高频电子线路Class15

高频电子线路王军wangjun@汕头大学电子工程系第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混频器的干扰拟授课学时：8学时6.1振幅调制调制(modulation):用调制信号去控制载波的某个参数的过程。调制信号：是携带信息的低频信号，如声音、图象、数据等。载波：未受调制的高频振荡信号，如正弦波、方波、三角波等。已调波：已经被调制过的高频振荡信号。解调(Demodulation):是从已调信号中恢复原来调制信号的过程。调制解调器Modem“猫”振幅调制是由调制信号去控制载波信号的振幅，使之按调制信号的规律变化。有以下几种调幅方式：●AM调幅（AmplitudeModulation，缩写为AM)●双边带调幅(DoublesidebandAM,缩写为DSB)●单边带调幅(SingleSideBandAM，缩写为SSB)●残留单边带调幅(VestigialSingleSideBandAM,缩写VSB)6.1.1振幅调制信号分析AM调幅波的分析(1)表示式及波形设载波电压为:(6-1)(6-4)(6-3)由此可得调幅信号的表达式为：调制电压为一单音信号：(6-2)式中m称做调制度，当m<1时为适调制,m=1为全调制,m>1为过调制。ka是比例系数，称为调制灵敏度,一般由调制电路确定.则调幅波表示式为：图6-1和图6-2画出了单音和复杂调制信号下的调幅波的波形。(6-5)(6-6)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),这时,可把调制信号分解为多次谐波的叠加，因此可用下式来描述调幅波:图6-1单音调制时的信号波形图6-2实际调制信号的调幅波形

为什么会出现这种波形?回顾功率放大器章节,例如基极调制特性,83,Figure3-22峰-峰值

从图6-1和图6-2中可以看到，已调波的振幅随调制信号线性变化，即调幅波的包络线性正比于调制信号。另外从AM信号的表达式中，可以看出，要实现AM调幅，可用图6-3的电路模型来实现。图6-3AM信号的产生原理图+××+常数要求的幅度要小于1要求常数值值要大于的幅度。(2)调幅波的频谱由图6-1（c）可知,调幅波不是一个简单的正弦波形。在单一频率的正弦信号的调制情况下,调幅波如式（6-3）所描述。将它用三角公式展开,可得:可以看出，经过调制后，调幅波包含三种频率分量。为载波分量ωc，上边频分量ωc+Ω和下边频分量ωc-Ω。两边频幅度相等并与调制信号成正比，且对称于载波频率，调制信号的消息只包含在边频中。对于多频信号的调制，调制信号的每个低频分量也都必然会产生一对对称与载波频率的边频分量，从而组成了上下两个边带。见图3-5和图3-6。(6-7)图6-4单音调制时已调波的频谱（a）调制信号频谱（b）载波信号频谱（c）AM信号频谱图6-5语音信号及已调信号频谱（a）语音频谱（b）AM信号频谱上边带下边频下边带上边频从图中可以看出，AM信号的频谱结构和调制信号完全一样，各分量的相对振幅和相对位置没有改变。也就是说，通过AM调制，把调制信号的频谱从0附近线性地搬移到了载波两侧。对于单音信号调制，AM信号的频带宽度为：而对于多频信号调制，AM信号的频带宽度为：(6-8)(6-9)(3)调幅波的功率当把一个AM信号加在一个负载上时，在负载电阻RL上消耗的载波功率应为各个频率分量的功率之和。载波功率：边带功率：总的平均功率：边带功率和载波功率的比值为：即便是在m=1时，包含信息的边带功率也只占总功率的1/3，因此这种调幅方式效率很低，功率浪费大。(6-10)(6-11)(6-12)(6-13)在负载电阻RL上,消耗的瞬时功率为：由此可见,P是调制信号的函数,是随时间变化的。且最大值和最小值分别为：这个最大功率有可能大大超过总的平均功率，它限定了用于调制的功放管的额定输出功率PH。因此在设计功率放大器时，一定要以此来选择功放管。保证：Pmax≤PH(6-15)(6-14)例6-1已知发射机的发射总功率Pav为504W，发射的AM调幅信号为uAM=Um(1+0.4cosΩ1t+0.6cosΩ2t)cosωct,请求（1）在未调制时的载波功率Pc，（2）边带功率PSB各为多少？解：根据已知条件得：2.双边带信号(DSB)在调制过程中,将载波抑制就形成了抑制载波双边带信号,简称双边带信号。它可用载波与调制信号相乘得到,其表示式为:在单一正弦信号uΩ=UΩcosΩt调制时,(6-16)图6―6DSB信号波形

可以看出，DSB信号的特点为：

●DSB信号的包络正比于调制信号的绝对值。●DSB信号的相位在调制信号过零处要突变倒相180度。●它只含有上、下边频分量，载波分量被抑制掉了。带宽和AM信号一样。其实提示我们可以用检测这种突变来实现解调的。而在数字通讯中经常用到图6-7单音调制时DSB信号的频谱（a）调制信号频谱（b）载波信号频谱（c）AM信号频谱

图6-8语音信号及已调信号频谱（a）语音频谱（b）DSB信号频谱虽然去掉了载波，但占用的频带范围和AM一样3.单边带信号(SSB)(1)单边带信号分析DSB信号具有上下两个包含相同消息的边带，因此，从消息传输角度来看，可发送一个边带即可。这种方式称做单边带调制。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。单频调制时,uDSB（t）=kuΩuC。因此：当取上边带时：当取下边带时：(6-17)(6-18)

为了看清SSB信号波形的特点,下面再分析双音调制时产生的SSB信号波形。为分析方便。设双音频振幅相等,即：且Ω2＞Ω1,则可以写成下式:(6-19)(6-20)受uΩ调制的双边带信号为:取上边带后(6-21)(6-22)包络线形状等效于单频信号DSB调制决定了两个DSB调制的包络线形状,可见这两者之间的包络线形状相同,唯一有区别的是载波信号不同而已。(6-23)把式(6-22)和(6-20)比较发现，对于双音频调制，SSB信号的包络也与调制信号的包络相同，但频率随调制信号频率改变。调制信号的每个分量都产生一个对应的边带信号分量。因此可以看出SSB信号的特点：

●SSB信号包络与调制信号的包络相同。●带宽只是AM和DSB信号带宽的一半。●SSB信号的填充频率已不是载波频率，而随调制信号频率的变化而变化。振幅与调制信号的振幅成线性关系进一步展开得：图6-9和图6-10分别是单音和双音调制时的SSB信号波形和频谱。仅有和频分量,单边带图6-10双音调制时SSB信号的波形和频谱图6-9单音调制时SSB信号的波形和频谱单频信号SSB调制之后仅仅是频率变快了包络形状相同,不同的是填充的频率变化了(2)多频率分量调制的SSB信号分析对于单边带信号：由此可以推出uΩ(t)=f(t)时,即一般情况下的SSB信号表达式(6-24)(6-25)(6-26)因果滤波器/物理可实现的滤波器的FourierTransform(传递函数)的实部和虚部互为HilbertTransform滤波器由于(6-28)(6-27)sgn(ω)是符号函数,可得f(t)的傅里叶变换为：所以通过把调制信号进行希尔伯特变换，然后用乘法器与加法器就可以实现SSB调制。图6―11希尔伯特变换网络及其传递函数

根据阶跃函数的Fourier变换和反变换公式很容易得到Hilbert滤波器为全通、倒相滤波器图6-12语音调制的SSB信号频谱(a)DSB频谱(b)上边带频谱(c)下边带频谱从该图看不出全通倒相位滤波的效果6.1.2振幅调制电路

1.AM调制电路AM信号的产生可以采用高电平调制和低电平调制两种方式完成。高电平调幅就是在功率电平比较高的级中完成调制；而低电平调幅就是在功率电平比较低的级中完成调制。目前,AM信号大都用于无线电广播,因此多采用高电平调制方式。(1)高电平调制主要用于AM调制,这种调制是在高频功率放大器中进行的。通常分为基极调幅、集电极调幅以及集电极基极(或发射极)组合调幅调制和功放在一级完成，不需要再额外加功放，直接可以接天线发送出去▲集电极调幅

集电极调幅就是用调制信号来改变集电极电源电压，使ic的基波振幅线性地随调制信号变化.因此，根据丙类高频功放的调制特性，功放必须工作在过压状态。图6-13集电极调幅电路自偏压方式的基极馈电对低频信号相当于短路对低频信号相当于开路图6―13集电极调幅的波形▲基极调幅基极调幅就是用调制信号改变丙类功放的基极偏压，当在欠压状态时，集电极电流的基波振幅将线性随遍压即随调制信号而变化。因此，基极调幅时功放应工作在欠压状态。图6―14基极调幅电路

基极分压提供静态偏置,但仍然使得晶体管处于丙类放大稳定静态工作点对低频调制信号来说C1,CB,C2,C3,C4,C5断路,LB1短路,负载短路,与载波相连的变压器次级电感短路图6―15基极调幅的波形(2)低电平调制

①二极管电路。图6―16单二极管调制电路及频谱用单二极管电路和平衡二极管电路作为调制电路,都可以完成AM信号的产生,图6―16(a)为单二极管调制电路。H(jω)为一带通滤波器。当UC>>UΩ时,可知,流过二极管的电流iD为:带通滤波器BPF如果调谐回路对ωc+Ω、ωc+Ω和ωc调谐，则在输出将产生AM调幅电压输出。从式(6-29)可以看出，该电路不能产生DSB信号（Why?）;如果把调制信号和载波信号调换位置，并使UC<<UΩ时,会产生ωc+(2n+1)Ω和ωc-(2n+1)Ω频率分量，且频率间隔只为2Ω，这对滤波器来说要抑制无用分量是很困难的。(6-29)要滤去载波信号,滤波器的系统传递函数为一个冲击函数,滤波器系统的冲击响应在时域为一个常数=>非因果的系统,物理不可实现的②利用差分对电路产生普通调幅波图6–17是一个单差分对AM调幅电路。用调制信号控制差分对的静态电流。且输出滤波器是一个带通滤波器。它的差动输出电流为：图6–17单差分对AM调幅电路式中,m=UΩ/Ee,x=UC／VT。若集电极滤波回路的中心频率为fc,带宽为2F,谐振阻抗为RL,则经滤波后的输出电压:该电路作为AM调制器时，可以单端输出，也可以双端输出。图6-18是电路的工作波形。(6-30)(6-31)书本Page.161页公式5-70和5-71C图6―18差分对AM调制器的输出波形相当于一个“可变增益”的差分放大电路，放大器的增益受调制信号控制③利用集成模拟乘法器进行AM调幅·输出uo图6―19(a)利用模拟乘法器BG314产生AM信号

补偿失调电压+15V扩展线形范围调整调制度调整静态电流可单端或双端输出有错：应该加一个耦合电容图6―19(b)利用MC1596产生AM信号

扩展线性范围调整调制度改为10K时，可实现DSB2.DSB调制电路(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。①二极管平衡DSB调制器在图6-20中，UC>>UΩ，变压器的变比为1:1。图6―20二极管平衡DSB调制电路在忽略了负载的影响后iL中包含F分量和(2n+1)fc±F(n=0,1,2,…)分量,若输出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(6-32)(6-33)

显然，二极管平衡电路中的调制信号和载波信号不能互换位置，否则不能得到DSB信号。若互换则呢？能得到AM信号吗？图6―21二极管平衡DSB调制器波形滤波之后的波形图6―22平衡调制器的一种实际线路图2-22是一种实用电路，省略了低频变压器和输出变压器，调制信号反相、载波信号同相加到两个二极管上，流过RL的电流仍然是两管电流之差。C2、C3用来平衡结电容，而R2用来平衡二极管导通电阻。大信号高频载波信号作用时该电路的优点是？易于调整，使得两个回路平衡②二极管双平衡DSB调制器为进一步减少组合分量,可采用双平衡调制器(环形调制器)，如图（6-23）。图6―23双平衡调制器电路及波形经滤波后,有输出电流(6-34)(6-35)

这种平衡调制期不能用来产生AM信号。但调制信号和载波信号可以互换位置。位置互换对滤波器的要求提高了③桥式DSB调制器图6―24双桥构成的环形调制器该电路由上下两个桥构成一个环行调制器，uC对两个桥是反相的，uC>0时上桥路导通，uC<0时下桥路导通。调制电压反相加于两桥的另一对角线上。高频小信号放大器设两桥路中的所有二极管都一样，导通电阻为rd,则：输出谐振回路的谐振频率为fc，频宽为2F，那么输出电压为：(6-36)(6-37)忽略晶体管输入阻抗（为什么可以忽略？）(2)差分对调制器①单差分对调制器在单差分电路(图6―7)中,将载波电压uC加到线性通道,调制信号uΩ加到非线性通道,则双端输出电流io(t)为:式中,I0=Ee/Re,m=UC/Ee,x=UΩ/VT。经滤波后的输出电压uo(t)为:(6-38)(6-39)

单差分对做DSB调制时，必须采用双端输出，否则只能得到AM信号(Why?)。图6―24是差分对DSB调制器的波形

电源的变化相当于共模信号变化,而单输出能不能抑制共模信号?与AM比较有什么区别？图6―25差分对DSB调制器的波形

②双差分对DSB调制器图6―26双差分调制器实际线路是彩色电视机中的实际电路。双差分对电路的差动输出电流为：若UΩ、UC均很小,且uA=uC，uB=uΩ，上式可近似为:因此此时可看作一个模拟乘法器，uC，uΩ可以互换位置，与信号加入方式无关，可以单端和双端输出。(6-40)(6-41)图6―26双差分调制器实际线路

V7,V8恒流源W4调整V5、V6平衡，防止副载频泄露W2调整V1~V4平衡，防止视频泄露扩展线性范围的，引入了负反馈复合管利用双差分集成平衡调制器MC1596和模拟乘法器BG314等电路，也可以实现DSB调制，而且具有工作频带宽、输出信号频谱较纯、动态范围大、使用方便、性能可靠等特点。见图6-19(书本图6-18)中，只要把直流叠加电平去掉，就可以实现DSB调制。·输出uo去掉去掉3.SSB调制电路SSB信号是将双边带信号滤除一个边带形成的。根据滤除方法的不同,SSB信号产生方法有好几种,主要有滤波法和移相法两种。(1)滤波法图6―27是采用滤波法产生SSB的基本原理框图。这种方法是通过滤波器，把DSB信号的一个边带滤除。图6―27滤波法基本原理框图。

但是这种简单的方法不能把低频信号直接调制频率比较高的载波。因为任何一个滤波器的品质因数都是一定的，当用比较低的调制信号去调幅时，使得相对频宽非常小，即意味着要很大的Q值。例