第二章调幅检波与变频

第二章调幅检波与变频第1页，共62页，2023年，2月20日，星期三内容提要：在通信和广播发送系统中，将待发送的语言、音乐或图像信号，作用于高频等幅波，使其幅度随之变化，称为调幅。在接收系统中，从经过调幅处理后的高频信号中，还原出原始发送的信号，称为调幅检波，通常简称为检波。在发送及接收机中，对高频信号进行频率变换处理，但其所包含的信息不变，称为变频。调幅、检波和变频都是频谱的搬移，实现其的电路有许多相似之处。第2页，共62页，2023年，2月20日，星期三章节第一节调幅信号的分析第二节调幅与检波的基本原理和实现方法第三节调幅电路第四节检波电路第五节正交调幅与解调第六节变频返回目录第3页，共62页，2023年，2月20日，星期三第一节：调幅信号的分析调幅信号综述：根据调幅信号所含频谱及其相对大小不同，可以分为标准调幅信号、双边带(或称抑制载频)调幅信号、单边带信号及残留边带调幅信号。直接代表语言、音乐或图像的信号称为调制信号(或基带信号)，被调制的高频信号称为载波。有些资料中称载波信号为高频信号，称基带信号为低频信号。注意其中的“高”或“低”是相对的，而不是绝对的。第4页，共62页，2023年，2月20日，星期三一、普通调幅波1、波形及频谱普通调幅波也称标准调幅波或正常调幅波，即高频信号的振幅按照低频信号的瞬时值变化。通常用单频简谐信号来代表实际信号：理想情况下调幅波的振幅为：：比例系数，也称为调制灵敏度第5页，共62页，2023年，2月20日，星期三：调幅系数，亦称做调幅度调幅波包络的最大值和最小值可表示为：第6页，共62页，2023年，2月20日，星期三则为未调制状态则为最大调制状态则为过调幅状态为了避免失真，应第7页，共62页，2023年，2月20日，星期三三个频率分量：高频载波分量下边频分量上边频分量两个边频均包含低频调制信号的信息故振幅调制过程就是在频谱上将低频调制信号搬移到高频载波分量两侧的过程，原高频载波信号只是起到运载低频调制信号所含信息的作用。第8页，共62页，2023年，2月20日，星期三多频调制：由许多频率分量同时调制载波已调波中仍然有载频分量、上边频分量和下边频分量。且上边带各频率分量与调制信号各频率分量一一对应，下边带与上边带则完全对称。注意：此时总的调制系数仍然不能大于1。第9页，共62页，2023年，2月20日，星期三2.普通调幅波的功率和占据的带宽将调幅波电压加到电阻上，即可测得调幅波的功率。单频调制时，调幅波在一个高频周期内的平均功率为：此时的平均功率与有关调幅波在调制信号一个周期内的平均功率为：

为上下边频产生的功率。两个边频的功率相等，均为第10页，共62页，2023年，2月20日，星期三故这种调幅波的功率利用率很低。但其优点在于检波电路很简单，可以降低接收机的造价，故仍然广泛应用于广播发送机中。多频调制调幅波的功率计算可类推因此，调制信号对载波进行调制的结果是在载频功率的基础上增加了上、下边频的功率，在载频功率调制前、后不变的条件下，总功率增加了。第11页，共62页，2023年，2月20日，星期三当调制信号的频谱限定在之间时，调幅波的频带宽度为，即调幅波的频带宽度为最高调制频率的2倍。第12页，共62页，2023年，2月20日，星期三二、双边带调幅波引入原因：载频分量不含调制信号的信息，但却占用了调幅波的大部分功率。双边带调幅：将调幅波中的载频分量抑制掉，仅将上、下边带向外发送。又称为抑制载波的双边带调幅。单频调制时，可表示为：第13页，共62页，2023年，2月20日，星期三注意：双边带调幅波的包络已经不能反映调制信号的变化规律。双边带调幅波的功率等于上、下边带的功率之和，带宽与普通调幅波相同。第14页，共62页，2023年，2月20日，星期三三、单边带调幅波引入原因：双边带调幅波上、下两个边带均含有同等的信息量，从而可进一步提高功率利用率和频带利用率。单边带调幅：将双边带调幅波中的某一个边带抑制掉，而只传送一个边带的信号。又称为抑制载波的单边带调制。单频调制时，可表示为：返回章节第15页，共62页，2023年，2月20日，星期三第二节：调幅与检波的基本原理和实现方法实现调幅和解调的基本原理：根据三角函数积化和、差的原理可知，若在模拟相乘器的两个输入端分别施加两个不同频率的信号，就可以在其输出端获取两个频率的差频与和频信号。若模拟相乘器的输入端为载频和调制信号，即可在输出端得到双边带调幅信号。若在输出端添加一个滤波器，滤除和频或差频之一，即可得单边带调幅信号。若在输出端添加一个相加器，将双边带调幅波和一个幅度适当的载波相加，便可得到标准调幅波。返回章节第16页，共62页，2023年，2月20日，星期三各类调幅、检波电路的输入、输出信号频谱电路类型输入信号频谱输出信号频谱双边带调幅普通调幅单边带调幅普通调幅波检波双边带调幅波检波单边带调幅波检波第17页，共62页，2023年，2月20日，星期三调幅电路的基本框图双边带调幅电路标准调幅波电路单边带调幅波电路另外一种获得标准调幅波的方框图故模拟相乘器可以作为调幅电路的核心器件第18页，共62页，2023年，2月20日，星期三调幅波的检波框图从标准调幅波中提取出载波信号，然后将此载波信号和标准调幅波分别加至模拟相乘器的两个输入端。在模拟相乘器后面接一个低通滤波器滤除高频分量，即可得到所需的解调分量频率。对于双边带和单边带调幅信号，只要在接收端产生一个和原载波相同的信号，也可应用上述原理框图实现检波。故模拟相乘器也是调幅波检波电路的核心器件。第19页，共62页，2023年，2月20日，星期三失真问题对于标准调幅波，由于其包络形状与调制信号形状相同。可设计某种电路，使其输出高频信号的包络形状和低频信号的形状相同，便可作为调幅电路；而设计可以提取输入高频信号包络的电路便可作为检波电路。按照这种思路设计的电路存在失真的问题：调制后的已调波的包络，对调制信号不逼真；检波电路提取出来的信号波形，对高频信号包络不逼真。第20页，共62页，2023年，2月20日，星期三第三节：调幅电路高电平调制：是指将调制信号和载波分别经过若干级放大，在功放级进行调制后直接输出的一种调制方式。该方式已应用在大功率的广播发射机中，器件是电子管。低电平调制：是指调制信号和载波在低电平进行调制，然后再进行若干级放大的调制方式。该调制方式比较普遍。甚至一些先进的大功率广播设备也采用这类调制方式，所得到的低功率已调波可利用功率合成技术得到足够大的功率输出。第21页，共62页，2023年，2月20日，星期三一、双边带调幅电路右图为模拟相乘器MC1596的内部电路双边带调幅电路仿真第22页，共62页，2023年，2月20日，星期三输入和输出均采用单端不平衡的连接方式。电位器RP用以抑制载波，在调制信号为0时，调节RP滑动端的位置，使输出端的载波电压为0V。第23页，共62页，2023年，2月20日，星期三二、普通调幅电路普通调幅电路仿真

第24页，共62页，2023年，2月20日，星期三若，会产生过调幅现象，其波形如右图所示第25页，共62页，2023年，2月20日，星期三采用MC1596构成的标准调幅电路与双边带调幅电路基本相同。其差别是调制信号输入端的直流电平不同。第26页，共62页，2023年，2月20日，星期三三、单边带调幅电路此时要求滤波器能将不需要的边带完全滤除，且通带内的传输系数为1。在实际应用中，上、下边带间的频差很小，要求滤波器的带通特性接近矩形，即矩形系数接近1，这是十分困难的。所以实际应用中常采用多次调制和滤波的方法，使电路结构变得比较复杂。第27页，共62页，2023年，2月20日，星期三返回章节第28页，共62页，2023年，2月20日，星期三二极管调幅电路将调制信号和载波信号叠加起来，一起送到二极管的两端，利用PN结伏安特性的非线性产生许多频率，然后用滤波器选取其中构成某种调幅波所需的频率分量除了所需分量之外，还有其它不需要的分量第29页，共62页，2023年，2月20日，星期三使用带通滤波器，可以滤取三个分量，得到标准调幅波。使用下图所示双平衡调幅器，可以进一步滤除分量，得到双边带调幅波。第30页，共62页，2023年，2月20日，星期三三极管调幅电路简介使用三极管调幅时有以下两种方法：将调制信号和载波信号一起加到晶体管的发射极和基极之间。此时三极管调幅器多了一个放大作用。将载波加在器件的基、射极之间，而将调制信号和集电极直流供电电压叠加，作为一个可变的供电电压，器件始终工作于过压状态。和模拟相乘器相比，三极管调幅器的输入信号和输出信号相对地要大一些，故也称高电平调幅器第31页，共62页，2023年，2月20日，星期三第四节：检波电路一、二极管峰值包络检波器1、工作原理电流源i及并联LC谐振回路代表检波器的信号源VD为起检波作用的非线性器件C为检波负载电容R为检波负载电阻双边带同步检波仿真第32页，共62页，2023年，2月20日，星期三工作原理简述：二极管仅在变压器次级高频电压正半周的峰值附近一部分时间导电。二极管导电期间，电容C被充电，其电位逐渐升高。二极管截止期间，电容C对电阻R放电，电容C上电位逐渐下降。第33页，共62页，2023年，2月20日，星期三图(a)中波形2所示锯齿形包络线可分解为图(d)中按高频调幅波包络变化的低频信号和图(e)所示直流分量之和直流分量取决于无调制的载波幅度的大小低频信号不但与载波幅度有关，而且与调制系数有关，反映了低频调制信号第34页，共62页，2023年，2月20日，星期三2.失真二极管伏安特性非线性引起的失真可将二极管包络检波器看作是有负反馈的电路。由于检波器中的负反馈电压是输入高频调幅信号的包络，故可改善包络失真可适当加大检波电阻R的值以加深包络负反馈需要注意二极管死区电压的影响以及相应的解决方法第35页，共62页，2023年，2月20日，星期三检波负载时间常数过大引起的惰性失真二极管截止期间，检波负载的时间常数若过小，则不但会使输出电压中的载波高频残余分量增大，还会使检波器输出低频有用信号减小若时间常数过大，则当高频调幅波的包络减小的速度比电容上电压减小的速度快时，检波二极管的正极电位将在高频的正半周峰值瞬间仍维持比其负极电位低而不能导电推导可得临界时间常数：第36页，共62页，2023年，2月20日，星期三检波负载交、直流值不等造成的平底切削失真

上有上正下负的直流电压：当输入调幅波的幅度低于此值时，检波二极管便不再导通，从而使得检波负载电容上的电压不能跟随输入调幅波幅度变化，并保持为一常数调制信号的下限工作角频率应满足：第37页，共62页，2023年，2月20日，星期三3.电压传输系数直流电压传输系数：交流电压传输系数：第38页，共62页，2023年，2月20日，星期三由于施加于二极管上的电压既有高频调幅波，又有解调输出电压，从而电压传输系数的分析是一个非线性问题文献中有平方律法和折线法两种方法，但其可信度都很低，从而不推荐使用检波输出电压与输入高频调幅波包络的差别有：二极管的导通电压变化的充电电流在二极管等小微变电阻上的压降电容对放电使减小第39页，共62页，2023年，2月20日，星期三故：直流电压传输系数比交流传输系数小输入高频电压增大时，检波电压传输系数有所增大检波负载电阻增大时，检波传输系数增大

放电时间常数减小时，传输系数减小但若放电时间常数过大，出现惰性失真时，输出低频解调电压反而减小第40页，共62页，2023年，2月20日，星期三4.高频输入电阻检波器的输入电阻没有固定值高频输入电阻则是从能量的角度，定义为检波器对高Q选频网络提供的高频能量的损耗从而可用接在选频网络两端的线性电阻来等效推导可得：需要注意高频输入电阻是等效电阻。上述分析过程中假定输入信号幅度为等幅波，而没有考虑其变化。否则问题会更加复杂第41页，共62页，2023年，2月20日，星期三二、平均值包络检波器用来提取的正半周信号组成低通滤波器，滤除中的高频分量引入运放的优势：良好的检波线性和很低的门限工作电压检波器的上限工作频率决定于运放的上限工作频率。低通滤波器的上截止频率应低于载波频率而高于调制信号频率。第42页，共62页，2023年，2月20日，星期三三、相乘检波电路设输入信号与本机载波信号分别为：相乘器的输出为：可以看出，该输出中同时包含了有用分量和无用分量最终输出的有用信号为：检波器的传输系数：１．双边带调幅波检波电路第43页，共62页，2023年，2月20日，星期三为增大检波器的传输系数，本机振荡电压应：１幅度尽可能大，但不能超过相乘器的最大容许输入电压。２采用相干检波(同步检波)，即本机振荡与原载波同频同相。第44页，共62页，2023年，2月20日，星期三三种检波电路的比较电路形式工作频率检波线性电路结构适用场合平均值包络检波电路高低中差很好中简单复杂中普通调幅波检波较低载频的普通调幅波和等幅波检波普通调幅波检波、双边带调幅波检波和单边带调幅波检波二极管峰值包络检波电路相乘检波电路第45页，共62页，2023年，2月20日，星期三第五节正交调幅与解调若接收端加入的载波和原调幅波的载波在相位上相差90°，则输出的解调信号为零因此，对频率相同、相位相差90°的载波，分别用不同调制信号进行调幅，便可实现用一个载波传输两个互不干扰信号，收到节约频带的效果。这种方案称为正交调制第46页，共62页，2023年，2月20日，星期三返回章节第47页，共62页，2023年，2月20日，星期三第六节：变频变频：将原信号的各分量搬移至新的频域，各分量的频率间隔和相对幅度保持不变新频率等于原信号频率与某一参考频率之和或差，取其和者称为上变频，取其差者称为下变频参考频率通常称为本机振荡频率，可由独立的信号源产生，也可以用特种技术从原信号中提取包含本机振荡电路在内的频率变换电路称为变频器，不包含本机振荡电路的频率变换电路为混频器第48页，共62页，2023年，2月20日，星期三一、相乘混频电路模拟相乘器加滤波器，用滤波器滤除不需要的分量，取和频或差频二者之一，即构成混频器设原信号是载波频率为的普通调幅波，本机振荡频率为模拟相乘器混频仿真第49页，共62页，2023年，2月20日，星期三超外差式接收机：采用变频技术使本机振荡随接收到的高频载波频率变化，保持其差值为常数，混频后的载频为二者之差-中频，并保持固定值优点：放大器频率较低、中心工作频率固定、增益较高、选频特性较好第50页，共62页，2023年，2月20日，星期三增大本振信号的幅度可使混频器获得较大的输出信号。但其过大会使相乘器中的部件进入强非线性区在上图中，取出差频称为下混频，取出和频称为上混频。在接收系统中通常使用下变频器，在发送系统中通常使用上变频器混频器框图与滤波法框图的主要区别：前者待变换信号与本振频率的和与差不是很接近，而后者则非常接近。从而前者的滤波难度要更小一些第51页，共62页，2023年，2月20日，星期三模拟相乘器构成的混频电路原理图第52页，共62页，2023年，2月20日，星期三具有自动增益控制功能的放大器构成的混频电路原理图第53页，共62页，2023年，2月20日，星期三二、二极管双平衡混频电路利用二极管的非线性产生众多频率，从中选取和频与差频之一，便可实现混频为使混频效果好，还须抑制那些不需要的频率分量待变频的高频信号由接于左端的变压器输入本振信号通过接于右端的变压器输入混频后的输出信号从两个变压器次级的中心抽头取出高频信号与本振信号分别处于二极管电桥的两个对角线，互不干扰仿真第54页，共62页，2023年，2月20日，星期三由于本振信号远大于输入信号，因而本振信号的极性决定了哪一对二极管导通，从而可对上图进行分拆第55页，共62页，2023年，2月20日，星期三分析可知，二极管环形混频器除对消了和分量以外，还对消了由于伏安特性高次方项产生的(为偶数)分量第56页，共62页，2023年，2月20日，星期三三、三极管混频电路第六节：变频三极管实现混频的原理与二极管混频原理相似，即利用器件特性曲线的非线性。由于场效应管的伏安特性是平方律，故和晶体管的指数伏安特性相比，以幂级数表示时，前者无高阶项，故无用产物少。构成三极管混频电路时，应注意电路中除直流外，还有三种有用频率成分，通常用滤波器将其分开，最简单的滤波器就是谐振回路。用得较多的是并联谐振回路。调谐于某一频率的谐振电路，对离谐振频率较远(相对值)的频率，一般可视为近似短路。第57页，共62页，2023年，2月20日，星期三四、混频时产生的干扰信号经混频后，只应有频谱搬移，其相对关系不应改变，不应出现新的、并且落在有用频谱内的分量，否