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第5章 振幅调制、解调与混频电路,调制、解调与混频在通信电路起何作用？处于发射机和接收机什么位置？ 振幅调制、解调与混频电路的输入和输出信号频谱有何特点？ 振幅调制、解调与混频电路如何构成？有哪些类型？ 如何分析振幅调制、解调与混频电路？有哪些性能参数？如何计算？,1,5.1 振幅调制的基本原理,在无线电通信系统中，将信号从发射端传输到接收端时，信号的原始形式一般不适合传输，必须进行调制和解调，所谓调制是将需要传送的信息装载到某一高频振荡信号（载波）上去的过程。 在接收端收到了已调波信号后，需要将载波去掉，还原成原有的信息，即调制信号，这个过程是与调制相反的过程，称为解调。 调制可分为振幅调制、频率调制和相位调制，简称为调幅、调频和调相，分别对应的解调有检波、鉴频和鉴相。,2,载波uc,调制信号 u,已调波uAM,3,5.1.1 普通调幅波,所谓调制，就是使幅度、频率、或相位随调制信号的大小而线性变化的过程。分别称为振幅调制、频率调制或相位调制，简称调幅、调频和调相。,解调是调制的相反过程，即从已调波信号中恢复原 调制信号的过程。与调幅、调频和调相相对应，有振幅 解调、频率解调和相位解调，简称检波、鉴频和鉴相。,4,正弦波一般可表示为：,1.AM调幅波的数学表达式,设：单音调制信号,载波,调幅信号（已调波）,包络函数,5,包络函数,称为调幅度、调幅指数或调制系数。,kf 为比例系数，称为调制灵敏度。,6,2. 调幅信号的波形,7,过调幅失真,包络函数：,8,包络的振幅为：,调制度,9,载波分量,上边带分量,下边带分量,3. AM调幅波的频谱及带宽,10,单音调幅波频谱宽度等于调制信号频率 的二倍即,2) 多音调幅波的频谱,频谱宽度是最高频率 的二倍即：,11,将单音调幅波电压加到电阻RL两端，得调幅波各频率 分量在RL上消耗的功率分别是：, 载波功率, 上下边带功率,4. AM调幅波的功率分配,12, 载波功率, 上下边带功率,结论：能量传送时，由AM传送改为边带传送可节约能量。,怎样能抑制掉载波，只保留两个边带呢？,当Ma最大为1时，边带功率只占整个调幅波功率的1/3。,13,5. 实现AM调幅波的数学模型,14,在AM调制过程中，如果将载波分量抑制掉，就可 形成双边带信号。,DSB波数学表达式：,5.1.2 双边带调幅信号（DSB）,15,DSB波的波形与频谱：,16,双边带调制波的上下边带包含的信息相同，两个边 带发射是多余的，为节省频带，提高系统的功率和频带 的利用率，常采用单边带调制系统。,SSB的数学表达式,上边带,下边带,5.1.3 单边带调幅信号（SSB）,17,SSB的波形图与频谱图,18,调幅过程是把调制信号的频谱从低频搬移到载频的两 侧，搬移过程中，频谱的结构不发生变化，属于频谱的 线性搬移。,相乘器,5.2 振幅调制电路,19,若一个非线性电路有两个不同频率的交流信号同时输入，如果其中一个交流信号的振幅远远小于另一个交流信号的振幅时，可以采用下面介绍的线性时变分析法来分析该电路的输出频谱分量。,5.2.1 非线性电路的线性时变分析法,设一个非线性器件的伏安特性为i=f(u)，器件上的电压u=UQ+u1+u2，其中UQ是静态偏置电压，u1和u2都是交流信号：。如果，则可以认为器件的工作状态主要由UQ与u1决定，若在交变工作点(UQ+u1)处将输出电流i展开为幂级数，可以得到：,20,忽略高次项，得到：,其中：,分别称为电导和跨导。,21,(1)单向正向余弦型 开关函数,将 波形按傅氏级数展开，表示为,开关函数,22,(2) 单向反相余弦型 开关函数,将 波形按傅氏级数展开，表示为,23,(3)双向余弦开关函数,24,单向正相正弦开关函数,单向反相正弦开关函数,双向正弦开关函数,(4) 正弦型,若v1 ( t ) =V1msin1t,25,1. 二极管电路,a) D1、D2为理想开关二极管,b) v1同相加到D1、D2上， v2反相加到D1、D2上。,Tr1次级与Tr2初级具有中 心抽头，并上下严格对称。,d) 差动输出电流 i = ？,5.2.2 低电平调幅电路,（1）二极管电路平衡相乘器,26,v1为大信号， v2为小信号。,V1mV2m，V1mVD(on),设：,v1控制二极管D1、D2开关工作。,27,工作原理,设：V1mV2m，V1mVD(on) ，,若 v1 0，D1、D2导通；若 v1 0，D1、D2截止,为什么是2RL,28,i 含频谱分量：2，12，312 ,怎样实现相乘？,29,(2) 二极管环形调幅器,v1=vcVcmcosct,v2=vVmcost,i 经过LC带通滤波器中心频率c，BW3dB=2， 得输出vo为不失真的vDSB 。,VcmVm，VcmVD(on),30,二极管环形调幅器的电流波形,31,(3) 集成模拟相乘器调幅电路,32,1.集电极调幅电路,5.2.3 高电平调幅电路,要实现集电极调幅，应使放大器工作在过压区。,33,集电极调幅的波形,34,2. 基极调幅电路,要实现基极调幅，应使放大器工作在欠压区。,35,基极调幅的波形,36,5.3 振幅检波电路,检波：是从已调幅波中还原出原调制信号的过程。 它是振幅调制的逆过程。,检波器功能：,实现频谱线性搬移。,检波器分类,37,5.3.1 振幅检波的基本原理,检波器的输入、输出波形,38,1.电路组成,vS、D、C RL三者是 串联关系。 电路工作在大信号状态， 输入信号在1V左右。,5.3.2 二极管包络检波电路,条件：,为什么要满足这两个条件？,实际是一低通电路,理想情况下：Z(c)=0， Z()=RL,39,2. 工作原理,大信号的检波过程， 主要是利用二极管的单 向导电特性和检波负载 RC的充放电过程。,输出端电压,二极管上电压,由于二极管导通角很小，所以,40,输入为AM波时检波器的输出波形图,41,3.主要性能指标,用傅氏级数对i进行分解，其中直流分量为,设输入为高频等幅波,（1） 电压传输系数,42,负载RL上得到的平均电压：,两边同除 得,将其中 级数展开：,43,得,流通角,44,由能量守恒原理可知，由于 很小，消耗在RD上的功率可以忽略，所以检波器输入的高频功率 全部转换为输出的平均功率 ，而 ， 所以有 。,（2）等效输入电阻,45,1) 惰性失真,现象：,RLCL太大，放电速度跟不上包络下降的速度所致。,这种现象是什么原因引起的？,4. 非线性失真,46,为了避免惰性失真，应使电容C放电的速度大于或 等于包络的下降速度，即,因此得到避免产生惰性失真的条件：,（多音）,47,2) 负峰切割失真 （或称底部切割失真）,原因： 检波器与下一级级连时，必须加入隔直耦合电容Cc， Ri2为下一级负载，这样检波器的直流负载为RL，交流 负载为R RL Ri2， 交直流负载不同，将引起底部失真。,48,电路：,R RL Ri2 交流负载， RL直流负载。,因为Cc较大，其两端直流电压基本不变，近似等于载波 振幅值Vcm，可视为一直流电源。它在电阻RL和Ri2上产生分压 为：,调幅波的最小幅值为：,要避免底部失真应满足：,49,克服负峰切割条件：,R RL Ri2 交流负载， RL 直流负载。,所以有,50,克服负峰切割措施：,将RL分成RL1和RL2两部分,并通过隔直电容CC将与Ri2并接在RL2两端。,51,5.3.3 同步检波电路,(1) 作用：主要解调DSB，SSB波，也可解调AM波 (2) 类型：,本地恢复载波 与原载波严格同步(同频同相),52,乘积型,乘积型同步检波是直接把本地恢复载波与接收信号 相乘，用低通滤波器将低频信号提取出来。,本地恢复载波,设理想时,53,经低通滤波器、隔直流电容后，输出：,54,二极管环型同步检波器,(3) 同步检波电路,55,2. 集成模拟同步检波器,MC1595L,限幅器,相乘器,低通滤波器,56,5.4 混频原理与电路,混频是将某一频率的输入信号变换成另一个 频率的输出信号，而保持原有的调制规律不变的 一种变频器，混频的过程属于频谱的线性搬移过 程。,57,1. 混频器的变频作用,混频器的实质是什么？,用什么器件可以实现混频器？,5.4.1 混频电路,58,2. 混频原理的数学分析,假设输入到混频器的两个信号都是余弦波，混频器的 伏安特性为,谐波分量,和频分量,差频分量,通过中频滤波器将差频分量取出，将其它频率分量滤除。,59,3. 混频的实现,混频是频谱的线性搬移过程。完成频谱线性搬移的关键 是要获得两个输入信号的乘积。,也可利用非线性器件的频率变换来实现混频。,60,晶体管混频器 场效应管混频器 二极管混频器 集成模拟混频器,4. 常用的混频器,61,1.晶体管混频电路,（输入高频信号）,（本地振荡信号）,62,集电极电流,工作原理：,此电路称为线性时变电路。,63,由此可得集电极电流 ic 为:,将上式用泰勒级数在 点展开，得,由于 值很小，可以忽略二次方及以上各项，得近似方程,式中 为 时的集电极电流，,为晶体管跨导。,64,其中,经集电极滤波回路滤波后得到中频电流 i I,称为中频,利用傅里叶级数展开得:,式中,一般用图解法近似计算。,和 都是受 控制的非线性函数，,65,称为变频跨导,一般用图解法近似计算。,为变频器传输跨导的基波分量,gf1 仅与晶体管特性、直流工作点及本振信号vL有关， 与vs无关，故变频跨导gfc也有上述性质。,66,vs (t)为信号电压， vL (t)为本地振荡电压,（1） 共发射极混频电路,67,（2）共基极混频电路,对vs、vL分别加在不同的电极上，电路工作稳定(经常被采用),对vs、vL均加在同一电极上，容易起振，但相互牵制大。,68,（1）二极管平衡混频器,VLmVSm,2.二极管混频器,69,其中 vL为本振信号 vL=VLmcosLt 为大信号,令 vs=Vsmcosct 为小信号,(RLRD),70,实现混频,71,2. 集成混频器,72,在混频器中，通过非线性元件的作用，在信号和本振之 间、干扰和信号之间、干扰和干扰之间都会产生一系列的组 合频率分量。当其中某些分量的频率等于或接近于中频频率 时，就会和有用的中频信号一起由混频电路输出，进入中频 放大器，经过检波后，产生各种哨叫声或嘈杂的干扰声，从 而影响正常信号的接收。,5.4.2 混频干扰,73,组合频率干扰的种类,(1) 信号与本振的自身组合干扰（干扰哨声）,(2) 外来干扰与本振的组合干扰（寄生通道干扰）,(3) 信号和外来干扰、本振产生的组合干扰（交调干扰）,(4)两个外来干扰和本振产生的组合干扰（互调干扰）,74,p、q为任意正整数，代表有用信号和本振信号的谐波次数。,1. 信号与本振的自身组合干扰（干扰哨声）,有用的中频信号是,某些接近中频的分量，经放大，形成干扰，称干扰哨声。,再则，由于组合频率分量电流随p+q的增加而减小，所以 对于p+q较大值产生的干扰哨声可忽略。,75,设组合频率,上式包括四种情况：,如取 第三、四种情况不可能，,则有,将 代入，得,76,或者说当fc/fI一定，能找到对应的整数p、q时，就会形 成干扰。,当中频fI一定时，只要信号频率接近上式的值，就可能 产生干扰哨声。,若对应的p、q值大，就意味着阶数高，其分量幅度小， 形成的干扰小。相反p、q值小，阶数小，则干扰影响大。,一部接收机，当中频频率确定后，在其工作频率范围内，由信号及本振产生的干扰点是确定的。,怎样来抑制干扰哨声？,77,某短波接收机，波段范围为230MHz。如fI=1.5MHz， 则变比fc/fI=1.3320，干扰点为2、4、6、7、10、11、14和15号。 若fI=0.5MHz，则变比fc/fI=460，干扰点为7号和11号。,但中频降低后，对镜像干扰的抑制不利，如选用高中频， 如fI=70MHz，则变比fc/fI=0.0290.43，干扰点为12、16和19 号，影响很小。,与 、 的关系表,78,抑制干扰哨声的方法,(1) 合理选择中频数值，中频要选在工作波段之外。 例如: 中波段广播调幅收音机的接收频段为535kHZ1605kHZ。 而中频选在465kHZ。 调频广播的接收频段为88MHZ108MHZ。 而中频选在10.7MHZ。,(2)采用合理的电路形式。,但中频降低后，对镜像干扰频率的抑制不利。 最好采用高中频方式。,如平衡电路、环形电路、乘法器等，从电路上抵消一 些组合频率干扰。,79,2. 外来信号与本振的组合干扰（寄生通道干扰）,这种干扰是指外来干扰电压与本振电压由于混频器的非 线性形成的假中频。,80,在这类干扰中主要有，中频干扰和镜像频率干扰。,当 时，产生寄生通道干扰,81, 中频干扰,当 、 时， ，称中频干扰相当于一个 一阶的强干扰。,抑制中频干扰的方法：,提高前端电路的选择性， 降低作用在混频器输入端的 干扰电压。如加中频陷波电路。,中频陷波电路,82, 镜频干扰,当 时， 。将会听到干扰电台的 声音 。由于 和 对称地位于 两侧，呈镜像关系，称 这种干扰为镜像频率干扰 . （为二阶干扰）,例：当收听580kHZ的信号时，还有一个1510kHZ的信也作用在 混频器的输入端，可以同时听到两个电台的声音，是什么干扰？,83,抑制镜频干扰的方法,由于混频器对于fc和fM的变频作用都是取差值，所以 混频器对镜像干扰无任何抑制作用。,抑制镜频干扰的方法主要是提高前端电路的选择性和 选用高中频方案。,镜频干扰与中频干扰的区别是什么？,84,特点是当接收有用信号时，可同时听到信号台和干扰台 的声音。一旦有用信号消失，干扰台的声音也随之消失。,抑制交调干扰的措施，一是提高前端电路的选择性， 二是选择合适的器件即工作状态，使不需要的非线性项尽 可能减小，以减少组合分量。,3. 信号和外来干扰、本振产生的组合干扰（交调干扰）,接收机前端电路选择性不好时，有用信号和干扰信号会 同时加到混频器的输入端，若这两个信号均为调幅波，这通 过混频器的非线性作用，就会产生交叉调制干扰。,85,互调干扰是指两个或多个干扰电压同时作用在混频器的 输入端，由于混频器的非线性作用，使干扰信号彼此混频， 产生近似中频的组合分量，对有用信号进行干扰。,抑制互调干扰的措施，与抑制交调干扰的措施相同。,4.两个外来干扰和本振产生的组合干扰（互调干扰）,86,(1) 包络失真,(2) 阻塞干扰,2.非线性失真,包络失真是指由于混频器的“非线性”,输出包络与输入包络不成正比。当输入信号为一振幅调制信号时(如AM信号),混频器输出包络中出现新的频率分量。,当强干扰信号与有用信号同时进入混频器时，强干扰 会使混频器工作于严重的非线性区，使信噪比大大下降， 输出的有用信号幅值减小，严重时，甚至小到无法接收。,通常能减少互调干扰的措施，都能改善包络失真与阻 塞失真。,87,1. 混频增益,中频输出回路有良好的选择性（理想为矩形滤波）。,混频功率增益,非线性干扰：混频器中的非线性元件除了完成混频功能 外，还会产生各种非线性干扰 ，要求混频器能减少非线 性失真的各种组合频率干扰。,5.4.3 混频器的性能指标,2. 选择性,3. 失真和干扰,4. 混频噪声,88,
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