器Wz，调整乘法器输出端集电极负载电阻，实现输出失调电压的调零。,输出失调误差电压Zoo,图（b）利用电位器Wz调节A的负相端电位来实现失调误差电压的调零。,输出失调误差电压Zoo,X（或Y）馈通误差电压KYIOX（或KXIOY）,实际乘法器中当一个输入端接地，另一输入端加入信号电压时，其输出往往不为零，这个输出
26、电压称为线性馈通误差电压。,它是由于输入接地端存在输入失调电压而引起的，线性馈通误差电压可通过输入端的外接补偿网络来进行调零，线性馈通误差电压调零电路如下图所示。,同理，可借助调节输入失调电位器Rwy引入一补偿电压（引脚12对地电压），使输出电压为零，使Zoy调零。,当输入电压X=0时，乘法器在输入电压Y的作用下，输出电压Z|x=0=KYXIO，借助调节输入失调电位器Rwx引入一个补偿电压（即引脚对地直流电压），使输出电压为零。,4、乘法器的调整步骤：,乘法器在使用前应仔细调整，才能使电路具有良好的性能。,（1）线性馈通误差电压调零,电位器Wz，Rwx，Rwy先置于中间位置：,X输入端脚接地，
27、从Y 输入端脚输入频率为15KHZ，幅度为1Vpp的正弦波，调节Rwx，脚会产生附加补偿电压，从而使Vo=0；然后脚接地，脚输入同样的正弦信号，调节Rwy，11脚会产生附加补偿电压，使Vo=0。,（2）输出失调误差电压调零,、脚均短接到地，调节Wk值，使Vo=0，反复上述两步骤，直到上述三种情况下，Vo均为零，或最小值。,（3）增益系数K的调整,、脚均加入5V直流电压，调Wk值，改变Iox，使Vo=+2.5V。、引脚改接-5V直流电压，若此时Vo=2.5V，则调整结束。如Vo2.5V,则应重复步骤（1）（3）直到精度最高为止。,集成模拟乘法器调幅电路,电路简单，性能优越且稳定，调整方便，利于设
28、备的小型化。,1）MC1596构成的调幅电路,X通道两输入端8脚和7脚直流电位相同，Y通道两输入端1脚和4脚之间接有调零电路。,可通过调节电位器RW，使1脚电位比4脚高Uo，相当于在1、4脚之间加了一个直流电压Uo，以产生普通调幅波。,实际应用中，高频载波电压uc加到X输入端口，调制信号电压u及直流电压Uo加到Y输入端口，从6脚单端输出AM信号。,2)BG314构成的调幅电路,ux,uy,uo,8脚附加补偿调零电压UXIS，12脚除附加补偿零电压UYIS。,ux=uc=Ucmcosct,uy=u-(-Uo)=Uo+Umcost,若2、14脚两端外接LC谐振回路的等效谐振电阻为RL，则2(或14)脚与地之间的负载为 RL,由式(4-50)可推出变压器次级回路输出的调幅波电压为：,如果uy=u=Umcost,
