第6章 振幅调制 解调及混频

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

熟练掌握振幅调制原理与实现电路；掌握振幅解调的原理和解调电路以及混频原理。重点：振幅调制与解调原理以及实现电路。难点：振幅调制与解调原理、调制解调电路的性能参数理解。学习目的重点难点6.1振幅调制

（amplitudemodulation）

调制（modulation）：要传送的信号（调制信号）附加到高频振荡信号（载波信号）上去，形成已调信号。为什么要调制呢？四不许！

四不许：低频信号直接发送，天线长的离谱！－－第一不许！信号的频率变化范围大，导致天线和谐振回路参数应该在很宽的范围内变化，太困难！－－第二不许！发射音频信号，发射机工作于同一频率范围，接收多个节目，导致无法加以选择。结果无法接受－－第三不许！直接发送，信道利用率极低－－第四不许！结论：必须调制！

调制原理：利用调制信号去控制载波信号的某一参数。可控参数有幅度（振幅调制）、频率（频率调制:frequencymodulation）、相位（相位调制:phasemodulation）。解调(demodulation)：反解调，又称检波(detection

)。振幅调制(三类)：普通振幅调制（amplitudemodulation,AM）；抑制载波双边带调制(doublesidebandmodulation–suppressedcarrier,DSB-SC)；单边带调制(singlesidebandmodulation-SC,SSB-SC)。6.1.1振幅调制信号分析1.调幅波的分析

1)数学表示式及波形（调制信号：单频正弦信号）设载波信号电压为:

调制信号电压为:（6―1）

（6―2）

已调信号的振幅随调制信号uΩ线性变化：调制灵敏度ka：为比例系数,调制电路确定。调幅波信号的表达式：（6―3）

（6―5）

调幅度（调制度）m：振幅ΔUC=kaUΩ与载波振幅之比。范围：m<=1。如果m>1，过调制失真。调制信号为连续频谱信号f（t），则调幅波:

（6―6）

(6―4)

如果将调制信号分解为：则调幅波表示式为：(6―7)

2)调幅波的频谱单一频率的正弦信号的调制情况下，调幅波：将上式用三角公式展开，可得：(6―8)频谱分析：单一频率的正弦信号的已调制波：三个分量也即：中心频率：只含载波分量。上边频，下边频：包含了调制信号的幅度和频率信息。带宽：2F。多频信号：上下边频带。属于线性频谱搬移。带宽：2Fmax。

3）调幅波的功率调幅波的功率：载波功率，最大功率，和最小功率以及平均功率。在负载电阻RL上消耗的载波功率：(6―9)在负载电阻RL上，一个载波周期内调幅波消耗的功率：调幅波的最大功率和最小功率:(6―10)

上、下边频的平均功率均：AM信号的平均功率:

(6―11)

(6―12)结论：AM波的平均功率为载波功率与两个边带功率之和。两个边频功率与载波功率的比则为：结论：变频功率所占比重很小，<=1/3。优点：设备简单，易于实现；频带窄。缺点：效率低。边频功率

载波功率

2.双边带信号抑制载波双边带：载波与调制信号相乘得到：在单一正弦信号uΩ=UΩcosΩt调制时,有：（6―16）

（6―15）

与AM比较：包络不同：AM正比于调制信号f（t），双边带则正比于|f(t)|.相位：DSB信号在调制电压零处要突变1800，即调幅有调相。频谱：消除了载波频率部分。效率：大大提高。3.单边带信号单边带（SSB）信号：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。当取上边带时：（6―17）（6―18）取下边带时：单边带（SSB）信号分析：是一等幅波，但帧幅和频率发生了变化。频谱：只有一边带频率信号。优点：效率极高。缺点：实现复杂。

6.1.2振幅调制电路

（amplitudemodulationcircuit）调制实现：只要包含乘积项即可实现，如二极管电路（单、平衡、环形）、差分对电路（单、双、模拟乘法器）。

调制分类：高电平调制和低电平调制。高电平调制(highlevelmodulation)：功放和调制二合一。AM调制。低电平调制(lowlevelmodulation)

：功放和调制分开。先调后放。

1、AM调制电路实现方法：

高电平调制和低电平调制。

1)高电平调制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。集电极调幅。集电极偏置电压：Ec=Ec0+uΩ，过压状态下，集电极电流基波分量Ic1与集电极偏置电压Ec成线性关系。集电极调制的特点：效率高，大功率发射机中。基极调幅：Eb=Eb0+uΩ，欠压状态下，集电极电流基波分量Ic1与基电极偏置电压Eb成线性关系。基极调制特点：工作于欠压状态；效率低，小功率发射机中。

2)低电平调制

二极管电路：用单二极管电路和平衡二极管电路作为调制电路。单二极管电路：u1=uΩ,u2=uC,且UC>>UΩ时，流过二极管的电流iD:（P150）滤波器H(jw)：中心频率wc，带宽2F。(6―29)二极管平衡电路：u1=uC,u2=uΩ,且UC>>UΩ时，滤波器H(jw)：中心频率wc，带宽2F。(5－44)

(2)模拟乘法器产生普通调幅波。(P147)

模拟乘法器：单差分对和双差分对电路，集成模拟乘法器（BG314、MC15496）。单差分对电路：伏安特性(6―30)

若将uC加至uA，uΩ加到uB，则有：其中，m=UΩ/Ee，x=UC／VT。(调制过程)(6―31)

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：双差分对电路（模拟乘法器）：采用BG314、MC15496模拟乘法器实现。2.DSB调制电路

1)二极管调制电路实现电路：二极管平衡电路和二极管环形电路。平衡电路：

u1=uΩ,u2=uC

,且UC>>UΩ时(6―33)

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―33)

2)差分对调制器与AM不同：将uC加至uB，uΩ加到uA，则有：(6―39)

经滤波后的输出电压uo(t)：(6―40)

3.SSB调制电路SSB信号是将双边带信号DSB滤除一个边带形成的。产生方法主要有滤波法和移相法两种。滤波法（filteringmethod

）：DSB滤掉一个边带，留下一个边带。滤波器要求很高。（原理）移相法（phase-shiftmethod）：适当的移项，在相加时实现边带的抑制。移相网路要求高。

（原理）振幅调制实现电路总结AM:高电平调制（基极调制和集电极调制）和低电平调制（单二极管、平衡二极管、差分对电路、模拟乘法器）实现。环形电路无法实现。DSB：低电平调制（平衡二极管、环形电路、差分对电路、模拟乘法器）实现。单二极管无法实现。SSB：DSB实现基础上，滤波器法和移相法实现。6.2调幅信号的解调

6.2.1调幅解调的方法振幅解调方法：包络检波(envelopedetection)和同步检波(synchronousdetection)

。包络检波：解调器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方法。只适用于AM波。同步检波：两个输入（一个：DSB或者SSB，第二个：插入载波或恢复载波），一个输出。

6.2.2二极管峰值包络检波器

1．原理电路及工作原理电路组成：输入回路、二极管VD和RC低通滤波器。RC电路作用：负载；旁路作用。则应满足：理想状态，RC阻抗Z应为：二极管串联型大信号峰值包络检波器：各部分串联，工作在大信号状态(>0.5V)，获取峰值包络。工作过程：二极管导通：电源经过二极管给电容充电。此时充电时常rDC。充电快。二极管截至：电容给电阻放电。放电时常RC，放电慢。再次导通，充电。再次截至，放电。交替进行。且很快到达平衡状态。结论：检波过程：即信号源通过二极管给电容充电与电容对电阻R放电的交替重复过程。充电常数：其过程是放电时RC，慢；充电时rDC，快。二极管导通处为输入电压的峰值附近，故称为峰值包络检波(peakenvelopedetection)。二极管电流iD为一窄脉冲序列，包含平均分量Iav及高频分量。Iav也即直流分量。Iav在R上获得平均电压Uav（Udc

）。高频分量被旁路电容旁路，但会残留很小的高频电压，即输出电压uo=Uav+。(输出电压)输入AM信号：输出电压波形与输入信号包络形状相同。平均电压有直流分量和低频分量（调制信号）。Uo（t）＝Uav

＝Udc＋uΩ低频分量输出：隔直电容；负载电阻。获取调制信号。直流分量输出：低通滤波器。获取载波的振幅信号。RC的选择：太小不行：放电快，高频波纹快，平均电压下降。太大也不行：放电慢，导致跟踪峰值不上，造成失真（惰性失真）。2．性能分析

1)传输系数Kd(transmissioncoefficient)检波器传输系数Kd：检波系数、检波效率，描述检波器对输入已调信号的解调能力或效率的一个物理量。Kd定义：(6―43a)

(6―43b)由二极管折线近似分析法可证明：

Kd＝UO/Um＝cosθ当gDR>=50,有结论：电路一定，θ恒定，Kd一定，也即传输系数与输入信号大小无关。θ越小，Kd越大，且当gDR>=50，Kd>0.9。

2)输入电阻Ri(inputimpedance

)

检波器的输入阻抗：输入电阻Ri，输入电容Ci。输入电阻Ri：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，即在一定条件下，根据能量守恒，输入电阻Ri与R关系：(6―52)性能分析总结从传输系数Kd分析：R越大，检波效率就越高。想要大R！从等效输入电阻Ri分析：R越大，等效输入电阻Ri就越大，对上级影响就越小。想要大R！从高频残留滤除分析：C越大，高频波纹就越小。想要大C！

结论：RC越大越好！非也！

3．检波器的失真两种失真：惰性失真(inertdistortion

)；底部切削失真(bottomcuttingdistortion

)。

1)惰性失真原因：输入AM信号的包络下降速度大于电容C两端放电速度。调幅度和调制频率有关。解决办法：只需使电容C放电速度大于或等于包络的下降速度。不失真条件如下:结论：调制度和调制信号频率越大，则要求RC越小。工程检验公式：

2)底部切削失真造成原因：Cg很大，就会在两端建立起直流电源UC，其值近似等于载波电压振幅。在R上产生分压UR，此直流分压反过来影响二极管的工作状态。分析：直流负载：R==R;交流负载：RgR/R+Rg。

(6―62)

调幅波的最小幅度为UC(1-m),

要避免底部切削失真,应满足:(6―63)(6―64)总结RC回路实现在峰值包络检波器中作用必须满足条件：消除惰性失真，必须满足：要满足不底部切削失真，必须满足：

6.2.3同步检波

方法分类：乘积型(productmodel

)和叠加型(superpositionmodel)。

1．乘积型输入信号为DSB信号：us=UscosΩtcosωct，本地恢复载波：ur=Urcos(ωrt+φ)。相乘可得：(6―72)

(6―73)

经低通滤波器的输出，且考虑ωr-ωc=Δωc在低通滤波器频带内，有：发射载波和恢复载波同频同相,即ωr=ωc,φ=0

：

(6―74)

(6―75)

如果恢复载波与发射载频有一定的频差，即ωr=ωc+Δωc若有一定的相差：实现办法：乘法器。

(6―76)

6.3混频6.3.1混频(mixing)的概述

功能：获取一个新的频率信号。频域加减法器。产生：两个输入电压：输入信号us（fc

）和本地振荡信号uL（fL

）

。一个输出信号为uI（中频信号），中频fI，fI=fL±fc。特点：频谱结构同。线性搬移。中频：上变频：高中频，即取和频。下变频：低中频，即取差频。实现：频谱搬移电路。调制、解调和混频都属于频谱搬移。

2．混频器的工作原理输入已调信号us：us=UscosΩtcosωct

本振电压uL：

uL=ULcosωLt

其乘积：中频信号获取：信号通过带通滤波器即可获得。(6―85)(6―86)

3．混频器的主要性能指标主要性能指标：变频增益，噪声系数，失真和干扰，变频压缩特性，选择性。变频增益(conversiongain)：变频电压增益和变频功率增益。变频电压增益：变频功率增益：分贝数表示：物理意义：变换为中频的能力。

(6―89)

(6―90)(6―91)

噪声系数：混频器的噪声系数NF定义为物理意义：混频器的引入噪声影响。其值越小越好。选择性(selectivity)：输出只留下中频信号，其它干扰信号全部滤掉。输入信噪比(信号频率)

输出信噪比(中频频率)

(