1、1,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(hào)的解調(diào) 6.3 混頻 6.4 混頻器的干擾,2,6.1 振幅調(diào)制,6.1.1振幅調(diào)制信號(hào)分析 1. 調(diào)幅波的分析 1) 表示式及波形 設(shè)載波電壓為,調(diào)制電壓為,高頻振蕩信號(hào)的振幅隨調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化,通常c,3,振幅調(diào)制信號(hào)振幅Um（t）為 Um(t)=UC+UC（t）=UC+kaUcost =UC(1+mcost) m稱(chēng)為調(diào)幅度（調(diào)制度）,ka為比例系數(shù),一般由調(diào)制電路確定,故又稱(chēng)為調(diào)制靈敏度。調(diào)幅信號(hào)的表達(dá)式 uAM(t)=UM(t)cosct=UC(1+mcost)cosct,4,圖61 AM調(diào)制過(guò)程中的信號(hào)波形,uAM

2、(t)=UM(t)cosct=UC(1+mcost)cosct,5,調(diào)制信號(hào)是一連續(xù)頻譜信號(hào)f（t）時(shí),可用下式來(lái)描述調(diào)幅波:,f（t）是均值為零的歸一化調(diào)制信號(hào),|f（t）|max=1。 若將調(diào)制信號(hào)分解為,則調(diào)幅波表示式為,6,圖62 實(shí)際調(diào)制信號(hào)的調(diào)幅波形,圖63 AM信號(hào)的產(chǎn)生原理圖,7,2) 調(diào)幅波的頻譜,將式uAM(t)=UM(t)cosct=UC(1+mcost)cosct展開(kāi),得,8,圖64 單音調(diào)制時(shí)已調(diào)波的頻譜 （a）調(diào)制信號(hào)頻譜（b）載波信號(hào)頻譜 （c）AM信號(hào)頻譜,9,圖65 語(yǔ)音信號(hào)及已調(diào)信號(hào)頻譜 （a）語(yǔ)音頻譜（b）已調(diào)信號(hào)頻譜,帶寬BW=2Fmax,10,3）調(diào)幅

3、波的功率 在負(fù)載電阻RL上消耗的載波功率為,在負(fù)載電阻RL上,一個(gè)載波周期內(nèi)調(diào)幅波消耗的功率為,11,由此可見(jiàn),P是調(diào)制信號(hào)的函數(shù),是隨時(shí)間變化的。上、下邊頻的平均功率均為,AM信號(hào)的平均功率,AM波的平均功率為載波功率與兩個(gè)邊帶功率之和。而兩個(gè)邊頻功率與載波功率的比值為:,12,同時(shí)可以得到調(diào)幅波的最大功率和最小功率,它們分別對(duì)應(yīng)調(diào)制信號(hào)的最大值和最小值為,13,2. 雙邊帶信號(hào) 在調(diào)制過(guò)程中,將載波抑制就形成了抑制載波雙邊帶信號(hào),簡(jiǎn)稱(chēng)雙邊帶信號(hào)。它可用載波與調(diào)制信號(hào)相乘得到,其表示式為,在單一正弦信號(hào)u=Ucost調(diào)制時(shí),14,圖66 DSB信號(hào)波形,DSB信號(hào)頻譜,15,3. 單邊帶信號(hào)

4、 單邊帶（SSB）信號(hào)是由DSB信號(hào)經(jīng)邊帶濾波器濾除一個(gè)邊帶或在調(diào)制過(guò)程中,直接將一個(gè)邊帶抵消而成。 單頻調(diào)制時(shí),uDSB（t）=kuUcostuC(t)。 當(dāng)取上邊帶時(shí),取下邊帶時(shí),16,圖67 單音調(diào)制的SSB信號(hào)波形,圖68 單邊帶調(diào)制時(shí)的頻譜搬移,17,設(shè)雙音頻振幅相等,即,且21,則可以寫(xiě)成下式:,受u調(diào)制的雙邊帶信號(hào)為,取上邊帶,則,18,圖69 雙音調(diào)制時(shí)SSB信號(hào)的波形和頻譜,進(jìn)一步展開(kāi),19,由式 利用三角公式,可得 上邊帶：uSSB(t)=Ucostcosct-Usintsinct 和 下邊帶：uSSB(t)=Ucostcosct+Usintsinct 這是SSB信號(hào)的另一

5、種表達(dá)式,由此可以推出u(t)=f(t),即一般情況下的SSB信號(hào)表達(dá)式,20,由于,sgn()是符號(hào)函數(shù),可得 的傅里葉變換,圖610 希爾伯特變換網(wǎng)絡(luò)及其傳遞函數(shù),21,圖611語(yǔ)音調(diào)制的SSB信號(hào)頻譜 (a)DSB頻譜 (b)上邊帶頻譜 (c)下邊帶頻譜,SSB方式功率利用率高，且max，頻帶寬度為AM或DSB的一半。,22,6.1.2 振幅調(diào)制電路 1.AM調(diào)制電路 1)高電平調(diào)制 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(jìn)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。,圖612 集電極調(diào)幅電路,23,圖613 集電極調(diào)幅的波形,集電極電壓隨調(diào)制

6、信號(hào)u變化,負(fù)載有濾波選頻作用,24,圖614 基極調(diào)幅電路,25,圖615 基極調(diào)幅的波形,26,2) 低電平調(diào)制 (1)二極管電路。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(hào)的產(chǎn)生。UCU,流過(guò)二極管的電流iD為,圖616 單二極管調(diào)制電路及頻譜,27,(2) 利用模擬乘法器產(chǎn)生普通調(diào)幅波。,雙差分對(duì)的差動(dòng)輸出電流可近似為,uA足夠小時(shí)：,uA足夠大時(shí)：,uA加載波， u加調(diào)制信號(hào)，輸出端接中心頻率為載波頻率的帶通濾波器，即可雙邊帶調(diào)幅； uA為恢復(fù)載波， u加輸入信號(hào)，輸出端接低通濾波器，即可同步檢波； uA為本振信號(hào)， u加輸入信號(hào)，輸出接中頻濾波器，即可混頻。,雙

7、差分對(duì)電路非常適合作為頻譜搬移電路：,28,29,MC1596的內(nèi)部電路,30,圖618 利用模擬乘法器產(chǎn)生AM信號(hào),31,2. 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(hào),不能產(chǎn)生DSB信號(hào)。二極管平衡電路和二極管環(huán)形電路可以產(chǎn)生DSB信號(hào)。,32,iL中包含F(xiàn)分量和(2n+1)fcF(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,33,圖620 二極管平衡調(diào)制器波形,圖619 二極管平衡調(diào)制電路,34,圖621 平衡調(diào)制器的一種實(shí)際線路,1,35,圖622 雙平衡調(diào)制器電路及波形,為進(jìn)一步減少組合分量,可采用雙平衡調(diào)制

8、器(環(huán)形調(diào)制器)。,iL2,36,3. SSB調(diào)制電路 根據(jù)濾除方法的不同,SSB信號(hào)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626是采用濾波法產(chǎn)生SSB的發(fā)射機(jī)框圖。,圖626 濾波法產(chǎn)生SSB信號(hào)的框圖,37,圖627 理想邊帶濾波器的衰減特性,38,2) 移相法 利用移相網(wǎng)絡(luò),對(duì)載波和調(diào)制信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)南嘁?以抵消一個(gè)邊帶。,移相法的優(yōu)點(diǎn)是省去了邊帶濾波器,但要把無(wú)用邊帶完全抑制掉,必須滿(mǎn)足下列兩個(gè)條件: (1)兩個(gè)調(diào)制器輸出的振幅應(yīng)完全相同; (2)移相網(wǎng)絡(luò)必須對(duì)載頻及調(diào)制信號(hào)均保證精確的2相移。,圖628 移相法SSB信號(hào)調(diào)制器,39,6.2 調(diào)幅信號(hào)的解調(diào),6

9、.2.1 調(diào)幅解調(diào)的方法 振幅解調(diào)方法可分為包絡(luò)檢波和同步檢波兩大類(lèi)。包絡(luò)檢波是指解調(diào)器輸出電壓與輸入已調(diào)波的包絡(luò)成正比的檢波方法。由于AM信號(hào)的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系,因此包絡(luò)檢波只適用于AM波。,圖630 包絡(luò)檢波的原理框圖,40,圖631 同步解調(diào)器的框圖,同步檢波又可以分為乘積型和疊加型兩類(lèi)。它們都需要用恢復(fù)的載波信號(hào)ur進(jìn)行解調(diào)。,圖632 同步檢波器 (a)乘積型 (b)疊加型,41,圖633 二極管峰值包絡(luò)檢波器 (a)原理電路 (b)二極管導(dǎo)通 (c)二極管截止,圖634 加入等幅波時(shí)檢波器 的工作過(guò)程,(1)檢波過(guò)程就是信號(hào)源通過(guò)二極管給電容充電與電容對(duì)電阻R放電的交替重復(fù)

10、過(guò)程。,(2) 二極管負(fù)極永遠(yuǎn)處于正的較高的電位,輸出電壓接近于高頻正弦波的峰值,即UoUm。,(3)二極管電流iD包含平均分量(此種情況為直流分量)Iav及高頻分量。,6.2.2 二極管峰值包絡(luò)檢波器 1原理電路及工作原理,42,圖635 檢波器穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流電壓波形,43,圖636 輸入為AM信號(hào)時(shí) 檢波器的輸出波形圖,圖637 輸入為AM信號(hào)時(shí),檢波器二極管的電壓及電流波形,）RC小，則放電快，輸出高頻波紋大； ）輸入調(diào)制頻率高或調(diào)制幅度m大時(shí)，易失真。,44,圖638 包絡(luò)檢波器的輸出電路,2性能分析 1) 傳輸系數(shù)Kd 檢波器傳輸系數(shù)Kd或稱(chēng)為檢波系數(shù)、檢波效率，是用來(lái)描述檢波器對(duì)輸入

11、已調(diào)信號(hào)的解調(diào)能力或效率的一個(gè)物理量。若輸入載波電壓振幅為Um，輸出直流電壓為Uo，則Kd定義為,45,圖639 KdgDR關(guān)系曲線圖,圖640 濾波電路對(duì)Kd的影響,線性檢波 輸出平均電壓總是小于m； 時(shí)，d接近于。,46,2) 輸入電阻Ri 檢波器的輸入阻抗包括輸入電阻Ri及輸入電容Ci，如圖641所示。輸入電阻是輸入載波電壓的振幅Um與檢波器電流的基頻分量振幅I1之比值，即,圖641 檢波器的輸入阻抗,當(dāng)gDR50時(shí)，很小,47,3檢波器的失真 1)惰性失真 在二極管截止期間,電容C兩端電壓下降的速度取決于RC的時(shí)常數(shù)。,圖642 惰性失真的波形,惰性失真總是起始于輸入電壓的負(fù)斜率的包絡(luò)

12、上； 調(diào)幅度m越大，惰性失真越容易出現(xiàn)。 調(diào)制信號(hào)變化越快，惰性失真越容易出現(xiàn)。,48,為了避免產(chǎn)生惰性失真，必須在任何一個(gè)高頻周期內(nèi)，使電容C通過(guò)R放電的速度大于或等于包絡(luò)的下降速度。,不失真條件如下:,49,2) 底部切削失真 底部切削失真又稱(chēng)為負(fù)峰切削失真。產(chǎn)生這種失真后,輸出電壓的波形如圖643(c)所示。這種失真是因檢波器的交直流負(fù)載不同引起的。調(diào)幅波的最小幅度為UC(1-m), 要避免底部切削失真,應(yīng)滿(mǎn)足,圖643 底部切削失真,50,圖644 減小底部切削失真的電路,4.實(shí)際電路及元件選擇（略）,圖645 檢波器的實(shí)際電路,51,圖646 并聯(lián)檢波器及波形 (a)原理電路 (b)

13、波形 (c)實(shí)際電路,5. 二極管并聯(lián)檢波器 除上面討論的串聯(lián)檢波器外,峰值包絡(luò)檢波器還有并聯(lián)檢波器、推挽檢波器、倍壓檢波器、視頻檢波器等。這里討論并聯(lián)檢波器。,52,根據(jù)能量守恒原理,實(shí)際加到并聯(lián)型檢波器中的高頻功率,一部分消耗在R上,一部分轉(zhuǎn)換為輸出平均功率,即,當(dāng)UavUC時(shí)(UC為載波振幅)有,53,6.2.3 同步檢波 1乘積型 設(shè)輸入信號(hào)為DSB信號(hào),即us=Uscostcosct,本地恢復(fù)載波ur=Urcos(rt+),這兩個(gè)信號(hào)相乘,經(jīng)低通濾波器的輸出,且考慮r-c=c在低通 濾波器頻帶內(nèi),有,54,由上式可以看出,當(dāng)恢復(fù)載波與發(fā)射載波同頻同相時(shí),即r=c,=0,則 uo=Uo

14、cost 無(wú)失真地將調(diào)制信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。 若恢復(fù)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。 若有一定的相差,則 uo=Uocoscost,55,圖648 幾種乘積型解調(diào)器實(shí)際線路,56,2. 疊加型 疊加型同步檢波是將DSB或SSB信號(hào)插入恢復(fù)載波,使之成為或近似為AM信號(hào),再利用包絡(luò)檢波器將調(diào)制信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。圖649就是一疊加型同步檢波器原理電路。 設(shè)單頻調(diào)制的單邊帶信號(hào)(上邊帶)為 us=Uscos(c+)t=Uscostcosct-Ussintsinct,57,恢復(fù)載波 ur=Urcosrt=Urcosct us+ur=(Uscost+Ur)co

15、sct-Ussintsinct=Um(t)cosct+(t) 式中,58,式中,m=Us/Ur。當(dāng)mUs時(shí),上式可近似為,59,圖649 疊加型同步檢波器原理電路,圖650 平衡同步檢波電路,uo2=KdUr(1-mcost) uo=uo1-uo2 =2KdUrmcost,60,6.3 混頻,6.3.1 混頻的概述 1混頻器的功能 混頻器是頻譜線性搬移電路，是一個(gè)六端網(wǎng)絡(luò)。其輸出信號(hào)為uI，稱(chēng)為中頻信號(hào)，其頻率是fc和fL的差頻或和頻，稱(chēng)為中頻fI，fI=fLfc,圖651 混頻器的功能示意圖,61,圖652 三種頻譜線性搬移功能 (a)調(diào)制(b)解調(diào)(c)混頻,62,2混頻器的工作原理 設(shè)輸

16、入到混頻器中的輸入已調(diào)信號(hào)us和本振電壓uL分別為 us=Uscostcosct uL=ULcosLt 這兩個(gè)信號(hào)的乘積為,63,圖653 混頻器的組成框圖,64,本振為單一頻率信號(hào),其頻譜為 FL()=(-c)+(+c)輸入信號(hào)為己調(diào)波,其頻譜為Fs(),則,圖654 混頻過(guò)程中的頻譜變換 (a)本振頻譜 (b)信號(hào)頻譜 (c)輸出頻譜,65,3混頻器的主要性能指標(biāo) 1) 變頻增益 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(hào)電壓振幅Us之比,即,同樣可定義變頻功率增益為輸出中頻信號(hào)功率PI 與輸入高頻信號(hào)功率Ps之比,即,通常用分貝數(shù)表示變頻增益,有,66,2) 噪聲系數(shù) 混

17、頻器的噪聲系數(shù)NF定義為,輸入信噪比(信號(hào)頻率),輸出信噪比(中頻頻率),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(huì)產(chǎn)生各種非線性干擾。所以,對(duì)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(yán)重的區(qū)域,使之既能完成頻率變換,又能抑制各種干擾。,67,4)變頻壓縮(抑制) 在混頻器中,輸出與輸入信號(hào)幅度應(yīng)成線性關(guān)系。實(shí)際上,由于非線性器件的限制,當(dāng)輸入信號(hào)增加到一定程度時(shí),中頻輸出信號(hào)的幅度與輸入不再成線性關(guān)系,如圖655所示。,圖655 混頻器輸入、輸出電平的關(guān)系曲線,68,5) 選擇性 混頻器的中頻輸出應(yīng)該只有所要接收的有用信號(hào)(反映為中頻,即fI=fL

18、-fc),而不應(yīng)該有其它不需要的干擾信號(hào)。但在混頻器的輸出中,由于各種原因,總會(huì)混雜很多與中頻頻率接近的干擾信號(hào)。,69,6.3.2 混頻電路 1晶體三極管混頻器,圖656 晶體三極管混頻器原理電路,經(jīng)集電極諧振回路濾波后,得到中頻電流iI,變頻跨導(dǎo)gc=gm12，決定變頻增益、噪聲系數(shù)等，與晶體管特性、直流工作點(diǎn)及本振電壓有關(guān)。,UsUL Eb(t)=Eb+uL,70,圖657 gCUL的關(guān)系,圖658 gCEb的關(guān)系,改變本振電壓值時(shí)，變頻跨導(dǎo)存在最大值。,71,圖659 混頻器本振注入方式,72,圖660 收音機(jī)用典型變頻器線路 (a)中波AM收音機(jī)的變頻電路,73,圖660 收音機(jī)用典

19、型變頻器線路 (b)FM收音機(jī)變頻電路,74,2二極管混頻電路 圖661中，輸入信號(hào)us為已調(diào)信號(hào)；本振電壓為uL,有ULUs,大信號(hào)工作,由第5章可得輸出電流io為,輸出端接中頻濾波器,則輸出中頻電壓uI為,圖661 二極管平衡混頻器原理電路,75,圖662為二極管環(huán)形混頻器,其輸出電流io為,經(jīng)中頻濾波后,得輸出中頻電壓,圖662 環(huán)型混頻器的原理電路,76,6.4 混頻器的干擾,6.4.1 信號(hào)與本振的自身組合干擾 對(duì)混頻器而言,作用于非線性器件的兩個(gè)信號(hào)為輸入信號(hào)us(fc)和本振電壓uL(fL)，則非線性器件產(chǎn)生的組合頻率分量為 f=pfLqfc,77,式中,p、q為正整數(shù)或零。當(dāng)有

20、用中頻為差頻時(shí),即fI=fL-fc或fI=fc-fL,只存在pfL-qfc=fI或qfc-pfL=fI兩種情況可能會(huì)形成干擾,即 pfL-qfcfi 這樣,能產(chǎn)生中頻組合分量的信號(hào)頻率、本振頻率與中頻頻率之間存在著下列關(guān)系,當(dāng)取fL-fc=fI時(shí),上式變?yōu)?fcfI稱(chēng)為變頻比。如果取fc-fL=fI,可得,78,6.4.2 外來(lái)干擾與本振的組合干擾 這種干擾是指外來(lái)干擾電壓與本振電壓由于混頻器的非線性而形成的假中頻。設(shè)干擾電壓為uJ(t)=UJcosJt，頻率為fJ。接收機(jī)在接收有用信號(hào)時(shí),某些無(wú)關(guān)電臺(tái)也可能被同時(shí)收到，表現(xiàn)為串臺(tái)，還可能夾雜著哨叫聲，在這種情況下，混頻器的輸入、輸出和本振的示意圖見(jiàn)圖669。,圖669 外來(lái)干擾的示意圖,79,如果干擾頻率fJ滿(mǎn)足式(6104),即,就能形成干擾。式中,fL由所接收的信號(hào)頻率決