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第5章 振幅調(diào)制、解調(diào)與混頻電路,調(diào)制、解調(diào)與混頻在通信電路起何作用？處于發(fā)射機和接收機什么位置？ 振幅調(diào)制、解調(diào)與混頻電路的輸入和輸出信號頻譜有何特點？ 振幅調(diào)制、解調(diào)與混頻電路如何構(gòu)成？有哪些類型？ 如何分析振幅調(diào)制、解調(diào)與混頻電路？有哪些性能參數(shù)？如何計算？,1,5.1 振幅調(diào)制的基本原理,在無線電通信系統(tǒng)中，將信號從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩藭r，信號的原始形式一般不適合傳輸，必須進行調(diào)制和解調(diào)，所謂調(diào)制是將需要傳送的信息裝載到某一高頻振蕩信號（載波）上去的過程。 在接收端收到了已調(diào)波信號后，需要將載波去掉，還原成原有的信息，即調(diào)制信號，這個過程是與調(diào)制相反的過程，稱為解調(diào)。 調(diào)制可分為振幅調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制，簡稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相，分別對應的解調(diào)有檢波、鑒頻和鑒相。,2,載波uc,調(diào)制信號 uΩ,已調(diào)波uAM,3,5.1.1 普通調(diào)幅波,所謂調(diào)制，就是使幅度、頻率、或相位隨調(diào)制信號的大小而線性變化的過程。分別稱為振幅調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制，簡稱調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。,解調(diào)是調(diào)制的相反過程，即從已調(diào)波信號中恢復原 調(diào)制信號的過程。與調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相相對應，有振幅 解調(diào)、頻率解調(diào)和相位解調(diào)，簡稱檢波、鑒頻和鑒相。,4,正弦波一般可表示為：,1.AM調(diào)幅波的數(shù)學表達式,設：單音調(diào)制信號,載波,調(diào)幅信號（已調(diào)波）,包絡函數(shù),5,包絡函數(shù),稱為調(diào)幅度、調(diào)幅指數(shù)或調(diào)制系數(shù)。,kf 為比例系數(shù)，稱為調(diào)制靈敏度。,6,2. 調(diào)幅信號的波形,7,,過調(diào)幅失真,包絡函數(shù)：,8,,包絡的振幅為：,調(diào)制度,9,載波分量,上邊帶分量,下邊帶分量,3. AM調(diào)幅波的頻譜及帶寬,10,單音調(diào)幅波頻譜寬度等于調(diào)制信號頻率 的二倍即,,2) 多音調(diào)幅波的頻譜,頻譜寬度是最高頻率 的二倍即：,11,將單音調(diào)幅波電壓加到電阻RL兩端，得調(diào)幅波各頻率 分量在RL上消耗的功率分別是：,⑴ 載波功率,⑵ 上下邊帶功率,4. AM調(diào)幅波的功率分配,12,⑴ 載波功率,⑵ 上下邊帶功率,結(jié)論：能量傳送時，由AM傳送改為邊帶傳送可節(jié)約能量。,怎樣能抑制掉載波，只保留兩個邊帶呢？,當Ma最大為1時，邊帶功率只占整個調(diào)幅波功率的1/3。,13,5. 實現(xiàn)AM調(diào)幅波的數(shù)學模型,,14,在AM調(diào)制過程中，如果將載波分量抑制掉，就可 形成雙邊帶信號。,DSB波數(shù)學表達式：,5.1.2 雙邊帶調(diào)幅信號（DSB）,15,DSB波的波形與頻譜：,16,雙邊帶調(diào)制波的上下邊帶包含的信息相同，兩個邊 帶發(fā)射是多余的，為節(jié)省頻帶，提高系統(tǒng)的功率和頻帶 的利用率，常采用單邊帶調(diào)制系統(tǒng)。,SSB的數(shù)學表達式,上邊帶,下邊帶,5.1.3 單邊帶調(diào)幅信號（SSB）,17,SSB的波形圖與頻譜圖,18,調(diào)幅過程是把調(diào)制信號的頻譜從低頻搬移到載頻的兩 側(cè)，搬移過程中，頻譜的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，屬于頻譜的 線性搬移。,相乘器,5.2 振幅調(diào)制電路,19,若一個非線性電路有兩個不同頻率的交流信號同時輸入，如果其中一個交流信號的振幅遠遠小于另一個交流信號的振幅時，可以采用下面介紹的線性時變分析法來分析該電路的輸出頻譜分量。,5.2.1 非線性電路的線性時變分析法,設一個非線性器件的伏安特性為i=f(u)，器件上的電壓u=UQ+u1+u2，其中UQ是靜態(tài)偏置電壓，u1和u2都是交流信號：。如果，則可以認為器件的工作狀態(tài)主要由UQ與u1決定，若在交變工作點(UQ+u1)處將輸出電流i展開為冪級數(shù)，可以得到：,,20,忽略高次項，得到：,其中：,分別稱為電導和跨導。,21,(1)單向正向余弦型 開關函數(shù),,將 波形按傅氏級數(shù)展開，表示為,開關函數(shù),22,(2) 單向反相余弦型 開關函數(shù),將 波形按傅氏級數(shù)展開，表示為,23,(3)雙向余弦開關函數(shù),,24,單向正相正弦開關函數(shù),單向反相正弦開關函數(shù),雙向正弦開關函數(shù),(4) 正弦型,若v1 ( t ) =V1msinω1t,25,1. 二極管電路,a) D1、D2為理想開關二極管,b) v1同相加到D1、D2上， v2反相加到D1、D2上。,Tr1次級與Tr2初級具有中 心抽頭，并上下嚴格對稱。,d) 差動輸出電流 i = ？,5.2.2 低電平調(diào)幅電路,（1）二極管電路平衡相乘器,26,v1為大信號， v2為小信號。,V1mV2m，V1mVD(on),設：,v1控制二極管D1、D2開關工作。,27,工作原理,設：V1mV2m，V1mVD(on) ，,若 v1 0，D1、D2導通；若 v1 0，D1、D2截止,為什么是2RL,28,i 含頻譜分量：ω2，ω1±ω2，3ω1±ω2 … …,怎樣實現(xiàn)相乘？,29,(2) 二極管環(huán)形調(diào)幅器,v1=vc＝Vcmcosωct,v2=vΩ＝VΩmcosΩt,i 經(jīng)過LC帶通濾波器中心頻率ωc，BW3dB=2Ω， 得輸出vo為不失真的vDSB 。,VcmVΩm，VcmVD(on),30,二極管環(huán)形調(diào)幅器的電流波形,31,(3) 集成模擬相乘器調(diào)幅電路,32,1.集電極調(diào)幅電路,5.2.3 高電平調(diào)幅電路,要實現(xiàn)集電極調(diào)幅，應使放大器工作在過壓區(qū)。,33,集電極調(diào)幅的波形,34,2. 基極調(diào)幅電路,要實現(xiàn)基極調(diào)幅，應使放大器工作在欠壓區(qū)。,35,基極調(diào)幅的波形,36,5.3 振幅檢波電路,檢波：是從已調(diào)幅波中還原出原調(diào)制信號的過程。 它是振幅調(diào)制的逆過程。,檢波器功能：,●,實現(xiàn)頻譜線性搬移。,●,檢波器分類,37,5.3.1 振幅檢波的基本原理,檢波器的輸入、輸出波形,38,1.電路組成,vS、D、C RL三者是 串聯(lián)關系。 電路工作在大信號狀態(tài)， 輸入信號在1V左右。,5.3.2 二極管包絡檢波電路,條件：,為什么要滿足這兩個條件？,實際是一低通電路,理想情況下：Z(ωc)=0， Z(Ω)=RL,39,2. 工作原理,大信號的檢波過程， 主要是利用二極管的單 向?qū)щ娞匦院蜋z波負載 RC的充放電過程。,輸出端電壓,二極管上電壓,由于二極管導通角很小，所以,40,輸入為AM波時檢波器的輸出波形圖,41,3.主要性能指標,用傅氏級數(shù)對i進行分解，其中直流分量為,設輸入為高頻等幅波,（1） 電壓傳輸系數(shù),42,負載RL上得到的平均電壓：,兩邊同除 得,將其中 級數(shù)展開：,43,得,流通角,44,由能量守恒原理可知，由于 很小，消耗在RD上的功率可以忽略，所以檢波器輸入的高頻功率 全部轉(zhuǎn)換為輸出的平均功率 ，而 ， 所以有 。,（2）等效輸入電阻,45,1) 惰性失真,現(xiàn)象：,RLCL太大，放電速度跟不上包絡下降的速度所致。,,這種現(xiàn)象是什么原因引起的？,4. 非線性失真,46,為了避免惰性失真，應使電容C放電的速度大于或 等于包絡的下降速度，即,因此得到避免產(chǎn)生惰性失真的條件：,（多音）,47,2) 負峰切割失真 （或稱底部切割失真）,原因： 檢波器與下一級級連時，必須加入隔直耦合電容Cc， Ri2為下一級負載，這樣檢波器的直流負載為RL，交流 負載為RΩ ＝ RL ∥Ri2， 交直流負載不同，將引起底部失真。,48,電路：,,RΩ ＝ RL ∥Ri2 交流負載， RL直流負載。,因為Cc較大，其兩端直流電壓基本不變，近似等于載波 振幅值Vcm，可視為一直流電源。它在電阻RL和Ri2上產(chǎn)生分壓 為：,調(diào)幅波的最小幅值為：,要避免底部失真應滿足：,49,克服負峰切割條件：,RΩ ＝ RL ∥Ri2 交流負載， RL 直流負載。,所以有,50,克服負峰切割措施：,將RL分成RL1和RL2兩部分,并通過隔直電容CC將與Ri2并接在RL2兩端。,51,5.3.3 同步檢波電路,(1) 作用：主要解調(diào)DSB，SSB波，也可解調(diào)AM波 (2) 類型：,本地恢復載波 與原載波嚴格同步(同頻同相),52,乘積型,乘積型同步檢波是直接把本地恢復載波與接收信號 相乘，用低通濾波器將低頻信號提取出來。,本地恢復載波,設理想時,53,經(jīng)低通濾波器、隔直流電容后，輸出：,,54,二極管環(huán)型同步檢波器,(3) 同步檢波電路,55,2. 集成模擬同步檢波器,MC1595L,限幅器,相乘器,低通濾波器,56,5.4 混頻原理與電路,混頻是將某一頻率的輸入信號變換成另一個 頻率的輸出信號，而保持原有的調(diào)制規(guī)律不變的 一種變頻器，混頻的過程屬于頻譜的線性搬移過 程。,57,1. 混頻器的變頻作用,混頻器的實質(zhì)是什么？,用什么器件可以實現(xiàn)混頻器？,5.4.1 混頻電路,58,2. 混頻原理的數(shù)學分析,假設輸入到混頻器的兩個信號都是余弦波，混頻器的 伏安特性為,諧波分量,和頻分量,差頻分量,通過中頻濾波器將差頻分量取出，將其它頻率分量濾除。,59,3. 混頻的實現(xiàn),混頻是頻譜的線性搬移過程。完成頻譜線性搬移的關鍵 是要獲得兩個輸入信號的乘積。,也可利用非線性器件的頻率變換來實現(xiàn)混頻。,60,晶體管混頻器 場效應管混頻器 二極管混頻器 集成模擬混頻器,4. 常用的混頻器,61,1.晶體管混頻電路,（輸入高頻信號）,（本地振蕩信號）,62,集電極電流,工作原理：,此電路稱為線性時變電路。,63,由此可得集電極電流 ic 為:,將上式用泰勒級數(shù)在 點展開，得,由于 值很小，可以忽略二次方及以上各項，得近似方程,式中 為 時的集電極電流，,為晶體管跨導。,64,其中,經(jīng)集電極濾波回路濾波后得到中頻電流 i I,稱為中頻,利用傅里葉級數(shù)展開得:,式中,一般用圖解法近似計算。,和 都是受 控制的非線性函數(shù)，,65,稱為變頻跨導,一般用圖解法近似計算。,為變頻器傳輸跨導的基波分量,gf1 僅與晶體管特性、直流工作點及本振信號vL有關， 與vs無關，故變頻跨導gfc也有上述性質(zhì)。,66,vs (t)為信號電壓， vL (t)為本地振蕩電壓,（1） 共發(fā)射極混頻電路,67,（2）共基極混頻電路,對vs、vL分別加在不同的電極上，電路工作穩(wěn)定(經(jīng)常被采用),對vs、vL均加在同一電極上，容易起振，但相互牽制大。,68,（1）二極管平衡混頻器,VLmVSm,2.二極管混頻器,69,其中 vL為本振信號 vL=VLmcosωLt 為大信號,令 vs=Vsmcosωct 為小信號,,(RLRD),70,,實現(xiàn)混頻,71,2. 集成混頻器,72,在混頻器中，通過非線性元件的作用，在信號和本振之 間、干擾和信號之間、干擾和干擾之間都會產(chǎn)生一系列的組 合頻率分量。當其中某些分量的頻率等于或接近于中頻頻率 時，就會和有用的中頻信號一起由混頻電路輸出，進入中頻 放大器，經(jīng)過檢波后，產(chǎn)生各種哨叫聲或嘈雜的干擾聲，從 而影響正常信號的接收。,5.4.2 混頻干擾,73,組合頻率干擾的種類,(1) 信號與本振的自身組合干擾（干擾哨聲）,(2) 外來干擾與本振的組合干擾（寄生通道干擾）,(3) 信號和外來干擾、本振產(chǎn)生的組合干擾（交調(diào)干擾）,(4)兩個外來干擾和本振產(chǎn)生的組合干擾（互調(diào)干擾）,74,p、q為任意正整數(shù)，代表有用信號和本振信號的諧波次數(shù)。,,1. 信號與本振的自身組合干擾（干擾哨聲）,有用的中頻信號是,某些接近中頻的分量，經(jīng)放大，形成干擾，稱干擾哨聲。,再則，由于組合頻率分量電流隨p+q的增加而減小，所以 對于p+q較大值產(chǎn)生的干擾哨聲可忽略。,,75,設組合頻率,上式包括四種情況：,如取 第三、四種情況不可能，,則有,將 代入，得,76,或者說當fc/fI一定，能找到對應的整數(shù)p、q時，就會形 成干擾。,當中頻fI一定時，只要信號頻率接近上式的值，就可能 產(chǎn)生干擾哨聲。,若對應的p、q值大，就意味著階數(shù)高，其分量幅度小， 形成的干擾小。相反p、q值小，階數(shù)小，則干擾影響大。,一部接收機，當中頻頻率確定后，在其工作頻率范圍內(nèi)，由信號及本振產(chǎn)生的干擾點是確定的。,怎樣來抑制干擾哨聲？,77,某短波接收機，波段范圍為2～30MHz。如fI=1.5MHz， 則變比fc/fI=1.33~20，干擾點為2、4、6、7、10、11、14和15號。 若fI=0.5MHz，則變比fc/fI=4~60，干擾點為7號和11號。,但中頻降低后，對鏡像干擾的抑制不利，如選用高中頻， 如fI=70MHz，則變比fc/fI=0.029~0.43，干擾點為12、16和19 號，影響很小。,與 、 的關系表,78,抑制干擾哨聲的方法,(1) 合理選擇中頻數(shù)值，中頻要選在工作波段之外。 例如: 中波段廣播調(diào)幅收音機的接收頻段為535kHZ－1605kHZ。 而中頻選在465kHZ。 調(diào)頻廣播的接收頻段為88MHZ－108MHZ。 而中頻選在10.7MHZ。,(2)采用合理的電路形式。,但中頻降低后，對鏡像干擾頻率的抑制不利。 最好采用高中頻方式。,如平衡電路、環(huán)形電路、乘法器等，從電路上抵消一 些組合頻率干擾。,79,2. 外來信號與本振的組合干擾（寄生通道干擾）,,這種干擾是指外來干擾電壓與本振電壓由于混頻器的非 線性形成的假中頻。,80,,在這類干擾中主要有，中頻干擾和鏡像頻率干擾。,當 時，產(chǎn)生寄生通道干擾,81,⑴ 中頻干擾,當 、 時， ，稱中頻干擾相當于一個 一階的強干擾。,抑制中頻干擾的方法：,提高前端電路的選擇性， 降低作用在混頻器輸入端的 干擾電壓。如加中頻陷波電路。,中頻陷波電路,82,⑵ 鏡頻干擾,當 時， 。將會聽到干擾電臺的 聲音 。由于 和 對稱地位于 兩側(cè)，呈鏡像關系，稱 這種干擾為鏡像頻率干擾 . （為二階干擾）,例：當收聽580kHZ的信號時，還有一個1510kHZ的信也作用在 混頻器的輸入端，可以同時聽到兩個電臺的聲音，是什么干擾？,83,抑制鏡頻干擾的方法,由于混頻器對于fc和fM的變頻作用都是取差值，所以 混頻器對鏡像干擾無任何抑制作用。,抑制鏡頻干擾的方法主要是提高前端電路的選擇性和 選用高中頻方案。,鏡頻干擾與中頻干擾的區(qū)別是什么？,84,特點是當接收有用信號時，可同時聽到信號臺和干擾臺 的聲音。一旦有用信號消失，干擾臺的聲音也隨之消失。,抑制交調(diào)干擾的措施，一是提高前端電路的選擇性， 二是選擇合適的器件即工作狀態(tài)，使不需要的非線性項盡 可能減小，以減少組合分量。,3. 信號和外來干擾、本振產(chǎn)生的組合干擾（交調(diào)干擾）,接收機前端電路選擇性不好時，有用信號和干擾信號會 同時加到混頻器的輸入端，若這兩個信號均為調(diào)幅波，這通 過混頻器的非線性作用，就會產(chǎn)生交叉調(diào)制干擾。,85,互調(diào)干擾是指兩個或多個干擾電壓同時作用在混頻器的 輸入端，由于混頻器的非線性作用，使干擾信號彼此混頻， 產(chǎn)生近似中頻的組合分量，對有用信號進行干擾。,抑制互調(diào)干擾的措施，與抑制交調(diào)干擾的措施相同。,4.兩個外來干擾和本振產(chǎn)生的組合干擾（互調(diào)干擾）,86,(1) 包絡失真,(2) 阻塞干擾,2.非線性失真,包絡失真是指由于混頻器的“非線性”,輸出包絡與輸入包絡不成正比。當輸入信號為一振幅調(diào)制信號時(如AM信號),混頻器輸出包絡中出現(xiàn)新的頻率分量。,當強干擾信號與有用信號同時進入混頻器時，強干擾 會使混頻器工作于嚴重的非線性區(qū)，使信噪比大大下降， 輸出的有用信號幅值減小，嚴重時，甚至小到無法接收。,通常能減少互調(diào)干擾的措施，都能改善包絡失真與阻 塞失真。,87,1. 混頻增益,中頻輸出回路有良好的選擇性（理想為矩形濾波）。,混頻功率增益,非線性干擾：混頻器中的非線性元件除了完成混頻功能 外，還會產(chǎn)生各種非線性干擾 ，要求混頻器能減少非線 性失真的各種組合頻率干擾。,5.4.3 混頻器的性能指標,2. 選擇性,3. 失真和干擾,4. 混頻噪聲,88,