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1、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？,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
2、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。,载波uc,调制信号 u,已调波uAM,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。,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,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。,2. 调幅信
3、号的波形,过调幅失真,包络函数：,包络的振幅为：,调制度,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,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：,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, 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。,5. 实现AM调幅波的数学模型,在AM调制过程中，如果将载波分量
4、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）,DSB波的波形与频谱：,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）,SSB的波形图与频谱图,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,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
5、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：,忽略高次项，得到：,其中：,分别称为电导和跨导。,(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,(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,(3)双向余弦开关函数,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
6、函数,(4) 正弦型,若v1 ( t ) =V1msin1t,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,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。,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,i 含频谱分量：2，12，312 ,怎样实现相
7、乘？,(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),二极管环形调幅器的电流波形,(3) 集成模拟相乘器调幅电路,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。,集电极调幅的波形,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。,基极调幅的波形,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,5.3.1 振幅
8、检波的基本原理,检波器的输入、输出波形,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,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,输入为AM波时检波器的输出波形图,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,负载RL上得到的平均电压：,两边同除 得,将其中 级数展开：
9、,得,流通角,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,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,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）,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
10、失真。,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：,克服负峰切割条件：,R RL Ri2 交流负载，RL 直流负载。,所以有,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。,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),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
11、通滤波器将低频信号提取出来。,本地恢复载波,设理想时,经低通滤波器、隔直流电容后，输出：,二极管环型同步检波器,(3) 同步检波电路,2. 集成模拟同步检波器,MC1595L,限幅器,相乘器,低通滤波器,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。,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,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
12、它频率分量滤除。,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。,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,1.晶体管混频电路,（输入高频信号）,（本地振荡信号）,集电极电流,工作原理：,此电路称为线性时变电路。,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。,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
13、似计算。,和 都是受 控制的非线性函数，,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。,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,（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。,（1）二极管平衡混频器,VLmVSm,2.二极管混频器,其中 vL为本振信号 vL=VLmcosLt 为大信号,令 vs=Vsmcosct 为小信号,(RLRD),实现混频,
14、2. 集成混频器,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,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）,、q为任意正整数，代表有用信号和本振信号的谐波次数。,1
15、. 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。,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,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
16、定的。,怎样来抑制干扰哨声？,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,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88M
17、HZ108MHZ。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。,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。,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, 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, 镜频干扰,当 时， 。将会听到干
18、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？,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？,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
19、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。,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）,(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。,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,
