频谱搬移.ppt

第四章第四章 频谱频谱搬移搬移电电路路 重点：重点：1.1.振幅振幅调调制波的基本特性制波的基本特性(数学表达数学表达 式，波形式，波形图图，频谱图频谱图，带宽带宽，功率，功率)。2.2.振幅解振幅解调调的基本原理的基本原理 3.3.混混频频的基本原理的基本原理 4.4.峰峰值值包包络检络检波波电电路的性能分析路的性能分析难难点：点：1.1.峰峰值值包包络检络检波器的工作原理波器的工作原理 2.2.三极管混三极管混频频器的工作原理器的工作原理4.11.通信系通信系统统的基本的基本组组成成电电路：路：振幅调制、解调、混频、调频、鉴频等电路。这这些些电电路的共同特点是：路的共同特点是：将输入信号进行频谱变换，以获得所需要的频谱输出信号。故称之为频率（频谱）变换电路。根据频谱变换的不同特点，频谱变换电路有：4.12.4.1.1 4.1.1 振幅振幅调调制的原理及制的原理及电电路路组组成模型成模型 调调制的定制的定义义：在在发发射端将射端将调调制信号从低制信号从低频频端搬移到高端搬移到高频频端端,便于天便于天线发线发送或送或实现实现不同信号源、不同系不同信号源、不同系统统的的频频分复用。分复用。4.1 4.1 频谱频谱搬移的基本原理及搬移的基本原理及组组成模型成模型频谱频谱搬移搬移电电路包括路包括4.1.13.一一.普通普通调调幅信号的基本特性及幅信号的基本特性及组组成模型成模型 设载设载波波为为 1、单音频调制波若若调调制信号制信号（为单为单音音频频信号），且信号），且 （1 1）普通普通调调幅信号幅信号表达式：表达式：4.1.1（AM调调制制电电路路功能功能动动画）画）4.其中其中，调调幅指数幅指数 k ka a为为由由调调制制电电路决路决定的比例系数。定的比例系数。（2 2）波形）波形图图由由图图可可以得到以得到调调幅幅指数指数MaMa的另一表达式的另一表达式:4.1.1（am调调制波形制波形与与频谱动频谱动画）画）5.当当MaMa1 1时时，即在，即在 附近，附近，为负值为负值，如，如图图4.1.24.1.2（a a）所示，包）所示，包络络 已不能反映已不能反映 原原调调制信号的制信号的变变化化规规律而律而产产生了失真，生了失真，通常称通常称这这种失真种失真为过调为过调制失真（制失真（Over ModulationOver Modulation）。）。但在但在实际调实际调幅幅电电路中，由于管子截止，路中，由于管子截止，过调过调制失制失真的波形如真的波形如图图4.1.24.1.2（b b）所示。）所示。图4.1.2 过调制失真波形 4.1.16.（3 3）频谱图频谱图：将将调调幅信号表达式改写成幅信号表达式改写成可可见见,单频单频信号信号调调制的制的AMAM波，有一波，有一对边频对边频，对对称分布在称分布在 两两边边，振幅均，振幅均为为 如如图图所示。所示。结论结论：将：将 的的频谱频谱搬移到了搬移到了载频载频的左右两的左右两边边，形成了，形成了（4 4）频谱宽频谱宽度：度：上、下上、下边频边频。AM信号信号频谱频谱动动画画4.1.17.（5 5）功率）功率谱谱载频载频功率功率为为:两个两个边频边频分量分量产产生的平均功率相同生的平均功率相同,均均为为:边频总边频总功率功率为为：调调幅信号的幅信号的总总平均功率平均功率为为 4.1.18.2 2、多音、多音频调频调制波制波 设设 则则 其中其中波形波形图图与与频谱图频谱图带宽带宽 （am多多频调频调制波形与制波形与频谱动频谱动画）画）4.1.19.3 3、AMAM信号的信号的实现实现模型模型调调幅信号的表达式式可以改写幅信号的表达式式可以改写为为 实现实现模型如下模型如下图图示，其中示，其中带带通通滤滤波器的中心波器的中心频频率率为为 ，带宽为带宽为 图4.1.4 AM信号的实现方框图（动画）其中其中4.1.110.二双二双边带调边带调幅信号基本特性及其幅信号基本特性及其组组成模型成模型1 1、单频单频率率调调制的双制的双边带调边带调幅信号幅信号 设载设载波波单频单频率率调调制信号制信号且且 （1 1）DSBDSB信号数学表达式信号数学表达式为为 其中其中k k为为由由调调制制电电路决定的比例系数。路决定的比例系数。4.1.111.图4.1.5 单频调制的DSB信号的波形图和频谱图（a）DSB波形图 （b）DSB频谱图（2 2）波形）波形图图和和频谱图频谱图 DSB信号波形与信号波形与频谱动频谱动画画4.1.112.2 2、多、多频频率率调调制的双制的双边带调边带调幅信号幅信号若若非余弦的周期性信号，非余弦的周期性信号，则则 DSBDSB信号信号为为波形波形图图与与频谱图频谱图图4.1.6 DSB信号的波形图与频谱图（多（多频频率率调调制的制的DSB动动画）画）4.1.113.由以上由以上讨论讨论知，知，DSBDSB信号与信号与AMAM信号相比，具有以下信号相比，具有以下特点：特点：（1 1）包）包络络不同。不同。AMAM信号的包信号的包络络正比于正比于调调制信号制信号 而而DSBDSB信号的包信号的包络络 正比于正比于 ，当，当调调制制信号信号时时，即，即 ，DSBDSB信号的幅度也信号的幅度也为为零。零。DSBDSB信号的包信号的包络络已不再反映已不再反映调调制信号制信号 的的变变化。化。4.1.114.（2 2）DSBDSB信号的高信号的高频载频载波在波在调调制信号自正制信号自正值值或或负值负值通通过过零点零点时时，出，出现现180180的相位突的相位突变变。因此，。因此，严严格地格地讲讲，DSBDSB信号已非信号已非单纯单纯的振幅的振幅调调制信号，而是既制信号，而是既调调幅又幅又调调相相的信号。的信号。（3 3）DSBDSB信号只有上、下两个信号只有上、下两个边频带边频带，所占，所占频谱宽频谱宽度度为为 ，与与AMAM信号具有相同的信号具有相同的带宽带宽。（4 4）由于）由于DSBDSB信号不含信号不含载载波，全部功率波，全部功率为边带为边带占有，占有，所以所以发发送的全部功率都送的全部功率都载载有信息，功率利用率高于有信息，功率利用率高于AMAM信号。信号。4.1.115.3 3、双、双边带调边带调幅信号的幅信号的产产生生 图图中中带带通通滤滤波器波器应该应该具有中心具有中心频频率率为为 带宽为带宽为 的的频频率特性。率特性。图4.1.7 双边带调幅信号的实现模型 DSB实现实现模型模型动动画画4.1.116.三、三、单边带调单边带调幅信号的基本特性及幅信号的基本特性及实现实现模型模型 1 1、单边带单边带信号的基本特性信号的基本特性 在在单单音音频调频调制制时时，。若取上。若取上边带时边带时 取下取下边带时边带时 由上式可由上式可见见，单频单频率率调调制的制的单边带调单边带调幅信号是一幅信号是一个角个角频频率率为为 （或（或 ）的）的单频单频正弦波信号，如正弦波信号，如图图4.1.84.1.8所示。所示。图4.1.8 单频调制时单边带信号的波形图与频谱图 SSB波形波形动动画画4.1.117.一般的一般的单边带调单边带调幅信号波形比幅信号波形比较较复复杂杂。不。不过过有一点是相同的，即有一点是相同的，即单边带调单边带调幅信号的包幅信号的包络络已不能反映已不能反映调调制信号的制信号的变变化。化。单边带调单边带调幅幅信号的信号的带宽带宽与与调调制信号制信号带宽带宽相同，是普通相同，是普通调调幅和双幅和双边带调边带调幅信号幅信号带宽带宽的一半，即的一半，即4.1.118.2 2、产产生生单边带调单边带调幅信号的方法幅信号的方法（1 1）滤滤波法波法图图中，中，带带通通滤滤波器波器应该应该采用采用单边带滤单边带滤波器波器.中心中心频频率率为为 带宽为带宽为 图4.1.9 单边带信号的实现模型 SSB实现实现模型模型动动画画4.1.119.这这种种实现实现方法方法电电路路简单简单，但其，但其难难点在于点在于滤滤波器的波器的实现实现。当当调调制信号的最低制信号的最低频频率率 很小（甚至很小（甚至为为0 0）时时，上、下两个上、下两个边带边带的的频频差差很小，即相很小，即相对频对频差差值值 很小，要求很小，要求滤滤波器的矩形系数几乎接近波器的矩形系数几乎接近1 1，导导致致滤滤波器波器的的实现实现十分困十分困难难。在在实际设备实际设备中可以采用多次搬移法来降低中可以采用多次搬移法来降低对滤对滤波器波器的要求，如的要求，如图图4.1.104.1.10所示。所示。图4.1.10 频谱多次搬移产生单边带信号4.1.120.相移法是基于相移法是基于单边带调单边带调幅信号的幅信号的时时域表达式域表达式实现实现的。如的。如和和 然后然后进进行相乘和相减，就可以行相乘和相减，就可以实现单边带调实现单边带调幅幅.如如图图4.1.114.1.11所示。所示。由上式可知，只要用两个由上式可知，只要用两个9090相移器分相移器分别别将将调调制信号和制信号和载载波信号相移波信号相移9090，成，成为为 ,（2 2）相移法）相移法 图4.1.11 相移法产生单边带调幅信号 4.1.121.将上两式相加（减），将上两式相加（减），输输出出为为取下（上）取下（上）边带边带的的单单边带调边带调幅信号。即幅信号。即 显显然，然，对单频对单频信号信号进进行行9090相移比相移比较简单较简单，但是，但是对对于一个包含于一个包含许许多多频频率分量的一般率分量的一般调调制信号制信号进进行行9090移相，移相，要保要保证证其中每个其中每个频频率分量都准确移相率分量都准确移相9090，且幅，且幅频频特性特性又又应为应为常数，常数，这这是很困是很困难难的。的。4.1.122.（3 3）相移）相移滤滤波法波法 结结合两种方法的合两种方法的优优缺点而提出的相移缺点而提出的相移滤滤波法是一种波法是一种比比较较可行的方法可行的方法,其原理其原理图见图图见图4.1.124.1.12。为简为简化起化起见见,图图4.1.124.1.12中各信号的振幅均表示中各信号的振幅均表示为为1 1。图4.1.12 相移滤波法4.1.123.四、残留四、残留边带调边带调幅方式（幅方式（VSBVSB）残留边带调幅是指发送信号中包括一个完整边带、载波及另一个边带的小部分（即残留一小部分)。在广播电视系统中，由于图像信号频带较宽，为了节约频带，同时又便于接收机进行检波，所以对图像信号采用了残留边带调幅方式，而对于伴音信号则采用了调频方式。现以电视图像信号为例，说明残留边带调幅方式的调制与解调原理。4.1.124.在接收端，采用具有在接收端，采用具有图图4.1.12(b)4.1.12(b)所示特性的所示特性的滤滤波器从残留波器从残留边带调边带调幅信号中取出所需幅信号中取出所需频频率分量。率分量。在发射端先产生普通调幅信号，然后利用具有图4.1.12(a)所示特性的滤波器取出一个完整的上边带、一部分下边带以及载频分量。例如：电视图像信号带宽为6MHz。由由图图4.1.124.1.12可可见见，若采用普通，若采用普通调调幅，每一幅，每一频频道道电视图电视图像信号的像信号的带宽带宽需需12MHz12MHz，而采用残留，而采用残留边带调边带调幅只需幅只需8MHz8MHz，另外，另外，对对于于滤滤波器波器过过渡渡带带的要求的要求远远不不如如单边带调单边带调幅那幅那样严样严格，故容易格，故容易实现实现。4.1.125.从高从高频频已已调调信号中恢复出原信号中恢复出原调调制信号制信号 的的过过程称程称为为解解调调，又称，又称为检为检波。波。实现检实现检波的波的电电路称路称为为检检波波电电路，路，简简称称为检为检波器，功能如波器，功能如图图4.1.134.1.13所示。所示。图4.1.13 检波器的功能(a)组成框图 (b)检波器输入、输出信号的波形 (c)检波器输入、输出信号的频谱 的的过过程程4.1.24.1.2振幅解振幅解调调的原理及的原理及电电路路组组成模型成模型4.1.227.显然，解调是调制的逆过程，具有类似于调幅电路的实现模型，如图4.1.14所示。图4.1.14 振幅解调电路的组成模型 图4.1.14中，为参考信号，必须与发射端载波同步（同频同相），又称同步信号。若则 4.1.228.此时，相乘器输出为 可见，中包含的频率分量为 、等。用低通滤波器取出低频分量，滤除高频分量，得到的输出信号为 从而实现线性解调。图4.1.15为相应的频谱搬移过程。4.1.229.4.1.34.1.3混混频频的原理及的原理及电电路路组组成模型成模型混混频频的的过过程也是一种程也是一种频谱频谱的的线线性搬移性搬移过过程，把程，把载载 波波为为 的已的已调调信号，不失真地信号，不失真地变换变换成成载载波波为为 的已的已调调 信号，同信号，同时时保持保持调调制制类类型、型、调调制参数不制参数不变变，即保持原，即保持原调调制制规规律、律、频谱结频谱结构不构不变变。完成。完成这这种功能的种功能的电电路称路称为为混混频频器（器（MixerMixer）或）或变频变频器（器（ConvertorConvertor）。）。超外差式接收机通常超外差式接收机通常满满足足满满足下列关系之一足下列关系之一或或 为为本机振本机振荡荡（简简称本振）称本振）频频率。率。其中其中 4.1.331.大于大于的混的混频频称称为为上混上混频频，小于小于 的混的混频频称称为为下下混混频频。调调幅广播收音机普遍采用下混幅广播收音机普遍采用下混频频，它的中，它的中频规频规定定为为465kHz465kHz。混混频频器也是器也是频频率合成器等率合成器等电电子子设备设备的重要的重要组组成部成部分，用来分，用来实现频实现频率加，减的运算功能。率加，减的运算功能。则则混混频频器的器的输输出信号出信号频频率率为为 式中式中p p和和q q为为任意正整数。任意正整数。和和 若若设设两个两个输输入信号的入信号的频频率分率分别为别为4.1.332.一、混一、混频频器的功能器的功能图4.1.16 混频器的功能（a）混频前、后的波形图 （b）混频前、后的频谱图 4.1.3（混（混频频原理原理动动画）画）33.3 3、从、从频频域角度看，混域角度看，混频频前后各前后各频频率分量的相率分量的相对对大小大小和相互和相互间间隔并不隔并不发发生生变变化，即混化，即混频频是一种是一种频谱频谱的的线线性性搬移，搬移，输输出中出中频频信号与信号与输输入高入高频频信号的信号的频谱结频谱结构相同，构相同，惟一不同的也是惟一不同的也是载频载频，如，如图图4.1.164.1.16（b b）所示。）所示。1、从、从频谱频谱上看：将接收到的高上看：将接收到的高频频已已调调制的信号搬制的信号搬移到中移到中频频上。上。2 2、从、从时时域波形上看，混域波形上看，混频频前后的前后的调调制制规规律保持不律保持不变变，即即输输出中出中频频信号的波形与信号的波形与输输入高入高频频信号的波形相同，信号的波形相同，只是只是载载波波频频率不同，如率不同，如图图4.1.164.1.16（a a）。）。4.1.334.二、混二、混频频器的器的实现实现模型及模型及简单简单的工作原理的工作原理 混混频频是是频谱频谱的的线线性性搬移搬移过过程。完成程。完成频谱频谱的的线线性搬移功能的关性搬移功能的关键键是是要要获获得两个得两个输输入信号的入信号的乘乘积积，实现实现模型如模型如图图4.1.174.1.17所示。所示。图4.1.17 混频器的实现模型 设设 4.1.335.则则相乘器的相乘器的输输出出为为：若若带带通通滤滤波器的中心波器的中心频频率率为为 带带 宽宽 则输则输出的中出的中频频信号信号为为 36.式中式中 为为中中频输频输出出电压电压的振幅。的振幅。4.1.3 混频器的频谱搬移过程如图所示。37.4.1.4 4.1.4 小小结结 振幅振幅调调制的制的过过程，是程，是频谱频谱的的线线性搬移性搬移过过程，它将程，它将调调制信号制信号频谱频谱从低从低频频段不失真地搬移到高段不失真地搬移到高频载频载波的两波的两端，成端，成为为了上、下了上、下变频变频（带带）。）。振幅解振幅解调调是从已是从已调调幅信号中不失真的恢复出原幅信号中不失真的恢复出原调调制信号的制信号的过过程，它也是程，它也是频谱频谱的的线线性搬移性搬移过过程，它将已程，它将已调调制信号的制信号的频谱频谱从高从高频频段重新搬回到原来低段重新搬回到原来低频频的位置。的位置。4.1.439.混混频频的的过过程同程同样样是是频谱频谱的的线线性搬移性搬移过过程，它将程，它将输输入入信号的信号的频谱频谱从一个高从一个高频频不失真的搬移到另一个高不失真的搬移到另一个高频频。图4.1.19 频谱搬移电路的实现模型 振幅振幅调调制与解制与解调调、混、混频电频电路都是路都是频频率率变换电变换电路，路，在在频频域中起域中起频频率加、减的作用，它率加、减的作用，它们们同属同属频谱频谱的的线线性性搬移搬移电电路，都可以用乘法器和相路，都可以用乘法器和相应应的的滤滤波器波器组组成的模成的模型来型来实现实现，如，如图图4.1.194.1.19所示。所示。40.（1 1）当）当 为调为调制信号，制信号，为载为载波信号波信号时时，滤滤波器需要中心波器需要中心频频率率为为 ，带宽为带宽为 的高的高频带频带通通滤滤波器，此波器，此时电时电路路实现实现的是振的是振幅幅调调制功能。制功能。（2 2）当）当 为为振幅振幅调调制信号（制信号（AMAM、DSBDSB、SSBSSB），），为为同步信号同步信号时时，滤滤波器需要波器需要带带宽为宽为 的低通的低通滤滤波器，此波器，此时电时电路路实现实现的是解的是解调调功功能。能。4.1.4 图4.1.19 频谱搬移电路的实现模型 41.为为本地振本地振荡荡信号信号时时，滤滤波器需要波器需要带宽为带宽为 此此时电时电路路实现实现的是混的是混频频的功能。的功能。振幅振幅调调制、解制、解调调、混、混频电频电路的共同特点是：相乘器路的共同特点是：相乘器实现实现将将输输入信号的入信号的频谱频谱不失真的向左、向右搬移一个参不失真的向左、向右搬移一个参考信号考信号频频率的位置。不同点是：根据率的位置。不同点是：根据实现实现功能的不同，功能的不同，相乘器的两个相乘信号不同，相乘器的两个相乘信号不同，滤滤波器的参数不相同。波器的参数不相同。4.1.4（3 3）当）当 为为已已调调制信号，制信号，图4.1.19 频谱搬移电路的实现模型 中心中心频频率率为为 中中频带频带通通滤滤波器，波器，42.