高頻電子線路課程實驗二振幅調(diào)制

..XX理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院實驗報告XX理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院高頻電子線路課程實驗報告專業(yè)班級測控13-2班學(xué)號姓名指導(dǎo)教師溫濤…………裝………訂…………線………實驗二振幅調(diào)制一實驗?zāi)康?．掌握在示波器上測量調(diào)幅系數(shù)的方法。2.通過實驗中波形的變換,學(xué)會分析實驗現(xiàn)象。3．掌握用MC1496來實現(xiàn)AM和DSB-SC的方法,并研究已調(diào)波與調(diào)制信號、載波之間的關(guān)系二實驗原理根據(jù)電磁波理論知道,只有頻率較高的振蕩才能被天線有效地輻射。但是人的講話聲音變換為相應(yīng)電信號的頻率較低,不適于直接從天線上輻射。因此,為了傳遞信息,就必須將要傳遞的信息"記載"到高頻振蕩上去。這一"記載"過程稱為調(diào)制。調(diào)制后的高頻振蕩稱為已調(diào)波,未調(diào)制的高頻振蕩稱為載波。需要"記載"的信息稱為調(diào)制信號。調(diào)制過程是用被傳遞的低頻信號去控制高頻振蕩信號,使高頻輸出信號的參數(shù)〔幅度、頻率、相位相應(yīng)于低頻信號變化而變化,從而實現(xiàn)低頻信號搬移到高頻段,被高頻信號攜帶傳播的目的。完成調(diào)制過程的裝置叫調(diào)制器。調(diào)制器和解調(diào)器必須由非線性元件構(gòu)成,它們可以是二極管或三極管。近年來集成電路在模擬通信中得到了廣泛應(yīng)用,調(diào)制器、解調(diào)器都可以用模擬乘法器來實現(xiàn)。一．振幅調(diào)制和調(diào)幅波振幅調(diào)制就是用低頻調(diào)制信號去控制高頻載波信號的振幅,使載波的振幅隨調(diào)制信號成正比地變化。經(jīng)過振幅調(diào)制的高頻載波稱為振幅調(diào)制波〔簡稱調(diào)幅波。調(diào)幅波有普通調(diào)幅波〔AM、抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波〔DSB和抑制載波的單邊帶調(diào)幅波〔SSB三種。1.普通調(diào)幅波〔AM〔1調(diào)幅波的表達式、波形設(shè)調(diào)制信號為單一頻率的余弦波：載波信號為了簡化分析,設(shè)兩者波形的初相角均為零,因為調(diào)幅波的振幅和調(diào)制信號成正比,由此可得調(diào)幅波的振幅為其中,ma稱為調(diào)幅指數(shù)或調(diào)幅度,它表示載波振幅受調(diào)制信號控制程度,ka為由調(diào)制電路決定的比例常數(shù)。由于實現(xiàn)振幅調(diào)制后載波頻率保持不變,因此已調(diào)波的表示式為可見,調(diào)幅波也是一個高頻振蕩,而它的振幅變化規(guī)律〔即包絡(luò)變化是與調(diào)制信號完全一致的,因此調(diào)幅波攜帶著原調(diào)制信號的信息。由于調(diào)幅指數(shù)ma與調(diào)制電壓的振幅成正比,即Um越大,ma越大,調(diào)幅波幅度變化越大,ma小于或等于1。如果ma1,調(diào)幅波產(chǎn)生失真,這種情況稱為過調(diào)幅,在實際工作中應(yīng)該避免產(chǎn)生過調(diào)幅。調(diào)幅波的波形如圖5-1所示?！?調(diào)幅波的頻譜由式〔5-4展開得可見,用單音頻信號調(diào)制后的已調(diào)波,由三個高頻分量組成,除角頻率為c的載波以外,還有<>和<>兩個新角頻率分量。其中一個比高,稱為上邊頻分量；一個比低,稱為下邊頻分量。載波頻率分量的振幅仍為Ucm,而兩個邊頻分量的振幅均為11。maUcm。因為ma的最大值只能等于1,所以邊頻振幅的最大值不能超過Ucm,將這三個頻率分量用圖畫出,便可得到圖5-2所示的頻譜圖。在這個圖上,調(diào)幅波的每一個正弦分量用一個線段表示,線段的長度代表其幅度,線段在橫軸上的位置代表其頻率。以上分析表明,調(diào)幅的過程就是在頻譜上將低頻調(diào)制信號搬移到高頻載波分量兩側(cè)的過程。調(diào)制信號幅度的大小,邊頻的頻譜雖屬于高頻范疇,但反映了調(diào)制信號頻率的高低。由圖5-2可見,在單頻調(diào)制時,其調(diào)幅波的頻帶寬度為調(diào)制信號頻譜的兩倍,即B2F。實際上調(diào)制信號不是單一頻率的正弦波,而是包含若干頻率分量的復(fù)雜波形〔例如實際的話音信號就很復(fù)雜,在多頻調(diào)制時,如由若干個不同頻率1,2,……,k的信號所調(diào)制,其調(diào)幅波方程為相應(yīng)地,其調(diào)幅波含有一個載頻分量及一系列的高低邊頻分量<c1>,<c2>,…<ck>等等。多頻調(diào)制調(diào)幅波的頻譜圖如圖5-3所示。由此可以看出,一個調(diào)幅波實際上是占有某一個頻率范圍,這個范圍稱為頻帶?？偟念l帶寬度為最高調(diào)制頻率的兩倍,即B2Fmax,這個結(jié)論很重要。因為在接收和發(fā)送調(diào)幅波的通信設(shè)備中,所有選頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)不但能通過載頻,而且還要能通過邊頻成分。如果選頻網(wǎng)絡(luò)的通頻帶太窄,將導(dǎo)致調(diào)幅波的失真調(diào)制后調(diào)制信號的頻譜被線性地搬移到載頻的兩邊,成為調(diào)幅波上、下邊帶。所以,調(diào)幅的過程實質(zhì)上是一種頻譜搬移的過程。2.抑制載波雙邊帶調(diào)幅〔DSB由于載波不攜帶信息,因此,為了節(jié)省發(fā)射功率,可以只發(fā)射含有信息的上、下兩個邊帶,而不發(fā)射載波,這種調(diào)制方式稱為抑制載波的雙邊帶調(diào)幅,簡稱雙邊帶調(diào)幅,DSB用表示?？蓪⒄{(diào)制信號u和載波信號uc。直接加到乘法器或平衡調(diào)幅器電路得到。雙邊帶調(diào)幅信號寫為式〔5-8中,A為由調(diào)幅電路決定的系數(shù)；AUmUcmcost是雙邊帶高頻信號的振幅,它與調(diào)制信號成正比。高頻信號的振幅按調(diào)制信號的規(guī)律變化,不是在Ucm的基礎(chǔ)上,而是在零值的基礎(chǔ)上變化,可正可負。因此,當(dāng)調(diào)制信號從正半周進入負半周的瞬間〔即調(diào)幅包絡(luò)線過零點時,相應(yīng)高頻振蕩的相位發(fā)生180°的突變。雙邊帶調(diào)幅的調(diào)制信號、調(diào)幅波如圖5-4所示。由圖可見,雙邊帶調(diào)幅波的包絡(luò)已不再反映調(diào)制信號的變化規(guī)律圖5-5為DSB的頻譜圖。由以上討論可以看出DSB調(diào)制信號有如下特點：〔1DSB信號的幅值仍隨調(diào)制信號而變化,但與普通調(diào)幅波不同,DSB的包絡(luò)不再反映調(diào)制信號的形狀,仍保持調(diào)幅波頻譜搬移的特征。〔2在調(diào)制信號的正負半周,載波的相位反相,即高頻振蕩的相位在f<t>0瞬間有180°的突變?！?對DSB調(diào)制,信號仍集中在載頻c附近,所占頻帶為由于DSB調(diào)制抑制了載波,輸出功率是有用信號,它比普通調(diào)幅經(jīng)濟,但在頻帶利用率上沒有什么改進。為進一步節(jié)省發(fā)送功率,減小頻帶寬度,提高頻帶利用率,下面介紹單邊帶傳輸方式。3.抑制載波單邊帶調(diào)幅〔SSB進一步觀察雙邊帶調(diào)幅波的頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),上邊帶和下邊帶都反映了調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu),因而它們都含有調(diào)制信號的全部信息。從傳輸信息的觀點看,可以進一步把其中的一個邊帶抑制掉,只保留一個邊帶〔上邊帶或下邊帶。無疑這不僅可以進一步節(jié)省發(fā)射功率,而且頻帶的寬度也縮小了一半,這對于波道特別擁擠的短波通信是很有利的。這種既抑制載波又只傳送一個邊帶的調(diào)制方式,稱為單邊帶調(diào)幅,用SSB表示。獲得單邊帶信號常用的方法有濾波法和移相法,現(xiàn)簡述采用濾波法實現(xiàn)SSB信號。調(diào)制信號u和uc經(jīng)乘法器〔或平衡調(diào)幅器獲得抑制載波的DSB信號,再通過帶通濾波器濾除DSB信號中的一個邊帶〔上邊帶或下邊帶,便可獲得SSB信號。當(dāng)邊帶濾波器的通帶位于載頻以上時,提取由此可見,濾波法的關(guān)鍵是高頻帶通濾波器,它必須具備這樣的特性：對于要求濾除的邊帶信號應(yīng)有很強的抑制能力,而對于要求保留的邊帶信號應(yīng)使其不失真地通過。這就要求濾波器在載頻處具有非常陡峭的濾波特性。用這種方法實現(xiàn)單邊帶調(diào)幅的數(shù)學(xué)模型如圖5-6所示。由式〔5-8可知,雙邊帶信號為通過邊帶濾波器后,就可得到上邊帶或下邊帶：下邊帶信號：上邊帶信號：從上兩式看出,SSB信號的振幅與調(diào)制信號振幅Um成正比。它的頻率隨調(diào)制信號的頻率不同而不同。表5-1列出了在單音信號調(diào)制下三種已調(diào)信號的時域波形圖及頻譜示意圖,以及多音信號調(diào)制下三種已調(diào)信號的頻譜示意圖。二．普通調(diào)幅波的產(chǎn)生電路在無線電發(fā)射機中,振幅調(diào)制的方法按功率電平的高低分為高電平調(diào)制電路和低電平調(diào)制電路兩大類。前者是在發(fā)射機的最后一級直接產(chǎn)生達到輸出功率要求的已調(diào)波,后者多在發(fā)射機的前級產(chǎn)生小功率的已調(diào)波,再經(jīng)過線性功率放大器放大,達到所需的發(fā)射功率電平。普通調(diào)幅波的產(chǎn)生多用高電平調(diào)制電路。它的優(yōu)點是不需要采用效率低的線性放大器,有利于提高整機效率。但它必須兼顧輸出功率、效率和調(diào)制線性的要求。低電平調(diào)制電路的優(yōu)點是調(diào)幅器的功率小,電路簡單。由于它輸出功率小,常用在雙邊帶調(diào)制和低電平輸出系統(tǒng)。低電平調(diào)幅電路可采用集成高頻放大器產(chǎn)生調(diào)幅波,也可利用模擬乘法器產(chǎn)生調(diào)幅波。三實驗電路由于集成電路的發(fā)展,集成模擬相乘器得到廣泛的應(yīng)用,本實驗采用MC1496集成模擬相乘器來實現(xiàn)調(diào)幅之功能。1．MC1496簡介MC1496是一種四象限模擬相乘器,其內(nèi)部電路以及用作振幅調(diào)制器時的外部連接如圖5-11所示。由圖可見,電路中采用了以反極性方式連接的兩組差分對〔T1～T4,且這兩組差分對的恒流源管〔T5、T6又組成了一個差分對,因而亦稱為雙差分對模擬相乘器。其典型用法是：1、⑽腳間接一路輸入〔稱為上輸入v1,⑴、⑷腳間接另一路輸入〔稱為下輸入v2,⑹、⑿腳分別經(jīng)由集電極電阻Rc接到正電源+12V上,并從⑹、⑿腳間取輸出vo。⑵、⑶腳間接負反饋電阻Rt。⑸腳到地之間接電阻RB,它決定了恒流源電流I7、I8的數(shù)值,典型值為6.8kΩ。⒁腳接負電源8V。⑺、⑼、⑾、⒀腳懸空不用。由于兩路輸入v1、v2的極性皆可取正或負,因而稱之為四象限模擬相乘器?？梢宰C明2．MC1496組成的調(diào)幅器實驗電路用1496組成的調(diào)幅器實驗電路如圖5-12所示。圖中,與圖5-11相對應(yīng)之處是：8R08對應(yīng)于RT,8R09對應(yīng)于RB,8R03、8R10對應(yīng)于RC。此外,8W01用來調(diào)節(jié)〔1、〔4端之間的平衡,8W02用來調(diào)節(jié)〔8、〔10端之間的平衡。8K01開關(guān)控制〔1端是否接入直流電壓,當(dāng)8K01置"on"時,1496的〔1端接入直流電壓,其輸出為正常調(diào)幅波〔AM,調(diào)整8W03電位器,可改變調(diào)幅波的調(diào)制度。當(dāng)8K01置"off"時,其輸出為平衡調(diào)幅波〔DSB。晶體管8Q01為隨極跟隨器,以提高調(diào)制器的帶負載能力。四．實驗內(nèi)容1．模擬相乘調(diào)幅器的輸入失調(diào)電壓調(diào)節(jié)。2．用示波器觀察正常調(diào)幅波〔AM波形,并測量其調(diào)幅系數(shù)。3．用示波器觀察平衡調(diào)幅波〔抑制載波的雙邊帶波形DSB波形。4．用示波器觀察調(diào)制信號為方波、三角波的調(diào)幅波。五．實驗步驟1．實驗準(zhǔn)備〔1在實驗箱主板上插上集成乘法器幅度調(diào)制電路模塊。接通實驗箱上電源開關(guān),按下模塊上開關(guān),此時電源指標(biāo)燈點亮?！?調(diào)制信號源：采用低頻信號源中的函數(shù)發(fā)生器,其參數(shù)調(diào)節(jié)如下〔示波器監(jiān)測：頻率范圍：1kHz波形選擇：正弦波輸出峰-峰值：300mV〔3載波源：采用高頻信號源：工作頻率：2MHz用頻率計測量〔也可采用其它頻率；輸出幅度〔峰-峰值：200mV,用示波器觀測。2．輸入失調(diào)電壓的調(diào)整〔交流饋通電壓的調(diào)整集成模擬相乘器在使用之前必須進行輸入失調(diào)調(diào)零,也就是要進行交流饋通電壓的調(diào)整,其目的是使相乘器調(diào)整為平衡狀態(tài)。因此在調(diào)整前必須將開關(guān)8K01置"off"〔往下?lián)?以切斷其直流電壓。交流饋通電壓指的是相乘器的一個輸入端加上信號電壓,而另一個輸入端不加信號時的輸出電壓,這個電壓越小越好?！?載波輸入端輸入失調(diào)電壓調(diào)節(jié)把調(diào)制信號源輸出的音頻調(diào)制信號加到音頻輸入端〔8P02,而載波輸入端不加信號。用示波器監(jiān)測相乘器輸出端〔8TP03的輸出波形,調(diào)節(jié)電位器8W02,使此時輸出端〔8TP03的輸出信號〔稱為調(diào)制輸入端饋通誤差最小?！?調(diào)制輸入端輸入失調(diào)電壓調(diào)節(jié)把載波源輸出的載波信號加到載波輸入端〔8P01,而音頻輸入端不加信號。用示波器監(jiān)測相乘器輸出端〔8TP03的輸出波形。調(diào)節(jié)電位器8W01使此時輸出〔8TP03的輸出信號〔稱為載波輸入端饋通誤差最小。3．DSB〔抑制載波雙邊帶調(diào)幅波形觀察在載波輸入、音頻輸入端已進行輸入失調(diào)電壓調(diào)節(jié)〔對應(yīng)于8W02、8W01調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上,可進行DSB的測量。<1>DSB信號波形觀察將高頻信號源輸出的載波接入載波輸入端〔8P01,低頻調(diào)制信號接入音頻輸入端〔8P02。示波器CH1接調(diào)制信號〔可用帶"鉤"的探頭接到8TP02上,示波器CH2接調(diào)幅輸出端〔8TP03,即可觀察到調(diào)制信號及其對應(yīng)的DSB信號波形。其波形如圖5-13所示,如果觀察到的DSB波形不對稱,應(yīng)微調(diào)8W01電位器。〔2DSB信號反相點觀察為了清楚地觀察雙邊帶信號過零點的反相,必須降低載波的頻率。本實驗可將載波頻率降低為100KHZ〔如果是DDS高頻信號源可直接調(diào)至100KHZ；如果是其它信號源,需另配100KHZ的函數(shù)發(fā)生器,幅度仍為200mv。調(diào)制信號仍為1KHZ幅度300mv。增大示波器X軸掃描速率,仔細觀察調(diào)制信號過零點時刻所對應(yīng)的DSB信號,過零點時刻的波形應(yīng)該反相,如圖5-14所示?！?DSB信號波形與載波波形的相位比較在實驗3〔2的基礎(chǔ)上,將示波器CH1改接8TP01點,把調(diào)制器的輸入載波波形與輸出DSB波形的相位進行比較,可發(fā)現(xiàn)：在調(diào)制信號正半周期間,兩者同相；在調(diào)制信號負半周期間,兩者反相。4.SSB〔單邊帶調(diào)制波形觀察單邊帶〔SSB是將抑制載波的雙邊帶〔DSB通過邊帶濾波器濾除一個邊帶而得到的。本實驗利用濾波與計數(shù)鑒頻模塊中的帶通濾波器作為邊帶濾波器,該濾波器的中心頻率114KHZ左右,通頻帶約12KHZ。為了利用該帶通濾波器取出上邊帶而抑制下邊帶。雙邊帶〔DSB的載波頻率應(yīng)取110KHZ。具體操作方法如下：將載波頻率為110KHZ,幅度300mv的正弦波接入載波輸入端〔8P01,將頻率為4KHZ,幅度300mv的正弦波接入音頻輸入端〔8P02。按照DSB的調(diào)試方法得到DSB波形。將調(diào)幅輸出〔8P03連接到濾波與計數(shù)鑒頻模塊中的帶通濾波器輸入端〔15P05,用示波器測量帶通濾波器輸出〔15P06,即可觀察到SSB信號波形。在本實驗中,正常的SSB波形應(yīng)為114KHZ的等幅波形,但由于帶通濾波器頻帶較寬,下邊帶不可能完全抑制,因此,其輸出波形不完全是等幅波。5．AM〔常規(guī)調(diào)幅波形測量〔1AM正常波形觀測在保持輸入失調(diào)電壓調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上,將開關(guān)8K01置"on"〔往上撥,即轉(zhuǎn)為正常調(diào)幅狀態(tài)。載波頻率仍設(shè)置為2MHZ〔幅度200mv,調(diào)制信號頻率1KHZ〔幅度300mv。示波器CH1接8TP02、CH2接8TP03,即可觀察到正常的AM波形,如圖5-15所示。圖5-15調(diào)整電位器8W03,可以改變調(diào)幅波的調(diào)制度。在觀察輸出波形時,改變音頻調(diào)制信號的頻率及幅度,輸出波形應(yīng)隨之變化。下圖為用示波器測出的正常調(diào)幅波波形：〔2不對稱調(diào)制度的AM波形觀察在AM正常波形調(diào)整的基礎(chǔ)上,改變8W02,可觀察到調(diào)制度不對稱的情形。最后仍調(diào)到調(diào)制度對稱的情形。下圖為用示波器測出的不對稱調(diào)幅波波形：〔3過調(diào)制時的AM波形觀察在上述實驗的基礎(chǔ)上,即載波2MHZ幅度200mv,音頻調(diào)制信號1KHZ幅度300mv,示波器CH1接8TP02、CH2接8TP03。調(diào)整8W03使調(diào)制度為100%,然后增大音頻調(diào)制信號的幅度,可以觀察到過調(diào)制時AM波形,并與調(diào)制信號波形作比較。下圖為調(diào)制度為100%和過調(diào)制的AM波形：