高頻電子線路王軍wangjun@汕頭大學電子工程系第6章振幅調(diào)制、解調(diào)及混頻6.1振幅調(diào)制6.2調(diào)幅信號的解調(diào)6.3混頻6.4混頻器的干擾擬授課學時：8學時6.1振幅調(diào)制調(diào)制(modulation):用調(diào)制信號去控制載波的某個參數(shù)的過程。調(diào)制信號：是攜帶信息的低頻信號，如聲音、圖象、數(shù)據(jù)等。載波：未受調(diào)制的高頻振蕩信號，如正弦波、方波、三角波等。已調(diào)波：已經(jīng)被調(diào)制過的高頻振蕩信號。解調(diào)(Demodulation):是從已調(diào)信號中恢復原來調(diào)制信號的過程。調(diào)制解調(diào)器Modem“貓”振幅調(diào)制是由調(diào)制信號去控制載波信號的振幅，使之按調(diào)制信號的規(guī)律變化。有以下幾種調(diào)幅方式：●AM調(diào)幅（AmplitudeModulation，縮寫為AM)●雙邊帶調(diào)幅(DoublesidebandAM,縮寫為DSB)●單邊帶調(diào)幅(SingleSideBandAM，縮寫為SSB)●殘留單邊帶調(diào)幅(VestigialSingleSideBandAM,縮寫VSB)6.1.1振幅調(diào)制信號分析AM調(diào)幅波的分析(1)表示式及波形設載波電壓為:(6-1)(6-4)(6-3)由此可得調(diào)幅信號的表達式為：調(diào)制電壓為一單音信號：(6-2)式中m稱做調(diào)制度，當m<1時為適調(diào)制,m=1為全調(diào)制,m>1為過調(diào)制。ka是比例系數(shù)，稱為調(diào)制靈敏度,一般由調(diào)制電路確定.則調(diào)幅波表示式為：圖6-1和圖6-2畫出了單音和復雜調(diào)制信號下的調(diào)幅波的波形。(6-5)(6-6)上面的分析是在單一正弦信號作為調(diào)制信號的情況下進行的,而一般傳送的信號并非為單一頻率的信號,例如是一連續(xù)頻譜信號f(t),這時,可把調(diào)制信號分解為多次諧波的疊加，因此可用下式來描述調(diào)幅波:圖6-1單音調(diào)制時的信號波形圖6-2實際調(diào)制信號的調(diào)幅波形

為什么會出現(xiàn)這種波形?回顧功率放大器章節(jié),例如基極調(diào)制特性,83,Figure3-22峰-峰值

從圖6-1和圖6-2中可以看到，已調(diào)波的振幅隨調(diào)制信號線性變化，即調(diào)幅波的包絡線性正比于調(diào)制信號。另外從AM信號的表達式中，可以看出，要實現(xiàn)AM調(diào)幅，可用圖6-3的電路模型來實現(xiàn)。圖6-3AM信號的產(chǎn)生原理圖+××+常數(shù)要求的幅度要小于1要求常數(shù)值值要大于的幅度。(2)調(diào)幅波的頻譜由圖6-1（c）可知,調(diào)幅波不是一個簡單的正弦波形。在單一頻率的正弦信號的調(diào)制情況下,調(diào)幅波如式（6-3）所描述。將它用三角公式展開,可得:可以看出，經(jīng)過調(diào)制后，調(diào)幅波包含三種頻率分量。為載波分量ωc，上邊頻分量ωc+Ω和下邊頻分量ωc-Ω。兩邊頻幅度相等并與調(diào)制信號成正比，且對稱于載波頻率，調(diào)制信號的消息只包含在邊頻中。對于多頻信號的調(diào)制，調(diào)制信號的每個低頻分量也都必然會產(chǎn)生一對對稱與載波頻率的邊頻分量，從而組成了上下兩個邊帶。見圖3-5和圖3-6。(6-7)圖6-4單音調(diào)制時已調(diào)波的頻譜（a）調(diào)制信號頻譜（b）載波信號頻譜（c）AM信號頻譜圖6-5語音信號及已調(diào)信號頻譜（a）語音頻譜（b）AM信號頻譜上邊帶下邊頻下邊帶上邊頻從圖中可以看出，AM信號的頻譜結(jié)構(gòu)和調(diào)制信號完全一樣，各分量的相對振幅和相對位置沒有改變。也就是說，通過AM調(diào)制，把調(diào)制信號的頻譜從0附近線性地搬移到了載波兩側(cè)。對于單音信號調(diào)制，AM信號的頻帶寬度為：而對于多頻信號調(diào)制，AM信號的頻帶寬度為：(6-8)(6-9)(3)調(diào)幅波的功率當把一個AM信號加在一個負載上時，在負載電阻RL上消耗的載波功率應為各個頻率分量的功率之和。載波功率：邊帶功率：總的平均功率：邊帶功率和載波功率的比值為：即便是在m=1時，包含信息的邊帶功率也只占總功率的1/3，因此這種調(diào)幅方式效率很低，功率浪費大。(6-10)(6-11)(6-12)(6-13)在負載電阻RL上,消耗的瞬時功率為：由此可見,P是調(diào)制信號的函數(shù),是隨時間變化的。且最大值和最小值分別為：這個最大功率有可能大大超過總的平均功率，它限定了用于調(diào)制的功放管的額定輸出功率PH。因此在設計功率放大器時，一定要以此來選擇功放管。保證：Pmax≤PH(6-15)(6-14)例6-1已知發(fā)射機的發(fā)射總功率Pav為504W，發(fā)射的AM調(diào)幅信號為uAM=Um(1+0.4cosΩ1t+0.6cosΩ2t)cosωct,請求（1）在未調(diào)制時的載波功率Pc，（2）邊帶功率PSB各為多少？解：根據(jù)已知條件得：2.雙邊帶信號(DSB)在調(diào)制過程中,將載波抑制就形成了抑制載波雙邊帶信號,簡稱雙邊帶信號。它可用載波與調(diào)制信號相乘得到,其表示式為:在單一正弦信號uΩ=UΩcosΩt調(diào)制時,(6-16)圖6―6DSB信號波形

可以看出，DSB信號的特點為：

●DSB信號的包絡正比于調(diào)制信號的絕對值?！馜SB信號的相位在調(diào)制信號過零處要突變倒相180度?！袼缓猩?、下邊頻分量，載波分量被抑制掉了。帶寬和AM信號一樣。其實提示我們可以用檢測這種突變來實現(xiàn)解調(diào)的。而在數(shù)字通訊中經(jīng)常用到圖6-7單音調(diào)制時DSB信號的頻譜（a）調(diào)制信號頻譜（b）載波信號頻譜（c）AM信號頻譜

圖6-8語音信號及已調(diào)信號頻譜（a）語音頻譜（b）DSB信號頻譜雖然去掉了載波，但占用的頻帶范圍和AM一樣3.單邊帶信號(SSB)(1)單邊帶信號分析DSB信號具有上下兩個包含相同消息的邊帶，因此，從消息傳輸角度來看，可發(fā)送一個邊帶即可。這種方式稱做單邊帶調(diào)制。單邊帶（SSB）信號是由DSB信號經(jīng)邊帶濾波器濾除一個邊帶或在調(diào)制過程中,直接將一個邊帶抵消而成。單頻調(diào)制時,uDSB（t）=kuΩuC。因此：當取上邊帶時：當取下邊帶時：(6-17)(6-18)

為了看清SSB信號波形的特點,下面再分析雙音調(diào)制時產(chǎn)生的SSB信號波形。為分析方便。設雙音頻振幅相等,即：且Ω2＞Ω1,則可以寫成下式:(6-19)(6-20)受uΩ調(diào)制的雙邊帶信號為:取上邊帶后(6-21)(6-22)包絡線形狀等效于單頻信號DSB調(diào)制決定了兩個DSB調(diào)制的包絡線形狀,可見這兩者之間的包絡線形狀相同,唯一有區(qū)別的是載波信號不同而已。(6-23)把式(6-22)和(6-20)比較發(fā)現(xiàn)，對于雙音頻調(diào)制，SSB信號的包絡也與調(diào)制信號的包絡相同，但頻率隨調(diào)制信號頻率改變。調(diào)制信號的每個分量都產(chǎn)生一個對應的邊帶信號分量。因此可以看出SSB信號的特點：

●SSB信號包絡與調(diào)制信號的包絡相同?！駧捴皇茿M和DSB信號帶寬的一半?！馭SB信號的填充頻率已不是載波頻率，而隨調(diào)制信號頻率的變化而變化。振幅與調(diào)制信號的振幅成線性關系進一步展開得：圖6-9和圖6-10分別是單音和雙音調(diào)制時的SSB信號波形和頻譜。僅有和頻分量,單邊帶圖6-10雙音調(diào)制時SSB信號的波形和頻譜圖6-9單音調(diào)制時SSB信號的波形和頻譜單頻信號SSB調(diào)制之后僅僅是頻率變快了包絡形狀相同,不同的是填充的頻率變化了(2)多頻率分量調(diào)制的SSB信號分析對于單邊帶信號：由此可以推出uΩ(t)=f(t)時,即一般情況下的SSB信號表達式(6-24)(6-25)(6-26)因果濾波器/物理可實現(xiàn)的濾波器的FourierTransform(傳遞函數(shù))的實部和虛部互為HilbertTransform濾波器由于(6-28)(6-27)sgn(ω)是符號函數(shù),可得f(t)的傅里葉變換為：所以通過把調(diào)制信號進行希爾伯特變換，然后用乘法器與加法器就可以實現(xiàn)SSB調(diào)制。圖6―11希爾伯特變換網(wǎng)絡及其傳遞函數(shù)

根據(jù)階躍函數(shù)的Fourier變換和反變換公式很容易得到Hilbert濾波器為全通、倒相濾波器圖6-12語音調(diào)制的SSB信號頻譜(a)DSB頻譜(b)上邊帶頻譜(c)下邊帶頻譜從該圖看不出全通倒相位濾波的效果6.1.2振幅調(diào)制電路

1.AM調(diào)制電路AM信號的產(chǎn)生可以采用高電平調(diào)制和低電平調(diào)制兩種方式完成。高電平調(diào)幅就是在功率電平比較高的級中完成調(diào)制；而低電平調(diào)幅就是在功率電平比較低的級中完成調(diào)制。目前,AM信號大都用于無線電廣播,因此多采用高電平調(diào)制方式。(1)高電平調(diào)制主要用于AM調(diào)制,這種調(diào)制是在高頻功率放大器中進行的。通常分為基極調(diào)幅、集電極調(diào)幅以及集電極基極(或發(fā)射極)組合調(diào)幅調(diào)制和功放在一級完成，不需要再額外加功放，直接可以接天線發(fā)送出去▲集電極調(diào)幅

集電極調(diào)幅就是用調(diào)制信號來改變集電極電源電壓，使ic的基波振幅線性地隨調(diào)制信號變化.因此，根據(jù)丙類高頻功放的調(diào)制特性，功放必須工作在過壓狀態(tài)。圖6-13集電極調(diào)幅電路自偏壓方式的基極饋電對低頻信號相當于短路對低頻信號相當于開路圖6―13集電極調(diào)幅的波形▲基極調(diào)幅基極調(diào)幅就是用調(diào)制信號改變丙類功放的基極偏壓，當在欠壓狀態(tài)時，集電極電流的基波振幅將線性隨遍壓即隨調(diào)制信號而變化。因此，基極調(diào)幅時功放應工作在欠壓狀態(tài)。圖6―14基極調(diào)幅電路

基極分壓提供靜態(tài)偏置,但仍然使得晶體管處于丙類放大穩(wěn)定靜態(tài)工作點對低頻調(diào)制信號來說C1,CB,C2,C3,C4,C5斷路,LB1短路,負載短路,與載波相連的變壓器次級電感短路圖6―15基極調(diào)幅的波形(2)低電平調(diào)制

①二極管電路。圖6―16單二極管調(diào)制電路及頻譜用單二極管電路和平衡二極管電路作為調(diào)制電路,都可以完成AM信號的產(chǎn)生,圖6―16(a)為單二極管調(diào)制電路。H(jω)為一帶通濾波器。當UC>>UΩ時,可知,流過二極管的電流iD為:帶通濾波器BPF如果調(diào)諧回路對ωc+Ω、ωc+Ω和ωc調(diào)諧，則在輸出將產(chǎn)生AM調(diào)幅電壓輸出。從式(6-29)可以看出，該電路不能產(chǎn)生DSB信號（Why?）;如果把調(diào)制信號和載波信號調(diào)換位置，并使UC<<UΩ時,會產(chǎn)生ωc+(2n+1)Ω和ωc-(2n+1)Ω頻率分量，且頻率間隔只為2Ω，這對濾波器來說要抑制無用分量是很困難的。(6-29)要濾去載波信號,濾波器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為一個沖擊函數(shù),濾波器系統(tǒng)的沖擊響應在時域為一個常數(shù)=>非因果的系統(tǒng),物理不可實現(xiàn)的②利用差分對電路產(chǎn)生普通調(diào)幅波圖6–17是一個單差分對AM調(diào)幅電路。用調(diào)制信號控制差分對的靜態(tài)電流。且輸出濾波器是一個帶通濾波器。它的差動輸出電流為：圖6–17單差分對AM調(diào)幅電路式中,m=UΩ/Ee,x=UC／VT。若集電極濾波回路的中心頻率為fc,帶寬為2F,諧振阻抗為RL,則經(jīng)濾波后的輸出電壓:該電路作為AM調(diào)制器時，可以單端輸出，也可以雙端輸出。圖6-18是電路的工作波形。(6-30)(6-31)書本Page.161頁公式5-70和5-71C圖6―18差分對AM調(diào)制器的輸出波形相當于一個“可變增益”的差分放大電路，放大器的增益受調(diào)制信號控制③利用集成模擬乘法器進行AM調(diào)幅·輸出uo圖6―19(a)利用模擬乘法器BG314產(chǎn)生AM信號

補償失調(diào)電壓+15V擴展線形范圍調(diào)整調(diào)制度調(diào)整靜態(tài)電流可單端或雙端輸出有錯：應該加一個耦合電容圖6―19(b)利用MC1596產(chǎn)生AM信號

擴展線性范圍調(diào)整調(diào)制度改為10K時，可實現(xiàn)DSB2.DSB調(diào)制電路(1)二極管調(diào)制電路單二極管電路只能產(chǎn)生AM信號,不能產(chǎn)生DSB信號。二極管平衡電路和二極管環(huán)形電路可以產(chǎn)生DSB信號。①二極管平衡DSB調(diào)制器在圖6-20中，UC>>UΩ，變壓器的變比為1:1。圖6―20二極管平衡DSB調(diào)制電路在忽略了負載的影響后iL中包含F(xiàn)分量和(2n+1)fc±F(n=0,1,2,…)分量,若輸出濾波器的中心頻率為fc,帶寬為2F,諧振阻抗為RL,則輸出電壓為(6-32)(6-33)

顯然，二極管平衡電路中的調(diào)制信號和載波信號不能互換位置，否則不能得到DSB信號。若互換則呢？能得到AM信號嗎？圖6―21二極管平衡DSB調(diào)制器波形濾波之后的波形圖6―22平衡調(diào)制器的一種實際線路圖2-22是一種實用電路，省略了低頻變壓器和輸出變壓器，調(diào)制信號反相、載波信號同相加到兩個二極管上，流過RL的電流仍然是兩管電流之差。C2、C3用來平衡結(jié)電容，而R2用來平衡二極管導通電阻。大信號高頻載波信號作用時該電路的優(yōu)點是？易于調(diào)整，使得兩個回路平衡②二極管雙平衡DSB調(diào)制器為進一步減少組合分量,可采用雙平衡調(diào)制器(環(huán)形調(diào)制器)，如圖（6-23）。圖6―23雙平衡調(diào)制器電路及波形經(jīng)濾波后,有輸出電流(6-34)(6-35)

這種平衡調(diào)制期不能用來產(chǎn)生AM信號。但調(diào)制信號和載波信號可以互換位置。位置互換對濾波器的要求提高了③橋式DSB調(diào)制器圖6―24雙橋構(gòu)成的環(huán)形調(diào)制器該電路由上下兩個橋構(gòu)成一個環(huán)行調(diào)制器，uC對兩個橋是反相的，uC>0時上橋路導通，uC<0時下橋路導通。調(diào)制電壓反相加于兩橋的另一對角線上。高頻小信號放大器設兩橋路中的所有二極管都一樣，導通電阻為rd,則：輸出諧振回路的諧振頻率為fc，頻寬為2F，那么輸出電壓為：(6-36)(6-37)忽略晶體管輸入阻抗（為什么可以忽略？）(2)差分對調(diào)制器①單差分對調(diào)制器在單差分電路(圖6―7)中,將載波電壓uC加到線性通道,調(diào)制信號uΩ加到非線性通道,則雙端輸出電流io(t)為:式中,I0=Ee/Re,m=UC/Ee,x=UΩ/VT。經(jīng)濾波后的輸出電壓uo(t)為:(6-38)(6-39)

單差分對做DSB調(diào)制時，必須采用雙端輸出，否則只能得到AM信號(Why?)。圖6―24是差分對DSB調(diào)制器的波形

電源的變化相當于共模信號變化,而單輸出能不能抑制共模信號?與AM比較有什么區(qū)別？圖6―25差分對DSB調(diào)制器的波形

②雙差分對DSB調(diào)制器圖6―26雙差分調(diào)制器實際線路是彩色電視機中的實際電路。雙差分對電路的差動輸出電流為：若UΩ、UC均很小,且uA=uC，uB=uΩ，上式可近似為:因此此時可看作一個模擬乘法器，uC，uΩ可以互換位置，與信號加入方式無關，可以單端和雙端輸出。(6-40)(6-41)圖6―26雙差分調(diào)制器實際線路

V7,V8恒流源W4調(diào)整V5、V6平衡，防止副載頻泄露W2調(diào)整V1~V4平衡，防止視頻泄露擴展線性范圍的，引入了負反饋復合管利用雙差分集成平衡調(diào)制器MC1596和模擬乘法器BG314等電路，也可以實現(xiàn)DSB調(diào)制，而且具有工作頻帶寬、輸出信號頻譜較純、動態(tài)范圍大、使用方便、性能可靠等特點。見圖6-19(書本圖6-18)中，只要把直流疊加電平去掉，就可以實現(xiàn)DSB調(diào)制?！ぽ敵鰑o去掉去掉3.SSB調(diào)制電路SSB信號是將雙邊帶信號濾除一個邊帶形成的。根據(jù)濾除方法的不同,SSB信號產(chǎn)生方法有好幾種,主要有濾波法和移相法兩種。(1)濾波法圖6―27是采用濾波法產(chǎn)生SSB的基本原理框圖。這種方法是通過濾波器，把DSB信號的一個邊帶濾除。圖6―27濾波法基本原理框圖。

但是這種簡單的方法不能把低頻信號直接調(diào)制頻率比較高的載波。因為任何一個濾波器的品質(zhì)因數(shù)都是一定的，當用比較低的調(diào)制信號去調(diào)幅時，使得相對頻寬非常小，即意味著要很大的Q值。例