振幅调制解调与混频电路

第5章振幅调制、解调与混频电路,振幅调制：用待传输的低频信号去控制高频载波信号的幅值。,振幅解调：从高频调幅信号中还原出原调制信号。,混频：将已调信号的载频变成另一载频。,振幅调制、解调和混频电路都是频谱搬移电路，即为将输入信号频谱沿频率轴进行不失真搬移的电路，通常利用相乘器实现。,引言,主要要求：,掌握普通调幅波、双边带调幅波和单边带调幅波的概念、表达式、波形特点、频谱图和带宽的计算。,理解相乘器在频率变换电路中的作用。,掌握调幅、检波、混频电路的组成模型和基本原理。,5.1相乘器与频谱搬移电路,5.1.1相乘器及其频率变换作用,相乘器是一种完成两个模拟信号相乘的电路或器件。,AM为增益系数，1/V,设,出现两个新的频率分量，分别是和频和差频。,说明相乘器是非线性器件，具有频率变换作用。,则,5.1.2振幅调制基本原理,一、普通调幅信号,uo(t),为输出载波电压振幅,为相乘器和载波电压振幅决定的比例常数,载波信号,ma称为调幅系数或调幅度，它表示输出载波振幅受调制信号控制的程度。ma越大，调幅波幅度的变化越大。,1.单频调制,调制信号,振幅在载波振幅上、下按调制信号的规律变化的高频信号称为普通调幅波，用AM表示。,将调幅波振幅的变化规律，即称为调幅波的包络。,最大振幅,最小振幅,调幅波的包络,ma=1时，最小振幅为0,ma1时，调幅波产生过调失真。,故要求ma1。,载波,上边频分量,载波中不含任何有用信息，要传送的信息只包含于两个边频中。,BW=2F,下边频分量,2.复杂信号调制,调制信号,调幅信号,调制信号,调制后对每一个频率分量都产生一对边频，形成上、下边带。,上边带,下边带,上边带和下边带频谱分量的相对大小及间距均与调制信号的频谱相同，仅下边带频谱倒置而已。可见调幅的作用是将调制信号频谱不失真地搬移到载频两侧。,复杂信号调制时调幅波频谱,BW=2Fn,3.调幅波的功率,载波分量功率,边频分量功率：,调幅波在调制信号一个周期内的平均功率：,单频调制时AM调幅波的功率：,当调幅波处于包络峰值时，高频输出功率最大，称为调幅波最大功率，也称峰值包络功率。即,当ma=1时，边频功率最大，但仅为PAV/3。实际使用中，ma在0.11之间，平均值为0.3。可见普通调幅波中边频分量所占功率非常小，而不携带信息的载波占去很大比例。,二、双边带调幅信号,抑制载波、只发送含有信息的上、下边带的调幅信号称为双边带调幅信号，用DSB表示。,则,若,包络正比于u(t)不再反应原调制信号的形状。,调制信号每次过零值时，DSB信号波形均发生180o的相位突变。,调制信号的频谱被不失真地搬移到载频的两边。同时抑制了载波。,BW=2F,三、单边带调幅信号,DSB组成模型,SSB组成模型,通过带通滤波器滤除DSB信号中的一个边带，就可以获得SSB信号。,或,1.滤波法,由于双边带调幅信号上、下边带都含有调制信号的全部信息，为节省发射功率，减小频谱宽度只发射一个边带，这种只传输一个边带的调幅方式称为单边带调幅，用SSB表示。,滤除法的关键是带通滤波器,2.移相法,故,移相法的关键是移相器，要求精确移相90且幅频特性为常数。,试分别画出下列电压表示式对应的波形和频谱图，并说明它们各为何种信号。（令c为的整数倍）,(1),解:普通调幅信号，ma=1，波形与频谱如下图所示：,试分别画出下列电压表示式的波形和频谱图，并说明它们各为何种信号。（令c为的整数倍）,(2),解:抑制载频双边带调幅信号，波形与频谱如下图所示：,试分别画出下列电压表示式的波形和频谱图，并说明它们各为何种信号。（令c为的整数倍）,(3),解:单频调制的单边带调幅信号，波形与频谱如下图所示：,试分别画出下列电压表示式的波形和频谱图，并说明它们各为何种信号。（令c为的整数倍）,(4),解:低频信号与高频信号相叠加，波形与频谱如下图所示：,5.1.3振幅解调基本原理,调幅信号,同步信号，要求与被解调调幅信号载频严格同频同相。,滤除无用的高频分量，取出低频解调信号,搬至频谱2c,搬至频谱零频率,c为中心,例5.1.1同步检波电路中输入信号us(t)是双边带调幅信号，已知us(t)=Usmcos(t)cos(ct)，低通滤波器具有理想特性，写出输出电压表示式。,解：,解调输出电压,高频分量，被低通滤除。,同步检波电路对于DSB、SSB和AM调幅信号都可进行解调。但AM调幅信号的解调通常采用包络检波电路更简便。,5.1.4混频基本原理,混频电路又称变频电路，其作用是将已调信号的载频变换成另一载频。变化后新载频已调波的调制类型和调制参数均保持不变。,载频为fc的普通调幅波,频率为fL的本振信号,载频为中频fI的调幅波,或,fIfc的称为上混频，fI1、p为任意值时的所有频率分量。,三、开关工作状态,1.工作条件：u1为足够大信号，使器件工作于开关状态；u2为足够小信号。,2.二极管开关工作状态的分析,原理电路,开关等效电路模型,大信号,小信号,是受u1控制的单向开关函数,单向开关函数表达式为,其傅里叶级数展开式为：,开关函数波形,可见：,输出电流中只含有：直流、2、1及其偶次谐波、1及其奇次谐波与2的组合频率分量。,不存在1的奇次谐波以及1偶次谐波与2的组合频率分量。,5.2.2二极管双平衡相乘器,u1=U1mcos(1t)为大信号,u2=U2mcos(2t)为小信号,u1正半周V1、V2导通,u1负半周V3、V4导通,一、电路组成及工作原理,为便于分析，暂时不考虑负载的反作用，则,流过负载的总的输出电流为,实际应考虑负载的反作用，则要用代替,四管特性相同，N1=N2,两个单向开关函数合成一个双向开关函数：,于是得到总的输出电流：,输出电流中只含有p12（p为奇数）的组合频率分量。若1较高，则(312)及以上的组合频率分量很容易被滤除。因此二极管双平衡相乘器具有接近理想特性的相乘功能。,二极管环形相乘器,四个二极管组成一个环路，且二极管极性沿环路一致，故又称为环型相乘器。,若二极管特性一致，变压器中心抽头上下完全对称，则各端口间良好隔离。信号分别从其中两个端口输入，则另一端口为相乘器输出端。,二、二极管环形混频器组件,混频器通常利用二极管环形相乘器原理组成，故又将二极管环形相乘器称为二极管混频器。已形成环形混频器组件系列。工作频率几十kHz几千MHz。,二极管混频器优点：电路简单、噪声低、动态范围大、组合频率分量少、工作频带宽。,二极管混频器缺点：无增益；各端口间隔离度较差，并随工作频率的提高而下降。,外形,内部电路,环形混频器组件采用精密配对的肖特基表面势垒二极管或砷化镓器件和传输线变压器构成。,L：本振,R:输入,I：中频输出,使用方法：从任两个端口输入，从第三端口获得输出。各端口的匹配阻抗均为50，要求接入滤波匹配网络。,5.2.3双差分对模拟相乘器,一、双差分对模拟相乘器基本工作原理,静态分析,u1=u2=0时：IC5=IC6=I0/2IC1=IC2=IC3=IC4=I0/4I13=IC1+IC3=I0/2I24=IC2+IC4=I0/2,交流分析,可证明,相乘器的输出差值电流i为,当uUT（26mV）时，双差分对模拟相乘器工作在小信号状态。u2UT0.5，根据双曲正切函数特性有：,因此,说明：双差分对模拟相乘器当u1、u2均为小信号，即输入信号幅度均小于26mV时，能实现理想的相乘功能。,输出差值电流表示为,为任意值时，相乘器工作于线性时变状态,U1m260mV时，双曲正切函数趋于周期性方波。故可用双向开关函数S2（1t）近似表示之。,上述均要求u2必须为小信号，这使双差分对模拟相乘器的应用范围受到限制。实际应用电路中常采用负反馈技术来扩展u2的动态范围。,二、MC1496集成模拟相乘器,组成多路电流源，外接R5调节I0/2的大小。,利用RY负反馈作用扩大输入电压u2的动态范围,外接负载电阻。,扩大u2的动态范围的电路和工作原理,扩展后u2的动态范围为,可得MC1496相乘器的输出差值电流为,三、MC1596集成模拟相乘器,外接负载电阻,扩大输入电压uY的动态范围。,扩大输入电压uX的动态范围。,设定静态电流,设定1端电位，以保证各管放大工作,MC1596输出电压表示为：,相乘器的增益系数，典型值为0.1V,uX、uY的动态范围必须满足下面关系：,作业：,5.3振幅调制电路,主要要求：,了解对调幅电路的主要要求。,了解高电平和低电平调幅电路的特点。,了解典型高电平和低电平调幅电路及其工作原理。,对调幅电路的主要要求：失真小、调制线性范围大、调制效率高。,调制在发送设备的低电平级实现，然后经线性功率放大器放大（工作于欠压区）。对三种调制方式都适用。,调制与功放合一，在发送设备末级实现。适用普通调幅。整机效率高。,5.3.1低电平振幅调制电路,主要电路：二极管环形调幅电路双差分对模拟相乘器调幅电路,主要要求：调制线性度好、载漏小。,主要用途：实现DSB和SSB。,一、概述,载漏：边带分量/泄漏载波分量（dB）。值越大则载漏越小。,二、双差分对模拟相乘器调幅电路,调节载波调零电位器，可使载漏最小。,电路组成,扩展u的线性动态范围。,1mA,MC1496直流电位的一般要求：,当Ucm260mV时,工作在开关状态,只含有pc（p为奇数）的频率分量，易用带通滤波器取出。,工作原理,注意：DSB调制时要将载漏调至最小。,方法：不接u，只接uc，调RP使输出信号最小。,工作原理,5.3.2高电平振幅调制电路,主要要求：兼顾输出功率大、效率高、调制线性度好。,用途：普通调幅。,主要电路：利用丙类谐振功放实现。,工作于欠压区，效率较低，适用于小功率发射机。,工作于过压区，效率高，适用于大功率发射机。,谐振回路调谐在载频fc上。,基极调幅电路,基极偏置电压随调制信号而改变。,集电极脉冲电流也随调制信号的大小而改变。,通过谐振回路调谐在载频fc上，在输出端获得不失真调幅信号。,被调放大器在调制信号变化范围内应始终工作于欠压状态，因此基极调幅效率较低,基极调幅工作原理,5.4振幅检波电路,主要要求：,掌握振幅解调的基本原理。,理解二极管包络检波器的典型电路、工作原理，了解其参数的选择方法，了解避免惰性失真、负峰切割失真的方法。,了解同步检波电路的组成模型与基本原理。,从高频调幅信号中取出原调制信号的过程称为振幅解调，或振幅检波，简称检波。,主要要求：检波效率高、失真小、输入电阻较高。,适用普通调幅波的检波。,检波输出电压直接反映高频调幅信号的包络变化规律。,适用三种调幅波的检波，但通常用于解调DSB、SSB。,检波电路概述,类型及其应用：,5.4.1二极管包络检波电路,一、工作原理,当满足Usm0.5V，RC1/wc,RrD时，可认为UoUsm。,要求输入信号的幅度在0.5V以上，为大信号检波器。,Uo逐渐增大,Io逐渐减小,达到动态平衡，Uo稳定。,5.4.1二极管包络检波电路,一、工作原理,Uo随调幅波的包络线而变化，获得调制信号完成检波。,输入信号Us是调幅信号。,Uo的大小与输入电压的峰值接近相等，故又称之包络峰值检波器。,二、检波效率与输入电阻,1.检波效率hd,设,hd小于而近似等于1，实际电路中约80%。,则,2.输入电阻Ri,根据输入检波电路的高频功率近似等于检波负载获得功率，可得,三、惰性失真和负峰切割失真,1.惰性失真,原因：RC过大，放电过慢，使C上电压不能跟随输入调幅波幅度下降。,措施：减小RC，使满足,现象,ma越大，调制信号角频率越大，越容易产生惰性失真。,多频调制时，使满足,2.负峰切割失真,原因：检波电路的交流负载电阻和直流负载电阻相差太大。,现象：,输出通常通过隔直耦合电容送至下级负载。,措施：应满足,多频调制时，满足,5.4.2同步检波电路,需加入与载波同频同相的同步信号,一、乘积型同步检波电路,ur(t)是同步信号，通常足够大，使相乘器工作在开关状态,us(t)是调幅信号，小信号。,R6、C5、C6组成型低通滤波器。,MC1496构成的乘积型同步检波电路,单电源供电,二、叠加型同步检波电路,1.输入为DSB信号,则,当,合成不失真的普通调幅波,则,2.输入为SSB信号,则,式中,当UrmUsm,则,当UrmUsm,则,j0,当UrmUsm,则,j0,可见：两个不同频率的高频信号叠加后的合成电压，是调幅调相波。当两者幅度相差较大时，合成电压近似为AM波。,合成电压振幅按两个输入信号的频差规律变化的现象称为差拍现象。,为进一步减少谐波频率分量，可采用平衡同步检波电路。,注意:同步检波器均要求同步信号与发送端载波信号严格保持同频同相,否则会引起解调失真。,获取同步信号的方法,对DSB：,取出角频率为2wc的频率分量，经二分频得角频率为wc的同步信号。,注意:同步检波器均要求同步信号与发送端载波信号严格保持同频同相,否则会引起解调失真。,获取同步信号的方法,对SSB：,在发送SSB信号的同时，发送一个功率远低于边带信号功率的载波信号，称为导频信号；或发送端和接收端均采用频率稳定度很高的振荡器或频率合成器。,作业：,5.5混频电路,主要要求：,掌握混频电路的作用和组成模型,了解常用混频电路的工作原理,了解混频干扰现象及其产生原因、抑制干扰措施。,5.5.1混频电路概述,作用：变频,组成：利用相乘器和带通滤波器构成。高质量通信设备中广泛采用二极管环形混频器和双差分对模拟乘法器；在一般接收设备中，采用简单的三极管混频电路。,要求：混频增益高、失真小，抑制干扰信号的能力强。,混频增益：指中频电压UI与输入高频电压US之比值。,用分贝表示：,对于二极管环形混频器用混频损耗来表示：,5.5.2二极管环形混频器和双差分对混频器,工作频带宽，可达几GHz，噪声系数低、混频失真小、动态范围大。但无混频增益，且要求本振信号大。,混频增益大，输出频谱纯净，混频干扰小，对本振电压的大小无严格要求，端口间隔离度高。但噪声系数大。,二极管环形混频器,要求本振信号功率足够大，而输入信号为小信号。,实际应用时，输入输出端口均接滤波50匹配网络。,输入信号源、小信号。,本振信号源、功率足够大。,二极管工作于开关状态。,MC1496双差分对集成模拟相乘器构成的混频电路,输入信号,本振信号输入。,形滤波器输出混频后的中频电压。,平衡调节,作业：,5.5.3晶体管混频电路,一、晶体管混频电路,输入信号,本振信号,输出回路调谐在fI,uBE=VBB+us+uL,us为小信号，uL为大信号，使工作于线性时变状态。,fI=fLfc,或fI=fL+fc,中波调幅收音机变频电路,输入回路从天线接收到的无线电波中选出所需频率的信号，经L1、L2的互感耦合加到三极管基极。,本振回路,输出中频电路，选出混频后的中频信号465kHz,电路混频和本振都由晶体管V完成。发射极注入本振电压，基极输入信号。,中波调幅收音机变频电路,中波调幅收音机变频电路,双连电容调谐,二、双栅MOS场效应管混频电路,输入信号小信号,本振信号大信号,iD同时受uL、uS的控制，实现混频。,场效应管工作在线性时变状态,双栅MOS场效应管混频电路输出信号中的组合频率分量比晶体管的少，动态范围大、工作效率高。,5.5.4混频干扰,信号频率和本振频率的各次谐波之间、干扰信号与本振信号之间、干扰信号与信号之间以及干扰信号之间，经非线性器件相互作用会产生很多的频率分量。在接收机中，当其中某些频率等于或接近于中频时，就能够须利地通过中频放大器，经解调后，在输出级引起串音、哨叫和各种干扰，影响有用信号的正常接收。,一、输入信号与本振信号产生的组合频率干扰,P、q为任意正整数,当P=q=1时，可得中频fI=fL-fc除此以外的组合频率分量均为无用分量，当其中的某些频率分量接近于中频，并落入中频通频带范围内时，就能与有用中频信号一道须利地通过中放加到检波器，并与有用中频信号在检波器中产生差拍，形成低频干扰，使得收听者在听到有用信号的同时还听到差拍哨声。这种组合频率干扰也称为哨声干扰。,当转动接收机调谐旋钮时，哨声音调也跟随变化，这是哨声干扰区分其他干扰的标志。,例如对中波广播：,则在接收机输出端产生1kHz的哨叫声,一、输入信号与本振信号产生的组合频率干扰,p、q为任意正整数,理论上，产生干扰的哨声的信号频率有无限个，但实际上只有p、q较小时，才会产生明显的干扰哨声；又由于接收机的接收频段是有限的，所以产生干扰哨声的组合频率并不多。对于具有理想相乘特性的混频器，则不可能产生哨叫干扰，所以，实用上应尽量减小混频器的非理想相乘特性。,把有用信号与本振信号变换为中频的通道，称为主通道，而把同时存在的其余变换通道称为寄生通道。,只有对应于p、q值较小的干扰信号，才会形成较强的寄生通道干扰，其中最强寄生通道干扰为中频干扰和镜像干扰。,外来干扰与本振电压产生的组合频率干扰称为寄生通道干扰。,二、干扰与本振产生的组合频率干扰,二、干扰与本振产生的组合频率干扰,抑制中频干扰措施：提高混频器前端电路的选择性或在前级增加一个中频陷波器。,抑制镜频干扰措施：提高混频器前端电路的选择性。,三、交叉调制干扰和互相调制干扰,1.交调干扰,当接收机对有用信号频率调谐时，在输出端不仅可收听到有用信号的声音，同时还清楚地听到干扰台调制声音；若接收机对有用信号频率失谐，则干扰台的调制声也随之减弱，并随着有用信号的消失而消失，好像干扰台声音调制在有用信号的载波上，故称其为交叉调制干扰。,原因：当有用信号和干扰信号两种调幅波均加至混频器输入端时，由于混频器非线性作用，使干扰信号的包络转移到中频信号上。,交叉调制的产生与干扰台的频率无关，任何频率较强的干扰信号加到混频器的输入端，都有可能形成交叉调制干扰。,抑制交调干扰措施：,提高混频器前端电路的选择性，尽量减小干扰的幅度，是抑制交叉调制干扰的有效措施。选用合适的器件和合适的工作状态，使混频器的非线性高次方项尽可能减小。采用抗干扰能力较强的平衡混频器和模拟相乘器混频电路。,2.互调干扰,两个（或多个）干扰信号，同时加到混频器输入端，由于混频器的非线性作用，两干扰信号与本振信号相互混频，产生的组合频率分量若接近于中频，它就能须利地通过中频放大器，经检波器检波后产生干扰。把这种与两个（或多个）干扰信号有关的干扰，称为互调干扰。,例：,则,可得组合频率：,抑制互调干扰措施与抑制交调干扰的措施相同。,作业：,振幅调制是用调制信号去改变高频载波振幅的过程，而从已调信号中还原出原调制信号的过程称为振幅解调，也称振幅检波；把已调波的载频变为另一载频已调波的过程称为混频。振幅调制、解调和混频电路都属于频谱搬移电路，它们都可以用相乘器和滤波器组成的电路模型来实现。其中相乘器的作用是将输入信号频率不失真地搬移到参考信号频率两边，滤波器用来取出有用频率分量，抑制无用频率分量。调幅电路的输入信号是低频调制信号，参考信号为等幅载波信号，采用中心频率为载频的带通滤波器，输出为已调高频波；检波电路的输入信号是高频已调波，而参考信号是与已调信号的载波同频同相的等幅同步信号，采用低通滤波器，输出为低频信号；混频电路输入信号是已调波，参考信号为等幅本振信号，采用中心频率为中频的带通滤波器，输出为中频已调信号。,本章小结,振幅调制有普通调幅信号（AM）、双边带调幅信号（DSB）和单边带调幅信号（SSB）。AM信号频谱中含有载频、上边带和下边带，其中，上下边带频谱结构均反映调制信号频谱的结构（下边带频谱与调制信号频谱成倒置关系），其表示式为uo(t)=Um0+kau(t)cos(ct)，其振幅在载