第四章 信号传输电路

第四章信号传输电路第四章信号传输电路 (1)4.4.1 模拟和数据通信系统概述 (2)4.4.2 模拟调制与解调电路 (6)4.4.3 集成锁相环及其应用 (13)4.4.1 模拟和数据通信系统概述一、简介以前讲的通信，通常是指通过电线和空间电磁波实现。

随着现代技术的发展，通信的信道频率越来越高，除长波、中波、短波通信以外，还有移动通信、微波通信(其频率范围在300MHz～300GHz)、卫星通信。

通信用的介质也由电线、电缆、同轴电缆、到光纤通信。

电子计算机的出现后，又使模拟通信快速地发展为数字通信。

下图是一个通信系统的典型框图：通信方式：模拟通信方式：构成模拟通信系统：设法保持基带信号不失真，电路全为模拟电路组成(放大、调制、解调等)。

数字通信方式：构成数字通信系统：数据传输的高可靠性，严格的通信协议和标准。

二、模拟信号传输其过程一般为：将包含要传输信息的基带电信号进行调制(用高频信号运载要传输的信号《高频信号也称载波》)T发射T接收端接收(解调即还原出原来的信息)。

模拟信号的调制分模拟正弦调制和模拟脉冲调制。

1．拟正弦调制幅度调制AM：调幅波-普通的调幅广播。

频率调制FM：调频波-调频广播。

相位调制PM：调相波-特殊用场。

2．模拟脉冲调制此时，载波是脉冲波，调制波可以是正弦或其它波形，根据载波信号的参量随调制波而改变的情况，可分为脉冲波调制、脉冲幅度调制PAM(信号检测)、脉冲宽度调制PWM(各种开关电源)、脉冲脉位调制PPM(锁相)。

在通信系统中要求在同一信道中能传送多个基带(调制波信号)信号，采用将各个基带信号调制到不同的载波频率上。

例如，广播电台中波段，中央人民广播电台一套是560kHz，浙江人民广播电台810kHz等，560kHz、810kHz是指载波频率。

这个技术称为频分复用(Frequency – division multiplexing<FDM>)。

但是，为了分开是那个电台的信号，必须让各载波的频率间隔足够大，使各已调信号的频谱之间有一定的间隔，这间隔称为防护频带。

其作用是避免已调信号频谱间的相互干扰，也有利接收端分离不同的基带信号。

我国规定：调频广播电台的各载频间隔不能小于9kHz。

三、数字信号的传输数字通信比模拟通信有更多的优越性，如数字信号的抗干扰能力强，能纠正传输过程中的错误，易于加密和用计算机对数字信号进行处理等。

所以，通常将模拟信号先转换成数字信号后，再进行传输。

而接收端将接收到的数字信号再变换成模拟信号。

目前，由于通信设备大量的还是模拟系统，为了能利用模拟系统来传输数字信号，因此，必须在模拟系统中加入调制解调器(Modem)。

为了能在模拟信道上传输数据，需按下面的原则进行信号变换：变换后的信号要适应信道特征—即新信号所含的频率成分要在模拟通道的通频带以内，新信号也必须包含全部的数据信息。

采用调制解调器可以实现这种要求。

不同的调制解调器，实现了不同的信号变换方法。

在反映正弦波的幅度、频率和相位调制中，将产生相应的三种调制信号，如图所示：从图可知：三种调制信号(调幅、调频和调相信号)都具有二个共同的特性：⑴与数据信号相比，三个波形虽都发生了变化，但三个新波形的频率成分都集中在信道的通频带内；⑵待传送的数据信息分别包含在新信号的幅度、频率和相位之中。

例如：频移键控调制法是一种频率调制，其基本思路是：把数字信号的“0”和“1”调制成易于鉴别的两种不同的频率，如图所示。

两路调制信号在数据开关的控制下，依次送到反相求和放大器，则在运放的输出，得到调制后的信号(该信号包含了“0”和“1”信息)。

四、数据传输方式1 . 并行传输和串行传输构成各数据代码的各数据位分别在不同的并行信道上同时传输→并行传输。

构成各数据代码的各数据位串行排列成数据流，在一条信道上传输→串行传输。

并行传输时，其设备成本都较高，且不宜远距离传输，但速度快；串行传输简单，一条传输线，适合远距离传输，但速度慢。

2 . 异步传输和同步传输为了有效地表示一个信息，常用有限量的比特组合来代表字符，再4.4.2 模拟调制与解调电路一、正弦信号的幅度调制用低频调制电压去控制高频载波信号的幅度的过程称为幅度调制(或调幅)。

既然高频载波的幅度随低频调制波而变，所以已调波同样随时间而变。

即有式中m是调幅波的调制系数(调幅度)。

，，同时当m＜1时，实现了不失真的调制，而当m＞1时，调制后的波形包络线，将与调制波不同，即产生了失真，或称超调。

利用三角公式将调制波表达式展开，可得：式子表明，载波信号经单一信号调制后将出现三个频率分量，即载波频率分量fc，上边频分量fc+F，下边频分量fc-F。

其频谱图如图所示：由频谱图可见，幅度调制在频域上是将调制信号F搬移到了载频的两边，其实质是一种频率变换。

其带宽为：在实际应用中，调制信号不是单一频率，例如：我们的讲话的语音信号，其信号频率为几百至几千赫，经调制后，各个频率产生了各自的上边频和下边频，叠加后形成了上边带和下边带，如图所示：图中上下边频幅度相等，对称出现，这时调幅波的带宽为：是调制信号频率的二倍调幅波中各频率分量的功率关系：将已调波加在负载电阻两端时，可以得到载波功率PC和每个边频分量功率P1、P2。

载波功率，上下边频功率。

在调制信号一周期内的平均功率为：。

式子表明：调幅波的输出功率随m增大而增大。

当m=1时，。

这表明，在m=1时，包含信息的边频功率仅为不包含信息的载波功率的一半。

这将能量损失掉了，很不经济。

通常把这种调幅制称为普通调幅制(AM)。

这种调制对接收机可以简单，所以无线电广播仍采用。

由于载波只是一运动载信息的工具，不包含有用信息。

所以在发送时为节约功率，可以只发送边带信号，而不发送载波。

这种情况称为抑制载波的双边带(DSB)信号发送。

它可以看成是调制信号和高频载波信号相乘得到：K为乘法系数。

由于上下边带对称，为节省频带，采用抑制载波的单边带(SSB)信号发送，其表达式为：或二、调幅波的解调电路(检波器)调幅波的解调过程(不失真地还原信息)通常称为检波，实现该功能的电路也称振幅检波器(简称检波器)，它仍然是一种频谱搬移过程。

从原理上讲，要将包含调制波信息的已调波中还原出调制波信息，必须要有非线性器件，使之产生新的频率分量，并把高频载波的高频分量滤除，因此，振幅检波器的组成框图如图所示：在各种幅度调制中，由于波形差异和频谱结构的不同，其解调的方法也不同，但基本的解调方法是两种：包络线检波和同步检波。

包络线检波：把反映调制信号信息规律的已调波的包络线检测出来。

图示是最常见的二极管包络线检波电路。

检波电路的基本原理：当输入电压大于电容上电压时，电容充电，输入电压小于电容器上电压时，电容放电，充电快，放电慢，达到平衡时，电容上的电压将会不失真地跟随已调波的包洛线变化，再经隔直就会输出调制波信号。

对于DSB—双边带波和SSB—单边带波，它们的包络线不反映调制信号的变化规律，也就不能用包络线检波器。

而是用同步检波器来实现。

三、调频与鉴频1. 调频(FM)原理高频载波的频率随调制信号幅度的增大而变化(增加)，其载波信号的幅度不变。

由高频载波和调制信号得已调波的角频率：调频波任一时刻的相角：所以调频波为：由已调波的角频率可知，角频率的最大偏移为：令，则调频指数：所以已调频波形式有：2. 调频(FM)的基本方法主要有直接调频和间接调频两种⑴直接调频法：通过直接改变振荡回路的参数(L and C)来获得调频信号。

其优点是：容易调制，但中心频率不稳定。

⑵间接调频法：用调相来实现调频，中心频率稳定，但线路复杂。

3. 变容二极管调频器—直接调频法因变容二极管的等效电容随二端反压而变，而反向电压随调制信号电压而变化，从而变容二极管的电容量也随调制电压而变化，实现了调频。

4. 调频波的解调—鉴频器将已调频波(高频)还原成低频信号，即把频率的变化变换成电压变化，这种电路称频率检波器(鉴频器)。

要求鉴频器的特性曲线如下：输入是调频信号，最大频偏为：经过鉴频后，就得到了正弦调制电压信号。

为了能得到不失真的正弦调制信号，要求在已调频波的最大频偏范围内，鉴频器的电压/频率特性有良好的线性特性，而且斜率要大。

常见的鉴频器有斜率鉴频器、参差调谐鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器、RC鉴频器等。

图示电路是一个斜率鉴频器，又称回路鉴频器。

鉴频的基本思路是，通过回路对调频波的载频产生适当的失谐而起鉴频作用。

将调频波送至LC谐振电路，产生失谐后的调频—调幅波，再用幅度检波器将中的调制信号检出。

四、脉冲宽度调制脉宽调制(PWM)：用连续的低频调制信号去调制序列脉冲的脉宽。

其调制原理如图所示：双运放组成脉宽调制电路，由积分器和模拟比较器组成。

当方波载波信号和调制信号加入后，各点波形如图所示：载波信号经积分后的三角波与低频调制波比较，决定了输出的脉宽。

调制信号是低频正弦时，称为正弦脉宽调制(SPWM)。

4.4.3 集成锁相环及其应用电路功能是：实现相位锁定和相位控制—实现无频差的相位跟踪和频率跟踪。

是一种消除频率误差的由相位反馈控制的闭环系统。

锁相环有模拟和数字锁相环，还有全数字锁相环，可以是硬件锁相环，也可以用软件实现。

一、锁相环的电路结构和工作原理锁相环电路框图如图所示：它的主要思路是如何利用相位误差实现无频差的频率跟踪。

其原理用下图的旋转矢量加以说明。

旋转矢量和分别是鉴相器的两个输入信号、。

它们的瞬时角速度和瞬时角位移为：，和，只有当两个旋转矢量以相同的角速度旋转时(即)，两者之间的相位差才能保持某定值。

该定值相位经鉴相器后变换成对应的直流电压，去控制VCO的振荡角频率，使其稳定地振荡在与输入参考信号相同的角频率上。

这种情况称之为相位锁定。

反之，两者角频率不等，相位差不恒定，称为失锁。

如，则比旋转得慢些，瞬时相位差将随时间增大，此时鉴相器产生的误差电压也相应变化。

该误差电压经环路滤波器，去控制压控振荡器的频率，使其增大，因而瞬时相位差也将减小。

经过不断地循环，矢量的旋转角速度逐渐加快，直到与旋转角速度相同，这时环路再次锁定，瞬时相位差为恒值。

1. 鉴相器分析令鉴相器的两个输入电压为单一的正弦，且频率不等。

则两个信号与压控振荡器未加控制电压时的相位差为：，则：如用模拟乘法器组成乘积型鉴相器时，其鉴相器的输出误差电压为：，其中是鉴相器增益，为常数。

2. 环路滤波器它是一个低通滤波器，滤除干扰和其它频率分量，提高信噪比。

设环路滤波器的传递函数为：s用微分因子代入后：，3. 压控振荡器在一定的控制电压下，VCO的振荡角频率与其控制电压有线性关系：所以压控振荡器的输出信号相位：并得：可见：VCO的振荡角频率与控制电压成线性关系，其瞬时相位变化与却是积分关系。

因此，对锁相环讲，VCO被看成一个积分器。