第6章 振幅調(diào)制 解調(diào)及混頻

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

熟練掌握振幅調(diào)制原理與實(shí)現(xiàn)電路；掌握振幅解調(diào)的原理和解調(diào)電路以及混頻原理。重點(diǎn)：振幅調(diào)制與解調(diào)原理以及實(shí)現(xiàn)電路。難點(diǎn)：振幅調(diào)制與解調(diào)原理、調(diào)制解調(diào)電路的性能參數(shù)理解。學(xué)習(xí)目的重點(diǎn)難點(diǎn)6.1振幅調(diào)制

（amplitudemodulation）

調(diào)制（modulation）：要傳送的信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）附加到高頻振蕩信號(hào)（載波信號(hào)）上去，形成已調(diào)信號(hào)。為什么要調(diào)制呢？四不許！

四不許：低頻信號(hào)直接發(fā)送，天線長(zhǎng)的離譜?。谝徊辉S！信號(hào)的頻率變化范圍大，導(dǎo)致天線和諧振回路參數(shù)應(yīng)該在很寬的范圍內(nèi)變化，太困難！－－第二不許！發(fā)射音頻信號(hào)，發(fā)射機(jī)工作于同一頻率范圍，接收多個(gè)節(jié)目，導(dǎo)致無(wú)法加以選擇。結(jié)果無(wú)法接受－－第三不許！直接發(fā)送，信道利用率極低－－第四不許！結(jié)論：必須調(diào)制！

調(diào)制原理：利用調(diào)制信號(hào)去控制載波信號(hào)的某一參數(shù)?？煽貐?shù)有幅度（振幅調(diào)制）、頻率（頻率調(diào)制:frequencymodulation）、相位（相位調(diào)制:phasemodulation）。解調(diào)(demodulation)：反解調(diào)，又稱檢波(detection

)。振幅調(diào)制(三類)：普通振幅調(diào)制（amplitudemodulation,AM）；抑制載波雙邊帶調(diào)制(doublesidebandmodulation–suppressedcarrier,DSB-SC)；單邊帶調(diào)制(singlesidebandmodulation-SC,SSB-SC)。6.1.1振幅調(diào)制信號(hào)分析1.調(diào)幅波的分析

1)數(shù)學(xué)表示式及波形（調(diào)制信號(hào)：?jiǎn)晤l正弦信號(hào)）設(shè)載波信號(hào)電壓為:

調(diào)制信號(hào)電壓為:（6―1）

（6―2）

已調(diào)信號(hào)的振幅隨調(diào)制信號(hào)uΩ線性變化：調(diào)制靈敏度ka：為比例系數(shù),調(diào)制電路確定。調(diào)幅波信號(hào)的表達(dá)式：（6―3）

（6―5）

調(diào)幅度（調(diào)制度）m：振幅ΔUC=kaUΩ與載波振幅之比。范圍：m<=1。如果m>1，過(guò)調(diào)制失真。調(diào)制信號(hào)為連續(xù)頻譜信號(hào)f（t），則調(diào)幅波:

（6―6）

(6―4)

如果將調(diào)制信號(hào)分解為：則調(diào)幅波表示式為：(6―7)

2)調(diào)幅波的頻譜單一頻率的正弦信號(hào)的調(diào)制情況下，調(diào)幅波：將上式用三角公式展開(kāi)，可得：(6―8)頻譜分析：?jiǎn)我活l率的正弦信號(hào)的已調(diào)制波：三個(gè)分量也即：中心頻率：只含載波分量。上邊頻，下邊頻：包含了調(diào)制信號(hào)的幅度和頻率信息。帶寬：2F。多頻信號(hào)：上下邊頻帶。屬于線性頻譜搬移。帶寬：2Fmax。

3）調(diào)幅波的功率調(diào)幅波的功率：載波功率，最大功率，和最小功率以及平均功率。在負(fù)載電阻RL上消耗的載波功率：(6―9)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：調(diào)幅波的最大功率和最小功率:(6―10)

上、下邊頻的平均功率均：AM信號(hào)的平均功率:

(6―11)

(6―12)結(jié)論：AM波的平均功率為載波功率與兩個(gè)邊帶功率之和。兩個(gè)邊頻功率與載波功率的比則為：結(jié)論：變頻功率所占比重很小，<=1/3。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；頻帶窄。缺點(diǎn)：效率低。邊頻功率

載波功率

2.雙邊帶信號(hào)抑制載波雙邊帶：載波與調(diào)制信號(hào)相乘得到：在單一正弦信號(hào)uΩ=UΩcosΩt調(diào)制時(shí),有：（6―16）

（6―15）

與AM比較：包絡(luò)不同：AM正比于調(diào)制信號(hào)f（t），雙邊帶則正比于|f(t)|.相位：DSB信號(hào)在調(diào)制電壓零處要突變1800，即調(diào)幅有調(diào)相。頻譜：消除了載波頻率部分。效率：大大提高。3.單邊帶信號(hào)單邊帶（SSB）信號(hào)：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）=kuΩuC。當(dāng)取上邊帶時(shí)：（6―17）（6―18）取下邊帶時(shí)：?jiǎn)芜厧В⊿SB）信號(hào)分析：是一等幅波，但幀幅和頻率發(fā)生了變化。頻譜：只有一邊帶頻率信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：效率極高。缺點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。

6.1.2振幅調(diào)制電路

（amplitudemodulationcircuit）調(diào)制實(shí)現(xiàn)：只要包含乘積項(xiàng)即可實(shí)現(xiàn)，如二極管電路（單、平衡、環(huán)形）、差分對(duì)電路（單、雙、模擬乘法器）。

調(diào)制分類：高電平調(diào)制和低電平調(diào)制。高電平調(diào)制(highlevelmodulation)：功放和調(diào)制二合一。AM調(diào)制。低電平調(diào)制(lowlevelmodulation)

：功放和調(diào)制分開(kāi)。先調(diào)后放。

1、AM調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)方法：

高電平調(diào)制和低電平調(diào)制。

1)高電平調(diào)制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。集電極調(diào)幅。集電極偏置電壓：Ec=Ec0+uΩ，過(guò)壓狀態(tài)下，集電極電流基波分量Ic1與集電極偏置電壓Ec成線性關(guān)系。集電極調(diào)制的特點(diǎn)：效率高，大功率發(fā)射機(jī)中。基極調(diào)幅：Eb=Eb0+uΩ，欠壓狀態(tài)下，集電極電流基波分量Ic1與基電極偏置電壓Eb成線性關(guān)系。基極調(diào)制特點(diǎn)：工作于欠壓狀態(tài)；效率低，小功率發(fā)射機(jī)中。

2)低電平調(diào)制

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。單二極管電路：u1=uΩ,u2=uC,且UC>>UΩ時(shí)，流過(guò)二極管的電流iD:（P150）濾波器H(jw)：中心頻率wc，帶寬2F。(6―29)二極管平衡電路：u1=uC,u2=uΩ,且UC>>UΩ時(shí)，濾波器H(jw)：中心頻率wc，帶寬2F。(5－44)

(2)模擬乘法器產(chǎn)生普通調(diào)幅波。(P147)

模擬乘法器：?jiǎn)尾罘謱?duì)和雙差分對(duì)電路，集成模擬乘法器（BG314、MC15496）。單差分對(duì)電路：伏安特性(6―30)

若將uC加至uA，uΩ加到uB，則有：其中，m=UΩ/Ee，x=UC／VT。(調(diào)制過(guò)程)(6―31)

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：雙差分對(duì)電路（模擬乘法器）：采用BG314、MC15496模擬乘法器實(shí)現(xiàn)。2.DSB調(diào)制電路

1)二極管調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)電路：二極管平衡電路和二極管環(huán)形電路。平衡電路：

u1=uΩ,u2=uC

,且UC>>UΩ時(shí)(6―33)

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―33)

2)差分對(duì)調(diào)制器與AM不同：將uC加至uB，uΩ加到uA，則有：(6―39)

經(jīng)濾波后的輸出電壓uo(t)：(6―40)

3.SSB調(diào)制電路SSB信號(hào)是將雙邊帶信號(hào)DSB濾除一個(gè)邊帶形成的。產(chǎn)生方法主要有濾波法和移相法兩種。濾波法（filteringmethod

）：DSB濾掉一個(gè)邊帶，留下一個(gè)邊帶。濾波器要求很高。（原理）移相法（phase-shiftmethod）：適當(dāng)?shù)囊祈?xiàng)，在相加時(shí)實(shí)現(xiàn)邊帶的抑制。移相網(wǎng)路要求高。

（原理）振幅調(diào)制實(shí)現(xiàn)電路總結(jié)AM:高電平調(diào)制（基極調(diào)制和集電極調(diào)制）和低電平調(diào)制（單二極管、平衡二極管、差分對(duì)電路、模擬乘法器）實(shí)現(xiàn)。環(huán)形電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)。DSB：低電平調(diào)制（平衡二極管、環(huán)形電路、差分對(duì)電路、模擬乘法器）實(shí)現(xiàn)。單二極管無(wú)法實(shí)現(xiàn)。SSB：DSB實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上，濾波器法和移相法實(shí)現(xiàn)。6.2調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)

6.2.1調(diào)幅解調(diào)的方法振幅解調(diào)方法：包絡(luò)檢波(envelopedetection)和同步檢波(synchronousdetection)

。包絡(luò)檢波：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。只適用于AM波。同步檢波：兩個(gè)輸入（一個(gè)：DSB或者SSB，第二個(gè)：插入載波或恢復(fù)載波），一個(gè)輸出。

6.2.2二極管峰值包絡(luò)檢波器

1．原理電路及工作原理電路組成：輸入回路、二極管VD和RC低通濾波器。RC電路作用：負(fù)載；旁路作用。則應(yīng)滿足：理想狀態(tài)，RC阻抗Z應(yīng)為：二極管串聯(lián)型大信號(hào)峰值包絡(luò)檢波器：各部分串聯(lián)，工作在大信號(hào)狀態(tài)(>0.5V)，獲取峰值包絡(luò)。工作過(guò)程：二極管導(dǎo)通：電源經(jīng)過(guò)二極管給電容充電。此時(shí)充電時(shí)常rDC。充電快。二極管截至：電容給電阻放電。放電時(shí)常RC，放電慢。再次導(dǎo)通，充電。再次截至，放電。交替進(jìn)行。且很快到達(dá)平衡狀態(tài)。結(jié)論：檢波過(guò)程：即信號(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)過(guò)程。充電常數(shù)：其過(guò)程是放電時(shí)RC，慢；充電時(shí)rDC，快。二極管導(dǎo)通處為輸入電壓的峰值附近，故稱為峰值包絡(luò)檢波(peakenvelopedetection)。二極管電流iD為一窄脈沖序列，包含平均分量Iav及高頻分量。Iav也即直流分量。Iav在R上獲得平均電壓Uav（Udc

）。高頻分量被旁路電容旁路，但會(huì)殘留很小的高頻電壓，即輸出電壓uo=Uav+。(輸出電壓)輸入AM信號(hào)：輸出電壓波形與輸入信號(hào)包絡(luò)形狀相同。平均電壓有直流分量和低頻分量（調(diào)制信號(hào)）。Uo（t）＝Uav

＝Udc＋uΩ低頻分量輸出：隔直電容；負(fù)載電阻。獲取調(diào)制信號(hào)。直流分量輸出：低通濾波器。獲取載波的振幅信號(hào)。RC的選擇：太小不行：放電快，高頻波紋快，平均電壓下降。太大也不行：放電慢，導(dǎo)致跟蹤峰值不上，造成失真（惰性失真）。2．性能分析

1)傳輸系數(shù)Kd(transmissioncoefficient)檢波器傳輸系數(shù)Kd：檢波系數(shù)、檢波效率，描述檢波器對(duì)輸入已調(diào)信號(hào)的解調(diào)能力或效率的一個(gè)物理量。Kd定義：(6―43a)

(6―43b)由二極管折線近似分析法可證明：

Kd＝UO/Um＝cosθ當(dāng)gDR>=50,有結(jié)論：電路一定，θ恒定，Kd一定，也即傳輸系數(shù)與輸入信號(hào)大小無(wú)關(guān)。θ越小，Kd越大，且當(dāng)gDR>=50，Kd>0.9。

2)輸入電阻Ri(inputimpedance

)

檢波器的輸入阻抗：輸入電阻Ri，輸入電容Ci。輸入電阻Ri：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，即在一定條件下，根據(jù)能量守恒，輸入電阻Ri與R關(guān)系：(6―52)性能分析總結(jié)從傳輸系數(shù)Kd分析：R越大，檢波效率就越高。想要大R！從等效輸入電阻Ri分析：R越大，等效輸入電阻Ri就越大，對(duì)上級(jí)影響就越小。想要大R！從高頻殘留濾除分析：C越大，高頻波紋就越小。想要大C！

結(jié)論：RC越大越好！非也！

3．檢波器的失真兩種失真：惰性失真(inertdistortion

)；底部切削失真(bottomcuttingdistortion

)。

1)惰性失真原因：輸入AM信號(hào)的包絡(luò)下降速度大于電容C兩端放電速度。調(diào)幅度和調(diào)制頻率有關(guān)。解決辦法：只需使電容C放電速度大于或等于包絡(luò)的下降速度。不失真條件如下:結(jié)論：調(diào)制度和調(diào)制信號(hào)頻率越大，則要求RC越小。工程檢驗(yàn)公式：

2)底部切削失真造成原因：Cg很大，就會(huì)在兩端建立起直流電源UC，其值近似等于載波電壓振幅。在R上產(chǎn)生分壓UR，此直流分壓反過(guò)來(lái)影響二極管的工作狀態(tài)。分析：直流負(fù)載：R==R;交流負(fù)載：RgR/R+Rg。

(6―62)

調(diào)幅波的最小幅度為UC(1-m),

要避免底部切削失真,應(yīng)滿足:(6―63)(6―64)總結(jié)RC回路實(shí)現(xiàn)在峰值包絡(luò)檢波器中作用必須滿足條件：消除惰性失真，必須滿足：要滿足不底部切削失真，必須滿足：

6.2.3同步檢波

方法分類：乘積型(productmodel

)和疊加型(superpositionmodel)。

1．乘積型輸入信號(hào)為DSB信號(hào)：us=UscosΩtcosωct，本地恢復(fù)載波：ur=Urcos(ωrt+φ)。相乘可得：(6―72)

(6―73)

經(jīng)低通濾波器的輸出，且考慮ωr-ωc=Δωc在低通濾波器頻帶內(nèi)，有：發(fā)射載波和恢復(fù)載波同頻同相,即ωr=ωc,φ=0

：

(6―74)

(6―75)

如果恢復(fù)載波與發(fā)射載頻有一定的頻差，即ωr=ωc+Δωc若有一定的相差：實(shí)現(xiàn)辦法：乘法器。

(6―76)

6.3混頻6.3.1混頻(mixing)的概述

功能：獲取一個(gè)新的頻率信號(hào)。頻域加減法器。產(chǎn)生：兩個(gè)輸入電壓：輸入信號(hào)us（fc

）和本地振蕩信號(hào)uL（fL

）

。一個(gè)輸出信號(hào)為uI（中頻信號(hào)），中頻fI，fI=fL±fc。特點(diǎn)：頻譜結(jié)構(gòu)同。線性搬移。中頻：上變頻：高中頻，即取和頻。下變頻：低中頻，即取差頻。實(shí)現(xiàn)：頻譜搬移電路。調(diào)制、解調(diào)和混頻都屬于頻譜搬移。

2．混頻器的工作原理輸入已調(diào)信號(hào)us：us=UscosΩtcosωct

本振電壓uL：

uL=ULcosωLt

其乘積：中頻信號(hào)獲?。盒盘?hào)通過(guò)帶通濾波器即可獲得。(6―85)(6―86)

3．混頻器的主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)：變頻增益，噪聲系數(shù)，失真和干擾，變頻壓縮特性，選擇性。變頻增益(conversiongain)：變頻電壓增益和變頻功率增益。變頻電壓增益：變頻功率增益：分貝數(shù)表示：物理意義：變換為中頻的能力。

(6―89)

(6―90)(6―91)

噪聲系數(shù)：混頻器的噪聲系數(shù)NF定義為物理意義：混頻器的引入噪聲影響。其值越小越好。選擇性(selectivity)：輸出只留下中頻信號(hào)，其它干擾信號(hào)全部濾掉。輸入信噪比(信號(hào)頻率)

輸出信噪比(中頻頻率)

(