第4章 振幅調(diào)制、解調(diào)與混頻電路

調(diào)制音頻或視頻放大高頻功放高頻放大中頻放大混頻解調(diào)音頻或視頻功放高頻放大倍頻高頻振蕩本地振蕩音頻或視頻信號(hào)第4章振幅調(diào)制、解調(diào)與混頻電路4.1頻譜搬移電路的組成原理4.2相乘器電路4.3振幅調(diào)制與解調(diào)電路

概述

發(fā)射端：調(diào)制（將調(diào)制信號(hào)從低頻段變換到高頻段,便于天線發(fā)送或?qū)崿F(xiàn)不同信號(hào)源、不同系統(tǒng)的頻分復(fù)用）接收端：解調(diào)（將已調(diào)波信號(hào)從高頻段變換到低頻段,恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。(a)頻譜的線性搬移；(b)頻譜的非線性搬移

正弦波調(diào)制：高頻正弦波為載波，用調(diào)制信號(hào)分別去控制正弦波的振幅、頻率或相位三個(gè)參量，分別稱為調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)。本章內(nèi)容：(1)在時(shí)域和頻域上討論振幅調(diào)制與解調(diào)的基本原理；(2)介紹有關(guān)電路組成。由于混頻電路、調(diào)幅電路、振幅解調(diào)電路(又稱為檢波電路)同屬于線性頻率變換電路，所以放在同一章介紹。4.1頻譜搬移電路的組成模型4.1.1調(diào)幅方式調(diào)制信號(hào)載波調(diào)幅波ooo調(diào)幅電路調(diào)制信號(hào)載波調(diào)幅波一、普通調(diào)幅信號(hào)的表達(dá)式、波形、頻譜和功率載波：vc(t)=Vcmcosωct,單頻調(diào)制信號(hào)：vΩ(t)=VΩmcosΩt(Ω＜＜ωc)普通調(diào)幅信號(hào):vAM(t)=(Vm0+kaVΩmcosΩt)cosωct=Vm0(1+MacosΩt)cosωct其中，調(diào)幅度0＜Ma≤1，ka為比例系數(shù)。調(diào)幅電路的組成模型

AMxyxyA調(diào)幅波波形圖o調(diào)幅度的一般定義式:普通調(diào)幅要求Ma必須不大于1。當(dāng)Ma＞1時(shí)，普通調(diào)幅波的包絡(luò)變化與調(diào)制信號(hào)不再相同，產(chǎn)生了失真，稱為過(guò)調(diào)制。，未調(diào)幅（同載波），普通調(diào)幅,最大調(diào)幅（百分之百），過(guò)調(diào)幅（包絡(luò)失真）ooooo調(diào)制信號(hào)載波調(diào)幅波上邊頻下邊頻上邊頻下邊頻載波000原調(diào)制信號(hào)的頻帶寬度是Ω或（

），而普通調(diào)幅信號(hào)的頻帶寬度是2Ω(或2F)，是原調(diào)制信號(hào)的兩倍。普通調(diào)幅：將調(diào)制信號(hào)頻譜搬移到了載頻的左右兩旁。功率：（調(diào)幅信號(hào)加在單位負(fù)載電阻上）載頻分量產(chǎn)生的平均功率為：兩個(gè)邊頻分量產(chǎn)生的平均功率相同，均為：調(diào)幅信號(hào)總平均功率為：功率利用率低攜帶信息的邊頻功率最多只占總功率的三分之一。提高功率利用率的措施：(1)不發(fā)送載頻分量?！种戚d波雙邊帶調(diào)幅(2)僅發(fā)送其中一個(gè)邊頻分量，同樣可以將調(diào)制信息包含在調(diào)幅信號(hào)中?！种戚d波的單邊帶調(diào)幅。BWAM=2Ωmax復(fù)雜音調(diào)制其中ka為比例系數(shù)頻帶寬度：仍為調(diào)制信號(hào)帶寬的兩倍。

二、雙邊帶調(diào)幅方式

1.雙邊帶調(diào)幅信號(hào)的特點(diǎn)

載波：vc(t)=Vcmcosωct調(diào)制信號(hào)：vΩ(t)=VΩmcosΩt(Ω<<ωc)雙邊帶調(diào)幅信號(hào)為:雙邊帶調(diào)幅波形與頻譜

2.

單邊帶調(diào)幅信號(hào)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。取上邊帶時(shí)取下邊帶時(shí)濾波法原理電路組成模型相移法原理電路組成模型普通調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)方法有兩種：包絡(luò)檢波和同步檢波。1.包絡(luò)檢波4.1.2振幅解調(diào)（檢波）t調(diào)幅波調(diào)幅波頻譜ωc+Ωωc-Ωωcω輸出信號(hào)頻譜Ωω包絡(luò)檢波輸出tvΩ(t)vAM(t)非線性器件低通濾波器2.同步檢波vΩ(t)vAM(t)vr(t)由于DSB和SSB信號(hào)的包絡(luò)不同于調(diào)制信號(hào)，不能用包絡(luò)檢波器，只能用同步檢波器，但需注意同步檢波過(guò)程中，為了正常解調(diào)，必須恢復(fù)載波信號(hào)，而所恢復(fù)的載波必須與原調(diào)制載波同步（即同頻同相）。輸入調(diào)幅波的頻譜輸出信號(hào)的頻譜4.1.3混頻器原理超外差式接收機(jī)高頻放大中頻放大混頻解調(diào)器低頻功放本地振蕩換能器vsvIvL調(diào)幅收音機(jī)的中頻為465KHz，調(diào)頻收音機(jī)的中頻為10.7MHz，電視接收機(jī)的中頻為38MHz，微波接收機(jī)及衛(wèi)星接收機(jī)的中頻為70MHz或140MHz等?；祛l電路的作用：將不同載頻的高頻已調(diào)波信號(hào)變換為同一個(gè)固定載頻(一般稱為中頻)的高頻已調(diào)波信號(hào)，而保持其調(diào)制規(guī)律不變。例如：在廣播接收機(jī)中，把載頻位于535kHz～1605kHz中波波段各電臺(tái)的普通調(diào)幅信號(hào)變換為中頻為465kHz的普通調(diào)幅信號(hào)。目的：設(shè)計(jì)和制作增益高，選擇性好，固定中頻放大器比較容易，采用混頻方式可大大提高接收機(jī)的性能。

fIfI+FfI-FfvI的頻譜混頻器是頻譜的線性搬移電路，是一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)本地振蕩信號(hào)

一個(gè)中頻輸出信號(hào)：兩個(gè)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的關(guān)系：輸入信號(hào)vs與輸出信號(hào)vI的包絡(luò)形狀相同，頻譜結(jié)構(gòu)相同，只是填充頻譜不同，其中心頻率：

vs(fc)vL(fL)vI(fI)混頻器tvs(t)tvI(t)tvL(t)有兩個(gè)輸入信號(hào)：

高頻已調(diào)波

ffcfc+Ffc-Fvs的頻譜fcfLfvL的頻譜tvs(t)tvs(t)tvL(t)tvL(t)tvI(t)tvI(t)下混頻上混頻設(shè)輸入已調(diào)波信號(hào)：兩信號(hào)的乘積項(xiàng)為：

本振信號(hào):如果帶通濾波器的中心頻率為，帶寬

則經(jīng)帶通濾波器的輸出為：乘法器帶通濾波器vIvsvL(1)調(diào)幅(DSB為例)

vΩ乘法器帶通濾波器vDSBvc載波信號(hào)(2)檢波

vDSB乘法器低通濾波器vr同步信號(hào)vΩ(3)混頻

vDSB=vs乘法器vL本振信號(hào)帶通濾波器vIωI=ωL-ωcωLωc振幅調(diào)制、檢波與混頻器的關(guān)系混頻電路與調(diào)幅電路、檢波電路同屬于線性頻率變換電路，但它卻有明顯不同的特點(diǎn):調(diào)幅電路：將低頻調(diào)制信號(hào)搬移到高頻段檢波電路：將高頻已調(diào)波信號(hào)搬移到低頻段混頻電路：輸入輸出均為高頻已調(diào)波信號(hào)，將已調(diào)波信號(hào)從一個(gè)高頻段搬移到另一個(gè)高頻段。一、非線性器件相乘作用的冪級(jí)數(shù)分析法二極管或三極管的非線性伏安特性i=f(v)在自變量v的某一點(diǎn)處(例如靜態(tài)工作點(diǎn)VQ)存在各階導(dǎo)數(shù)，則電流i可以在該點(diǎn)附近展開(kāi)為泰勒級(jí)數(shù):4.2相乘器電路4.2.1非線性器件相乘作用及其特性式中則相乘項(xiàng)，同時(shí)還有眾多無(wú)用的相乘項(xiàng)—非理想相乘設(shè)則包含組合頻率分量：其中是有用相乘項(xiàng)產(chǎn)生的。問(wèn)題：采取措施減少無(wú)用的相乘項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)近似理想相乘運(yùn)算。

減少無(wú)用相乘項(xiàng)的措施：①器件特性：采用具有平方律特性的場(chǎng)效應(yīng)管；選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)（平方律區(qū)段）。②電路結(jié)構(gòu)：采用多個(gè)非線性器件組成平衡電路，抵消一部分無(wú)用組合頻率分量；采用負(fù)反饋技術(shù)。③輸入電壓：減小或，使器件工作在線性時(shí)變狀態(tài)，可以大量減少無(wú)用的組合頻率分量。二、線性時(shí)變工作狀態(tài)如果v2<<v1，則可以認(rèn)為晶體管的工作狀態(tài)主要由VQ與v1決定，若在交變工作點(diǎn)(VQ+v1)處將輸出電流iC展開(kāi)為冪級(jí)數(shù)，可以得到：

因?yàn)関2很小，故可以忽略v2的二次及以上各次諧波分量，由此簡(jiǎn)化為：

iC≈f(VQ+v1)+f'(VQ+v1)v2=I0(t)+g(t)v2其中，I0(t)=I0(v1)=

f(VQ+v1)，g(t)=g(v1)=

f'(VQ+v1)I0(t)：v2=0時(shí)的電流值——時(shí)變靜態(tài)電流g(t)：電流對(duì)于電壓的變化率(電導(dǎo))——時(shí)變電導(dǎo)它們均隨時(shí)間變化(因?yàn)樗鼈兙Sv1變化，而v1又隨時(shí)間變化)。I0(t)與g(t)均是與v2無(wú)關(guān)的參數(shù)，故iC與v2可看成一種線性關(guān)系，但是I0(t)與g(t)又是隨時(shí)間變化的——線性時(shí)變工作狀態(tài)。設(shè)v1=V1mcosω1t,v2=V2mcosω2t,在周期性電壓VQ+V1mcosω1t作用下，g(t)也是周期性變化的，所以可展開(kāi)為傅里葉級(jí)數(shù)：g(t)=g0+gncosnω1t其中

可以看出：（1）iC中減少了許多組合頻率分量。|±pω1±ω2|(p=0,1,2,…)（2）無(wú)用分量與有用分量間隔可以很大，容易濾波。例1已知晶體二極管特性二極管工作在線性時(shí)變狀態(tài)用圖解法求和

二極管完全受v1的控制。開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，是線性時(shí)變工作狀態(tài)的一種特例。足夠小足夠大半周余弦脈沖序列單向開(kāi)關(guān)函數(shù)g(v)是一個(gè)常數(shù)gD,

g(t)是一個(gè)矩形脈沖序列g(shù)DV1m單向開(kāi)關(guān)函數(shù)，它的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為：i中的組合頻率分量進(jìn)一步減少。二極管開(kāi)關(guān)等效電路+-+-v1v2RDiDv1v2i例2

差分對(duì)管中，恒流源I0與v2是線性關(guān)系，I0=A+Bv2，A、B均為常數(shù)，v1=V1mcosω1t，v2=V2mcosω2t。分析輸出電流i=iC1-iC2中的頻率分量。解：根據(jù)三極管指數(shù)函數(shù)表達(dá)式v2I0受v2控制的差分對(duì)管同理可得所以非理想相乘令其中，差分對(duì)管的傳輸特性vv輸出電流中僅有ω1以及ω1，ω2的和頻與差頻，實(shí)現(xiàn)理想相乘。當(dāng)，即，有近似公式雙向開(kāi)關(guān)函數(shù)vv1VTVTvvx1>10是的波形當(dāng)x1＞10時(shí)(V1m＞260mV)

，趨近于周期性方波，可近似用雙向開(kāi)關(guān)函數(shù)K2(ω1t)表示：

i≈(A+BV2mcosω2t)K2(ω1t)K2(ω1t)中僅有ω1的奇次諧波分量，輸出電流中含有ω1的奇次諧波分量以及|±(2n-1)ω1±ω2|分量(n=1,2,3,…)。三、小結(jié)調(diào)制、解調(diào)與混頻電路是通信系統(tǒng)中的重要組成部分。從頻域的角度來(lái)看，它們都被稱為頻率變換電路。(1)非線性元器件實(shí)現(xiàn)頻率變換電路。(2)乘法器是頻率變換電路中廣泛應(yīng)用的一種集成電路，它能夠產(chǎn)生和頻與差頻信號(hào)。(3)非線性器件的輸出是輸入兩信號(hào)頻率的各次諧波的組合分量。實(shí)際要求產(chǎn)生的組合頻率分量只是其中極少數(shù)。需要采取一些措施來(lái)減少或抑制輸出頻率中的無(wú)用組合分量。

平衡電路可抵消很大一部分無(wú)用頻率分量，工作在線性時(shí)變狀態(tài)的器件也可使輸出無(wú)用頻率分量大大減少。一、雙差分對(duì)平衡調(diào)制器由三個(gè)基本的差分電路組成4.2.2雙差分對(duì)平衡調(diào)制器和模擬相乘器缺點(diǎn)：(1)輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較小；(2)系數(shù)與溫度有關(guān)→溫度穩(wěn)定性較差。非線性函數(shù)相乘實(shí)現(xiàn)理想相乘(1)問(wèn)題：的動(dòng)態(tài)范圍受到限制。怎樣擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍？為任意值非理想相乘（線性時(shí)變狀態(tài)）(2)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)工作(3)ie采用負(fù)反饋技術(shù)擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍i5i6當(dāng)時(shí)，x的三次方及其以上各次方可忽略所以v2允許的最大動(dòng)態(tài)范圍為

集成平衡調(diào)制器（MC1496/1596）三層晶體結(jié)構(gòu)：(1)最高層T1~T4(2)中間層T5~T6(3)最底層T7~T9電流源MC1596構(gòu)成的雙邊帶調(diào)制電路利用MC1596產(chǎn)生AM信號(hào)-8V二、雙差分對(duì)模擬相乘器擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍i1i2i3i4AB反雙曲正切函數(shù)電路IKA+VCCT7T8-BvABT9T10iC9-VEEv1+-RE1iC10iE7iE8iC7iC8BG314集成模擬乘法器的內(nèi)部電路BG314集成模擬乘法器的外接電路三、大動(dòng)態(tài)范圍平衡調(diào)制器AD630集電極調(diào)幅電路原理圖一、高電平調(diào)幅電路丙類諧振功放的調(diào)制特性分為基極調(diào)制特性和集電極調(diào)制特性。1.集電極調(diào)幅電路可以產(chǎn)生且只能產(chǎn)生普通調(diào)幅波，電路必須工作在過(guò)壓狀態(tài)。4.3振幅調(diào)制與解調(diào)電路4.3.1振幅調(diào)制電路集電極調(diào)幅電路基極調(diào)幅電路原理2.基極調(diào)幅電路三極管工作在欠壓狀態(tài)。調(diào)制信號(hào)vΩ與直流偏置電壓VBB0串聯(lián)起來(lái)，晶體管的基極直流偏置電壓VBB(t)=VBB0+vΩ(t)通過(guò)VBB(t)變化，控制Ico、Ic1m變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制?；鶚O調(diào)幅電路二、低電平調(diào)幅電路一般置于發(fā)射機(jī)的初級(jí)，在功率電平較低的情況下進(jìn)行調(diào)制，再由線性功率放大器放大調(diào)幅信號(hào)，得到所要求功率的調(diào)幅波。二極管調(diào)幅電路集成模擬乘法器調(diào)幅電路單二極管調(diào)幅電路二極管平衡調(diào)幅電路二極管環(huán)路調(diào)幅電路特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越穩(wěn)定，調(diào)整方便。解調(diào)：從已調(diào)波中提取出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程，調(diào)制的逆過(guò)程。解調(diào)又叫檢波。振幅調(diào)制的解調(diào)叫振幅檢波。從頻譜上看，解調(diào)也是一種信號(hào)頻譜的線性搬移過(guò)程，是將高頻端的信號(hào)頻譜搬移到低頻端。解調(diào)過(guò)程是和調(diào)制過(guò)程相對(duì)應(yīng)的，不同的調(diào)制方式對(duì)應(yīng)于不同的解調(diào)。4.3.2振幅解調(diào)電路振幅解調(diào)

包絡(luò)檢波

同步檢波

乘積型同步檢波

疊加型同步檢波

包絡(luò)檢波：指解調(diào)器輸出電壓與輸入已調(diào)波的包絡(luò)成正比。由于只有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。t調(diào)幅波調(diào)幅波頻譜ωc+Ωωc-Ωωcω輸出信號(hào)頻譜Ωω包絡(luò)檢波輸出t非線性電路低通濾波器t調(diào)幅波t調(diào)幅波t調(diào)幅波包絡(luò)檢波輸出t包絡(luò)檢波輸出t包絡(luò)檢波輸出t由于DSB和SSB信號(hào)的包絡(luò)不同于調(diào)制信號(hào)，不能用包絡(luò)檢波器，只能用同步檢波器。但需注意同步檢波過(guò)程中，為了正常解調(diào)，必須恢復(fù)載波信號(hào)，而所恢復(fù)的載波必須與原調(diào)制載波同步（即同頻同相）。乘法器低通濾波器vDSBvrvo包絡(luò)檢波器加法器vDSBvrvovAM解調(diào)載波乘積型疊加型輸入調(diào)幅波的頻譜輸出信號(hào)的頻譜：電壓傳輸系數(shù)，又叫檢波效率VAVvotvovsvovs與vot一、二極管包絡(luò)檢波電路電容C兩端的電壓變化速率將遠(yuǎn)大于包絡(luò)變化的速率，而遠(yuǎn)小于高頻載波變化的速率。1.輸入電阻

檢波器的輸入阻抗就是中頻放大器的負(fù)載，它的大小直接影響中頻放大器的性能。檢波器輸入阻抗越大，檢波器對(duì)中頻放大器的影響越小。得：設(shè)輸入高頻等幅電壓：則輸出電壓：輸入高頻功率：輸出平均功率：從能量守恒原理近似求出：+-+-vO中放末級(jí)R1DRLC1CL1isvSRi中頻放大和檢波器級(jí)聯(lián)等效電路RE對(duì)前級(jí)（中放）影響↓檢波器的輸入電阻Ri等于輸入電壓振幅Vsm與二極管電流iD中的基波分量幅度ID1之比。三極管射極包絡(luò)檢波器保證大信號(hào)檢波的條件：包絡(luò)的最小值應(yīng)大于檢波時(shí)所需的電壓。保證不產(chǎn)生頻率失真（線性失真）的條件：即低通濾波器的帶寬大于兩種特有的非線性失真：惰性失真和負(fù)峰切割失真。2.二極管包絡(luò)檢波電路中的失真

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)RL放電的速度大于或等于包絡(luò)的下降速度，即(1)惰性失真tvS(t),vO(t)vO(t)t1輸入信號(hào)為單音調(diào)制的AM波，在t1時(shí)刻其包絡(luò)的變化速度為t1時(shí)刻檢波器的輸出電壓VO1≈Vm0(1+MacosΩt1)。從t1時(shí)刻開(kāi)始C通過(guò)RL放電規(guī)律為C通過(guò)RL放電速度為所以A是t1的函數(shù)，必須保證A值最大時(shí)，仍有Amax≤1。求得：不產(chǎn)生惰性失真的條件：在多音調(diào)制時(shí)：結(jié)論：調(diào)幅指數(shù)越大和調(diào)制信號(hào)的頻率越高，時(shí)間常數(shù)RLC的允許值越小。(2)負(fù)峰切割失真交流負(fù)載：直流負(fù)載：負(fù)峰切割失真又稱為底部切割失真。產(chǎn)生這種失真后，輸出電壓的波形如圖(c)所示。這種失真是當(dāng)輸入調(diào)幅電壓的Ma較大時(shí)，檢波器的交直流負(fù)載不同引起的。

不失真的條件：

由上式可以看出，交流負(fù)載與直流負(fù)載越接近，可允許的調(diào)幅指數(shù)越大。兩種措施減小交直流負(fù)載之間的差別：(1)采用改進(jìn)電路，將檢波器直流負(fù)載分成R1和R2兩部分。在直流負(fù)載不變的情況下，改進(jìn)電路的交流負(fù)載比原電路增大。(2)在檢波器與下一級(jí)電路之間插入一級(jí)射隨器，即增大交流負(fù)載的值。通常，以免分壓過(guò)大使輸出到后級(jí)的信號(hào)減小過(guò)多。

二、同步檢波電路vr(或vDSB)vAMvoMC1596

上圖是用MC1596組成的乘積型同步檢波電路。普通調(diào)幅信號(hào)或雙邊帶調(diào)幅信號(hào)經(jīng)耦合電容后從Y通道①、④腳輸入，同步信號(hào)vr從X通道⑧、10腳輸入。12腳單端輸出后經(jīng)RC的π型低通濾波器取出調(diào)制信號(hào)vo。此電路的輸入同步信號(hào)可以是小信號(hào)，也可以是很大信號(hào)，分析方法與用作調(diào)幅電路時(shí)一樣。同步檢波電路與包絡(luò)檢波電路比較缺點(diǎn)：同步檢波電路復(fù)雜，需要一個(gè)同步信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：檢波線性性好，不存在惰性失真和底部切割失真。

(1)各種調(diào)幅方式（普通調(diào)幅、雙邊帶調(diào)幅、單邊帶調(diào)幅）對(duì)于相同調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的已調(diào)波信號(hào)的時(shí)域波形不一樣，頻譜不一樣，帶寬不完全一樣，調(diào)制與解調(diào)的實(shí)現(xiàn)方式與難度不一樣。(2)混頻與調(diào)幅、檢波同屬于線性頻譜搬移過(guò)程，在工作原理上基本相同。(3)從時(shí)域上看，兩信號(hào)相乘是實(shí)現(xiàn)線性頻譜搬移的最直接方法，所以模擬乘法器是進(jìn)行調(diào)幅、檢波和混頻的最常用器件。在有關(guān)專用集成電路里，具有相乘功能的雙差分電路是最