模拟调幅、检波与混频电路

第第6章章 模拟调幅、检波与混频电路模拟调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路线性频率变换电路)6.1 概述概述6.2 振幅调制与解调原理振幅调制与解调原理6.3 调幅电路调幅电路6.4 检波电路检波电路6.5 混频混频16.1 概述概述调制电路与解调电路是通信系统中的重要组成部分。调制电路与解调电路是通信系统中的重要组成部分。v调制：调制：调制是在发射端将调制信号从低频段变换到高频调制是在发射端将调制信号从低频段变换到高频段段,便于天线发送或实现不同信号源、不同系统的频分复便于天线发送或实现不同信号源、不同系统的频分复用；用；v解调：解调：解调是在接收端将已调波信号从高频段变换到低解调是在接收端将已调波信号从高频段变换到低频段频段,恢复原调制信号。恢复原调制信号。分类：分类：按照载波波形的不同按照载波波形的不同,可分为脉冲调制和正弦波调可分为脉冲调制和正弦波调制两种方式。制两种方式。2v脉脉冲冲调调制制：以以高高频频矩矩形形脉脉冲冲为为载载波波,用用低低频频调调制制信信号号分分别别去去控控制制矩矩形形脉脉冲冲的的幅幅度度、宽宽度度或或位位置置三三个个参参量量,分分别别称称为为脉脉幅幅调调制制(PAM)，脉宽调制脉宽调制(PDM)和脉位调制和脉位调制(PPM)。v正弦波调制：高频正弦波为载波正弦波调制：高频正弦波为载波,用低频调制信号分别去控制用低频调制信号分别去控制正弦波的振幅、频率或相位三个参量正弦波的振幅、频率或相位三个参量,分别称为调幅分别称为调幅(AM)、调调频频(FM)和调相和调相(PM)。本书仅讨论正弦波调制。本书仅讨论正弦波调制。3正弦波的表示式为：正弦波的表示式为：其其中中，A是是振振幅幅，(t)是是瞬瞬时时相相位位角角，是是瞬瞬时时角角频频率率，0是初始相位。是初始相位。使使这这三三个个参参数数中中的的某某一一个个（幅幅度度、角角频频率率、相相位位）随随调调制制信信号号大大小小而而线线性性变变化化的的过过程程，分分别别称称为为幅幅度度调调制制、频频率率调调制制或相位调制，简称调幅、调频和调相。或相位调制，简称调幅、调频和调相。4而正弦振荡的瞬时角频率和瞬时相位角之间的关系为：而正弦振荡的瞬时角频率和瞬时相位角之间的关系为：由由上上两两式式可可见见，调调频频与与调调相相的的相相位位角角(t)都都要要变变化化，故故有有时时将其称为合称为角度调制，或者简称调角。将其称为合称为角度调制，或者简称调角。解解调调是是调调制制的的逆逆过过程程。即即从从已已调调信信号号中中恢恢复复原原调调制制信信号号的的过过程程。与与幅幅度度调调制制、频频率率调调制制和和相相位位调调制制相相对对应应。有有幅幅度度解解调调、频频率率解解调调和和相相位位解解调调，并并分分别别简简称称为为检检波波、鉴鉴频频和和鉴相。鉴相。5本章首先分别在时域和频域讨论振幅调制与解调的基本本章首先分别在时域和频域讨论振幅调制与解调的基本原理原理,然后介绍有关电路组成。由于混频电路、倍频电路然后介绍有关电路组成。由于混频电路、倍频电路与调幅电路、与调幅电路、振幅解调电路同属于线性频率变换电路振幅解调电路同属于线性频率变换电路,所所以也放在这一章介绍。以也放在这一章介绍。66.2 振幅调制与解调原理振幅调制与解调原理1.普通调幅信号的表达式、普通调幅信号的表达式、波形、波形、频谱和功率谱频谱和功率谱设设 载载 波波 为为 uc(t)=Ucmcosct,调调 制制 信信 号号 为为 单单 频频 信信 号号，即即u(t)=Umcost(c),则普通调幅信号为则普通调幅信号为:uAM(t)=(Ucm+kUm cos t)cosct =Ucm(1+Macost)cosct 其中调幅指数其中调幅指数0Ma1,k为比例系数。为比例系数。v波形波形7u(t),u c(t)和和uAM(t)的波形图。的波形图。调制调制信号信号载波载波信号信号高频已高频已调波调波信号信号8调幅指数：调幅指数：显显然然,当当Ma1时时,普普通通调调幅幅波波的的包包络络变变化化与与调调制制信信号号不不再再相相同同,产产生生了了失失真真,称称为为过过调调制制,如如图图所所示示。所所以以,普普通通调调幅幅要要求求Ma必须不大于必须不大于1。过调制波形过调制波形9其频谱图为：其频谱图为：uAM(t)=Ucmcosct+cos(c+)t+cos(c-)t带宽：带宽：2v频谱与带宽频谱与带宽公式公式10一般非周期调制信号一般非周期调制信号u(t)的频谱是一连续频谱的频谱是一连续频谱,假设其频假设其频率范围是率范围是minmax,如载频仍是如载频仍是c带宽：带宽：2max11若若此此单单频频调调幅幅信信号号加加在在负负载载R上上,则则载载频频分分量量产产生生的的平平均均功功率率为为:两个边频分量产生的平均功率相同两个边频分量产生的平均功率相同,均为均为:调幅信号总平均功率为调幅信号总平均功率为:v功率功率12v AM调制方式的功率利用率最高只能达到调制方式的功率利用率最高只能达到1/3v提出问题：为什么提出问题：为什么AM方式得到了广泛应用？方式得到了广泛应用？在接收方解调电路简单经济，对于调幅收音机，其接收在接收方解调电路简单经济，对于调幅收音机，其接收方是千家万户，因此得到了广泛应用。方是千家万户，因此得到了广泛应用。13 2.普通调幅信号的产生和解调方法普通调幅信号的产生和解调方法其中：其中：k1=k/Ucmv普通调幅信号的产生普通调幅信号的产生14 高电平调制：第高电平调制：第3章曾经讨论过利用丙类谐振功放的调制章曾经讨论过利用丙类谐振功放的调制特性也可以产生普通调幅信号。特性也可以产生普通调幅信号。由于功放的输出电压很高由于功放的输出电压很高,故这种方法称为高电平调幅。故这种方法称为高电平调幅。低电平调制低电平调制15包络检波。包络检波。利利用用普普通通调调幅幅信信号号的的包包络络反反映映了了调调制制信信号号波波形形变变化化这这一一特特点点,如如能能将将包包络络提提取取出出来来,就就可可以以恢恢复复原原来来的的调调制制信信号号。这这就就是包络检波的原理。是包络检波的原理。包络检波原理图包络检波原理图 v普通调幅信号的解调普通调幅信号的解调16同步检波。同步检波。同同步步检检波波必必须须采采用用一一个个与与发发射射端端载载波波同同频频同同相相(或或固固定定相相位差位差)的信号的信号,称为同步信号。称为同步信号。同步检波可由乘法器和低通滤波器实现同步检波可由乘法器和低通滤波器实现同步检波原理图同步检波原理图 17 设输入普通调幅信号设输入普通调幅信号uAM(t),乘法器另一输入同步信号为乘法器另一输入同步信号为:ur(t)=Urmcosct则乘法器输出为则乘法器输出为:18 可可见见,输输出出信信号号中中含含有有直直流流,2c,2c几几个个频频率率分分量量。用用低低通通滤滤波波器器取取出出直直流流和和分分量量,再再去去掉掉直直流流分分量量,就就可可恢恢复复原调制信号。原调制信号。如果同步信号与发射端载波同频不同相如果同步信号与发射端载波同频不同相,有一相位差有一相位差,ur=Urmcos(ct+)则乘法器输出中的则乘法器输出中的分量为分量为 k2UcmUrmMacoscost。v是一常数是一常数,即同步信号与发射端载波的相位差始终保持恒即同步信号与发射端载波的相位差始终保持恒定定,则解调出来的则解调出来的分量仍与原调制信号成正比分量仍与原调制信号成正比,只不过振幅只不过振幅有所减小。当然有所减小。当然90,否则否则cos=0,分量也就为零了。分量也就为零了。v若若是随时间变化的是随时间变化的,即同步信号与发射端载波之间的相位即同步信号与发射端载波之间的相位差不稳定差不稳定,则解调出来的则解调出来的分量就不能正确反映调制信号了分量就不能正确反映调制信号了19例例1：已知调幅信号为：已知调幅信号为：（1）指出调制信号，载波信号；）指出调制信号，载波信号；（2）画出频谱图；）画出频谱图；20双边带调幅方式双边带调幅方式 1 双边带调幅信号的特点双边带调幅信号的特点设设载载波波为为uc(t)=Ucmcosct,单单频频调调制制信信号号为为u(t)=Um cost(c),则双边带调幅信号为则双边带调幅信号为:uDSB(t)=ku(t)uc(t)=kUm Ucmcostcosct =kUmUcm/2 cos(c+)t+cos(c-)t 可可见见双双边边带带调调幅幅信信号号中中仅仅包包含含两两个个边边频频,无无载载频频分分量量,其其频带宽度仍为调制信号带宽的两倍。频带宽度仍为调制信号带宽的两倍。21v波形与频谱图。波形与频谱图。双边带调幅波形与频谱双边带调幅波形与频谱 22v双边带调幅信号不仅其包络已不再反映调制信号波形的变双边带调幅信号不仅其包络已不再反映调制信号波形的变化化,而且在调制信号波形过零点处的高频相位有而且在调制信号波形过零点处的高频相位有180的突变。的突变。23 2.双边带调幅信号的产生与解调方法双边带调幅信号的产生与解调方法v调制：产生双边带调幅信号的最直接法就是将调制信调制：产生双边带调幅信号的最直接法就是将调制信号与载波信号相乘。号与载波信号相乘。v解调：由于双边带调幅信号的包络不能反映调制信号解调：由于双边带调幅信号的包络不能反映调制信号,所以包络检波法不适用所以包络检波法不适用,而同步检波是进行双边带调幅信而同步检波是进行双边带调幅信号解调的主要方法。号解调的主要方法。24 设同步信号为设同步信号为ur(t)=Urmcosct,则乘法器输出为则乘法器输出为:用用低低通通滤滤波波器器取取出出低低频频分分量量,即即可可实实现现解解调调。将将上上式式双双边边带带信信号号取取平平方方,则则可可以以得得到到频频率率为为2c的的分分量量,然然后后经经二二分分频频电电路路,就就可可以以得得到到c分分量量。这这是是从从双双边边带带调调幅幅信信号号中中提提取取同同步步信号的一种方法。信号的一种方法。25 6.2.3单边带调幅方式单边带调幅方式 单单边边带带调调幅幅方方式式是是指指仅仅发发送送上上、下下边边带带中中的的一一个个。如如以以发发送送上边带为例上边带为例,则单频调制单边带调幅信号为：则单频调制单边带调幅信号为：由上式可见由上式可见,单频调制单边带调幅信号是一个角频率为单频调制单边带调幅信号是一个角频率为c+的单频正弦波信号。的单频正弦波信号。单边带调幅信号的带宽与调制信号带宽相同单边带调幅信号的带宽与调制信号带宽相同,是普通调幅是普通调幅和双边带调幅信号带宽的一半。和双边带调幅信号带宽的一半。产生单边带调幅信号的方法主要有滤波法、产生单边带调幅信号的方法主要有滤波法、相移法以及相移法以及两者相结合的相移滤波法。两者相结合的相移滤波法。26v滤波法滤波法从频域方面从频域方面 这这种种方方法法是是根根据据单单边边带带调调幅幅信信号号的的频频谱谱特特点点,先先产产生生双双边带调幅信号边带调幅信号,再利用带通滤波器取出其中一个边带信号。再利用带通滤波器取出其中一个边带信号。v对对于于频频谱谱范范围围为为minmax的的一一般般调调制制信信号号,如如min很很小小,则则上上、下下两两个个边边带带相相隔隔很很近近,用用滤滤波波器器完完全全取取出出一一个个边边带带而而滤除另一个边带是很困难的。滤除另一个边带是很困难的。27v相移法相移法从时域方面从时域方面单频单边带调幅信号可写成单频单边带调幅信号可写成:28 由由上上式式可可知知,只只要要用用两两个个90相相移移器器分分别别将将调调制制信信号号和和载载波波信信号号相相移移90,成成为为sint和和sinct,然然后后进进行行相相乘乘和和相相减减,就就可以实现单边带调幅。可以实现单边带调幅。v对对单单频频信信号号进进行行90相相移移比比较较简简单单,但但是是对对于于一一个个包包含含许许多多频频率率分分量量的的一一般般调调制制信信号号进进行行90相相移移,要要保保证证其其中中每每个个频率分量都准确相移频率分量都准确相移90是很困难的。是很困难的。29v相移滤波法维夫法相移滤波法维夫法 滤波法的缺点在于高频滤波器的设计困难，而低频滤波器滤波法的缺点在于高频滤波器的设计困难，而低频滤波器的设计要容易些。的设计要容易些。相移法的困难在于宽带相移法的困难在于宽带90相移器的设计相移器的设计,而单频而单频90相移器的相移器的设计比较简单。设计比较简单。结合两种方法的优缺点而提出的相移滤波法是一种比较可结合两种方法的优缺点而提出的相移滤波法是一种比较可行的方法行的方法,30 相相移移滤滤波波法法的的关关键键在在于于将将载载频频c分分成成1和和2两两部部分分,其其中中1是略高于是略高于max的低频的低频,2是高频是高频,即即c=1+2,12。31v 单边带信号的解调单边带信号的解调则乘法器输出为则乘法器输出为同同步步信信号号的的获获取取：一一般般可可在在发发送送单单边边带带调调幅幅信信号号的的同同时时,也也附附带带发发送送一一个个功功率率较较小小的的载载波波信信号号,供供接接收收端端从从中中提提取取作为同步信号。作为同步信号。同步信号：同步信号：采用同步检波方式。采用同步检波方式。326.2.4残留边带调幅方式残留边带调幅方式v特点：残留边带调幅是指发送信号中包括一个完整边带、特点：残留边带调幅是指发送信号中包括一个完整边带、载波及另一个边带的小部分载波及另一个边带的小部分(即残留一小部分即残留一小部分)。这样这样,既比既比普通调幅方式节省了频带普通调幅方式节省了频带,又避免了单边带调幅要求滤波器又避免了单边带调幅要求滤波器衰减特性陡峭的困难衰减特性陡峭的困难,发送的载频分量也便于接收端提取同发送的载频分量也便于接收端提取同步信号。步信号。v应用：在电视广播系统中应用：在电视广播系统中,由于图像信号频带较宽由于图像信号频带较宽,为了为了节约频带节约频带,同时又便于接收机进行检波同时又便于接收机进行检波,所以对图像信号采用所以对图像信号采用了残留边带调幅方式了残留边带调幅方式,而对于伴音信号则采用了调频方式。而对于伴音信号则采用了调频方式。现以电视图像信号为例现以电视图像信号为例,说明残留边带调幅方式的调制与解说明残留边带调幅方式的调制与解调原理。调原理。33残留边带调幅发送和接收滤波器幅频特性残留边带调幅发送和接收滤波器幅频特性(a)发送；发送；(b)接收接收 34v若若采采用用普普通通调调幅幅,每每一一频频道道电电视视图图像像信信号号的的带带宽宽需需12 MHz,而而采采用用残残留留边边带带调调幅幅只只需需8 MHz。另另外外,对对于于滤滤波波器器过过渡渡带带的的要要求求远远不不如如单单边边带带调调幅幅那那样样严严格格,故故容容易易实实现现。35 小小结结：普普通通调调幅幅功功率率利利用用率率低低,但但可可采采用用简简单单、低低成成本本的的包包络络检检波波方方式式,故故广广泛泛用用于于电电台台广广播播系系统统,给给广广大大接接收收者者带带来来便便利利。双双边边带带调调幅幅与与单单边边带带调调幅幅功功率率利利用用率率高高,可可用用于于小小型型通通信信系系统统,其其中中单单边边带带调调幅幅可可节节省省一一半半频频带带,但但需需解解决决如如何何获获得得同步信号的问题。同步信号的问题。残留边带调幅广泛用于电视广播系统。残留边带调幅广泛用于电视广播系统。366.3.1高电平调幅电路高电平调幅电路6.3 调幅电路调幅电路丙丙类类谐谐振振功功放放的的调调制制特特性性分分为为基基极极调调制制特特性性和和集集电电极极调调制制特特性性两两种种,据据此此可可以以分分别别组组成成基基极极调调幅幅电电路路和和集集电电极极调调幅幅电电路路。现以集电极调幅电路为例现以集电极调幅电路为例,说明高电平调幅的原理。说明高电平调幅的原理。集集电电极极调调制制特特性性是是指指固固定定丙丙类类谐谐振振功功放放的的VBB和和R,当当输输入入一一个个等等幅幅高高频频正正弦弦波波时时,输输出出高高频频正正弦弦波波的的振振幅幅Ucm将将随随集集电电极电源电压的变化而变化。极电源电压的变化而变化。37 若若集集电电极极电电源源电电压压为为UCC(t)=UCC0+u(t),即即一一个个固固定定直直流流电电压压与与一一个个低低频频交交流流调调制制信信号号之之和和,则则随随着着UCC的的变变化化,使使得得静静态态工工作作点点左左右右平平移移,从从而而使使动动态态线线左左右右平平移移。当当谐谐振振功功放放工工作作在在过过压压状状态态时时,Ucm将将发发生生变变化化,近近似似有有UcmUCC(t)的的关关系系。如如输输入入信信号号为为高高频频载载波波cosct,输输出出LC回回路路调调谐谐在在c上上,则输出信号可写成则输出信号可写成:uo(t)=Ucmcosct=kUCC0+u(t)cosct其中其中k为比例系数。为比例系数。38集电极调幅电路原理集电极调幅电路原理 集电极调制特性集电极调制特性cosctUCC0+u(t)kUCC0+u(t)cosct39v高高电电平平调调幅幅电电路路的的优优点点是是调调幅幅、功功放放合合一一,整整机机效效率率高高,可可直直接接产产生生很很大大功功率率输输出出的的调调幅幅信信号号,但但也也有有一一些些缺缺点点和和局局限限性性。一一是是只只能能产产生生普普通通调调幅幅信信号号,二二是是调调制制线线性性度度差差,例例如如集集电电极极调制特性中调制特性中Ucm与与UCC并非完全成线性关系。并非完全成线性关系。406.4 检波电路检波电路包包络络检检波波原原理理如如图图所所示示。其其中中的的非非线线性性器器件件可可以以是是二二极极管管,也可以是三极管或场效应管也可以是三极管或场效应管,电路种类也较多。电路种类也较多。41图图 6.4.1 二极管峰值包络检波器二极管峰值包络检波器 这里采用的非线性器件为二极管，低通滤波器为这里采用的非线性器件为二极管，低通滤波器为RC并联电并联电路。路。421.工作原理工作原理以以时时域域上上的的波波形形变变化化来来说说明明二二极极管管峰峰值值包包络络检检波波器器的的工工作原理。作原理。加加在在二二极极管管上上的的正正向向电电压压为为u=ui-uo。假假定定二二极极管管导导通通电电压压为零为零,且伏安特性为且伏安特性为:43v电路特点：电路特点：输入信号为大信号。输入信号为大信号。二二极极管管导导通通与与否否,不不仅仅与与输输入入电电压压ui有有关关,还还取取决决于于输输出出电压电压uo,即输出信号有反馈作用。即输出信号有反馈作用。二二极极管管导导通通时时,电电容容充充电电,充充电电时时间间常常数数为为rdC；二二极极管管截截止止时时,电电容容放放电电,放放电电时时间间常常数数为为RC。由由于于二二极极管管导导通通电阻电阻rd很小很小,因此一般有因此一般有rdCRC。44二极管峰值包络检波器的包络检波波形二极管峰值包络检波器的包络检波波形 设设t=t0时时,uo=0。45 在在t0t1时时段段,uiuo0,二二极极管管导导通通,开开始始给给电电容容充充电电,uo按指数规律上升按指数规律上升,即即AB曲线。曲线。在在t1t2时时段段,ui uo,二二极极管管截截止止,电电容容通通过过电电阻阻R放放电电,uo 按指数规律下降按指数规律下降,即即BC曲线。曲线。在在t2t3时时段段,ui uo,二二极极管管再再次次导导通通,给给电电容容充充电电,uo再再次次上上升升,即即CD曲线。曲线。在在t3t4时时段段,ui uo,二二极极管管再再次次截截止止,电电容容放放电电,uo再再次次下下降降,即即DE曲线。曲线。46由由于于充充放放电电过过程程交交替替进进行行,因因此此uo波波形形呈呈锯锯齿齿状状变变化化。可可以以归归纳出以下几条规律纳出以下几条规律:(1)由于由于rdCRC,故故uo上升快上升快,下降慢。下降慢。(2)除除了了起起始始几几个个周周期期外外,二二极极管管导导通通时时间间均均在在输输入入高高频频振振荡荡信信号号的的峰峰值值附附近近,如如t4t5,t6t7,且且时时间间很很短短,或或者者说说,其导通角其导通角很小。很小。(3)在在正正常常情情况况下下,导导通通角角越越小小,uo曲曲线线与与ui的的包包络络线线越越接接近近。若若趋趋近近于于0,则则uo曲曲线线就就几几乎乎完完全全反反映映了了ui的的包包络络线线即即调调制制信号波形信号波形,此时检波效率最高此时检波效率最高,失真最小。失真最小。472.性能指标性能指标二极管峰值包络检波器的性能指标主要有检波效率、输二极管峰值包络检波器的性能指标主要有检波效率、输入电阻、入电阻、惰性失真和底部切割失真几项。惰性失真和底部切割失真几项。48v检检波波效效率率d：定定义义为为uo中中低低频频分分量量振振幅幅与与ui中中调调制制分分量量振振幅幅的的比值。比值。当当ui是单频调幅波时是单频调幅波时,即即ui=Uim(1+Ma cost)cosct时时,uo中中的低频分量为的低频分量为Uom cost,检波效率检波效率d可写成可写成49 当当ui是是等等幅幅正正弦弦波波时时,即即ui=Uim cosct时时,uo应应为为电电平平为为Uo的直流电压的直流电压,检波效率检波效率d可写成可写成 dcos 利用折线函数分析法利用折线函数分析法,可以求得检波效率的近似表达式：可以求得检波效率的近似表达式：如如果果考考虑虑到到二二极极管管的的实实际际导导通通电电压压不不为为零零,以以及及充充电电电电流流在在二二极极管管微微变变等等效效电电阻阻上上的的电电压压降降等等因因素素,实实际际检检波波要要比比计计算值小。算值小。50当当很小时很小时,仅仅当当gD为为常常数数时时,才才为为常常数数,d也也才才为为常常数数,此此时时输输出出信信号号振幅振幅Uom与调制信号振幅与调制信号振幅MaUim近似成线性关系。近似成线性关系。由于仅在大信号工作时由于仅在大信号工作时,二极管的导通电压才可以忽略，二极管的导通电压才可以忽略，这这时二极管伏安特性用折线近似，电导时二极管伏安特性用折线近似，电导gD可视为常数可视为常数,因此峰值因此峰值包络检波电路仅适合于大信号工作。包络检波电路仅适合于大信号工作。51v 等效输入电阻等效输入电阻Ri。检检波波器器的的前前级级通通常常是是一一个个调调谐谐在在载载频频的的高高Q值值谐谐振振回回路路,检检波波器器相相当当于于此此谐谐振振回回路路的的负负载载。为为了了研研究究检检波波器器对对前前级级谐谐振振回路的影响回路的影响,故定义检波器等效输入电阻故定义检波器等效输入电阻52利用功率守恒定理：利用功率守恒定理：输入功率：输入功率：输出功率：输出功率：忽略二极管导通内阻所消耗的功率，忽略二极管导通内阻所消耗的功率，53v 惰性失真。惰性失真。电电容容放放电电速速度度过过慢慢,导导致致uo的的下下降降速速率率比比包包络络线线的的下下降降速速率率慢慢,则则二二极极管管不不能能导导通通,造造成成uo波波形形与与包包络络线线的的失失真真。由由于于这这种种失失真真来来源源于于电电容容来来不不及及放放电电的的惰惰性性,故故称称为为惰惰性性失失真真。下下图图给给出了惰性失真的波形图出了惰性失真的波形图,在在t1t2时间段内出现了惰性失真。时间段内出现了惰性失真。惰性失真波形图惰性失真波形图 54 单频调幅波的包络线表达式为单频调幅波的包络线表达式为其下降速率为：其下降速率为：因为电容通过因为电容通过R放电时放电时,电容电流与电阻电流相同电容电流与电阻电流相同,即即:要要避避免免惰惰性性失失真真,就就要要保保证证电电容容电电压压的的减减小小速速率率在在任任何何一个高频周期内都要大于或等于包络线的下降速率。一个高频周期内都要大于或等于包络线的下降速率。us(t)=Uim(1+Macost)55 在在开开始始放放电电时时刻刻,电电容容电电压压uc可可近近似似视视为为包包络络电电压压us,故故避免惰性失真的不等式可写为避免惰性失真的不等式可写为:即即 所以电容电压的减小速率所以电容电压的减小速率56整理得：整理得：分析可知，分析可知，f(t)在在此时有极大值，此时有极大值，此时不等式的解为此时不等式的解为可见可见,调幅指数越大调幅指数越大,调制信号的频率越高调制信号的频率越高,时间常数时间常数RC的允的允许值越小。许值越小。57v 底部切割失真。底部切割失真。检检波波器器输输出出uo是是在在一一个个直直流流电电压压上上迭迭加加了了一一个个交交流流调调制制信信号号,故故需需要要用用隔隔直直流流电电容容将将解解调调后后的的交交流流调调制制信信号号耦耦合合到到下下一一级级进进行行放放大大或或其其它它处处理理。下下一一级级电电路路的的输输入入电电阻阻即即作作为为检检波波器的实际负载器的实际负载RL,如图所示。如图所示。58为为了了有有效效地地将将检检波波后后的的低低频频信信号号耦耦合合到到下下一一级级电电路路,要要求求耦耦合合电电容容Cc的的容容抗抗远远远远小小于于RL,所所以以Cc的的值值很很大大。这这样样,uo中中的的直直流流分分量量几几乎乎都都落落在在Cc上上,这这个个直直流流分分量量的的大大小小近近似似为为输输入入载载波波的的振振幅幅Uim。所所以以Cc可可等等效效为为一一个个电电压压为为Uim的的直直流流电压源。电压源。此电压源在此电压源在R上的分压为：上的分压为：59则当检波器处于稳定工作时则当检波器处于稳定工作时,其输出端其输出端R上将存在一个固定上将存在一个固定电压电压UR。当输入调幅波。当输入调幅波ui(t)的值小于的值小于UR时时,二极管将会截止。二极管将会截止。也就是说也就是说,电平小于电平小于UR的包络线不能被提取出来的包络线不能被提取出来,出现了失真出现了失真,如图所示。如图所示。60由于这种失真出现在调制信号的底部由于这种失真出现在调制信号的底部,故称为底部切割失真。故称为底部切割失真。要要避避免免底底部部切切割割失失真真,必必须须使使包包络络线线的的最最小小电电平平大大于于或或等等于于UR,即即:其中其中R指指RL与与R的并联值的并联值,即检波器的交流负载。交流负载即检波器的交流负载。交流负载R与直流负载与直流负载R越接近越接近,可允许的调幅指数越大。可允许的调幅指数越大。61v采取措施：采取措施：在检波器与下一级电路之间插入一级射随器在检波器与下一级电路之间插入一级射随器,即增大即增大RL的值的值不不改变直流负载，加大交流负载。改变直流负载，加大交流负载。直流负载：直流负载：交流负载：交流负载：62由由于于设设计计和和制制作作增增益益高高,选选择择性性好好,工工作作频频率率较较原原载载频频低低的的固固定定中中频频放放大器比较容易大器比较容易,所以采用混频方式可大大提高接收机的性能。所以采用混频方式可大大提高接收机的性能。6.5 混混 频频在在通通信信接接收收机机中中,混混频频电电路路的的作作用用在在于于将将不不同同载载频频的的高高频频已已调调波波信信号号变变换换为为同同一一个个固固定定载载频频(一一般般称称为为中中频频)的的高高频频已已调调波波信信号号,而而保保持持其其调调制规律不变。制规律不变。v调幅收音机：载频位于调幅收音机：载频位于535 kHz1605kHz变换为变换为465kHz中频中频v调频收音机：载频位于调频收音机：载频位于88MHz108MHzMHz中频中频v电视机：载频位于四十几电视机：载频位于四十几MHz 近千近千MHz变换为变换为38 MHz中频中频636.5.1混频原理及特点混频原理及特点 下图是混频电路组成原理图。下图是混频电路组成原理图。混频电路原理图混频电路原理图 64以输入是普通调幅信号：以输入是普通调幅信号：us(t)=Ucm1+ku(t)cos2fct,uL(t)=ULmcos2fLt,输出中频调幅信号：输出中频调幅信号：uI(t)=UIm1+ku(t)cos 2fIt。65普通调幅信号混频频谱图普通调幅信号混频频谱图(a)混频前；混频前；(b)混频后混频后66 虽虽然然混混频频电电路路与与调调幅幅电电路路、检检波波电电路路同同属属于于线线性性频频率率变变换换电路电路,但它却有两个明显不同的特点但它却有两个明显不同的特点:(1)混频电路的输入输出均为高频已调波信号。混频电路的输入输出均为高频已调波信号。(2)混混频频电电路路通通常常位位于于接接收收机机前前端端,不不但但输输入入已已调调波波信信号号很很小小,而而且且若若外外来来高高频频干干扰扰信信号号能能够够通通过过混混频频电电路路之之前前的的选选频频网网络络,则也可能进入混频电路。则也可能进入混频电路。67 6.5.2混频干扰混频干扰其中其中混混频频电电路路的的输输入入除除了了载载频频为为fc的的已已调调波波信信号号us和和频频率率为为fL的的本本振振信信号号uL之之外外,还还可可能能有有从从天天线线进进来来的的外外来来干干扰扰信信号号。外外来来干干扰扰信信号号包包括括其其它它发发射射机机发发出出的的已已调调波波信信号号和和各各种种噪噪声声。假假定定有有两两个个外外来来干干扰扰信信号号un1和和un2,设设其其频频率率分分别别为为fn1和和fn2。us、uL和和un1、un2以下分别简称为信号、本振和外来干扰。以下分别简称为信号、本振和外来干扰。假定混频电路中的非线性器件为晶体管假定混频电路中的非线性器件为晶体管,其转移特性为其转移特性为:i=a0+a1u+a2u2+a3u3+a4u4+u=us+uL+un1+un2=Uscos2fct+ULcos 2fLt+Un1cos2fn1t+Un2cos 2fn2t68 则则 晶体管输出的所有组合频率分量为晶体管输出的所有组合频率分量为:f=|pfLqfcrfn1sfn2|,p、q、r、s=0,1,2,v在在这这些些组组合合频频率率分分量量中中,只只有有p=q=1,r=s=0对对应应的的频频率率分分量量fI=fL-fc才是有用的中频才是有用的中频,其余均是无用分量。其余均是无用分量。v若若其其中中某某些些无无用用组组合合频频率率分分量量刚刚好好位位于于中中频频附附近近,能能够够顺顺利利通通过过混混频频器器内内中中心心频频率率为为fI的的带带通通滤滤波波器器,就就可可以以经经中中放放、检检波后对有用解调信号进行干扰波后对有用解调信号进行干扰,产生失真。产生失真。v由由幂幂级级数数分分析析法法可可知知,p、q、r、s值值越越小小所所对对应应的的组组合合频频率率分量的振幅越分量的振幅越大大,相应的无用组合频率分量产生的干扰就越大。相应的无用组合频率分量产生的干扰就越大。69 1.信号和本振产生的组合频率干扰信号和本振产生的组合频率干扰 先先不不考考虑虑外外来来干干扰扰的的影影响响。若若信信号号和和本本振振产产生生的的组组合合频频率分量满足：率分量满足：|pfLqfc|=fIF式中式中F为音频为音频,则此组合频率分量能够产生干扰。则此组合频率分量能够产生干扰。例例如如,当当fc=931 kHz,fL=1396 kHz,fI=465kHz时时,对对应应于于p=1,q=2的组合频率分量为的组合频率分量为:|1396-2931|=466kHz=465kHz+1kHz 466 kHz的的无无用用频频率率分分量量在在通通过过中中放放后后,与与中中频频为为465 kHz的的调调幅幅信信号号一一起起进进入入检检波波器器中中的的非非线线性性器器件件,会会产产生生1kHz的的差差拍干扰拍干扰,经扬声器输出后类似于哨声经扬声器输出后类似于哨声,故称这种干扰为干扰哨声。故称这种干扰为干扰哨声。70 2.一个外来干扰和本振产生的组合频率干扰一个外来干扰和本振产生的组合频率干扰 若外来干扰和本振产生的无用组合频率分量满足若外来干扰和本振产生的无用组合频率分量满足|pfLrfn1|=fI p、r=0,1,2,则也会产生干扰作用。通常将这类组合频率干扰称为寄生通则也会产生干扰作用。通常将这类组合频率干扰称为寄生通道干扰道干扰,其中中频干扰和镜频干扰两种寄生通道干扰由于对应其中中频干扰和镜频干扰两种寄生通道干扰由于对应的的p、r值很小值很小,故造成的影响很大故造成的影响很大,需要特别引起重视。需要特别引起重视。71 1)中频干扰。中频干扰。当当p=0,r=1时时,fn1=fI,即即外外来来干干扰扰频频率率与与中中频频相相同同。例例如如中中频频为为465kHz,则则同同样样频频率率的的外外来来干干扰扰即即为为中中频频干干扰扰的的来来源源。2)镜频干扰。镜频干扰。当当p=r=1时时,fn1=fL+fI。因因为为fc=fL-fI,所所以以fn1与与fc在在频频率率轴轴上上对对称称分分列列于于fL的的两两旁旁,互互为为镜镜像像,故故称称fn1为为镜镜像像频频率率(简简称称镜镜频频)。例例如如fI=465kHz,fc=1MHz,则则镜镜频频为为1930kHz。若外来干扰中含有若外来干扰中含有1930kHz的镜频的镜频,就会产生镜频干扰。就会产生镜频干扰。72镜频位置示意图镜频位置示意图 73 3.两个外来干扰和本振产生的组合频率干扰两个外来干扰和本振产生的组合频率干扰 若若两两个个外外来来干干扰扰能能够够进进入入混混频频电电路路,并并且且和和本本振振共共同同产产生生的组合频率分量满足：的组合频率分量满足：|fLrfn1sfn2|=fI 则也会产生干扰作用则也会产生干扰作用,通常称为互相调制干扰通常称为互相调制干扰(简称互简称互调干扰调干扰)。其中其中r=1,s=2和和r=2,s=1 两个组合频率分量影响最大两个组合频率分量影响最大,由于由于r+s=3,故称为三阶互调干扰。显然故称为三阶互调干扰。显然,其中两个外来干扰频其中两个外来干扰频与载频的关系分别为与载频的关系分别为:-fn1+2fn2=fc2fn1-fn2=fc74令令Us=0,经经分分析析可可知知,这这两两个个组组合合频频率率分分量量均均是是从从四四次次方方项项a4u4中中产产生生,振振幅幅分分别别是是 a4Un1U2n2UL和和 a4U2n1Un2UL。75 4 外来干扰和信号、外来干扰和信号、本振产生的交叉调制干扰本振产生的交叉调制干扰若设若设u=us+uL+un,在输出电流表达式中在输出电流表达式中,偶次方项均会产生偶次方项均会产生中频分量中频分量,其中四次方项其中四次方项a4u4产生的中频分量为产生的中频分量为3a4UsU2nULcos 2(fL-fc)t。显然。显然,这个中频分量与二次方项这个中频分量与二次方项a2u2产生的有用中频分量产生的有用中频分量a2UsULcos2(fL-fc)t不同不同,因为它的因为它的振幅是受外来干扰振幅是受外来干扰un的振幅的振幅Un控制的。若控制的。若Un是交变信号是交变信号,则则此中频分量就会如同一个干扰迭加在有用中频分量上。通常此中频分量就会如同一个干扰迭加在有用中频分量上。通常称这种干扰为交叉调制干扰称这种干扰为交叉调制干扰(简称交调干扰简称交调干扰)。其中由四次其中由四次方项产生的称为三阶交调干扰。虽然四次以上偶次方项也会方项产生的称为三阶交调干扰。虽然四次以上偶次方项也会产生交调干扰产生交调干扰,但影响较弱。但影响较弱。76v 交调干扰有两个特点交调干扰有两个特点:一是当信号消失一是当信号消失,即即us=0,则它也消失；则它也消失；二二是是能能否否产产生生交交调调干干扰扰与与外外来来干干扰扰的的频频率率无无关关,只只取取决决于于此此外外来来干干扰扰能能否否顺顺利利通通过过混混频频电电路路之之前前的的选选频频网网络络。显显然然,能能产产生交调干扰和互调干扰的外来干扰频率都靠近信号载频生交调干扰和互调干扰的外来干扰频率都靠近信号载频fc 例如例如,混频电路之前的选频网络带宽为混频电路之前的选频网络带宽为10 kHz,若若fc=560 kHz,则位于则位于555 kHz565kHz范围内的外来干扰都可能产生范围内的外来干扰都可能产生三阶交调干扰。三阶交调干扰。77 5.包络失真和强信号阻塞干扰包络失真和强信号阻塞干扰 在在式式(6.5.1)中中,若若设设u=us+uL,则则在在输输出出电电流流表表达达式式中中,电电压压偶偶次次方方项项均均会会产产生生中中频频分分量量。其其中中二二次次方方项项产产生生的的振振幅幅为为a2UsUL,四次方项产生的振幅为四次方项产生的振幅为 可可见见,实实际际中中频频分分量量振振幅幅并并非非与与信信号号振振幅幅Us成成正正比比。Us越越大大,失失真真越越严严重重。因因为为Us就就是是已已调调波波的的包包络络,所所以以称称此此为为包包络络失失真真。若若Us太太大大,包包络络失失真真太太严严重重,使使晶晶体体管管进进入入饱饱和和区区或或截截止止区区,则则无无法法将将调调制制信信号号解解调调出出来来,通通常常称称这这种种现现象象为为强强信信号号阻阻塞塞干干扰扰。78 6 减小或避免混频干扰的措施减小或避免混频干扰的措施 从以上分析可知从以上分析可知,产生混频干扰的根本原因是器件的非产生混频干扰的根本原因是器件的非线性特性。混频干扰又可分成两类线性特性。混频干扰又可分成两类,一类是由于非线性特一类是由于非线性特性产生了众多无用组合频率分量而引起的性产生了众多无用组合频率分量而引起的,另一类是由于另一类是由于非线性特性产生了一些受外来干扰控制或与调制信号不成非线性特性产生了一些受外来干扰控制或与调制信号不成线性关系的有用频率分量而引起的。线性关系的有用频率分量而引起的。针对混频干扰产生的针对混频干扰产生的具体原因具体原因,可以采取以下三个方面的措施来减小或避免。可以采取以下三个方面的措施来减小或避免。79 (1)选择合适的中频。选择合适的中频。二次混频接收机组成方框图二次混频接收机组成方框图80 (2)提提高高混混频频电电路路之之前前选选频频网网络络的的选选择择性性,减减少少进进入入混混频频电电路路的的外外来来干干扰扰,这这样样可可减减小小交交调调干干扰扰和和互互调调干干扰扰。对对于于镜镜频频可采用陷波电路将它滤掉。可采用陷波电路将它滤掉。(3)采采用用具具有有平平方方律律特特性性的的场场效效应应管管、模模拟拟乘乘法法器器或或利利用用平平衡衡抵抵消消原原理理组组成成的的平平衡衡混混频频电电路路或或环环形形混混频频电电路路,可可以以大大大大减减少少无无用用组组合合频频率率分分量量的的数数目目,尤尤其其是是靠靠近近有有用用频频谱谱的的无无用用组组合合频频率率分分量量,从从而而降降低低了了各各种种组组合合频频率率干干扰扰产产生生的的可可能能性性。816.5.3 混频电路混频电路晶体管混频电路具有增益高、噪声低的优点晶体管混频电路具有增益高、噪声低的优点,但混频干扰但混频干扰大。场效应管混频电路由于其平方律特性大。场效应管混频电路由于其平方律特性,受混频干扰小。受混频干扰小。二极管平衡和环行混频电路结构简单二极管平衡和环行混频电路结构简单,噪声低噪声低,受混频干受混频干扰小扰小,工作频率高工作频率高(可达近千兆赫可达近千兆赫)。采用模拟乘法器组成的集成混频电路采用模拟乘法器组成的集成混频电路,不但受混频干扰小不但受混频干扰小,而且调整容易而且调整容易,输入信号动态范围较大。输入信号动态范围较大。82 1.晶体管混频电路晶体管混频电路图图中中L1C1调调谐谐于于输输入入信信号号us的的载载频频fc,L2C2调调谐谐于于中中频频fI,本本振振uL与与UBB0迭迭加加后后作作为为偏偏置置电电压压。由由于于us振振幅幅很很小小,uL振振幅幅较较大大,所所以以可可视视为为线线性性时时变变工工作作状状态态。采采用用5.3节节的的分分析析方方法法,参参照照式式(5.3.4)可以看到可以看到,iC中含有的组合频率分量为中含有的组合频率分量为:|nfLfc|,n=0,1,2 其中中频电流分量为其中中频电流分量为:iI=g1Uscos 2fIt,fI=fL-fc (6.5.6)83晶体管混频电路原理图晶体管混频电路原理图 高频已高频已调波调波本振本振中频已中频已调波调波84晶体管工作于线性时变工作状态：晶体管工作于线性时变工作状态：中频电流为：中频电流为：iI=1/2g1Uscos 2fIt,fI=fL-fc85对对g(t)进行积分而求出进行积分而求出g1,而跨导而跨导 若若定定义义混混频频跨跨导导 ,即即中中频频电电流流振振幅幅II与与输输入入信信号号振幅振幅Us之比之比,则有则有:若若L2C2回路总谐振电导为回路总谐振电导为g,则可以求得混频电压增益则可以求得混频电压增益 86 2.二极管混频电路二极管混频电路二极管平衡混频电路原理图二极管平衡混频电路原理图 87 由由图图可可见见,若若忽忽略略输输出出电电压压uI的的反反馈馈作作用用,则则加加在在两两个个二极管上的电压分别是：二极管上的电压分别是：u1=uL+usu2=uL-us由由于于us很很小小,uL很很大大,故故二二极极管管工工作作在在受受uL控控制制的的开开关关工工作作状状态态。因因为为在在uL正正半半周周时时两两个个二二极极管管同同时时导导通通，负负半半周周时时两两个个二二极极管管同时截止，故根据同时截止，故根据KVL可写出两个回路电压方程分别为可写出两个回路电压方程分别为88i中的组合频率分量为中的组合频率分量为其中其中,RD是二极管导通电阻是二极管导通电阻.两方程相减两方程相减,得得而：而：89例例 在下图所示二极管平衡电路原理图中，在下图所示二极管平衡电路原理图中，u1和和u2是输入信号，是输入信号，uo是输出信号。若采用此电路进行普通调幅、是输出信号。若采用此电路进行普通调幅、双边带调幅和同双边带调幅和同步检波，步检波，u1和和u2各应该是什么信号？各应该是什么信号？负载负载ZL1、ZL2各应该采用各应该采用什么形式元件？什么形式元件？试写出有关表达式。试写出有关表达式。90 解：解：1、进行调幅进行调幅i1=gD(u1+u2)K1(ct)i2=gD(-u1+u2)K1(ct-)vu1、u2应分别是载波和调制信号应分别是载波和调制信号v负载采用带通滤波器：采用变压器耦合负载采用带通滤波器：采用变压器耦合LC回路回路（1）设）设u1是载波信号，是载波信号，u2是调制信号，是调制信号，u1是大信号。是大信号。二二极极管管应应工工作作在在受受大大信信号号u1控控制制的的开开关关状状态态，在在u1的的正正、负负半半周周内内V1、V2分分别别导导通通。设设gD是是二二极极管管导导通通电电导导，忽忽略略负载电压的反馈作用，负载电压的反馈作用，u1=Ucm cosct，u2=u（t）91故：故：频率成分包括：频率成分包括：以及以及故能够实现普通调幅。故能够实现普通调幅。92 （2）设）设u2是载波信号，是载波信号，u1是调制信号，是调制信号，u2是大信号。是大信号。u2=Ucm cosct，u1=u（t）i1=gD(u1+u2)K1(ct)i2=gD(-u1+u2)K1(ct)二二极极管管应应工工作作在在受受大大信信号号u2控控制制的的开开关关状状态态，在在u2的的正正、负负半半周周内内V1、V2分分别别导导通通。设设gD是是二二极极管管导导通通电电导导，忽略负载电压的反馈作用，忽略负载电压的反馈作用，93频率成分包括：频率成分包括：以及以及故能够实现双边带调幅。故能够实现双边带调幅。94 2、进行同步检波、进行同步检波v负载负载ZL1和和ZL2为相同参数的为相同参数的RC低通滤波器低通滤波器二二极极管管应应工工作作在在受受大大信信号号u2控控制制的的开开关关状状态态，分分析析过过程程与调幅相似。与调幅相似。vu1、u2应分别是调幅波和本地载波应分别是调幅波和本地载波设设u1是双边带调幅波，是双边带调幅波，u1=ku（t）cosct，u2=Urm cosct95其中，低频分量为其中，低频分量为 ，k是比例系数。是比例系数。同理：同理：则：则：v因此能够完成同步解调因此能够完成同步解调96章末小结章末小结混频混频97iC过压032临界欠压w tiC0UCC3UCC2UCC1Q3Q2Q1uCEmin1uCE98(a)(b)0过压临界欠压UCCUcmIclmIC0返回返回99积化和差：积化和差：和差化积：和差化积：返回返回100