第6章 振幅调制、 解调及混频

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,6.1振幅调制,一、几个基本概念1、调制：调制是指利用调制信号去控制载波的某个参数的过程。2、调制信号：是指由原始消息（如声音、数据、图象等）转变成的低频或视频信号。可以是模拟信号，也可是数字信号。通常用u或f(t)表示。3、载波信号：是指未受调制的高频振荡信号。可以是正弦信号，也可是非正弦信号。4、已调波信号：是指受调制后的高频信号，即已经把调制信号加载到载波中的信号。,5、解调：是调制的逆过程，即从已调波信号中提取原调制信号的过程。6、振幅调制：是指利用调制信号去控制载波的振幅，使载波信号的振幅按调制信号的规律变化。7、振幅调制的分类：(1)普通调幅方式（AM）：其输出的已调信号称为调幅波。(2)抑制载波的双边带调制：其输出的已调信号称为双边带信号(DSB)。(3)抑制载波的单边带调制：其输出的已调信号称为单边带信号(SSB)。,二、振幅调制信号分析（一）调幅波（AM）的分析1、调幅波的表达式及波形（1）调制信号为单一频率的余弦信号设载波电压为,调制电压为,（6-1）,（6-2）,通常载波频率与调制信号满足c。,根据振幅调制信号的定义，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）为Um(t)=UC+UC（t）=UC+kaUcost=UC(1+mcost)（6-3）式中：UC(t)与调制电压u成正比，其振幅UC=kaU与载波振幅之比称为调幅度（调制度）：,(6-4),式中，ka为比例系数，一般由调制电路确定，故又称为调制灵敏度。,调幅度：,图6-1AM调制过程中的信号波形,由此可得调幅信号的表达式：uAM(t)=UM(t)cosct=UC(1+mcost)cosct（6-5）,为了使已调波不失真，即高频振荡波的振幅能真实地反映出调制信号的变化规律，调幅度m应小于或等于1，当m1时，称为过调幅。,（2）调制信号为一连续频谱信号f(t)上面的分析是在单一正弦信号作为调制信号的情况下进行的，而一般传送的信号并非为单一频率的信号，例如是一连续频谱信号f（t），这时，可用下式来描述调幅波：,（6-6）,式中，f（t）是均值为零的归一化调制信号，即|f(t)|max=1。若将调制信号分解为：,(6-7),则调幅波表示式为：,调制信号和已调波示意图如图6-3所示。,图6-2实际调制信号的调幅波形,图6-3AM信号的产生原理图,（3）调制电路框图由(6-5)式可以看出，要完成AM调制，可以用图6-3所示的原理框图实现，其关键在于实现调制信号和载波信号的相乘。,2、调幅波的频谱由图6-1(c)可知，调幅波不是一个简单的正弦波形。在单一频率的正弦信号的调制情况下，调幅波如式（6-5）所描述。将式（6-5）用三角公式展开，可得：,(6-8),上式表明：单频调制的调幅波包含三个频率成分，即它由三个高频正弦波叠加而成。其频谱如图6-4所示。,+,图6-4单音调制时已调波的频谱（a）调制信号频谱（b）载波信号频谱（c）AM信号频谱,显然：1)频谱的中心分量就是载波分量，它与调制信号无关，不含消息；2)两个边频分量分量c及c则以载频为中心对称分布，两个边频信号的幅度相等并与调制信号幅度成正比。3)边频相对于载频的位置仅取决于调制信号的频率。因此调制信号的幅度、频率消息只包含在边频分量中。在多频调制的情况下，各个低频频率分量所引起的边频对组成了已调波的上下两个边带。如图6-5所示。,图6-5语音信号及已调信号频谱（a）语音频谱（b）已调信号频谱,3、调幅波的功率由于调幅波的振幅是变化的，因此存在几种功率，如载波功率、最大功率、最小功率、平均功率等。根据前面的有关公式，在负载电阻RL上消耗的载波功率为：,(6-9),(6-10),在负载电阻RL上，一个载波周期内调幅波消耗的功率为,由此可见，P是调制信号的函数，是随时间变化的。上、下边频的平均功率均为：,(6-11),(6-12),AM信号的平均功率,由上式可以看出，AM波的平均功率等于载波功率与两个边带功率之和。而两个边频功率与载波功率的比值为：,边频功率,载波功率,(6-13),同时可以得到调幅波的最大功率和最小功率，它们分别对应调制信号的最大值和最小值为（由6-10直接可得）:,(6-14),总结：由前面分析可得：(1)当调幅度m=1时，调幅波的最大功率为载波功率的4倍，而最小功率为零，因此由于最大、最小功率相差太大，对特定的功放管而言，其额定输出功率将大大受限；(2)当m1时，不携带调制信号的载波成分将占用调幅波总功率的2/3，而带有信号的边频只调幅波总功率的1/3，因此功率浪费大，效率低；若mU时，由式(538)可知，流过二极管的电流iD为,(6-29),电流iD的频谱如图6-16(b)所示，经输出滤波器(调谐在c，带宽为2F)选出输出频率分量：下边带(频)差频、载频、上边带(频)和频，即AM信号。,图6-16单二极管调制电路及频谱,大家思考一下：在实际中，该电路能否完成实现DSB调制？为什么？当然，利用二极管平衡电路，也可实现AM调制，大家可以自行分析。,2)利用模拟乘法器产生普通调幅波,(6-30),若将载波uC加至uA，调制信号u加到uB，则有：,(6-31),模拟乘法器是以差分放大器为核心的，根据第五章的分析，由单差分对的(5-70)式有：,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，则经滤波后的输出电压：,(6-32),其差分传输特性及输出电流波形如图6-17所示。利用双差分对电路也可得到AM信号，图6-18给出了利用集成模拟乘法器实现AM调制的电路图。,图6-17差分对AM调制器的输出波形,图6-18利用模拟乘法器产生AM信号,3.DSB调制电路只能使用低电平调制(1)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。1)二极管平衡DSB调制电路电路如图6-19所示，根据前面分析可得T2次级电流：,(6-33),图6-19二极管平衡调制电路,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、宽为2F、谐振阻抗为RL，则输出电压为：,(6-34),二极管平衡调制器是通过平衡方式，将载波抑制掉，从而获得DSB信号。平衡调制器的波形如图6-20所示，加在VD1、VD2上的电压仅调制信号的相位不同（反相），故电流i1和i2仅调制信号包络反相（分析图6-20）。,图6-20二极管平衡调制器波形,图6-21平衡调制器的一种实际线路,图6-21为一实用的平衡调制器电路。其中省掉了变压器N2，调制信号采用单端输入。由于两个二极管方向相反，故载波电压仍同相加于两管。,2)二极管环形DSB调制电路双平衡电路为进一步减少组合分量，可采用双平衡调制器(环形调制器)，如图6-22所示。在第5章已得到双平衡调制器输出电流的表达式(5-49)，在u1=u，u2=uC的情况下，该式可表示为：,(6-35),(6-36),经滤波后，有,图6-22双平衡调制器电路及波形,4)二极管桥式调制器电路如图6-23所示，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：,因晶体管交流电流iC=ieie=ue(t)/Re，所以输出电压为,(6-37),(6-38),图6-23双桥构成的环形调制器,(2)差分对调制器1）单差分对DSB调制电路在单差分电路(图5-17)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：,(6-39),式中，I0=Ee/Re，m=UC/Ee，x=U/VT。经滤波后的输出电压uo(t)为：,(6-40),图6-24差分对DSB调制器的波形,3)值得说明的问题：A、与AM调制相比，载波电压uC、调制信号u的加入方式与AM调制相反。B、由于u加入到非线性通道，出现了fcnF分量(n=3,5,7,)，这些分量是不容易滤除的。只有当u较小时，使3(x)Us时，上式可近似为：,(6-81),(6-82),显然，由(6-82)式经隔直后即得原调制信号。,由(6-81)式可得，SSB叠加载波信号后，即得一普通调幅AM信号。经包络检波后可得原调制信号，即：,（2）平衡同步检波电路采用图6-50所示的平衡同步检波电路，可以减小解调器输出电压的非线性失真。它由两个检波器构成平衡电路，上检波器输出如式(6-82)，下检波器的输出uo2=KdUr(1-mcost)(6-83)则总的输出uo=uo1-uo2=2KdUrmcost(6-84)总之，实现同步检波的关键是在接收端恢复发送端的载波信号同频同相的恢复载波。,图6-50平衡同步检波电路,例6.5：检波电路如图所示，其中，要求：,1.画出A,B,C三点波形（定性）；2.检波器的电压传输系数；3.输入电阻；4.是否产生惰性失真；5.是否产生底部切割失真。,解：,6.3混频,一、混频的概述1混频器的功能(1)混频的概念混频器是频谱线性搬移电路，是使信号的频率从一处线性搬移至另一处的电路。它是一个六端网络。它有两个输入电压，输入信号us和本地振荡信号uL，其工作频率分别为fc和fL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)。,图6-51混频器的功能示意图,(2)混频的几种形式用fI、fC、fL称分别表示中频、输入信号频率（高频）和本机振荡频率，则若取和频：则fI=fLfc。（发射机）若取差频：则fI=fLfc或，fI=fCfL。（接收机）常用的中频有：465KHz(455KHz)，500KHz，10.7MHz，37MHz等实际的混频器分为两大类：A、混频：由单独的振荡器提供本振信号，而混频器为六端（三口）网络B、变频：本机振荡与混频由同一非线性电路完成，此时表现为四端（双口）网络。,(2)混频与调幅、幅度解调的区别混频也是一种频率变换电路，在频率域中起加法器或减法器作用，它与调幅、幅度解调均属频谱的线性搬移，但由于搬迁的位置不同，其功能也就不同；如图6-52所示。另外，由于它们的输入输出信号不同，因而其输入输出回路也就不同。,图6-52三种频谱线性搬移功能(a)调制(b)解调(c)混频,2混频器的工作原理(1)时域分析：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=ULcosLt这两个信号的乘积为,(6-85),(6-86),则中频电压为：,图6-53混频器的组成框图,因此，混频电路可用乘法器或非线性电路完成，框图如图6-53所示。,(2)频域分析：由信号分析知识可知，时域信号相乘，对应其频域信号的卷积。设本振为单一频率信号，其频谱为FL()=(-c)+(+c)输入信号为己调波，其频谱为Fs()，则,(6-87),图6-54给出了输入信号、本振信号和输出信号的频谱关系。若输入信号也是等幅信号，则混频输出只有和频和差频成分。,图6-54混频过程中的频谱变换(a)本振频谱(b)信号频谱(c)输出频谱,3混频器的主要性能指标1)变频增益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,(6-88),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,2)噪声系数混频器的噪声系数NF定义为:,通常用分贝数表示变频增益，有,(6-89),(6-90),(6-91),输入信噪比(信号频率),输出信噪比(中频频率),(6-92),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)在混频器中，输出与输入信号幅度应成线性关系。实际上，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，如图6-55所示。,图6-55混频器输入、输出电平的关系曲线,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=fL-fc)，而不应该有其它不需要的干扰信号。但在混频器的输出中，由于各种原因，总会混杂很多与中频频率接近的干扰信号。,二、混频电路1晶体三极管混频器工作原理电路原理如图6-56所示，当UsUs，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，则输出中频电压uI为：,(6-99),(2)二极管环形混频器图6-62为二极管环形混频器，其输出电流io为：,经中频滤波后，得输出中频电压,(6-100),(6-101),二极管环形混频器输出是平衡混频器输出的两倍，且减少了电流频谱中的组合分量。,图6-62环型混频器的原理电路,6.4混频器的干扰,尽管混频器的使用使超外差接收机的性能得到改善，但同时混频器又会给接收机带来一些干扰。一、概述1、干扰信号的形成方式有：A、直接从接收天线进入（特别是混频前没有高放时）；B、由高放非线性产生；C、由混频器本身产生；D、由本振的谐波产生。,我们把除有用信号以外的所有信号统称为干扰。2、在实际中判断能否形成干扰主要看以下两个条件：A、是否满足一定的频率关系；B、满足一定频率关系的分量的幅度是否较大。3、混频器干扰的种类：A、信号与本振的自身组合干扰；B、外来干扰与本振的组合干扰（副波道干扰、寄生通道干扰）；C、外来干扰信号互相作用形成互调干扰；D、外来干扰与信号形成的交叉调制干扰（交调干扰）；E、阻塞、倒易混频干扰。,二、信号与本振的自身组合干扰1、形成干扰的原理对混频器而言，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(6-102),式中，p、q为正整数或零。当有用中频为差频时，即fI=fL-fc或fI=fc-fL，只存在pfL-qfc=fI或qfc-pfL=fI两种情况可能会形成干扰，即pfL-qfcfi(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fL-fc=fI时，上式变为,(6-105),fcfI称为变频比。如果取fc-fL=fI，可得：,(6-106),表6-1fcfI与p、q的关系表,例：fs=931kHz，fI=465kHz，fL=fs+fI=1396kHz,当fs与fL混合后，输出可能存在2fs-fL=(2931-1396)kHz=466kHz的组合频率，与465kHz一起送到检波器，产生差拍现象，在扬声器听到1kHz的哨叫。,听到的声音：哨叫干扰哨声,干扰的原因：组合频率干扰：,显然，产生哨叫的条件：|pfLqfc|=fIF,式中：F为音频可分解为四个关系式：,合并前两式，得产生干扰哨声的输入有用信号频率fc为,fIF，上式可简化为,(2)减小干扰哨声的办法,组合频率分量电流振幅随(p+q)的增加而迅速减小，因而，只有对应于p和q为较小值的输入有用信号才会产生明显的干扰哨声，将产生最强干扰哨声的信号频率移到接收频段之外，就可大大减小干扰哨声的有害影响。,例如，由，当p=0，q=1时干扰哨声强，相应输入信号频率接近于中频，即fcfI，因此，将接收机的中频选在接收频段以外，避免这个最强的干扰哨声。例如，中频接收机，fI规定为465kHz。(中波：5351605kHz),二、外来干扰与本振的组合干扰1、概念：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，在这种情况下，混频器的输入、输出和本振的示意图见图6-69。,图6-69外来干扰的示意图,2、形成组合干扰的条件根据前面分析，如果干扰频率fJ满足式(6-104)，就能形成组合干扰，即：,式中，fL由所接收的信号频率决定，fI为中频。若用fL=fc+fI代入上式，可得,(6-107),3、几种常见的组合干扰（1）中频干扰(p=0，q=1)概念：当干扰频率等于或接近于接收机中频时，fJ=fI，故称中频干扰。这时，混频器起到中频放大器的作用，具有比有用信号更强的传输能力。抑制中频干扰的方法：提高前端电路的选择性；合理选择中频（最好选择高中频）。如图6-70,图6-70抑制中频干扰的措施(a)提高选择性(b)加中频陷波电路,（2）镜像干扰(p=1，q=1)fJ=fL+fI=fc+2fI，这时，干扰信号fJ在混频器中与本振信号fL混频后，其差频接近中频，与中频进行差拍检波，出现哨叫。若将fL想象为一面镜子，则fJ就是fc的镜像，故称镜像干扰。fJ、fL及fI的关系如图6-71所示。抑制方法：采用高中频、二次混频方式。,图6-71镜像干扰的频率关系,（3）组合副波道干扰概念：在(6-107)式中，只观察p=q时的部分干扰。在这种情况下，式(6-107)变为,(6-108),对应的fj可能形成干扰。如图672抑制方法：提高中频数值和前端电路的选择性。,图6-72副波道干扰的频率分布,三、交叉调制干扰(交调干扰)1、概念：由非线性器件的i=f(t)展开成泰勒级数，其四阶项为a4u4。设u=uJ+us+uL，这里uJ=UJ(1+mJcosJt)cosJtus=UscosctuL=ULcosLt频率变换如图6-73所示2、抑制方法：提高前端电路的选择性；选择合适的混频器件及工作状态，使不需要的非线性项尽可能小。,图6-73交调干扰的频率变换,四、互调干扰1、概念：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，经混频器的非线性产生近似为中频的组合分量而通过中放形成的干扰。由四次方项a4u4可分解出u2J1uJ2uL项，其中有U2J1(1+cos2J1t)UJ2ULcosJ2tcosLtfJ1-fJ2=fc-fJ1(6-109)2、抑制方法：提高前端电路的选择性；选择合适的混频电路和工作状态，降低或消除高次方项。,图6-74互调干扰的示意图,五、包络失真和阻塞干扰与混频器非线性有关的另外两个现象是包络失真和阻塞干扰。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。阻塞干扰：是指当强的干扰信号与有用信号同时加入混频器时，强干扰会使混频器输出的有用信号的幅度减小，严重时，甚至小到无法接收，这种现象称为,六、倒易混频在混频器中还存在一种称之为倒易混频的干扰。其表现为当有强干扰信号进入混频器时，混频器输出端的噪声加大，信噪比降低。,图6-75倒易混频的产生过程,6-27试分析与解释下列现象：(1）在某地，收音机接收到1090kHz信号时，可以收到1323kHz的信号；(2)收音机接收1080kHz信号时，可以听到540kHz信号；(3）收音机接收930kHz信号时，可同时收到690kHz和810kHz信号，但不能单独收到其中的一个台(例如另一电台停播)。,解：(1)、接收到1090kHz信号时，同时可以收到1323kHz的信号；证明1323kHz是副波道干扰信号，它与本振信号混频，产生了接近中频的干扰信号。此时本振频率为fL=1090+465=1555kHz,根据pfL-qfJ=fI的判断条件，当p=2,q=2时，2fL-2fJ=3110-2646=464fI。因此断定这是4阶副波道干扰。,(2)、接收到1080kHz信号时，同时可以收到