高頻電子技術-朱小祥課件第5章 振幅調制、解調及混頻

知識目標

通過本章學習，掌握振幅調制（即調幅）、檢波和混頻的頻譜搬移原理，三種振幅調制（AM、DSB、SSB）的表達式和波形及頻譜特點以及產生AM、DSB和SSB的方法應用場合；了解殘留邊帶調幅原理；掌握二極管環(huán)路相乘器和雙差分對集成模擬相乘器的工作原理及在振幅調制、振幅解調和混頻電路中的應用；了解高電平調幅電路原理，掌握二極管包絡檢波器工作原理和性能分析；了解三極管混頻器工作原理及混頻干擾。

能力目標

能力目標知識要點相關知識權重自測分數(shù)掌握調幅、檢波及混頻的工作原理及特點頻譜搬移原理調幅、檢波及混頻頻譜特點20%掌握AM、DSB、SSB振幅調制三種振幅調制表達式和波形及頻譜特點產生AM、DSB和SSB的方法應用場合20%掌握振幅調制電路工作原理低電平調幅電路和高電平調幅電路低電平調幅電路和高電平調幅電路應用20%掌握調幅信號的解調工作原理二極管大信號包絡檢波和同步檢波二極管大信號包絡檢波和同步檢波性能分析及應用20%掌握混頻原理及混頻干擾混頻工作原理及電路、混頻性能指標混頻電路應用及混頻干擾20%圖5-1超外差調幅收音機

5.1

概述無線電通信的基本任務是通過無線電波遠距離傳送各種信息，而在傳送過程中這些信息必須用到調制與解調。調制是將要傳送的信息加載到某一高頻振蕩信號（載頻）上的過程，解調是調制的逆過程，即從高頻振蕩信號中恢復原來的傳送信息。從頻域分析的角度看，調制與解調都是頻譜搬移的過程。頻譜搬移是指將輸入信號進行頻譜變換，以獲得具有所需頻譜的輸出信號。振幅調制與解調、頻率調制與解調、相位調制與解調、混頻等電路，都屬于頻譜搬移電路。如果頻率變換前后，信號的頻譜結構不變，只是將信號頻譜無失真在頻率軸上搬移，則稱之為線性頻率變換，具有這種特性的電路稱之為線性頻譜搬移電路，本章討論的振幅調制與解調、混頻等電路就屬于這一類。如果頻譜搬移過程中，輸入信號的頻譜不僅在頻域上搬移，而且頻譜結構也發(fā)生變化，則這類電路稱為非線性頻譜搬移電路，頻率調制與解調、相位調制與解調就屬于這一類。

(a)調幅

(b)檢波

(c)混頻圖5-2調幅、檢波、混頻的組成原理及頻譜結構示意圖

5.2

振幅調制原理及特性幅度調制常用于長波、中波、短波和超短波的無線電廣播、通信、電視、雷達等系統(tǒng)。這種調制方式就是將要傳送的信號（調制信號）裝載在高頻載波信號的幅度上，使載波信號的幅度隨調制信號大小線性變化，而保持載波的頻率不變。幅度調制信號按其輸出已調波信號頻譜結構不同可分為標準調幅信號（AM），抑制載波的雙邊帶調幅信號（DSB）,抑制載波的單邊帶調幅信號（SSB）以及殘留邊帶調幅信號（VSB）。

5.2.1

標準振幅調制信號分析（AM）1．標準調幅信號的數(shù)學表達式設調制信號為單頻信號

設載波信號為

幅度調制是用調制信號控制載波的振幅，使載波的振幅隨調制信號的規(guī)律變化，因此調制后形成的已調波振幅可以表示為

(Kd為比例系數(shù))

ma表示載波電壓振幅受調制信號控制的程度，稱為調幅系數(shù)，一般0＜ma≤1。因此，標準調幅信號可以表示為

可以看出，普通調幅信號的電路模型可以由一個乘法器和一個加法器組成。

2．標準調幅信號的波形與頻譜1）標準調幅信號的波形圖5-3

AM調幅信號的波形與頻譜

普通調幅波在一個信號周期內的最大振幅為，最小振幅為，按最大振幅和最小振幅表達式可推導出上式表明，ma≤1，且ma越大，調幅波的外包絡線凹陷越深，即調制越深。如果ma>1，則調幅波的外包絡線形狀與調制信號不同，產生過調失真。ma>1時，波形如圖5-4所示。在實際應用中，要求ma≤1。

圖5-4ma>1時AM調幅信號波形圖

2）標準調幅信號的頻譜及帶寬將AM調幅波信號的數(shù)學表達式按三角函數(shù)公式展開得

圖5-5復雜調制信號的頻譜分布圖

3）標準調幅信號的功率關系載波功率

邊頻功率

調制信號在一個周期內的平均功率

5.2.2雙邊帶調幅信號（DSB）普通調幅波的功率分配中，不包含有用信息的載波功率占了2/3，這部分功率白白浪費了。如果在向外發(fā)射無線電波時將載波成分抑制掉，僅保留包含有用信息的上下邊帶，就可以大大提高發(fā)射機功率有效性。這種僅傳送上下邊頻的調制方式稱為抑制載波的雙邊帶調幅，簡稱DSB調制。

雙邊帶調幅信號數(shù)學表達式為

展開為

上式中K為常數(shù),可以看出雙邊帶調制實質為一乘法器。

圖5-6

DSB調幅信號的波形圖和頻譜圖圖中可以看出，雙邊帶調制信號的頻譜寬度為

5.2.3單邊帶調幅信號（SSB）DSB調制雖然抑制了載波分量，發(fā)射效率比AM調制有所改善，但其傳輸帶寬仍然是調制信號的兩倍。從頻譜結構上看，DSB上下邊帶的頻譜分量是對稱的，包含有相同的信息。因此，為節(jié)省帶寬，也可以只傳輸其中一個邊帶就可以保證信息的完整傳輸。這種抑制掉其中一個邊帶，只發(fā)射另一個邊帶（上邊帶或下邊帶）的調制方式稱為單邊帶調幅，簡稱SSB調幅。

取上邊帶時

取下邊帶時

圖5-7SSB調幅信號的波形圖和頻譜圖譜圖從頻譜圖可以看出

可見，SSB調幅信號的帶寬為AM、DSB調幅信號的一半。

5.2.4AM殘留邊帶調幅（VSB）單邊帶調幅方式有其優(yōu)點，但也存在接收機解調電路復雜、調諧困難等缺點。在某些應用中，既希望壓縮頻帶，又希望接收設備相對簡單，常采用殘留邊帶調幅（VSB）。所謂殘留邊帶調幅是指發(fā)送端發(fā)送一個完整的邊帶、載波信號和另一個部分被抑制的邊信號(即殘留一小部分)，其頻譜結構就好象是將雙邊帶信號頻譜在載波分量附近斜切一刀而得。上邊帶被切除的部分，恰好由下邊帶剩余部分所補償。（a）廣播電視發(fā)射系統(tǒng)濾波器特征（b）電視接收系統(tǒng)濾波器特征圖5-8廣播電視系統(tǒng)殘留邊帶調幅濾波器特征示意圖

5.3

振幅調制電路(a)普通調幅（b）雙邊帶調幅（c）單邊帶調幅圖5-9實現(xiàn)調幅的原理框圖

按幅度調制電路輸出功率，一般分為低電平調幅電路和高電平調幅電路。低電平調幅電路一般置于發(fā)射機的前級進行調幅，再由線性功率放大器放大已調幅信號，得到所要求功率的調幅波。這種調幅方式可以實現(xiàn)普通調幅、雙邊帶調幅和單邊帶調幅，其優(yōu)點是調制線性度和載波抑制度比較好。

5.3.1

低電平調幅電路1.簡單的二極管調幅電路

1）平方律調幅二極管的伏安特性的冪級數(shù)表達式為

二極管調幅電路如圖5-10所示，如果忽略輸出電壓對二極管的反作用，有

圖5-10二極管調幅電路

2）開關式調幅二極管在大信號作用下，依靠其導通和截止也可實現(xiàn)頻率變換。采用這種方式時載波電壓較大（數(shù)百毫伏），調制電壓較?。〝?shù)十毫伏），二極管處于開關狀態(tài)且其通斷由載波電壓決定，因此稱為二極管的開關式調幅。圖5-11為兩個二極管組成的平衡開關調幅電路，圖5-12為平衡調制器輸出的電壓波形，常用在抑制載波的雙邊帶調幅中。

圖5-11平衡開關調幅電路

圖5-12平衡調制器輸出DSB電壓波形

2.環(huán)形調制器調幅電路在平衡開關調幅電路的基礎上增加兩個二極管，并使4個二極管首尾相連成為環(huán)形連接，這就構成了環(huán)形調制器，如圖5-13所示。環(huán)形調制器在載波的正負半周可分別分解為兩個平衡開關調幅電路，因此，其輸出振幅比兩個二極管組成的平衡開關電路提高了一倍。

圖5-13環(huán)形調制器電路

3.模擬乘法器調幅電路

圖5-13模擬乘法器電路符號

如果將載波信號和調制信號送乘法器相乘，則乘法器的輸出電壓為

上式表面乘法器的輸出為抑制了載波的雙邊帶調幅信號。如果需要單邊帶調幅信號，則可以在乘法器后接相應的濾波器，濾除不需要的邊帶即可。

在上述乘法器電路中，如果在調制信號上疊加一個直流分量則可以得到普通調幅信號，即調制信號變?yōu)?，則乘法器的輸出電壓信號為

上式可以看出，調節(jié)直流電壓的大小，可以改變調幅度ma。

集成乘法器MC1596為例,說明乘法器組成AM調制和DSB調制電路的原理。

圖5-15MC1596實現(xiàn)普通調幅電路圖

4．產生單邊帶信號的方法1）濾波法DSB信號經過帶通濾波器后，濾除一個邊帶，就得到了SSB信號，實現(xiàn)原理如圖5-16所示。圖5-16濾波法產生單邊帶信號

2）相移法利用移相的方法消去不需要的邊帶，從而產生單邊帶信號的方法稱為相移法。實現(xiàn)的原理框圖如圖5-17所示。圖中兩個平衡調幅器的調制信號和載波電壓都是互相移相90°，調制輸出如果只取有用邊帶的乘積項（忽略諧波），則

則合并網絡的輸出電壓

圖5-17相移法產生單邊帶信號

5.3.2

高電平調幅電路1．集電極調幅電路當丙類諧振功放工作在過壓狀態(tài)時，集電極電流的基波分量的振幅Icm1與集電極偏置電壓成線性關系。集電極調幅是利用三極管的非線性特性，將調制信號u（t）經低頻變壓器加在丙類諧振功放的集電極，與直流電壓Vcc疊加后構成晶體管的集電極電源Vcc（t），即集電極等效電源隨著調制信號的規(guī)律變化，經LC選頻回路的作用，輸出電壓的振幅也隨調制信號的規(guī)律變化，從而實現(xiàn)調幅。其電路形式與調制特性曲線如圖5-18所示。

Vcc（t）=

Vcc+u（t）

圖5-18集電極調幅電路及其波形曲線

圖中集電極調幅電路與諧振功率放大器的區(qū)別是集電極調幅電路的等效集電極電源電壓Vcc（t）隨調制信號變化。2．基極調幅電路圖5-19基極調幅電路及其波形曲線

5.4

調幅信號的解調5.4.1

調幅波解調的方法振幅解調是從已調制的高頻振蕩信號中恢復出原來的調制信號，是振幅調制的逆過程。它的作用，這個過程也稱為檢波。從頻譜上看，檢波就是將幅度調制波中的邊帶信號不失真地從載波頻率附近搬移到零頻率附近，因此檢波器也屬于頻譜搬移電路，必須有非線性器件來完成。檢波器的工作原理及組成如圖5-2（b）所示。在解調抑制載波的雙邊帶調幅波和單邊帶調幅波信號時需要另加載波信號，采用如圖5-20的乘法器來實現(xiàn)。圖5-20載波被抑制的調幅波解調原理

檢波器的種類很多，根據(jù)所用器件、輸入信號大小或工作特點，其分類如圖5-21所示。

圖5-21檢波器的分類

5.4.2

二極管大信號包絡檢波器1．工作原理圖5-22為串聯(lián)型二極管包絡檢波電路，RC作為檢波器的負載，在其兩端輸出解調后的調制信號。RC同時還具有低通濾波器的作用，因此其參數(shù)必須滿足：

圖5-22串聯(lián)型二極管包絡檢波電路

圖5-23二極管檢波器的波形圖

大信號包絡檢波主要是利用二極管的單向導電性和檢波負載RC的充放電過程來實現(xiàn)。

2．包絡檢波器的質量指標1）檢波效率檢波效率又叫傳輸系數(shù)，當輸入信號的高頻調幅波振幅為，檢波輸出的低頻電壓振幅為時

實際電路中在80％左右。當R足夠大時，≈1，即輸出電壓與調幅波的包絡基本一致。

2）輸入電阻3）失真（1）惰性失真

圖5-24惰性失真波形惰性失真是檢波器的RC取值過大，使二極管在截止期間C的放電速度太慢，以致跟不上調幅波包絡的下降速度，出現(xiàn)如圖5-24所示的失真現(xiàn)象。

要克服這種失真，必須適當減小RC的數(shù)值，使電容器的放電速度加快。一般RC的選取應滿足下述條件：（2）負峰切割失真

圖5-25負峰切割失真

為避免產生負峰切割失真，與滿足下面關系：

其中5.4.3

同步檢波同步檢波常由模擬乘法器和低通濾波器組成，其電路原理模型如圖5-26所示。

圖5-26同步檢波的兩種電路原理模型

1.同步檢波原理

設調幅信號為普通調幅波，即

參考信號為

調幅波信號與參考信號在模擬乘法器中相乘，則乘法器的輸出電壓為

只保留了上式中的第二項，即

檢波器的檢波效率為

2．同步檢波電路圖5-27同步檢波電路

5.5

混頻器原理及電路混頻是將兩個不同頻率的信號加到非線性器件進行頻率變換，然后用選頻回路取出其和頻或差頻分量?；祛l器原理示意圖如圖5-28所示。在混頻器輸入的信號中，一個為包含有用信息且需要進行頻譜搬移的高頻信號Us，另外一個為不帶任何信息的等幅正弦波UL（稱為本振信號），而通過選頻網絡取出的和頻或差頻稱為中頻信號。電路中，如果本地振蕩器與進行混頻的非線性器件為同一單元電路，則稱為變頻器。

圖5-28混頻器原理示意圖

（a）調制信號（b）本振信號（c）中頻信號圖5-29混頻器信號波形及頻譜結構圖5.5.1

混頻器原理為分析方便，設混頻器的高頻輸入信號為等幅波=，本振信號為=，兩信號疊加后同時作用于非線性器件上，則疊加信號為

非線性器件的伏安特性可以用冪級數(shù)表達式為

代入后按三角函數(shù)展開，輸出電流中包含無限多過頻率分量的組合，其中有兩個頻率分量(fL±fC)正是我們所需要的，(fL+fC)稱為高中頻，(fL-fC)稱為低中頻。這兩個頻率分量的形成是由兩個信號的乘積項產生的，因此，凡能實現(xiàn)兩個電壓相乘的非線性器件或電路，都可以作為混頻使用。

5.5.2

混頻器主要性能指標1．混頻增益為提高接收機的接收靈敏度，希望混頻增益越高越好。

2．選擇性混頻器的輸出信號中包含有很多頻率分量，但其中只有一個頻率分量是有用的，即所要求的中頻分量。因此，要求選頻網絡的選擇性好，對有用分量的衰減小，對無用頻率分量的抑制度高。

3．失真與干擾如果混頻器輸出中頻的頻譜結構與高頻輸入信號的頻譜結構發(fā)生了除頻譜線性搬移以外的變化，則表示產生了失真。干擾是頻譜失真的主要原因，干擾主要分為組合頻率干擾和組合副波道干擾。

5.5.3

混頻電路應用常用的混頻器有二極管混頻器、三極管混頻器、模擬相乘器等，根據(jù)所加信號的處理方式可分為疊加型混頻器和乘積型混頻器兩大類，其電路原理模型如圖5-30所示。典型的乘積型混頻器是模擬乘法器，疊加型混頻器有二極管混頻器、三極管混頻器等。圖5-30混頻器電路原理模型1．模擬乘法器混頻器圖5-31混頻器電路原理模型

設輸入已調波為=，本地振蕩信號為=,則乘法器輸出信號為

經過帶通濾波器后，如果只保留下邊帶，則濾波器輸出電壓為

式中

從上式可以看出，混頻輸出的中頻信號包絡與輸入的已調波信號包絡變化規(guī)律相同，只是頻譜的中心頻率從搬移到（），并且有一定的電壓增益?；祛l電壓增益為

圖5-32MC1596組成的乘積型混頻器電路

2．二極管平衡混頻器二極管平衡混頻器電路簡單、組合頻率分量少，常用在高質量通訊以及工作頻率較高的設備中，其原理電路如圖5-33所示。圖5-33二極管平衡混頻器

3．三極管混頻器三極管混頻器因為其電路簡單、混頻增益高、要求的本振信號幅度和高頻輸入信號幅度小，廣泛應用于中、短波接收機以及一些測量儀器中。按三極管電路組態(tài)、本振注入點以及高頻信號的輸入點的不同，有如圖5-34的四種基本形式。

圖5-34三級管混頻器的基本形式

圖5-35電視接收機高頻調諧器中的三級管混頻電路

5.5.4

混頻器的干擾由于混頻器是依靠非線性元件來實現(xiàn)頻率變換的，因此凡是進入混頻器的信號直接都可以產生各種組合頻率。除高頻信號與本振信號，還包括干擾信號與本振之間、高頻信號與干擾信號之間、干擾信號與干擾信號之間都可能組合成新的頻率分量，這些組合頻率分量如果等于或接近中頻頻率，將會和有用的中頻分量一起進入中頻放大器，經解調后在輸出端形成干擾，從而影響到正常信號的接收。

1．組合頻率干擾組合頻率干擾是指高頻信號fs和本振信號fL產生的不同組合頻率形成的干擾。fs和fL在經過非線性器件時組合出的頻率分量fk可以表示為：

上式中p、q是任意正整數(shù)，這些頻率分量中，只有p=q=1對應的頻率分量才是所需要的中頻信號，其余為無用的分量。只要某些頻率分量落在混頻級后的帶通濾波器頻帶內，即形成干擾。按fk表達式可以推導出，高頻信號頻率fs與要求的中頻fI間滿足下面表達式時，就有可能產生干擾。

2．副波道干擾如果混頻器之前電路的選擇性不好，進入混頻器的信號除了有用的主波道頻率外，還包括其他干擾信號，這些干擾信號與本振同樣也會形成接近中頻的組合頻率干擾，這種干擾稱為副波道干擾。當干擾信號頻率fN滿足下面表達式時即產生副波道干擾。副波道干擾中最嚴重的干擾有中頻頻率和鏡像頻率所形成的干擾。

1）中頻干擾當上面表達式中的p=0，q=1時fN≈f

I,即干擾信號等于或接近中頻，這種干擾稱為中頻干擾。由于混頻器的輸出回路調諧于中頻，對中頻干擾無異于起到