【導(dǎo)讀】在模擬通信與射頻實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，理解信號(hào)調(diào)制原理是掌握現(xiàn)代通信系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。其中，平衡調(diào)制器作為一種高效電路，其核心功能是產(chǎn)生抑制載波的雙邊帶（DSBSC）信號(hào)——即在輸出中巧妙移除射頻載波分量，僅保留攜帶信息的和頻與差頻分量。這種調(diào)制方式在保留全部信息的前提下，顯著降低了傳輸功耗，是深入理解頻譜效率與調(diào)制解調(diào)技術(shù)的經(jīng)典實(shí)踐課題。本次ADALM2000實(shí)驗(yàn)活動(dòng)將以經(jīng)典的二極管環(huán)形調(diào)制器為實(shí)踐對(duì)象，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者親手搭建電路，觀察并分析DSBSC信號(hào)的生成與特性，從而深化對(duì)調(diào)制理論的認(rèn)識(shí)。
目標(biāo)
本次實(shí)驗(yàn)旨在幫助了解二極管環(huán)形調(diào)制器的工作原理，探討它的典型應(yīng)用，并掌握生成雙邊帶抑制載波(DSBSC)信號(hào)的基本方法。
材料
? ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊
? 無(wú)焊試驗(yàn)板
? 四個(gè)100 Ω電阻
? 兩個(gè)1 kΩ電阻
? 四個(gè)1N914二極管
? 兩個(gè)三線并繞變壓器（如有）
背景知識(shí)
在模擬通信與射頻實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，理解信號(hào)調(diào)制原理是掌握現(xiàn)代通信系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。其中，平衡調(diào)制器作為一種高效電路，其核心功能是產(chǎn)生抑制載波的雙邊帶（DSBSC）信號(hào)——即在輸出中巧妙移除射頻載波分量，僅保留攜帶信息的和頻與差頻分量。這種調(diào)制方式在保留全部信息的前提下，顯著降低了傳輸功耗，是深入理解頻譜效率與調(diào)制解調(diào)技術(shù)的經(jīng)典實(shí)踐課題。本次ADALM2000實(shí)驗(yàn)活動(dòng)將以經(jīng)典的二極管環(huán)形調(diào)制器為實(shí)踐對(duì)象，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者親手搭建電路，觀察并分析DSBSC信號(hào)的生成與特性，從而深化對(duì)調(diào)制理論的認(rèn)識(shí)。
最常見(jiàn)的平衡調(diào)制器之一是二極管環(huán)形調(diào)制器，也稱(chēng)為格型調(diào)制器。它由四個(gè)最初呈環(huán)形排列的二極管（因此得名）及輸入和輸出變壓器組成。調(diào)制器有兩個(gè)輸入：一個(gè)單頻載波和一個(gè)調(diào)制信號(hào)，后者可以是單頻或復(fù)雜波形。載波施加于輸入和輸出變壓器的中心抽頭，調(diào)制信號(hào)施加于輸入變壓器的初級(jí)。然而，輸出在輸出變壓器的次級(jí)端被測(cè)量。圖1顯示了兩種不同電路方向的二極管環(huán)形調(diào)制器。
圖1.二極管環(huán)形調(diào)制器
二極管環(huán)形調(diào)制器是電子通信中使用最廣泛的電路之一。除了生成DSBSC信號(hào)外，它還用于頻率和相位調(diào)制系統(tǒng)及數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，例如PSK和QAM。
環(huán)形調(diào)制器中二極管的方向不得與二極管橋式整流器的方向混淆。它們可能呈現(xiàn)類(lèi)似的環(huán)形，但環(huán)形調(diào)制器的所有二極管都朝順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较?，而橋式整流器的二極管則朝左或右。
工作原理
二極管環(huán)形調(diào)制器中使用的二極管可以是硅二極管、硅肖特基勢(shì)壘二極管或砷化鎵二極管。這些二極管用作開(kāi)關(guān)，控制輸入信號(hào)是否以180°相位反轉(zhuǎn)的方式通過(guò)。載波信號(hào)以高速率控制二極管的通斷。務(wù)必明白，為使調(diào)制器正常工作，載波的幅度必須顯著大于調(diào)制信號(hào)的幅度，通常需要高出約六到七倍。
圖2.正半周操作
在正半周期間，D1和D2正偏導(dǎo)通，而D3和D4反偏開(kāi)路。載波電流在輸入變壓器的次級(jí)中心抽頭處均勻分配，并沿相反方向通過(guò)繞組的上半部分和下半部分。上部和下部的電流各自產(chǎn)生一個(gè)大小相等但方向相反的磁場(chǎng)。因此，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，載波被抑制。結(jié)果，調(diào)制信號(hào)從輸入變壓器通過(guò)D1和D2傳送到輸出變壓器，相位不反轉(zhuǎn)。圖2顯示了調(diào)制器的正半周操作。
圖3.負(fù)半周操作
圖3展示了二極管環(huán)形調(diào)制器的負(fù)半周操作。二極管D1和D2反偏關(guān)斷，而D3和D4正偏導(dǎo)通。同樣的現(xiàn)象再次出現(xiàn)在載波電流上。它在輸出變壓器的初級(jí)均勻分配，兩個(gè)電流產(chǎn)生大小相等但方向相反的磁場(chǎng)。這兩個(gè)電流在輸入變壓器的次級(jí)合并，磁場(chǎng)相互抵消，載波被抑制。調(diào)制信號(hào)通過(guò)輸入變壓器并發(fā)生180°相位反轉(zhuǎn)，然后到達(dá)輸出變壓器。
圖4以時(shí)序圖的形式顯示了二極管環(huán)形調(diào)制器的波形。
圖4.二極管環(huán)形調(diào)制器波形：(a)調(diào)制信號(hào)，(b)載波信號(hào)，(c)輸出變壓器初級(jí)處的DSBSC信號(hào)，(d)濾波后的DSBSC波形。
在二極管環(huán)形調(diào)制器的輸出波形中，載波信號(hào)被抑制，輸出由輸入頻率的和頻與差頻組成。這些RF脈沖以載波信號(hào)的頻率為周期，復(fù)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的形狀和幅度。理想情況下，載波信號(hào)會(huì)被完全抑制。但實(shí)際上，這種情況不會(huì)真正發(fā)生。輸出信號(hào)總是會(huì)伴隨一個(gè)小的載波分量，這被稱(chēng)為載波泄漏。這種現(xiàn)象由幾個(gè)原因引起：其一，變壓器的中心抽頭位置不夠精確；其二，二極管未完全匹配。
硬件設(shè)置
圖5.二極管環(huán)形調(diào)制器試驗(yàn)板電路
在無(wú)焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖5所示的電路。使用1N914快速開(kāi)關(guān)二極管搭建二極管環(huán)路。將W1設(shè)置為1 kHz正弦調(diào)制信號(hào)，其峰峰值幅度為1 V，將W2設(shè)置為10 kHz正弦載波，其峰峰值幅度為3 V。輸入和輸出變壓器需要1:2的匝數(shù)比。您可以嘗試其他變壓器匝數(shù)比，并將輸出結(jié)果加以比較。本實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)采用HP3、HP4、HP5或HP6繞組布局的Hexa-Path Magnetics變壓器。如果沒(méi)有，您可以使用LTspice?仿真繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。
程序步驟
觀察電路的輸出波形。它應(yīng)該類(lèi)似于圖6所示的仿真波形。
圖6.DSBSC波形
問(wèn)題
1. 改變輸入和輸出變壓器的匝數(shù)比。觀察并比較輸出波形。
2. 將電路中W1和W2的位置互換。將其與原始輸出波形進(jìn)行比較。輸出波形發(fā)生了什么變化？
簡(jiǎn)化二極管環(huán)形調(diào)制器
圖7.簡(jiǎn)化的無(wú)變壓器二極管環(huán)形調(diào)制器
如圖7所示，我們可以從傳統(tǒng)二極管環(huán)形調(diào)制器中去掉變壓器，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。通過(guò)使用ADALM2000和兩個(gè)低阻值輸入電阻R1和R2（從而無(wú)需輸入變壓器），將載波和調(diào)制信號(hào)的和頻與差頻送入二極管環(huán)的兩個(gè)相對(duì)結(jié)點(diǎn)。輸出可以在高阻值輸出電阻R3和R4兩端測(cè)量。這些電阻取代輸出變壓器。
圖8.簡(jiǎn)化的無(wú)變壓器二極管環(huán)形調(diào)制器的試驗(yàn)板連接
硬件設(shè)置
這種無(wú)變壓器版本的二極管環(huán)形調(diào)制器很容易通過(guò)ADALM2000的信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)：在一個(gè)結(jié)點(diǎn)提供載波與調(diào)制信號(hào)的和頻，在另一個(gè)結(jié)點(diǎn)提供差頻。設(shè)置試驗(yàn)板，將第一個(gè)波形發(fā)生器W1的輸出連接到R1的另一端，第二個(gè)波形發(fā)生器W2的輸出連接到R2的另一端。示波器輸入1+連接到D1、D3和R4的結(jié)點(diǎn)。示波器輸入1-連接到鏈接D2、D4和R3的節(jié)點(diǎn)。最后，將R3和R4之間的節(jié)點(diǎn)連接到地。連接參見(jiàn)圖8。
程序步驟
本實(shí)驗(yàn)將使用波形公式為fc = 3sin(10kt)的載波和公式為fm = 0.5sin(1kt)的調(diào)制信號(hào)。最初，這兩個(gè)波形相乘，輸出信號(hào)是兩者的乘積。其中包含上邊帶頻率fusf和下邊帶頻率flsf。具體的定義為：
fusf = fc + fm flsf = fc – fm，其中：
? fc = 載波信號(hào)
? fm = 調(diào)制信號(hào)
對(duì)于這種簡(jiǎn)化方法，我們直接將邊帶饋送到輸入端。注意載波和調(diào)制信號(hào)：對(duì)于上邊帶，有f(t) = 3sin(10kt) + 0.5sin(1kt)；對(duì)于下邊帶，有f(t) = 3sin(10kt)–0.5sin(1kt)。
在信號(hào)發(fā)生器中：對(duì)于W1 (Ch1)，設(shè)置公式f(t) = (3 × sin(10×t)) + (0.5 × sin(t))，頻率為1 kHz；對(duì)于W2，設(shè)置f(t) = (3 × sin(10×t))–(0.5 × sin(t))，頻率同樣為1 kHz。在示波器中，水平軸設(shè)置為200 μs/div，垂直軸設(shè)置為500 mV/div。運(yùn)行信號(hào)發(fā)生器和示波器，觀察波形。結(jié)果應(yīng)該與圖9中的波形相似。
圖9.簡(jiǎn)化的無(wú)變壓器二極管環(huán)形調(diào)制器
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