AM信號(hào)平衡調(diào)制器介紹
了解平衡調(diào)制器在生成DSB-SC和傳統(tǒng)AM信號(hào)時(shí)如何解決平方律調(diào)制器的缺點(diǎn)。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202501/466252.htm在本系列的前一篇文章中,我們學(xué)習(xí)了平方律調(diào)制器如何利用電子元件的二階非線性來(lái)產(chǎn)生AM波。理論上,這種類型的調(diào)制器電路可以產(chǎn)生傳統(tǒng)的AM和雙邊帶抑制載波(DSB-SC)信號(hào)。然而,只有當(dāng)非線性元件的輸入-輸出特性中的線性項(xiàng)和二階項(xiàng)都不為零時(shí),它才能產(chǎn)生DSB-SC信號(hào)。
在實(shí)踐中,情況通常并非如此。此外,實(shí)際非線性元件的三次非線性會(huì)在平方律調(diào)制器的輸出端產(chǎn)生不期望的信號(hào)分量。即使在生成傳統(tǒng)AM信號(hào)時(shí)也是如此。
在本文中,我們將討論如何通過(guò)在平衡配置中使用兩個(gè)平方律設(shè)備來(lái)解決這些問(wèn)題。這種被稱為平衡調(diào)制器的裝置可以產(chǎn)生DSB-SC和傳統(tǒng)AM信號(hào)。然而,在我們深入探討之前,讓我們更詳細(xì)地回顧一下平方律調(diào)制器及其局限性。
平方律調(diào)制器的局限性
圖1中的平方律調(diào)制器通過(guò)將消息信號(hào)m(t)和載波c(t)之和發(fā)送通過(guò)非線性器件,然后通過(guò)適當(dāng)調(diào)諧的帶通濾波器,產(chǎn)生AM波。
圖1平方律調(diào)制器的方框圖
在上一篇文章中,我們假設(shè)圖1中平方律裝置的輸入輸出特性由下式表示:
方程式1
在這種情況下,輸出端的常規(guī)AM信號(hào)由下式給出:
方程式2
其中調(diào)制指數(shù)為:
方程式3
除非方程1中的α1=0,否則平方律調(diào)制器無(wú)法產(chǎn)生DSB-SC信號(hào)。如前所述,這在實(shí)踐中不會(huì)發(fā)生。
方程1的另一個(gè)局限性是它只包括α1和α2。同時(shí),實(shí)際的非線性器件在其冪級(jí)數(shù)展開(kāi)中通常包含超過(guò)二階的非線性項(xiàng)。這些高階項(xiàng)會(huì)在調(diào)制器的輸出端產(chǎn)生不期望的分量。
為了理解這一點(diǎn),假設(shè)非線性器件的輸入輸出特性可以表示為:
方程式4
方程式5顯示了如果我們通過(guò)方程式4中的三次項(xiàng)(m(t)+cos(?ct)),輸出端出現(xiàn)的分量:
方程式5
我們可以將這個(gè)方程的結(jié)果分解如下:
第一項(xiàng) α3m3(t)α3m3(t)生成以f=0為中心的光譜分量。
第二項(xiàng)3α3m3(t)cos(ωct)以f=fc為中心。
第三項(xiàng)3α3m3(t)cos2(ωct)產(chǎn)生直流分量以及二次諧波(2fc)周圍的分量。
第四項(xiàng)α3cos3(ωct)產(chǎn)生基波(fc)和三次諧波(3fc)分量。
讓我們使用方程6中的三角恒等式來(lái)仔細(xì)研究第四項(xiàng)。
方程式6
由于非線性器件后面是調(diào)諧到fc的帶通濾波器,因此該三次項(xiàng)在載波頻率周圍產(chǎn)生以下附加分量:
方程式7
方程式7的第一項(xiàng)將頻率為fc的消息信號(hào)的平方與所需的AM波相加。由于該分量會(huì)干擾AM波,因此需要一個(gè)非線性器件,其高階系數(shù)(n≥3時(shí)為?n)與9082》2相比可以忽略不計(jì)。否則,我們需要限制輸入信號(hào)的幅度,以保持高階非線性項(xiàng)相對(duì)較小。
使用平衡調(diào)制器是另一種選擇。在下一節(jié)中,我們將介紹平衡調(diào)制器的基本原理,并解釋它如何產(chǎn)生DSB-SC信號(hào)。我們將在本文后面回過(guò)頭來(lái)討論它如何處理上述不需要的信號(hào)分量。
利用平衡調(diào)制器產(chǎn)生DSB-SC信號(hào)
圖2顯示了平衡調(diào)制器的框圖。
圖2平衡調(diào)制器的方框圖
如您所見(jiàn),平衡調(diào)制器包含兩個(gè)相同的平方律調(diào)制器——平衡調(diào)制器的兩個(gè)信號(hào)路徑各一個(gè)。一條路徑接收消息信號(hào)m(t);另一條路徑被饋送消息信號(hào)的反轉(zhuǎn)形式-m(t)。非線性器件的輸出信號(hào)相互相減,然后將得到的信號(hào)通過(guò)帶通濾波器。
為了了解平衡配置如何在?1≠0的情況下產(chǎn)生DSB-SC信號(hào),讓我們暫時(shí)拋開(kāi)器件的三次非線性。因此,非線性元件的輸入-輸出特性可以用下式描述:
方程式8
圖2左側(cè)兩個(gè)加法器輸出端的信號(hào)為:
方程式9
結(jié)合方程式8和9,上部非線性裝置輸出端的信號(hào)為:
方程式10
在上述方程中用-m(t)替換m(t)會(huì)在較低非線性器件的輸出端產(chǎn)生信號(hào):
方程式11
從y1(t)中減去y2(t),我們得到信號(hào)z1(t):
方程式12
在上述方程中,第一項(xiàng)是基帶信號(hào)。第二項(xiàng)是以fc為中心的期望DSB-SC信號(hào)。帶通濾波器調(diào)諧到fc,只允許AM信號(hào)通過(guò)輸出,產(chǎn)生以下方程式:
方程式13
這是一個(gè)DSB-SC信號(hào),因此施加到輸入端的載波不會(huì)出現(xiàn)在最后一個(gè)加法器的輸出端。相反,該電路相對(duì)于輸入c(t)=cos(?ct)起著平衡電橋的作用。電路的另一個(gè)輸入m(t)出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)z1處(方程式12)。
因?yàn)樗幌鄬?duì)于一個(gè)輸入端是平衡的,所以我們將電路稱為單個(gè)平衡調(diào)制器。在雙平衡調(diào)制器中,兩個(gè)輸入都被抵消。輸出端只有消息信號(hào)和載波的乘積可用。
高階非線性項(xiàng)對(duì)平衡調(diào)制器的影響
接下來(lái),讓我們看看當(dāng)非線性器件在其冪級(jí)數(shù)展開(kāi)中包含三次項(xiàng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么。三次項(xiàng)在節(jié)點(diǎn)y1處產(chǎn)生以下不期望的信號(hào)分量:
方程式14
為了找到由較低路徑產(chǎn)生的不期望的信號(hào)分量,我們應(yīng)該在上述方程中將m(t)替換為-m(t)。然而,很明顯,反轉(zhuǎn)消息信號(hào)不會(huì)影響不需要的術(shù)語(yǔ)。相反,由于不期望的項(xiàng)存在于節(jié)點(diǎn)y1和y2處,因此它們?cè)跍p法時(shí)在輸出處相互抵消。
請(qǐng)注意,平衡調(diào)制器中的兩個(gè)非線性器件應(yīng)表現(xiàn)出大致相同的特性。否則,它們將無(wú)法消除不需要的信號(hào)分量。
用平衡調(diào)制器產(chǎn)生傳統(tǒng)AM信號(hào)
到目前為止,我們只討論了DSB-SC信號(hào)的平衡調(diào)制器。但是傳統(tǒng)AM呢?
方程式15再現(xiàn)了用于生成傳統(tǒng)AM信號(hào)的基本方程式:
方程式15
為了使該方程適用于平衡調(diào)制器,我們注意到以下幾點(diǎn):
平衡調(diào)制器有效地充當(dāng)了乘法器。
我們對(duì)平衡調(diào)制器的分析對(duì)輸入消息信號(hào)沒(méi)有限制。
鑒于上述情況,我們可以理想地將具有任意調(diào)制指數(shù)的1+μm(t)應(yīng)用于平衡調(diào)制器,以產(chǎn)生傳統(tǒng)的AM信號(hào)。如圖3所示。
圖3使用平衡調(diào)制器生成傳統(tǒng)AM信號(hào)
用1+μm(t)代替方程13中的m(t,上述電路的輸出為:
方程式16
其為常規(guī)AM波。
當(dāng)使用平衡調(diào)制器創(chuàng)建傳統(tǒng)AM信號(hào)時(shí),重要的是要記住,對(duì)于特定范圍的輸入值,實(shí)際的非線性元件可能會(huì)表現(xiàn)出平方律特性。例如,只有當(dāng)輸入為正時(shí),非線性分量的輸出才可能與輸入的平方成正比。
如果是這樣的話,我們需要將非線性元件的輸入限制在設(shè)備表現(xiàn)出預(yù)期平方律響應(yīng)的范圍內(nèi)。這限制了使用圖3中的技術(shù)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)的調(diào)制指數(shù)。然而,我們可以根據(jù)需要增加調(diào)制指數(shù),方法是將輸入信號(hào)限制在允許的范圍內(nèi),然后從調(diào)制器輸出端的sout(t)中減去適當(dāng)縮放的載波版本。
一種實(shí)用的平衡調(diào)制器電路
讓我們通過(guò)簡(jiǎn)要檢查一個(gè)示例電路實(shí)現(xiàn)來(lái)結(jié)束我們的討論(圖4)。
圖4平衡調(diào)制器的示例電路實(shí)現(xiàn)
該電路使用變壓器將載波與消息信號(hào)組合在一起。所需的帶通濾波器采用LC諧振電路的形式,調(diào)諧到調(diào)制器輸出端的載波頻率。為了引入所需的非線性,使用了二極管。
圖4中通過(guò)二極管的電流與二極管兩端的電壓呈非線性關(guān)系。為了理解這一點(diǎn),讓我們假設(shè)節(jié)點(diǎn)C處的電壓遠(yuǎn)小于節(jié)點(diǎn)A處的電壓。如果是這樣的話,我們可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)A(vA)處的電壓來(lái)近似二極管兩端的電壓。然后,通過(guò)二極管(I1)的電流可以用功率級(jí)數(shù)來(lái)描述:
方程式17
這與我們之前在分析通用平衡調(diào)制器時(shí)使用的三階表達(dá)式相同。
關(guān)鍵要點(diǎn)
我們可以在平衡配置中使用兩個(gè)平方律器件來(lái)生成DSB-SC或傳統(tǒng)AM信號(hào)。然而,在后一種情況下,非線性元件的輸入范圍限制會(huì)限制可實(shí)現(xiàn)的調(diào)制指數(shù)。盡管如此,平衡調(diào)制器仍然比平方律調(diào)制器具有重要優(yōu)勢(shì)——它消除了實(shí)際非線性元件產(chǎn)生的(潛在的重要)不期望的信號(hào)分量。
評(píng)論