振幅调制解调及混频

1、第6章 振幅调制、解调及混频6.1 振幅调制 6.2 调幅信号的解调6.3 混频6.4 混频器的干扰第6章 振幅调制、解调及混频振幅调制、解调及混频电路都属于频谱的线性搬移电路，是通信系统及其它电子系统的重要部件。前面第五章学习了频谱线性搬移电路的原理电路，工作原理及特点，本章将介绍一些实用的频谱线性搬移电路。6.1 振幅调制调制用调制信号去控制载波某个参数的过程。 振幅调制用调制信号去控制高频震荡信号的振幅，使高频震荡信号的振幅按调制信号的规律变化。振幅调制幅度调制 ：AM（Amplitude Modulation）双边带调制：DSB（DoubleSide Band Modulation）单

2、边带调制：SSB（Single Side Band Modulation）残留边带调制：VSB（Vestigial Side Band Modulation）6.1 振幅调制一、振幅调制信号分析调幅波的分析（1）表达式和波形载波电压为：设调制信号：一般c根据振幅调制的定义可知，已调信号us的振幅为：则调幅信号为：6.1 振幅调制一、振幅调制信号分析调幅波的分析（1）表达式和波形其中调幅度或调制度ka为比例系数，又称调制灵敏度上面的分析是在单一正弦信号作为调制信号的情况下进行的,而一般传送的信号并非为单一频率的信号,例如是一连续频谱信号f(t),则f（t）是均值为零的归一化调制信号，即6.1 振

3、幅调制一、振幅调制信号分析调幅波的分析（1）表达式和波形已调信号的包络正比于调制信号用调制度m表示调制的深度。当m1时，会产生包络失真，因此要求mU时，有6.1 振幅调制二、振幅调制电路 AM调制电路（2）低电平调制二极管电路通过滤波器滤出 频率分量，则输出uo6.1 振幅调制二、振幅调制电路 AM调制电路（2）低电平调制差分对电路令则：6.1 振幅调制二、振幅调制电路 AM调制电路（2）低电平调制差分对电路用中心频率为fc，带宽为2F滤波器滤波后，有：AM信号（双端输出）用单端输出，以及双差分对电路也能实现AM信号的调制。6.1 振幅调制二、振幅调制电路 DSB调制电路DSB信号的产生大都采

4、用低电平调制，关键是乘积项。（1）二极管调制电路单二极管电路只能产生AM信号,不能产生DSB信号。二极管平衡电路和二极管环形电路可以产生DSB信号。二极管平衡电路6.1 振幅调制二、振幅调制电路 DSB调制电路二极管平衡电路当UCU时滤波器的中心频率为fc,带宽为2F,谐振阻抗为RL,则输出电压为DSB信号6.1 振幅调制二、振幅调制电路 DSB调制电路二极管平衡电路如果uc 、u的位置交换，则该电路不能得到DSB信号。故无论怎么设计滤波器，都不可能得到DSB信号，因为载波没有抑制掉。6.1 振幅调制二、振幅调制电路 DSB调制电路二极管平衡电路6.1 振幅调制二、振幅调制电路 DSB调制电路

5、二极管平衡电路两个二极管反向，故载波电压同相加在两管上，而调制电压反向加在两管上。流经负载RL上的电流仍是两管电流之差，故其原理与基本平衡电路相同。C1对高频短路，低频开路;C2、C3用于平衡反向工作时两管的结电容。平衡调制器的一种实际线路6.1 振幅调制二、振幅调制电路 DSB调制电路二极管环形电路（双平衡调制器）双平衡调制器可以进一步减少频率分量.当 时，有经滤波后,有 6.1 振幅调制二、振幅调制电路 DSB调制电路二极管环形电路（双平衡调制器）当uc0时电流为iL1：当uc0时，上桥路导通，下桥路截止uc0时当ucui时，二极管截止，电容放电，uc，二极管电流为0当uc降至0.5, 大

6、信号工作状态（3）既然与Uc无关，当UC按u变化时， 不变当输入为AM信号时，Uo=KDUm（1+mcost）6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波性能分析2) 输入电阻Ri定义：输入电阻是输入载波电压的振幅Um与检波器电流的基频分量振幅I1之比值,即Ri反映了检波器对前级电路影响的程度当6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波性能分析2) 输入电阻Ri因为近似地认为前级输出功率全消耗在R上，则由能量守恒：6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波检波器的失真惰性失真底部切削失真原因：放电速度小于包络下降速度原因：交直流负载不同6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波检波器的失

7、真惰性失真在二极管截止期间,电容C两端电压下降的速度取决于RC的时常数。当RC数值很大时，则电压下降很慢，这就会使得输入电压在下一个正峰值来到时仍小于uc。输入AM信号包络下降速度大于电容器两端电压下降的速度，因而造成二极管负偏压大于信号电压，致使二极管在其后的若干高频周期内不导通。因此检波器输出电压就按RC放电规律变化，输出波形不随包络形状而变化，产生了失真。6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波检波器的失真惰性失真容易看出，惰性失真总是起始于输入电压的负斜率的包络上，调幅度越大，调制频率越高，惰性失真越容易出现，因为此时包络斜率的绝对值增大。6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检

8、波检波器的失真惰性失真 为了避免产生惰性失真,必须在任何一个高频周期内,使电容C通过R放电的速度大于或等于包络的下降速度,即6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波检波器的失真惰性失真如果输入信号为单音调制的AM波,在t1时刻其包络的变化速度为二极管停止导通的瞬间,电容两端电压uC近似为输入电压包络值,即uC=Um(1+mcost)。从t1时刻开始通过R放电的速度为AM波的包络：6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波检波器的失真惰性失真6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波检波器的失真惰性失真实际上,不同的t1,U(t)和uC的下降速度不同,为避免产生惰性失真,必须保证A值最大

9、时,仍有Amax1。令dA/dt1=0,得由此得不失真条件如下: 越大，包络下降速度就越快，要求的RC就越小。在设计中，应用最大调制度及最高调制频率检验有无惰性失真：6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波检波器的失真底部切削失真底部切削失真又称为负峰切削失真。失真波形如下：为取出低频调制信号，电路如图所示：Cg对低频呈现短路，Rg是所接负载。6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波检波器的失真底部切削失真检波器接有Rg，Cg后： 检波器的直流负载R=仍为R；检波器低频交流负载 等于因为：引起底部切削失真因为Cg较大,在音频一周期内,其两端的直流电压基本不变,其大小约为载波振幅值UC,

10、可以把它看作一直流电源。它在电阻R和Rg上产生分压。在电阻R上的压降为 调幅波的最小幅度为UC(1-m),由右图可以看出,要避免底部切削失真,应满足 6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波检波器的失真底部切削失真结论：为防止底部切削失真，检波器交流负载与直流负载之比应大于调幅波的调制度m。 因此必须限制交直流负载的差别。6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波检波器的失真底部切削失真消除底部切削失真的措施：限制交直流负载的差别有两种措施 ：（1）：在检波器与低放级之间插入高输入阻抗的射级跟随器（2）：将R分成R1、R2，R=R1+R2，此时6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波

11、实际电路及元件选择分段直流负载；R2电位器用以改变输出电压大小，称为音量控制。R2，R3，R4及-6v电源构成外加正向偏置电路，给二极管提供正向偏置电流，其大小可通过R4调整。6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波实际电路及元件选择检波器设计及元件参数选择的原则如下:(1)回路有载QL值要大,-从选择性、通频带的要求出发考虑的(2)为载波周期-为了保证输出的高频波纹小(3)-为了减小频率失真(4)(5)-为了避免惰性失真及底部切削失真6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波二极管并联检波器原理电路串联检波器外,峰值包络检波器还有并联检波器、推挽检波器、倍压检波器、视频检波器等。这里讨

12、论并联检波器。二极管、负载电阻和信号源并联工作原理：与串联检波器相似VD导通时，ui向C充电，充电时常数rDC；VD截止时，C通过R放电，放电时常数为RCuD=ui-uc6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波二极管并联检波器波形：uD=ui-uc6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波 实际电路：二极管两端电压不仅含有平均分量，还有高频分量，因此输出端需加隔直电容和高频滤波电路。Cg隔直电容；C1，Cg，Rg高频滤波回路，滤除高频6.2 调幅信号的解调二、二极管峰值包络检波 输入电阻设输入信号振幅为Uc，输入并联检波器中的高频功率，一部分消耗在R上，另一部分转换为输出平均功率，则Ua

13、v为VD两端平均电压当Uav=Uc时，有：并联型检波器比串联型检波器输入电阻小，这是因为电阻R上消耗了一部分高频功率 6小信号检波器 小信号检波是指输入信号振幅在几毫伏至几十毫伏范围内的检波。这时,二极管的伏安特性可用二次幂级数近似,即 一般小信号检波时Kd很小,可以忽略平均电压负反馈效应,认为(666)(667) 将它代入上式,可求得iD的平均分量和高频基波分量振幅为 若用Iav=Iav-a0表示在输入电压作用下产生的平均电流增量,则(668) 相应的Kd和Ri为(669) (670) 若输入信号为单音调制的AM波,因c,可用包络函数U(t)代替以上各式中的Um(671) 图647 小信号检

14、波 6.2 调幅信号的解调三、同步检波同步检波乘积型叠加型峰值包络检波只能解调AM信号，而同步检波可用来解调AM，DSB，SSB信号。分类：6.2 调幅信号的解调三、同步检波1. 乘积型同步检波乘积型同步检波是直接把本地恢复载波与接收信号相乘，用低通滤波器将低频信号提取出来。以DSB信号为例：调制信号：us=Uscostcosct； 本地恢复载波：ur=Urcos(rt+),这两个信号相乘：6.2 调幅信号的解调三、同步检波1. 乘积型同步检波考虑r-c=c在低通滤波器频带内, 低通之后有：当 时，则：若恢复载波与发射载频有一定的频差,即r=c+c，则：无失真振幅失真若存在相差，则：引入振幅衰

15、落因子6.2 调幅信号的解调三、同步检波2. 叠加型同步检波叠加型同步检波是将DSB或SSB信号插入恢复载波,使之成为或近似为AM信号,再利用包络检波器将调制信号恢复出来。对DSB信号而言,只要加入的恢复载波电压在数值上满足一定的关系,就可得到一个不失真的AM波。原理电路：6.2 调幅信号的解调三、同步检波2. 叠加型同步检波SSB信号：恢复载波：则其中：6.2 调幅信号的解调三、同步检波2. 叠加型同步检波因为电路后面接的是包络检波器，因此只考虑信号的包络。其中 m=Us/Ur。当mUs时,上式可近似为6.2 调幅信号的解调三、同步检波2. 叠加型同步检波经包络检波器后，输出电压为：隔直后，

16、可将调制信号恢复出来。为了减小解调器输出电压的非线性失真，可采用平衡同步检波电路。6.2 调幅信号的解调三、同步检波2. 叠加型同步检波平衡同步检波电路6.2 调幅信号的解调同步检波的关键是：要产生一个与载波信号同频同相的恢复载波三、同步检波AM信号：同步信号可直接从信号中提取。AM波通过限幅器就可以去除其包络变化，得到等幅载波信号，这就是同频同相的恢复载波。DSB信号：将其平方，从中取出角频率为2wc的频率分量，然后进行分频，就可得到角频率为wc的恢复载波。SSB信号：无法直接提取出恢复载波。因此发射机在发射SSB信号的同时，还需要附带发射一个载波信号，称为导频信号。6.3 混频一、混频的概

17、述定义：混频，又叫变频，也是频谱的线性搬移过程，它是使信号自某一频率变换成另一频率的过程。 通常是把已调高频信号的载波从高频变为中频，其调制规律不变。混频器的功能：它是频谱线性搬移电路，是一个6端网络。 它在频域上起着减（加）法的作用。混频器的输出信号称为中频信号，其频率是fc和fL的和频或差频：6.3 混频一、混频的概述特点： （1）混频器输入输出均是高频信号； （2）输入输出除了载波（中心频率）不同之外，频谱结构完全相同。体现在波形上，则是其包络不变，只是其填充频率不同（内部波形疏密程度不同）； （3）混频器是频率变换电路，在频率上起加减法器的作用。 当flfC时， 上变频 当fIUs,大

18、信号工作,由第5章可得输出电流io为（1）平衡混频器6.3 混频二、混频电路2二极管混频器输出端接中频滤波器,则输出中频电压uI为（1）平衡混频器6.3 混频二、混频电路2二极管混频器（2）环形混频器由第五章可知：中频滤波后：特点：相对其它混频电路没有增益；但是动态范围大，线性好，工作频率高，应用仍然很广泛。6.3 混频二、混频电路2二极管混频器（3）其他混频电路其他混频电路有：差分对混频器；场效应管混频器。它们都是频谱的线性搬移电路。混频器的实质就是找到信号的乘积项，然后利用中频滤波器取出所需频率分量，分析方法与第五章相同。6.4 混频器的干扰干扰： 除了有用信号以外的所有信号统称为干扰。混

19、频器中存在的干扰有：1. 信号与本振的自身组合干扰（干扰哨声）2. 外来干扰与本振的组合干扰（副波道干扰）3. 外来干扰互相形成的互调干扰（互调干扰）4. 外来干扰与信号形成的交叉调制干扰（交调干扰）5. 阻塞、倒易混频干扰等形成干扰的条件：（1）是否满足一定的频率关系； （2）满足频率关系的幅值是否较大产生干扰的原因：混频器的非线性作用。6.4 混频器的干扰一、信号与本振的自身组合干扰1. 产生当输入信号us(fc)、本振信号uL(fL)作用于非线性器件时，非线性器件产生组合频率分量：当有用中频为差频时,即fI=fL-fc或fI=fc-fL ，只有 pfL-qfc=fI或qfc-pfL=fI

20、两种情况可能会形成干扰,即：当 时，会产生干扰。6.4 混频器的干扰一、信号与本振的自身组合干扰1. 产生当取 时，有：变频比结论：变频比一定，则干扰点就确定。即中频一定，在接收机频率工作范围内，组合干扰点就确定了。同理，当取 时，有：编号124567891011121314151617181920p0121231234123412312q1234445555666677788p/q1232/33/241/21252/53/44/35/21/35/312/71/2一、信号与本振的自身组合干扰1. 产生6.4 混频器的干扰不同的p、q值对应的变频比如下表所示：一、信号与本振的自身组合干扰6.4

21、混频器的干扰1. 产生例：fc=931KHz, fI=465KHz ，fI=fL-fc则：fL=1396KHz查表可知，对应2号，10号干扰点编号124567891011121314151617181920p0121231234123412312q1234445555666677788p/q1232/33/241/21252/53/44/35/21/35/312/71/22号：3阶干扰，10号：8阶干扰一、信号与本振的自身组合干扰6.4 混频器的干扰2. 抑制方法 组合干扰与信号同时存在，提高前端电路选择性是不起作用的，这是与外来干扰产生组合干扰的主要不同点。抑制方法：（1）正确选择中频数值

22、由于组合分量的振幅值随p+q的增加而迅速减小，只有p+q值较小的组合频率才会产生明显的干扰。 合理选择中频，将产生最强干扰哨声的频率移到接收频段外。 例：接收频段：230MHz, fI=1.5MHz,组合干扰点：2，4，6，7，10，11，14，15号，最严重的是2号3阶，受干扰的频率fc=2fI=3MHz一、信号与本振的自身组合干扰6.4 混频器的干扰2. 抑制方法如果fI=0.5MHz，则组合干扰点是7、11号，最严重的为7号7阶干扰，fc=4fI=2MHz即减小中频，干扰点数大大减少，而且干扰强度大大降低但是中频降低，对抑制镜频干扰不利原因后面介绍若fI=60MHz ， 则组合干扰点8，

23、12，16，19，20号，最严重的是8号6阶干扰fc=1/2fI=30MHz采用高中频，对抑制镜频干扰和中频干扰有益。一、信号与本振的自身组合干扰6.4 混频器的干扰2. 抑制方法(2) 正确选择混频器的工作状态，使组合频率分量少。 即gm(t)的谐波分量少，使其接近乘法器。(3) 采用合理的电路形式，如平衡电路，环形电路，乘法器二、外来干扰与本振的组合干扰6.4 混频器的干扰 这种干扰是指外来干扰电压与本振电压由于混频器的非线性而形成的假中频。 设干扰电压为uJ(t)=UJcosJt,频率为fJ。 接收机在接收有用信号时,某些无关电台也可能被同时收到,表现为串台,还可能夹杂着哨叫声。二、外来

24、干扰与本振的组合干扰6.4 混频器的干扰如果干扰频率则会形成干扰。fJ总是对成地分布在 的左右，并与之相差1/q*fI这类干扰主要有：中频干扰，镜像干扰，及其它副波道干扰。1. 中频干扰形成一阶干扰。产生的原因：前端电路选择性 不好。干扰电压到达混频器输入端，混频器输出回路谐振于fI， fJ就会被混频器和各级中放放大，形形成干扰。二、外来干扰与本振的组合干扰6.4 混频器的干扰1. 中频干扰抑制方法： （1）提高前端电路的选择性，降低在混频器 输入端的干扰电压值 （2）加中频陷波电路 （3）选择适当的中频（高中频）二、外来干扰与本振的组合干扰6.4 混频器的干扰(2) 镜像干扰如果则会形成二阶

25、组合干扰 此时fc，fJ对称地分布在fL两侧，称镜像关系，故将fJ称为镜像频率，这种干扰称为镜像干扰。二、外来干扰与本振的组合干扰6.4 混频器的干扰(2) 镜像干扰抑制方法： 因混频器对镜频的变换能力，与对信号的变换能力相同，故无法采用工作状态来抑制。 （1）提高前端电路的选择性 （2）提高fI的数值（即高中频）加到混频器输入端的电压值降低二、外来干扰与本振的组合干扰6.4 混频器的干扰(3) 组合副波道干扰当p=q时，有：当p=q=2，3，4时，fJ分别为因 最靠近fc，故干扰最严重。此时四阶干扰二、外来干扰与本振的组合干扰6.4 混频器的干扰(3) 组合副波道干扰抑制方法：提高中频数值和

26、前端电路的选择性。6.4 混频器的干扰三、交叉调制干扰（交调干扰） 定义：交调干扰的形成与本振无关，它是有用信号与干扰信号一起作用于混频器时，由混频器的非线性形成的干扰。 特点：当接收有用信号时，可同时听到信号台和干扰台的声音，一旦有用信号消失，干扰台的声音也同时消失。犹如干扰台的调制信号调制在信号的载频上。 交调干扰的含义：一个已调的强干扰信号与有用信号（已调波或载波）同时作用于混频器，经非线性作用，可以将干扰的调制信号转移到有用信号的载频上，然后再与本振混频得到中频信号，从而形成干扰。6.4 混频器的干扰三、交叉调制干扰（交调干扰）分析：由非线性器件的i=f(t)展开成泰勒级数,其四阶项为

27、a4u4。设则：设u=uJ+us+uL,则有 项6.4 混频器的干扰三、交叉调制干扰（交调干扰）其中有：该项可通过混频器后面的中频通道，从而对有用信号形成干扰。6.4 混频器的干扰三、交叉调制干扰（交调干扰）6.4 混频器的干扰三、交叉调制干扰（交调干扰） 交调干扰的实质是将干扰电压解调（取出包络，有失真），再与有用信号载频进行调制，他与信号并存，通过信号作用。干扰信号载频与fc无固定关系，只要是可以进入接收机的强干扰信号都可以造成交调干扰。如果有用信号消失，即Us=0，则交调产物为0交调干扰由混频器的四阶项产生；而放大器中也存在交调干扰，但是由三次方项产生，交调产物的频率为fc，而不是fI ； 统称为三阶交调干扰6.4 混频器的干扰三、交叉调制干扰（交调干扰）抑制方法： （1）提高前端电路的选择性； （2）选择合适的器件及合适的工作状态；6.4 混频器的干扰四、互调干扰1. 定义 由两个或多个干扰电压同时作用在混频器的输入端，因器件 的非线性产生近似为中频的组合分量，落入中