《模拟电子技术》课件第8章

8.1振幅调制的基本原理

8.1.1普通调幅信号

1.普通调幅波的定义

振幅调制（AmplitudeModulation，AM）简称为调幅，所谓普通调幅波就是标准的振幅调制波，它的定义是：高频载波的振幅完全按照调制信号规律变化而变化。（8－1）式中，k为比例系数，通常由调制电路决定。

2）单音信号调制情况

（1）已调信号的表达式所谓单音信号调制，即uΩ(t)=UΩmcosΩt，代入式（8－1）得单音调制时的表达式为(8－2)（2）已调信号的波形、频谱和带宽根据式（8－2）可定量画出单音调制时的普通调幅波的波形如图8－1所示。

从图中可知，普通调幅波的振幅（亦称包络）完全反映调制信号变化规律，即已调信号已经携带了调制信号的全部信息；振幅变化的最大值为Ucm(1+ma)，最小值为Ucm(1-ma)，显然，ma必须小于或等于1，否则将出现如图8－2所示的过调制失真。图8－1普通调幅波形图图8－2过调制失真示意图将式（8－2）用三角函数展开：（8－3）上式表明，单音调制时调幅波的频谱由三个频率分量组成，一是角频率为ωc的载波分量；其余两个角频率分别为(ωc+Ω)和(ωc-Ω)的上、下边频分量，它们分别把低频调制信号的频谱不失真地搬移到了高频载波频率的两边，即上、下边频分量都分别携带了调制信号的全部信息，整个调幅信号的频谱图如图8－3所示。图8－3单音调制时的普通调幅信号频谱根据图8－3的频谱结构，可方便地求得调幅信号的带宽为（8－4）可见，普通调幅信号的带宽是调制信号带宽的两倍，因此普通调幅波的频带利用率不高。（3）已调信号的功率根据式（8－3）可知，整个普通调幅信号总的平均功率是由载波功率和边带（频）功率两部分组成。若设负载电阻为RL，则载波功率为（8－5）边带（频）功率为（8－6）所以，调幅波总的平均功率为（8－7）

3）复杂信号调制情况

（1）表达式和波形实际调制信号都是具有一定频率范围的复杂信号，其傅立叶级数展开的一般式为：其中，(8－8)图8－4复杂信号的普通调幅波波形

(a)调制信号；(b)调幅信号波形图8-5复杂信号调制时的普通调幅波频谱图

3.普通调幅波的实现模型

根据式（8－1），可画出两种普通调幅波的实现模型分别如图8－6（a）、（b）所示。

从上述分析可知，调幅波的实质是将原始调制信号的频谱不失真地从低频搬移到高频。根据三角函数特性可知，这种线性频谱搬移是两个信号相乘的结果。因此，调幅波实现的关键是相乘器。图8－6普通调幅波的实现模型8.1.2抑制载波的双边带调制信号

在普通调幅波中，不携带调制信号信息的载波分量占有整个已调信号的大部分功率，从传输信息的角度看，载波分量是无用的，完全可以将其抑制掉，而只传输携带调制信号信息的两个边频分量，这样可大大节省发射功率，提高功率利用率。这种仅传输两个边带分量的调幅信号，称为抑制载波的双边带调制信号，简称为双边带调制（DoubleSidebandModulation，简称DSB）。

1.双边带调制信号的基本特性

将普通调幅波中的载波抑制掉就能得到双边带调幅波，因此，双边带调制信号的一般表达式可表示为（8－10）为了分析简单，设调制信号为单音，则表达式为(8－11)根据式（8－11）可画出单音调制的DSB波形及频谱图分别如图8－7（a）、（b）所示。图8－7单音调制DSB的波形及频谱图

（a）单音调制DSB波形；（b）单音调制DSB频谱从图（a）中可以看出，双边带调制信号波形中的载波相位随调制信号的极性改变而有180°的突变。尽管DSB波形的包络已不完全反映调制信号的规律，但从图（b）的频谱图可知，它仍然保持对调制信号频谱的线性搬移，是调幅信号的一种。

从图8-7（b）的频谱图可得出DSB的带宽与普通调幅波一样，为调制信号带宽的两倍。而DSB的功率只有边带功率，没有载波功率，即：（8－12）

2.DSB的实现模型

根据式（8－10）可得到DSB的实现模型，如图8－8所示。从模型图可知，作为线性的频谱搬移电路，相乘器仍是实现双边带调制电路的关键器件。图8－8DSB的实现模型8.1.3抑制载波的单边带调制信号

从上述分析可知，双边带调制尽管节省了发射功率，提高了功率利用率，但其频带利用率与普通调幅波一样较低。从不失真地信息传输观点看，双边带调制信号的两个边频分量都携带了调制信号的全部信息。因此，可进一步抑制其中的一个以节省频带，这样就得到了抑制载波的单边带调制信号，简称单边带调制（SingleSidebandModulation，简称SSB）。

1.单边带调制的基本特性

与双边带调制类似，单边带调制仍然延续了振幅调制的最基本特性，即线性的频谱搬移，现仍以单音调制为例加以说明。

单音调制时SSB的上边带或下边带的表达式可从式（8－11）的DSB中得到或（8－13）其波形和频谱分别如图8－9（a）、（b）所示。图8－9单音调制时SSB的波形和频谱

（a）波形图;（b）频谱图因为去掉一个边带，所以SSB的带宽为DSB和AM的一半，即等于原始调制信号的带宽：BWSSB=F（单音调制）或BWSSB=Fmax（复杂信号调制）。图8－10滤波法实现SSB模型

2.SSB的实现模型

单边带调制有两种实现模型。一种称为滤波法，它是先产生双边带调制信号，然后通过带通滤波器取出其中的一个边带信号，滤除另一个边带信号，最后得到所需的SSB信号。其实现模型如图8－10所示。

另一种称为相移法，它可根据表达式推得。由式（8－13）得或由此可见，单边带调制信号实际是由两个正交（相位差90°）的双边带信号叠加而成，由此得到相移法实现SSB的电路模型如图8－11所示。尽管此模型用单音调制推得，但对复杂信号调制同样成立。图8－11相移法实现SSB的模型 8.2振幅调制电路

8.2.1高电平调幅电路

在调幅广播发射机中通常采用高电平调制，高电平调制主要产生普通调幅波，它的主要特点是在满足线性调制要求的同时，能高效率地输出足够大的已调信号功率。在实际应用中，广泛采用高效率的丙类谐振功率放大器来实现。图8－12基极调幅电路

2.谐振功放的集电极调幅电路

与基极调幅原理类似，当谐振功放工作在过压状态，并且调制信号与集电极电源叠加时，就能实现集电极调幅。集电极调幅的实际电路如图8－13所示。图8－13集电极调幅电路8.2.2低电平调幅电路

在振幅调制电路中，低电平调制主要用来实现双边带调制和单边带调制，其性能上主要考虑调制的线性度和强抑制载波的能力。振幅调制的实质是线性的频谱搬移，通常可用相乘器实现。因此，在实际应用中，广泛采用由集成模拟乘法器构成的调制电路。

1.模拟乘法器的工作原理

图8－14所示为双差分模拟乘法器的原理图。根据差分放大电路的传输特性可知：（8－14）则电路总的输出电流为（8－15）（8－16）图8－14双差分模拟乘法器的原理图（8－17）（8－18）（8-19）（8-20）由上述分析可知，在第一种情况下，只有当输入信号很小时，才能实现两个信号的近似相乘；而第二种情况，也只有当uX很小时，能实现两个信号的特殊相乘关系。因此，作为实用线性的频谱搬移电路，在实际电路中还需要对输入信号进行线性动态范围的扩展。通常有两种做法，一是将两个输入信号的线性动态范围都进行扩展，由此得到近似理想的模拟乘法器，根据这个原理制成的典型集成模拟乘法器有MC1595、BG314等；二是只对uY进行线性的动态范围扩展，并由此得到的典型集成模拟调制器有MC1496、MC1596等。

2.实际应用电路

由集成模拟调制器MC1496构成的双边带调制电路如图8－15所示。图8－15

MC1496构成的双边带调制电路（8－21）（8－22）因此，在输出端无需带通滤波器，就能输出双边带调制信号。图8－16

MC1595构成的双边带调制电路 8.3振幅解调电路

8.3.1同步检波电路

同步检波又称为相干检波，它适合于任何振幅调制波（AM、DSB和SSB）的解调，但主要用来解调DSB和SSB信号。图8－17所示是同步检波的原理图，它是由乘法器和低通滤波器组成。图8－17同步检波的原理图（1）DSB信号的解调设单音调制的DSB信号为则乘法器的输出：

通过低通滤波器滤除2ωc的高频分量，即得原来的调制信号，即实现解调。

（2）SSB信号的解调设单音调制的SSB信号为则乘法器的输出：通过低通滤波器滤除2ωc的高频分量，即得原来的调制信号，即实现解调。同步检波电路同理可以解调普通调幅波（AM），但因普通调幅波本身的包络已经完全反映了调制信号的变化规律，故可以用更加简单的包络检波器来解调。

从上述分析可知，同步检波的关键是产生同步信号，通常在本地产生一个与接收信号载波完全同频、同相的参考信号是非常困难的。因此，在实际解调时，若是DSB信号，一般是将接收到的DSB信号先平方得2ωc分量，然后再分频提取ωc分量作为同步信号；若是SSB信号，一般采用发射导频信号的方法，在接收端采用高选择性的窄带滤波器提取导频信号作为同步信号。图8－18包络检波器的原理图8.3.2包络检波电路

1.工作原理

因普通调幅波的包络完全反映调制信号的变化规律，所以可采用包络检波电路进行解调。图8－18所示为二极管包络检波器的原理电路，它是由二极管D和低通滤波器RLC串接组成。图8－19检波输出电压波形图由图可知，输出电压uo(t)按ωc作锯齿波动，并且跟随调幅波的包络变化；二极管在载波周期内大部分时间截止，仅在接近正峰值的一小段的时间导通，导通和截止时间的长短与RLC大小有关，增大RLC会减小导通时间，使输出电压更接近正峰值（包络）的变化，同时锯齿波动也更小。

2.性能指标

1）检波效率

检波效率亦称检波电压传输系数，它定义为包络检波器的解调输出电压与输入调幅波的包络之比，用ηd表示，则有：（8－23）所以得到：（8－24）

3.失真

1）惰性失真

从提高检波效率的角度看，RLC越大越好，但同时也使二极管截止期间的放电速度过慢，甚至会跟不上输入调幅波包络的下降速度而产生所谓的惰性失真，如图8－20所示。

由此可见，加大RLC将受到产生惰性失真的限制。可以证明，二极管包络检波器不产生惰性失真的条件为（8－25）图8－20惰性失真示意图

2）负峰切割失真二极管包络检波器在实际应用中往往通过一个隔直耦合电容CC与下一级放大器相连，如图8－21（a）所示，这样就会使检波器的直流负载和交流负载不相等而有可能导致产生所谓的负峰切割失真，如图8－21（b）所示。图8－21负峰切割失真示意图

(a)电路；（b）输入、输出波形或 8.4混频电路

8.4.1混频的基本概念

混频电路也称变频电路（MixerConvertor），是现代通信系统中的重要组成部分。混频的作用是不失真地将各种已调信号的载频从原来的fc变换到某一个中频fI，使接收系统更简单、方便地处理和解调已调信号。

从上述混频的作用可知，混频电路的实质也是实现线性的频谱搬移功能，因此，它同样可以用相乘器和带通滤波器来实现。图8－22所示为混频电路的实现模型，图中，uL(t)=ULmcosωLt是由本地振荡器产生的本振信号，相应的ωL=2πfL称为本振角频率，它与载频fc和中频fI的关系满足

（8－27a）或（8－27b）其中，满足式（8－27a）称为下混频（或下变频）；满足式（8－27b）称为上混频（或上变频）。通常在接收机中广泛采用下混频（下变频），如调幅中波广播接收机就是采用下混频，并规定中频为465kHz。图8－22混频器的实现模型图8－23混频电路的频谱搬移原理

（a）输入已调信号频谱;（b）混频器输出频谱8.4.2混频电路

1.二极管双平衡混频器

图8-24所示为二极管双平衡混频器，也称为环形混频器。其中，图（a）为其方框图；（b）为其组成原理图。它是由四个（D1~D4）性能一致的二极管组成环路，它具有本振（L）输入、射频（R）输入和中频（I）输出三个端口，Tr1和

Tr2为宽频带变压器。图8－24二极管双平衡混频器

（a）方框图；（b）原理图由此解得（8－28）（8－29）图8-25环形混频器的等效电路（8－30）（8－31）图8－26两个相差180°的单向开关函数合成双向开关函数二极管环形混频器的主要性能指标是混频损耗和隔离度，其混频损耗的理论值约为4dB，实际一般可达7dB左右；而隔离度，一般只要保证四个二极管的一致性和变压器的对称性，就能使L与R和I端口之间的相互隔离度能达40dB。另外，二极管环形混频器除了用作混频外，还可应用于振幅调制、解调等线性频谱搬移电路。

2.集成模拟乘法器构成的混频器

许多集成模拟乘法器（或调制器）都可以构成混频器，如MC1496、MC1595、AD831等，有的还利用双差分模拟相乘原理，制成了专门的混频产品如MC13143、MAX2680等，这些集成混频器具有功耗低、频带宽（如MC13143的电源电压范围为1.8~6.5V，工作电流1mA；工作频率范围为DC~2.4GHz）和线性好等特点。图8－27所示是MAX2680的典型应用电路。其中，LO为本振输入端口，它是一个工作频率范围为400~2.5GHz的宽带口；RF为射频输入端口，频率范围为400MHz~2.5GHz；IF为中频输出端口，频率范围为10MHz~500MHz。在实际应用中，射频端口的输入阻抗、中频端口的输出阻抗以及相应的阻抗匹配网络参数可查阅产品资料。图8－27

MAX2680的典型应用电路8.4.3混频干扰与失真

混频电路是由非线性器件构成，而非线性器件会产生各种干扰和失真。因此，混频器在对输入有用信号进行频率变换时，除了产生所需的中频分量外，也会产生许多无用的频率分量，其中某些无用分量会非常接近或等于中频，对有用信号造成干扰；另外，混频器在输入有用信号的同时，避免不了会输入各种干扰信号，有的与有用信号的频率非常接近，这些干扰信号会和有用信号一起与本振信号进行变频，产生由干扰信号形成的中频分量，从而对输出有用的中频信号产生干扰和失真。

1.混频干扰

1）干扰哨声

若假设调幅广播接收机的混频器仅输入频率为fc的有用信号，考虑混频器的非线性特性，则混频器的输出频率分量的通式为（8－32）其中，只有p=q=1会产生有用的中频分量，其余大量的均为无用分量。当无用分量中的某些值非常接近于中频（如只差可听的音频频率F）时，即（8－33）它们都能顺利地通过中频放大器，最后检波器在检出有用信号声音的同时，也会检出频率为F的差拍信号所形成的哨叫声，这种干扰称为干扰哨声。

通常满足式（8－33）中，只有几个p、q较小的影响较大，其中影响最大的是p=0，q=1，此时fc≈fI。因此，为了避免这个最强的干扰哨声，接收机的中频