東北大学 工学研究科 電気・情報系 2016年8月実施 専門科目 問題2 通信工学(半波整流のフーリエ解析)
Author
祭音Myyura (co-authored with GPT 5.6 SOL)
Description
変調信号 s(t) および搬送波 cos(2πfct) を用いた振幅変調を考える.これらにより生成される振幅変調波を gAM(t)={1+m⋅s(t)}cos(2πfct) とする.Fig. 2 はこの変調波 gAM(t) を復調する整流検波器である.ただし LPF は低域通過フィルタを表し,0<m≤1 であるとする.このとき,以下の問に答えよ.

(1) 回路素子 A および B にはそれぞれ何を用いるべきか答えよ.
(2) Fig. 2 の節点 X における波形 g^AM(t) は次式で与えられる.
g^AM(t)={1+m⋅s(t)}q(t)
q(t)={cos(2πfct)0(n−1/4)/fc≤t≤(n+1/4)/fc のときその他
(a) s(t)=cos(2πfmt) (0<fm≪fc) であるとき,g^AM(t) の概形を図示せよ.
(b) q(t) をフーリエ級数に展開し,
q(t)=π1−π2n=1∑∞4n2−1(−1)ncos(4πnfct)
となることを示せ.
(3) 変調信号 s(t) が周波数帯域 [−fm,fm] に帯域制限されており,LPF の帯域幅が B (fm≪B≪fc) であるとき,LPF の出力 gˉAM(t) を求めよ.
(4) Fig. 2 の節点 Y における出力 vo(t) を求めよ.
题目描述
考虑利用调制信号 s(t) 和载波 cos(2πfct) 进行的振幅调制。设由此产生的调幅波为 gAM(t)={1+m⋅s(t)}cos(2πfct)。上方 Fig. 2 是对该调幅波 gAM(t) 进行解调的整流检波器。其中 LPF 表示低通滤波器,并设 0<m≤1。回答下列问题。
(1) 电路元件 A、B 分别应采用什么元件?
(2) Fig. 2 中节点 X 处的波形 g^AM(t) 由下式给出:
g^AM(t)={1+m⋅s(t)}q(t),
q(t)={cos(2πfct)0(n−1/4)/fc≤t≤(n+1/4)/fc,其他情况.
(a) 当 s(t)=cos(2πfmt) (0<fm≪fc) 时,画出 g^AM(t) 的大致波形。
(b) 将 q(t) 展开成傅里叶级数,证明
q(t)=π1−π2n=1∑∞4n2−1(−1)ncos(4πnfct).
(3) 当调制信号 s(t) 限带于频率区间 [−fm,fm],且 LPF 的带宽为 B (fm≪B≪fc) 时,求 LPF 的输出 gˉAM(t)。
(4) 求 Fig. 2 中节点 Y 处的输出 vo(t)。
Kai
(1)
A 为二极管,正向从输入指向节点 X,以保留载波的正半周;B 为串联隔直电容,与输出电阻构成高通,去除包络的直流分量。理想恢复消息时,其截止频率应远低于需要保留的消息频率。
(2)
(a)
g^AM(t)=[1+mcos(2πfmt)]max{cos(2πfct),0}.
正半周保留,负半周为零,各正峰位于包络 1+mcos(2πfmt) 下。

(b)
令 u=2πfct,写成 q=a0/2+∑k≥1akcosku。偶对称性给出所有正弦系数为零,且
ak=π2∫0π/2cosucoskudu.
于是
a0=π2,a1=21,a2n=−π(4n2−1)2(−1)n,a2n+1=0 (n≥1).
因此,傅里叶级数为
q(t)=π1+21cos(2πfct)−π2n=1∑∞4n2−1(−1)ncos(4πnfct).
原題 (2)(b) の表示式には 21cos(2πfct) の項が欠けている。上式は,問題で定義された半波整流波形 q(t) のフーリエ級数である。
(3)
除常数项 1/π 外,其余谐波及边带均在低通带外,故
gˉAM(t)=π1+ms(t).
(4)
直流隔离去掉常数项。若消息为零均值,则
vo(t)=πms(t).
一般情形为 vo(t)=m[s(t)−s]/π,其中 s 为消息的直流分量。
Reference