AM信號平衡調(diào)制器介紹

了解平衡調(diào)制器在生成DSB-SC和傳統(tǒng)AM信號時如何解決平方律調(diào)制器的缺點(diǎn)。

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。然而，只有當(dāng)非線性元件的輸入-輸出特性中的線性項和二階項都不為零時，它才能產(chǎn)生DSB-SC信號。

在實踐中，情況通常并非如此。此外，實際非線性元件的三次非線性會在平方律調(diào)制器的輸出端產(chǎn)生不期望的信號分量。即使在生成傳統(tǒng)AM信號時也是如此。

在本文中，我們將討論如何通過在平衡配置中使用兩個平方律設(shè)備來解決這些問題。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。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)制器通過將消息信號m（t）和載波c（t）之和發(fā)送通過非線性器件，然后通過適當(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)制器無法產(chǎn)生DSB-SC信號。如前所述，這在實踐中不會發(fā)生。

方程1的另一個局限性是它只包括α1和α2。同時，實際的非線性器件在其冪級數(shù)展開中通常包含超過二階的非線性項。這些高階項會在調(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方程式4中的三次項（m（t）+cos（?ct）），輸出端出現(xiàn)的分量：

方程式5

我們可以將這個方程的結(jié)果分解如下：

第一項 ${\alpha }_3{m}^3\left(t\right)$生成以f=0為中心的光譜分量。

第二項3α3m3(t)cos(ωct)以f=fc為中心。

第三項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中的三角恒等式來仔細(xì)研究第四項。

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的第一項將頻率為fc的消息信號的平方與所需的AM波相加。由于該分量會干擾AM波，因此需要一個非線性器件，其高階系數(shù)（n≥3時為?n）與9082》2相比可以忽略不計。否則，我們需要限制輸入信號的幅度，以保持高階非線性項相對較小。

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。我們將在本文后面回過頭來討論它如何處理上述不需要的信號分量。

利用平衡調(diào)制器產(chǎn)生DSB-SC信號

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，平衡調(diào)制器包含兩個相同的平方律調(diào)制器——平衡調(diào)制器的兩個信號路徑各一個。一條路徑接收消息信號m（t）；另一條路徑被饋送消息信號的反轉(zhuǎn)形式-m（t）。非線性器件的輸出信號相互相減，然后將得到的信號通過帶通濾波器。

為了了解平衡配置如何在?1≠0的情況下產(chǎn)生DSB-SC信號，讓我們暫時拋開器件的三次非線性。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)兩個加法器輸出端的信號為：

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為：

方程式10

在上述方程中用-m（t）替換m（t）會在較低非線性器件的輸出端產(chǎn)生信號：

方程式11

從y1（t）中減去y2（t），我們得到信號z1（t）：

方程式12

在上述方程中，第一項是基帶信號。第二項是以fc為中心的期望DSB-SC信號。帶通濾波器調(diào)諧到fc，只允許AM信號通過輸出，產(chǎn)生以下方程式：

方程式13

這是一個DSB-SC信號，因此施加到輸入端的載波不會出現(xiàn)在最后一個加法器的輸出端。相反，該電路相對于輸入c（t）=cos（?ct）起著平衡電橋的作用。電路的另一個輸入m（t）出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)z1處（方程式12）。

因為它只相對于一個輸入端是平衡的，所以我們將電路稱為單個平衡調(diào)制器。在雙平衡調(diào)制器中，兩個輸入都被抵消。輸出端只有消息信號和載波的乘積可用。

高階非線性項對平衡調(diào)制器的影響

接下來，讓我們看看當(dāng)非線性器件在其冪級數(shù)展開中包含三次項時會發(fā)生什么。三次項在節(jié)點(diǎn)y1處產(chǎn)生以下不期望的信號分量：

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)消息信號不會影響不需要的術(shù)語。相反，由于不期望的項存在于節(jié)點(diǎn)y1和y2處，因此它們在減法時在輸出處相互抵消。

請注意，平衡調(diào)制器中的兩個非線性器件應(yīng)表現(xiàn)出大致相同的特性。否則，它們將無法消除不需要的信號分量。

用平衡調(diào)制器產(chǎn)生傳統(tǒng)AM信號

到目前為止，我們只討論了DSB-SC信號的平衡調(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。

我們對平衡調(diào)制器的分析對輸入消息信號沒有限制。

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。如圖3所示。

圖3使用平衡調(diào)制器生成傳統(tǒng)AM信號

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信號時，重要的是要記住，對于特定范圍的輸入值，實際的非線性元件可能會表現(xiàn)出平方律特性。例如，只有當(dāng)輸入為正時，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)時可以實現(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。

一種實用的平衡調(diào)制器電路

讓我們通過簡要檢查一個示例電路實現(xiàn)來結(jié)束我們的討論（圖4）。

圖4平衡調(diào)制器的示例電路實現(xiàn)

該電路使用變壓器將載波與消息信號組合在一起。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，我們可以通過節(jié)點(diǎn)A（vA）處的電壓來近似二極管兩端的電壓。然后，通過二極管（I1）的電流可以用功率級數(shù)來描述：

方程式17

這與我們之前在分析通用平衡調(diào)制器時使用的三階表達(dá)式相同。

關(guān)鍵要點(diǎn)

我們可以在平衡配置中使用兩個平方律器件來生成DSB-SC或傳統(tǒng)AM信號。然而，在后一種情況下，非線性元件的輸入范圍限制會限制可實現(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——它消除了實際非線性元件產(chǎn)生的（潛在的重要）不期望的信號分量。