第四章通讯电子电路

第四章调制、解调与变频电路调制：把调制信号寄载在载波上的过程解调：调制的逆过程已调波：已寄载有调制信号的波1一、调制的目的1.提高频率，便于辐射2.实现信道复用例：频分复用FDMA3.改善性能，提高信噪比2二、调制的分类连续波调制脉冲调制载波是连续的等幅高频正弦波载波是脉冲序列信号幅度调制（AM）频率调制（FM）相位调制（PM）脉冲调幅，脉冲调频，脉冲调宽，脉冲调位三、频率变换电路调制、解调、变频（混频）电路3

4.1.1调幅的基本原理一、调幅波的表达式及波形分析载波调制信号调幅波调幅：载波的幅度随调制信号的变化规律而变化，而载波的频率和初相位均为常数。4.1振幅调制与解调设

4调幅度/调幅系数已调波的最大振幅已调波的最小振幅5

过调幅，包络变化不再是调制信号，将导致接受端的严重失真。原因：调制信号幅度过大，进入晶体管截止区，使高频振荡部分截止。调幅波的波形ma：表示载波振幅受调制信号控制的强弱程度。6二、调幅波的频谱分析调制信号调幅波载波1、三个频率成分载频、和频、差频（上边频、下边频）72、调幅波信号带宽3、当调制信号包含一个频带时（多频调制），载频两边是上边带、下边带。：为调制信号的最高频率。8三、调幅波的能量分析载波功率：上、下边频功率：调幅波在电阻RL上的平均输出总功率：9②ma=1时，PDSB=1/2PC,最大①PC中不携带信息，只有PDSB中含有有用信息③一般0.1<ma<1,调制信号是变化的,平均ma<0.3缺点：AM调制传送效率很低优点：设备简单，应用广泛说明：10四、双边带调制和单边带调制方式1、双边带调制DSB为提高发射机的发射效率，传输前抑制掉载波，只传输两个边带。1）数学表达式11标准调幅波双边带调幅波相位突变180o2）波形3）带宽——不节省频带12DSB：抑制载频，只传输两个边带信息SSB：只传输一个边带信息上边带下边带2、单边带调制SSB1）数学表达式13只传送一个边带，节省带宽，信道利用最经济，是通信系统中一种重要的调制方式（如短波无线通信）。缺点：解调技术难，接收机成本高。2）波形图、频谱图3）带宽节省频带14标准调幅AM双边带调幅DSB单边带调幅SSB15五、残留边带调制VSB发送主体是一个边带，另一个边带残留一小部分克服SSB调制与解调设备复杂，无法传输直流分量的限制SSB和DSB的折中，比DSB高的传输效率发射机的幅频特性电视图像信号应用举例接收机的幅频特性16[例4.1.1]已知两个信号电压的频谱，要求：(1)写出两个信号电压的数学表达式，并指出已调波的性质。(2)计算在单位电阻上消耗的边带功率和总功率、以及已调波的频带宽度。解：(1)图(a)为普通调幅波的频谱图由于且所以，又有图(b)为双边带调制波17AM波与DSB波的频带宽度相等，即

(2)载波功率双边带信号功率因此18调幅电路的分类：振幅调制高电平调幅：适于一般大功率调幅，末级大信号工作低电平调幅：适于AM,DSB,SSB调制，小信号功放，在末级前，后接线性功放目前应用较多，采用乘法器调幅电路19一、模拟乘法器调制电路1、普通振幅调制电路用BG314构成的振幅调制器1）方框图2）电路图4.2.1低电平调幅电路203）工作原理y端：x端：输出端：中包含有三个电压分量：载波分量，上边带和下边带分量。

21输出端用带通滤波器作负载：其中心频率为f0，带宽应大于或等于调制信号最高频率的两倍，用于滤除由非线性而产生的高次谐波分量。222、双边带调幅电路——平衡调幅器1）方框图2）电路图3）工作原理输出：233、单边带调幅电路1）滤波法:在DSB调制后加一个滤波器，可以提取一个边带信号，这是目前普遍采用的方法。一般DSB上下边频的间隔为，要求带通滤波器具有陡峭的衰减特性，并且带宽很小，制作难度大。242）移相法（移相SSB调制）可以认为：两个DSB信号相减；它们的调制信号、载波信号都各自移相90°，要求移相网络在整个频率范围内移相90°——制作时难以实现。例如：一个单音调制的上边带信号25二、二极管调幅电路1、单二极管调幅电路

载波信号vc(t)足够大，使二极管处于理想开关状态。

把二极管特性进行直折线近似，在其导通时电导近似为gD。

用一个开关函数H(t)表示，可以写成：

26

利用傅立叶级数，将开关函数展开：将H(t)的展开式代入电流iD(t)的表达式，可得：27

可见上式中，存在载波分量，上下边频分量以及其它的谐波组合频率分量。

频谱图：

利用一个中心频率为f0，带宽为的带通滤波器滤波就可以产生一个AM调幅信号。

282、二极管平衡调幅电路

两个二极管完全对称，利用电路的对称性抵消了载波输出，因此可以构成抑制载波的双边带调幅电路。、

载波为大信号，控制二极管工作于开关状态。加到两个二极管上的电压分别为：流过两个二极管的电流分别为：29

则耦合到Tr2次级的总电流为：进一步分解，可得iL(t)中的频率分量有：载波分量被抑制掉了。采用一个中心频率为，带宽为的带通滤波器，就可以产生一个DSB调幅信号。303、二极管环形调幅电路

二极管环形电路可以看成是由两个二极管平衡电路组成，因此又称为二极管双平衡电路，其分析方法与二极管平衡电路相同。

1）电路2）工作原理31

在vc(t)正半周，二极管D1、D2导通，D3、D4截止。流过两二极管的电流分别为：则耦合到Tr2次级的电流为：32

在载波vc(t)负半周，二极管D1、D2截止，D3、D4导通。流过两二极管的电流分别为：则耦合到Tr2二次侧的电流为33在载波信号vc(t)全周期范围内，流过负载的总电流为：由上式可以看出，流过iL(t)中的频率分量有：等频率，采用一个中心频率为，带宽为的带通滤波器滤波就可以产生一个DSB调幅信号。通过上述分析也可以看出，与二极管平衡调幅电路的输出相比，调制分量被抑制掉了，上下边频分量输出幅度加倍。344.1.3高电平调幅电路1、用途：产生普通调幅波。2、目的：为了获得较大的输出功率和高效率。3、电路实现：通过用调制信号去控制谐振功率放大电路的输出功率来实现调幅。4、晶体管的工作状态：乙类或丙类，非线性工作应用。5、电路分类：根据调制信号控制的晶体管的电极不同，主要有集电极调幅、基极调幅以及集电极-基极（或发射极）组合调幅。35所谓集电极调幅，就是用调制信号改变高频谐振功率放大器的集电极电源电压，以实现调幅。一、集电极调幅载波→基极；调制信号→集电极。放大器的有效集电极电源电压为可见，集电极电源电压是随调制信号而变换的。在过压状态下，集电极电流的基波分量随集电极有效电源电压vc(t)成线性变化。集电极有效回路阻抗不变，因此，集电极的谐振回路输出电压振幅将随调制信号的波形而变化，从而得到调幅波输出。36

由此可见，集电极调幅是以载波作为激励信号，集电极电源电压随调制信号变化，工作在过压状态的高频谐振功率放大器。电路的优点：集电极效率高；电路的缺点：由于已调波的边带功率由调制信号供给，因而需要大功率的调制信号源。37所谓基极调幅，就是用调制信号改变高频谐振功率放大器的基极电源电压，以实现调幅。二、基极调幅放大器的基极有效电源电压为在欠压状态下，集电极电流的基波分量随基极有效电源电压vB(t)成线性变化。集电极有效回路阻抗不变，因此，集电极的谐振回路输出电压振幅将随调制信号的波形而变化，从而得到调幅波输出。可见，基极极电源电压是随调制信号而变换的。38

由此可见，基极调幅电路是以载波作为激励信号、基极电源电压随调制信号变化，工作在欠压状态的高频谐振功率放大器。电路的优点：要求的调制信号功率很小，有利于整机的小型化；电路的缺点：集电极效率不高，导致调幅效率低下，输出波形较差。394.1.4调幅波的解调——检波器检波方式小信号平方律检波：大信号峰值包络检波：乘积检波：适用于解调普通AM波电路比较复杂、成本高，主要用于解调DSB、SSB信号。高频已调波检波器：非线性电路低频调制信号402.解调（检波）：调制的逆过程平方律检波包络检波同步检波利用具有平方律特性的非线性器件从已调波的包络中提取调制信号，只适用标准波利用与载波同频同相的本振信号与已调波进行差拍，适于各种振幅调制1.性能指标①检波效率（电压传输系数）:②输入电阻③检波失真（非线性失真）检波器的Ri是中频放大器的负载，影响中放性能；Ri↑，影响↓线性失真：各频率成分的比例关系发生变化非线性失真：产生新的频率分量41一、大信号峰值包络检波(线性检波)vAM(t)

>0.5V1.电路及原理42432.性能指标1）电压传输系数Kd2）输入电阻Ri443）检波失真①惰性失真：由于RLC过大引起为了提高Kd，减小由于检波特性（二极管）非线性引起的失真，必须使RL↑。但是，RL过大，使得45

从提高检波电压传输系数Kd和高频滤波能力来看，RLC又应尽可能大，它的最小值应满足：综合以上两个条件，RLC可供选用的数值范围由下式确定：46②负峰切割失真：由于交直流负载不同引起检波器与下级电路级联时，一般只取用检波器输出的交流成分，因此在检波器的输出端串接隔直电容CC（CC>>C）

），ri2为下一级的输入电阻。vAttvo47相应的：I0其中：有可能出现I1>I0的情况。如果出现，在的负半周，使得ID0<0→D截止→使vo不能跟随vAM(t)包络变化→产生失真。由于失真出现在负半周，所以叫负峰切割失真（底部失真）。48(4)考虑49二、乘积型同步检波器1、普通调幅波的解调使用乘法器实现，在输入端加一个与载波vc(t)同频同相位的本振信号，与已调波相乘，经低通滤波器检出调制信号。要求限幅器无相移502.DSB、SSB信号的解调SSB？:自己推导说明：①优点：检波线性好，小信号输入时失真小②模拟乘法器对vr的幅度大小无严格要求③缺点：要求本振与载波必须同步，否则会有失真，故接收机的复杂程度及成本高总结：①与包络检波器相比，Kd可以大于1②非线性失真主要由乘法器的非线性失真决定514.1.5正交振幅调制与解调正交幅度调制（QAM）：用两个独立的基带信号对两个频率相同，但相位相差90º的正弦载波分别进行双边带调制，然后求和。一、电路框图二、工作原理调制解调vI(t)、vQ(t)：两路调制信号载波信号要求：两路载波信号必须严格正交。521、发射端，正交调制过程已调波带宽：为两路信号中的较宽者，而不是两路频带之和，因而可以节省传输带宽，提高传输效率。

DSB求和，中心频率一致。532、接收端，正交解调过程第一路信号：第二路信号：上述两路信号经过低通滤波，滤除高频分量后，即得到调制信号vI(t)、vQ(t)。

54作业：

4.1.1,4.1.2,4.1.4,4.1.5,4.1.6,4.1.7,4.1.8(选作),4.1.9(选作)554.2调角波及其解调调角波：用调制信号调制高频载波的角频率或相位调频调相4.2.1调角波的基本特性设一高频振荡：调制前调制后56一、调角波的表示式及波形载波设调制信号调制后，使调频波瞬时频率变为：1.调频波（FM波）：使按照的振幅变化。1）表达式57调频波：调频波是载波振幅始终保持不变的疏密波调频波的瞬时相位为：582）波形592.调相波（PM波）载波设调制信号调相波：1）表达式

调制后：602）波形61调相波：调频波：3）FM波、PM波的最大频偏、最大相偏与的关系62[例4.3.1]设有一组正弦调制信号，频率为300HZ

3400HZ，用该调制信号进行调频时，最大频偏=75kHz；调相时，最大相偏mp=1.5rad。试求：调频时，调制指数mf的变化范围；调相时，最大频偏的变化范围。[解]1.调频时，保持不变，但有很大变化，通常mf远大于1。2.调相时，

可见，调相时，是不变的，但有很大的变化。63二、调角波的频谱及频谱宽度调制信号调相波：调频波：1、调角波的频谱特点载波64式中Jn(m)是以m为宗数的n阶第一类贝塞尔函数，将上式代入(4.2.11)式，再借助于积化和差的三角公式，可以得到:利用贝塞尔函数理论中的两个公式：65贝塞尔函数曲线：66贝塞尔函数表：67调角波的频谱特点：①角度调制不是频谱的搬移过程，而是频率的非线性变换。②频谱中除外，还有无穷多边频量，相邻两边频的间隔均为。③m↑→边频分量功率↑

载频分量功率↓→总功率不变④当m为某些值时，载频或某边频振幅为零。682、调角波的频谱宽度①窄带调制，m<1可见：69②宽带调制，m>170

[例4.2.2]已知调频波的最大频偏=50kHz，调制频率=5kHz。试求该调频波的通频带。[解]：调频系数通频带由上例可见，调频波的频带是比较宽的，因此总是用超高频段来传输调频信号。当前我国的调频广播，就是在88~108MHZ频段内传送，可以高质量地传输音乐和语音。P225714.2.2三种基本调制方式的比较1、抗干扰性：调频波抗干扰性能好①有更多的边频分量和边频功率克服信道中的干扰和噪声；②对调频波幅度的影响，只需要加限幅器就可以去掉；③mf可以很大，使信号频偏大大于干扰和噪声的频偏；④缺点：传送频带较宽，一般用超高频段传输。2、信号频谱带宽AM调制：BW=2Ω,窄

FM,PM调制：BW=2(m+1)Ω,宽72FM:PM:73调频与调相频谱比较：74③设备利用率：调角波功率利用率高75

综上所述，调角波的抗干扰性、功率利用率比调幅波好，而调频波在带宽利用率和抗干扰性能方面又比调相制好，所以，在模拟通信系统中广泛采用调频制而很少用调相制，调相只作为实现间接调频的中间过程。由于调频系统占用频带很宽，所以调频通信的工作频段往往被安排在几十兆赫兹至近千兆赫兹的高频段。调角系统的发射机、接收机比较复杂。764.2.3调频电路的工作原理一、直接调频电路电路优点：容易取得大的频偏；缺点：频率稳定度低。即使是晶体调频振荡器，其频率稳定度也比不受调制的晶振有所降低，而且频偏很小。77变容二极管：电容Cj随其反偏压VR而变化的二极管，利用PN结的势垒电容随反偏压大小而变化的原理制成。1、变容二极管直接调频电路78若外加79一般取80[例4.2.3]90MHz变容管直接调频电路

电容三点式电路，变容管部分接入振荡电路，它的固定反偏电压由+9V电源经电阻56k和22k分压后取得，调制信号v经高频扼流圈47H加至变容管起调频作用。81

变容二极管在反向偏压下工作，几乎没有电流流过，所以不需要功率。利用一个振幅不大的调制信号就能获得较大频偏，并且具有良好的调制特性。变容二极管调频电路的优点：电路简单，工作频率较高，容易获得较大的频偏，在频偏不需很大的情况下，非线性失真可以做得很小。电路的缺点：变容管的一致性较差，大量生产时会给调试带来某些麻烦；另外偏置电压的漂移、温度的变化会引起中心频率漂移，因此调频波的载波频率稳定度不高。822、晶振变容二极管直接调频电路目的：为了提高频率稳定度变容管接入方式与晶体串联→fs↑与晶体并联→fp↓使fs与fp接近用得较多，稳定性好例：中心频率为4.3MHZ的晶体调频振荡器的实际电路

缺点：调制灵敏度低，频偏小。83二、间接调频电路电路优点：利用调相→调频，频稳高。采用高稳定度的晶振电路作为主振级，而调相是在后级进行，故对晶振频率没有影响。调制信号：调相波：调频波：思路1、可变移相法调相电路——积分—调相式84工作原理可以忽略85电路862、可变延时法调相电路调频电路原理：利用锯齿波和已积分的调制电压进行比较，间接地得到调频信号。自学871、积分式正交正弦振荡电路三、利用乘法器产生调频波2、利用乘法器产生调频波——积分式调频振荡器1）思路：只要控制积分时间常数，就可以实现调频；控制，就是控制电容的充、放电速度；控制积分器vi的大小，同样可以控制电容的充放电；控制积分器vi的大小更方便。882）工作原理在两个乘法器的输入端加电压，则每个积分器的输出与另一个积分器的输入之间的传输系数为。89说明：优点：可得到较大的频偏和良好的线性调制。缺点：由于乘法器工作频率较低，只能用于较低频范围。904.2.4扩展线性频偏的方法一、工作原理调频→n倍频→混频→扩展频偏

调频波N次倍频而相对角频偏不变

混频、滤波目的：扩大调频波的最大角频偏914.2.5调频波的解调——鉴频器鉴频方法分类1.直接法：利用线性网络变换斜率鉴频：通过线性幅频特性网络→调频/调幅信号，再用包络检波→92通过线性相频特性网络→调频/调相信号脉冲计数式鉴频：利用波形变换器，变频率变化为脉冲序列数的变化→2.间接法：利用反馈原理鉴频，如门电路或锁相环。93鉴频特性：指输出vo与输入频差的关系，线性越好，线性鉴频范围越宽，该方法越好。①灵敏度：指vo偏离fo的程度②线性范围：鉴频特性近于直线的频率范围③非线性失真鉴频器特性指标94一、斜率鉴频器工作原理：利用LC谐振回路的谐振特性对不同频率的信号呈现不同的阻抗特性，将调频波→调频/调幅信号，再用包络检波→。1、单失谐回路斜率鉴频器峰值包络检波调频/调幅变换器失谐回路：LC谐振回路工作在失谐状态f0≠fc若LC回路Q↓→线性鉴频范围↑、鉴频灵敏度↓；工作频偏↑→非线性失真↑。由于LC谐振曲线的线性度较差，因此电路的输出波形失真较大。952、双失谐回路斜率鉴频器采用两个单失谐回路斜率鉴频器构成的平衡电路→扩大鉴频特性的线性范围。3.集成电路中采用的斜率鉴频器自学96二、相位鉴频器1、乘积型相位鉴频器：利用鉴相器组成具有线性相频特性，对通过的每一个频率附加一个相应的相移鉴相器两输入信号频率相同，相位差不同用乘法器、低通滤波器完成相位鉴频→工作原理将在后面介绍972、振幅检波型相位鉴频器调频波→调幅，调频，调相波优点：线性好，鉴频灵敏度高，电路简单。缺点：无法抑制输入信号中寄生调幅引起的输出波形失真，必须在输入端增加限幅器整形，以保证输入vFM幅度的稳定。包络检波98三、比例鉴频器可以克服上述缺点，本身具有限幅作用。并且输入电压只要0.05V~1V就可以工作（相位鉴频器加入限幅器后，输入电压要1V~3V才能工作）。一般在调频广播接收和电视机中都采用比例鉴频器。但它的灵敏度SD比相位鉴频器低。上述两种鉴频器适用于窄带调频信号的解调99四、脉冲计数式鉴频器：适用于宽带调频信号解调调频信号的频率信息寄载在已调波过零点的位置上，可利用单位时间内过零点的数目来检测频率的高低。100①将调频信号放大，限幅调频方波。②微分，取出过零点的脉冲。③再用过零点的脉冲触发方波发生器，产生出等宽度的脉冲序列信号。④由于脉冲序列信号时间分布是随频率的高低而疏密不同，用低通滤波器可取出调制信号。101例：电路如图优点：线性好，线性鉴频范围宽，适于宽带信号的解调，便于集成。缺点：工作频率受脉冲形成电路可能达到的最小持续时间的限制，只能在10MHz左右工作。1024.2.6调相波的解调——鉴相器当加到乘法器两输入端的信号频率相同、相位不同时，其输出电压vo′将与输入信号的相位差成正比。一、方框图二、工作原理1031、设vx(t)、vy(t)均为小信号输入，频率相同、相位差为。设器件线性工作1042、vx(t)为大信号、vy(t)为小信号

vx(t)为大信号，指幅度足够大的开关信号，或幅度足够大，使由它控制的器件工作在开关状态。取一次谐波1053、当vx(t

)、vy(t)均为大信号(开关信号)方波脉冲，相位差为106介绍：乘积型相位鉴频器工作原理107作业：4.2.1(选作)，4.2.2，4.2.3，4.2.4，4.2.51084.4变频原理与应用一、变频器的作用变频（混频）：是将信号的频率由一个数值变换成另一个数值的过程；经过混频，信号的频率由高频变成中频，但包络的形状不变。例如：广播收音机，中波波段信号的载频为535kHz~1.6MHz，接收机中本振的频率为1MHz~2.065MHz，混频输出的中频频率为465kHz。如电视接收机的中频为38MHz；卫星通讯中上行、下行频率的变换等等都采用变频器。4.4.1变频的作用及其基本性能要求109二、组成由于混频后频谱结构没有变化，所以混频是线性频率变换，也是频谱搬移。1101、若输入信号是调频波变频后的中频信号2、若输入信号是调幅波变频后中频信号111三、实现变频的方法二极管大信号变频电路的分析二极管：理想开关112分析vo的频谱分量：113114四、性能指标P2691、变频增益2、噪声系数3、选择性：要求较高4、失真与干扰1154.4.2晶体管变频电路一、构成方法由于电路组态和本振电压注入方式不同,使得晶体管变频电路有许多种。四种基本电路。vc与vr均加在晶体管基极与发射极之间，利用e结的非线性实现变频（二极管）；经晶体管放大后，由调谐回路选出需要的中频信号。116混频与本振均用同一晶体管举例：1、变频器：（自激式变频器）中波调幅收音机的变频电路1172、混频器：（它激式变频器）发射极注入式混频电路混频与本振分别由不同晶体管实现118二、混频器的工作原理119显然,若vc为调幅波,含有调制分量,则il(t)的幅度也随之变化。即混频后只改变了载波频率，而包络线未变。1201214.4.3乘积型混频器1、框图2、工作原理122电路实例：1234.4.5二极管环形混频器工作原理：设高频有用信号vc(t)很小，本振信号vr(t)很大，相当于一个开关信号。本振电压vr(t)接到二个变压器T1、T2的中心抽头上，变量器匹配比1:1。124（1）当vr(t)为正半周时：二极管D1、D2导通，D3、D4截止，输入信号vc(t)经T1、T2传到RL上。通过二极管D1、D2的电流：125（2）当vr(t)为负半周时：二极管D1、D2截止，D3、D4导通。通过二极管D3、D4的电流：126127二极管环形混频器的电路优点：①电路对称，混频失真小。由于本振是从桥路中线馈入的，大大减少了本振电压经输入端或输出端产生的辐射泄露。②动态范围大，线性好，工作频率高，噪声系小，在微波段普遍采用。1283.4.5混频器的干扰混频器件的