多种振幅调制电路的仿真与设计第2章 振幅调制基本原理2.1 振幅调制的数学本质振幅调制属于线性频谱搬移技术其核心是通过低频调制信号控制高频载波的振幅使载波振幅随调制信号的瞬时值线性变化从而将低频信号的频谱搬移到高频载波两侧实现信号的调制。从数学角度来看振幅调制的本质是低频调制信号与高频载波信号的乘积运算。设高频载波信号为等幅正弦波其表达式为u_c(t) U_{cm} \cos(\omega_c t)\tag{2-1}式中Ucm为载波振幅ωc为载波角频率ωc2πfcfc为载波频率。低频调制信号为uΩt该信号可以是正弦信号、语音信号或其他低频基带信号其角频率为ΩΩωc。振幅调制信号的瞬时振幅需随调制信号线性变化因此调幅信号的瞬时振幅可表示为U(t) U_{cm} k_a u_\Omega(t)\tag{2-2}式中ka为调制灵敏度反映调制信号对载波振幅的控制能力。将式2-2代入载波表达式可得振幅调制信号的通用数学模型u_{AM}(t) [U_{cm} k_a u_\Omega(t)] \cos(\omega_c t)\tag{2-3}该式表明调幅信号是由载波信号与乘积信号叠加而成调幅系数ma是衡量调制深度的核心参数其表达式为m_a \frac{k_a U_{\Omega m}}{U_{cm}}\tag{2-4}式中UΩm为调制信号振幅。正常调制状态下需保证0ma≤1若ma1则会出现过调失真导致调制信号无法正常还原。2.2 标准调幅AM原理与波形频谱特性标准调幅AM是最基础的振幅调制方式其调制信号中包含高频载波、上边带、下边带三部分分量电路实现简单解调可采用包络检波方式无需同步信号在无线电广播中应用广泛。2.2.1 AM信号时域波形当调制信号为单一频率正弦信号时即uΩtUΩmcosΩt将其代入式2-3可得AM信号表达式u_{AM}(t) U_{cm}[1 m_a \cos(\Omega t)] \cos(\omega_c t)\tag{2-5}对公式展开整理可得u_{AM}(t) U_{cm}\cos(\omega_c t) \frac{1}{2}m_a U_{cm}\cos(\omega_c \Omega)t \frac{1}{2}m_a U_{cm}\cos(\omega_c - \Omega)t\tag{2-6}从时域波形来看AM信号的高频载波频率保持不变振幅在载波振幅基础上随低频调制信号线性波动其包络线与低频调制信号的波形完全一致。如图2.1所示当调制系数ma1时AM信号包络完整无失真当ma1时为临界调幅当ma1时包络出现失真即过调失真实际应用中需避免该现象。2.2.2 AM信号频域频谱从频域分析AM信号的频谱由三部分组成载波频率分量fc、上边带频率分量fcfΩ、下边带频率分量fc-fΩ。其中载波分量不携带任何调制信号信息只有上下边带分量承载低频信号的信息这也是AM信号传输效率较低的核心原因其功率利用率通常不足30%。AM信号的频谱宽度为BW 2f_\Omega\tag{2-7}即频谱宽度为调制信号最高频率的两倍频谱分布如图2.2所示。2.3抑制载波双边带调幅DSB原理与波形频谱特性为解决AM信号载波分量消耗功率、传输效率低的问题衍生出抑制载波双边带调幅DSB技术其核心是在调制过程中完全抑制载波分量仅保留上下边带分量大幅提升功率利用率与频谱利用率。2.3.1 DSB信号时域波形DSB信号通过直接消除AM信号中的载波分量得到其数学表达式为调制信号与载波信号的直接乘积u_{DSB}(t) k u_\Omega(t) u_c(t) k U_{\Omega m} U_{cm} \cos(\Omega t) \cos(\omega_c t)\tag{2-8}利用三角恒等变换展开可得u_{DSB}(t) \frac{1}{2}k U_{\Omega m} U_{cm}[\cos(\omega_c \Omega)t \cos(\omega_c - \Omega)t]\tag{2-9}从时域波形来看DSB信号无独立的载波分量信号振幅随调制信号线性变化且在调制信号过零点处高频载波相位发生180°突变其包络不再与调制信号波形一致因此DSB信号无法采用包络检波需使用同步检波电路还原调制信号。DSB信号时域波形如图2.3所示。2.3.2 DSB信号频域频谱DSB信号的频谱仅包含上边带fcfΩ与下边带fc-fΩ两个分量无载波分量所有功率均用于承载有效信息功率利用率远高于AM信号。其频谱宽度与AM信号一致即BW2fΩ频谱分布如图2.4所示。2.4常见振幅调制电路分类及对比根据电路结构、工作电平及器件类型常见的振幅调制电路可分为分立元件调制电路与集成调制电路两大类各类电路的工作原理、优缺点及适用场景各不相同具体对比如表2.1所示。电路类型核心器件优点缺点适用场景二极管环形调幅电路二极管、变压器结构简单、无直流功耗失真大、调制系数不可控低频、低精度调制晶体管基极调幅电路三极管、电阻电容成本低、易实现线性度差、失真较大基础AM调制、教学实验晶体管集电极调幅电路高频三极管输出功率大效率低、调试复杂大功率AM广播集成乘法器调幅电路MC1496、AD633线性度优异、失真度低可灵活切换AM/DSB模式调试便捷、稳定性强成本高于分立元件电路对电源精度要求稍高高精度调制、双模调制场景工程实际应用振幅调制产生原理所谓调制就是在传送信号的一方将所要传送的信号附加在高频振荡上再由天线发射出去。这里高频振荡波就是携带信号的运载工具也叫载波。振幅调制就是由调制信号去控制高频载波的振幅直至随调制信号做线性变化。在线性调制系列中最先应用的一种幅度调制是全调幅或常规调幅简称为调幅AM。为了提高传输的效率还有载波受到抑制的双边带调幅波DSB和单边带调幅波SSB。在频域中已调波频谱是基带调制信号频谱的线性位移在时域中已调波包络与调制信号波形呈线性关系。设正弦载波为式中A为载波幅度为载波角频率为载波初始相位(通常假设0).调制信号基带信号为。根据调制的定义振幅调制信号已调信号一般可以表示为设调制信号的频谱为则已调信号的频谱方案选择这两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频谱线性搬移电路。调制分为低电平调制先调制后功放主要用于DSB、SSB以及FM信号。高电平调制功放和调制同时进行主要用于AM信号。高电平调制分为1.集电极调幅电路2.基极条幅电路因为要实现两种AM和DSB的振幅调制所以我们选择低电平调制电路。低电平调幅电路通常分为1.二极管调幅电路2.集成模拟乘法器调幅电路。在这里我们选择第二种方法集成模拟乘法器调幅电路我们选择的集成模拟乘法器是MC1496。电路设计MC1496原理及MULTISIM设计原理MC1496是双平衡四象限模拟乘法器。其内部电路和引脚如下图(a)(b)所示。其中VT1,VT2与VT3,VT4组成双差分放大器VT5,VT6组成的单差分放大器用以激励VT1VT4。VT7、VT8及其偏置电路组成差分放大器、的恒流源。引脚8与10接输入电压UX1与4接另一输入电压Uy输出电压U0从引脚6与12输出。引脚2与3 外接电阻RE对差分放大器VT5、VT6 产生串联电流负反馈以扩展输入电压Uy的线性动态范围。引脚14为负电源端双电源供电时或接地端单电源供电使 引脚5外接电阻R5。用来调节偏置电流I5及镜像电流I0的值。MC1496内部电路和引脚图MULTISIM设计由于仿真软件中没有MC1496所以我们自己画了MC1494的内部电路图做成一个芯片如下图所示Multisim仿真MC1496内部电路电路图由于参数主要是MC内部电路的参数经过查元件手册都能够得到我们在这里就不再赘述了。由于最后需要达到2V以上的峰峰值我们需要在最后输出端加一级放大级。MC1496电路放大器则是放大器其放大器的倍数为K(R16R18)/R1611倍DSB调制总电路图AM调制总电路图电路工作原理标准调幅波AM产生原理调制信号是只来来自信源的消息信号基带信号这些信号可以是模拟的亦可以是数字的。为首调制的高频振荡信号可称为载波它可以是正弦波亦可以是非正弦波(如周期性脉冲序列)。载波由高频信号源直接产生即可然后经过高频功率放大器进行放大作为调幅波的载波调制信号由低频信号源直接产生二者经过乘法器后即可产生双边带的调幅波工作原理如图2.1。标准调幅波产生原理框图设载波信号的表达式为调制信号的表达式为则调幅信号的表达式为式中m——调幅系数m——载波信号——上边带信号——下边带信号标准调幅波示意图由图2.3可见调幅波中载波分量占有很大比重因此信息传输效率较低称这种调制为有载波调制。为提高信息传输效率广泛采用抑制载波的双边带或单边带振幅调制。双边带调幅DSB产生原理在AM信号中载波分量并不携带信息信息完全由便在传送。如果在AM调制模型中将直流分量去掉即可得到一种高调制效率的调制方式——抑制载波的双边带调幅波双边带调幅波的表达式为双边带调幅波框图工作原理如下图图2.4MC1496模拟相乘器调幅电路图其中可变电阻RP是用来抑制载波信号的若要得到双边带调幅波在调制信号为0的基础上调节RP使输出端的载波信号电压值为0V然后再加上调制信号此时输出的则是抑制载波的双边带调幅。而标准调幅波的工作原理调节RP使其不抑制载波信号在调制信号为0的基础上调节RP使输出端有载波信号电压输出其幅值可根据需要而自行调节而本电路中将输出端的载波信号幅度调成为6V。然后再加上调制信号经乘法器后输出有载波的标准调幅波。双边带调幅波示意图元器件列表名称数量名称数量10uF1电阻1K4100nF3电阻10K32P接口3电阻5133P接口1电阻6.8K1MC1496BDR2G1电阻3.9K2TL082CDR1滑动电阻50K1电源开关1滑动电阻20K1电路性能测试1、静态工作点调测:无输入信号的情况下调节W,使用万用表测得U1第1、4脚的电压差接近0V。(改变W,可以使乘法器实现AM,DSB调制。)放大器的倍数测试放大器的倍数测试从图中可以看出输入为200mV的峰峰值输出为2.152V放大倍数接近11倍与上文中的计算结果一致。DSB波形图m30%时的DSB调制波形m60%时的DSB调制波形m100%时的DSB调制波形m200%时的DSB调制波形AM波形图m30%时的AM波形m60%时的AM波形m100%时的AM波形m200%时的AM调制波形输出最大峰峰值输出最大峰峰值输出最大峰峰值为7.158V远远大于本设计的要求。总结(实际测试结果与理论计算结果的比较并进行误差分析;调试中出现了哪些故障诊断与排除的方法·)可以看出最后的结果符合题目要求。通过调节Rw我们可以调制出DSB振幅调制信号和AM振幅调制信号。最后通过最后放大级峰峰值也能够达到要求收获与体会这次制作相对前面而言还是较为顺利的。主要是不需要太多的参数计算和调制。从书上摘录了MC1494的内部电路图我们就可以直接画出电路图。但是在得到最后结果之前我们还是经历了一定的困难。一开始总是不能很好地调制出DSB调制信号。还有就是峰峰值不能够达到要求。没有接最后一级放大之前峰峰值只有467mA左右远远小于最后的结果。本次设计由于基本都是固定参数所以计算量比较少我们主要精力用在仿真部分。一开始我不知道自己搭建的乘法器可以制作成一个芯片于是整个电路图看起来很庞大且复杂最终我们采用了查找了相关的资料把电路弄成子电路模式。在最初的仿真中我们并没有加放大部分发现峰峰值达不到要求时我们才决定加运放放大。总体来看此次设计还是比较顺利的。参考文献[1] 王卫东 《高频电子线路》电子工业出版社[2] 谢自美 《电子线路设计 实验 测试》华中科技大学出版社[3] 铃木宪次《高频电路设计与制作》科学出版社