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1、第6章振幅调制、解调及混频,6.1 振幅调制 6.2 调幅信号的解调 6.3 混频 6.4 混频器的干扰,(1)什么是调制？,调制是使消息载体的某些特性随消息变化的过程。调制的作用是把消息置于消息载体，以便传输和处理。解调是调制的逆过程，从消息载体中还原出原来的消息。用来传送消息的载体uc(t)，称为载波；消息uf(t)，称为调制信号；调制后的信号u(t)，称为已调信号。用调制信号uf(t)控制载波uc(t)的某些参数，使之随uf(t)的变化而变化，就可实现调制。,引言,(2)为什么要调制？,天线尺寸无线信道中传输信号时，利用电磁场在空间的传播，需要天线发射和接收电磁波。天线的尺寸和波长相比拟
2、，如采用/4天线，对于3kHz的声音信号，天线尺寸为25km，这是无法实现的，如果调制在900MHz上，天线仅需8cm，易于实现无线传输系统，调制是一个基本环节。调制可以实现多路复用，例如频分复用（FDMA）。调制可以降低干扰对信号传输的影响，如扩频调制。,调制可以实现有效地发射和有选择地接收,(3)通信系统中的发送与接收设备,超外差接收机方框原理图,(4)调制分类,按调制信号uf(t)分模拟调制数字调制按载波uc(t)分脉冲调制正弦波调制光强度调制,调制是一种非线性过程。载波被调制后将产生新的频率分量,通常它们分布在载波频率的两边，并占有一定的频带。,正弦波调制：幅度调制、角度调制（频率调制
3、、相位调制）幅度调制：调制信号控制载波的幅度：AM（Amplitude Modulation）、 ASK（Amplitude shift keying）频率调制：调制信号控制载波的频率：FM、 FSK相位调制：调制信号控制载波的相位：PM 、PSK,6.1 振幅调制,幅度调制（AM）是指载波的幅度随调制信号的变化规律而变化，而其角频率和初相位均为常数。 幅度调制方式标准幅度调制（Standard AM）双边带幅度调制（Double SideBand AM）单边带幅度调制（Single SideBand AM）,标准幅度调制是各种幅度调制中最基本的一种。由于在合理使用功率和占有频带宽度等方面，不
4、如其他调幅方式优越，其应用范围受到限制。调制和解调电路简单 在关于幅度调制的性质以及调制与解调技术原理等方面，它还是最基本的。,6.1.1 振幅调制信号分析1. 调幅波的分析1) 表示式及波形 设载波电压为 uC=UCcosct 调制电压为 u=U cost,通常满足 c。根据定义，已调信号的振幅随调制信号u线性变化，由此可得振幅调制信号振幅Um(t)： 调幅度(调制度)：ka又称为调制灵敏度。可得调幅信号的表达式：,图 6-1 AM调制过程中的信号波形,调制信号,载波信号,调幅信号,在标准幅度调制中，不允许出现过调制，要求m 1。,实际过调幅波形往往如图6-1（e），无法解调，且占据频带很宽
5、,过调制现象：,uAM(t)=UC1+mf(t)cosct 式中，mn=kaUn/UC,复杂音调制：调制信号并非为单一频率的信号，例如是一连续频谱信号f(t)。,完成AM调制的原理框图：其关键在于实现调制信号和载波的相乘。,2) 调幅波的频谱两个边频分量c+及c则以载频为中心对称分布，两个边频幅度相等并与调制信号幅度成正比。边频相对于载频的位置仅取决于调制信号的频率，这说明调制信号的幅度及频率消息只含于边频分量中。,单音调制时已调波的频谱,调制信号频谱,载波信号频谱,AM信号频谱,单频调制时，调幅波占用的带宽BAM2F，F=/2。,上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同（各频率分量的相对振
6、幅及相对位置没有变化），下边带是上边带的镜像。,复杂音调制时已调波的频谱,AM调制是把调制信号的频谱搬移到载频两侧，在搬移过程中频谱结构不变。这类调制方式属于频谱线性搬移。,调制信号频谱,AM信号频谱,Fmax=3400HzBAM=2Fmax=6800Hz,3) 调幅波的功率平均功率(简称功率)是对恒定幅度、恒定频率的正弦波而言的。调幅波的幅度是变化的，所以它存在几种状态下的功率，如载波功率、最大功率及最小功率、调幅波的平均功率等。在负载电阻RL上消耗的载波功率为在负载电阻RL上，一个载波周期内调幅波消耗的功率为,调制信号周期内平均功率,AM信号的平均功率,调幅波的最大功率和最小功率，它们分别
7、对应调制信号的最大值和最小值为: Pmax=Pc(1+m)2 Pmin=Pc(1m)2 Pmax限定了用于调制的功放管的额定输出功率PH, 要求PHPmax。 普通的AM调制方式中，载频与边带一起发送，不携带调制信号分量的载频占去了2/3以上的功率，而带有信息的边频功率不到总功率的 1/3，功率浪费大，效率低。但它仍广泛地应用于传统的无线电通信及无线电广播中，其主要原因是设备简单，特别是AM波解调很简单，便于接收，而且与其它调制方式(如调频)相比，AM占用的频带窄。,例：有一标准AM波，未调制载波峰值电压为10V，负载电阻为10，调制指数为1，求载波和上下边带的功率；如果调制指数变化为0.5，
8、载波和上下边带功率？,解：,调幅指数的一般定义：,为调制信号的一个周期内，调幅信号的最大振幅。 为调制信号的一个周期内，调幅信号的最小振幅。,若其峰值和谷值不对称，可定义峰值调幅度m上和谷值调幅度m下。,在保证不过调的情况下，要使用尽可能高的调幅指数。 对于振幅最大的有用信号，标准AM系统应保证其调制指数在0.90.95之间。,在实际系统中，平均调幅指数很小，所以边频功率占的比例更小，功率利用率更低。,在调制过程中，将载波抑制就形成了抑制载波双边带信号， 简称双边带信号。 uDSB(t)=kf(t)uC 在单一正弦信号u=Ucost调制时 uDSB(t)=kuuC=kUCUcost cosct
9、 =g(t) cosct,标准调幅波：,g(t)是双边带信号的振幅，与调制信号成正比。与AM波的Um(t)不同，这里g(t) 可正可负。,2. 双边带信号,调制信号,载波信号,调幅信号,与AM波相比，它有如下特点: (1) 包络不同。AM波的包络正比于调制信号f(t)的波形，而DSB波的包络则正比于|f(t)|。例如g(t)=kcost，它具有正、负两个半周，所形成的DSB信号的包络为|cost|。当调制信号为零时，即cost=0，DSB波的幅度也为零。,(2)DSB信号的高频载波相位在调制电压零交点处(调制电压正负交替时)要突变180。由图可见，在调制信号正半周内，已调波的高频与原载频同相，
10、相差0; 在调制信号负半周内，已调波的高频与原载频反相，相差180。这就表明，DSB信号的相位反映了调制信号的极性。因此，严格地讲，DSB信号已非单纯的振幅调制信号，而是既调幅又调相的信号。,由于DSB信号不含载波，它的全部功率为边带占有，所以发送的全部功率都载有消息, 功率利用率高于AM信号。由于两个边带所含消息完全相同，故从消息传输角度看，发送一个边带的信号即可，这种方式称为单边带调制。,DSB信号的频谱相当于从AM波频谱图中将载频分量去掉后的频谱。,BDSB=2Fmax,单边带(SSB)信号是由DSB信号经边带滤波器滤除一个边带或在调制过程中，直接将一个边带抵消而成。单频调制时： uDS
11、B(t)=kuuC 取上边带时 uSSB(t)=Ucos(c+)t 取下边带时 uSSB(t)=Ucos(c)t,3. 单边带信号,单频调制时的SSB信号仍是等幅波，但它与原载波电压是不同的。SSB信号的振幅与调制信号的幅度成正比，它的频率随调制信号频率的不同而不同，因此它含有消息特征。单边带信号的包络与调制信号的包络形状相同。在单频调制时，它们的包络都是一常数。,调制信号,载波信号,上边带调幅信号,调制过程中的信号频谱,双音调制时：设u(t)=Ucos1t+Ucos2t，且21，则可以写成下式: 受u调制的双边带信号为：从中任取一个边带,就是双音调制的SSB信号。取上边带：,双音调制时SSB
12、信号的波形和频谱,(1) 若将|2Ucos(21)t/2|看成是调制信号的包络，(2+1)/2为调制信号的填充频率，则SSB信号的包络与调制信号的包络形状相同，填充频率移动了c。,SSB信号有如下特点：,(2) 双音调制时，每一个调制频率分量产生一个对应的单边带信号分量，它们之间的关系和单音调制时一样，振幅之间成正比，频率则线性移动。这一调制关系也同样适用于多频率分量信号f(t)的SSB调制。,上边带：,- /2,用移相法实现单边带调幅,下边带：,宽带移相器在很宽的频带上要求移动相同的相位，很难制造 R、L、C无源网络移相器 两极点放大器移相器,DSB频谱,上边带频谱,下边带频谱,语音调制的S
13、SB信号频谱,BSSBFmax,单边带调制从本质上说是幅度和频率都随调制信号改变的调制方式。但是由于它产生的已调信号频率与调制信号频率间只是一个线性变换关系(由变至c+或c的线性搬移)，这一点与AM及DSB相似，因此通常把它归于振幅调制。SSB调制方式在传送信息时，不但功率利用率高，而且它所占用频带为BSSBFm，比AM、DSB减少了一半，频带利用充分，目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。,6.1.2 振幅调制电路由上面的分析可以看出，AM、DSB及SSB信号都是将调制信号的频谱搬移到载频上去(允许取一部分)，搬移的过程中，频谱的结构不发生变化，不产生fcnF分量，均属于频谱的线性搬移，故
14、同属线性调制。或者说这些调制的实现必须以乘法器为基础。因此，这些调制的实现电路应包含有乘积项。第5章介绍了频谱的线性搬移电路，只要包含平方项(包含有乘积项)，就可以用来完成上述调制功能。,调制可分为高电平调制和低电平调制。 高电平调制：是将功放和调制合二为一，调制后的信号不需再放大就可直接发送出去。如许多广播发射机都采用这种调制，这种调制主要用于形成AM信号。 低电平调制：是将调制和功放分开，调制后的信号电平较低，还需经功率放大后达到一定的发射功率再发送出去。DSB、SSB以及第7章介绍的调频(FM)信号均采用这种方式。对调制器的主要要求是调制效率高、调制线性范围大、失真要小等。,1. AM调
15、制电路1) 高电平调制集电极调幅电路：UCC=Ucc0+u, 即集电极电源电压随调制信号变化，从而使集电极电流的基波分量随u的规律变化。,由功放的分析已知，当功率放大器工作于过压状态时，集电极电流的基波分量与集电极偏置电压成线性关系。因此，要实现集电极调幅，应使放大器工作在过压状态。,基极调幅电路：图中LB1是高频扼流圈，LB为低频扼流圈，C1、C3、C5为低频旁路电容，C2、C4、C6为高频旁路电容。基极调幅与谐振功放的区别是基极偏压随调制电压变化。如果UBB随u变化，Ic1将随之变化, 从而得到已调幅信号。从调制特性看，为了使Ic1受UBB的控制明显, 放大器应工作在欠压状态。,基极调幅的
16、波形,由于基极电路电流小，消耗功率小，故所需调制信号功率很小，调制信号的放大电路比较简单，这是基极调幅的优点。但因其工作在欠压状态，集电极效率低是其一大缺点。一般只用于功率不大，对失真要求较低的发射机中。而集电极调幅效率较高，适用于较大功率的调幅发射机中。,2) 低电平调制要完成AM信号的低电平调制，可采用第5章介绍的频谱线性搬移电路来实现。,(a) 二极管电路,输出滤波器H(j)对载波c调谐，带宽为2F。这样最后的输出频率分量为c，c+和c，输出信号是AM信号。,当UCU时:,对于二极管平衡调制器，在图5-7所示电路中，令u1=uC，u2=u, 且有UCU，产生的已调信号也为AM信号。,(2
17、) 利用模拟乘法器产生普通调幅波若将uC加至uA，u加到uB，则有,式中，m=U/Ee，x=UCVT。,若集电极滤波回路的中心频率为fc，带宽为2F，谐振阻抗为RL，则: uo=I0RL1(x)(1+m cost) cosct,如果载波幅度增大，包络内高频正弦波将趋向方波，io中含高次谐波。,用BG314模拟乘法器产生AM信号的电路: 将调制信号叠加上直流成分，即可得到AM信号输出，调节直流分量大小，即可调节调制度m值。电路要求UC、U分别小于2.5V。,MC1596G产生AM信号的电路: MC1596与国产XCC类似，将调制信号叠加上直流分量也可产生普通调幅波。,2. DSB调制电路DSB信
18、号的产生大都采用低电平调制。由于DSB信号将载波抑制，发送信号只包含两个带有信息的边带信号，因而其功率利用率较高。DSB信号的获得，关键在于调制电路中的乘积项，故具有乘积项的电路均可作为DSB信号的调制电路。,(a) 二极管调制电路单二极管电路只能产生AM信号，不能产生DSB信号。二极管平衡电路和二极管环形电路可以产生DSB信号。调制信号:u，载波:uC，且UCU，在大信号工作，可得输出变压器的次级电流iL为,iL中包含F分量和(2n+1)fcF(n=0，1，2，)分量，若输出滤波器的中心频率为fc，带宽为2F，谐振阻抗为RL，则输出电压:,二极管平衡调制电路,加在VD1、VD2上的电压仅音频
19、信号u的相位不同(反相)，故电流i1和i2仅音频包络反相。电流i1i2经高频变压器T2及带通滤波器滤除低频和3c等高频分量后，负载上得到DSB信号电压uo(t) 。对平衡调制器的主要要求是调制线性好、载漏小(输出端的残留载波电压要小，一般应比有用边带信号低20 dB以上)，同时希望调制效率高及阻抗匹配等。,二极管平衡调制器波形,调制电压为单端输入，已调信号为单端输出，省去了中心抽头音频变压器和输出变压器。由于两个二极管方向相反，故载波电压仍同相加于两管上，而调制电压反相加到两管上。流经负载电阻RL的电流仍为两管电流之差，所以它的原理与基本的平衡电路相同。图中，C1对高频短路、对音频开路，因此T
20、次级中心抽头为高频地电位。R2、R3与二极管串联，同时用并联的可调电阻R1来使两管等效正向电阻相同。C2、C3用于平衡反向工作时两管的结电容。,实用平衡调制器电路,平衡调制器的一种实际线路,双平衡调制器(环形调制器),在二极管平衡调制电路中，调制电压u与载波uC的注入位置与所要完成的调制功能有密切的关系。u加到u1处，uC加到u2处，可以得到DSB信号，但两个信号的位置相互交换后，只能得到AM信号，而不能得到DSB信号。但在双平衡电路中，uC、u可任意加到两个输入端，完成DSB调制。,两个桥路构成的电路等效一个环形调制器，载波电压对两个桥路是反相的。当uC0时，上桥路导通，下桥路截止; 反之，
21、当uC0时，上桥路截止，下桥路导通。调制电压反向加于两桥的另一对角线上。如果忽略晶体管输入阻抗的影响，则图中ua(t)为,平衡调制器的一种等效电路:桥式调制器,因iC=ieie=ue(t)/Re,式中，I0=Ee/Re，m=UC/Ee，x=U/VT。经滤波后的输出电压: uo(t)I0RLm1(x) cost cosct=Uo cost cosct,(b) 差分对调制器,在单差分电路中，将载波电压uC加到线性通道，即uB=uC，调制信号u加到非线性通道，即uA=u，则双端输出电流io(t)为:,上式表明，u、uC采用与产生AM信号的相反方式加入电路，可以得到DSB信号。但由于u加在非线性通道，
22、故出现了fcnF(n=3，5，)分量，它们是不易滤除的，这就是说，这种注入方式会产生包络失真。只有当u较小时，使3(x)1(x)，才能得到接近理想的DSB信号。,图 6-24 差分对DSB调制器的波形,差分对DSB调制器的波形图。 传输特性以fc的频率在uC=0那条曲线上下摆动。图中所示为U值较小的情况，图(c)为滤除F后的DSB信号波形。,单差分调制器虽然可以得到DSB信号，具有相乘器功能，但它并不是一个理想乘法器。 首先，信号的注入必须是uA= u，uB =uC，且对u的幅度提出了要求，U值应小(例如，U26 mV)，这限制了输入信号的动态范围; 其次，要得DSB信号，必须加接滤波器以滤除
23、不必要的分量; 必须双端差动输出，单端输出只能得到AM信号; 最后，当输入信号为零时，输出并不为零，如uB=0，则电路为一直流放大器，仍然有输出。,若U、UC均很小，上式可近似为等效为一模拟乘法器，不加滤波器就可得到DSB信号。,采用双差分调制器，可以近似为一理想乘法器,彩色电视发送机中的双差分对调制器的实际电路图中，V7、V8组成恒流源电路。V5、V6由复合管组成。W4用来调整差分电路的平衡性，使静态电流I5=I6，否则即使色差信号(调制信号)为零，还有副载频输出，会造成副载频泄漏。同理，W2用来调整V1V4管的对称性，如不对称，即使副载频为零，仍有色差信号输出，称为视频泄漏。,图6-18为
24、利用BG314和MC1596产生AM信号的实际电路，若将调制信号上叠加的直流分量去掉，就可产生DSB信号。这种电路的特点是工作频带较宽，输出信号的频谱较纯，而且省去了变压器。,3. SSB调制电路SSB信号是将双边带信号滤除一个边带形成的。根据滤除方法的不同，SSB信号产生方法有好几种，主要有滤波法和移相法两种。,滤波法的关键是边带滤波器的制作。因为要产生满足要求的SSB信号，对边带滤波器的要求很高。这里主要是要求边带滤波器的通带阻带间有陡峭的过渡衰减特性。,(1) 滤波法采用滤波法产生SSB的发射机框图。,设语音信号的最低频率为300 Hz，调制器产生的上边带和下边带之差为600 Hz，若要
25、求对无用边带的抑制度为40 dB，则要求滤波器在600 Hz过渡带内衰减变化40 dB以上。图6-27就是要求的理想边带滤波器的衰减频率特性。除了过渡特性外，还要求通带内衰减要小，衰减变化要小。,带通滤波器的相对带宽ff0随元件品质因数Q的增加而减小。因为实际的品质因数不能任意大，当带宽一定时(如3000 Hz)，滤波器的中心频率f0就不能很高。因此，用滤波法产生SSB信号，通常不是直接在工作频率上调制和滤波，而是先在低于工作频率的某一固定频率上进行，然后通过几次混频及放大，将SSB信号搬移到工作频率上去。目前常用的边带滤波器有机械滤波器、晶体滤波器和陶瓷滤波器等。它们的特点是Q值高，频率特性
26、好，性能稳定。机械滤波器的工作频率一般为100500 kHz，晶体边带滤波器的工作频率为几百千赫兹至一二兆赫兹。,（2) 移相法同相分量f(t)cosct和正交分量f(t) sinct为两个DSB信号，两个分量相加时为下边带信号; 两个分量相减时，为上边带信号。,移相法的优点是省去了边带滤波器，但要把无用边带完全抑制掉，必须满足下列两个条件: (1) 两个调制器输出的振幅应完全相同;(2) 移相网络必须对载频及调制信号均保证精确的/2相移。根据分析，若要求对无用边带抑制40 dB，则要求网络的相移误差在1左右。这时单频的载频电压是不难做到的，但对于调制信号，如语音信号3003400 Hz的范围
27、内(波段系数大于11)，要在每个频率上都达到这个要求是很困难的。因此，/2相移网络是移相法的关键部件。,6.2 调幅信号的解调6.2.1 调幅解调的方法从高频已调信号中恢复出调制信号的过程称为解调，又称为检波。对于振幅调制信号, 解调就是从它的幅度变化上提取调制信号的过程。解调是调制的逆过程，实质上是将高频信号搬移到低频端，这种搬移正好与调制的搬移过程相反。搬移是线性搬移，故所有的线性搬移电路均可用于解调。,振幅解调方法可分为包络检波和同步检波两大类。 包络检波是指解调器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方法。由于AM信号的包络与调制信号成线性关系，因此包络检波只适用于AM波。,包络检波的
28、原理框图,DSB和SSB信号的包络不同于调制信号，不能用包络检波，必须使用同步检波。为了正常地进行解调，恢复载波应与调制端的载波电压完全同步(同频同相) 。同步检波也可解调AM信号，但因它比包络检波器复杂，所以很少采用。,同步检波的框图及输入、输出信号频谱,同步检波又可以分为乘积型和叠加型两类。它们都需要用恢复的载波信号ur进行解调。,同步检波器,电路组成：输入回路、二极管VD和RC低通滤波器。输入回路提供信号源，在超外差接收机中，检波器的输入回路通常就是末级中放的输出回路。二极管通常选用导通电压小、rD小的锗管。RC电路有两个作用: 一是作为检波器的负载，在其两端产生调制频率电压; 二是起到
29、高频电流的旁路作用。RC网络须满足：理想情况，RC网络的阻抗Z应为 Z(c)=0 Z()=R,6.2.2 二极管峰值包络检波器1.原理电路及工作原理,特点：二极管无直流偏置二极管电流流通角小输入信号大,二极管导通,二极管截止,放电时常 充电时常,放电、充电过程，直至VD导通时C的充电电荷量等于VD截止时C的放电电荷量，便达到动态平衡状态稳定工作状态。如图中U4以后所示情况，此时，U4已接近输入电压峰值。在下面的研究中，将只考虑稳态过程，因为暂态过程是很短暂的瞬间过程。,输入信号为载波,二极管电流iD包含平均分量Iav及高频分量。Iav流经电阻R形成平均电压Uav(载波输入时，Uav为直流电压)
30、，它是检波器的有用输出电压; 高频电流主要被旁路电容C旁路， 在其上产生很小的残余高频电压u，所以检波器输出电压 uo=uC=Uav+u当电路元件选择正确时，高频波纹电压可以忽略，这时检波器输出电压为uo=uC=Uav=Uo。直流输出电压接近于但小于输入电压峰值Um。,检波器稳态时的电流电压波形,二极管是在输入电压的每个高频周期的峰值附近导通，因此其输出电压波形与输入信号包络形状相同。平均电压Uav包含直流及低频调制分量，即Uo(t)=Uav=Udc+u。,输入信号为AM波,输入为AM信号时检波器的输出波形图,uD=uAMUo(t),iD中的高频分量被C旁通，Idc及调制分量i流经R形成输出电
31、压。,图 6-38 包络检波器的输出电路,如果只需输出调制频率电压，则可增加隔直电容Cg和负载电阻Rg，如图6-38(a)所示。若需要检波器提供与载波电压大小成比例的直流电压，例如作自动控制放大器增益的偏压时，则可用低通滤波器RC 取出直流分量，如图6-38(b)所示。其中， C 对调制分量短路。,从检波过程还可以看出，RC的数值对检波器输出的性能有很大影响。如果R值小(或C小)，则放电快，高频波纹加大，平均电压下降; RC数值大则作用相反。当检波器电路一定时，它跟随输入电压的能力取决于输入电压幅度变化的速度。当幅度变化快，例如调制频率高或调制幅度m大时，电容器必须较快地放电，以使电容器电压能
32、跟上峰值包络而下降，此时, 如果RC太大，就会造成失真。,2 性能分析1) 传输系数Kd检波器传输系数Kd或称为检波系数、检波效率，是用来描述检波器对输入已调信号的解调能力或效率的一个物理量。若输入载波电压振幅为Um，输出直流电压为Uo，则 对AM信号，其定义为检波器输出低频电压振幅与输入高频已调波包络振幅之比:这两个定义是一致的。,2)检波器的输入阻抗 输入电阻是输入载波电压的振幅Um与检波器电流的基频分量振幅I1之比值，即,输入电阻是前级的负载，它直接并入输入回路，影响着回路的有效Q值及回路阻抗。串联二极管峰值包络检波器的输入电阻与二极管检波器负载电阻R有关。当较小时，近似为R的一半。R越
33、大，Ri越大，对前级的影响就越小。,可以用能量守恒原理来解释。由于很小，消耗在rD上的功率很小, 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，即 则这里Kd1。,3 检波器的失真在二极管峰值包络检波器中，存在着两种特有的失真惰性失真和底部切削失真。1) 惰性失真在二极管截止期间，电容C两端电压下降的速度取决于RC的时间常数。如RC数值很大，则下降速度很慢，将会使得输入电压的下一个正峰值来到时仍小于uC，形成输出波形不随包络形状而变化，产生了失真。由于是由电容放电的惰性引起的，故称惰性失真或失随失真。,为了避免产生惰性失真，必须在任何一个高频周期内，使电容C通过R放电的速度大于或
34、等于包络的下降速度，即,如果输入信号为一调幅波：,调幅信号包络：,在时刻 包络下降速度：,二极管停止导通的瞬间，电容两端电压uC近似为输入电压包络值，即uC=Um(1+mcost)。从t1时刻开始通过R放电的起始电压uC1=Um(1+mcost1)速度为,得出不失真条件如下: 由此可见，m、越大，包络下降速度就越快，要求的RC就越小。在设计中，应用最大调制度及最高调制频率检验有无惰性失真，其检验公式为,为了取出低频调制信号，电容Cg应对低频呈现短路，其电容值一般为510F; Rg是所接负载。检波器的直流负载R= = R，而低频交流负载R=RRg/(R+Rg)。因R=R，将引起底部失真。,2)
35、底部切削失真底部切削失真又称为负峰切削失真。这种失真是因检波器的交直流负载不同引起的。,因为Cg较大，在音频一周内，其两端的直流电压基本不变，其大小约为载波振幅值UC，可以把它看作一直流电源。它在电阻R和Rg上产生分压。在电阻R上的压降为调幅波的最小幅度为UC(1m)，若小于UR,二极管会截止，产生底部切削失真。,要避免底部切削失真，应满足 即,这一结果表明，为防止底部切削失真，检波器交流负载与直流负载之比应大于调幅波的调制度m。因此必须限制交、直流负载的差别。在工程上，减小检波器交、直流负载的差别有两种常用的措施： 一是在检波器与低放级之间插入高输入阻抗的射极跟随器; 二是将R分成R1和R2
36、，R=R1+R2。此时，R=R1+R2 ，R=R1+R2Rg。,5. 二极管并联检波器并联检波器的二极管、负载电阻和信号源是并联的，其工作原理与串联检波器相似。电容C起检波兼隔离作用，但不能起到高频滤波作用，所以输出电压就是二极管两端的电压。不仅含有平均分量，还含有高频分量; 因此输出端除需隔直电容外，还需加高频滤波电路，以滤除高频分量，得到所需的低频分量。,当电路参数相同时，并联型检波器和串联型检波器具有相同的电压传输系数Kd，但因高频电流通过负载电阻R时，损耗了一部分高频功率，因而并联型检波器的输入电阻比串联型检波器小。根据能量守恒原理，实际加到并联型检波器中的高频功率，一部分消耗在R上，
37、一部分转换为输出平均功率，即当UavUC时(UC为载波振幅)有,6.2.3 同步检波前已指出，同步检波分为乘积型和叠加型两种方式，这两种检波方式都需要接收端恢复载波支持，恢复载波性能的好坏，直接关系到接收机解调性能的优劣。1 乘积型,设输入信号为DSB信号：us=Us cost cosct本地恢复载波：ur=Ur cos(rt+),经低通滤波器的输出，且考虑rc=c在低通滤波器频带内，有 uo=Uo cos(ct+) cost 当恢复载波与发射载波同频同相时即r=c ，=0，则 uo=Uo cost无失真地将调制信号恢复出来。,若恢复载波与发射载频有一定的频差，即r=c+c uo=Uo cos
38、ct cost引起振幅失真。 若有一定的相差，则 uo=Uo cos cost相当于引入一个振幅的衰减因子cos，当=/2时，uo=0。当是一个随时间变化的变量时，即=(t)时，恢复出的解调信号将产生振幅失真。类似的分析也可以用于AM波和SSB波。这种解调方式关键在于获得两个信号的乘积，所学的频谱线性搬移电路均可用于乘积型同步检波。,2. 叠加型 叠加型同步检波是将DSB或SSB信号插入恢复载波，使之成为或近似为AM信号，再利用包络检波器将调制信号恢复出来。,本地恢复载波 同步检波的关键是产生一个与载波信号同频同相的恢复载波。 AM波通过限幅器就能去除其包络变化, 得到等幅载波信号，这就是所需
39、同频同相的恢复载波。 DSB信号，将其取平方，从中取出角频率为2c的分量，再经二分频器，就可得到角频率为c的恢复载波。 SSB信号，往往在发射机发射SSB信号的同时，附带发射一个载波信号，称为导频信号，它的功率远低于SSB信号的功率。接收端就可用高选择性的窄带滤波器从输入信号中取出该导频信号，导频信号经放大后就可作为恢复载波信号。,6.3 混 频6.3.1 混频的概述 混频，又称变频，也是一种频谱的线性搬移过程，它是使信号自某一个频率变换成另一个频率。完成这种功能的电路称为混频器(或变频器)。1 混频器的功能混频器是频谱线性搬移电路，是一个六端网络。它有两个输入电压，输入信号us和本地振荡信号
40、uL， 输出信号为uI，称为中频信号，其频率是fc和fL的差频或和频，称为中频fI，fI=fLfc(同时也可采用谐波的差频或和频)。由此可见，混频器在频域上起着减(加)法器的作用。,fs+fmax,fs-fmax,fL-（fs-fmax）,fL-（fs+fmax）,混频器的输入信号us 是高频已调波、本振uL是正弦波信号，中频信号也是已调波，除了中心频率与输入信号不同外，由于是频谱的线性搬移，其频谱结构与输入信号us的频谱结构完全相同。表现在波形上，中频输出信号与输入信号的包络形状相同，只是填充频率不同(内部波形疏密程度不同)。,当混频器输出取差频时，有fI=fLfc或fI=fcfL;取和频时
41、有fI=fL+fc。当fIfc时，称为向下变频，输出低中频;当fIfc时，称为向上变频，输出高中频。常用的中频数值为: 465(455)、500 kHz; 1、1.5、4.3、5、10.7、21.4、30、70、140 MHz等。如调幅收音机的中频为465(455) kHz; 调频收音机的中频为10.7 MHz，微波接收机、卫星接收机的中频为70MHz或140 MHz，等等。,混频器、振幅调制器与解调器是在频域上起加法器和减法器的作用，同属频谱的线性搬移。,调制,解调,混频,2 混频器的工作原理 设输入到混频器中的输入已调信号us和本振电压uL分别为us=UscostcosctuL=ULcos
42、Lt这两个信号的乘积为,若中频fI=fLfc，经带通滤波器取出所需边带，可得中频电压为 uI=UI cost cosIt,混频器的组成框图,混频过程中的频谱变换,本振频谱,信号频谱,输出频谱,混频器是超外差接收机中的关键部件。采用超外差技术后，将接收信号混频到一固定中频，放大量基本不受接收频率的影响, 这样，频段内信号的放大一致性较好，灵敏度可以做得很高，选择性也较好。 因为放大功能主要放在中放，可以用良好的滤波电路。采用超外差接收后，调整方便，放大量、选择性主要由中频部分决定，且中频较高频信号的频率低，性能指标容易得到满足。 混频器在一些发射设备(如单边带通信机)中也是必不可少的。,3 混频
43、器的主要性能指标1) 变频增益变频增益是指混频器的输出信号强度与输入信号强度的比值。变频增益可用变频电压增益和变频功率增益来表示。变频电压增益定义为变频器中频输出电压振幅UI与高频输入信号电压振幅Us之比，即同样可定义变频功率增益为输出中频信号功率PI与输入高频信号功率Ps之比，即,通常用分贝数表示变频增益，有变频增益表征了变频器把输入高频信号变换为输出中频信号的能力。增益越大，变换的能力越强，故希望变频增益大。而且变频增益大后，对接收机而言，有利于提高灵敏度。,2) 噪声系数混频器的噪声系数NF定义为它描述混频器对所传输信号的信噪比影响的程度。因为混频级对接收机整机噪声系数影响大，特别是在接
44、收机中没有高放级时，其影响更大，所以希望混频器的NF越小越好。,3)失真与干扰变频器的失真有频率失真和非线性失真。除此之外，还会产生各种非线性干扰，如组合频率、交叉调制和互相调制、阻塞和倒易混频等干扰。所以，对混频器不仅要求频率特性好，而且还要求变频器工作在非线性不太严重的区域，使之既能完成频率变换，又能抑制各种干扰。,4) 变频压缩(抑制)由于非线性器件的限制，当输入信号增加到一定程度时，中频输出信号的幅度与输入不再成线性关系，这一现象称为变频压缩。通常可以使实际输出电平低于其理想电平一定值(如3 dB或1 dB)的输入电平的大小来表示它的压缩性能的好坏。此电平称为混频器的3 dB(或1 d
45、B)压缩电平。,5) 选择性混频器的中频输出应该只有所要接收的有用信号(反映为中频，即fI=fLfc)，但在混频器的输出中，总会混杂很多与中频频率接近的干扰信号。要求中频输出回路有良好的选择性，亦即回路应有较理想的谐振曲线(矩形系数接近于1)。此外，还应要求动态范围较大，可以在输入信号的较大电平范围内正常工作; 隔离度要好，以减小混频器各端口(信号端口、本振端口和中频输出端口)之间的相互泄漏; 稳定度要高，主要是本振的频率稳定度要高，以防止中频输出超出中频总通频带范围。,6.3.2 混频电路1 晶体三极管混频器此时的输入信号u1=us，为一高频已调信号，时变偏置电压UBB(t)=UBB+u2=
46、UBB+uL，且有UsUL, 输出回路对中频fI=fLfc谐振，由此可得集电极电流iC为 iCIc0(t)+gm(t)us =Ic0(t)+(gm0+gm1 cosLt+gm2 cos2Lt+)us经集电极谐振回路滤波后，得到中频电流iI式中，gC=gm1/2称为变频跨导。,晶体三极管混频器原理电路,变频跨导与晶体管特性、直流工作点及本振电压大小等因素有关。,gCUL的关系,gCUBB的关系,图6-59(a)是基极串馈式电路，信号电压us与本振电压uL直接串联加在基极，是同极注入方式。图6-59(b)是基极并馈方式的同极注入。基极同极注入时，us与uL及两回路耦合较紧，调谐信号回路对本振频率f
47、L有影响; 当us较大时，fL要受us的影响(频率牵引效应)。此外，当前级是天线回路时，本振信号会产生反向辐射。在并馈电路中可适当选择耦合电容CL值以减小上述影响。图6-59(c)是本振射极注入，对本振信号uL来说，晶体管共基组态，输入电阻小，要求本振注入功率较大。,图 6-59 混频器本振注入方式,2 二极管混频电路在高质量通信设备中以及工作频率较高时，常使用二极管平衡混频器或环形混频器。其优点是噪声低、电路简单、组合分量少。图6-61是二极管平衡混频器的原理电路。输入信号us为已调信号； 本振电压为uL，有ULUs，大信号工作，由第5章可得输出电流io为(6-98)输出端接中频滤波器，则输
48、出中频电压uI为(6-99),图6-62为二极管环形混频器，其输出电流io为(6-100)经中频滤波后，得输出中频电压(6-101)环形混频器的输出是平衡混频器输出的两倍，且减少了电流频谱中输入信号频率分量，这样就会减少混频器中所特有的组合频率干扰。,图 6-61 二极管平衡混频器原理电路,图 6-62 环型混频器的原理电路,与其它(晶体管和场效应管)混频器比较，二极管混频器虽然没有变频增益，但由于具有动态范围大，线性好(尤其是开关环形混频器)及使用频率高等优点，仍得到广泛的应用。特别是在微波频率范围，晶体管混频器的变频增益下降，噪声系数增加，若采用二极管混频器，混频后再进行放大，可以减小整机
49、的噪声系数。,6.4 混频器的干扰6.4.1 信号与本振的自身组合干扰对混频器而言，作用于非线性器件的两个信号为输入信号us(fc)和本振电压uL(fL)，则非线性器件产生的组合频率分量为 f=pfLqfc式中，p、q为正整数或零。当有用中频为差频时，即fI=fLfc或fI=fcfL，只存在pfLqfc=fI或qfcpfL=fI两种情况可能会形成干扰，即pfLqfcfI (6-103),这样，能产生中频组合分量的信号频率、本振频率与中频频率之间存在着下列关系(6-104)当取fLfc=fI时，上式变为(6-105)fcfI称为变频比。如果取fcfL=fI，可得(6-106),当fc、fI确定后
50、，总会找到满足上两式的p、q整数值，也就是说有确定的干扰点。但是，若对应的p、q值大，即pq很大，则意味着是高阶产物，其分量幅度小，实际影响小。若p、q值小，即阶数小，则干扰影响大，应设法减小这类干扰。,6.4.2 外来干扰与本振的组合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而形成的假中频。设干扰电压为uJ(t)=UJcosJt，频率为fJ。接收机在接收有用信号时，某些无关电台也可能被同时收到，表现为串台，还可能夹杂着哨叫声。,用fL=fc+fI代入上式，可得 凡是满足此式的信号都可能形成干扰。这一类干扰主要有中频干扰、镜像干扰及其它副波道干扰。,外来干扰,1. 中频干扰,=0
