振幅调制、解调与混频电路

1、通信工程学院1振幅调制、解调与混频电路通信工程学院2引言与概述引言与概述调制调制(Modulation)：由携有信息的电信号去控制高频振荡信号的某一个或某几个参数（幅度、相位、频率），使该参数按照电信号的规律而变化的一种方式。调制信号：有信息的电信号，可以是模拟信号，也可是数字信号；载波：高频振荡信号，频率通常远高于调制信号，可以是正弦信号，也可是非正弦信号；已调信号：是指受调制后的高频振荡信号，即已经把调制信号加载到载波中的信号。解调解调(Demodulation)：是调制的逆过程，即从已调信号中提取原调制信号的过程。通信工程学院3地位：是通信系统的基本组成电路。特点：将输入信号进行频谱变换

2、，以获得具有所需频谱的输出信号。频率变换电路频谱搬移电路（线性变换）频谱非线性变换电路振幅调制与解调、混频、频率调制与解调电路振幅调制与解调、混频、频率调制与解调电路频谱搬移电路频谱搬移电路：将输入信号的频谱沿频率轴搬移。特点：仅频谱搬移，不产生新的频谱分量频谱非线性变换电路频谱非线性变换电路：将输入信号的频谱进行特定的非线性变换。特点：产生新的频谱分量通信工程学院4注意：线性与非线性仅针对频域，而对于时域则都属于非线性变换。信号的三种表示法：表达式、波形图、频谱图载 波复音调制波单音调制波频 谱波 形表达式信号 max1mcos)(nnntnVtv tVtvcos)( tVtvccmccos

3、)( 通信工程学院5本章主要用到的信号系统知识点：公式 000000cossin2ttjjKK 定理 121212121( )( )*2( )*( )x t x tXXx tx tXX以及常用三角公式傅里叶级数展开泰勒级数展开通信工程学院64.1 频谱搬移电路的组成模型频谱搬移电路的组成模型4.1.1 频谱搬移电路的组成模型频谱搬移电路的组成模型调幅AM(Amplitude Modulation) 普通调幅，基础 DSB(Double Sideband Modulation) 抑制载波的双边带调幅 SSB(Single Sideband Modulation) 抑制载波的单边带调幅 通信工程学

4、院7一、一、AM信号及其电路组成模型信号及其电路组成模型1.电路组成模型AM信号：载波信号振幅在原值上下按照低频（调制）信号规律变化，即：Om0accosv (t)Vk v (t) tm0cmVkV未经调制的输出载波电压振幅a, k k取决于调幅电路的比例常数m0aVk v (t)要求：通信工程学院8组成模型:加法器 + 相乘器图中，AM ：相乘器乘积系数；A：相加器的加权系数；且 A = k，AM AVcm = ka。通信工程学院92.单音调制调制信号mm( )coscos2vtVtVFt 已调信号Om0acm0ac( )(cos)cos (1cos)cos mvtVk VttVMtt式中

5、Vm0 (1 + Ma cos t) ：vO(t) 的振幅，反映调制信号的变化，称为调幅信号的包络。 通信工程学院10表征调幅信号的重要参数。amam0k VMVmaxminmaxmin100%mmammVVMVVmmaxm0a(1)VVMmminm0a(1)VVM最大振幅最小振幅1aM 否则产生过调幅失真调幅度通信工程学院11Om0cam0cm0cam0cam0c( )coscoscos11 coscos()cos()22vtVtM VttVtM V tM V t频谱单音调制时调幅信号的频谱：由三个分量组成角频率为 的载波分量；ccc角频率为 的上边频分量；角频率为 的下边频分量两边频为相乘

6、器对 v(t) 和 vc(t) 相乘的结果，负半频率部分没画。特点：上下两个边频(带)对称,成镜像。通信工程学院123.复杂音调制调制信号v(t) 为非余弦的周期信号，其傅里叶展开式为maxm1( )cosn nnvtVn式中，nmax = max / = Fmax / F， max = 2Fmax 为最高调制角频率，其值小于 c 。maxOm0acm0amc1( )( )coscoscosnnnvtVk vttVkVntt 已调信号通信工程学院13频谱maxmaxaamcmcc11coscoscos()cos() 2nnnnnnkkVnttVntnt 通信工程学院14BWAM = 2Fmax

7、频谱宽度结论调幅电路组成模型中的相乘器可对 v(t) 和 vc(t) 实现相乘运算，其结果 ：在波形上，将 v(t) 不失真地转移到载波信号振幅上；在频谱上，将 v(t) 的频谱不失真地搬移到的 c 两边；复杂音调制的调制度Ma是各个单音调制度的平方和开根号。通信工程学院154.一般理论性推导（补充）AM0c( )( ) cosStAf tt已调信号式中 为外加的直流分量（目的是为了包络检波）， 为调制信号， 载波角频率。 0A( )f tc0( )0Af t不产生过调幅失真的条件时域a0( )f tMA通信工程学院16AM0c( )( ) cos( ) ( )StAf ttm t C tAM

8、1( )( )( )2SMC0( )2( )( )MAF cc( )()()C AM0cc0cccc1( )2( )( )()()21()()()()2SAFAFF 频域通信工程学院17( )Fcc( )AMS通信工程学院185.功率单音调制时调幅信号电压在载频信号一个周期内的平均功率：222m0acc-222m0a0a1( )(1cos) cos21(1cos)(1cos)2P tVMttdtVMtPMt式中， ：载波分量产生的平均功率。20m0/2PV2max0a1PPM2min0a1PPMa1?M 通信工程学院19 P(t)在一个调制周期内平均功率2av0a20a0SB11( )(1co

9、s)221 (1)2PP t dtPMtdtPMPP ：上、下边频分量的功率，称为边频功率。2SBa012PM P讨论aM与调制效率的关系？AM的调制效率如何？通信工程学院20二、双边带和单边带调制电路组成模型二、双边带和单边带调制电路组成模型1. 双边带调制信号目的：为了克服普通调幅波效率低的缺点，提高设备的功率利用率，可以不发送载波，而只发送边带信号。定义：仅传输两个边频的幅度调制方式称为抑制载波的双边带调制，简称双边带调制。Oac( )cosv (t)k vt t通信工程学院21通信工程学院22组成模型OMcmc( )( )cosvtA V vttMcmaA Vk讨论其包络与调制信号不一

10、致；调制效率高；信号的带宽与AM信号一样。通信工程学院232. 单边带调制信号定义：仅传输一个边带(上边带或下边带)的调制方式称为单边带调制 。目的：节省发射功率；频谱宽度压缩一半，BWSSB = Fmax。实现模型滤波法 相乘器：产生双边带调制信号；滤波器：取出单边带信号。通信工程学院24通信工程学院25实现模型相移法相乘器、90 相移器、相加器组成通信工程学院26O1MmcmcMmcmcc( )coscos1cos()cos() 2vtA VVttA VVtt相乘器I相乘器IIO2MmcmcMmcmcMmcmcc( )cos()cos()22sinsin1cos()cos() 2vtA V

11、VttA VVttA VVtt 通信工程学院27O1O2MmcmcOO1O2Mmcmc( )( )cos()( )( )( )cos()vtvtA VVtvtvtvtA VVt对于复杂信号调制上面的模型也成立。通信工程学院28( )USBS( )LSBS( )coscF f tt( )sincFf tt( )F通信工程学院294.1.2 振幅解调和混频电路的组成模型振幅解调和混频电路的组成模型特点：均实现频谱不失真地搬移，两类组成模型类似。一、振幅解调电路一、振幅解调电路振幅调制信号的解调电路称为振幅检波电路，简称检波电路(Detector)。振振幅幅调调制制波波的的解解调调电电路路O( )v

12、tS( )v t本质：将振幅调制信号频谱不失真地搬回零频附近，也是一种频谱搬移电路。定义通信工程学院30组成模型： 同步信号( )cosrrmcv tAt( )( )cossacv tk vtt：已调信号( )( )coscos11( )( )cos222acrmcarmarmcv tk vtt Atk A vtk A vtt通信工程学院31低通滤波器通信工程学院32讨论同步信号必须与输入信号保持严格同步（同频/同相），即相干，否则检波性能会下降。rrmcSac( )cos( )( )cosv tVtv tk vtt相乘器输出电压并经过低通滤波之后的有用分量为Mrm( )cos()2aAV k

13、 vtt另一种非同步检波电路包络检波电路。通信工程学院33二、混频电路二、混频电路(Mixer/Convertor) 1.作用频谱搬移：将载频为 fc 的已调信号 vS(t) 不失真地变换为载频为 fI 的已调信号 vI(t) 。vL(t)：本振电压，fL ：本振频率。vI(t)：中频频率(Intermediate Frequency, IF)。通信工程学院34fL、fI 、fc 之间的关系为cLcLILcLcfffffffff，下混频(Down-Convertor)上混频(Up-Convertor)2. 组成模型IcLfff或IcffIcff通信工程学院35通信工程学院364.1.3 小结小

14、结振幅调制电路、振幅解调电路、混频电路都属于频谱搬移电路，它们都可以用相乘器和相应滤波器组成的模型来实现。相乘器的作用就是将输入信号频谱不失真地搬移到参考信号频率的两边，或者说，输入信号频谱向左右搬移参考信号频率的数值。滤波器则是取出有用分量，抑制无用分量 。通信工程学院37电路类型输入信号参考信号滤波器振幅调制电路调制信号载波信号带通振幅检波电路已调振幅调制信号同步信号低通混频电路已调信号本振信号带通( )vtS( )v tS( )v tccmc( )cosv tVtrcmc( )cosv tVtLLmL( )cosvtVt通信工程学院384.2 相乘器电路相乘器电路 实现：利用非线性器件。

15、 类别 电阻性电抗性按非线性器件按输入信号注入方式两输入信号加到同一器件输入端两输入信号加到不同器件输入端通信工程学院394.2.1 非线性器件的相乘作用及其特性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一、非线性器件相乘作用的一般分析二极管、晶体管的交流伏安特性可表示为：( )if v式中，v = VQ + v1 + v2VQ ：静态工作点电压， v1、v2 ：输入电压。将f(v)在VQ处进行泰勒展开：nnvvavvavvaai)()()(2122122110Q( )Q()1( )!nnnv VnfVd f vandvn通信工程学院40由于nmmmnnvvmnmnvv021

16、21)!( !)(所以0021)!( !nnmmmnnvvamnmni讨论：在两个电压同时作用下，响应电流中： 出现了两个电压的相乘 2a2v1v2，(m = 1，n = 2) 出现了无用高阶相乘项，(m 1，n 2)。 设 则组合频率分量p,q = | p1 q2|，(p，q = 0，1，2 ，) (p+q)为偶数的组合频率分量均是由级数中n大于或等于(p+q)的各偶次方项产生的； (p+q)为奇数的组合频率分量均是由级数中n大于或等于(p+q)的各奇次方项产生的 。 11m122m2cos,cosvVt vVt通信工程学院41产生频率分量，其最高谐波次数为n。消除无用组合频率分量的措施：从

17、器件的特性考虑。选用具有平方律特性的场效应管；选择合适的静态工作点；从电路考虑。采用多个非线性器件组成平衡电路，抵消部分无用组合频率分量；采用补偿或负反馈技术实现接近理想的相乘运算；从输入电压大小考虑。限制信号值使器件工作在线性时变状态，可以获得优良的频谱特性。 通信工程学院42二、线性时变状态二、线性时变状态1. 线性时变表达式将 i = f (VQ + v1+ v2 ) 在 (VQ + v1) 点上对 v2 进行泰勒级数展开，即2Q12Q1Q12Q121()()()()2!if Vvvf Vvf Vv vfVv vQ110()nnnf Vva v1Q111()nnnf Vvna v2Q11

18、2!()(2)!nnnnfVva vn与(4-2-4)比较可得，通信工程学院43若 v2 很小，上式简化为 112()()QQif Vvf Vv vf(VQ + v1) 和 f (VQ + v1) 是与v2无关的系数，但受v1影响，称为时变系数时变系数或时变参量时变参量。210100()( )( )Qvf VvIvI ti时变静态电流2110()( )( )Qvdif Vvg vg tdv时变增量电导0112( )g( )iIvv vi与v2之间的关系是线性的，类似于线性器件，但是它们的系数是时变的，因此将这种器件的工作状态称为线性时变。这种状态十分适宜于构成频谱搬移电路。通信工程学院442.

19、 频率成分若 v1 = V1mcos1t ，它的傅里叶展开式11m101121( )(cos)coscos2g vg Vtggtgt0111( )d2gg vt 式中1111( )cosd(1)ngg vnttn 121m12m202m212m1222m12( )(cos)coscoscoscoscos2cosg v vg Vt Vtg VtgVttg Vtt与v2相乘组合频率分量仅为12p，且无用频率分量与有用分量间隔容易设计得较大（ ） ，便于滤波。12通信工程学院45三、半导体器件的线性时变模型三、半导体器件的线性时变模型1. 二极管v1 = V1mcos1t 足够大，设 VQ = 0，

20、则在 v1 作用下，I0(v1)、 g(v1) 的波形如图：引入 K1(1t) 代表高度为 1 的单向周期性方波，称为单向开关函数：通信工程学院461111111122()coscos32312 ( 1)cos(21)2(21)nnKtttntn 则 g(t) 和 I0(t) 可分别表示为001D 111( )( )()I tI vg v Kt1D11( )( )()g tg vg Kt因此，对右图中电路，当 v1 足够大， v2 足够小时，通过二极管电流02D1211( )( )()()iI tg t vgvv Kt通信工程学院47二极管用受 v1(t) 控制的开关等效是线性时变工作状态的一

21、个特例，对v1, v2取值有要求。它可进一步减少组合频率分量。这种状态称为开关工作状态。通信工程学院482. 差分对管特点：由多个非线性器件组成的平衡式电路，v1 和 v2 分别加在不同的输入端，实现 f (v1) 和 f (v2) 相乘的特性。1C1C20Tth2VviiiI牢记公式：,22,xxxxxxxxxxxxeeeeshxchxeeeethxcthxeeee注：通信工程学院491C1C22T()th2VviiiABv即差分对管工作在线性时变状态。差分对管差模特性差模输入： v1 = V1mcos 1t若有： I0 = A + Bv2A 和 B 为常数，代入差模特性，差分对管输出差值电

22、流为 ：通信工程学院50结论：利用两管的平衡抵消原理，差分对管的输出电流中减少了直流分量与 p 为偶数的众多组合分量。120112T()th( )( )2VviABvIvg v v1021111T( )th2()cos(21)2VnnvI tAAxnt121111T( )th2( )cos(21)2Vnnvg tBBxnt式中1m1TVVx 是(2n - 1) 次谐波分量的分解系数21n通信工程学院51x10.00.51.01.52.02.53.04.05.07.010.0 1(x1)0.00000.12310.23560.33050.45080.46310.50540.55860.58770

23、.61120.62570.6366 3(x1)0.0000 0.0046 0.0136 0.0271 0.0435 0.0611 0.1214 0.1571 0.1827 0.2122 5(x1)0.00000.002260.00970.03550.05750.08310.1273通信工程学院52当 x1 很大(x1 10 ，即 V1m 260 mV)时，趋于周期性方波，可近似用双向开关函数 K2(1t) 表示，即1121th(cos)2xtKt通信工程学院531211111444()coscos3( 1)cos(21)3(21)nnKtttntn 优点：相比二极管电路，双差分对电路无直流分量

24、，幅度加倍。不必将v2限制在很小数值内，只要保证I0受到v2线性控制即可。通信工程学院54线性时变器件适宜构成频谱搬移电路的原因：线性时变器件输出电流中存在众多组合频率分量，但无用分量均远离有用分量，易于滤波。 两种非线器件实现线性时变工作比较：四、小结与展望四、小结与展望 二极管差分对管 组 成单个非线性器件多个非线性器件(差分对管)组成平衡式电路 特 点信号加在同一器件输入端 信号加在不同器件输入端 v2 幅度受限v2 幅度不受限，(线性)输出电流无 q = 1，p 为偶数组合频率分量同左，且无平均分量通信工程学院55非线性器件构成相乘器电路的两种模式： v1 和 v2 直接相乘。必须采取

25、平衡、反馈等措施消除无用的高阶相乘项，并扩展两输入信号电压的动态范围。应用于频谱搬移电路，信号处理电路。例：对数-反对数相乘器、双差分对模拟相乘器。 将 v2 与经非线性变换的 v1 相乘。用于频谱搬移电路，例：双差分对平衡调制器，大动态范围平衡调制器，二极管环形混频器。问题：相乘器与混频器有何区别？通信工程学院564.2.2二极管平衡、双平衡混频器二极管平衡、双平衡混频器(Diode Double-balanced Mixer)思路：采用线性时变工作状态可以减少不必要的频率分量，还可以从电路角度考虑，用平衡电路进一步抵消不必要的频率分量。一、二极管平衡电路一、二极管平衡电路112112121

26、1()()ivvKtivvKt122112()iiiv Kt21211DL2()2viiiKtRR通信工程学院57思考：和二极管开关电路比较频率分量。二、二极管双平衡电路二、二极管双平衡电路通信工程学院58三端口： R输入口，vS = Vsmcosct；L本振口， vL = VLmcosLt；I 输出口，RL 为负载电阻，取出中频信号。Tr1、Tr2：宽频带变压器，中心抽头，初、次绕组匝数比为 1 : 1。若VLm Vsm，则可认为各二极管均工作在受 vL 控制的开关状态。 通信工程学院59 vL 正半周，D2、D3 导通，D1、D4 截止S2DL23LS3DL32L()0()0vi Rvii

27、 Rvi Rvii RS23LD22viiRR消去 vL s231LLD2()2viiKtRR通信工程学院60 vL 负半周，D2、D3 截止，D1、D4 导通。同理可求 vL 负半周时的情况开关函数为 K1(Lt - )S141LLD2()2viiKtRR通信工程学院61通过 RL 的总电流为O1423S1L1LLDsmc2LLDsmcLLLD()()2 ()()22cos ()22cos44 coscos323iiiiivKtKtRRVtKtRRVtttRR 双平衡混频器的输出电流中仅包含(pL c ) (p为奇数）的组合频率分量，而抵消了 L、 c 以及p为偶数，q=1的组合频率分量。通

28、信工程学院62若令 I = L c 则通过的中频电流为smILcLD4cos() 2VitRR 通信工程学院63环形混频器(Ring Mixer)：各个端口之间有良好的隔离，即L端口和R端口对I端口是隔离的；L端口对R端口是隔离的；R端口对L端口是隔离的。实际情况，极少量功率在各端口之间窜通。通信工程学院64二二 、混频损耗、混频损耗(Conversion Loss)定义：在最大功率传输条件下，输入信号功率 PS 对输出中频功率 PI 的比值，其单位用分贝表示。分贝数越大，混频损耗越大，输出中频信号的能力越差。ScI10lgPLP加到输入信号源端电流ii为： i14321423S1L1LLDS

29、LD2 ()()22 2iiiiiiiiivKtKtRRvRR通信工程学院65通常RLRD，所以接在输入信号源端的等效负载电阻为SiLDLi12vRRRRi令Rs=Ri=RL，实现功率匹配，则22SSSSLL4VVPRR输出中频电压有效值为SiLSLD42 2VVRVRR相应的输出中频功率为2ISL21PVR通信工程学院66混频损耗为2ScI10lg10lg4dB4PLP讨论 考虑变压器和二极管损耗，Lc 约为 6 8 dB；工作频率增高时，Lc 将相应增大。 工作条件：本振口功率足够大(二极管开关工作)，而输入口功率必须远小于本振功率。否则 Lc 均将增大。若用作双边带调制电路，由于变压器的

30、低频响应差，则： I 端：调制信号 v 。R 端：载波信号 vc 。 L 端：双边带信号输出。通信工程学院67二极管平衡混频器电路的分析方法：电路中的二极管工作在受参考信号控制的开关工作状态，这决定了这类电路的分析方法与步骤：分析参考信号大于零、小于零时，每个二极管的导通情况；画出参考信号大于零、小于零时的等效电路；二极管用其开关等效电路等效；利用KVL和KCL列电路方程，解方程即可。通信工程学院684.2.3 三极管三极管Gilbert电路电路一、双极型一、双极型Gilbert电路相乘器电路相乘器通信工程学院691. 电路组成原理平衡调制器的输出电流i和i由上面两差分对输出电流合成。III1

31、3241243()()()() iiiiiiiiiii1125T1436T2V2Vviii thviii th156T()2Vviii th2560T 2VviiI th120TT 2V2VvviI thth故结论：双极型Gilbert电路不能直接实现v1和v2的相乘运算，仅提供了两个非线性函数(双曲正切)相乘的特性。通信工程学院70双差分对平衡器调制器的三种工作状态1226mV, 26mVvv此时T/ 2V0.5vTTth2V2Vvv1 202T4VvviI实现了相乘运算。通信工程学院71226mVv ,v1为任意值012TTth2V2VIviv实现线性时变工作状态。2126mV, 260m

32、Vvv0221T2VIiv Kt实现开关工作状态。讨论：上述三种状态都要求v2取小值，采用反馈技术可扩展其动态范围。通信工程学院722. 扩展v2的动态范围2vER+_02I02IEEV5T6T5i6ieiRe：负反馈电阻2BE5eEBE6 vvi Rv根据BETVCS viI e可得BE5BE6T56=V ln/vvii256eEV ln( / ) Tviii R则通信工程学院73电路中5E50e6E60e/2/2iiIiiiIi因而56e0e0ln/ln 12 /ln 12 /iiiIiI根据234111ln 1234xxxxx若e02 /0.5xiI则56e0ln/4 /iiiIT e2

33、eEeEeE04V=2 eivi RiRri RI则x的三次方及其以上各次方项可忽略通信工程学院742256eEeE2222vviiiRrR平衡调制器的输出差值电流为12156TET2thth2V2VvvviiiR允许的最大动态范围为0ET20ET11VV44I RvI R举例通信工程学院75XFC1596 集成平衡调制器扩展扩展 v 动态范围动态范围可扩展可扩展 v 动态范围的动态范围的差分对平衡调制器差分对平衡调制器恒流源恒流源负载电阻负载电阻载波载波调制调制平衡电位器，确平衡电位器，确保保 v = 0 时时 i = 0T7T8 偏置电阻偏置电阻T5T6 偏置电阻偏置电阻T1T2 偏偏置电

34、阻置电阻通信工程学院76XFC1596用于同步解调：可解调AM、DSB、SSB、VSB（残留边带）调制信号。通信工程学院773.扩展v1的动态范围。E2R_02IEEV1T2TIi3T4TCRCRCCVIIi7T8TKRKI7i5i1v2v9T10T9iE1R02I02I5T6T_6i02I8iT7T10组成补偿回路。通信工程学院78BE7BE878kTth2VvviiIBE7BE8BE1BE2BE4BE3vvvvvv则78BE1BE21255TkBE4BE3784366Tkth2Vth2ViivviiiiIvviiiiiiI因而双差分对管的输出差值电流 56781243kiiiiiiiiiI

35、即T7、T8和T1 T4共同构成两个差值电流相乘的电路。通信工程学院79T9、T10、RE1构成与T5、T6、 RE2相同的电压电流线性变换电路。1910E1256E222viiRviiR0E1T10E1T0E2T20E2T11VV4411VV44I RvI RI RvI R且91078iiiiMA相乘器的相乘增益，单位为1/V。1 2III0E1E2COC1 2M 1 20E1E244v viiiI R RRviRv vA v vI R R通信工程学院804.2.4 集成模拟相乘器集成模拟相乘器(Integrated Analog Multiplier)MA xyxyxvyvOvIIIIII

36、IVxv0yvOMxyvA v v又称为四象限相乘器。OMREFyOMREFxVVvAvvAv构成可控增益线性放大器。通信工程学院81实际情况：电路中固有的不对称性和非线性失调产生的偏差输出失调电压：VOO, VXIO, VYIO；馈通误差EYF, EXF。相乘特性非理想性产生的偏差总误差E；非线性误差ENL。其他限制因素小信号带宽，转移速率，全功率带宽，建立时间等。通信工程学院82双差分对模双差分对模拟相乘器，拟相乘器，实现电流相实现电流相乘乘外接阻扩外接阻扩展展 v v2 2 动动围围恒流源，恒流源，提供偏置提供偏置V V- -I I 线性线性变换器变换器外接阻扩外接阻扩展展 v v1 1

37、 动围动围通信工程学院83大动态范围平衡调制器大动态范围平衡调制器AD630AD630是用两只增益相同的同相和反相放大器交替工作而构成的平衡调制器，可以有效地扩展v2的动态范围(高达100dB)。一、组成原理一、组成原理A1+A2A312C+S1R2R3RfR2v1vOv通信工程学院84A1与A3级联，接成反相放大器增益 Avf1 = Rf / R1A2与A3级联，接成同相放大器增益 Avf2 = 1+Rf / R2增益相等，则或ff211RRRR1f2/RRR输入电压 控制电压比较器，进而控制开关S。fO2211Rvv KtR11m1Vcosvt构成工作在开关状态的平衡调制器。通信工程学院8

38、5二、主要特性二、主要特性开环增益和共模抑制比高110dB转移率快45V/s单位增益带宽大2MHz输入动态范围大100dB放大器隔离度高100dB可用作模拟开关通信工程学院864.3 混频电路混频电路地位：超外差接收机的重要组成部分。作用：将天线上感生的输入高频信号变换为固定的中频信号。重要性：靠近天线，直接影响接收音机动态范围等性能。种类： 一般接收机中：三极管混频器。 高质量通信接收机：二极管环形混频器、双差分对平衡调制器混频器。通信工程学院87通信工程学院884.3.1 通信接收机中的混频电路通信接收机中的混频电路一、主要性能指标一、主要性能指标1. 混频增益 混频增益是指混频器的输出中

39、频信号电压Vi（或功率PI）对输入信号电压Vs（或功率PS）的比值，单位是分贝（dB）。ics20lgVAV或Ic10lgSPGP或者用混频损耗Lc表示。通信工程学院892. 噪声系数混频器的噪声系数是指输入信号噪声功率比(PS / Pn)i对输出中频信号噪声功率比(PI/Pn)o的比值，单位是分贝（dB）。SniIno/10lg/PPNFP P3. 1dB压缩电平当输入信号功率较小时，混频增益为定值，输出中频功率随输入信号功率线性地增大；以后由于非线性，输出中频功率的增大趋于缓慢，直到比线性增大低于1dB时所对应的输出中频功率电平称为1dB压缩电平(1dB Compression Level

40、)，用PI1dB表示。通信工程学院901dB0PI1dBI/dBmPS/dBmPPI1dB所对应的输入功率是混频器动态范围的上限电平；而混频器的下限动态电平则是由噪声系数确定的最小输入信号功率单位dBm =P10lg1mW通信工程学院914. 混频失真混频器件非线性，使输出电流包含众多无用组合频率分量，若某些靠近中频，则中频滤波器无法将它们滤除，叠加在有用中频信号上，引起的失真称为混频失真。5. 隔离度本端口功率与其窜通到另一端口的功率之比，称为隔离度；单位是分贝（dB）。它的危害在于它会通过输入信号回路加到天线上，产生反向辐射而严重影响到邻近的接收机。通信工程学院92二、二极管环形混频器和双

41、差分对混频器二、二极管环形混频器和双差分对混频器1. 二极管环形混频器(Level 7/17/23)优点：工作频带宽（几十千赫几千兆赫）、噪声系数低（约6dB）、混频失真小、动态范围大缺点：没有混频增益、隔离度低、需要匹配网络2. 双差分对平衡混频器(AD831)优点：混频增益大、不需要匹配网络、外加本振功率小、隔离度高、集成化缺点：噪声系数大（10dB）、动态范围小 通信工程学院934.3.2 三极管混频电路三极管混频电路电路简单，通常用于要求不高的接收机中。一、作用原理一、作用原理通信工程学院94L1C1为输入信号回路，调谐在fc上L2C2为输出中频回路，调谐在fI上vL=VLmcos L

42、t为本振电压，接在基极回路vS=Vsmcos ct 为信号电压（很小、满足线性时变条件）VBB0为基极静态偏置电压vBB(t)=VBB0+vL为三极管的等效偏置电压（时变基极偏压）vBE=VBB0+vL+vSCBEC0LmLSif vIvgvv mLm0m1Lm2Lcoscos2gvgtggtgt通信工程学院95 mgt中基波分量与输入电压vS相乘，并令I= L c 得到中频电流分量IImIm1smLcm1smImcsmI11coscoscoscos22iItg Vtg Vtg VtImmcm1sm12IggV称为混频跨导，定义为输出中频电流幅值对输入信号电压幅值之比，其值等于gm(t)中基波

43、分量幅度的一半。若设中频回路的谐振电阻为Re，则所需的中频电压vIiIRe，相应的混频增益为ImCmcesmVAgRV 通信工程学院96结论：满足线性时变的条件下，三极管混频电路的混频增益与gmc成正比，而gmc又与VLm和静态偏置有关。3211230000Q近似指数律区近似线性区CiBEvBB0VBEvLvLt mgtmgLt三极管转移特性曲线其个点斜 率 连 线 即 为 跨 导 特 性gm(vBE)。当VBB0一定，VLm ，则gmc ，直到gm(t)趋近方波，gmc到达最大值。通信工程学院970自给偏置mcgLmV固定偏置LmoptV实际情况，由于自给偏置效应，基极偏置电压将自静态值VB

44、B0向截止方向移动。反之，当VLm一定，改变VBB0时，gmc也会相应变化。通信工程学院98二、电路二、电路本振（虚框）：电感三点式；Le, Lb取值较小，本振回路对输入信号严重失谐；输入回路对本振信号严重失谐，保证隔离度。通信工程学院994.3.3 混频失真混频失真产生原因：由混频器的非线性所引起。分类组合频率干扰干扰哨声寄生通道干扰（混频器特有)交调失真非线性失真互调失真加在混频电路输入端的信号有：tcos)(tcos)(LLmLcsmsVtvVtv，本振电压：输入电压：tcos)(MMmMVtv干扰电压：通信工程学院100一、干扰哨声和寄生通道干扰一、干扰哨声和寄生通道干扰1. 干扰哨声

45、产生原因：有用信号+本振信号混频器件输出电流组合频率分量：fp,q =| pfL qfc |变换通道：p、q 值及其正负号，振幅随p, q值的增加而减少只有 p = q = 1 的通道是有用的，它可以将输入信号频率变换为所需的中频，而其余大量的变换通道无用甚至有害。若存在某一对p和q，使得| pfL qfc | = fI F ，F为音频频率（低频），则该通道能顺利通过中频放大器，收听者能同时听到有用信号以及检波后的差拍信号（频率F）形成的哨叫声，称为干扰哨声。通信工程学院101例：fs = 931 kHz， fI = 465 kHz， fL = fs + fI = 1396 kHz 输出可能存

46、在 2fs fL = (2 9311396) kHz = 466 kHz 的组合频率，与 465 kHz 一起送到检波器，产生差拍现象，在扬声器听到 1 kHz 的哨叫。cLILcILcILcI qfpffFpfqffFpfqffFpfqffFcLILcILcILcI qfpffFpfpfqffFpfqffFqffF若令ILc fff通信工程学院102cI1pFffqpqp一般fI F，上式可简化为：cI1pffqp结论：产生干扰哨声的输入有用信号频率有无限多个，并且其值均接近于fI的整数倍或分数倍。p、q较大的干扰哨音可忽略。只有满足干扰哨音条件且落入接收机频段内的信号才会产生干扰哨音。通信

47、工程学院103减小干扰哨声的方法将产生最强干扰哨声的信号频率移到接收频段之外。由于当 p = 0，q = 1 时干扰哨声强，即 fc fI。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。如，中频接收机，fI 规定为 465 kHz。(中波：535 1605 kHz) 通信工程学院1042. 寄生通道干扰产生原因：干扰信号+本振信号当干扰频率 fM 与本振频率 fL 满足： | pfL qfM | = fI干扰信号就将其频率 fM 变换为 fI，顺利地通过中频放大器，造成干扰(收音机听到干扰信号)。这种干扰称为寄生通道干扰。此时收音机中既能听到正常广播声音，同时又能听到干扰电台声音。若令

48、ILc fffIMLcI1fpppffffqqqq可以形成寄生通道干扰的干扰信号频率为 通信工程学院105寄生通道干扰的两种最强情况：中频干扰(Intermediate Frequency)(p = 0，q = 1)fM = 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。镜像干扰(Image Frequency)(p = 1，q = 1)fK = fL + fI = fc + 2fI ，这种干扰信号，所通过的寄生通道具有与有用通道相同的p、q值，因此具有与有用通道相同的变换能力。通信工程学院106cMI1 qpfffpp当fM一定时，接收机能够在哪些fc

49、上收听到该干扰信号。例：当混频器输入端有fM=1000kHz干扰信号时，接收机能够在1070kHz(p=1,q=2)和767.5kHz（p=2,q=2）等频率刻度上收听到该干扰信号声音。通信工程学院1073. 小结干扰哨声由输入有用信号产生，而寄生通道干扰则是由输入干扰信号产生，它们都是混频器中特有的干扰现象。消除干扰哨声，必须将产生较强干扰哨声的信号频率移到接收频段以外，其中接近于中频的信号所产生的干扰哨声最强，因而必须将中频移到接收频段以外。克服寄生通道干扰的影响，就必须加大寄生通道干扰信号与有用输入信号之间的频率间隔，以便混频器前滤波器将寄生通道干扰信号滤除，不让它们加到混频器输入端。克

50、服中频干扰，应将中频选在接收频段以外，且远离接收频段。克服镜像频率干扰（它与有用信号之间的频率间隔为中频的两倍），高中频方案/二次混频结构。通信工程学院1084. 高中频方案低中频方案，将中频选在低于接收频段的范围。中频低，中频放大器容易实现高增益和高选择性。高中频方案，将中频选在高于接收频段的范围。中频很高，镜像频率干扰的频率远高于有用信号频率，混频前的滤波电路很容易将它滤除。例：短波通信接收机，接收频段为(230)MHz，中频选在70MHz附近。通信工程学院1095. 二次混频方案滤滤波波900MHz高高频频放放大大第第一一混混频频第第一一本本振振I1240MHzf第第一一中中放放滤滤波波

51、第第一一中中放放第第二二混混频频I210.7MHzf滤滤波波第第二二本本振振第第二二中中放放第第二二中中放放解解调调 vt高中频+低中频方案。通信工程学院110二、交调失真和互调失真二、交调失真和互调失真交调失真和互调失真不仅会在混频器中产生，也会在高频和中频放大器产生。它是由二个或多个输入信号通过非线性器件时产生的。1.交调失真(Cross-Modulation Distortion)原因：接收机前端电路选择性不好，有用信号 vS 和干扰信号 vM 同时串入混频器输入端，且二者皆为调幅波。现象：不仅可听到有用信号，同时也听到干扰信号。当接收机对有用信号失谐时，干扰信号也随之消失。如同干扰台调

52、制信号调制在有用信号频率上，故称交叉调制干扰。特点：混频器件非线性的高次方项引起的，且与干扰信号电压振幅的平方成正比。通信工程学院111设混频器件在静态工作点上展开的伏安特性为i = f (v) = a0 + a1v + a2v2 + a3v3 + a4v4 + 其中v = vL + vS + vM = VLmcosLt + Vsmcosct + VMmcosMtv 的二次方项(展开式中的 2a2vLvS)、四次方项(展开式中 的 及更高偶次方项均会产生中频电 流 分 量 。 其 中 产 生 的 中 频 电 流 分 量 振 幅为 ，其值与 VMm 有关。3324 L S4 L S4 L S M

53、4412a v va v va v v v24L S M12a v v v24LmSmMm3V V Va这种失真是将干扰信号的包络交叉地转移到输出中频信号上去的一种非线性失真，故称为交叉调制失真。 通信工程学院1122. 互调失真(Intermodulation Distortion)原因：混频器输入端同时作用着两个干扰信号 vM1 和 vM2。令v = vL + vS + vM1+ vM2 = VLmcosLt + Vsmcosct + VM1mcosM1t+ VM2mcosM2t则 i 中将包含的组合频率分量p,q,r,sLcM1M2fpfqfrfsf 其中， fL fc = fI (p

54、= q = 1，r = s = 0)为有用中频分量，若LM1M2Ifrfsff将引起混频器输出中频信号失真。这种失真由两个干扰信号互相调制产生的，故称互调失真。 通信工程学院113若在 r 和 s 为小值时(r = 1，s = 2 或 r = 2，s = 1)的组合频率分量的频率趋近于 fI，即fL 2fM1 fM2) fI 或 fL (2fM2 fM1) fI亦即2fM1 - fM2 fc或2fM2 - fM1 fc这种互调失真最严重。由于 r + s = 3 ，称这种失真为三阶互调失真，它是由 v 四次方项中的 或 产生的。当VM1m = VM2m = VMm时，它们的幅度均为 24LM1

55、 M212a v v v24LM1 M212a v v v34LmMm32a V V通信工程学院1143. 三阶互调失真截点工程中往往将允许的最大三阶互调失真作为混频器（或高频放大器）的重要性能指标，且将它对应的最大输入干扰强度作为动态范围的上限。原理：有用输入信号产生的中频电流分量幅度为与Vsm成正比；而三阶互调失真分量的幅度与输入干扰信号幅度VMm的三次方成正比。通常将中频功率的延长线与三阶互调失真功率线的交点称为三阶互调截点(Third Order Intermodulation Intercept Point)，相应的互调失真功率用PIM3表示。2Lmsma V V通信工程学院1150

56、IP输出功率/dBm1dBIM3PI1dBPIMPIPIMP输入功率/dBmSMPPPIM3大体比PI1dB高(1015)dBm，可根据PIM3估算某一输入干扰电平所对应的输出三阶互调失真电平。通信工程学院116例：某一混频器，已知PI1dB=10dBm，对应的输入信号功率为0dBm，试求两个输入干扰电平均为-20dBm时的输出三阶互调失真电平。解：已知PI1dB，因而PIM3 PI1dB+(1015)dBm = (2025)dBm。取PIM3 25dBm，则对应的输入干扰功率PM = 15dBm。当PM = 20dBm，即自15dBm下降35dBm时，相应的PIM自PIM3下降105dBm，

57、即为-80dBm。0IM/dBmPIPIMPSM/dBmPP1020-10-20-302040-20-40-60-80-100IPIM3PI1dBP通信工程学院117抑制干扰的措施：1. 提高混频器前端电路的选择性例如：中频干扰，加中频陷波器。2. 适当选择中频频率 将中频选在接收频段之外。 采用高中频方案，使镜像干扰频率远离有用信号频率。3. 合理选择混频器工作点将 Q 点设置在混频器件特性的二次方区域，尽量减少三次方项或更高次项所引起的交叉调制干扰。4. 尽量采用组合频率分量少的混频电路与器件模拟相乘器、二极管平衡混频器等，具有输出组合频率分量数量少的特点。通信工程学院1184.4 振幅调

58、制与解调电路振幅调制与解调电路4.4.1 振幅调制电路振幅调制电路按功率高低分类：高电平调制电路：置于发射机的末端，要求产生功率足够大的已调信号。通信工程学院119低电平调制电路：置于发射机的前端，产生小功率的已调信号，而后通过多级线性功率放大器放大到所需的发射功率。一、高电平调幅电路一、高电平调幅电路 (High Level AM Circuit)优点：是可以不必采用效率较低的线性功率放大器，这对提高发射机整机效率有利。用途：调幅发射机（中波和短波）。电路：广泛采用高效率的丙类谐振功率放大器。包括集电极调幅电路 (Collector AM Circuit)和基极调幅电路 (Base AM C

59、ircuit)，以及调制信号同时加到集电极和基极上构成复合调幅电路。通信工程学院120载波电压通过双调谐回路加到T2管基极，输出端采用并馈方式和 型匹配网路。注意： C8为高频滤波电容，其容抗值对调制信号频率开路，对载波频率短路。通信工程学院121载波电压通过变压器耦合以及L型网络加到基极，C2高频滤波电容。通信工程学院122二、低电平调制电路二、低电平调制电路用途：实现双边带和单边带调制。优点：调制线性好，载波抑制能力强，而功率和效率的要求则是次要的（信号的特点）。载漏：表示载波抑制能力的强弱，指输出泄漏的载波分量低于边带分量的分贝数。例如 馈通误差。通信工程学院123三、滤波法单边带发射机

60、三、滤波法单边带发射机技术难度与载波频率高低密切相关过渡带。因此采用滤波法构成单边带发射机，一般均采用多级滤波。晶晶体体振振荡荡器器平平衡衡调调制制器器带带通通滤滤波波器器o1v音音频频放放大大器器100kHz(0.13)kHzv(9799.9)kHz(100.1103)kHz第第一一混混频频器器(100.1103)kHz晶晶体体振振荡荡器器2MHz(18971899.9)kHz(2100.12103)kHz带带通通滤滤波波器器o2v(2100.12103)kHz第第二二混混频频器器晶晶体体振振荡荡器器26MHz(2389723899.9)kHz(28100.128103)kHzo3v线线性性