第4章 振幅调制、解调与混频电路

调制音频或视频放大高频功放高频放大中频放大混频解调音频或视频功放高频放大倍频高频振荡本地振荡音频或视频信号第4章振幅调制、解调与混频电路4.1频谱搬移电路的组成原理4.2相乘器电路4.3振幅调制与解调电路

概述

发射端：调制（将调制信号从低频段变换到高频段,便于天线发送或实现不同信号源、不同系统的频分复用）接收端：解调（将已调波信号从高频段变换到低频段,恢复原调制信号。(a)频谱的线性搬移；(b)频谱的非线性搬移

正弦波调制：高频正弦波为载波，用调制信号分别去控制正弦波的振幅、频率或相位三个参量，分别称为调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。本章内容：(1)在时域和频域上讨论振幅调制与解调的基本原理；(2)介绍有关电路组成。由于混频电路、调幅电路、振幅解调电路(又称为检波电路)同属于线性频率变换电路，所以放在同一章介绍。4.1频谱搬移电路的组成模型4.1.1调幅方式调制信号载波调幅波ooo调幅电路调制信号载波调幅波一、普通调幅信号的表达式、波形、频谱和功率载波：vc(t)=Vcmcosωct,单频调制信号：vΩ(t)=VΩmcosΩt(Ω＜＜ωc)普通调幅信号:vAM(t)=(Vm0+kaVΩmcosΩt)cosωct=Vm0(1+MacosΩt)cosωct其中，调幅度0＜Ma≤1，ka为比例系数。调幅电路的组成模型

AMxyxyA调幅波波形图o调幅度的一般定义式:普通调幅要求Ma必须不大于1。当Ma＞1时，普通调幅波的包络变化与调制信号不再相同，产生了失真，称为过调制。，未调幅（同载波），普通调幅,最大调幅（百分之百），过调幅（包络失真）ooooo调制信号载波调幅波上边频下边频上边频下边频载波000原调制信号的频带宽度是Ω或（

），而普通调幅信号的频带宽度是2Ω(或2F)，是原调制信号的两倍。普通调幅：将调制信号频谱搬移到了载频的左右两旁。功率：（调幅信号加在单位负载电阻上）载频分量产生的平均功率为：两个边频分量产生的平均功率相同，均为：调幅信号总平均功率为：功率利用率低携带信息的边频功率最多只占总功率的三分之一。提高功率利用率的措施：(1)不发送载频分量。→抑制载波双边带调幅(2)仅发送其中一个边频分量，同样可以将调制信息包含在调幅信号中。→抑制载波的单边带调幅。BWAM=2Ωmax复杂音调制其中ka为比例系数频带宽度：仍为调制信号带宽的两倍。

二、双边带调幅方式

1.双边带调幅信号的特点

载波：vc(t)=Vcmcosωct调制信号：vΩ(t)=VΩmcosΩt(Ω<<ωc)双边带调幅信号为:双边带调幅波形与频谱

2.

单边带调幅信号单边带（SSB）信号是由DSB信号经边带滤波器滤除一个边带或在调制过程中，直接将一个边带抵消而成。取上边带时取下边带时滤波法原理电路组成模型相移法原理电路组成模型普通调幅信号的解调方法有两种：包络检波和同步检波。1.包络检波4.1.2振幅解调（检波）t调幅波调幅波频谱ωc+Ωωc-Ωωcω输出信号频谱Ωω包络检波输出tvΩ(t)vAM(t)非线性器件低通滤波器2.同步检波vΩ(t)vAM(t)vr(t)由于DSB和SSB信号的包络不同于调制信号，不能用包络检波器，只能用同步检波器，但需注意同步检波过程中，为了正常解调，必须恢复载波信号，而所恢复的载波必须与原调制载波同步（即同频同相）。输入调幅波的频谱输出信号的频谱4.1.3混频器原理超外差式接收机高频放大中频放大混频解调器低频功放本地振荡换能器vsvIvL调幅收音机的中频为465KHz，调频收音机的中频为10.7MHz，电视接收机的中频为38MHz，微波接收机及卫星接收机的中频为70MHz或140MHz等。混频电路的作用：将不同载频的高频已调波信号变换为同一个固定载频(一般称为中频)的高频已调波信号，而保持其调制规律不变。例如：在广播接收机中，把载频位于535kHz～1605kHz中波波段各电台的普通调幅信号变换为中频为465kHz的普通调幅信号。目的：设计和制作增益高，选择性好，固定中频放大器比较容易，采用混频方式可大大提高接收机的性能。

fIfI+FfI-FfvI的频谱混频器是频谱的线性搬移电路，是一个三端口网络本地振荡信号

一个中频输出信号：两个输入信号与输出信号之间的关系：输入信号vs与输出信号vI的包络形状相同，频谱结构相同，只是填充频谱不同，其中心频率：

vs(fc)vL(fL)vI(fI)混频器tvs(t)tvI(t)tvL(t)有两个输入信号：

高频已调波

ffcfc+Ffc-Fvs的频谱fcfLfvL的频谱tvs(t)tvs(t)tvL(t)tvL(t)tvI(t)tvI(t)下混频上混频设输入已调波信号：两信号的乘积项为：

本振信号:如果带通滤波器的中心频率为，带宽

则经带通滤波器的输出为：乘法器带通滤波器vIvsvL(1)调幅(DSB为例)

vΩ乘法器带通滤波器vDSBvc载波信号(2)检波

vDSB乘法器低通滤波器vr同步信号vΩ(3)混频

vDSB=vs乘法器vL本振信号带通滤波器vIωI=ωL-ωcωLωc振幅调制、检波与混频器的关系混频电路与调幅电路、检波电路同属于线性频率变换电路，但它却有明显不同的特点:调幅电路：将低频调制信号搬移到高频段检波电路：将高频已调波信号搬移到低频段混频电路：输入输出均为高频已调波信号，将已调波信号从一个高频段搬移到另一个高频段。一、非线性器件相乘作用的幂级数分析法二极管或三极管的非线性伏安特性i=f(v)在自变量v的某一点处(例如静态工作点VQ)存在各阶导数，则电流i可以在该点附近展开为泰勒级数:4.2相乘器电路4.2.1非线性器件相乘作用及其特性式中则相乘项，同时还有众多无用的相乘项—非理想相乘设则包含组合频率分量：其中是有用相乘项产生的。问题：采取措施减少无用的相乘项，实现近似理想相乘运算。

减少无用相乘项的措施：①器件特性：采用具有平方律特性的场效应管；选择合适的静态工作点（平方律区段）。②电路结构：采用多个非线性器件组成平衡电路，抵消一部分无用组合频率分量；采用负反馈技术。③输入电压：减小或，使器件工作在线性时变状态，可以大量减少无用的组合频率分量。二、线性时变工作状态如果v2<<v1，则可以认为晶体管的工作状态主要由VQ与v1决定，若在交变工作点(VQ+v1)处将输出电流iC展开为幂级数，可以得到：

因为v2很小，故可以忽略v2的二次及以上各次谐波分量，由此简化为：

iC≈f(VQ+v1)+f'(VQ+v1)v2=I0(t)+g(t)v2其中，I0(t)=I0(v1)=

f(VQ+v1)，g(t)=g(v1)=

f'(VQ+v1)I0(t)：v2=0时的电流值——时变静态电流g(t)：电流对于电压的变化率(电导)——时变电导它们均随时间变化(因为它们均随v1变化，而v1又随时间变化)。I0(t)与g(t)均是与v2无关的参数，故iC与v2可看成一种线性关系，但是I0(t)与g(t)又是随时间变化的——线性时变工作状态。设v1=V1mcosω1t,v2=V2mcosω2t,在周期性电压VQ+V1mcosω1t作用下，g(t)也是周期性变化的，所以可展开为傅里叶级数：g(t)=g0+gncosnω1t其中

可以看出：（1）iC中减少了许多组合频率分量。|±pω1±ω2|(p=0,1,2,…)（2）无用分量与有用分量间隔可以很大，容易滤波。例1已知晶体二极管特性二极管工作在线性时变状态用图解法求和

二极管完全受v1的控制。开关工作状态，是线性时变工作状态的一种特例。足够小足够大半周余弦脉冲序列单向开关函数g(v)是一个常数gD,

g(t)是一个矩形脉冲序列gDV1m单向开关函数，它的傅里叶级数展开式为：i中的组合频率分量进一步减少。二极管开关等效电路+-+-v1v2RDiDv1v2i例2

差分对管中，恒流源I0与v2是线性关系，I0=A+Bv2，A、B均为常数，v1=V1mcosω1t，v2=V2mcosω2t。分析输出电流i=iC1-iC2中的频率分量。解：根据三极管指数函数表达式v2I0受v2控制的差分对管同理可得所以非理想相乘令其中，差分对管的传输特性vv输出电流中仅有ω1以及ω1，ω2的和频与差频，实现理想相乘。当，即，有近似公式双向开关函数vv1VTVTvvx1>10是的波形当x1＞10时(V1m＞260mV)

，趋近于周期性方波，可近似用双向开关函数K2(ω1t)表示：

i≈(A+BV2mcosω2t)K2(ω1t)K2(ω1t)中仅有ω1的奇次谐波分量，输出电流中含有ω1的奇次谐波分量以及|±(2n-1)ω1±ω2|分量(n=1,2,3,…)。三、小结调制、解调与混频电路是通信系统中的重要组成部分。从频域的角度来看，它们都被称为频率变换电路。(1)非线性元器件实现频率变换电路。(2)乘法器是频率变换电路中广泛应用的一种集成电路，它能够产生和频与差频信号。(3)非线性器件的输出是输入两信号频率的各次谐波的组合分量。实际要求产生的组合频率分量只是其中极少数。需要采取一些措施来减少或抑制输出频率中的无用组合分量。

平衡电路可抵消很大一部分无用频率分量，工作在线性时变状态的器件也可使输出无用频率分量大大减少。一、双差分对平衡调制器由三个基本的差分电路组成4.2.2双差分对平衡调制器和模拟相乘器缺点：(1)输入信号动态范围较小；(2)系数与温度有关→温度稳定性较差。非线性函数相乘实现理想相乘(1)问题：的动态范围受到限制。怎样扩展的动态范围？为任意值非理想相乘（线性时变状态）(2)实现开关工作(3)ie采用负反馈技术扩展的动态范围i5i6当时，x的三次方及其以上各次方可忽略所以v2允许的最大动态范围为

集成平衡调制器（MC1496/1596）三层晶体结构：(1)最高层T1~T4(2)中间层T5~T6(3)最底层T7~T9电流源MC1596构成的双边带调制电路利用MC1596产生AM信号-8V二、双差分对模拟相乘器扩展的动态范围i1i2i3i4AB反双曲正切函数电路IKA+VCCT7T8-BvABT9T10iC9-VEEv1+-RE1iC10iE7iE8iC7iC8BG314集成模拟乘法器的内部电路BG314集成模拟乘法器的外接电路三、大动态范围平衡调制器AD630集电极调幅电路原理图一、高电平调幅电路丙类谐振功放的调制特性分为基极调制特性和集电极调制特性。1.集电极调幅电路可以产生且只能产生普通调幅波，电路必须工作在过压状态。4.3振幅调制与解调电路4.3.1振幅调制电路集电极调幅电路基极调幅电路原理2.基极调幅电路三极管工作在欠压状态。调制信号vΩ与直流偏置电压VBB0串联起来，晶体管的基极直流偏置电压VBB(t)=VBB0+vΩ(t)通过VBB(t)变化，控制Ico、Ic1m变化，从而实现调制。基极调幅电路二、低电平调幅电路一般置于发射机的初级，在功率电平较低的情况下进行调制，再由线性功率放大器放大调幅信号，得到所要求功率的调幅波。二极管调幅电路集成模拟乘法器调幅电路单二极管调幅电路二极管平衡调幅电路二极管环路调幅电路特点：电路简单，性能优越稳定，调整方便。解调：从已调波中提取出调制信号的过程，调制的逆过程。解调又叫检波。振幅调制的解调叫振幅检波。从频谱上看，解调也是一种信号频谱的线性搬移过程，是将高频端的信号频谱搬移到低频端。解调过程是和调制过程相对应的，不同的调制方式对应于不同的解调。4.3.2振幅解调电路振幅解调

包络检波

同步检波

乘积型同步检波

叠加型同步检波

包络检波：指解调器输出电压与输入已调波的包络成正比。由于只有AM信号的包络与调制信号成线性关系，因此包络检波只适用于AM波。t调幅波调幅波频谱ωc+Ωωc-Ωωcω输出信号频谱Ωω包络检波输出t非线性电路低通滤波器t调幅波t调幅波t调幅波包络检波输出t包络检波输出t包络检波输出t由于DSB和SSB信号的包络不同于调制信号，不能用包络检波器，只能用同步检波器。但需注意同步检波过程中，为了正常解调，必须恢复载波信号，而所恢复的载波必须与原调制载波同步（即同频同相）。乘法器低通滤波器vDSBvrvo包络检波器加法器vDSBvrvovAM解调载波乘积型叠加型输入调幅波的频谱输出信号的频谱：电压传输系数，又叫检波效率VAVvotvovsvovs与vot一、二极管包络检波电路电容C两端的电压变化速率将远大于包络变化的速率，而远小于高频载波变化的速率。1.输入电阻

检波器的输入阻抗就是中频放大器的负载，它的大小直接影响中频放大器的性能。检波器输入阻抗越大，检波器对中频放大器的影响越小。得：设输入高频等幅电压：则输出电压：输入高频功率：输出平均功率：从能量守恒原理近似求出：+-+-vO中放末级R1DRLC1CL1isvSRi中频放大和检波器级联等效电路RE对前级（中放）影响↓检波器的输入电阻Ri等于输入电压振幅Vsm与二极管电流iD中的基波分量幅度ID1之比。三极管射极包络检波器保证大信号检波的条件：包络的最小值应大于检波时所需的电压。保证不产生频率失真（线性失真）的条件：即低通滤波器的带宽大于两种特有的非线性失真：惰性失真和负峰切割失真。2.二极管包络检波电路中的失真

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RL放电的速度大于或等于包络的下降速度，即(1)惰性失真tvS(t),vO(t)vO(t)t1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t1时刻检波器的输出电压VO1≈Vm0(1+MacosΩt1)。从t1时刻开始C通过RL放电规律为C通过RL放电速度为所以A是t1的函数，必须保证A值最大时，仍有Amax≤1。求得：不产生惰性失真的条件：在多音调制时：结论：调幅指数越大和调制信号的频率越高，时间常数RLC的允许值越小。(2)负峰切割失真交流负载：直流负载：负峰切割失真又称为底部切割失真。产生这种失真后，输出电压的波形如图(c)所示。这种失真是当输入调幅电压的Ma较大时，检波器的交直流负载不同引起的。

不失真的条件：

由上式可以看出，交流负载与直流负载越接近，可允许的调幅指数越大。两种措施减小交直流负载之间的差别：(1)采用改进电路，将检波器直流负载分成R1和R2两部分。在直流负载不变的情况下，改进电路的交流负载比原电路增大。(2)在检波器与下一级电路之间插入一级射随器，即增大交流负载的值。通常，以免分压过大使输出到后级的信号减小过多。

二、同步检波电路vr(或vDSB)vAMvoMC1596

上图是用MC1596组成的乘积型同步检波电路。普通调幅信号或双边带调幅信号经耦合电容后从Y通道①、④脚输入，同步信号vr从X通道⑧、10脚输入。12脚单端输出后经RC的π型低通滤波器取出调制信号vo。此电路的输入同步信号可以是小信号，也可以是很大信号，分析方法与用作调幅电路时一样。同步检波电路与包络检波电路比较缺点：同步检波电路复杂，需要一个同步信号。优点：检波线性性好，不存在惰性失真和底部切割失真。

(1)各种调幅方式（普通调幅、双边带调幅、单边带调幅）对于相同调制信号产生的已调波信号的时域波形不一样，频谱不一样，带宽不完全一样，调制与解调的实现方式与难度不一样。(2)混频与调幅、检波同属于线性频谱搬移过程，在工作原理上基本相同。(3)从时域上看，两信号相乘是实现线性频谱搬移的最直接方法，所以模拟乘法器是进行调幅、检波和混频的最常用器件。在有关专用集成电路里，具有相乘功能的双差分电路是最