模拟乘法器综合应用实验-调制与解调

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,厚德博学 追求卓越,模拟乘法器综合应用实验,调制与解调,实 验 四,模拟调制可分为线性调制和非线性调制，本次实验研究线性调制。线性调制的任务是把基带信号的频谱搬移到通带频谱上，以适应,（无线）,信道的传输要求，或将多路信号合并起来进行多路传输。,通过本实验：,1,加深理解振幅调制（,AM,）、双边带（,DSB,）调制、单边带（,SSB,）调制的基本原理及实现方法。,2,掌握各种线性调制信号的时域和频域的测试方法与技能。,3.,熟悉并掌握,MC1496,乘法器的基本应用。,一、实 验 目 的,二、实 验 内 容,3,DSB,调制信号的产生与测量。,1,AM,调制信号的产生与测量。,4,AM,调制与,DSB,调制信号的频域测量。,2,AM,调制信号的调幅系数测量。,5,振副调制的（,EWB,）仿真实验。,三、实验应知知识,3,、提高辐射能力：,实现无线传输信道的要求,尽量减小天线的尺寸,一、调制在通信系统中的作用,1,、频率变换：,为了采用无线传送方式，如将（,0.3-3.4KHz,）有效带宽内的语音信号调制到给定的高频频段上去。,调制是,高频电子线路,中一个十分重要的概念，是一种信号处理技术。无论在模拟通信、数字通信还是数据通信中都扮演着重要角色。,调制的实质是频谱的搬移,其作用与目的有以下四个方面,。,2,、实现频率分配,:,保证多个电台同时工作时,发出的信号互不干扰,4,、实现多路复用：,例如将多路信号互不干扰的安排在同一物理信道中传输,即实现频分复用。,二、调制的基本特征,调制的实质是进行频谱的搬移,即把携带消息的基带信号的频谱搬移到较高的高频频率的范围,.,三、实验应知知识,经调制后的已调波应该具有两个基本特征,:,一是高频已调波仍然携带有消息,;,二是高频已调波适合于信道传输,.,三、实验应知知识,2,、按载波信号,c(t,),不同分,：,线性调制，特点：调制前、后的频谱呈线性搬移关系。,三、调制的分类,调制方法可以从以下几个角度进行分类。,1,、按调制信号,m(t,),的不同分,：,数字调制，特点：,m(t,),是数字信号。,模拟调制，特点：,m(t,),是连续信号。,连续波调制，特点：,c(t,),连续，如,(t)=,cosct,；,脉冲调制，特点：,c(t,),为脉冲，如周期矩形脉冲序列。,3,、 按调制器功能的不同分,：,幅度调制，特点：用,:,m(t,),改变,c(t,),的幅度，如,AM,，,DSB,，,SSB,，,VSB,。,相位调制，特点：用,:,m(t,),改变,c(t,),的相位，如,PM,。,频率调制，特点：用,:,m(t,),改变,c(t,),的频率，如,FM,。,4,、按调制器传输函数来分,：,非线性调制，特点无上述关系，且调制后产生许多新成份,三、实验应知知识,四、调制系统需掌握的主要技术,高频电子线路,中所讲授的调制技术，是用取值连续（模拟）的基带信号去控制正弦载波的参数（振幅、频率和相位）的模拟调制系统。需掌握的主要技术与应知的主要参数有：,1,、调制系统的工作原理，调制信号、载波信号和已调信号三者的关系。,2,、已调信号的带宽。,3,、噪声对调制系统性能的影响。,主要技术,主要参数,1,、发送功率,2,、过滤带宽。,3,、设备的复杂性,4,、抗噪声性能，如输出信噪比等。,三、实验应知知识,五,.,调制技术中有关术语,调制信号,u,：,需要传输的信号,（原始信号）,图像,密码数据,语言,载波信号,uc,：高频振荡信号,（等幅）,正弦波,方波,三角波,锯齿波,已调信号,U,A,m,：经过调制后的高频信号,（射频信号,）,信号,三、实验应知知识,根据载波受调制参量的不同,调制可分为三种基本方式,它们分别是：,振幅调制,AM,（调幅）,频率调制,FM,（调频）,相位调制,PM,（调相）,调制基本方式,六,.,调制的基本方式,三、实验应知知识,七、振幅调制与实现方法,所谓振幅调制,(AM),就是用调制信号,u,去控制高频载波信号,uc,的振幅,使载波信号的振幅按照调制信号,u,的规律变化。即已调制信号,u,AM,变化的周期与调制信号,u,的周期相同，且幅度的变化与调制信号的振幅成正比,.,振幅调制信号种类,三种振幅调制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。,7,、,1,全载波调幅,(AM),实现方法,:,全载波调幅电路模型,图中，,m,为乘法器的乘积常数，为加法器的加权系数。,全载波振幅调制电路的模型可由一个乘法器和一个加法器组成，如图所示。,全载波振幅调制,信号波形,波形特点：时域分析,（,1,）调幅波的振幅（包络）变化规律与调制信号波形一致 包络之内的填充频率是,f0;,(2),调幅度,m,a,反映了载波振副受控的强弱程度，以看出：,一般,m,值越大调幅越深：,由单一频率信号产生的高频调幅波的数学表达式为：,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：,全载波振幅调制信号,的频谱,调制信号,c,载波,调幅波,c,+,上边频,c,-,下边频,(,),(,),W,-,W,+,含传输信息,下边频分量,含传输信息,上边频分量,不含传输信息,载波分量,:,:,:,),(,c,c,c,w,w,w,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：,(,),(,),W,-,W,+,含传输信息,下边频分量,含传输信息,上边频分量,不含传输信息,载波分量,:,:,:,),(,c,c,c,w,w,w,在全载波调幅波中,载波是不含传送信息的,但它至少占有,2/3,的功率，而载有信息的,边频功率之和最多占总输出功率的,1/3,。,从有效地利用发射机功率来看，全载波调幅波是很不经济的。,AM,波信号特点：频域分析,1.AM,的频谱由三部分组成：即载频和上下边频,.,2.,载频不含信息，两边频包含相同的信息，所占带宽为最高,调制频率,fH,的两倍。,2.,从功率利用率看，,AM,信号的功率利用率不充分。,抑制载波双边带调幅信号实现方法,:,为了克服,全载波,振幅调制效率低的缺点，提高设备的功率利用率，可以在,AM,调制过程中，,将载波分量抑制，,即,不发送载波，而只发送边带信号,这就是,抑制载波的双边带调幅,(DSB AM).,双边带调制电路的模型可由一个乘法器组成，如图所示。,可见要完成,DSB,调制，其核心部分是实现调制信号与载波相乘。,双边带调幅电路模型,图中，,m,为乘法器的乘积常数。即双边带信号，可以用载波和调制信号直接相乘得到。,波形,双边带,( DSB),调幅信号波形与频谱,调制信号,载波,频谱,上边频,下边频,(1) DSB,信号的包络正比于调制信号，但,DSB,信号的包络不再反映调制信号的形状。,(2),DSB,信号载波的相位反映了调制信号的极性，,即在调制信号正半周内的载波相位与调制信号负半周内的反相。,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,。,(3),DSB,波的频谱成份中抑制了载波分量，只有上、下边带，全部功率为边带占有，功率利用率高于,AM,波。,(4),占用频带,m,是调幅波的主要参数之一，它表示载波电压振幅受调制信号控制后改变的程度。即：,调幅波的主要参数与测量,一般用,m,表示。,调幅度（,m),一般要求,0,m1,。,调幅度（,m),的测量与计算,模拟乘法器是对两个以上互不相关的模拟信号（电压与电流）实现相乘功能的非线性函数电路。通常它有两个输入端（,x,端和,y,端）及一个输出端，其电路模型与符号分别可用如图,(a),或,(b),所示。,集成模拟乘法器原理简介,模拟乘法器的模型与电路符号,模拟乘法器的传输方程为,:,在现代通信设备中，广泛使用集成模拟乘法器来实现,AM,、,DSB,、,SSB,调制与同步解调、倍频、混频和相位检测。它具有电路简单，性能优越且稳定，调整方便，利于设备的小型化的优点。,三、实验应知知识,式中：,Am,为增益系数,（,1,）集成模拟乘法器的电路模型,三、实验应知知识,（,2,）集成模拟乘法器的基本原理,由模拟乘法器的电路模型可知，它是“二入一出”的三端器件。,设：,则输出,：,可见，模拟乘法器可实现调制与混频，即实现频谱的,搬移，调制是向频率高端迁移，混频是向频率低端迁移。,三、实验应知知识,（,2,）集成模拟乘法器的基本原理,设：,则输出,：,式中：因子“,1”,，是为方便引入的，它相当于直流成分存在。,可见，此时可以实现普通的调幅。,即输出的调幅信号不仅含有边带信号，且含有高频载波信号。,三、实验应知知识,（,2,）集成模拟乘法器的基本原理,则输出,：,设：,若进一步滤除,2,成分，则输出为：,可见，同步检波、鉴频、鉴相都是输入同频正弦波，,只是相位上有所区别，便能实现相应的特定功能。,三、实验应知知识,MC1496,模拟乘法器，其内部电路如图所示。电路中采用了以反极性方式连接的两组差分对（,Q1,Q4,），且这两组差分对的恒流源管（,Q5,、,Q6,）又组成了一个差分对，因而亦称为双差分对模拟乘法器。其典型用法是：、脚间接一路输入（称为上输入,ux,），、脚间接另一路输入（称为下输入,uy,），、脚分别经由集电极电阻,R,c,接到正电源,12V,上，并从、脚间取输出,uo,。、脚间接负反馈电阻,R,t,。脚到地之间接电阻,R,B,，它决定了恒流源电流,I7,、,I8,的数值，典型值为,6.8k,。脚接负电源,-8V,。、脚悬空不用。由于两路输入,ux,、,uy,的极性皆可取正或负，因而称之为四象限模拟乘法器。,MC1496,内部电路,MC1496,封装图,三、实验应会知识,实验用,MC1496,构成的振幅调制电路,Mc1496,调制器,调制平衡调节网络,调制信号输入端口,增益调整电阻,偏置调整电阻,调制信号输出端口,载波信号输入端口,载波平衡调节网络,实验现场操作规程,a,、注意安全操作规程，确保人身安全,注意人身安全和仪器设备的安全,为了防止器件损坏，在切断实验电路板上的电源后才能改接电路。,调换仪器时应切断实验台的电源。,逐步养成用右手进行单手操作的习惯。,b,、爱护仪器设备,仪器在使用过程中，不必经常开关电源。,切忌,无目的的拨弄仪器面板上的开关和按钮。,仪器设备出现问题，请向老师寻求帮助，,请勿,随便调换配件。,注意仪表允许安全电压（或电流），切勿超过！,当被测量的大小无法估计时，应从仪表的最大量程开始测试，然后逐渐减小量程。,三、实验应会技能,1,、实验用,模拟乘法器,MC1496,的直流调制特性测量,为使模拟乘法器的工作正常，需对其内部的两对差分放大器进行平衡（即输入失调电压）调整，使输入,Vi=0,时，,Vo=0,。,测试电路框图如图所示。,实,验,准,备,选定实验电路模块，连接,+12V,、,-8V,与地,载波,Vc,=200KHZ/80-100mV,。,调制信号,U,=2KHZ/200-300mV,载波输入失调电压（平衡调节）调节,用调制信号源输出,V,=2KHZ/300mV,的调制信号加到,IN2,端 （,IN1,端开路），并用示波器,CH2,监测输出端,（,OUT,）,的输出波形。调节电位器,Rp2,使此时输出端（,OUT,）的输出信号（称为调制输入端馈通误差）为,0,或最小。然后断开调制信号源,并保持,Rp2,始终不再变动。,调制输入失调电压（平衡调节）调节,把载波信号源输出的,Vc,=200KHZ/80-100mV,的调制信号加到,IN1,端 （,IN2,端开路），并用示波器,CH2,监测输出端,（,OUT,）,的输出波形。调节电位器,Rp1,使此时输出端（,OUT,）的输出信号（称为载波输入端馈通误差）为,0,或最小。,MC1496,模拟乘法器的直流调制特性测量,1),保持载波,IN1,端输入信号不变，用万用表测,A,、,B,端电压，用示波器观察调制器输出（,OUT,）端点的信号,2),按表所列数据,即以,0.1V,为步长，调整,Rw1,电位器，改变模拟乘法器,1,脚与,4,脚之间的直流电压（,VAB,），用示波器观察调制器输出（,OUT,）端点的信号，并将测量数据记录于表中。,V,AB,（,mV,）,-400,-300,-200,-100,0,100,200,300,400,Vo(p-p,),K,根据实验数据，,依公式：,Vo=,KV,AB,V,C,(t,) ,算出,1496,模拟乘法器的直流调制比例系数，并画出调制特性曲线。,三、实验应会技能,2,、,AM,调制信号的产生与时域和频域波形测试：,音频信号,发生器,高频信号,发生器,mc1496,调制器,示波器,IN2,IN1,OUT,测试电路框图如图所示。,实,验,准,备,载波信号,200KHZ/80-100mV,，加至载波输入端,IN1,调制信号,U,=2KHZ/200-300mV,加至调制器输入端,IN2.,以调制信号作双踪示波器的“,CH1”,同步。,用示波器“,CH2,”,观察“,AM-OUT”,点输出信号的时域和频域波形，记录测试结果，如图要求所示。, 依据实验所得数据，计算出此条件下的,AM,信号的调制度,m= ?,说明什么是,AM,调制？,调,RP1,使,VAB=300mV,三、实验应会技能,、,AM,调制信号的调制度控制与波形测试：,音频信号,发生器,高频信号,发生器,mc1496,调制器,示波器,IN2,IN1,OUT,测试电路框图如图所示。,实,验,准,备,保持以上设置于实验条件不变。,载波信号,200KHZ/80-100mV,，加至载波输入端,IN1,调制信号,U,=2KHZ/300mV,加至调制器输入端,IN2.,保持载波信号幅度不变。适当增加或减小调制信号的幅度，用示波器观察波的调制系数,m,变化，说明,m,与调制信号幅度的关系。,保持,调制信号的幅度为定值（如,200mV,）,适当调整平衡电位器,Rp1,（增大或减小电阻），用示波器观察调幅波的调制系数,m,变化，比较两种控制方式的灵敏度。,?,若使,AM,波的调制,m=80%,，应如何操作，请实验证明，并,记录满足此要求时的调制信号,U,的幅值与直流电压,V,AB,的伏值。, 适当调整,U,的幅度或,Rp1,阻值,使,m100%,，再适当调,节示波器的“伏,/,格”与“秒,/,格”旋钮，观察并记录全载波振,幅调制信号过调制时，过零点出的波形特点。,三、实验应会技能,4,、,DSB,调制信号的产生与时域和频域波形测试：,音频信号,发生器,高频信号,发生器,mc1496,调制器,示波器,IN1,IN2,OUT,测试电路框图如图所示。,实,验,准,备,选定实验电路模块，连接,+12V,与地,调节,Rp1,使,VAB=0V,。,载波信号,200KHZ/80-100mV,，加至载波输入端,“,IN1”,调制信号,U,=2KHZ/300mV,加至调制器输入端,“,IN2”.,以调制信号作双踪示波器的“,CH1”,同步。 用示波器“,CH2,”,观察“,AM-OUT”,点输出信号的时域和频域波形，记录测试结果，如图要求所示。,说明什么是调制？, 观察并记录此时,DSB,调制信号过零点出的波形特点。,解调是调制的逆过程，是从高频已调波中恢复出原低频调制信号的过程。从频谱上看，解调也是一种信号频谱的线性搬移过程，是将高频端的信号频谱搬移到低频端，,解调过程是和调制过程相对应的，不同的调制方式对应于不同的解调方式。,三、实验应知知识,振幅,调制,过程,解调,过程,AM,调制,(,全载波,),DSB,调制,SSB,调制,包络检波,同步检波,峰值包络检波,平均包络检波,乘积型同步检波,叠加型同步检波,七、振幅调制信号的解调,三、实验应知知识,7.1,调幅波解调的方法,-,包络检波法,非线性电路,低通滤波器,t,调幅波,t,调幅波,t,调幅波,t,调幅波,调幅波频谱,c,+,c,-,c,检波输出,检波输出,检波输出,检波输出,包络检波输出,t,包络检波输出,t,包络检波输出,t,包络检波输出,t,输出信号频谱,二极管包络检波器是包络检波器中最简单、最常用的一种电路。它适合于解调信号电平较大（俗称大信号，通常要求峰,-,峰值为,0.5V,以上）的,AM,波。它具有电路简单，检波线性好，易于实现等优点。,三、实验应知知识,7,、,2,调幅波解调的方法,同步检波法,同步检波，又称相干检波。它利用与已调幅波的载波同步（同频、同相）的一个恢复载波（又称基准信号）与已调幅波相乘，再用低通滤波器滤除高频分量，从而解调得调制信号。,乘积型同步检波的电路模型,:,乘法器,低通滤波器,u,DSB,u,o,u,解调载波,叠加型同步检波的电路模型,:,包络检波器,加法器,u,DSB,u,o,u,高频已调波,解调波输出,高频已调波,解调载波,解调波输出,二极管包络检波器的实验电路如图,所示，开关,K4,置,OFF,位置。,二极管包络检波器,AM,波的解调,m=30,的,AM,波的解调,.,观察加大滤波电容对检波性能的影响,把开关,K4,置,ON,位置，便可观察到加大滤波电容的影响（输出减小，且有失真），然后把,K4,重置,OFF,位置。顺便指出：,R15=4.7kO,，,C9=0.022F,，,C10=0.1F,。,m=100,的,AM,波的解调,加大调制信号幅度，使,m=100,，观察并记录检波器输出波形。,m,100,的,AM,波的解调,继续加大调制信号幅度，使,m,100,，观察并记录检波器输出波形。,同步检波图,三、实验应知知识,（,1,）解调全载波信号,A,把调幅波的调幅系数分别调至,M=30,、,M=100,、,M100,，分别记录输出波形并与调制信号相比较。,B,去掉,C4,、,C5,观察输出波形。记录输出波形，然后再复原。,调幅系数,调制信号的波形,调幅信号的波形,输出波形,m=30,m=100,m100,m=,去掉,C4,、,C5,时,（,2,）解调抑制载波的双边带调制信号,A,把调幅实验中调好的抑制载波的调幅波加入，其它连线不变观察记录输出波形，并与调制信号波形相比较。,B,去掉,C4,、,C5,，观察输出变化，记录输出波形。,抑制载波的调幅波,调制信号的波形,调幅信号的波形,输出波形,去掉,c4,、,C5,时,