第5章振幅调制解调及混频

1、第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频知识目标知识目标 通过本章学习，掌握振幅调制（即调幅）、检波和混频的频谱搬移原理，三种振幅调制（AM、DSB、SSB）的表达式和波形及频谱特点以及产生AM、DSB和SSB的方法应用场合；了解残留边带调幅原理；掌握二极管环路相乘器和双差分对集成模拟相乘器的工作原理及在振幅调制、振幅解调和混频电路中的应用；了解高电平调幅电路原理，掌握二极管包络检波器工作原理和性能分析；了解三极管混频器工作原理及混频干扰。 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频能力目标能力目标 能力目标知识要点相关知识权重自测分数掌握调幅、检波及混频的工作原

2、理及特点频谱搬移原理调幅、检波及混频频谱特点20%掌握AM、DSB、SSB振幅调制三种振幅调制表达式和波形及频谱特点产生AM、DSB和SSB的方法应用场合20%掌握振幅调制电路工作原理低电平调幅电路和高电平调幅电路低电平调幅电路和高电平调幅电路应用20%掌握调幅信号的解调工作原理二极管大信号包络检波和同步检波二极管大信号包络检波和同步检波性能分析及应用20%掌握混频原理及混频干扰混频工作原理及电路、混频性能指标混频电路应用及混频干扰20%第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频图5-1 超外差调幅收音机 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频5.1 概述概述

3、无线电通信的基本任务是通过无线电波远距离传送各种信息，而在传送过程中这些信息必须用到调制与解调。调制是将要传送的信息加载到某一高频振荡信号（载频）上的过程，解调是调制的逆过程，即从高频振荡信号中恢复原来的传送信息。 从频域分析的角度看，调制与解调都是频谱搬移的过程。频谱搬移是指将输入信号进行频谱变换，以获得具有所需频谱的输出信号。振幅调制与解调、频率调制与解调、相位调制与解调、混频等电路，都属于频谱搬移电路。如果频率变换前后，信号的频谱结构不变，只是将信号频谱无失真在频率轴上搬移，则称之为线性频率变换，具有这种特性的电路称之为线性频谱搬移电路，本章讨论的振幅调制与解调、混频等电路就属于这一类。

4、如果频谱搬移过程中，输入信号的频谱不仅在频域上搬移，而且频谱结构也发生变化，则这类电路称为非线性频谱搬移电路，频率调制与解调、相位调制与解调就属于这一类。 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频(a) 调幅 (b) 检波 (c)混频图5-2 调幅、检波、混频的组成原理及频谱结构示意图 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频5.2 振幅调制原理及特性振幅调制原理及特性 幅度调制常用于长波、中波、短波和超短波的无线电广播、通信、电视、雷达等系统。这种调制方式就是将要传送的信号（调制信号）装载在高频载波信号的幅度上，使载波信号的幅度随调制信号大小线性变化，而保持载

5、波的频率不变。幅度调制信号按其输出已调波信号频谱结构不同可分为标准调幅信号（AM），抑制载波的双边带调幅信号（DSB）, 抑制载波的单边带调幅信号（SSB）以及残留边带调幅信号（VSB）。 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频5.2.1 标准振幅调制信号分析（标准振幅调制信号分析（AM） 1标准调幅信号的数学表达式标准调幅信号的数学表达式 设调制信号为单频信号 tUtcos)(mu设载波信号为 tUtccmccos)(u 幅度调制是用调制信号控制载波的振幅，使载波的振幅随调制信号的规律变化，因此调制后形成的已调波振幅 可以表示为 )(AMtUtUKUtUcos)(mdcmA

6、M (Kd为比例系数) )cos1 (cmmdcmtUUKU)cos1 (cmtmUacmmdUUKma第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频 ma表示载波电压振幅受调制信号控制的程度，称为调幅系数，一般0ma1。 因此，标准调幅信号可以表示为 tcos)cos1 ()(ccmAMtmUtua 可以看出，普通调幅信号的电路模型可以由一个乘法器和一个加法器组成。 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频2标准调幅信号的波形与频谱标准调幅信号的波形与频谱 1）标准调幅信号的波形 图5-3AM调幅信号的波形与频谱 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及

7、混频普通调幅波在一个信号周期内的最大振幅为 ，最小振幅为 ， 按最大振幅和最小振幅表达式可推导出)1 (cmmaxamUU)1 (cmminamUUminmaxminmaxUUUUma上式表明，ma1，且ma越大，调幅波的外包络线凹陷越深，即调制越深。如果ma1，则调幅波的外包络线形状与调制信号不同，产生过调失真。ma1时，波形如图5-4所示。在实际应用中，要求ma1。 图5-4 ma1时AM调幅信号波形图 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频2 2）标准调幅信号的频谱及带宽）标准调幅信号的频谱及带宽 将AM调幅波信号的数学表达式按三角函数公式展开得 tcos)cos1 (

8、)(ccmAMtmUtua tUmtUmtUaa)cos(21)cos(21cosccmccmccm 图5-5 复杂调制信号的频谱分布图 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频3 3）标准调幅信号的功率关系）标准调幅信号的功率关系 载波功率 2cmc21UP 边频功率 c22cmSBSB41221PmUmPPaa下上调制信号在一个周期内的平均功率 c2SBSBc211PmPPPPa下上第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频5.2.2双边带调幅信号（双边带调幅信号（DSB） 普通调幅波的功率分配中，不包含有用信息的载波功率占了2/3，这部分功率白白浪费了。如果

9、在向外发射无线电波时将载波成分抑制掉，仅保留包含有用信息的上下边带，就可以大大提高发射机功率有效性。这种仅传送上下边频的调制方式称为抑制载波的双边带调幅，简称DSB调制。 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频双边带调幅信号数学表达式为 )()()(cDSBtutKututtUKUcoscosmccm展开为 tUKmtUKmtuaa)cos(21)cos(21)(ccmccmDSB上式中K为常数,可以看出双边带调制实质为一乘法器。 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频图5-6DSB调幅信号的波形图和频谱图图中可以看出，双边带调制信号的频谱宽度为 BW2DS

10、B第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频5.2.3 单边带调幅信号（单边带调幅信号（SSB） DSB调制虽然抑制了载波分量，发射效率比AM调制有所改善，但其传输带宽仍然是调制信号的两倍。从频谱结构上看，DSB上下边带的频谱分量是对称的，包含有相同的信息。因此，为节省带宽，也可以只传输其中一个边带就可以保证信息的完整传输。这种抑制掉其中一个边带，只发射另一个边带（上边带或下边带）的调制方式称为单边带调幅，简称SSB调幅。 取上边带时 tUKmtua)cos(21)(ccmSSB取下边带时 tUKmtua)cos(21)(ccmSSB第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、

11、解调及混频图5-7 SSB调幅信号的波形图和频谱图谱图从频谱图可以看出 BWSSB可见，SSB调幅信号的带宽为AM、DSB调幅信号的一半。 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频5.2.4 AM残留边带调幅（残留边带调幅（VSB） 单边带调幅方式有其优点，但也存在接收机解调电路复杂、调谐困难等缺点。在某些应用中，既希望压缩频带，又希望接收设备相对简单，常采用残留边带调幅（VSB）。所谓残留边带调幅是指发送端发送一个完整的边带、载波信号和另一个部分被抑制的边信号(即残留一小部分)，其频谱结构就好象是将双边带信号频谱在载波分量附近斜切一刀而得。上边带被切除的部分，恰好由下边带剩余

12、部分所补偿。（a）广播电视发射系统滤波器特征 （b）电视接收系统滤波器特征图5-8 广播电视系统残留边带调幅滤波器特征示意图 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频5.3 振幅调制电路振幅调制电路 (a)普通调幅 （b）双边带调幅 （c）单边带调幅图5-9 实现调幅的原理框图 按幅度调制电路输出功率，一般分为低电平调幅电路和高电平调幅电路。低电平调幅电路一般置于发射机的前级进行调幅，再由线性功率放大器放大已调幅信号，得到所要求功率的调幅波。这种调幅方式可以实现普通调幅、双边带调幅和单边带调幅，其优点是调制线性度和载波抑制度比较好。 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制

13、、解调及混频5.3.1 低电平调幅电路低电平调幅电路 1.简单的二极管调幅电路简单的二极管调幅电路 1）平方律调幅 二极管的伏安特性的幂级数表达式为 3D32D2D10uauauaai 二极管调幅电路如图5-10所示，如果忽略输出电压对二极管的反作用，有 tUtUcoscosCCCDuuu图5-10 二极管调幅电路 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频2）开关式调幅 二极管在大信号作用下，依靠其导通和截止也可实现频率变换。采用这种方式时载波电压较大（数百毫伏），调制电压较小（数十毫伏），二极管处于开关状态且其通断由载波电压决定，因此称为二极管的开关式调幅。图5-11为两个二

14、极管组成的平衡开关调幅电路，图5-12为平衡调制器输出的电压波形，常用在抑制载波的双边带调幅中。 图5-11 平衡开关调幅电路 图5-12 平衡调制器输出DSB电压波形 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频2.环形调制器调幅电路环形调制器调幅电路 在平衡开关调幅电路的基础上增加两个二极管，并使4个二极管首尾相连成为环形连接，这就构成了环形调制器，如图5-13所示。环形调制器在载波的正负半周可分别分解为两个平衡开关调幅电路，因此，其输出振幅比两个二极管组成的平衡开关电路提高了一倍。 图5-13 环形调制器电路 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频3.模拟乘

15、法器调幅电路模拟乘法器调幅电路 图5-13 模拟乘法器电路符号 如果将载波信号 和调制信号 送乘法器相乘，则乘法器的输出电压为 tUtccmccos)(utUtcos)(muttUUKtcoscos)(mccmMoutUmKtUmKaa)cos(21)cos(21ccmMccmM 上式表面乘法器的输出 为抑制了载波的双边带调幅信号。如果需要单边带调幅信号，则可以在乘法器后接相应的滤波器，滤除不需要的边带即可。 )(otu第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频 在上述乘法器电路中，如果在调制信号上叠加一个直流分量则可以得到普通调幅信号，即调制信号变为 ，则乘法器的输出电压信号为

16、 tuVtcos)(mDCuttUVUKtucmDCcmMocos)cos()(tVUKtVUKtVUK)cos(21)cos(21coscDCcmMcDCcmMcDCcmM上式可以看出，调节直流电压的大小，可以改变调幅度ma。 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频 集成乘法器MC1596为例,说明乘法器组成AM调制和DSB调制电路的原理。 图5-15 MC1596实现普通调幅电路图 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频4产生单边带信号的方法产生单边带信号的方法 1）滤波法 DSB信号经过带通滤波器后，滤除一个边带，就得到了SSB信号，实现原理如图5-1

17、6所示。图5-16 滤波法产生单边带信号 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频2）相移法 利用移相的方法消去不需要的边带，从而产生单边带信号的方法称为相移法。实现的原理框图如图5-17所示。图中两个平衡调幅器的调制信号和载波电压都是互相移相90，调制输出如果只取有用边带的乘积项（忽略谐波），则 则合并网络的输出电压 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频图5-17 相移法产生单边带信号 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频5.3.2 高电平调幅电路高电平调幅电路 1集电极调幅电路集电极调幅电路 当丙类谐振功放工作在过压状态时，集电极电流

18、的基波分量的振幅Icm1与集电极偏置电压成线性关系。集电极调幅是利用三极管的非线性特性，将调制信号u（t）经低频变压器加在丙类谐振功放的集电极，与直流电压Vcc叠加后构成晶体管的集电极电源Vcc（t），即集电极等效电源随着调制信号的规律变化，经LC选频回路的作用，输出电压的振幅也随调制信号的规律变化，从而实现调幅。其电路形式与调制特性曲线如图5-18所示。 Vcc（t）= Vcc + u（t） 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频图5-18 集电极调幅电路及其波形曲线 图中集电极调幅电路与谐振功率放大器的区别是集电极调幅电路的等效集电极电源电压Vcc（t）随调制信号变化。第

19、第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频2基极调幅电路基极调幅电路 图5-19 基极调幅电路及其波形曲线 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频5.4 调幅信号的解调调幅信号的解调 5.4.1 调幅波解调的方法调幅波解调的方法 振幅解调是从已调制的高频振荡信号中恢复出原来的调制信号，是振幅调制的逆过程。它的作用，这个过程也称为检波。从频谱上看，检波就是将幅度调制波中的边带信号不失真地从载波频率附近搬移到零频率附近，因此检波器也属于频谱搬移电路，必须有非线性器件来完成。检波器的工作原理及组成如图5-2（b）所示。在解调抑制载波的双边带调幅波和单边带调幅波信号时需要

20、另加载波信号，采用如图5-20的乘法器来实现。图5-20 载波被抑制的调幅波解调原理 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频 检波器的种类很多，根据所用器件、输入信号大小或工作特点，其分类如图5-21所示。 图5-21 检波器的分类 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频5.4.2 二极管大信号包络检波器二极管大信号包络检波器 1工作原理工作原理 图5-22为串联型二极管包络检波电路，RC作为检波器的负载，在其两端输出解调后的调制信号。RC同时还具有低通滤波器的作用，因此其参数必须满足： CRCmaxLo11图5-22 串联型二极管包络检波电路 第第5 5章

21、章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频图5-23 二极管检波器的波形图 大信号包络检波主要是利用二极管的单向导电性和检波负载RC的充放电过程来实现。 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频2包络检波器的质量指标包络检波器的质量指标 1）检波效率 d 检波效率又叫传输系数，当输入信号的高频调幅波振幅为 ，检波输出的低频电压振幅为 时 cmumamucmmdumua 实际电路中 在80左右。当R足够大时， 1，即输出电压与调幅波的包络基本一致。 dd2）输入电阻 iRimimiIUR 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频3）失真 （1）惰性失真 图5-2

22、4 惰性失真波形 惰性失真是检波器的RC取值过大，使二极管在截止期间C的放电速度太慢，以致跟不上调幅波包络的下降速度 ，出现如图5-24所示的失真现象。 要克服这种失真，必须适当减小RC的数值，使电容器的放电速度加快。一般RC的选取应满足下述条件：mmRaa21第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频（2）负峰切割失真 图5-25 负峰切割失真 为避免产生负峰切割失真， 与 满足下面关系： LRRamRRLRRRL/L其中第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频5.4.3 同步检波同步检波 同步检波常由模拟乘法器和低通滤波器组成，其电路原理模型如图5-26所示。

23、 图5-26 同步检波的两种电路原理模型 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频1.同步检波原理同步检波原理 设调幅信号为普通调幅波，即 ttmUtuacimicos)cos1 ()(参考信号为 tUtcrmrcos)(u调幅波信号 与参考信号 在模拟乘法器中相乘，则乘法器的输出电压为 )(itu)(rtu第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频只保留了上式中的第二项，即 检波器的检波效率为 imMcmmd21UKUmUa 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频2同步检波电路同步检波电路 图5- 27 同步检波电路 第第5 5章章 振幅调制、

24、解调及混频振幅调制、解调及混频5.5 混频器原理及电路混频器原理及电路 混频是将两个不同频率的信号加到非线性器件进行频率变换，然后用选频回路取出其和频或差频分量。混频器原理示意图如图5-28所示。在混频器输入的信号中，一个为包含有用信息且需要进行频谱搬移的高频信号Us，另外一个为不带任何信息的等幅正弦波UL（称为本振信号），而通过选频网络取出的和频或差频称为中频信号。 电路中，如果本地振荡器与进行混频的非线性器件为同一单元电路，则称为变频器。 图5-28 混频器原理示意图 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频（a）调制信号 （b）本振信号 （c）中频信号图5-29 混频器信

25、号波形及频谱结构图第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频5.5.1 混频器原理混频器原理 为分析方便，设混频器的高频输入信号为等幅波 = ，本振信号为 = ，两信号叠加后同时作用于非线性器件上，则叠加信号为 )(stutUSScos)(LtutULLcostUtUtttLLSSLscoscos)()()(uuu非线性器件的伏安特性可以用幂级数表达式为 332210uauauaai 代入后按三角函数展开，输出电流中包含无限多过频率分量的组合，其中有两个频率分量(fLfC )正是我们所需要的，(fL+fC )称为高中频， (fL-fC )称为低中频。这两个频率分量的形成是由两个信

26、号的乘积项产生的，因此，凡能实现两个电压相乘的非线性器件或电路，都可以作为混频使用。 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频5.5.2 混频器主要性能指标混频器主要性能指标 1混频增益混频增益 )dB(lg20smImucUUA为提高接收机的接收灵敏度，希望混频增益越高越好。 2选择性选择性 混频器的输出信号中包含有很多频率分量，但其中只有一个频率分量是有用的，即所要求的中频分量。因此，要求选频网络的选择性好，对有用分量的衰减小，对无用频率分量的抑制度高。 3失真与干扰失真与干扰 如果混频器输出中频的频谱结构与高频输入信号的频谱结构发生了除频谱线性搬移以外的变化，则表示产生了

27、失真。 干扰是频谱失真的主要原因，干扰主要分为组合频率干扰和组合副波道干扰。 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频5.5.3 混频电路应用混频电路应用 常用的混频器有二极管混频器、三极管混频器、模拟相乘器等，根据所加信号的处理方式可分为叠加型混频器和乘积型混频器两大类，其电路原理模型如图5-30所示。典型的乘积型混频器是模拟乘法器，叠加型混频器有二极管混频器、三极管混频器等。图5-30 混频器电路原理模型第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频1模拟乘法器混频器模拟乘法器混频器 图5-31 混频器电路原理模型 设输入已调波为 = ，本地振荡信号为 = , 则

28、乘法器输出信号为 )(stuttUccoscoscm)(LtutULLmcos第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频经过带通滤波器后，如果只保留下边带，则滤波器输出电压为 式中 从上式可以看出，混频输出的中频信号包络与输入的已调波信号包络变化规律相同，只是频谱的中心频率从 搬移到（ ），并且有一定的电压增益。混频电压增益为 ccL第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频图5-32 MC1596组成的乘积型混频器电路 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频2二极管平衡混频器二极管平衡混频器 二极管平衡混频器电路简单、组合频率分量少，常用在高质量

29、通讯以及工作频率较高的设备中，其原理电路如图5-33所示。图5-33 二极管平衡混频器 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频3三极管混频器三极管混频器 三极管混频器因为其电路简单、混频增益高、要求的本振信号幅度和高频输入信号幅度小，广泛应用于中、短波接收机以及一些测量仪器中。按三极管电路组态、本振注入点以及高频信号的输入点的不同，有如图5-34的四种基本形式。 图5-34 三级管混频器的基本形式 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频图5-35 电视接收机高频调谐器中的三级管混频电路 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频5.5.4 混频

30、器的干扰混频器的干扰 由于混频器是依靠非线性元件来实现频率变换的，因此凡是进入混频器的信号直接都可以产生各种组合频率。除高频信号与本振信号，还包括干扰信号与本振之间、高频信号与干扰信号之间、干扰信号与干扰信号之间都可能组合成新的频率分量，这些组合频率分量如果等于或接近中频频率，将会和有用的中频分量一起进入中频放大器，经解调后在输出端形成干扰，从而影响到正常信号的接收。 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频1组合频率干扰组合频率干扰 组合频率干扰是指高频信号fs和本振信号fL产生的不同组合频率形成的干扰。fs和fL在经过非线性器件时组合出的频率分量fk可以表示为： 上式中p、q是任意正整数，这些频率分量中，只有p=q=1对应的频率分量才是所需要的中频信号，其余为无用的分量。只要某些频率分量落在混频级后的带通滤波器频带内，即形成干扰。按fk表达式可以推导出，高频信号频率fs与要求的中频fI间满足下面表达式时，就有可能产生干扰。 第第5 5章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频2副波道干扰副波道干扰 如果混频器之前电路的选择性不好，进入混频器的信号除了有用的主波道频率外，还包括其他干扰信号，这些干扰信号与本振同样也会形成接近中频的组合频率干扰，这种干扰称为副波道干扰。当干扰信号频率fN满足下面表达式时即产生副波道干扰。副波道干扰中最严重的干扰有中频频率和