第六章频谱变换电路

第六章频谱搬移电路调幅、调频、调相原理及电路主要内容：一、调幅波：1、种类及其特点。2、调幅的原理，方法及其电路。3、AM、DSCB/SCAM、SSB/SCAM的特点、波形、频谱4、调幅波的解调。二、混频原理和混频电路三、调角波1.基本性质:FM、PM波的表达式.FM波的特点,频谱带宽.2.实现调频的方法:直接调频和间接调频.3.调频波的解调:

相位鉴频器、比例鉴频器.4.限幅器.§6.1概述一、作用二、定义:能将输入信号的频谱变换成所需频谱的输出信号的电路就叫频谱变换电路。三、分类：§6．2模拟乘法器实现频谱搬移：非线性电子器件，模拟乘法器1、非线性电子器件:两个信号电压同时作用在非线性器件时，器件电流存在着两个电压的相乘项。讨论：u1=U1COSω1tu2=U2COSω2t

同时作用在非线性器件的情况：

结论：①输出电流中除有直流分量和两个基波分量外，还产生许多新的频谱分量。（等）②输出电流组合频率分量通式：③组合频率成对出现：有ω1＋ω2必有ω1-ω2，有2ω1+ω2必有2ω1-ω2，等。④和差频率出现使非线性器件完成频谱搬移。减小无用相乘项造成干扰的措施：

①选用合适的器件和工作点（平方律特性的场效管或Q在平方律特性区域）②采用平衡电路抵消部分无用频率分量。③减小u1

和u2

以降低高阶相乘项产生的组合频率分量的强度。2、模拟乘法器优点：克服非线性器件相乘运算产生无用相乘项多，容易造成干扰的缺点。2.具有工作频带宽，温度稳定性好的特点。

双差分模拟乘法器原理图

小结：实现频谱搬移的主要方式：使用非线性器件：小结：实现频谱搬移的主要方式：使用乘法器：§6.3普通调幅波的产生和解调电路幅度调制――用调制信号去控制高频振荡的幅度，使其振幅随调制信号成正比地变化的过程。作用：频谱搬移。分类：普通调幅(AM)抑制载波双边带调幅(DAB/SCAM)单边带调幅(SSB/SCAM)

异同点：共性：均为调幅信号相异：波形不同频带利用和效率不同实现的电路和解调的方式不同信号描述方法：1、时间函数（时域）：信号随时间变化的规律可表示为时间函数，波形图。2、频谱函数（频域）：信号随频率变化的规律可表示为频谱函数，频谱图。反映组成信号各频谱成分的幅度，相位，能量分布6.3.1调幅波的特点、表达式、波形及频谱一、普通调幅波1、AM波的时域表达式及波形设调幅信号为：UΩ(t）载波信号为：Uc(t)=Ucmcos(ωct)=Ucmcos(2лfct)根据调幅定义：调幅信号（已调信号）表示式为：UAM(t)=Uc(t)+AUc(t)UΩ(t）

=[Ucm+AUcmUΩ(t）]cosωct=Ucm[

1+macosΩt]cosωct

调幅波的波形图：

（a）调制信号（b）载波信号（c）ma<1时（d）ma>1时2、调幅波的频域表达式及频谱图：2、调幅波的频域表达式及频谱图：频谱搬移的概念：

调制信号：Ω――低频信号调幅信号：ω＋Ω，ω－Ω.――高频信号但幅度的变化规律如Ω。结论：调幅的作用是：

①在时域上实现UΩ(t)和UΩ(t)相乘运算，反映在波形上就是将UΩ(t)不失真地搬移到高频振荡的振幅上。②在频域上则将UΩ(t)的频谱不失真地搬移到ω0的两边。

3、调幅波的功率分配：单音频时：(1)载波功率:Pc=(2)上下边频总功率:

Pside4、AM波的特点：1）AM波的包络与调制信号UΩ(t)成正比2）AM波所占带宽为调制信号带宽的两倍3）AM波的功率利用率很低，最多只有发射功率的1/3优点：调制设备简单，解调设备更简单，便于接收二、双边带抑制载波调幅信号（DSB/sc——AM）：抑制载波只传送上下边带1、表达式及波形表达式：2、DSB/scAM特点：DSB/scAM信号随UΩ(t)的变化，但它包络不再反映调制信号的形状，但仍保持AM的频谱搬移特性（线性特性）。②当调制信号过零时，Uc(t)反转180º·③BDSB=2·Ωmax④DSB/scAM中的载波被抑制，功率利用率达到了100%三、抑制载波单边带调幅信号（SSB/sc——AM）：抑制载波和其中一个边带1、SSB表达式、波形图及频谱图：上边带：

下边带：

SSB的频谱图：基本电路模型：1）滤波法：乘法器产生双边带调频信号，用带通滤波器虑去其中一个边带可得单边调频信号。2、移相法SSB的特点：A.抑制载波，功率利用率达到100%，发射效率高。B.频率利用效率高。C.缺点：解调技术较复杂，用于短波通讯。6.3.2普通调幅波的产生电路调幅电路的类别：6.3.2普通调幅波的产生电路一、基本概念：AM表达式：乘积项：调幅度：AM调制电路的种类：低电平调制：Uc、UΩ<5Vp-p(发射机前级调制，线性度好，载波抑制度高，效率低)。高电平调制电路：调制电平高，效率高，不需要采用效率低的线性功放，只适用于AM调制二、AM调制电路：1、低电平调幅电路1）利用集成高频放大器实现普通调幅1、低电平调幅电路2）利用模拟乘法器实现普通调幅2.高电平调幅电路特点：调制信号电平高，控制高频谐振功率放大器的输出，主要兼顾功率和线性要求。依调制方式不同分为集电极调幅和基极调幅1）集电极调幅电路及其工作原理优点：效率高，且恒定。缺点：需调制信号功率较大。工作区：过压状态2）基极调幅电路及其工作原理：优点：所需调制信号功率小，即调制灵敏。与谐振放大器的主要区别是：基极偏置随uΩ(t)而变化。工作区：欠压区基本原理：用调制信号控制丙类谐振功放的基极偏压，从而实现调幅。6.3.3普通调幅波的解调电路一、基本概念：检波器的作用、实质与分类：作用：从调幅波中解调出调制信号（调幅广播信号中取出语言、音乐信号）

实质：实现频谱变换，由fc位置已调好信号搬回低频Ω位置检波器的分类：二、AM波解调电路：1、二极管串联型大信号检波器1）电路的组成和工作原理电路的组成及其功能：电路组成：①输入电路――末级中放输出电路次级为检波器输入电路，把检波信号送给检波二极管②检波二极管（检波元器件）――利用其单向导电性进行检波。③检波器负载电路――低通滤波器，平滑基波和直流分量，虑去高频残留量（载波及其高次谐波）峰值检波的物理过程简化电路：检波过程的波形图：峰值包络检波器的涵义输出电压随调幅波的包络线而变化，而输出电压大小与输入信号的载波的峰值接近u0的波形如包络，大小近Uc.2、小信号检波器（原理、特点和适用范围）

小信号检波器的特点：①小信号几mV-几十mV②工作区域：二极管特性弯曲部分③输出电压与输入信号平方成正比。

3、同步检波器分析可知其中含有频率分量0、F、2fc、(2fc±F)，用一低通滤波器后再隔直便得到低频调制信号。(1)电路特点①对AM、DSB、SSB等调幅波均适②工作时需要有一同步参考信号(与载波同频同相)。(2)同步检波原理同步检波器应用电路：原理：调幅信号ui(t)加到1脚，同步信号ur(t)加到8脚。检波输出信号从9脚输出，经过π型低通滤波器滤除高频分量，最后由隔直电容去除直流后，得到所需的低频输出信号uo(t)。§6.4 抑制载波调幅波的产生和调解电路一、抑制载波调幅波的产生电路1、晶体二极管平衡调幅器及其等效电路2、晶体二极管环形调制器3、模拟乘法器产生DSB/SC调幅波电路6.4.2抑制载波调幅波解调电路(同步检波器)同步解调的电路模型及解调原理:对双边带DSB信号:经低通滤波器输出为:§6.5 混频原理及电路

一、混频器的定义、功用及电路：1、混频的定义：变频是指将高频已调波经过频率变换，变为固定中频已调波。2、功用：在频域上起加（或减）法器的作用3、基本结构原理:基本器件说明：混频器---非线性器件产生的频率分量。本机振荡器---产生一个高于接收信号频率一个中频的等幅振荡。中频滤波器---选出抑制其它频率分量。二、中频与本机振荡频率、高频已调波频率的关系变频器的作用波形描述：频谱描述：三、混频器与调制器、解调器的异同相同点：1、都是频谱线性搬移网络：2、都是六端网络不同点：功能不同四、混频器的工作原理：混频电路——模拟乘法器混频器分析如下：经中心频率为fI，带宽为2F的带通滤波器滤波后，得：五、混频电路：混频电路——二极管平衡混频混频电路——三极管混频混频电路——模拟乘法器混频六、主要性能指标失真：输出中频信号的频谱结构与输入信号的不同干扰：混频器产生的大量不需要的组合频率分量(2)选择性要求选频网络的选择性好,矩形系数接近于1。(3)失真与干扰(1)混频增益7、混频干扰及其抑制方法1）组合频率干扰的产生和抑制干扰的方法:产生的原因:抑制的方法:2）副波道干扰(寄生波道干扰)(1)中频干扰及其抑制方法:中频干扰中频干扰的量度---中频抑制比（2）镜像干扰(镜频干扰、虚像干扰)

（3）交调和互调干扰:交调干扰的产生及其特点:现象和特点:a.若干扰为邻道电视信号，萤火幕上显现主台图像和干扰图像。b.欲接收各信号消失，干扰图像消失。

c.有用信号频率与干扰信号频率无固定关系。干扰信号进入接收机前级电路，增强有用信号并不能减弱干扰。

减弱交流调干扰的方法:输入端加衰减器和提高合理选择器件的工作点，改善电路工作的线性采用选择性非线性特性奇次项系数的器件。互调干扰:交调干扰与互调干扰的区别:抑制的方法§6.6倍频器1、定义2、应用3、采用倍频器的优点4、倍频器的分类5、丙类倍频器§6.7调角波的基本性质6.7.1瞬时相位和瞬时频率及其互相关系：简谐振荡:α(t)=Acosφ(t)

瞬时相位:φ(t)=+φ0

瞬时角频率:ω(t)=ω(t)=φ(t)和ω(t)的关系:瞬时相位为瞬时角频率对时间的积分,而瞬时角频率为瞬时相位对时间的微分.根据φ(t)的概念可写成

a(t)=Acos[+φ0]6.7.2调相波和调频波的时域表达式及波形1、调相1）定义：2）表达式:UPM=Uccos[ωt+KPuΩ(t)]

3）瞬时相位、瞬时相位偏移、最大相移瞬时角频率、瞬时角频率偏移、最大频偏2、调频1）定义：2）表达式:uFM(t)=UCcos[ωct+Kf(t’)dt’]

3）瞬时角频率、瞬时角频率偏移、最大频偏瞬时相位、瞬时相位偏移、最大相移3、举例说明：6.7.3调频波的频谱与有效频谱带宽一、调频波的频谱表示式调角信号表示式:u(t)=Uccos(ωct+msinΩt)=Re[ejωct+jmsinΩt]=Re[ejωct

•ejmsinΩt]Re[f(t)]表示函数f(t)实部:exp(jmsinΩt)是Ω的周期函数:

展开傅氏级数为:ejmsinΩt=

式中:Jn(m)=Jn(m)是宗数为m数的n阶第一类贝塞尔函数

单频调角(调频)波具如下特点:1）产生以载频为中心，以调制频率为间隔的无数对边频分量。2）当n为奇数时，上下两边频分量振幅相等，极性相反当n为偶数时，上下两边频分量振幅相等，极性相同3）调频波的每条谱线的幅度为Jn（m）Vm。载波分量J0（m）随m变化，当J0（m）为某些值时，J0（m）=0，如表6.3。边频分量Jn（m）随m变化，当m《1时，n=1对边带。（称窄带调频）。当m》1时，n为无数对边频分量。（称宽带调频）。C.m一定，n增加，边频Jn（m）的能量减小。二、有效带宽：定义为边频幅度大于载频振幅10%所包含的边频宽度。

BW=2（m+1）F或：BW=2（Δf+F）三、调角信号频谱与调制信号的关系四、调频波与调相波的比较五、调角波的功率六、本节小结:1、角度调制是频谱非线性变换2、调频的频谱结构与mf密切相关3、与AM相比，优点是：调角方式的功率利用率高调频制抗干扰能力强缺点是：带宽较宽§6.8调频信号的产生6.8.1调频方法1,直接调频:1）方法原理2）直接调频的电路模型:3）可控电抗元件用声波控制的电容式话筒或驻极体话筒用电压控制的变容二极管、电抗管用电流控制的可变电感等4）优缺点：优点:在实现线性调频的要求下，可获得较大的频偏。缺点：频率稳定度差，须采用稳频措施。2,间接调频方法（阿姆斯特朗法）优点：载波有较高的频率稳定度和准确度缺点：实现起来较复杂实现相位调制的方法：矢量合成法、可变移相法、可变延时法6.8.2调频电路的性能指标1、调频特性线性度要好2、最大频偏在保证线性度的条件下要尽可能大一些3、调制灵敏度要高4、载波性能要好§6.9调频电路6.9.1、直接调频电路:一、变容二极管调频电路:变容二极管作为振荡电容的电路原理图:=变容二极管特性:二、变容二极管调频性能分析

在LC回路的作用:

1、以为回路总电容实际电路：工作原理：振荡器瞬时角频率为:

调频的优缺点：优点：Δf

大缺点：（即fc稳定度不高）2、以为回路部分电容特点：由于采用部分接入.UΩ加入对谐振回路的影响相对减弱，但频率稳定度相应会得到提高。引起瞬时频率变化中有：1）2）二，三次谐波成线性关系的成分，最大频移：3）中心频率偏移：

§6.10间接调频电路：电路：原理：先对调制信号进行积分，再用积分后的信号对载波进行调相，就可以间接地得到所需的调频波。§6.11调频波的解调：1、定义2、分类：鉴频、鉴相3、鉴频器：鉴频与鉴频器：鉴频就是调频的解调，其任务是把已调信号的瞬时频率变化，不失真地转换成相应的电压变化，即实现“频率—电压”转换。完成这一功能的电路称鉴频器。鉴频实现原理——鉴频特性鉴频器的两个性能指标：鉴频灵敏度SD：单位频偏所产生的输出电压的大小。线性范围（带宽）鉴频特性中近似直线的范围鉴频实现原理——鉴频实现方法斜率鉴频原理相位鉴频原理脉冲计数式鉴频原理脉冲计数式鉴频器：（零交点鉴频器）原理依据：FM信号的信息包含在已调波的零交点的分布上，利用单位时间内的零交点数目测得瞬时频率。从而恢复原调的信号。实现模型：6.11.1斜率鉴频器——单失谐回路电路组成工作原理：输入的调频波经LC失谐回路变换为调幅-调频波，然后经V、C1、RL所组成的包络检波器解调出原调制信号。调频信号中心频率fc失谐于谐振回路的谐振频率f0，调频波的中心频率fc处于回路谐振曲线的倾斜部分，接近直线段的中心点A，则失谐回路可将调频波变换为随瞬时频率变化的调幅─调频波。斜率鉴频器——双失谐回路电路组成工作原理调频波经两个失谐回路转换为两个调幅-调频波，再经各自的包络检波器，得到两反相的输出信号，然后合成得到总的输出信号。鉴频S曲线：当调频信号的频率为fc时，U1m与U2m大小相等，检波输出电压u01=u02，鉴频器输出电压u0=0；当调频波频率为f01时，U1m>U2m，u01>u02，鉴频器输出电压u0>0为正值，且为最大；当调频信号频率为f02时，U1m<U2m，则u01<u02，所以，u0<0为负最大值。6.11.2相位鉴频器一、原理：1、原理框图乘积型相位鉴频器：工作原理：将FM波延时to，当to满足一定条件时，可得到相位随调制信号线性变化的调相波，再与原调频波相乘实现鉴相后，经低通滤波器滤波，即可获得所需的原调制信号。相位鉴频器——叠加型原理框图：工作原理：首先利用延时电路将调频波转换为调相波，再将其与原调频波相加获得调幅──调频波，然后用二极管包络检波器对调幅──调频波解调，恢复原调制信号。二、叠加型相位鉴频电路1、互感耦合相位鉴频器：Foster—Seeley典型电路：等效电路：工作原理：三个过程：1）移相网络的频率——相位变换：由互感耦合网络完成2）相位——幅度变换：由加法器完成：两个检波二极管上的高频电压分别为：3）检波输出：相位鉴频器的优缺点:(特点)优点：线性范围宽，灵敏度高，失真小，通带宽。缺点：本身无限幅作用，需加一级限幅电路，高阻抗输出，后面必须接高阻抗负载。6.11.3比例鉴频器：1、电路形式：等效电路：2、工作原理：d-e两端输出电压为：比例鉴频：

==

=特性曲线：自限幅（特性）作用：A.因为：，而寄生调幅对同向变化，不变，对无影响。B、由于的箝位作用，起到限幅：因为容量大（箝位）优缺点：优点：①有自限幅作用。（可不用设单独设限幅器）

②输出阻抗低