振幅调制解调与混频电路

1、模数转换数据交换与处理功率放大功率放大输出换能信号传输模拟模拟信号信号调制调制小信号小信号放大放大数字数字信号信号调制调制载载波波产产生生信号解调信号解调数模转换数据交换与处理谐振功放谐振功放电源电源反馈控制器反馈控制器简易电子装置模拟通信系统数字通信系统力热声光力热声光传感器通信模块通信模块通信模块：通信模块： 发送发送接收接收晶 体振荡器倍频器倍频器低电平低电平调制器调制器谐振功放小信号放大器谐振调制功放混频器混频器高高 频放频放大器大器晶 体振荡器混频器混频器本 地振荡器中中 频放频放大器大器解调器解调器低 频功 放电源反馈控制器反馈控制器频率变换器频率变换器功率变换器功率变换器调幅、调

2、频、调相检波、鉴频、鉴相高频发送高频接收第第4章章 振幅调制、解调与混频电路振幅调制、解调与混频电路高效率传递信号的条件：将它搭载在高频载波上高效率传递信号的条件：将它搭载在高频载波上vc = Vcmcos（wct + j0）vW = VW mcosW t调幅调幅调频调频调相调相(kVcm+ ka vW ) cos ( wct +j0）Vm cos (wc + kf vW ) t+ j0Vm cos(wct + kp vW +j0)1.信号的调制信号的调制信信号号载波载波调幅波调幅波调相波调相波调频波调频波或有三个点或有三个点位：位：幅幅、频频、相相 搭载信号搭载信号有二个点位：有二个点位：

3、幅幅、角角搭载信搭载信号号调幅调幅调角调角 dt0vW = VW mcosW t(kVcm+ ka vW ) cos ( wct +j0） Vm cos (wc + kf vW ) t+ j0Vm cos(wct + kp vW +j0)2.信号的解调信号的解调调幅波调幅波调相波调相波调频波调频波振幅检波器振幅检波器鉴频器鉴频器鉴相器鉴相器用用相乘器相乘器检出振幅信号检出振幅信号鉴别频率检出信号鉴别频率检出信号鉴别相位检出信号鉴别相位检出信号低低 通通 滤滤 波波 器器 dt03.变频变频相乘器相乘器中频信号中频信号 f I = f L - f c本振信号本振信号 f L滤波器滤波器调幅信号调

4、幅信号 f c混频混频4.1 频谱搬移模型频谱搬移模型vc (t ) =VcmcoswctvW (t ) =VW mcosW t函数图函数图0Wwc普通函数式（时域函数）普通函数式（时域函数）傅氏变换式（频域函数）傅氏变换式（频域函数）频谱图频谱图电信号的表达方电信号的表达方法法VW (w) = AWVc (w) = Bwc4.1 频谱搬移模型频谱搬移模型vc =VcmcoswctvW =VW mcosW tVm0 (1+ Ma cosW t ) cos wct1. 普通调幅的频谱搬移模型普通调幅的频谱搬移模型+AM xyxy用用相乘器相乘器，实现信号的，实现信号的频率变换频率变换0wcVm0

5、 cos wct + 1/2 Ma Vm0 cos (wc+W ) t + 1/2 Ma Vm0 cos (wc- W ) twc- Wwc+WW4.1.1 振幅调制模型振幅调制模型wc载波载波信号信号载波信载波信号频谱号频谱原信号原信号频谱频谱原信号原信号普通调普通调制信号制信号普通调制普通调制信号频谱信号频谱vc =VcmcoswctvW =VW mcosW tAM xyxy01/2 Ma Vm0 cos (wc+W ) t + 1/2 Ma Vm0 cos (wc- W ) tW2. 双边带调幅的频谱搬移模型双边带调幅的频谱搬移模型VW mcosW t Vcmcoswctwcwc- Ww

6、c+W4.1.1 振幅调制模型振幅调制模型wc载波载波信号信号载波信载波信号频谱号频谱原信号原信号频谱频谱原信号原信号双边带调双边带调制信号制信号双边带调制双边带调制信号频谱信号频谱用用相乘器相乘器，实现信号的，实现信号的频率变换频率变换3. 单边带调幅的频谱搬移模型单边带调幅的频谱搬移模型 14.1.1 振幅调制模型振幅调制模型滤滤波波器器滤波器滤波器vc =VcmcoswctvW =VW mcosW tAM xyxy0 1/2 Ma Vm0 cos (wc- W ) tWwcwc- Wwc+Wwc载波载波信号信号载波信载波信号频谱号频谱原信号原信号频谱频谱原信号原信号单边带调单边带调制信号

7、制信号单边带调制单边带调制信号频谱信号频谱用用相乘器相乘器，实现信号的，实现信号的频率变换频率变换3. 单边带调幅的频谱搬移模型单边带调幅的频谱搬移模型 2AM xyxyvWvcAM xyxy移相移相90o+wcwc+W-wcwc- WcoswctcosW tsinwctsinW t4.1.1 振幅调制模型振幅调制模型 1/2 Ma Vm0 cos (wc- W ) t 1/2 Ma Vm0 cos (wc+ W ) t用用相乘器相乘器，实现信号的，实现信号的频率变换频率变换AM xyxy4.1.2 振幅解调与混频模型振幅解调与混频模型wc滤波器滤波器wc2wc0滤波器滤波器1.振幅解调的频谱

8、搬移模型振幅解调的频谱搬移模型还还原原同同步步信信号号振幅解调就是振幅解调就是已调信号已调信号wcW和本身载波和本身载波wc相相乘乘边带调制信边带调制信号，需还原号，需还原同步信号同步信号wc然后相乘然后相乘wc已调信号中已调信号中的载波频谱的载波频谱已调信已调信号频谱号频谱还原出还原出来的信来的信号号还原出来的还原出来的信号频谱信号频谱用用相乘器相乘器，实现信号的，实现信号的频率变换频率变换2.混频的频谱搬移模型混频的频谱搬移模型AM xyxywc4.1.2 振幅解调与混频模型振幅解调与混频模型wLwL+wc滤波器滤波器滤波器滤波器wLwL- wc本地振本地振荡信号荡信号本地振荡本地振荡信号

9、频谱信号频谱高频已高频已调信号调信号频谱频谱高频已高频已调信号调信号fLfcfI= fL- fc作业作业- 预习相乘器，混频电路预习相乘器，混频电路中频已中频已调信号调信号中频已调中频已调信号频谱信号频谱用用相乘器相乘器，实现信号的，实现信号的频率变换频率变换4.2 相乘器电路相乘器电路相乘器电路有二种形式：相乘器电路有二种形式：模拟乘法器模拟乘法器和非线性变换器和非线性变换器4.2.2 模拟乘法器：模拟乘法器：vBE4 = vBE1+ vBE2 vBE3iO = iX iY / iZ跨导线性环，跨导线性环，(见上册见上册339页页)e = evBE4 /VT(vBE1+ vBE2 vBE3

10、) /VT当当iZ为定值时，实现电流量的乘法运算为定值时，实现电流量的乘法运算是利用是利用PN结的指数特性，把电压量的迭加运算变换为电流量的乘积运算结的指数特性，把电压量的迭加运算变换为电流量的乘积运算增加电流、电压变换器，可实现电压量的乘法运算增加电流、电压变换器，可实现电压量的乘法运算T1T2T3T4iyiziXiO6.1.2 乘法、除法器iC = IS evBEVTvo =vX vYvZ+-RioA+-ToTX+-vXiXA+-RTY+-vYiYA+-R+-vZiZA+-TZR-vBEX-vBEY-vBEX-vBEZvBEo= IS evBEoVT= iX iY / iZ = IS e

11、vBEX +vBEY - vBEZ =VT = io =左边对数运算右边指数运算vovX vY / vZRvoR加减运算恒等式加减运算恒等式上册上册339页页4.2 相乘器电路相乘器电路相乘器电路有二种形式：相乘器电路有二种形式：模拟乘法器模拟乘法器和非线性变换器和非线性变换器4.2.2 模拟乘法器模拟乘法器T9T10v1T7T8T6T5v2T1T4T2T3vo-+-+-电流差值：电流差值：i = (i1 i2 ) (i4 i3 )双差分对模拟乘法器，双差分对模拟乘法器，(244页页)123478vBE1 vBE2 = vBE4 vBE3i = (i1 i2 ) (i4 i3 )= (i10

12、i9 ) (i5 i6 ) / IKth2VTvBE8 vBE7=i1i2i5i8 i7 IK=i4i3i6=vo = AM v1 v2双差分电双差分电流乘法器流乘法器电流电压电流电压变换器变换器差模传输特性，差模传输特性， 见上册见上册204页页双差分电流乘法器双差分电流乘法器i双极晶体管差放双极晶体管差放=TVvBE2SIiC2e=TVvBE1SIiC1eEEIiC1=iC2+=iC1-iC2=EEITVvIDe1+- -TVvIDe1+EEIEEIth(T2VvID)IEE-IEETVvIDiC1-iC2复习三极管单管的转移特性（指数函数式）：复习三极管单管的转移特性（指数函数式）：三极

13、管差放的差模传输特性（双曲函数式）三极管差放的差模传输特性（双曲函数式）差模传输函数差模传输函数函数图函数图上册上册204页页4.2 相乘器电路相乘器电路相乘器电路有二种形式：模拟乘法器和相乘器电路有二种形式：模拟乘法器和非线性变换器非线性变换器4.2.1 非线性变换器非线性变换器: :是利用非线性器件（是利用非线性器件（晶体管的大信号状态），使变量之间形成乘积项晶体管的大信号状态），使变量之间形成乘积项大信号大信号 v1小信号小信号 v2i线性叠加线性叠加非线性传递函数非线性传递函数 对大信号对大信号 v1非线性变换非线性变换对小信号对小信号 v2线性变线性变换换非线性电阻非线性电阻非线性电

14、抗非线性电抗 电容电感电容电感1. 相乘器数学原理相乘器数学原理v 2 是小信号是小信号 4.2 相乘器电路相乘器电路相乘器电路有二种形式：模拟乘法器和相乘器电路有二种形式：模拟乘法器和非线性变换器非线性变换器4.2.1 非线性变换器非线性变换器: :是利用非线性器件是利用非线性器件（晶体管的大信号状态），使变量之间形成乘积项（晶体管的大信号状态），使变量之间形成乘积项= f (v1) + f (v1) v2 + ! f (v1) v22 + 对对v2 泰勒展开泰勒展开 I0 (v1) + g (v1) v2v2 足够小足够小设设 g (v1)为角频率为角频率w1 的偶周期的偶周期函数，则函数

15、，则sin项系数为零项系数为零对对g (v1) 傅氏展开傅氏展开= I0 (v1) + ( g0 / 2 + g1cosw1t + g2cos2w1t + ) v2gn = 1/2p g(v1) cosnw1tdw1t其中：其中：-ppv2 的系数是时变的的系数是时变的与与 v2 是线性关系是线性关系周期函数的傅氏展开周期函数的傅氏展开式，是离散频谱式，是离散频谱i = f (v1+ v2)1. 相乘器数学原理相乘器数学原理v2是小信号是小信号 4.2 相乘器电路相乘器电路4.2.1 非线性变换器非线性变换器: :（晶体管的大信号状态），使变量之间形成乘积项（晶体管的大信号状态），使变量之间形

16、成乘积项= I0 (v1) + ( g0 / 2 + g1cosw1t + g2cos2w1t + ) v2则则g (v1) 为矩形为矩形脉冲脉冲= I0 (v1) + gD( 1/ 2 + 2/ p cosw1t - 2/ 3p cos3w1t + ) v2g (v1) 为周期为周期方波方波= I0 (v1) + gT(4/ p cosw1t - 4/ 3p cos3w1t + ) v2K2(w1t )是双向开关函数是双向开关函数如果如果 v1 为角频率为角频率w1 的偶周期函数的偶周期函数K1(w1t )是单向开关函数是单向开关函数接上式接上式i = f (v1+ v2)w1tgDw1tg

17、Tv2 是小信号是小信号 如果如果 v1 为角频率为角频率w1 的对称偶周期函数的对称偶周期函数4.2 相乘器电路4.2.1 非线性变换器:（晶体管的大信号状态），使变量之间形成乘积项g (v1) 为矩形脉冲的电路模型 单向开关函数 K1(w1t ) 的电路模型v1v2Di+-i = I0 (v1) + gD( 1/ 2 + 2/ p cosw1t - 2/ 3p cos3w1t + ) v2i = iC1 - iC2= I0 (v1) + gT(4/ p cosw1t - 4/ 3p cos3w1t + ) v2gD K1(w1t ) w1tgDgT K2(w1t ) w1tgTK1(w1t

18、 ) v1v2RDi+-+-g (v1) 为周期方波的电路模型 双向开关函数 K2(w1t ) 的电路模型T4T3+-v1I (v2) =A + B v2RTiC1iC2K2(w1t ) v1I (v2)2. 相乘器电路模型v2是小信号是小信号 4.2 相乘器电路4.2.1 非线性变换器:（晶体管的大信号状态），使变量之间形成乘积项双差分对平衡调制器的电路模型2. 相乘器电路模型i = (i1 i2 ) (i4 i3 )T6T5v2T1T4T2T3vo-+-电流差值：i = (i1 i2 ) (i4 i3 )v1+-I0i1 i2 = i5 th2VTv1单管跨导特性差分对管跨导特性i1 =

19、IS evBE1 /VT上册53页上册189页th2VTv2th2VTv1= I04VT2v1v2I0双向开关函数K2(w1t )作对称变换=2VTI0=(4/ p cosw1t - 4/ 3p cos3w1t + ) v2v1小于26mV模拟相乘v1大于260mV非线性变换v2是小信号 4.2 相乘器电路4.2.3 大动态平衡调制器AD630（电路单元在对称开关状态），使变量之间形成乘积项+-v1109A1A2A3-+v2201813vo双向开关函数K2(w1t )作对称变换vo = kf (4/ p cosw1t - 4/ 3p cos3w1t + ) v2-1.5mVv1 1.5mV非线

20、性变换K2(w1t )4.2 相乘器电路4.2.4 二极管双平衡混频器（二极管在对称开关状态），使变量之间形成乘积项双向开关函数K2(w1t )作对称变换v1 远大于 Vsm 非线性变换K2(w1t ) = K1(w1t ) - K1(w1t - p )-+K1(w1t )i2v1v1v2RLi3D2D3io = - (4/ p cosw1t - 4/ 3p cos3w1t + ) v222RL + RD io =(i1 i4 ) ( i2 i3)+-+-K1(w1t - p )i1v1v1v2RLi4D1D4+-v1v1v2RL+-v2D2D1D3D4+-作业- 预习 4.3 4.44.3

21、混频电路用于超外差接收机，把各种频率的高频信号变换为频率固定的中频信号，用相乘器电路实现4.3.1 通信接收机的混频电路: 通信接收机广泛使用二极管环形混频和双差分对平衡调制器混频混频增益噪声系数1dB压缩电平：随着输入信号的升高混频增益降低混频失真：混频过程中无用的组合频率混入中频隔离度：Vs Vi Ac = 20lgPS PI Gc = 10lgNF = 10lg(PS /Pn) i (PI /Pn) o 隔离度: 10lg本端口的功率窜到另端口的功率(用相乘器把信号频谱从高频载波附近不失真地搬移到固定中频附近) 4.3 混频电路4.3.1 通信接收机的混频电路: 通信接收机广泛使用二极管

22、环形混频和双差分对平衡调制器混频混频增益低：约 -7dB ( 0.2倍 )噪声系数：低，约 6dB ( 4倍 )混频失真小隔离度: 小于40dB ( 10000倍 )二极管环形混频器用于高性能分立元件接收机优点：频带宽：从几十kHz到几GHz缺点：端口阻抗50欧，必须接阻抗匹配网络双差分对平衡混频器用于集成电路XFC1596, AD831混频增益高：噪声系数：大优点：频带宽：达到 500MHz缺点：不必接阻抗匹配网络隔离度: 高4.3 混频电路4.3.2 三级管混频电路: 广播接收机广泛使用TVCCvsfcfIvLvL=VLm cos wLtvs=Vsm cos wct输入已调高频 小信号iI

23、= IIm cos wIt本地产生振荡 大信号得到中频输出= gmc Vsm cos wIt谐振于fc谐振于fI混频跨导VLm 的最佳值20200mVIEQ 的最佳值0.21mA实用电路图4364.3 混频电路4.3.3 混频失真 pfL qfc = fI F哨声干扰通道干扰 pfL qfM = fI中频干扰fM = fI镜像干扰fM = fc +2 fI一、干扰干扰信号干扰信号4.3 混频电路4.3.3 混频失真 fL rfM1 sfM2 = fI二、失真交调失真：有用信号vs 与干扰信号 vM 在四次方项展开式中出现交叉相乘项12a4 vL vs vM2互调失真：干扰信号干扰信号干扰信号4.4 振幅调制与解调电路4.4.1 振幅调制电路: ( 用相乘器把信号频谱从零频附近不失真地搬移到载波附近 ) 调制