高频电子线路线性频谱搬移电路

1、12 振幅调制、解调和混频电路均属频谱线性搬移电路 振幅调制：用代表消息的低频信号去改变高频载波的振幅 解调：从高频已调信号中还原调制信号 混频：将已调信号的载频变成另一个载频提示3本章主要内容5.1 频谱搬移及调幅基本原理5.2 幅度调制电路5.3 调幅波的解调5.4 混频电路本章小结45.1 频谱搬移及调幅基本原理5 -频谱搬移！（将代表消息的低频基带信号的频谱搬移到高频信道的工作频带内） 调制目的？ 调制？ 分类？-见下页-以低频基带信号（称调制信号），去改变高频载波的振幅（或频率或相位），使其受调而间接寄载基带信息，便信道传输！一、概述6脉冲调制脉宽调制脉位调制脉幅调制数字调制移频键控

2、(FSK)移相键控(PSK)振幅键控(ASK)调制AMDSBSSBVSB合称角度调制连续波调制振幅调制频率调制相位调制模拟调制7表5.1 线性频谱搬移电路分类根据功能分类振幅调制电路AM调幅电路根据关键元器件分类 二极管电路二极管平衡环形调幅电路DSB调幅电路峰值包络检波电路SSB调幅电路平衡、环形混频电路振幅检波电路包络检波电路三极管电路高电平调幅电路同步检波器三极管混频电路混频电路(变频电路)上变频电路模拟集成电路滤波法调幅电路下变频电路乘积型同步检波电路81.1.普通调幅普通调幅 (AM)1）表达式载波信号tUtuccmccos)( tfUccm 2cos )(tu调制信号)()(cmm

3、tukUtUa 普通调幅波幅值)cos()()cos()()(cacmcAMttukUttUtum普通调幅波信号二、调幅的基本类型和特点9cmmaaUUkm 2）单音AM调幅通常 F1时时 产生过调幅失真12 单音AM调幅波的频谱 已调信号频谱由上、下边频分量+载频分量组成 带宽：BW = 2F)cos()cos()cos(ccma21ccma21ccmtUmtUmtU tmUtuAMcacmcostcos1)(（)cos()cos()cos(ccma21ccma21ccmtUmtUmtU 13例例5.1 已知调制信号 (V)，AM波的振幅峰值 =1.9V，振幅谷值 =0.6V，比例常数 =0

4、.9 (1/V)，求已调波载频分量的振幅 ，原调制信号的振幅 以及调幅系数 。( )cosmu tUtmax( )AMUtmin( )AMUtaKcmUmUam0.72mUV解：解：由教材式（由教材式（5.1.3a）和（）和（5.1.3b）得：）得： =1.9V， =0.6V 联立两式并解方程可得：联立两式并解方程可得： 又又 将将代入代入可解得：可解得： 再将再将 =1.9V； =0.6V代入代入(5.1.3c)式可式可 得：得： 最后由最后由 解得：解得： (1)cmaUm(1)cmaUm0.65acmm U0.9ammacmcmk UUmUU0.9acmmm UUmax( )AMUtmi

5、n( )AMUt0.65acmmU1.25cmUV143）多音信号的AM调幅代表消息的调制信号往往并非单频信号，而是由许多频率成分组成。譬如，电话（话音）信号的频率变化范围为300 3400Hz，广播信号的频率变化范围为10KHz左右，而普通电视信号的频带宽达6.5MHz152.2.抑制载波的双边带调幅抑制载波的双边带调幅（DSBDSB）( )( ) cosDSBacutk utt ka由调制电路和载波幅值决定1）表达式单频调制时 含上下边频分量，但无载频分量！ “相乘”实现！( )coscoscos()cos() 2DSBaccacccutm Uttm Utt 162）单音DSB的波形和频谱

6、17183.单边带调幅波（ SSB波）1）表达式2）波形及频谱( )cos()cos() 2acmSSBHcSSBcm UuttUt上边带（频）：acmSSBLcSSBcm U(t)cos()tUcos()t2u下边带（频）：194.残留边带调幅（ VSB）与AM和DSB相比，SSB无疑最能节约能量和频带。但是，SSB的调制和解调设备都比较复杂，且不适于传送含有直流成分的基带信号。欲解决单/双边带调幅的不足，可选择折衷的调幅方式：VSB调幅。VSB调幅，是传送双边带信号中的一个边带和另一边带的残留部分VSB调幅的典型应用是电视图象信号的残留边带调幅。205.调幅波的故载波分量功率边频分量功率：

7、AM波在调制信号一周期内的平均功率：2201(cos)12TcmccmcLLUtdtUTPRR2021cos() 124TacmcSSBacLm UtdtTPm PR2122DSBSSBacPPmP21(1)2AMcDSBacPPPmP21例例5.25.2 已知两个信号电压的频谱如图5. 8所示，要求：(1) 写出两个信号电压的数学表达式，并指出已调波的性质。(2) 计算在单位电阻（1 ）上消耗的边带功率和总功率、以及已调波的带宽。解(1) 图(a)为普通双边带调幅波 且：10.32acmm UV2cmUV调幅系数0.3am 信号时域表达式：36( )1coscos21 0.3cos(210c

8、os(210AMcmacutUmtttt（）22图(b)为DSB调幅波：6( )0.6cos200cos210( )DSButtt V解(2) 先求图（a）所示AM信号功率： 其中载波功率： 221122()22cmcUPWR又边带功率：22110.320.045()44SSBacPm PWAM调幅波总功率：22.09()AMCSSBPPPW再求图（b）所示DSB信号功率：20120.3cos(2999 )0.09()TDSBPtdtWT 上下边频分量相同情况下，DSB信号发射功率比AM信号要小得多 因它们均为双边带调幅信号，因此它们的带宽相等。23三、调幅电路的组成模型三、调幅电路的组成模型

9、1、相乘器（调幅关键电路之一）实现两信号相乘 AM增益系数（乘积系数）1/V MAXYXY0u t（ ）xuyu图5.9 模拟乘法器电路符号 调幅电路可实现信号频谱的线性搬移！按卷积定理，如果两信号在时域作相乘运算的话，频域则进行两信号频谱的卷积运算，即频域就能实现信号频谱的线性搬移。前面从时间和频率两个领域对AM和DSB等调幅信号的分析也充分说明了这些。可见，乘法器乃线性频谱搬移电路的关键部件。24MAXYXYQUucu+MAXYXYucu(a) AM调幅(b) DSB调幅图5.1.7 调幅电路模型AMut（）DSBut（）BPFBPF00( )( ) ( )cos( )coscos( )c

10、os( )cosAMMQcMQcmcMcmcmcacmacutA Uut u tA U UtA U uttUtk uttUk utt2、AM调幅电路组成模型带通作用？25MAXYXYQUucu+MAXYXYucu(a) AM调幅(b) DSB调幅图5.1.7 调幅电路模型AMut（）DSBut（）BPFBPF3、DSB调幅电路组成模型( )( )( )( )cos( )cosDSBMcMcmcacutA ut u tA U uttk utt带通作用？264、SSB调幅电路大致模型（滤波法）思路 DSB除去一个边带SSB滤波法、移相法 过渡带宽：f = 2Fmin 当滤波器边带相对 f / fc

11、较小时，直接滤波很困难27小 结 调幅电路由具有频率变换作用的乘法器以及滤波器等部件组成 乘法器电路既可以是二极管、三极管等分立元件组成的工作频带较窄的非线性时变参量电路，也可以是模拟IC芯片加外围元件构成的性能更加优越乘法器电路。 滤波器的任务是取出有用的双边带或单边带分量，滤除无用的边带分量以及非线性电路可能产生的其它无用频率分量。285.2 幅度调制电路291. 非线性器件的相乘作用2012aa ua u22012220212012coscos11coscos 222coscos 2mmmmmmmaa Uta Utaa Ua Uta UtIItIt（）qukTsiI e230123aau

12、a ua u-式5.11一、相乘器电路30 当两个不同频幅的交流信号电压作用于非线性元件时，流过该元件的电流中含有：直流、基波和二次谐波以及两输入信号间的和频、差频（即上、下边频）等组合频率分量。 说明非线性器件具备相乘器功能由这种器件构成的非线性电路与选频电路（如滤波器或LC谐振回路）相结合，就可以组成实现线性频谱搬移的调幅电路以及振幅检波电路等。201222220c12222ccc(coscos)(coscos)acoscos)22(cos2cos2)2cos()tcos()tmcmcmcmcmmmcmcmcmcmmiaa UtUta UtUtaaaUUUtUtaUtUta UU =（）+

13、 (312. 集成集成模拟乘法器模拟乘法器coscos1cos()() 2MCMmcmcMmcmccA uuA UUttA UUtt 集成模拟乘法器也是一种性能理想的电路。随着半导体集成工艺的发展和技术性能的提高，模拟乘法器芯片如MC1496/1596、BG314加外围元件所构成的完整线性频谱搬移电路已经得到了广泛的应用 模拟乘法器芯片是在加有恒流源电路的差分对管放大电路基础之上发展起来的！（5.13）式321）单差分对放大器的乘积功能33当所有管子的电流放大系数1时，流过RE的电流为：E EoEVIR122oC QC QCQIIII21211(1)CoCCCCiIiiii111BETuUEC

14、siiI e222BETuUECsiiI e21111211(1)(1)(1)xBEBETTuuuUUCCoooCiiIIeIei由图5.15（b）可见： 而汇入恒流源的电流为： 工作在正向导通区的两管发射极电流可如下表示：341(1)22oxCTIuithU2(1)22oxCTIuithUEEyoEVuIR11(1)22EEyxCCQCCQCETVuuithIiIiRU22(1)22EEyxCCQCCQCETVuuithIiIiRU1222EEyxCCCETVuuiiithRU 用双曲正切函数表示：同理：如图5.15(b)，若恒流源电路是受uy控制的受控恒流源，则有：其中：35单差分对管电路

15、的局部交流通路如图5.16示，其双端输出电压：211212()()22occcccccEEyxCCCCCCETui Ri RiiRVuuiiRi RR thRU 1252mTUUmV则当：22xxTTuuthUU1222EECCoxxyMxMxyETETVRRuuuuAuAuuR UR U 362）双差分对放大器的乘积功能22cxoyMxyETRuuuA uuRU 电路及输出电压表达式注：UT26mV(常温下的电压当量值)37设小信号工作状态：T2T1,UuUu即：004y2TcxI RuuuU 0022yxcuuuI R ththUUTT输出电压 的解析 TT22UuUuth这时 故5 .

16、02TUu（双曲正切函数的性质）-说明实现了ux与uy理想相乘注：UT=26mV381124()CxCoyxyMxyEkEEEkRuRuu th arcthu uA u uRI RR R I只有满足 52xmUmV才能使输出电压 0cxyMxyyTRuu uA u uR U这类模拟乘法器的线性动态范围受限。为此， BG314等模拟乘法器芯片内部加入了如图5.18示意的反双曲正切函数电路（修正电路）。这样，输出电压表达式可修正为下式：393）MC1496/1596 集成模拟相乘器外围引脚排列图集电极外接负载电阻40 先在发射机的末前级产生高频调幅信号，再经过线性高频功率放大器放大后达到所需要的发

17、射功率。 图5.19 低电平调幅系统框图二、低电平调幅电路 411.二极管低电平调幅电路 工作条件- uc信号足够大器件工作于开关状态 u信号应足够小 二极管开关工作状态分析ucu+u+iuc = Ucmcos ctu = U m cos tUcm U m ，uc控制V开关工作ucu+K1(u1 )irD=1/gD单向开关函数表达式：K1(ct)=1 cos(ct) 00 cos(ct1)0.5V，RC1/wc , RrD 时，可认为 Uom Usm71要求：Uim0.5V， RC1/wc , RrD2） ui为AM调幅波时0mU00mdmUU722、电路详细分析：RLCCui+CR+uo+u

18、W0123coscos2cos3DmcmcmciIItItIt733、检波效率与输入电阻1） 检波效率d d Usm2sm2smrmm sin costUtUUU tUtUtUUUU sin cos cos222sm22smsmrm2rmm 接下页 cos21rmsmrmmtUUUU 则 ) cos1 (rmsmrmtUUU 由此可见：两不同频率信号叠加后的合成电压乃调幅调相波。当两者幅度相差较大时，合成电压近似为AM波送至包络检波器可重建低频调制信号。合成电压振幅按两输入信号的频差规律变化的现象称差拍现象。92叠加型平衡同步检波电路（可减少失真）)(21OmmdUUutUuuucmcos 1

19、rsi1ui1tUuuucmcos 2rsi2ui2 cos- tcosrmsmrmrmrmsmrmrmtUUUUUUUUd tcos2rmsmrmUUUdus+CRurV1+uous+ CRV2+-+-93总总 结结v 调幅电路有两类：v 低电平调幅电路：实现单/双边带调幅；广泛采用二极管环型相乘器和双差分对集成模拟乘法器v 高电平调幅电路：常用丙类谐振功放产生大功率的AM波v 检波电路有两类：v 二极管峰值包络检波电路：AM信号包络能直接反映调制信号变化规律可用简单的二极管包络检波器解调v 同步检波电路： SSB和DSB信号中不含载波，须采用同步检波器解调，为获得良好的检波效果，要求本地载

20、波严格与发载波同步（同频同相） 同步检波电路较复杂！945.4 混频电路95一、混频基本原理一、混频基本原理1、混频电路的作用变频！将已调信号的载频变成另一载频。LcIfff cLILcIffffff 或或或两输入间的和频与差频分量962、混频电路的组成模型与基本原理( )(1cos)cossAMsmasuutUmtt假设：( )(1cos)cos()(1cos)cosiimaLsimaiu tUmttUmtt( )(1cos)cos()(1cos)cosiimaLsimaiu tUmttUmtt则相乘器输出( )1coscoscososmasLmLutUmtt Ut1coscos()cos(

21、) LmsmaLsLs2UUmttt设带通通带增益为1，且调谐在中频fI =fl- fs上，则混频器输出为设带通通带增益为1，且调谐在中频fI =fl+ fs上，则混频器输出为97可见，混频器能实现信号频谱的线性搬移，将其由fs端搬到fI端差频分量和频分量981、二极管环形混频器 要求本振信号功率足够大，而输入信号为小信号 实际应用时，输入输出端口均接滤波50匹配网络二、 二极管混频电路99 中频滤波器(b) uL0时的等效电路 （c） u0时的等效电路图5.48 二极管环形混频器100011()()LsLuuukt021()()LsLuuukt0010212()sLuuuu kt032()(

22、)LsLuuukt042()()LsLuuukt0030422()sLuuuu kt0002()sLuuuukt由（b）图：由（c）图：1244()coscos33LLLktkktt0442(coscos3)34cos()cos() 4cos(3)cos(3) 3sLLsmLsLssmLsLsuuttUttaUtt101三、晶体三极管混频电路 1. 基本电路1022. 三极管混频电路的工作原理 ( )( )BE UtBBcuBEig tu1030123( )( )( )( )g tgg tg tg t1111( )( )coscos1cos()cos() 2csLsmssmLsLsigt utgt Utg Utti11cos()2smLsigUt下变频所对应的中频电流应为： 112ismIgU该中频电流的振幅： 1043. 具体的三极管混频电路1)自激式1052)他激式106