1、高頻電子線路王軍王軍汕頭大學電子工程系汕頭大學電子工程系6.2.3 同步檢波器同步檢波器 1乘積型同步檢波器 乘法器低通濾波器LPFuousur 乘積型同步檢波器框圖 coscoscos()coscos()cos ()2srsrcrsrrcrcu uU UtttU Utttt （1）DSB信號解調 設輸入信號為DSB信號,即us=Uscostcosct,本地恢復載波ur=Urcos(rt+),而且設r-c=c，則這兩個信號相乘為：(6-76)思想: 調制時是通過乘積運算將低頻信號頻譜搬移到 高頻段的,同樣,我們也可以通過乘積運算重新 將高頻已調信號頻譜搬移低頻信號被濾波器“濾除”經(jīng)低通濾波器的

2、輸出,且考慮r-c=c在低通濾波器頻帶內,有：cos()cosoocuUtt 可以看出，經(jīng)過乘法器，又把信號頻譜線性地從c兩側搬移到了到r-c和r-c兩側，如圖：圖 乘積型同步檢波器的頻譜(a)DSB信號頻譜；(b)相乘后信號頻譜c-r-cr+cr-c+r-c-r+c-r+c+cc+上邊帶上邊帶下邊帶下邊帶(a)(b)(6-77)由上式可以看出：當恢復載波與發(fā)射載波同頻同相時,即r=c,=0,則: uo=Uocost 輸出將無失真地將調制信號恢復出來。若恢復載波與發(fā)射載頻有一定的頻差,即r=c+c uo=Uocosctcost 引起振幅失真和頻率失真。若只有一定的相差,但頻率相同，則： uo=

3、Uocoscost 引如一個振幅衰減因子，使振幅減小注：若注：若為為pi/2的奇數(shù)倍時，有接收的奇數(shù)倍時，有接收到信號但解調值為到信號但解調值為0，即無輸出，即無輸出（2）SSB信號的解調信號的解調則：則：信號為：信號為：設設tUuSSBcss)cos( coscos()cos ()cos ()2srsrcrsrrcrcu uU UttU Utt （）當c=0,=0,則: uo=Uocost ，輸出將無失真恢復調制信號。當c0,=0則：uo=Uocos（-c)t 引起頻率失真。當c=0,0, 則：uo=Uocos(t-) 只改變相位，對單頻信號來說沒失真,對多頻信號有相位失真(線性失真).經(jīng)低

4、通濾波器的輸出,且考慮r-c=c在低通濾波器頻帶內,有：cos()oocuUt (6-78)(6-79) 111111221222coscos()coscos()oooouUtUtuUkkUtt 1122coscossuUtUt 0112212cos()cos()oouUtUt 造成線性失真中的造成線性失真中的相位失真相位失真.( )K 如果有的話（線性相位系統(tǒng)）則對各個頻率分量經(jīng)過系統(tǒng)之后延時的時間相同，即在時域上左右移動的量相同，均為K對對SSB信號的乘積型同步解調需要補充說明一點信號的乘積型同步解調需要補充說明一點:這在同步檢波上做不到，不失真就一定要載波信號與本振信號同頻同相位。在濾波

5、器、控制系統(tǒng)、放大電路設計的時候一定要注意怎么樣去減少相位失真。kKKKU調制靈敏度傳播過程中的衰減天線及小信號放大等環(huán)節(jié)放大倍數(shù)本地載波振幅顯然不會發(fā)生“幅度失真”10 k2 k10 k10 k10 k10 k10 kC2C1載波輸入7/15 pFT27/15 pFC4T1中頻輸入10 pF10 pFC3音頻輸出(a)220 pF(470 pF)220 pF(470 pF)0.01(0.005) (0.005)0.014.7 k中頻輸入9 MHz(455kHz)載頻輸入500500500 H(2.5 mH)0.01(b)中頻輸入470 pFE47 k470 k100 k22 pF0.011

6、k載頻0.011251 k0.014.7 k0.1u(c)0.0151f0 f1681 k1 k0.01輸出1120023中頻輸入22000.01載頻1.5 V0.0017100259 V(d)T112 V10 k 10 k 2 k2200 pF圖648 幾種乘積型解調器實際線路 2. 疊加型疊加型 疊加型同步檢波是將DSB或SSB信號插入恢復載波,使之成為或近似為AM信號,再利用包絡檢波器將調制信號恢復出來。如圖所示。ususururCR圖6-49 疊加型同步檢波器原理圖uo相加器低通濾波器usur包絡檢波器u1u2(a)(b)（1）疊加型）疊加型DSB信號檢波信號檢波 對DSB信號而言,只

7、要加入的恢復載波電壓在數(shù)值上滿足一定的關系,就可得到一個不失真的AM波。設：rcrrrcsstUuttUu 且且,cos,coscosttmUtUUtUttUtUuuucrscrcrcsrrsr cos)cos1()cos1(coscoscoscos1 顯然通過把輸入信號個插入載波相加，就可得到AM信號，通過包絡檢波器就可以恢復出調制信號。(6-82)(2) 疊加型疊加型SSB信號檢波信號檢波 設單頻調制的單邊帶信號(上邊帶)為：cos()coscossinsinsscscscuUtUttUtt (6-83)(cos)coscossinsincoscossinsin(cossinco )(s

8、)srscsscrmccrccccsUtBUtUuuUttUttUtttAUttttt 則：(6-84)rssUtUtUABt cossinarctanarctan)(式(6-84)中(6-85)22222222222222cossi(n)(cos)sin2cos2cos1()2cos12cosmsrsrrsrrsssrrrrsssUtABUtUUtUU UtUU UtUUUtUUUmmUtUUtt (6-86)上上式式可可近近似似為為：時時當當式式中中,1, mUUmrs)cos1(cos21)(tmUtmUtUrrm (6-87)泰勒級數(shù)展開，取一階近似可得( )(cos(1cos)c)o

9、s(srcrcmUtttuutUmtt 調幅調幅調角調角(調相或調頻調相或調頻) 既幅度調制，又角度調制的一個信號既幅度調制，又角度調制的一個信號但幅度信號包含于但幅度信號包含于“調制信號調制信號”成比例的信息成比例的信息可以通過包絡檢波方法得到這個幅度變化信可以通過包絡檢波方法得到這個幅度變化信號，實現(xiàn)解調號，實現(xiàn)解調. 可見把SSB信號和插入載波相加后，得到近似的AM波形，經(jīng)過包絡檢波可恢復出調制信號。 載波頻率有載波頻率有“時變時變”，即調頻又調幅的一個信號，即調頻又調幅的一個信號ususV D1V D2urCCRRUo1Uo2uo 圖650 平衡同步檢波電路 采用圖650所示的同步檢波

10、電路,可以減小解調器輸出電壓的非線性失真。它由兩個檢波器構成平衡電路。)cos1(1tmUKurdo 上檢波器的輸出為：(6-88)cos1(2tmUKurdo 下檢波器的輸出為：(6-89)tmUKuuurdooo cos221 則總的輸出：(6-90)注：平衡檢波器還有一個非常好的優(yōu)點是什么？直流分量沒有了我們原先針對直流分量是怎么辦的？隔直濾波多頻調制信號的最低頻率分量的頻率很小的時候濾波器的轉折頻率要很小，則要有一個大電容處理不當會造成底部切削失真3.恢復載波的方法恢復載波的方法（1）對于AM信號，可用一個限幅器，把信號變換成一個等幅信號。（從這里我們可以知道一個信號經(jīng)過一個非線性系統(tǒng)

11、后頻譜不一定變多或變豐富）（2）對于DSB信號，可采用倍頻和分頻方式。22222( )coscos(1)(cos2)2cos21sssccUutUtttt （3）對于DSB和SSB信號，還可加導頻方式平方窄帶濾波器取倍頻信號2分頻( )su t副載波（4）直接利用高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，直接產(chǎn)生副載波。無論是乘積型還是疊加性同步檢波都需要插入載波載波不同步則有可能造成失真“混頻混頻(mixing)”的提出：的提出：超外差接收機載波恢復濾波器要求SSB調制的濾波生成方法 6.3 混混 頻頻6.3.1 混頻的概述混頻的概述 混頻，又稱變頻，也是一種頻譜的線性搬移過程，它是使信號自某一個頻率變換成另一

12、個頻率。完成這種功能的電路稱為混頻器或變頻器(mixer)。1混頻器的功能混頻器的功能混頻器是頻譜線性搬移電路，是一個六端網(wǎng)絡。它有兩個輸入電壓，輸入信號us和本地振蕩信號uL，其工作頻率分別為fc和fL; 輸出信號為uI，稱為中頻信號，其頻率是fc和fL的差頻或和頻，稱為中頻fI，fI=fLfc(同時也可采用諧波的差頻或和頻)。由此可見，混頻器在頻域上起著減(加)法器的作用。嚴格來說這種說法是錯誤的！嚴格來說這種說法是錯誤的！“頻段上的加減”可能更為合適在超外差接收機中，混頻器將已調信號(其載頻可在波段中變化，如HF波段230MHz， VHF波段 3090MHz等)變?yōu)轭l率固定的中頻信號。混

13、頻器的輸入信號us、本振uL都是高頻信號，中頻信號也是已調波，除了中心頻率與輸入信號不同外，由于是頻譜的線性搬移，其頻譜結構與輸入信號us的頻譜結構完全相同。表現(xiàn)在波形上，中頻輸出信號與輸入信號的包絡形狀相同，只是填充頻率不同(內部波形疏密程度不同)。圖6-51表示了這一變換過程。這也就是說，理想的混頻器(只有和頻或差頻的混頻)能將輸入已調信號不失真地變換為中頻信號。1coscos1coscoscos11coscoscos2ccccLccLcLUmttUmtttUmtttcoscoscoscoscos1coscoscos2ccLccLcLAttAtttU Attt決定了包絡形狀決定了包絡形狀圖

14、 6-51 混頻器的功能示意圖中頻中頻fI與與fc、fL的關系有幾種情況的關系有幾種情況: 當混頻器輸出取差頻時，有fI=fLfc或fI=fcfL; 取和頻時有fI=fL+fc。當fIfc時，稱為向下變頻，輸出低中頻; 當fIfc時，稱為向上變頻，輸出高中頻。雖然高中頻比此時輸入的高頻信號的頻率還要高，仍將其稱為中頻。根據(jù)信號頻率范圍的不同，常用的中頻數(shù)值為: 465(455)、500 kHz; 1、1.5、4.3、5、10.7、21.4、30、70、140 MHz等。如調幅收音機的中頻為465(455) kHz; 調頻收音機的中頻為10.7 MHz，微波接收機、衛(wèi)星接收機的中頻為70MHz或

15、140 MHz，等等。這里所說的“中頻”概念和第一章中頻段劃分中的“中頻”概念不一樣，其實這里的中頻其實是一個“中間頻率”混頻器、振幅調制與解調同屬混頻器、振幅調制與解調同屬“頻譜的線性搬移頻譜的線性搬移”，有何不同？，有何不同？圖 6-52 三種頻譜線性搬移功能 (a) 調制; (b) 解調; (c) 混頻2 混頻器的工作原理混頻器的工作原理 混頻是頻譜的線性搬移過程。 設輸入到混頻器中的輸入已調信號us和本振電壓uL分別為us=Uscostcosct uL=ULcosLt依靠“乘積運算”)cos()cos( cos21 coscos coscLcLLsLcLsLmtttUUtttUUuu

16、這兩個信號的乘積為 (6-85)若中頻fI=fLfc，上式經(jīng)帶通濾波器取出所需邊帶，可得中頻電壓為uI=UI cost cosIt (6-86)由此可得完成混頻功能的原理框圖，如圖6-53(a)所示。也可用非線性器件來完成，如圖 6-53(b)所示。圖 6-53 混頻器的組成框圖下面從頻域看混頻過程。設us、uL對應的頻譜為Fs()、FL()，它們是us、uL的傅氏變換。由信號分析可知，時域的乘積對應于頻域的卷積，輸出頻譜Fo()可用Fs()與FL()的卷積得到。本振為單一頻率信號，其頻譜為FL()=(L)+(+L)輸入信號為已調波，其頻譜為Fs()，則(6-87)osLsssLLLL11(

17、)( )*( )* ()()221 ()()2FFFFFF 書上的公式有錯書上的公式有錯圖 6-54 混頻過程中的頻譜變換(a) 本振頻譜;(b) 信號頻譜; (c) 輸出頻譜sL()FsL()F低中頻低中頻高中頻高中頻混頻器有兩大類，即混頻與變頻。由單獨的振蕩器提供本振電壓的混頻電路稱為混頻器。為了簡化電路，把產(chǎn)生振蕩和混頻功能由一個非線性器件(用同一晶體管)完成的混頻電路稱為變頻器。有時也將振蕩器和混頻器兩部分合起來稱為變頻器。變頻器是四端網(wǎng)絡，混頻器是六端網(wǎng)絡。在實際應用中，通常將“混頻”與“變頻”兩詞混用，不再加以區(qū)分。Mixer混頻技術的應用十分廣泛混頻技術的應用十分廣泛超外差接收機

18、在頻分多址(FDMA)信號的合成、微波接力通信、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中也有其重要地位?；祛l器在一些發(fā)射設備(如單邊帶通信機等)中也是必不可少的混頻器也是許多電子設備、測量儀器(如頻率合成器、頻譜分析儀等)的重要組成部分3 混頻器的主要性能指標混頻器的主要性能指標1) 變頻增益變頻增益是指混頻器的輸出信號強度與輸入信號強度的比值。變頻增益可用變頻電壓增益和變頻功率增益來表示。變頻電壓增益定義為變頻器中頻輸出電壓振幅UI與高頻輸入信號電壓振幅Us之比，即(6-88)同樣可定義變頻功率增益為輸出中頻信號功率PI與輸入高頻信號功率Ps之比，即(6-89)IvcsUKUsIpcPPK跟“放大倍數(shù)”相同的概念通

19、常用分貝數(shù)表示變頻增益，有(6-90)(6-91)變頻增益表征了變頻器把輸入高頻信號變換為輸出中頻信號的能力。增益越大，變換的能力越強，故希望變頻增益大。而且變頻增益大后，對接收機而言，有利于提高靈敏度。)dB(lg20s1vcUUK)dB(lg10sIpcPPK2) 噪聲系數(shù)混頻器的噪聲系數(shù)NF定義為(6-92)它描述混頻器對所傳輸信號的信噪比影響的程度。因為混頻級對接收機整機噪聲系數(shù)影響大，特別是在接收機中沒有高放級時，其影響更大，所以希望混頻器的NF越小越好。)()(F中頻頻率輸出信噪比信號頻率信噪比輸入N噪聲在進入混頻器（非線性電路）后，會與有用信號進行混頻（相互頻譜搬移），形成更多的

20、頻率成分，另外，噪聲還會與本地振蕩信號進行相互頻譜搬移，形成大量的無用諧波，這使得無用諧波所占的能量提高，從而降低。為什么混頻器對接收機整機噪聲系數(shù)的影響比較大？高頻小信號放大器負載為選頻網(wǎng)絡，對帶外噪聲有抑制作用3)失真與干擾變頻器的失真有頻率失真和非線性失真。除此之外，還會產(chǎn)生各種非線性干擾，如組合頻率、交叉調制和互相調制、阻塞和倒易混頻等干擾。所以，對混頻器不僅要求頻率特性好，而且還要求變頻器工作在非線性不太嚴重的區(qū)域，使之既能完成頻率變換，又能抑制各種干擾。6.4節(jié)將詳細討論節(jié)將詳細討論4) 變頻壓縮(抑制)圖 6-55 混頻器輸入、輸出電平的關系曲線與Page.57的“增益壓縮”機理

21、相同5) 選擇性混頻器的中頻輸出應該只有所要接收的有用信號(反映為中頻，即fI=fLfc)，而不應該有其它不需要的干擾信號。但在混頻器的輸出中，由于各種原因，總會混雜很多與中頻頻率接近的干擾信號。為了抑制不需要的干擾，就要求中頻輸出回路有良好的選擇性，亦即回路應有較理想的諧振曲線(矩形系數(shù)接近于1)。此外，一個性能良好的混頻器，還應要求動態(tài)范圍較大，可以在輸入信號的較大電平范圍內正常工作; 隔離度要好，以減小混頻器各端口(信號端口、本振端口和中頻輸出端口)之間的相互泄漏; 穩(wěn)定度要高，主要是本振的頻率穩(wěn)定度要高，以防止中頻輸出超出中頻總通頻帶范圍。我們希望把想要的頻段信號濾出來6.3.2 混頻

22、電路混頻電路1 晶體三極管混頻器晶體三極管混頻器原理電路如圖6-56所示。圖 6-56 晶體三極管混頻器原理電路20(1)(1)(1)( )( )bebsLTTbLbLTTuEuuUUcessEuEuUUssssTmsiiI eI eII eeuo uUI tgt u若能保證集電結始終反偏若不能保證，則變化過程中有可能截止，也可能出現(xiàn)“飽和”（即過壓狀態(tài)）0()()()()()()( )( )cbsLbLbLssbLbLsmsif Euuf EufEuuo uf EufEuuItgt u線性時變電路分析法線性時變電路分析法 iCIc0(t)+gm(t)us=Ic0(t)+(gm0+gm1 co

23、sLt+gm2 cos2Lt+)us (6-93)經(jīng)集電極諧振回路濾波后，得到中頻電流iI(6-94)式中，gC=gm1/2稱為變頻跨導（即變頻增益）。tItUgtUgtUgiIIIsCIsm1cLsm1Icoscos cos21)cos(21非線性電路scosssuUt IIIcosiIt 傳遞關系或放大關系為I1122cmsImsssg UiIKguUUg 從以上的分析結果可以看出: 只有時變跨導的基波分量才只有時變跨導的基波分量才能產(chǎn)生中頻能產(chǎn)生中頻(和頻或差頻和頻或差頻)分量分量，而其它分量會產(chǎn)生本振諧波與信號的組合頻率。變頻跨導變頻跨導gC是變頻器的重要參數(shù)，它不僅直接決定著變頻增益

24、，還影響到變頻器的噪聲系數(shù)。變頻跨導gC=gm1/2，gm1只與晶體管特性、直流工作點及本振電壓UL有關，與Us無關，故變頻跨導gC亦有上述性質。由式(6-94)，有(6-95)m1sIC21gUIg輸入高頻電壓振幅中頻電流振幅輸出它與普通放大器的跨導有相似的含義它與普通放大器的跨導有相似的含義，表示輸入高頻信號電壓對輸出中頻電流的控制能力。在數(shù)值上，它是時變跨導基波分量的一半，可以通過求gm(t)的基波分量gm1來求得變頻跨導。(6-96)(6-97)LLmm1dcos)(1tttggLLmm1Cdcos)(2121tttggg傅立葉分解系數(shù)變頻跨導與晶體管特性、直流工作點及本振電壓大小等因

25、素有關。了解gC隨Eb及UL的變化規(guī)律，對選擇變頻器的工作狀態(tài)是很重要的。 圖6-57和圖6-58分別給出了變頻跨導與本振電壓和偏置電壓的關系曲線。bLTEuUsTIeU圖 6-57 gCUL的關系 當結電壓過大時，由于飽和當結電壓過大時，由于飽和（過壓）會晶體管的跨導減小。（過壓）會晶體管的跨導減小。最佳本振電壓，對于鍺管，一般選50500mV,對于硅管，還要大些圖 6-58 gCEb的關系 最佳靜態(tài)偏置一般選擇Eb使靜態(tài)電流Ie=0.31mA 在混頻器的實際電路中，除了有本振電壓注入外，混頻器與小信號調諧放大器的電路形式很相似。本振電壓加到混頻管的方式，一般有射極注入和基極注入兩種。選擇本

26、振注入電路要注意兩點： 第一，要盡量避免us與uL的相互影響及兩個頻率回路的影響(比如us對uL的牽引效應及fs回路對fL的影響); 第二，不要妨礙中頻電流的流通。圖 6-59 混頻器本振注入方式同極注入，互相影響較大，本振信號容易被輸入信號頻率牽引?；鶚O串饋式電路（同極注入方式）基極并饋方式的同極注入本振射極注入，要求本振注入功率較大。 圖660 (a) 中波AM收音機的變頻電路（自激式） 圖660 (a) FM收音機的變頻電路（自激式）2 二極管混頻電路二極管混頻電路在高質量通信設備中以及工作頻率較高時，常使用二極管平衡混頻器或環(huán)形混頻器。其優(yōu)點是噪聲低、電路簡單、組合分量少。圖6-61是

27、二極管平衡混頻器的原理電路。輸入信號us為已調信號； 本振電壓為uL，有ULUs，大信號工作，由第5章可得輸出電流io為(6-98)輸出端接中頻濾波器，則輸出中頻電壓uI為(6-99)tUttgutKgicsLLDsLDocos3cos32cos2212 )(2tUtUgRiRuIIsLsDLILIcos)cos(2圖6-62為二極管環(huán)形混頻器，其輸出電流io為(6-100)經(jīng)中頻濾波后，得輸出中頻電壓(6-101)環(huán)形混頻器的輸出是平衡混頻器輸出的兩倍，且減少了電流頻譜中的組合分量，這樣就會減少混頻器中所特有的組合頻率干擾。tUttgutKgicsLLDsDocos3cos34cos42 )

28、(2LtUtUguIIcLsDIcos)cos(4圖 6-61 二極管平衡混頻器原理電路圖 6-62 環(huán)型混頻器的原理電路與其它(晶體管和場效應管)混頻器比較，二極管混頻器雖然沒有變頻增益，但由于具有動態(tài)范圍大，線性好(尤其是開關環(huán)形混頻器)及使用頻率高等優(yōu)點，仍得到廣泛的應用。特別是在微波頻率范圍，晶體管混頻器的變頻增益下降，噪聲系數(shù)增加，若采用二極管混頻器，混頻后再進行放大，可以減小整機的噪聲系數(shù)。用第5章所介紹的雙平衡混頻器組件構成混頻電路，可以較高的性能完成混頻功能。圖6-63為由雙平衡混頻器和分配器構成的正交混頻器。加到兩個環(huán)形混頻器的本振電壓uL是同相的，而輸入信號us則移相90后

29、分別輸入兩環(huán)形混頻器。結果兩混頻器輸出的中頻uI1、uI2振幅相等，相位正交。正交混頻器還可用于解調QPSK(正交相移鍵控)信號。QPSK輸入加至射頻端，恢復載波加至本振端，解調數(shù)據(jù)可從中頻端輸出。圖 6-63 正交混頻器 3其它混頻電路其它混頻電路（1）差分對電路構成的混頻器5168232.2 k0.01本振輸入(500)1.5V0.00171000.019 VV1V21.2 k信號輸入(50)1:6.6T112.6:1信號輸出(50 )T2V3圖664 差分對混頻器線路 （2）模擬乘法器構成的混頻器MC1596G781410596325150 k51uLus0.001 F510.01 F1

30、00 H100 H0.001 F9.5 H5 80 pF5 80 pF輸出6.8 k 8 VZLRL 50 L19 MHzZL10 k10 k100 mV0.001 F1 k1 k 8V20012012012020012091078546123116200.033 F126206200.033 F0.033 F1.2 k1.2 k輸出12 VZLZL1 kZL0.033 F0.033 F3.3 k3.3 kuLus(a)(b)V1V2 12 V調零100XCC2個不平衡平衡轉換，帶寬0.530MHZ需外接帶通濾波器電源濾波分壓偏值圖665(a) 用XCC模擬乘法器構成的構成混頻器引入串聯(lián)反饋，

31、擴展動態(tài)范圍電源波動會轉換為共模輸入信號，等效為差分電路長尾直流電源的變化，而對乘法器。MC1596G781410596325150 k51uLus0.001 F510.01 F100 H100 H0.001 F9.5 H5 80 pF5 80 pF輸出6.8 k 8 VZLRL 50 L19 MHzZL10 k10 k100 mV0.001 F1 k1 k 8V20012012012020012091078546123116200.033 F126206200.033 F0.033 F1.2 k1.2 k輸出12 VZLZL1 kZL0.033 F0.033 F3.3 k3.3 kuLus(a)(b)V1V2 12 V調零100圖665(b) 用MC159模擬乘法器構成的構成混頻器型濾波器（3）場效應管混頻器 場效應管工作頻率高、動態(tài)范圍大、噪音低、單向性好、有近似平方關系的伏安特性。因此，場效應管混頻器在性能上優(yōu)于晶體管混頻器。場效應管混頻器實際線路L2C30.5/8 pF0.001Lc3.9 H0.5/8 pFC4C50.5/8 pFL30.15 HL1C70.5/8 pF5/30 pF0.001250 MHzuL(50 )200 MHzus(50 )C1C20.5/8 pF(a)50 MHz(50 )15V0.15 HC4470 pFuLC