第6章振幅调制、解调及混频1

1、高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 第第6 6章章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频 6.1 6.1 振幅调制振幅调制 ( (重点重点) )6.2 6.2 调幅信号的解调调幅信号的解调( (重点重点) )6.3 6.3 混频混频( (重点重点) )6.4 6.4 混频器的干扰混频器的干扰高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 调制的基本概念：调制的基本概念：调制电路调制电路调制信号调制信号u载波信号载波信号uC已调波信号已调波信号高频高频振荡信号振荡信号（正弦波、非正弦波）（正弦波、非正弦波）低频低频信号信号（声音、图像等转化而成）（

2、声音、图像等转化而成）振幅调制：振幅调制：用用调制信号调制信号控制控制载波振幅载波振幅，使之按调制信号的规律，使之按调制信号的规律 变化（线性）变化（线性） 三种方式三种方式：普通调幅方式：普通调幅方式调幅波（调幅波（AM波）波） 抑制载波的双边带调制抑制载波的双边带调制双双边带信号（边带信号（DSB波）波） 抑制载波的单边带调制抑制载波的单边带调制单单边带信号（边带信号（SSB波）波）高高频频（uAM，uFM，uPM）高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 6.1 6.1 振幅调制振幅调制 载波电压：载波电压：调制电压为调制电压为单一频率单一频率余弦信号：余弦信号：6

3、.1.16.1.1振幅调制信号分析振幅调制信号分析1.1.调幅波的分析调幅波的分析1) AM1) AM信号表示式信号表示式c已调波信号振幅：已调波信号振幅：Um(t)=UC+UC(t)=UC+kaUcost=UC(1+mcost)CaCCUk UmUU调幅度（调制度）调幅度（调制度）ka 调制灵敏度调制灵敏度高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 调幅波信号：调幅波信号： uAM(t)=UM(t)cosct=UC(1+mcost)cosct 2）调幅波信号波形）调幅波信号波形高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 调幅波信号：调幅波信号：( )1

4、( )cosAMCcutUmf tt调制信号为一调制信号为一连续频谱连续频谱信号：信号：f（t）均值为零的归一化信号均值为零的归一化信号实际调制信号的调幅波形：实际调制信号的调幅波形：高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 3) 3) 调幅波的频谱调幅波的频谱调制信号为调制信号为单一频率单一频率的正弦波时：的正弦波时：调制调制信号频谱：信号频谱：载波载波信号频谱：信号频谱：AM信号频谱：信号频谱：uAM(t)=UM(t)cosct=UC(1+mcost)cosct 高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 语音语音频谱：频谱：多频多频调制情况下：调

5、制情况下：已调信号已调信号频谱：频谱：以语音信号为例以语音信号为例高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 AMAM信号的产生原理图：信号的产生原理图： uAM(t)=UM(t)cosct=UC(1+mcost)cosct uAM(t)= mcost UCcosct+UCcosct高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 负载电阻负载电阻RL上消耗的上消耗的载波功率载波功率：负载电阻负载电阻RL上上,一个载波周期内一个载波周期内调幅波调幅波消耗的消耗的功率功率：4 4）调幅波的功率）调幅波的功率每个边频每个边频（上、下边频上、下边频）平均功率平均功率

6、：调幅波的调幅波的最大功率最大功率和和最小功率：最小功率：高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 边频PPPcav2两个边频两个边频总总功率功率 载波功率载波功率 22m边频功率、载波功率、边频功率、载波功率、AM波波平均功率平均功率的关系的关系：AM调制方式中：调制方式中： 载波功率（载波功率（不含调制信号不含调制信号）占总功率的）占总功率的2/3以上；以上； 边频边频总总功率（功率（含调制信号含调制信号）小于总功率的）小于总功率的1/3 功率浪费大，效率低功率浪费大，效率低AM信号的信号的平均功率平均功率： 高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及

7、混频 单一正弦信号单一正弦信号u=Ucost调制时：调制时：2. 2. 双边带信号双边带信号(DSB)(DSB)双边带信号双边带信号在在AM调制过程中，调制过程中，将载波抑制将载波抑制就形成抑制就形成抑制 载波双边带信号载波双边带信号( )coscos()cos()22AMCcCcCcmmutUtUtUt调制信号为一调制信号为一连续频谱连续频谱信号：信号：f（t）高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 双边带调制时的双边带调制时的频谱频谱：调制信号频谱：调制信号频谱：载波信号频谱：载波信号频谱：DSB信号频谱：信号频谱：高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制

8、、解调及混频 单频调制时，单频调制时，uDSB（t）=kuuuC取下边带时：取下边带时：3. 3. 单边带信号单边带信号(SSB)(SSB)单边带信号单边带信号由由DSBDSB信号经边带滤波器信号经边带滤波器滤除一个边带滤除一个边带，在调制，在调制 过程中，直接将过程中，直接将一个边带抵消一个边带抵消而成。而成。取上边带时：取上边带时：单音调制的单音调制的SSB信号信号波形波形： ttUkUtUkUtuccCcCDSB)cos()cos(2cos)(高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 设双音频振幅相等设双音频振幅相等21时，时，受受u调制的调制的双边带信号双边带信号

9、：双音调制时产生的双音调制时产生的SSB信号信号取取上上边带边带：取取下下边带边带：高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 等幅等幅双音双音信号信号频谱频谱：SSB信号信号频谱频谱：等幅等幅双音双音信号信号波形波形：SSB信号信号波形波形：12cos()cos()44SSBccUUutt高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 语音调制的语音调制的SSBSSB信号频谱信号频谱DSB频谱：频谱：上边带上边带频谱：频谱：下边带下边带频谱：频谱：语音信号语音信号频谱：频谱：高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 u(t)=f(t)

10、，即一般情况下的，即一般情况下的SSB信号表达式：信号表达式： ( )cos( )sinSSBccuf ttf tt单音调制单音调制SSBSSB信号的另一种表达式：信号的另一种表达式：上边带：上边带：uSSB(t)=Ucostcosct - Usintsinct下边带：下边带：uSSB(t)=Ucostcosct + Usintsinct希尔伯特变换希尔伯特变换的傅里叶变换：的傅里叶变换： )(tf高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 希尔伯特变换网络及其传递函数：希尔伯特变换网络及其传递函数： 高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 6.1.

11、2 6.1.2 振幅调制电路振幅调制电路 1.AM1.AM调制电路调制电路高电平调制高电平调制功放和调制合二为一，调制后功放和调制合二为一，调制后不需再放大不需再放大 主要用于形成主要用于形成AM信号信号低电平调制低电平调制功放和调制分开，调制后功放和调制分开，调制后需放大需放大 主要用于形成主要用于形成 AM 、DSB、SSB信号信号1)1)高电平调制高电平调制高频功放的高频功放的调制特性调制特性基极调幅、集电极调幅、集电极基极调幅、集电极调幅、集电极-基极基极(或发射极或发射极)组合调幅。组合调幅。基本思想：基本思想：通过改变功放晶体管的某一电极的直流电压以控通过改变功放晶体管的某一电极的

12、直流电压以控制集电极高频电流的振幅制集电极高频电流的振幅高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 集电极调幅集电极调幅功放工作在功放工作在过压状态过压状态，集电极电流的基波分量，集电极电流的基波分量振幅振幅Ic1与集与集电极偏置电压电极偏置电压Ec成线性关系成线性关系集电极调制特性集电极调制特性高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 集电极调幅电路：集电极调幅电路：高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 基极调幅基极调幅基极调制特性基极调制特性功放工作在功放工作在欠压状态欠压状态，集电极电流的基波分量振幅，集电极电流的基波分

13、量振幅Ic1与集电与集电极偏置电压极偏置电压Eb成线性关系成线性关系高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 当当UCU时：时：2) 2) 低电平调制低电平调制（1 1）二极管电路）二极管电路单二极管电路、平衡二极管电路单二极管电路、平衡二极管电路单二极管电路：单二极管电路：集电极滤波回路：中心频率为集电极滤波回路：中心频率为wc，带宽为，带宽为2( )()DDDcDig t ug Kt u高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 tUgtUtttgiccDcccDDcoscos5cos

14、543cos34cos4 当当UCU时：时：tURgttURguccLDcLDocoscoscos4二极管平衡电路：二极管平衡电路：集电极滤波回路：中心频率为集电极滤波回路：中心频率为wc，带宽为，带宽为2ccDDuutKgi)(滤波后的输出电压：滤波后的输出电压：高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 （2 2）差分对电路）差分对电路0(1)tanh()2BAoeTuuiIEV若将若将uC加至加至uA，u加到加到uB：m=U/Ee，x=UCVT集电极滤波回路：中心频率为集电极滤波回路：中心频率为fc，带宽为，带宽为2F，谐振阻抗为，谐振阻抗为RL, 01( )(1co

15、s)cosoLcuI Rxmtt滤波后的输出电压：滤波后的输出电压：单差分对：单差分对：高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 差分对差分对AMAM调制器的输出波形：调制器的输出波形：01( )(1cos)cosoLcuI Rxmtt0tu载波信号载波信号高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 双差分对电路：双差分对电路：利用模拟乘法器产生利用模拟乘法器产生AMAM信号信号UA，UBUs ， m1=Urcosct高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 检波输出：检波输出：平衡同步检波电路平衡同步检波电路 减小输出电压的非线

16、性失真减小输出电压的非线性失真uo2=KdUr(1-mcost)上检波器输出：上检波器输出：下检波器输出：下检波器输出：则总的输出：则总的输出： uo=uo1-uo2=2KdUrmcost高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 3 3同步恢复载波的产生同步恢复载波的产生双边带：双边带：可从已调信号取出可从已调信号取出取平方：取平方：二分频：二分频：可获同步信号可获同步信号 c单边带单边带：（1）若发射导频信号，可通过窄带滤波器从接收信号中取若发射导频信号，可通过窄带滤波器从接收信号中取 出，放大后作为出，放大后作为恢复载波恢复载波（2）若不发射导频信号，接收端只能采用）

17、若不发射导频信号，接收端只能采用高稳定度晶体振荡高稳定度晶体振荡 器产生器产生指定的指定的恢复载波恢复载波AM波：波：通过限幅器去除包络变化，得到等幅载波信号通过限幅器去除包络变化，得到等幅载波信号ttuktucaScos)()(ttuktuacS2cos)()(222取取2w分量：分量：ttUkttuktuaa2cos12cos14cos)()(222222ccS高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 6.3 6.3 混混 频频 6.3.1 6.3.1 混频的概述混频的概述 1 1混频器的功能混频器的功能 在通信接收机中在通信接收机中, , 将将不同载频不同载频的的高

18、频已调波高频已调波信号变换信号变换为同一个为同一个固定载频固定载频( (中频中频) )的的高频已调波信号高频已调波信号, , 而保持其而保持其调调制规律制规律不变。不变。高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 无线通信接收设备：无线通信接收设备：初步初步选选择放大择放大主主选择选择放大放大 （1 1）混频器将信号频率变换成中频，在中频上放大信号，）混频器将信号频率变换成中频，在中频上放大信号，放大器的放大器的增益增益可做得可做得很高很高而不自激，电路工作稳定；经中频放大后，输入到检波器而不自激，电路工作稳定；经中频放大后，输入到检波器的信号可以达到伏特数量级，有助于提高

19、接收机的的信号可以达到伏特数量级，有助于提高接收机的灵敏度灵敏度。采用混频器后，接收机的性能将得到提高：采用混频器后，接收机的性能将得到提高： （2 2）接收机在很宽的频率范围内滤波性能不能做得很好，而对于某一）接收机在很宽的频率范围内滤波性能不能做得很好，而对于某一固定固定频率选择性频率选择性可以做得很好。可以做得很好。高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 fI=fL+fcfIfc 向向上上变频，输出变频，输出高中频高中频fI=fL- fc 或 fI=fC- fL高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 三种频谱线性搬移功能比较：三种频谱线性搬

20、移功能比较：调制：调制：混频：混频： 解调：解调：高频高频已调波信号已调波信号搬移到搬移到低频段低频段低频低频调制信号调制信号搬移到搬移到高频段高频段高频高频已调波信号已调波信号搬移到另一个搬移到另一个高频段高频段高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 超外差式广播接收机中超外差式广播接收机中: :中频为中频为465kHz的的普通普通调幅调幅信号信号载频载频535 kHz1605kHz中波中波波段各电台普通波段各电台普通调幅波调幅波载频载频88 MHz108MHz的各的各调频调频台信号台信号中频为中频为10.7MHz的的调频调频信号信号48.5MHz 958MHz各频道

21、各频道信号信号中频为中频为38 MHz的的视频视频信号信号广播电视接收机中：AM收音机:FM收音机:高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 2 2混频器的工作原理混频器的工作原理已调信号已调信号us： us=Uscostcosct本振电压本振电压uL：uL=ULcosLt若取中频若取中频 fI=fL-fc或或 fI=fC- fL ，经，经带通滤波器带通滤波器取出所需边带，得取出所需边带，得中频电压：中频电压：组成框图组成框图 ：高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 FL()=(-L)+(+L)频域频域混频过程：混频过程：FS()us的傅立叶变换

22、的傅立叶变换 FL()uL的傅立叶变换的傅立叶变换本振为单一频率信号，其频谱为：本振为单一频率信号，其频谱为：输入信号为己调波，则输出频谱输入信号为己调波，则输出频谱Fo() ：)()(*)(21)(*)(21)(LLsLsoFFFF)()(21LLFF高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 本振频谱：本振频谱：已调波频谱：已调波频谱：输出中频信号频谱：输出中频信号频谱： FL()=(-L)+(+L)()(21)(LLoFFF Fs()高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 6.3.2 6.3.2 混频电路混频电路 按按本振电压本振电压提供方式不

23、同分为两种：提供方式不同分为两种：混频器、变频器混频器、变频器混频器混频器：由：由单独单独的振荡器提供的振荡器提供本振电压本振电压变频器变频器本振本振和和混频混频功能由功能由一个非线性器件一个非线性器件完成完成六端六端网络网络四端四端网络网络高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 1 1晶体三极管混频器晶体三极管混频器 晶体三极管频晶体三极管频谱搬移电路谱搬移电路ui=usUsUs，大信号工作，大信号工作经中频滤波器，输出中频电压：经中频滤波器，输出中频电压：高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 （2 2）二极管环形混频器）二极管环形混频器经中

24、频滤波后经中频滤波后,得输出中频电压：得输出中频电压：us为已调信号为已调信号uL本振电压本振电压ULUs,大信号工作大信号工作高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 （1 1）单差分对混频器线路：）单差分对混频器线路： 3 3其它混频电路其它混频电路TseLeeTseLeeoVuRuREVuRuREti22tanh)(TcseLLeeoVttURtUREti2coscoscos)(高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 （2）模拟乘法器混频器：模拟乘法器混频器：204coscoscos)(TVtttUUItiLcLso高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 高频电路原理与分析高频电路原理与分析第6章振幅调制、解调及混频 已调制信号：已调制信号：us= Uc(t)cosct 3 FET混频电路 Uc(t)= Ucm(1+macost)本振电压本振电压uL=ULcos Lt LC回路调谐在中频：回路调谐在中频：I= L- -c通频带通频带B=2，谐振阻抗为，谐振阻抗为RLuGS=UGSQ+us- -uL= UGSQ+Uc(t)cos