振幅调制、解调与混频

1、Chapter 7 调幅、检波与混频调幅、检波与混频-频谱搬移电路频谱搬移电路1非线性电路具有频率变换的功能，即通非线性电路具有频率变换的功能，即通过非线性器件产生与输入信号频率不同的信过非线性器件产生与输入信号频率不同的信号。号。当频率变换前后，信号的频谱结构不变，当频率变换前后，信号的频谱结构不变，只是将信号频谱无失真的在频率轴上搬移，只是将信号频谱无失真的在频率轴上搬移，则称之为线性频率变换，具有这种特性的电则称之为线性频率变换，具有这种特性的电路称之为频谱搬移电路。路称之为频谱搬移电路。 频谱搬移电路的特性频谱搬移电路的特性2非线性器 件主振带通f0, 2Fmax调制信号f0ff0fm

2、axf02f0ff0f(a) 调幅原理调幅原理中放 来非线 性器 件低通Fmax到功 放0Fmaxf0fFmaxf12f1f1f(b) 检波原理检波原理非线性器 件本振带通fi, 2Fmax高放f0f到中放fi=fO-fSfSffiffif(c) 混频原理混频原理频谱搬移电路的特性频谱搬移电路的特性32) 从频谱结构看，上述频率变换电路都只是对从频谱结构看，上述频率变换电路都只是对输入信号频谱实行横向搬移而不改变原来的谱输入信号频谱实行横向搬移而不改变原来的谱结构，因而都属于所谓的线性频率变换。结构，因而都属于所谓的线性频率变换。1) 它们的实现框图几乎是相同的，都是利用非线它们的实现框图几乎

3、是相同的，都是利用非线性器件对输入信号频谱实行变换以产生新的有用性器件对输入信号频谱实行变换以产生新的有用频率成分后，滤除无用频率分量。频率成分后，滤除无用频率分量。3) 频谱的横向平移从时域角度看相当于输入信频谱的横向平移从时域角度看相当于输入信号与一个参考正弦信号相乘，而平移的距离由此号与一个参考正弦信号相乘，而平移的距离由此参考信号的频率决定，它们可以用乘法电路实现。参考信号的频率决定，它们可以用乘法电路实现。频谱搬移电路的特性频谱搬移电路的特性4将要传送的信息装载到某一高频载波信号将要传送的信息装载到某一高频载波信号上的过程。上的过程。高频振荡高频振荡高频放大高频放大话筒话筒声音声音缓

4、冲缓冲发射发射 天线天线倍频倍频音频放大音频放大1.1.定义定义: :7.1.17.1.1振幅调制原理振幅调制原理调制调制52. 2. 调制的原因调制的原因4从切实可行的天线出发；从切实可行的天线出发；音频信号音频信号: 20Hz20kHz 波长：波长：15 15000 km天线长度天线长度: 3.75 3750km 为使天线能有效地发送和接收电磁波，天为使天线能有效地发送和接收电磁波，天线的几何尺寸必须和信号波长相比拟，一般不线的几何尺寸必须和信号波长相比拟，一般不宜短于宜短于14波长。波长。64便于不同电台相同频段基带信号的同时接收便于不同电台相同频段基带信号的同时接收；频谱搬移频谱搬移1

5、c2c73. 调制的方式和分类调制的方式和分类调幅调幅调相调相调制调制连续波调制连续波调制脉冲波调制：脉冲波调制： 脉冲调幅、脉冲调幅、脉宽、脉位、脉宽、脉位、脉冲编码调制等多种形式。脉冲编码调制等多种形式。调频调频调制可分为连续波调制和脉冲调制。调制可分为连续波调制和脉冲调制。84. 调幅的方法调幅的方法按调制电路输出功率的高低可分为：按调制电路输出功率的高低可分为：高电平调幅电路高电平调幅电路一般置于发射机的最后一级，是在功率电平较一般置于发射机的最后一级，是在功率电平较高的情况下进行调制。如：高的情况下进行调制。如：集电极调幅、基极调幅集电极调幅、基极调幅等。等。低电平调幅电路低电平调幅

6、电路一般置于发射机的前级，再由线性功率放大器一般置于发射机的前级，再由线性功率放大器放大已调幅信号，得到所要求功率的调幅波。如：放大已调幅信号，得到所要求功率的调幅波。如：平方律调幅、斩波调幅、模拟乘法器调幅等。平方律调幅、斩波调幅、模拟乘法器调幅等。91.1.普通调幅波的数学表示式普通调幅波的数学表示式首先讨论单音调制的调幅波。首先讨论单音调制的调幅波。载波信号：载波信号： tcosVv00 调制信号：调制信号： t cosVv 调调 幅信号（已调波）：幅信号（已调波）： t(t)cos Vv0AM 由于调由于调 幅信号的振幅与调制信号成线性关系，即有：幅信号的振幅与调制信号成线性关系，即有

7、： tcosVkV(t)Va0 ，式中，式中ak为比例常数为比例常数即：即： t)cosm(1Vt)cosVVk(1V(t)Va00a0 式中式中ma为调制度，为调制度， 0aaVVkm 表示调制深度的量表示调制深度的量, 0m max，上、下边带之间，上、下边带之间的距离很近，要想通过一个边带而滤除另一个边带，的距离很近，要想通过一个边带而滤除另一个边带，就对滤波器提出了严格的要求。就对滤波器提出了严格的要求。41 F BM1 音频 1 BM2 2 BM3 3 强放 f2+f1+F f1F f1+F f2(f1+F) f3(f2+f1+F) OSC1 OSC2 OSC3 f1 f0+F f1

8、+f2+f3+F=f0+F f2 f3 实际滤波器法单边带发射机方框图实际滤波器法单边带发射机方框图 必须强调指出，提高单边带的载波频率决不能必须强调指出，提高单边带的载波频率决不能用倍频的方法。因为倍频后，音频频率也跟着成用倍频的方法。因为倍频后，音频频率也跟着成倍增加，使原来的调制信号变了样，产生严重的失倍增加，使原来的调制信号变了样，产生严重的失真。这是绝对不允许的。真。这是绝对不允许的。问题：问题：为什么不用倍频的方法来提高单边带的载波频率为什么不用倍频的方法来提高单边带的载波频率?42(2) 相移法相移法相移法是利用移相的方法，消去不需要的边带。相移法是利用移相的方法，消去不需要的边

9、带。 调制信号 Vsint 调制信号 90移相网络 载波 90 移相网络 平 衡 调幅器 A 平 衡 调幅器 B V0cos0t v 2=Vcostcos0t V0sin0t V1=Vsintsin0t 合 并 网 络 v3 单边带 输 出 载 波 振荡器 Vcost 相移法单边带调制器方框图相移法单边带调制器方框图 图中两个平衡调幅器图中两个平衡调幅器的调制信号电压和载波的调制信号电压和载波电压都是互相移相电压都是互相移相90。)tcos( )tVcos( 21 sinsin0001 ttVv)cos()cos(21 coscos002ttVttV 0v因此，输出电压为因此，输出电压为tKV

10、K)cos()(0213 vvv43这种方法原则上能把相距很近的两个边这种方法原则上能把相距很近的两个边频带分开，而不需要多次重复调制和复杂的频带分开，而不需要多次重复调制和复杂的滤波器。滤波器。但这种方法要求调制信号的移相网络但这种方法要求调制信号的移相网络和载波的移相网络在整个频带范围内，都和载波的移相网络在整个频带范围内，都要准确地移相要准确地移相90。这一点在实际上是很。这一点在实际上是很难做到的。难做到的。44(3) 第三种方法第三种方法修正的移相滤波法修正的移相滤波法 BM1 v1= vv 低通 滤波器 BM3 90移相 网络 v=cos1t BM2 低通 滤波器 BM4 v2=

11、vv v=sin1t 音频 振荡器 音频输入 v=sint 90移相 网络 v0=cos2t v0=sin2t 载波 振荡器 合并 网络 v5v6 SSB 输出 v1=sint sin1t v3=cos(1)t v5= v0 v3 =sin2t cos(1-)t v2=sint cos1t v4=sin(1)t v6=v0 v4=cos2t sin(1)t 这种方法所需要的这种方法所需要的90移相网络工作于固定频移相网络工作于固定频率率 1与与 2，因此制造和维护都比较简单。它特别适，因此制造和维护都比较简单。它特别适用于小型轻便设备，是一种有发展前途的方法。用于小型轻便设备，是一种有发展前途

12、的方法。t )sin(1245 高电平调幅电路能同时实现调制和功率放大，即高电平调幅电路能同时实现调制和功率放大，即高电平调幅电路需要兼顾输出功率、效率和调制线性高电平调幅电路需要兼顾输出功率、效率和调制线性的要求。的要求。7.8高电平调幅高电平调幅根据调制信号控制电极的不同，对晶体管而根据调制信号控制电极的不同，对晶体管而言，高电平调幅又可分为基极调幅和集电极调幅。言，高电平调幅又可分为基极调幅和集电极调幅。最常用的方法是对功放的供电电压进行调制。最常用的方法是对功放的供电电压进行调制。用调制信号用调制信号v v去控制谐振功率放大器的输出信号的去控制谐振功率放大器的输出信号的幅度幅度V Vc

13、mcm来实现调幅的。来实现调幅的。461. 集电极调幅集电极调幅调制信号调制信号 与集电极直流电源与集电极直流电源Vcc串联，因此放大器的有效集电极电压等于串联，因此放大器的有效集电极电压等于两者之和，它随调制信号波形变化。两者之和，它随调制信号波形变化。t cosvv47 在过压状态下，在过压状态下，Icm1随集电极电源电压随集电极电源电压成正比变化，因此，集电极的回路输出高成正比变化，因此，集电极的回路输出高频电压振幅将随调制信号的波形而变化，频电压振幅将随调制信号的波形而变化，从而得到调幅波输出。从而得到调幅波输出。48 集电极调幅电路的集电极效率集电极调幅电路的集电极效率高，晶体管获得

14、充分的应用，这是高，晶体管获得充分的应用，这是它的主要优点。其缺点是已调波的它的主要优点。其缺点是已调波的边频带功率由调制信号供给，因而边频带功率由调制信号供给，因而需要大功率的调制信号源。需要大功率的调制信号源。492. 基极调幅基极调幅与集电极调幅电路同样的分析，可以认为与集电极调幅电路同样的分析，可以认为VB(t)=VBB+v (t)是放大器的基极等效供电电源。是放大器的基极等效供电电源。因此因此V VB B(t)(t)随调制信号随调制信号v v (t)(t)变化。变化。50放大器工作在欠压区时，输出回路中的基波电流放大器工作在欠压区时，输出回路中的基波电流Icm1随基极供电电压随基极供

15、电电压VB(t)变化，从而实现输出电压随变化，从而实现输出电压随调制电压变化的调幅。调制电压变化的调幅。51 可以证明，基极调幅电路的平均可以证明，基极调幅电路的平均集电极效率不高，这是它的主要缺点。集电极效率不高，这是它的主要缺点。它的主要优点是所需调制功率小，对它的主要优点是所需调制功率小，对整机的小型化有利。整机的小型化有利。52振幅解调振幅解调(又称检波又称检波)是振幅调制的逆过程。它的是振幅调制的逆过程。它的作用是从已调制的高频振荡中恢复出原来的调制信号。作用是从已调制的高频振荡中恢复出原来的调制信号。从频谱上看，检波就是将幅度调制波中的边带信从频谱上看，检波就是将幅度调制波中的边带

16、信号不失真地从载波频率附近搬移到零频率附近号不失真地从载波频率附近搬移到零频率附近,因此，因此，检波器也属于频谱搬移电路。检波器也属于频谱搬移电路。7.1.2振幅解调振幅解调(检波检波)原理与电路原理与电路中放来非线性器 件低通 Fmax到功放0Fmaxf0fFmaxf12f1f1f53检波器v1v2vittt输入高频等幅波则输出是直流电压输入信号是调幅波输出为原调制信号输入脉冲调制波输出为脉冲信号vottt检波前后的波形图54检波器的组成应包括三部分，高频已调信号源，非线检波器的组成应包括三部分，高频已调信号源，非线性器件，性器件，RCRC低通滤波器。其如下图所示低通滤波器。其如下图所示包络

17、检波包络检波同步检波同步检波检波器分类检波器分类: :平方率检波平方率检波峰值包络检波峰值包络检波平均包络检波平均包络检波 中放来 非线性 器 件 低通 Fmax 到低放 高频 信号源 解调普通调幅波组成原理框图解调普通调幅波组成原理框图55 串联式二极管（大信号）包络检波器左图所示。图串联式二极管（大信号）包络检波器左图所示。图中的中的R R、C C为二极管检波器的负载，同时也起低通滤波器为二极管检波器的负载，同时也起低通滤波器作用。一般要求检波器的输入信号大于作用。一般要求检波器的输入信号大于0.5V0.5V，所以称为，所以称为大信号检波器。大信号检波器。 7.9 包络检波包络检波 1.包

18、络检波器的包络检波器的工作原理工作原理 o vi t vc t1 t2 56RC电路：电路：二是作为检波器的负载，在其两端输出已恢二是作为检波器的负载，在其两端输出已恢复的调制信复的调制信号。号。一是起高频滤波作用。一是起高频滤波作用。 大信号的检波的原理大信号的检波的原理: :主要是利用二主要是利用二极管的单向导电特性和检波负载极管的单向导电特性和检波负载RCRC的充的充放电过程来完成调制信号的提取。放电过程来完成调制信号的提取。572. 包络检波器的质量指标包络检波器的质量指标1)电压传输系数电压传输系数(检波效率检波效率)imadVmVK 输入调幅波包络振幅输入调幅波包络振幅 检波器的音

19、频输出电压检波器的音频输出电压 另外：另外： cos dK -电流通角电流通角33RRd R -检波器负载电阻检波器负载电阻Rd -检波器内阻检波器内阻当当RRd时，时，0，cos1。即检波效率。即检波效率Kd接近于接近于1，这是包络检波的主要优点。，这是包络检波的主要优点。58Vim -调幅波的调幅波的 载波振幅载波振幅2)等效输入电阻等效输入电阻RidVim - 输入高频电压的振幅输入高频电压的振幅Iim - 输入高频电流的的基波振幅输入高频电流的的基波振幅dimdimimimidKRRVKVIVR2/2 2/RRid 即大信号二极管的输入电阻约等于负载电阻的一半。即大信号二极管的输入电阻

20、约等于负载电阻的一半。通常通常1 dK因此因此 由于二极管输入电阻的影响，使输入谐振回路由于二极管输入电阻的影响，使输入谐振回路的的Q值降低，消耗一些高频功率。这是二极管检波值降低，消耗一些高频功率。这是二极管检波器的主要缺点。器的主要缺点。593)失真失真 惰性失真（对角线切割）惰性失真（对角线切割）ovitvct1t2惰性失真惰性失真原因原因:由于负载电阻由于负载电阻R与负载与负载电容电容C的时间常数的时间常数RC太大所太大所引起的。这时电容引起的。这时电容 C上的电上的电荷不能很快地随调幅波包络荷不能很快地随调幅波包络变化变化,从而产生失真。从而产生失真。不产生失真的条件不产生失真的条件

21、:为了防止惰性失真，只要适当选择为了防止惰性失真，只要适当选择RC的数值，使的数值，使C的放电加快，能跟上高频信号电压包的放电加快，能跟上高频信号电压包络的变化就行了。络的变化就行了。 也就是要求也就是要求dtdcvdtVdim 或写成或写成 aammRC2max1 在工程上可按在工程上可按 maxRC1.5 计算。计算。现象现象:60负峰切割失真负峰切割失真(底部切割失真底部切割失真)检波器输出通过耦合电容检波器输出通过耦合电容Cc与输入电阻为与输入电阻为ri2的低频的低频放大器相连接。放大器相连接。 + + v C + R ri2 VC Cc vi D 考虑了耦合电容考虑了耦合电容Cc和低

22、放和低放输入电阻输入电阻ri2后的检波电路后的检波电路为了有效地传送低频信号，为了有效地传送低频信号，要求要求C Cc c很大很大，对音频可认对音频可认为是短路。为是短路。21icrC 此时交流负载电阻此时交流负载电阻R R 等于直流负载电阻等于直流负载电阻R R与与r ri2i2的并联。的并联。RrRrRRii 2261 在检波过程中，在检波过程中，Cc两端建立了直流电压两端建立了直流电压Vc经电阻经电阻R和和r ri2i2分压，在分压，在R上得到的直流电压为：上得到的直流电压为：22iimicRrRRVrRRVV 对于二极管来说，对于二极管来说，VR是反偏压，它有可能阻止是反偏压，它有可能

23、阻止二极管导通，从而产生失真。二极管导通，从而产生失真。VimOvVRmaVim62 为了避免底部切割失真，调幅波的最小幅度为了避免底部切割失真，调幅波的最小幅度(VimmaVim)必须大于必须大于VR2)1 (iimaimrRRVmV RRrRrmiia 22即：即：63 非线性失真非线性失真 这种失真是由检波二极管伏安特性曲线这种失真是由检波二极管伏安特性曲线的非线性所引起的。这时检波器的输出音频的非线性所引起的。这时检波器的输出音频电压不能完全和调幅波的包络成正比。但如电压不能完全和调幅波的包络成正比。但如果负载电阻果负载电阻R R选得足够大，则检波管非线性特选得足够大，则检波管非线性特

24、性影响越小，它所引起的非线性失真即可忽性影响越小，它所引起的非线性失真即可忽略。略。64 频率失真频率失真这种失真是由于耦合电容这种失真是由于耦合电容C Cc c和滤波电容和滤波电容C C所引起的。所引起的。Cc的存在主要影响检波的下限频率的存在主要影响检波的下限频率 min。为使频率为为使频率为 min时，时，Cc上的电压降不大，不产生频率上的电压降不大，不产生频率失真，必须满足下列条件：失真，必须满足下列条件：2min1icrC 2min1icrC 或或电容电容C的容抗应在上限频率的容抗应在上限频率 max时，不产生旁路作用，时，不产生旁路作用，即它应满足下列条件：即它应满足下列条件：RC

25、 max1或或RCmax1 一般一般Cc约为几约为几 F，C约为约为0.01 F。65例：如图所示检波器电路，已知调制频率例：如图所示检波器电路，已知调制频率F=3003000Hz，信号频率，信号频率fi=465kHz，R1=1k， R2=5k， ri2=2k，为了避免惰，为了避免惰性失真和底部切割失真，试计算元件性失真和底部切割失真，试计算元件C1、Cc 及及ma的值。的值。66 不产生惰性失真的条件为不产生惰性失真的条件为 maxRC1.5 ，取为取为1.5，即，即5 . 1600030002 C 解得：解得：67 600021RRR1CC FCC 013. 01 C2亦可取为亦可取为0.

26、013F。 不产生负峰切割失真的条件为不产生负峰切割失真的条件为RRma 代入，得：代入，得：68 k4 . 222221iirRrRRR最后，最后，Cc的阻抗在的阻抗在min时应可忽略，即时应可忽略，即4 . 0 RRma2min1icrC FCc 265. 0200030021 697071 抑制载波的双边带信号和单边带信号，因其波形包抑制载波的双边带信号和单边带信号，因其波形包络不直接反映调制信号的变化规律，不能用包络检波络不直接反映调制信号的变化规律，不能用包络检波器解调，又因其频谱中不含有载频分量，解调时必须器解调，又因其频谱中不含有载频分量，解调时必须在检波器输入端另加一个与发射载

27、波同频同相并保持在检波器输入端另加一个与发射载波同频同相并保持同步变化的参考信号，此参考信号与调幅信号共同作同步变化的参考信号，此参考信号与调幅信号共同作用于非线性器件电路，经过频率变换，恢复出调制信用于非线性器件电路，经过频率变换，恢复出调制信号，这种检波方式称为同步检波。号，这种检波方式称为同步检波。 同步检波有两种实现电路同步检波有两种实现电路:7.10 同步检波电路同步检波电路72ttVm111coscos v)cos(000 tVv0110 )tt)cos(coscosVV1101m2 )2cos(41coscos2110101 tVVtVVmm)2cos(41101 tVVm12t

28、VVm coscos2101 v已调波为载波分量被抑止的双边带信号已调波为载波分量被抑止的双边带信号 准确地等于输入信号载波的角频率准确地等于输入信号载波的角频率即即但二者的相位可能不同；这里但二者的相位可能不同；这里 表示它们的相位差。表示它们的相位差。这时相乘器输出（假定相乘器传输系数为这时相乘器输出（假定相乘器传输系数为1 1） 低通滤波器滤除低通滤波器滤除附近的频率分量后，就得到频率为附近的频率分量后，就得到频率为 的低频信号，的低频信号， 本地载波电压本地载波电压 本地载波的角频率本地载波的角频率乘积检波器乘积检波器73 cos0 由式可见，低频信号的输出幅度与由式可见，低频信号的输

29、出幅度与成正比。当成正比。当 在理想情况下，除本地载波与输入信号载波的在理想情况下，除本地载波与输入信号载波的角频率必须相等外，希望二者的相位也相同。此时，角频率必须相等外，希望二者的相位也相同。此时，乘积检波称为乘积检波称为“同步检波同步检波”。 乘积检波也可用来解调普通调幅波，这时参考乘积检波也可用来解调普通调幅波，这时参考信号的作用仅是加强了输入信号中的载波分量。信号的作用仅是加强了输入信号中的载波分量。 由上分析得出：在同步检波中，需要有与发送由上分析得出：在同步检波中，需要有与发送端同频同相的本地振荡信号，才能完全恢复原调制端同频同相的本地振荡信号，才能完全恢复原调制信号。信号。 时

30、，时，低频信号电压最大，随着相位差低频信号电压最大，随着相位差 加大，加大，输出电压减弱。输出电压减弱。747.11 单边带信号的接收单边带信号的接收 单边带信号的接收过程正好和发送过程相反。单边带信号的接收过程正好和发送过程相反。它是二次变频电路。它是二次变频电路。fi1较高，用调谐回路即可选出所需的边带。较高，用调谐回路即可选出所需的边带。fi2较低，一般采用带通滤波器取出单边带信号。较低，一般采用带通滤波器取出单边带信号。单边带信号与第三本振载波信号在乘积检波器中进行解单边带信号与第三本振载波信号在乘积检波器中进行解调，经过低通滤波器后，即可获得原调制信号。调，经过低通滤波器后，即可获得

31、原调制信号。754.5变频器的工作原理变频器的工作原理 t f fs 非线性器件 滤波器 混频器 vs v0 t f f0 t vi f fi 本机 振荡器 1. 变频器的作用与组成变频器的作用与组成混频即对信号进行频率变换，将其载频变换到混频即对信号进行频率变换，将其载频变换到某一固定的频率上某一固定的频率上(常称为中频常称为中频)，而保持原信号的特，而保持原信号的特征征(如调幅规律如调幅规律)不变。不变。混频器的电路组成如图所示混频器的电路组成如图所示76fov o fo-fS fo+fSvIvSfS混频前后的频谱关系混频前后的频谱关系772. 变频器的性能指标变频器的性能指标1)1)变频

32、增益变频增益：混频器输出中频电压混频器输出中频电压Vim与输入高频电压与输入高频电压Vsm的的 幅值之比。幅值之比。2)2)失真和干扰：失真和干扰：抑制组合频率干扰、交调、互调等干扰的能力。抑制组合频率干扰、交调、互调等干扰的能力。3)3)选择性：选择性：抑制中频信号以外信号的能力。抑制中频信号以外信号的能力。4)4)噪声系数：噪声系数：变频器的噪声系数对接收设备的总噪声系数影响很大，变频器的噪声系数对接收设备的总噪声系数影响很大，应尽量降低。应尽量降低。 上述的几个质量指标是相互关联的，应该正确选上述的几个质量指标是相互关联的，应该正确选择管子的工作点、合理选择本振电路和中频频率的高择管子的

33、工作点、合理选择本振电路和中频频率的高低，使得几个质量指标相互兼顾，整机取得良好的效低，使得几个质量指标相互兼顾，整机取得良好的效果。果。78 vs(t)v非线性器件vI(t)ivo(t)带通叠加型混频器实现模型叠加型混频器实现模型2210vbvbbf(v)i 图示中的非图示中的非线性器件具线性器件具有如下特性：有如下特性：对其对其2 2次方进行分析：次方进行分析：os22o22s22os222vv2bvbvb)v(vbvb 在二次方项中出现了两信号的相乘项，因而可以得到在二次方项中出现了两信号的相乘项，因而可以得到( ( 0 0+ + s s) )和和( ( 0 0- - s s) )。若用

34、带通滤波器取出所需的中频成若用带通滤波器取出所需的中频成分分( (和频或差频和频或差频) )，可达到混频的目的。，可达到混频的目的。3. 3. 混频器电路类型混频器电路类型(1)(1)叠加型混频器叠加型混频器79 vs(t) 带通 vI(t) v0(t) 乘积型混频器实现模型乘积型混频器实现模型乘积型混频器由模拟乘法器乘积型混频器由模拟乘法器和带通滤波器组成和带通滤波器组成设输入信号为普通调幅波设输入信号为普通调幅波ttmVtvsasms cos)cos1()( tVtoomo cos)( v)cos()cos(cos1(2)(000tttmVVKktssaomsms vvVI采用中心频率不同

35、的带通滤波器采用中心频率不同的带通滤波器( 0 s)或或( 0+ s)则可完成低中频混频或高中频混频。则可完成低中频混频或高中频混频。(2)(2)乘积型混频器乘积型混频器804.6 晶体管混频器晶体管混频器1、基本电路、基本电路 按照晶体管的组态和本振电压注入点的不同，晶按照晶体管的组态和本振电压注入点的不同，晶体管混频器有体管混频器有4种基本形式。种基本形式。图图( (a)a)对振荡电压来说是共射对振荡电压来说是共射电路，输出阻抗较大，容易电路，输出阻抗较大，容易起振，混频时所需本地振荡起振，混频时所需本地振荡注入功率较小，这是它的优注入功率较小，这是它的优点，但信号输入电路与振荡点，但信号

36、输入电路与振荡电路相互影响较大，可能产电路相互影响较大，可能产生频率牵引现象，这是它的生频率牵引现象，这是它的缺点。缺点。81 图图( (b)b)电路的输入信号与电路的输入信号与本振电压分别从基极输入和本振电压分别从基极输入和发射极注入，因此，相互干发射极注入，因此，相互干扰产生牵引现象的可能性小。扰产生牵引现象的可能性小。同时，对于本振电压来说是同时，对于本振电压来说是共基电路，其输入阻抗较小，共基电路，其输入阻抗较小，不易过激励，因此振荡波形不易过激励，因此振荡波形好，失真小。这是它的优点。好，失真小。这是它的优点。但需要较大的本振注入功率。但需要较大的本振注入功率。 82 图图(c)和和

37、(d)两种电路都是共基混频电路。在较低的两种电路都是共基混频电路。在较低的频率工作时，变频增益低，输入阻抗也较低，因此频率工作时，变频增益低，输入阻抗也较低，因此在频率较低时一般都不采用。但在较高的频率工作在频率较低时一般都不采用。但在较高的频率工作时时(几十几十MHz)，因为共基电路的截止频率因为共基电路的截止频率f 比共射比共射电路的电路的f 要大很多，所以变频增益较大。因此，在要大很多，所以变频增益较大。因此，在较高频率工作时采用这种电路。较高频率工作时采用这种电路。832、晶体管混频器的分析方法、晶体管混频器的分析方法在混频时，晶体管可看成一个参数在混频时，晶体管可看成一个参数(跨导跨

38、导)在改变的线性元件，即变跨导线性在改变的线性元件，即变跨导线性元件。元件。84 VB O O ic t vBE vBE a / b/ a b a / b/ v0 vS 由于信号电压由于信号电压vs很小，无论很小，无论它工作在特性曲线的哪个区域，它工作在特性曲线的哪个区域，都可以认为特性曲线是线性的。都可以认为特性曲线是线性的。而本振信号而本振信号v0 0很大，在晶体管混很大，在晶体管混频器的分析中，晶体管的跨导频器的分析中，晶体管的跨导（斜率）按（斜率）按v0 0的角频率周期性的的角频率周期性的变化变化(图上图上ab、a b 和和a b 三段的三段的斜率是不同的斜率是不同的)。变跨导分析法变

39、跨导分析法加电压后的晶体管转移特性曲线加电压后的晶体管转移特性曲线因因vovs使晶体管工作在线使晶体管工作在线性时变状态，所以晶体管集电性时变状态，所以晶体管集电极电流极电流ic(t)和跨导和跨导g(t)均作周期均作周期性变化。性变化。85 集电极电流集电极电流iC C和输入电压和输入电压vBE的函数关系：的函数关系： iC= f(vBE)= f(vBB +v0 +vs) 可将可将vB v0+ vBB看成器件的交变工作点电看成器件的交变工作点电压，则压，则iC可在此工作点处展开为泰勒级数可在此工作点处展开为泰勒级数 由于由于vs的值很小，可以忽略二次方及其以的值很小，可以忽略二次方及其以上各项

40、，得近似方程上各项，得近似方程 221sBsBBC)v(vf!)v(vf)f(visBBC)vf(v)f(vi 86 其中其中f(vB)和和 f (vB)是是vBE=vB 时的集电极电时的集电极电流和晶体管流和晶体管跨导。将跨导。将 vB =VBB+V0m cos 0t和和 vs= Vsm cos st 代入上式展开并整理，得代入上式展开并整理，得tVtgtggtItIIssmocmcmcc cos)2coscos()2coscos(020102010 i87 tgtgtgtgtgVtItIItVtgtggtItIIsosososososmococcossmooococcoc)2cos(2)2

41、cos(2)cos(2)cos(2cos2coscoscos)2coscos()2coscos(22112121021 i若中频频率取差频若中频频率取差频 ，则混频后输出的中频电流为则混频后输出的中频电流为其振幅为其振幅为 soi )tcos(2gViso1smim 21gVIsmim 88由上式引出变频跨导由上式引出变频跨导gc的概念，它的定义为的概念，它的定义为 121gVIgsmimc输入高频电压振幅 输出中频电流振幅 此外，输出的中频电流振幅此外，输出的中频电流振幅Iim与输入高频信与输入高频信号电压的振幅号电压的振幅Vsm成正比。若高频信号电压振幅成正比。若高频信号电压振幅Vsm按一

42、定规律变化，则中频电流振幅按一定规律变化，则中频电流振幅Iim也按相同也按相同的规律变化。的规律变化。 89 晶体管的跨导随本振信号作周期性变化，晶体管的跨导随本振信号作周期性变化，可表示成：可表示成： tgtggtgoo 2coscos)(210 tdttgTgoTT cos)(2221 其中，其中，g g1 1是在本振电压加入后，混频管跨导变是在本振电压加入后，混频管跨导变量中基波分量量中基波分量 由于由于g(t)是一个很复杂的函数，因此要从是一个很复杂的函数，因此要从上式来求上式来求g1是比较困难的。从工程实际出发，是比较困难的。从工程实际出发，采用图解法进行近似计算。采用图解法进行近似

43、计算。 90晶体管跨导与本振电压晶体管跨导与本振电压v0的关系曲线。的关系曲线。设直流工作点选在曲设直流工作点选在曲线的线性部分的中间线的线性部分的中间Q Q点处。同时认为，在点处。同时认为，在本振电压的作用下，本振电压的作用下，跨导不超出线性范围。跨导不超出线性范围。tcosggg(t)o10 22maxminmax1gggg 22maxminmax0gggg 9142121max01ggggc mSIIgbbETSEc2)26(1267 . 035. 0 所以，当所以，当 时，可得：时，可得：minmaxgg 2max01ggg 因而变频跨导因而变频跨导实验证明：实验证明：92 式中，式中

44、，T T为晶体管的特征角频率；为晶体管的特征角频率；I IE E为工作点电流。为工作点电流。 晶体管用作放大器时，工作点可选在晶体管用作放大器时，工作点可选在g gmaxmax附近，以得到较高的电压和功率增益；附近，以得到较高的电压和功率增益；用作混频器时，用作混频器时，g gc c仅为仅为g gmaxmax的的1/41/4。 mSIIgbbETSEc2)26(1267 . 035. 0 93变频器的增益变频器的增益图中图中g gicic为输入电导；为输入电导；g gococ为输出电导；为输出电导；g gc c为变频跨导为变频跨导；负载电导；负载电导GL是输出回路的谐振电导。是输出回路的谐振电

45、导。故变频电压增益故变频电压增益LocscLociiGgVgGgIV LoccsivcGggVVA 晶体管混频器等效电路晶体管混频器等效电路 由图可以算出由图可以算出94icLvcicLLoccicsLiPCgGAgGGgggVGVA22222)( 变频功率增益变频功率增益如果电路匹配，使如果电路匹配，使GL=goc，则可得到最大变频则可得到最大变频功率增益功率增益ociccpcgggA42max 95晶体管混频器晶体管混频器优点：变频增益较高优点：变频增益较高缺点：缺点：1、动态范围较小；动态范围较小； 2、组合频率较多，干扰严重；组合频率较多，干扰严重； 3、噪声较大；噪声较大； 4、存在

46、本振电压反向辐射。存在本振电压反向辐射。二极管混频器二极管混频器优点：优点：1、动态范围较大；动态范围较大； 2、组合频率干扰少；组合频率干扰少； 3、噪声较小；噪声较小； 4、不存在本地辐射。不存在本地辐射。缺点：变频增益小于缺点：变频增益小于1 196图中变压器图中变压器Tr1和和Tr2的中心抽头是对称的。信号的中心抽头是对称的。信号电压反相加在两个二极管上，振荡电压同相加在二极电压反相加在两个二极管上，振荡电压同相加在二极管上。管上。如果如果VomVsm，则，则D1与与D2工作于开关状态。工作于开关状态。4.7 二极管混频器二极管混频器原理性电路原理性电路 1. 二极管平衡混频器二极管平

47、衡混频器等效电路等效电路97二极管平衡混频器输出电流的频率成份为：二极管平衡混频器输出电流的频率成份为： s、 0 s、3 0 s、 ，与晶体管混频器输出电，与晶体管混频器输出电流中的频率分量流中的频率分量 0、2 0、3 0 , , s、 0 s、2 0 s、3 0 s相比较可知，二极管平衡混频器相比较可知，二极管平衡混频器的输出频率的组合分量大为减少的输出频率的组合分量大为减少。同时，在输出端。同时，在输出端没有没有 0 0，说明本地振荡器无反向辐射；没有说明本地振荡器无反向辐射；没有n n 0 0，说说明在输出中频回路选择性不够好的情况下，不致影明在输出中频回路选择性不够好的情况下，不致

48、影响第一级中放的工作点。响第一级中放的工作点。可以证明，输出电流：可以证明，输出电流：tVttRriiissmLd cos3cos32cos22110021 98本振电压从输入和输出变压器中心抽头加入。本振电压从输入和输出变压器中心抽头加入。四个二极管均按开关状态工作。它相当于两个平四个二极管均按开关状态工作。它相当于两个平衡混频器的组合，其主要优点是抵消了输出电流衡混频器的组合，其主要优点是抵消了输出电流中的某些组合频率分量，从而减小混频器中所特中的某些组合频率分量，从而减小混频器中所特有的组合频率干扰。有的组合频率干扰。2. 二极管环形混频器二极管环形混频器991. 组合频率干扰组合频率干

49、扰(干扰哨声干扰哨声) - 有用信号谐波和本振信号谐波产生的干扰有用信号谐波和本振信号谐波产生的干扰混频器的输出信号中所包含的各种频率分量为：混频器的输出信号中所包含的各种频率分量为：sokqfpff p，q为任意正整数，分别代表本振为任意正整数，分别代表本振频率和信号频率的谐波次数。频率和信号频率的谐波次数。只有只有p=q=1对应的频率为对应的频率为 f0fs 的分量是所需要的中频信号。的分量是所需要的中频信号。 如果某些组合频率接近中频，并落在谐振回路的如果某些组合频率接近中频，并落在谐振回路的通频带内，这些组合频率分量就和有用的中频分量一通频带内，这些组合频率分量就和有用的中频分量一样，

50、通过中放进入检波器，并在检波电路中与有用信样，通过中放进入检波器，并在检波电路中与有用信号产生差拍，这时在接收机的输出端将产生哨叫声，号产生差拍，这时在接收机的输出端将产生哨叫声，形成有害的干扰。形成有害的干扰。4.9 混频器中的干扰混频器中的干扰100因此，只要满足因此，只要满足 组合频率的干扰信号就能进入中频放大器，组合频率的干扰信号就能进入中频放大器，经差拍检波后，产生干扰哨声。经差拍检波后，产生干扰哨声。isfpq1pf 即当即当时会产生干扰哨叫。时会产生干扰哨叫。isKfqfpff 0101sifff 0如取如取2、外来干扰信号和本振产生的干扰、外来干扰信号和本振产生的干扰(1) 组

51、合副波道干扰组合副波道干扰 如果混频器之前的输入回路和高频放大器的选如果混频器之前的输入回路和高频放大器的选择性不够好，除了要接收的有用信号外，干扰信号择性不够好，除了要接收的有用信号外，干扰信号也会进入混频器。它们与本振频率的谐波同样可以也会进入混频器。它们与本振频率的谐波同样可以形成接近中频频率的组合频率干扰，产生干扰哨声。形成接近中频频率的组合频率干扰，产生干扰哨声。当干扰频率当干扰频率fn与本振频率与本振频率fo满足满足会产生组合副波道干扰。会产生组合副波道干扰。 ininfqfpffqfpf00时，时，102例例: :某超外差收音机，其中频某超外差收音机，其中频f fi i=465k

52、Hz=465kHz。 当收听当收听f fs2s2=1480kHz=1480kHz电台节目时，还能电台节目时，还能听到听到f fn2n2=740kHz=740kHz强电台的声音，分析产生强电台的声音，分析产生干扰原因。干扰原因。解：解： 因为因为f fs2s2=1480kHz f=1480kHz fi i=465kHz=465kHz所以所以f fo o=f=fs2s2+f+fi i=1480+465=1945kHz=1480+465=1945kHz，而，而f fn2n2=740kHz,=740kHz,f fo o2f2fn2n2=1945=19452 2 740=465kHz=f740=465k

53、Hz=fi i故这种干故这种干扰为组合副波道干扰。扰为组合副波道干扰。103(2) 副波道干扰副波道干扰 在组合副波道干扰中，某些特定频率形成的干扰在组合副波道干扰中，某些特定频率形成的干扰称为副波道干扰。典型的副波道干扰有中频干扰和镜称为副波道干扰。典型的副波道干扰有中频干扰和镜像频率干扰。像频率干扰。1)中频干扰中频干扰当干扰信号的频率等于或接近当干扰信号的频率等于或接近fi 时的干扰。即：时的干扰。即：fnfi2)镜像镜像频率干扰频率干扰当外来干扰信号的频率当外来干扰信号的频率fn=fo+fi= =sf 时的干扰，即：时的干扰，即：fn=fo+fi= =isff2 104sf issff

54、f2 sf 如果把如果把f fo o当作镜子，则当作镜子，则相当于相当于f fs s的象，所以称的象，所以称为镜像干扰频率，即为镜像干扰频率，即镜像频率干扰镜像频率干扰fffsffs0有用信号本振信号镜像干扰ifi105例例: :某超外差收音机，其中频某超外差收音机，其中频f fi i=465kHz=465kHz。 当收听当收听f fs1s1=550kHz=550kHz电台节目时，还能听到电台节目时，还能听到f fn1n1=1480kHz=1480kHz强电台的声音，分析产生干扰的强电台的声音，分析产生干扰的原因。原因。解：因为解：因为f fn1n1=f=fs1s1+2+2f1f1=550+2

55、=550+2 456=1480kHz456=1480kHz； 根据上述分析，根据上述分析，f fn1n1为镜像频率干扰。为镜像频率干扰。 1063、其他类型的干扰、其他类型的干扰1) 交叉调制交叉调制( (交调交调) )干扰干扰其现象为：其现象为： 当所接收电台的信号和干扰电台同时进入接收当所接收电台的信号和干扰电台同时进入接收机输入端时，如果接收机调谐于信号频率，可以清机输入端时，如果接收机调谐于信号频率，可以清楚地收到干扰信号电台的声音，若接收机对接收信楚地收到干扰信号电台的声音，若接收机对接收信号频率失谐，干扰台的声音也消失。号频率失谐，干扰台的声音也消失。产生的原因：产生的原因： 混频

56、器中晶体管特性中的混频器中晶体管特性中的3次方以上的非线性传次方以上的非线性传输特性产生的。输特性产生的。1072) 互相调制互相调制( (互调互调) )干扰干扰 当两个或两个以上的干扰进入到混频器的输入端当两个或两个以上的干扰进入到混频器的输入端时，由于放大器的非线性作用，使干扰信号彼此混频，时，由于放大器的非线性作用，使干扰信号彼此混频，它们将产生一系列组合频率分量。如果某些分量的频它们将产生一系列组合频率分量。如果某些分量的频率等于或接近于中频时，就会形成干扰，称为互调干率等于或接近于中频时，就会形成干扰，称为互调干扰。扰。 接收机调谐于信号频率，可以清楚地收到干扰信接收机调谐于信号频率

57、，可以清楚地收到干扰信号电台的声音，若接收机对接收信号频率失谐，干扰号电台的声音，若接收机对接收信号频率失谐，干扰台的声音仍然存在。台的声音仍然存在。 由非线性器件二次方以上的特性引起，由非线性器件二次方以上的特性引起，因此存在因此存在二阶互调和三阶互调及高阶互调。二阶互调和三阶互调及高阶互调。现象：现象：产生的原因：产生的原因：1083) 阻塞阻塞干扰干扰 当一个强干扰信号进入接收机输入端后，由于当一个强干扰信号进入接收机输入端后，由于输入电路抑制不良，会使前端电路内放大器或混频输入电路抑制不良，会使前端电路内放大器或混频器的晶体管处于严重的非线性区域，使输出信噪比器的晶体管处于严重的非线性

58、区域，使输出信噪比大大下降。这种现象称为阻塞干扰。大大下降。这种现象称为阻塞干扰。 产生阻塞现象的原因有两种：一种是强干扰作用产生阻塞现象的原因有两种：一种是强干扰作用下晶体管特性曲线的非线性所引起的阻塞，一种是强下晶体管特性曲线的非线性所引起的阻塞，一种是强干扰破坏了晶体管的工作状态，使管子产生假击穿干扰破坏了晶体管的工作状态，使管子产生假击穿(干扰电压消失后，晶体管还能够还原干扰电压消失后，晶体管还能够还原)，这样使作为，这样使作为电流分配器的晶体管的正常工作状态被破坏，产生了电流分配器的晶体管的正常工作状态被破坏，产生了完全堵死的阻塞现象。完全堵死的阻塞现象。1094) 相互混频相互混频

59、 由于在混频器输入端存在强干扰信号，由于在混频器输入端存在强干扰信号，而本振源内存在杂散噪声，强干扰与杂散噪而本振源内存在杂散噪声，强干扰与杂散噪声混频产生的频率分量落在中频通带内形成声混频产生的频率分量落在中频通带内形成中频噪声。中频噪声。110减小各种干扰的措施：减小各种干扰的措施： (1) 提高混频器前端电路提高混频器前端电路( (天线回路和高放天线回路和高放) )的选择性，对抑制各种外部干扰有着决定性的的选择性，对抑制各种外部干扰有着决定性的作用。作用。 (2) 合理地选择中频，能有效地减小组合频合理地选择中频，能有效地减小组合频率干扰和副波道干扰，对交调、互调等也有一率干扰和副波道干

60、扰，对交调、互调等也有一定的抑制作用。定的抑制作用。(3) 合理选用电子器件与工作点。工作点的合理选用电子器件与工作点。工作点的选择应使晶体管工作于三次非线性最小的区选择应使晶体管工作于三次非线性最小的区域，以减小交调、互调和阻塞等干扰。域，以减小交调、互调和阻塞等干扰。1111. 本章内容包含三个主要部分本章内容包含三个主要部分调幅、检波调幅、检波和混频。它们在时域上都表现为两信号的相乘；在和混频。它们在时域上都表现为两信号的相乘；在频域上则是频谱的线性搬移。这三种电路的工作原频域上则是频谱的线性搬移。这三种电路的工作原理和基本组成相同，都是由非线性器件实现频率变理和基本组成相同，都是由非线