第四章 高頻 振幅調(diào)制、解調(diào)與混頻電路

1、第四章 振幅調(diào)制、解調(diào)與混頻電路振幅調(diào)制、解調(diào)與混頻的概念相關(guān)知識(shí)回顧第四章 振幅調(diào)制、解調(diào)與混頻電路振幅調(diào)制與解調(diào)、混頻、頻率調(diào)制與解調(diào)等是通信系統(tǒng)的基本組成電路，它們都屬于頻率變換電路。振幅調(diào)制與解調(diào)、混頻、頻率調(diào)制與解調(diào)等都屬于頻率變換電路。它們的共同特點(diǎn)是將輸入信號(hào)進(jìn)行頻譜變換，獲得具有所需要頻譜的輸出信號(hào)頻譜搬移電路（第四章：振幅調(diào)制與解調(diào)、混頻）頻譜非線性變換電路（第五章：頻率調(diào)制與解調(diào)）將輸入信號(hào)頻譜沿頻率軸進(jìn)行不失真的搬移。將輸入信號(hào)頻譜進(jìn)行特定的非線性變換。頻率變換電路分為信號(hào)的三種表示法：表達(dá)式、波形圖、頻譜圖。載 波復(fù)音調(diào)制波單音調(diào)制波頻譜（頻域）波 形（時(shí)域）表達(dá)式信號(hào)

2、一、調(diào)幅波的波形、表達(dá)式與頻譜4.1 頻譜搬移電路的組成模型調(diào)幅波的波形普通調(diào)幅波（標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅）調(diào)制信號(hào)v(t) = V cos t載波信號(hào)vc(t) = Vcmcos ctc 信號(hào)的表達(dá)式調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達(dá)式調(diào)幅系數(shù)（調(diào)幅度）調(diào)制信號(hào)v(t) = V cos t載波信號(hào)vc(t) = Vcmcos ct若 Ma 1過調(diào)幅失真vO(t) = Vm0 (1 + Ma cos t) cos ct 載波分量 上邊頻分量 下邊頻分量調(diào)幅波的頻譜調(diào)幅波為 nmax = max / = Fmax / F， max = 2Fmax設(shè)調(diào)制信號(hào) v(t) 為非余弦的周期信號(hào)復(fù)音調(diào)制線性頻譜搬移將 v(t) 不失真地

3、轉(zhuǎn)移到載波信號(hào)振幅上將 v(t) 的頻譜不失真地搬移到的 c 兩邊調(diào)制信號(hào)頻譜調(diào)幅波頻譜上邊帶下邊帶BWAM2Fmax調(diào)幅波帶寬載波分量產(chǎn)生的平均功率。單音調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)電壓在載波的一個(gè)周期內(nèi)消耗的平均功率在單位電阻上消耗的功率調(diào)幅波的功率P(t)在一個(gè)調(diào)制波周期內(nèi)的平均功率邊頻功率（上、下邊頻分量的功率之和）)21(02aSBPMP=例如：Ma = 0.3(一般電臺(tái)發(fā)射信號(hào)的平均調(diào)制度)P0 = 0.955 Pav, PSB = 0.045 Pav 。 結(jié)論：普通調(diào)幅波，發(fā)射效率極低。解決辦法：抑制載波。Ma w2，則無用的組合頻率將遠(yuǎn)離有用的和頻與差頻成分線性時(shí)變狀態(tài)：V2m很?。?V2m

4、 V1m）i包含的頻率成分： | p1 2| ， p1 參與相乘的兩個(gè)信號(hào)（頻率有高低之別），限制哪一個(gè)信號(hào)的幅度更合適？限制頻率低的信號(hào)幅度線性時(shí)變狀態(tài)：V2m很小（ V2m V2m，管子的導(dǎo)通與截止僅由 v1 控制而不受 v2 影響時(shí)，線性時(shí)變工作狀態(tài)便轉(zhuǎn)換為開關(guān)狀態(tài)。 i 的頻率成份：?jiǎn)蜗蜷_關(guān)函數(shù)i 的頻率成份組合頻率成份進(jìn)一步減少二、平衡對(duì)稱電路差分對(duì)管i 的頻率成份：不用限制v2的幅度，只要I0與v2呈線性關(guān)系即可與二極管電路比較，利用兩管的平衡抵消原理，差分對(duì)管的輸出電流中減少了直流分量與 p 為偶數(shù)的眾多組合分量。i 的頻率成份：雙差分電路（開關(guān)狀態(tài)）二極管電路（開關(guān)狀態(tài)）i 的

5、頻率成份：雙向開關(guān)函數(shù)x1V1m/VT 很大(x1 10 ，即 V1m 260 mV)令 x1 = V1m/VT二極管電路（開關(guān)狀態(tài)）優(yōu)點(diǎn)：雙差分對(duì)電路無直流分量，幅度加倍雙差分電路（開關(guān)狀態(tài)）一、雙差分對(duì)平衡調(diào)制器（擴(kuò)展了V2的動(dòng)態(tài)線性范圍）4.2.2 雙差分對(duì)平衡調(diào)制器和模擬相乘器（模擬乘法器）討論：線性相乘的的動(dòng)態(tài)范圍很窄(1)若 |v1| 26 mV， |v2| 26 mV 。實(shí)現(xiàn)了 v1 和 v2 的相乘運(yùn)算。i 的頻率成份：i 的頻率成份：(2)v1 為任意值，|v2| 26 mV，線性時(shí)變工作狀態(tài)。線性時(shí)變工作時(shí)，利用差分對(duì)管平衡抵消原理，進(jìn)一步抵消了q 1，p 為偶數(shù)的眾多組合

6、頻率分量。(3)|v1| 260 mV ，|v2| 26 mV 當(dāng) v1 = V1mcosIt，V1m 260 mV，即 x1 10 時(shí)， 實(shí)現(xiàn)開關(guān)工作。i 的頻率成份：以上的三種工作特性中都要求v2取小值，這種要求使v2的動(dòng)態(tài)范圍受到限制, 因此需要|v2| 26 mV擴(kuò)展v2的動(dòng)態(tài)范圍例如： I0 = 1 mA ，RE = 1k 則 v2 的最大動(dòng)態(tài)范圍為( -250 mV，250 mV)比不加時(shí)，擴(kuò)大了約 10 倍。擴(kuò)大V2線性動(dòng)態(tài)范圍負(fù)反饋電阻擴(kuò)展v2的線形動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展 v 動(dòng)態(tài)范圍負(fù)載電阻載波信號(hào)調(diào)制信號(hào)調(diào)零電位器，確保 v = 0 時(shí) i = 0T7T8 偏置電阻T5T6 偏置電阻

7、T1T2 偏置電阻XFC1596 集成平衡調(diào)制器（MC1596）負(fù)反饋電阻擴(kuò)展v2的線形動(dòng)態(tài)范圍能否用相同的方式擴(kuò)展v1的線形動(dòng)態(tài)范圍？圖 4-2-10模擬相乘器原理電路輸出差值電壓 線性動(dòng)態(tài)范圍vO = (i- i)RC= iRCAM 相乘器的增益。 二、 雙差分對(duì)模擬相乘器（模擬乘法器）4.2.4 二極管雙平衡混頻器二極管雙平衡混頻器組成電路二極管雙平衡混頻器是另一類工作在開關(guān)狀態(tài)的相乘組件vL足夠大，控制D1D4工作在開關(guān)狀態(tài)vL0，D2與D3導(dǎo)通、 D1與D4截止vL0時(shí)二極管平衡混頻器組成電路D2與D3截止D1與D4導(dǎo)通二極管雙平衡混頻器組成電路vL0時(shí)二極管雙平衡混頻器組成電路二極

8、管雙平衡混頻器組成電路K1(Lt - ) - K1(Lt)K2(Lt) 與單個(gè)二極管電路的線性時(shí)變狀態(tài)（開關(guān)狀態(tài)）比較，少了哪些頻率成分？iI = cos(L - c)t輸出中頻電流二、混頻損耗混頻器高頻信號(hào)本振信號(hào)中頻信號(hào)功率PS功率PI輸出中頻電流iI = cos(L - c)t輸出中頻功率輸入電流輸入電流中僅有高頻電流K1(Lt - ) + K1(Lt)輸入高頻功率輸入高頻功率輸出中頻功率混頻損耗考慮到變壓器的損耗，實(shí)際混頻損耗約68dB地位：超外差接收機(jī)的重要組成部分。作用：將輸入高頻信號(hào)變換為固定的中頻信號(hào)。重要性：靠近天線，直接影響接收音機(jī)的性能。種類： 一般接收機(jī)中：三極管混頻器

9、。 高質(zhì)量通信接收機(jī)： 二極管環(huán)形混頻器、雙差分對(duì)平衡調(diào)制器混頻器。 4.3混頻電路4.3.1通信接收機(jī)中的混頻電路一、主要性能指標(biāo)1混頻增益 輸出中頻信號(hào)電壓 Vi(或功率PI)對(duì)輸入信號(hào)電壓 Vs(或功率 PS)的比值，用分貝表示為 2噪聲系數(shù)輸入信號(hào)噪聲功率比 (PS/Pn)i 對(duì)輸出中頻信號(hào)噪聲功率比 (PI/Pn)o 的比值，即 接收機(jī)的噪聲系數(shù)主要取決于它的前端電路，若無高頻放大器，主要由混頻電路決定。31 dB 壓縮電平(PI1dB )圖 4-3-11 dB 壓縮電平當(dāng) PS 較小時(shí)， PI 隨 PS 線性增大，混頻增益為定值當(dāng) PS 較大時(shí)， PI 隨 PS 增大趨于緩慢。定義

10、：比線性增長(zhǎng)低 1 dB 時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出中頻功率電平，稱 1dB 壓縮電平，用 PI1dB 表示。 意義：PI1dB 所對(duì)應(yīng)的 PS 是混頻器動(dòng)態(tài)范圍的上限電平。 4混頻失真來源 接收機(jī)輸入端存在的干擾信號(hào)； 混頻器件非線性，使輸出電流包含眾多無用組合頻率分量，若某些靠近中頻，則中頻濾波器無法將它們?yōu)V除，疊加在有用中頻信號(hào)上，引起的失真稱為混頻失真。5隔離度混頻器各端口之間在理論上應(yīng)相互隔離，確保任一端口上的功率不會(huì)竄到其他端口上。實(shí)際上，總有極少量功率在各端口之間竄擾定義：本端口功率與其竄擾到另一端口的功率之比(用分貝表示)。意義：用來評(píng)價(jià)竄擾大小的性能指標(biāo)。信號(hào)串?dāng)_危害本振端口功率向輸入端

11、口的竄擾危害最大，本振端口的本振功率都比較大，當(dāng)它竄擾到輸入信號(hào)端口時(shí)，就會(huì)通過輸入信號(hào)回路回到天線上，產(chǎn)生本振功率的反向輻射，嚴(yán)重干擾鄰近接收機(jī)。 二極管環(huán)形混頻器和雙差分對(duì)混頻器高性能接收機(jī)混頻器種類1二極管環(huán)形混頻器系列產(chǎn)品：Level7、Level17、Level23本振功率: 7 dBm(5 mW)，17 dBm(50 mW)，23 dBm(200 mW)本振功率電平越高，相應(yīng)的 1 dB 壓縮電平也就越高，混頻器的動(dòng)態(tài)范圍就越大。優(yōu)點(diǎn)：頻帶寬、噪聲低、混頻失真小、動(dòng)態(tài)范圍大。 缺點(diǎn)：無混頻增益、端口間的隔離度較低。2雙差分對(duì)平衡混頻器(AD831)工作頻率: 500 MHz 優(yōu)點(diǎn)：

12、混頻增益大；端口間隔離度高；輸入端只需要電壓 激勵(lì)，一般不必加功率匹配網(wǎng)絡(luò)缺點(diǎn)：噪聲系數(shù)較大，動(dòng)態(tài)范圍小4.3.2三極管混頻電路一、工作原理L1C1 ： 輸入信號(hào)回路，調(diào)諧在 fcL2C2 ：輸出中頻回路，調(diào)諧在 fIvBE = VBB0 + vL + vSiC f(vBE) IC0(vL) + gm(vL) vS線性時(shí)變狀態(tài)高頻信號(hào)很弱，三極管對(duì)其呈線性狀態(tài)詳細(xì)定量推導(dǎo)詳見教材iC f(vBE) IC0(vL) + gm(vL) vS圖 4-3-5 gmc隨 VLm 變化的特性在中波廣播收音機(jī)中，這個(gè)最佳的 VLm 約為 20 200 mV。反之，當(dāng) VLm 一定時(shí)，改變 VBB0(或 IE

13、Q) 時(shí)，gmc 也會(huì)相應(yīng)變化。實(shí)驗(yàn)指出，IEQ 在 0.2 1 mA 時(shí)，gmc 近似不變，并接近最大值?；祛l增益與本振信號(hào)幅度的關(guān)系4.3.3混頻失真干擾哨聲(混頻器特有)寄生通道干擾(混頻器特有)交叉調(diào)制失真（交調(diào)失真）(混頻器、高中頻都有)互相調(diào)制失真（互調(diào)失真）(混頻器、高中頻都有)產(chǎn)生的根本原因：混頻器相乘特性不理想導(dǎo)致組合頻率成份混頻器（非理想相乘）中放檢波（頻譜向下搬移fI）fCfLf IfL fCfIFF音頻嘯叫|p fLq fC|fI F1fI干擾哨聲簡(jiǎn)化為干擾哨聲：由輸入有用信號(hào)產(chǎn)生，輸出產(chǎn)生的組合頻率分量和中頻信號(hào)頻率接近寄生通道干擾：由輸入干擾信號(hào)產(chǎn)生干擾fMfI混頻

14、器（非理想相乘）中放檢波（頻譜向下搬移fI）fCfLf IfL fCfIFF|p fLq fM|fM造成干擾寄生通道干擾最強(qiáng)的寄生通道干擾中頻干擾（p=0,q=1,fM=fI）鏡像干擾（p=1,q=1,fK=fc+2fI）p、q越小，干擾越強(qiáng)fMfI|0 fL1 fM| fI混頻器（非理想相乘）中放檢波（頻譜向下搬移fI）fCfLf IfL fcfIFF干擾fM|p fLq fM|fIfM造成干擾中頻干擾（p=0,q=1）中頻干擾鏡像干擾fMfL fI fK|1 fL1 fK| fIfLfCfKfIfI混頻器（非理想相乘）中放檢波（頻譜向下搬移fI）fCfLf IfL fcfIFF干擾fM|p

15、 fLq fM|fIfM造成干擾鏡像干擾減小寄生通道干擾的措施混頻前加強(qiáng)濾波（或陷波）減少組合頻率干擾（參考4.2）對(duì)鏡像干擾，可采取二次混頻減小干擾第一次混頻采用較高的中頻，使鏡像干擾遠(yuǎn)離接收的信號(hào)，便于濾除圖 4-3-10二次混頻接收機(jī)組成方框圖干擾fMfM造成干擾fL |r fCs fM|fI|r fCs fM|fC混頻器（非理想相乘）中放檢波（頻譜向下搬移fI）fCfLf IfL fcfIFF收聽到有用臺(tái)信號(hào)的同時(shí)可聽到干擾臺(tái)的聲音，但有用臺(tái)停播時(shí)，干擾臺(tái)聲音隨之消失現(xiàn)象：交調(diào)失真交調(diào)失真：混頻器除了對(duì)一些特定頻率的干擾形成寄生通道干擾外，任意頻率的干擾信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生交調(diào)失真混頻器（非理

16、想相乘）中放檢波（頻譜向下搬移fI）fCfLf IfL fSfIFF現(xiàn)象：干擾fM1fM2fL |r fM1s fM2|fI| r fM1s fM2 |fCfM1及fM2造成干擾互調(diào)失真收聽到有用臺(tái)信號(hào)的同時(shí)可聽到另兩個(gè)干擾臺(tái)的聲音，即使有用臺(tái)停播，干擾臺(tái)聲音也不會(huì)消失互調(diào)失真：輸入端有兩個(gè)干擾信號(hào)r、s越小，組合頻率分量的頻率有可能接近f I互調(diào)失真越大fM1 fM2 fC時(shí)，2 fM1 fM2 fC , 2 fM2 fM1 fCr s3三階互調(diào)失真混頻器（非理想相乘）中放檢波（頻譜向下搬移fI）fCfLf IfL fSfIFF干擾fM1fM2fL |r fM1s fM2|fI| r fM1

17、s fM2 |fCfM1及fM2造成干擾互調(diào)失真2提高混頻器前端電路的選擇性（混頻前加強(qiáng)濾波）3選擇適當(dāng)?shù)闹蓄l頻率,二次混頻1減少組合頻率抑制干擾（混頻失真）的措施4.4 振幅調(diào)制與解調(diào)電路一、振幅調(diào)制電路高電平調(diào)幅低電平調(diào)幅 丙類功率放大與調(diào)制合二為一 功率放大之前進(jìn)行調(diào)幅效率高、但調(diào)制線性差調(diào)制線性好，但（發(fā)射機(jī)）效率低Vcm欠壓過壓臨界VBBvb(t)VCC0vW(t)VCC= VCC0 + vW(t)VCC集電極調(diào)幅電路必須工作在過壓狀態(tài)wt高電平調(diào)幅電路: 集電集調(diào)幅原理電路P92Vcm過壓欠壓臨界VBB0vb(t)VCCvW(t)VBB= VBB0 + vW(t)VBB基極調(diào)幅電路

18、必須工作在欠壓狀態(tài)wt高電平調(diào)幅電路 基極調(diào)幅原理電路P92濾波匹配電路高頻扼流圈集電極調(diào)幅電路基極調(diào)幅電路采用集成模擬乘法器或雙差分平衡調(diào)制器采用二極管平衡電路低電平調(diào)制電路低電平調(diào)制電路:一般用于雙邊帶和單邊帶調(diào)制電路單邊帶發(fā)射機(jī)（濾波法實(shí)現(xiàn)）相對(duì)頻率間隔越大，濾波越容易頻譜搬移過程同步檢波電路1包絡(luò)檢波電路2一、振幅解調(diào)電路（振幅檢波）振幅調(diào)制波的解調(diào)電路復(fù)習(xí)同步檢波電路1無用的寄生分量4.4.2 二極管包絡(luò)檢波電路僅適合于包含載波的調(diào)幅方式：普通調(diào)幅殘留邊帶調(diào)幅大信號(hào)檢波：vS足夠大二極管輪流工作在導(dǎo)通和截止區(qū)緩慢放電快速充電RLC越大，濾波效果越好RLC構(gòu)成低通濾波器為了提高效率，要求輸入電阻能量守恒二極管包絡(luò)檢波電路中的失真惰性失真（對(duì)角切削失真）負(fù)峰切割失真（底部切割失真）RLC太大，電容放電速度跟不上包絡(luò)下降的速度快速充電緩慢放電惰性失真（對(duì)角切削失真）(a)(b)圖 4-4-9惰性