高频电子线路第二章

主要内容说明2.1频谱搬移电路的组成模型振幅调制电路的组成模型振幅解调电路和混频电路的组成模型2.2相乘器电路非线性器件的相乘作用及其特性双差分对平衡调制器和模拟相乘器大动态范围平衡调制器AD630二极管双平衡混频器2.3混频电路通信接收机中的混频电路二极管混频电路混频失真2.4振幅调制与解调电路振幅调制电路二极管包络检波电路同步检波电路第2页,共80页，2024年2月25日，星期天什么是调制？调制是使消息载体的某些特性随消息变化的过程调制的作用是把消息置于消息载体，以便传输和处理解调是调制的逆过程，从消息载体中还原出原来的消息用来传送消息的载体vc(t)称为载波，消息vΩ(t)称为调制信号，调制后的信号v(t)称为已调信号用调制信号vΩ(t)控制载波vc(t)的某些参数，使之随vΩ(t)的变化而变化，就可实现调制第3页,共80页，2024年2月25日，星期天为什么要调制天线尺寸无线信道中传输信号时，利用电磁场在空间的传播，需要天线把电磁波发射和接收下来天线的尺寸和波长相关，如采用/4天线，对于3kHz的声音信号，天线尺寸为25km，这是无法实现的，如果调制在900MHz上，天线仅需8cm，容易实现无线传输系统，调制是一个基本环节调制可以将不同信号分在同一信道中传输而互不影响，例如分频复用调制可以降低干扰对信号传输的影响，如扩频调制调制可以实现有效地发射和有选择地接收第4页,共80页，2024年2月25日，星期天调制分类按调制信号vΩ(t)模拟调制、数字调制按载波vc(t)脉冲调制、正弦波调制、光强度调制正弦波调制幅度调制、角度调制（频率调制、相位调制）调制是一种非线性过程。载波被调制后将产生新的频率分量，通常它们分布在载波频率的两边，并占有一定的频带第5页,共80页，2024年2月25日，星期天2.1频谱搬移电路的组成模型

2.1.1振幅调制电路的组成模型幅度调制（AM）是指载波的幅度随调制信号的变化规律而变化，而其角频率和初相位均为常数幅度调制方式普通（标准）幅度调制（StandardAM）双边带幅度调制（DoubleSideBandAM）抑制载波调幅（SuppressedCarrierAM）单边带幅度调制（SingleSideBandAM）残留边带幅度调制（VestigialSideBandAM）正交幅度调制（QuadratureAM）数字幅度调制（幅度键控，ASK）第6页,共80页，2024年2月25日，星期天一、普通调幅信号及其电路组成模型普通幅度调制是各种幅度调制中最基本的一种由于在合理使用功率和占有频带宽度等方面，不如其他调幅方式优越，其应用范围受到限制在关于幅度调制的性质以及调制与解调技术原理等方面，它还是最基本的。将幅度调制的共同问题，集中在普通幅度调制里说明，从不同角度说明幅度调制信号的特性数学表达式波形图频谱图矢量图功率在各频谱分量之间的分配关系第7页,共80页，2024年2月25日，星期天1.普通幅度调制的基本特性-1数学表达式定义波形频谱调幅系数（调幅度）以单音调制为例第8页,共80页，2024年2月25日，星期天普通幅度调制的基本特性-2波形图在普通幅度调制中，为了不出现过调制，要求Ma1第9页,共80页，2024年2月25日，星期天普通幅度调制的基本特性-3频谱图第10页,共80页，2024年2月25日，星期天普通幅度调制的基本特性-4矢量图第11页,共80页，2024年2月25日，星期天普通幅度调制的基本特性-5功率分配载波占有功率上边带功率下边带功率总功率标准调幅波的有用信息包含在边带内，但一半以上功率却浪费在载波上：缺点由于有大的载波，使得接收机可以使用简单而便宜的解调器电路：主要优点第12页,共80页，2024年2月25日，星期天例：调制指数和功率有一标准AM波，未调制载波峰值电压为10V，负载电阻为10，调制指数为1，求载波和上下边带的功率；如果调制指数变化为0.5，载波和上下边带功率？在保证不过调的情况下，要使用尽可能高的调制百分比对于振幅最大的有用信号，标准AM系统应保证其调制指数在0.9~0.95之间第13页,共80页，2024年2月25日，星期天普通AM特性再讨论（1）已调信号的幅度随调制信号而变化。因此，调幅信号幅度的包络线近似为调制信号的波形，只要能取出这个包络信号就可实现AM的解调第14页,共80页，2024年2月25日，星期天普通AM特性再讨论（2）普通调幅波的频谱由两部分组成。一部分是载波频谱，另一部分是平移至载波处调制信号的频谱，幅度减半普通调幅信号所占的频带宽度为2

m--调制信号频带宽度的两倍但从传递信息的角度看，普通调幅信号所占的频带宽度中有一半是多余的，因此，这种调幅方式在频率资源利用上是有缺点的用单边带调幅第15页,共80页，2024年2月25日，星期天普通AM特性再讨论（3）幅度调制是一种非线性过程，因为它将调制信号的各频率分量变换为载波频率与这些频率的和频和差频分量但这都是将信号的频谱在频率轴上平移，因此又称幅度调制为线性调制有新频率产生，一定是非线性过程频谱只是在频率轴上进行了简单的平移，没有结构上的变化，故称线性调制第16页,共80页，2024年2月25日，星期天2.实现普通幅度调制电路组成模型两种方案幅度调制其实是一个变频过程，即两个信号相乘第17页,共80页，2024年2月25日，星期天1.（抑制载波的）双边带调幅从信息传输的角度看，载波是多余的，并且普通AM载波的功率占了总功率的一半以上，对充分利用发射机功率是不利的采用抑制载波调幅二、双边带和单边带调制电路组成模型第18页,共80页，2024年2月25日，星期天波形图第19页,共80页，2024年2月25日，星期天DSBAM的性质已调信号的幅度随调制信号的变化而变化，但其包络不能反映调制信号的形状调制信号正值时的载波相位与调制信号负值时的相位是反相的（差180

）不能使用包络检波，只能采用同步检波（相干解调）抑制载波调幅不含固定的载波分量，如果调制信号的平均值不为0，将会出现载漏现象第20页,共80页，2024年2月25日，星期天DSBAM的实现乘法器实现模拟乘法器环行乘法器带通滤波器第21页,共80页，2024年2月25日，星期天DSBAM的解调由于抑制载波调幅信号的幅度包络不反映调制信号的波形，因而也不能应用峰值包络检波方法。对包络不能反映调制信号变化规律的调幅信号，只能使用同步解调方法低通滤波器同步解调的关键在于产生出和载波信号同频同相的本地载波信号第22页,共80页，2024年2月25日，星期天本地载波的产生平方器带通滤波器分频器第23页,共80页，2024年2月25日，星期天2.单边带调幅双边带抑制载波调幅方式中，不含固定载波分量，因而可以有效地利用发射机的功率传递信息但它是双边带信号，所占带宽仍为调制信号最高角频率的两倍从有效传输信息的角度看，只要传送一个边带就够了，只传送一个边带的调幅信号称为单边调幅，可以选择上边带也可以采用下边带单边带调幅，简记为SSBAM单边带调幅既可充分利用发射机的功率又节省占有频带所以，它是传输信息的最佳调幅方式但是实现这种调幅方式的调制和解调技术比较复杂第24页,共80页，2024年2月25日，星期天用滤波法实现单边带调幅对滤波器要求甚高，尤其是调制信号中的低频很低时带通滤波器第25页,共80页，2024年2月25日，星期天用移相法实现单边带调幅-

/2-

/2宽带移相器在很宽的频带上要求移动相同的相位，很难制造第26页,共80页，2024年2月25日，星期天对单音调制的数学分析：第27页,共80页，2024年2月25日，星期天对复杂信号调制：第28页,共80页，2024年2月25日，星期天2.1.2振幅解调和混频电路的组成模型一、振幅解调电路调幅信号的解调就是从调幅信号中取出调制信号，它是调幅的逆过程标准调幅波的解调方法分为两类相干解调频谱平移，用同频同相的本地载波与调制信号相乘，如用模拟相乘器实现非相干解调利用非线性器件本身的非线性实现解调小信号平方律解调大信号峰值包络解调利用标准调幅波幅度包络变化就是调制信号变化的规律来实现解调解调电路也称检波器第29页,共80页，2024年2月25日，星期天相干解调相干解调是将调幅信号与一本地载波信号相乘以得出调制信号分量这个本地载波信号是在接收设备内产生的，并且与调幅信号中的载波相干，或者说是同步的，即本地载波与调幅信号中载波的频率相同，二者的相位也应相同或有很小的相位差，所以这种解调方法又称同步解调低通滤波器第30页,共80页，2024年2月25日，星期天相干解调的数学分析相角直接影响解调输出产生和载波同频同相的本地载波是相干解调的关键问题第31页,共80页，2024年2月25日，星期天非相干解调利用非线性元件的非线性特性对调幅信号进行非线性变换来实现调幅波的解调它不需要本地载波作为相干信号，因此称之为非相干解调非相干解调方法小信号平方律检波大信号峰值包络检波当载波频率比调制信号的最高频率高得多时，调幅信号幅度的包络线近似为调制信号的波形。因此，只要能取出这个包络信号就可实现解调第32页,共80页，2024年2月25日，星期天二、混频电路混频电路又称变频电路（Mixer,Convter)是实现信号频谱线性变换的一种电路，它完成频谱在频率轴上的搬移。是超外差接收机的重要组成部分。混频器产生输入信号频率与控制信号频率的和频与差频，取其一为输出信号输出信号频率小于输入信号频率，称为下变频器(Down－Convertor）（取差频）；输出信号频率大于输入信号频率，称为上变频器（Up－Convertor）（取和频）第33页,共80页，2024年2月25日，星期天混频电路的作用两个输入电压,输入信号vs和本地振荡信号vL,其工作频率分别为fc和fL输出信号为vI,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=fL+fc或fI=fc

－

fL（

fc>

fL)fL－fc（

fc<fL)第34页,共80页，2024年2月25日，星期天实现模型第35页,共80页，2024年2月25日，星期天小结振幅调制、解调与混频都属于频谱搬移电路，都可以用乘法器和滤波器组成的模型来实现。乘法器的作用就是将输入信号频谱不失真的搬到参考信号频率两边。滤波器是取出有用分量，抑制无用分量第36页,共80页，2024年2月25日，星期天2.2相乘器电路4.2.1非线性器件的相乘作用及其特性4.2.2双差分对平衡调制器和模拟相乘器4.2.3大动态范围平衡调制器AD6304.2.4二极管双平衡混频器第37页,共80页，2024年2月25日，星期天2.2模拟相乘器4.2.1模拟相乘器的基本概念4.2.2差分对模拟相乘器电路4.2.3模拟相乘器的功能和应用第38页,共80页，2024年2月25日，星期天2.2.1非线性器件的相乘作用及其特性一、非线性器件相乘作用的一般分析1.非线性器件的伏安特性,可用下面的非线性函数来表示:v为加在非线性器件上的电压。一般情况下,v＝vQ+v1+v2,其中vQ为静态工作点,v1和v2为两个输入电压用泰勒级数展开得：响应电流中出现2a2v1v2项（对应于m＝1，n＝2的展开项）第39页,共80页，2024年2月25日，星期天作用再非线性器件上两个电压均为余弦信号：i中包含下列频率通式表示得众多组合频率分量:产生规律:

（p＋q）为偶数的组合频率分量均是由级数中n≥(p＋q）各偶次方项产生的，

（p＋q）为奇数的组合频率分量均是由级数中n≥(p＋q）各奇次方项产生的，

第40页,共80页，2024年2月25日，星期天为了实现理想的相乘运算（减少无用得高阶相乘项及其产生得组合频率分量），要从三个方面考虑:（1）从非线性器件的特性考虑 选择合适得静态工作点（2）从电路考虑采用平衡电路，采用补偿或负反馈（3）从输入信号的大小考虑。减小v1，v2第41页,共80页，2024年2月25日，星期天二、线性时变状态变换电流i为v2的幂级数：为i＝f（VQ＋v1＋v2）在（VQ＋v1）上对v2的泰勒级数展开式忽略v2的二次方及其以上各次方项第42页,共80页，2024年2月25日，星期天i与v2之间的关系是线性的，系数是时变的，称这种器件的工作状态为线性时变状态时变增量电流时变增量电导V1＝v1mcosω1t时，g（v1）的傅立叶级数展开式为：第43页,共80页，2024年2月25日，星期天构成频谱电路时，易于用滤波器取出有用分量V2＝v2mcosω2t，g（v1）与V2相乘，产生的新的频率分量的频率通式为：第44页,共80页，2024年2月25日，星期天例.二极管电路引入开关函数，其傅立叶级数展开式为导通区的斜率为：gD＝1/RDI0(v1)=I0(t)为半周期余弦脉冲序列g(v1)=g(t)为矩形脉冲序列加在其上的电压：v1＝V1mcosω1t足够的大时，轮流工作在导通和截止区；其伏安特性可用自原点转折的两段折线近似。第45页,共80页，2024年2月25日，星期天则I0（t）和g（t）可分别表示为：右图所示电路中，v2足够小时:第46页,共80页，2024年2月25日，星期天第47页,共80页，2024年2月25日，星期天特点：不必限制v2的大小第48页,共80页，2024年2月25日，星期天2.2.1小结：两种相乘模式：直接将v1和v2相乘（模拟相乘器）频谱搬移电路，信号处理电路将v2与经过线性变换的v1相乘主要应用于频谱搬移电路中第49页,共80页，2024年2月25日，星期天2.2.2双差分对平衡调制器和模拟相乘器差分对电流关系一、双差分对平衡调制器第50页,共80页，2024年2月25日，星期天1.单差分对相乘电路第51页,共80页，2024年2月25日，星期天小信号输入当输入为小信号时，输出中出现相乘项同时，也存在非相乘项第52页,共80页，2024年2月25日，星期天大信号输入当输入为大信号时，双曲正切被余弦信号激励后，成为双向开关信号第53页,共80页，2024年2月25日，星期天2.双差分对相乘器吉尔伯特（Gilbert，1968）乘法器单元电路，是大多数集成相乘器的核心部分利用双差分对，将单差分对中出现的非相乘项消除，以获得理想的相乘器功能对该电路进一步的改进，可以扩展两个输入信号的线性输入范围第54页,共80页，2024年2月25日，星期天第55页,共80页，2024年2月25日，星期天两个输入均为小信号实现了两个输入电压的线性相乘输出电压中仅含有

X

Y频率分量动态范围太小增益系数和温度T有关第56页,共80页，2024年2月25日，星期天一个大信号，一个小信号大信号使得晶体管工作于开关状态作为混频器，其输出电压大小与大信号的幅度无关，与小信号成正比小信号的线性范围很小第57页,共80页，2024年2月25日，星期天两个输入均为大信号两个输入的差分对管均处于开关状态输出电压与两个输入信号的幅度均无关，输出电流中含有

X和Y的各奇次谐波组合频率分量(2m-1)X(2n-1)Y，其中，X

Y为vX和vY相乘的频率分量第58页,共80页，2024年2月25日，星期天3.通用型相乘器作为通用相乘器，Gilbert相乘器有如下缺点小信号输入动态范围小电路的温度稳定性差为了克服上述缺点，需要在电路上采取措施线性电压-电流变换反双曲正切函数变换第59页,共80页，2024年2月25日，星期天用电阻负反馈实现

线性电压-电流变换第60页,共80页，2024年2月25日，星期天电阻负反馈的等价形式第61页,共80页，2024年2月25日，星期天反双曲正切

函数变换第62页,共80页，2024年2月25日，星期天5.XFC1596集成平衡调制器第63页,共80页，2024年2月25日，星期天XFC1596单电源典型应用举例第64页,共80页，2024年2月25日，星期天二.双差分对模拟乘法器1.电路组成原理第65页,共80页，2024年2月25日，星期天当RE2较大时忽略上式第二项：第66页,共80页，2024年2月25日，星期天得相乘器的输出电压为：第67页,共80页，2024年2月25日，星期天1）模拟相乘器的基本概念模拟相乘器是完成两个模拟信号瞬时值相乘功能的电路或器件2.集成模拟相乘器第68页,共80页，2024年2月25日，星期天线性与非线性模拟相乘器本质上是一个非线性器件产生了新的频率分量模拟相乘器可以做为线性器件和时变参量器件如果其中一个输入为直流，则可视为线性器件如果其中一个输入为控制信号，则可视为是时变参量器件第69页,共80页，2024年2月25日，星期天2）四象限工作第70页,共80页，2024年2月25日，星期天3）模拟相乘器的功能相乘产生和差频混频、调制、解调、倍频还可实现乘、除、平方、开方等运算功能第71页,共80页，202