二极管包络检波PPT课件.ppt

上节内容回顾与扩展1几种调幅波的特点与实现方法上节内容回顾与扩展1.普通调幅AM普通调幅波是由调制信号叠加直流分量，再与载波的乘积组成的。从原理上看，只要能实现这样的关系即可。其原理图如图。普通调幅用于无线电广播。这是为了简化接收机电路，因为普通调幅的解调电路既简单成本又低，因而可以降低接收机的成本。给广大听众带来便利。BPF2UAMCUCU下边频上边频C-C C+tuAMtuAM1.普通调幅AM几种调幅波的特点与实现方法几种调幅波的特点与实现方法上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展Ma13几种调幅波的特点与实现方法几种调幅波的特点与实现方法上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展2.抑制载波的双边带调幅（DSB调幅）DSB调幅是在调幅电路中抑制掉载频只输出上下边频（边带）。其数学表达式为与普通调幅相比，其带宽也为2。由于DSB调幅不含载频，将有效的功率全部用到边频（边带）功率的传输上，因而大大减小功率浪费。在调制信号的负半周，已调波高频与载波反相。在调制信号的正半周，已调波高频与载波同相。即已调波在调制信号过零处有180。突变。其波形如下页图。4几种调幅波的特点与实现方法几种调幅波的特点与实现方法上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展2.抑制载波的双边带调幅（DSB调幅）5几种调幅波的特点与实现方法几种调幅波的特点与实现方法上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展3.抑制载波的单边带调幅（SSB调幅）单边带调幅的特点是已调波中只含一个边频（边带）不含载频及另一个边频（边带）。其数学表达式只要将DSB调幅表达式中的一个边频去掉即可。为其特点是与前两种调幅波相比，带宽减半提高了信道利用率。同时由于不发送载波仅发送一个边带，因而更节省功率。此外，其波形也大不同于前两种调幅。由数学模型可见，SSB调幅波的波形为等幅波，信息包含在相位中。6用模拟乘法器实现调幅。lSSB?1、滤波法缺点：需要高矩形系数滤波器，有时用晶体滤波器。几种调幅波的特点与实现方法几种调幅波的特点与实现方法上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展一般需采用逐级滤波法！7上、下边带之间的频率间距等于调制信号最低频率Fmin的2倍，故滤波时相对带宽2Fmin/fc要很小，这样的滤波器制作很困难。几种调幅波的特点与实现方法几种调幅波的特点与实现方法上节内容回顾与扩展8在实际应用中是适当降低第一次调制的载波频率，这就增大了边带滤波器的相对带宽使滤波器便于制作。然后再经过多次平衡调幅（DSB）和滤波逐步把载频提高到要求的数值如下图所示。几种调幅波的特点与实现方法几种调幅波的特点与实现方法上节内容回顾与扩展1、逐级滤波法产生SSB信号92、移相法缺点：Fmax/Fmin很大，则在很宽的频率范围内移相90 也极困难。几种调幅波的特点与实现方法几种调幅波的特点与实现方法上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展用模拟乘法器实现调幅。SSB?10用模拟乘法器实现调幅。lSSB?3、修正移相法f(t)V1COSw1tCOS(w1-)tSin(w1-)t优点：避免了对f(t)的90 移相，仅对单频率 1，2移相(1，2是固定频点)。几种调幅波的特点与实现方法几种调幅波的特点与实现方法上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展11电压电压表达式表达式普通调幅波普通调幅波载波被抑制双边带调幅波载波被抑制双边带调幅波单边带信号单边带信号波形图波形图频谱图频谱图信号信号带宽带宽三种振幅调制信号几种调幅波的特点与实现方法几种调幅波的特点与实现方法上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展124.残留边带调幅（VSB调幅）VestigialSidebandVSB调幅的特点是调幅波中包含一个完整的边带、载波及另一个边带的一部分。该调幅不是对一个边带完全抑制，而是使它逐渐截止，截止特性使传输边带在载频附近被抑制的部分被不需要边带的残留部分精确地补偿。VSB调幅可以用普通调幅的解调电路进行解调。这样，即节省了频带又降低了接收机的成本，为数众多的接收机持有者提供了便利。残留边带的获得原理如下页图所示。几种调幅波的特点与实现方法上节内容回顾与扩展13几种调幅波的特点与实现方法上节内容回顾与扩展4.残留边带调幅（VSB调幅）VestigialSideband普通调幅带通滤波器为减少带宽又使解调方式简单，电视图像信号采用残留边带调幅方式，我国采用的残留边带调幅的幅频特性如图1所示。即00.75MHz的图像信号采用双边带传送，（0.756）MHz的图像信号采用单边带传送。接收机中频特性采用了具有图2所示的幅频特性曲线。14几种调幅波的特点与实现方法上节内容回顾与扩展4.残留边带调幅的频谱15实现调幅波的电路实现调幅波的电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展调幅电路的种类很多，有分立、集成调幅电路；有低电平、高电平调幅电路；有普通调幅、有其它调幅电路；虽然电路形式各异，但原理是相同的，都是采用非线性器件产生新的频率成分，再加相应的滤波器得到相应的频率成分。另外，高电平调幅电路在调幅的同时具有功率增益。具体调幅电路（二）、高电平调幅电路 基极调幅电路集电极调幅电路（一）、低电平调幅电路模拟乘法器调幅电路平方律调幅斩波调幅16这里将调制信号v与载波信号v0相加后，同时加入非线性器件，然后通过中心频率为0的带通滤波器取出输出电压vo中的调幅波成分。非线性调幅方框图非线性调幅方框图平方律调幅电路平方律调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展170平方律调幅电路平方律调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展可实现AM波！场效应管具有典型的平方律特性，可用平方律一般特性描述。18如果要获得抑制载波的双边带信号，观察输出电流表示式总的输出电流总的输出电压平方律平衡调幅电路平方律平衡调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展190平衡调幅电路平衡调幅电路如果要获得抑制载波的双边带信号，观察输出电流表示式总的输出电流总的输出电压平方律平衡调幅电路平方律平衡调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展可实现DSB波！20场效应管具有典型的平方律特性，可用平方律一般特性描述。平衡调幅电路平方律平衡调幅电路平方律平衡调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展21二极管平方律调幅电路二极管平方律调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展如果静态工作点和输入信号变换范围选择合适，非线性器件工作在满足平方律的区段。22斩波调幅电路斩波调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展大载波，小调制！大载波，小调制！23斩波调幅器方框图斩波调幅器方框图斩波调幅电路斩波调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展大载波，小调制！大载波，小调制！24斩波调幅器工作图解斩波调幅器工作图解斩波调幅电路斩波调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展大载波，小调制！大载波，小调制！25平衡斩波调幅及其图解平衡斩波调幅及其图解斩波调幅电路斩波调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展26斩波调幅电路斩波调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展大载波，小调制！大载波，小调制！27斩波调幅电路斩波调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展可实现DSB波！大载波，小调制！大载波，小调制！比二极管平方律调幅的输出减少许多组合频率分量！28平衡斩波调幅电路平衡斩波调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展可实现DSB波！大载波，小调制！大载波，小调制！当载波电压uc足够大时，即UcmUm，这时可以认为二极管工作在受uc控制的开关状态。在uc0时导通、在uc0时截止图中rd为二极管导通时的电阻，而开关S的作用可用单向开关函数S(t)来表示输出电压输出电压uo(t)也可以写成，也可以写成，uo(t)2S1(t)29平衡斩波调幅电路平衡斩波调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展单向开关！大载波，小调制！大载波，小调制！30双向斩波调幅电路双向斩波调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展可实现DSB波！31为提高调幅信号的幅度，还可采用双向斩波。双向开关函数双向斩波调幅电路双向斩波调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展32双向开关函数双向斩波调幅电路双向斩波调幅电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展+-+-大载波，小调制！大载波，小调制！（1）uc(t)正半周时，V1和V2导通，V3和V4截止，V（t)=2f(t)；uc(t)负半周时，V1和V2截止，V3和V4导通，V0（t)=-2f(t)。即输出电压为2f(t）uc(t)0uo(t)-2f(t）uc(t)0uo(t)2S*(t)二极管环形斩波调幅电路334.3.4振幅调制波的解调模型及电路l1振幅波的解调模型解调是调制的逆过程。从频谱搬移的角度看，解调是频谱从高频端搬到基带的过程，普通振幅波的解调常常称为检波。34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，只适用于AM信号，何种电路同时也可以解调DSB信号？输入AM信号检出包络信息4.3.4振幅调制波的解调模型及电路35三极管检波器普通振幅波中包含载波分量，可以直接利用非线性器件的作用进行解调，不需额外加入提供载波的电路。36同步检波器用于对载波被抑制的双边带或单边带信号进行解调。它的特点是必须外加一个频率和相位都与被抑制的载波相同的信号。同步检波的名称即由此而来。(a(a）同步检波器方框图同步检波器方框图同步检波电路37载波信号相位对检波结果的影响1.乘积检波器乘积检波电路低通滤波器 v1Viv0乘积检波器同步检波电路38 输入双边带信号时乘积检波器输入双边带信号时乘积检波器的有关波形和频谱的有关波形和频谱同步检波电路39本地载波与输入信号载波相位相同而频率不同对检波结果的影响p本地载波与输入信号载波频率相同而相位不同对检波结果的影响同步检波电路404.3.4振幅调制波的解调模型及电路二极管包络检波器的工作原理它由二极管与RLC并联构成的低通滤波器构成。D:检波二极管，结电容小，反向电流小。可选择点接触二极管，肖特基二极管。RL:负载电阻，数值较大，低频电流流过时产生低频电压。C:负载电容，高频短路和滤波。条件：条件：41VDCC+vWRL+充电放电iDvi串联型二极管包络检波器二极管包络检波器的工作原理ViVcV42电压传输系数（检波效率）、输入电阻和失真。1)电压传输系数(检波效率)定义：二极管包络检波器的指标43二极管包络检波器的指标l二极管工作在大信号，其特性用通过原点的折线代表(忽略导通电压)，折线的斜率为gd。这样假设后，可用折线近似分析法来分析二极管包络检波器。二极管包络检波器的近似分析44二极管包络检波器的指标二极管包络检波器的近似分析条件：条件：折线近似分析法折线的斜率为值很小！45波形分解系数级数分解二极管包络检波器的近似分析二极管包络检波器的近似分析46二极管包络检波器的近似分析二极管包络检波器的近似分析47二极管包络检波器的近似分析二极管包络检波器的近似分析等幅波输入时大信号包络检波器的效率输入为等幅波时：定值与成线性关系称为线性检波481)电压传输系数(检波效率)vDi D-vCVim用分析高频功放的折线近似分析法可以证明其中，是二极管电流通角，为检波器负载电阻，d为检波器内阻。二极管包络检波器的指标492)等效输入电阻考虑到包络检波电路一般作为谐振回路的负载，它将影响回路选频特性（Q），下面分析其等效输入电阻其中，Vim是输入高频电压振幅，Iim是输入高频电流振幅。二极管包络检波器的指标流过二极管的电流是窄脉冲序列，它的级数展开式近似表示为：检波器的输入电阻利用功率等效可证明！502)等效输入电阻二极管包络检波器的指标认为在几个高频周期内为恒定值直流分量解出来的是调制信号分量振幅值如果输入是调幅波，513)失真产生的失真主要有：惰性失真；负峰切割失真；非线性失真；频率失真。如果检波电路的时间常数RC太大，当调幅波包络朝较低值变化时，电容上的电荷来不及释放以跟踪其变化，所造成的失真称作惰性失真。惰性失真(对角线切割失真)二极管包络检波器的指标52惰性失真(对角线切割失真)调幅波包络如图所示，在某一点，如果电容两端电压的放电速度小于包络的下降速度，就可能发生惰性失真。包络变化率电容放电二极管包络检波器的指标53惰性失真(对角线切割失真)放电速率放电速率假定此时假定此时调幅波包络调幅波包络包络变化率包络变化率电容放电电容放电为避免失真为避免失真二极管包络检波器的指标54惰性失真(对角线切割失真)实际上，调幅波往往是由多个频率成分组成，即=minmax。为了保证不产生失真，必须满足二极管包络检波器的指标如则不产生隋性失真的条件为：55考虑了耦合电容考虑了耦合电容C Cc c和低放和低放输入电阻输入电阻R RL L后的检波电路后的检波电路负峰切割失真(底边切割失真)隔直电容Cc数值很大，可认为它对调制频率交流短路，电路达到 稳 态时，其 两端电 压VCVim。失真最可能在包络的负半周发生。假定二极管截止，Cc将通过R和RL缓慢放电，相对于高频载波一个周期内，其电压VCVim将在R和RL上分压。直流负载电阻R上的电压为二极管包络检波器的指标调幅波的最小幅度为UC(1-m)，要避免底部切削失真，应满足56负峰切割失真(底边切割失真)V i m（1-m）V i mV RV RV RV RV RV R二极管包络检波器的指标考虑了耦合电容考虑了耦合电容C Cc c和低放和低放输入电阻输入电阻R RL L后的检波电路后的检波电路57负峰切割失真(底边切割失真)要避免二极管截止发生，包络幅度瞬时值必须满足交、直流负载电阻越悬殊，ma越大，越容易发生该失真。二极管包络检波器的指标考虑了耦合电容考虑了耦合电容C Cc c和低放和低放输入电阻输入电阻R RL L后的检波电路后的检波电路58在实际应用中，为了提高RL，可在检波器和下级放大器之间插入一级射级跟随器，如下图所示：减小底部切削失真的电路59二极管包络检波器的指标和C的选择原则考虑到电压传输系数和高频滤波能力，应尽可能大，工程上要求其最小值满足下列条件：为避免惰性失真，的最大值应满足下列条件：60非线性失真这种失真是由检波二极管伏安特性曲线的非线性所引起的。如果负载电阻R选得足够大，则检波管非线性特性影响越小，它所引起的非线性失真即可以忽略。二极管包络检波器的指标考虑了耦合电容考虑了耦合电容C Cc c和低放和低放输入电阻输入电阻R RL L后的检波电路后的检波电路二极管的伏安特性是弯曲的，就伏安特性来说，在电压较小时，电流变化较慢；在电压较大时，电流增加得快。这样，当检波器输入为调幅波时，在调幅波包络的正半周，单位输入电压引起的电流变化大，检波输出电压大，而在调幅包络的负半周，二极管电流变化的速度慢，单位输入电压引起的电流变化小，检波输出电压小，这样就造成了检波器输出电压正、负半周不对称。这种波形的不对称是二极管伏安特性非线性引起。61频率失真如左图所示，检波器中存在检波电容C和隔直电容Cc两个电容。检波电容C用于跟踪调幅波包络变化，隔直电容Cc用于去除载波分量对应的直流输出。对调制频率=minmax，要求检波电容C对高频载波短路但不能对低频调制波旁路，隔直电容Cc对低频调制波短路。二极管包络检波器的指标考虑了耦合电容考虑了耦合电容C Cc c和低放和低放输入电阻输入电阻R RL L后的检波电路后的检波电路由容抗对不同频率的信号的传输不同而引起的失真。62第五章混频器l5.1混频器的性能指标l5.2混频器的实现模型l5.3.1双级晶体管混频器l5.4.4单二极管开关混频器的折线近似分析l5.4.5二极管平衡混频器l5.5混频器中的组合频率干扰与非线性失真63第五章混频器混频电路是超外差接收机、发射机及频率合成技术中重要的组成部分，在收发信道中它扮演了重要的角色，其作用是将载频为 的已调信号(或单频载波)不失真地变频为 的信号。称为中间频率或中频。超外差式接收机方框图64变频或混频就是把两个不同的信号加到非线性器件上进行频率组合后取出和频或差频的过程。它的的基本功能均是将输入频带信号的频谱位移到新的频率范围内，即频谱的线性般移，这类似于调制信号经调幅变换前后的频谱变换关系。如果所用本振信号是变频电路自身产生，则称为自激式混频器，或简称为变频器。v如果本振信号由外部其它电路提供，则称变频电路为它激式混频器，或简称为混频器；一、混频的概念第五章混频器65二、混频的应用v一是频率合成系统中实现升降频。v二是通信系统中降低对滤波器的要求。v三是卫星信号传送中的二次变频应用。v鉴相、相位调制器等v主要例子有：v利用变频器可以实现，将波段内的已调信号变为与输入载波无关的、并具有固定载频的中频信号，并在此基础上进行高性能的选频放大，最后再检波的超外差式接收解调方案v在发射设备中经常利用变频器来改变载频频率的大小v在频率合成器中，也常用变频器来完成频率加减运算，从而由基本频率信号得到各种不同于原频率的新信号第五章混频器66第五章混频器混频模型及频谱67调幅是把基带频谱搬移到载频两边，混频则是信号频谱搬移到中频，但本质上它们都是频谱的搬移，因而实现的模型是相同的，可用模拟乘法器实现，也可用平方律器件、指数特性器件、折线型器件等实现。变换关系是：上混频高本振下混频低本振下混频下混频第五章混频器68混频器有两个输入口与一个输出口，其中一个输人口为RF端另一个输入口为LO端，输出口为IF端(RF为射频，LO为本振，IF为中频)。它与只有输入、输出口的放大器是不一样的。但是放大器有直流电源输入，只要把混频器的本振输入看成是“泵”或“源”混频器与放大器就有类比性(三极管、场效应管混频还要加上直流偏置)，RF看成是输入，IF看成是输出，但输入和输出的频率是不同的，定义混频器的一些指标与放大器相比有相同的也有不同的。第五章混频器69混频可用双极晶体管、场效应管、模拟乘法器、二极管等器件完成。在甚高频及超高频频段，主要用二极管完成混频。下述混频器指标以二极管混频为主。1.变频增益(损耗)2.噪声系数3.动态范围4.双音三阶交调与线性度5.工作频率6.隔离度7.镜像频率抑制度8.本振功率9.端口性能5.1混频器的性能指标701.变频增益(损耗)（注：教材上公式有错）变频损耗指混频器输入端（RF）的信号功率与输出端（IF）的信号功率之比。可以用电压增益也可用功率增益表示其放大能力。常用分贝表示。5.1混频器的性能指标主要由电路失配损耗，二极管的固有结损耗及非线性电导净变频损耗等引起。712.噪声系数5.1混频器的性能指标定义为：定义为：NF=Pno/PsoPno是当输入端口噪声温度在所有频率上都是标准温度即T0=290K时，传输到输出端口的总噪声资用功率。Pno主要包括信号源热噪声，内部损耗电阻热噪声，混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声。Pso为仅有有用信号输入在输出端产生的噪声资用功率。723.动态范围5.1混频器的性能指标动态范围是指混频器正常工作时的微波输入功率范围。其下限因混频器的应用环境不同而异，其上限受射频输入功率饱和所限，通常对应混频器的1dB压缩点。1dB压缩点：在正常工作情况下，射频输入电平远低于本振电平，此时中频输出将随射频输入线性变化，当射频电平增加到一定程度时，中频输出随射频输入增加的速度减慢，混频器出现饱和。当中频输出偏离线性1dB时的射频输入功率为混频器的1dB压缩点。对于结构相同的混频器，1dB压缩点取决于本振功率大小和二极管特性，一般比本振功率低6dB。734、混频器的双音三阶交调与线性度.5.1混频器的性能指标如果有两个频率相近的信号fs1和fs2和本振fLO一起输入到混频器，由于混频器的非线性作用，将产生交调，其中三阶交调可能出现在输出中频附近的地方，落入中频通带以内，造成干扰，通常用三阶交调抑制比来描述，即有用信号功率与三阶交调信号功率比值，常表示为dBc。三阶互调产物是由放大器或混频器的非线性特性造成的对两个音频输入相互混频(或调制)的结果。这两个IM3产物是：fIM3_1=2*f1-f2,fIM3_2=2*f2-f1,i.e.900*2-901=899MHzi.e.901*2-900=902MHz745.隔离度混频器隔离度是指各频率端口间的相互隔离，包括本振与射频，本振与中频，及射频与中频之间的隔离。隔离度定义为本振或射频信号泄漏到其它端口的功率与输入功率之比，单位dB。6、本振功率混频器的本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功率。原则上本振功率愈大，动态范围增大，线性度改善（1dB压缩点上升，三阶交调系数改善）。7、端口电压驻波比端口驻波直接影响混频器在系统中的使用，它是一个随功率、频率变化的参数。8、镜像抑制度5.1混频器的性能指标751.用乘法器实现混频是最好的方法之一5.2混频器的实现模型（P331）由模拟乘法器（有源混频）实现乘积型混频器由双极晶体管（有源混频）、场效应管（有源混频）、二极管（无源混频）实现叠加型混频器两种电路都含有许多组合频率分量。765.3.1晶体管混频器5.3有源混频器电路（P332）1.主要器件石英晶体：17.73MHz三极管：9018中周：6.5MHz电阻电容：若干2.技术指标要求：1）接收频率（点频）11.23MHz2）本振频率：17.73MHz3）混频输出（中频）：6.5MHz77由于晶体管工作在非线性状态。转移持性的非线性函数用解析式表达极为困难，但由于信号电压来源于空中信号或远距离送来的微弱信号，而本地振荡器电压是本身振荡器产生的，振幅很大。晶体管混频器工作在特定的状态，即本振电压的振幅值远大于信号电压的振幅值时，可采用近似分析方法-线性时变分析方法。5.3.1晶体管混频器78(P322-325)l4-2l4-3l4-4l4-6l4-7l4-8l4-9l4-10l4-12Pleasehandyourhomeworkontime！79