chapter9振幅調(diào)制和解調(diào)

1、Chapter 9 調(diào)幅、檢波與混頻----頻譜搬移電路,,9.1　頻譜搬移電路的特性9.2　振幅調(diào)制原理9.3　振幅調(diào)制方法與電路9.4　振幅檢波原理與電路9.5　混頻器原理與電路,非線性電路具有頻率變換的功能，即通過(guò)非線性器件相乘的作用產(chǎn)生與輸入信號(hào)波形的頻譜不同的信號(hào)?！　‘?dāng)頻率變換前后，信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)不變，只是將信號(hào)頻譜無(wú)失真的在頻率軸上搬移，則稱之為線性頻率變換，具有這種特性的電路稱之為頻譜搬移電路。如下圖所示,(

2、a) 調(diào)幅原理,(b) 檢波原理,9.1 頻譜搬移電路的特性,2) 從頻譜結(jié)構(gòu)看，上述頻率變換電路都只是對(duì)輸入信號(hào)頻譜實(shí)行橫向搬移而不改變?cè)瓉?lái)的譜結(jié)構(gòu)，因而都屬于所謂的線性頻率變換。,1) 它們的實(shí)現(xiàn)框圖幾乎是相同的，都是利用非線性器件對(duì)輸入信號(hào)頻譜實(shí)行變換以產(chǎn)生新的有用頻率成分后，濾除無(wú)用頻率分量。,3) 頻譜的橫向平移從時(shí)域角度看相當(dāng)于輸入信號(hào)與一個(gè)參考正弦信號(hào)相乘，而平移的距離由此參考信號(hào)的頻率決定，它們可以用乘法電路實(shí)現(xiàn)。

3、,(c) 混頻原理,,9.2.1　概述,調(diào)制是將要傳送的信息裝載到某一高頻振蕩(載頻)信號(hào)上去的過(guò)程。　　按照所采用的載波波形區(qū)分，調(diào)制可分為連續(xù)波(正弦波)調(diào)制和脈沖調(diào)制?！　∵B續(xù)波調(diào)制以單頻正弦波為載波，可用數(shù)學(xué)式表示，受控參數(shù)可以是載波的幅度A，頻率?或相位?。因而有調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)三種方式。,9.2　振幅調(diào)制原理,設(shè) 簡(jiǎn)諧調(diào)制信號(hào) 載波信

4、號(hào),1. 調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達(dá)式,稱為調(diào)幅指數(shù)即調(diào)幅度，是調(diào)幅波的主要參數(shù)之一，它表示載波電壓振幅受調(diào)制信號(hào)控制后改變的程度。一般0＜ma≤1。,通常調(diào)制要傳送的信號(hào)波形是比較復(fù)雜的，但無(wú)論多么復(fù)雜的信號(hào)都可用傅氏級(jí)數(shù)分解為若干正弦信號(hào)之和。為了分析方便起見(jiàn)，我們一般把調(diào)制信號(hào)看成一簡(jiǎn)諧信號(hào)。,9.2.1　調(diào)幅波的性質(zhì),則 調(diào)幅信號(hào)為,2. 普通調(diào)幅波的波形圖,當(dāng)載波頻率 調(diào)制信號(hào)頻率?，0＜ma≤1，則可畫(huà)出

5、和已調(diào)幅波形分別如下圖所示。從圖中可看出調(diào)幅波是一個(gè)載波振幅按照調(diào)制信號(hào)的大小線性變化的高頻振蕩，其振蕩頻率保持載波頻率不變。,當(dāng)時(shí)ma ＝1時(shí)，調(diào)幅達(dá)到最大值，稱為百分之百調(diào)幅。若ma >1，AM信號(hào)波形某一段時(shí)間振幅為將為零，稱為過(guò)調(diào)制。,,若調(diào)制信號(hào)為非對(duì)稱信號(hào)，如圖所示，則此時(shí)調(diào)幅度分與上調(diào)幅度ma上和下調(diào)幅度ma下,若,3. 調(diào)幅信號(hào)的頻譜及帶寬,將調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達(dá)式展開(kāi)，可得到,非正弦波調(diào)幅信號(hào)的頻譜圖,由圖看出調(diào)幅

6、過(guò)程實(shí)際上是一種頻譜搬移過(guò)程，即將調(diào)制信號(hào)的頻譜搬移到載波附近，成為對(duì)稱排列在載波頻率兩側(cè)的上、下邊頻，幅度均等于,,對(duì)于單音信號(hào)調(diào)制已調(diào)幅波，從頻譜圖上可知其占據(jù)的頻帶寬度B=2?或B=2F (?=2?F)，對(duì)于多音頻的調(diào)制信號(hào)，若其頻率范圍是Fmin-Fmax，則已調(diào)信號(hào)的頻帶寬度等于調(diào)制信號(hào)最高頻率的兩倍 。,,4. 普通調(diào)幅波的功率關(guān)系,,將 作用在負(fù)載電阻R上,載波功率,每個(gè)邊頻功

7、率(上邊頻或下邊頻),在調(diào)幅信號(hào)一周期內(nèi)，AM信號(hào)的平均輸出功率是,因?yàn)閙a≤1，所以邊頻功率之和最多占總輸出功率的1/3。,調(diào)幅波中至少有2/3的功率不含信息，從有效地利用發(fā)射機(jī)功率來(lái)看，普通調(diào)幅波是很不經(jīng)濟(jì)的。,9.2.3　抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波與單邊帶調(diào)幅波,1. 抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波,為了克服普通調(diào)幅波效率低的缺點(diǎn)，提高設(shè)備的功率利用率，可以不發(fā)送載波，而只發(fā)送邊帶信號(hào)。,這就是抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波(DSB AM)其數(shù)學(xué)表

8、達(dá)式為,其所占據(jù)的頻帶寬度仍為調(diào)制信號(hào)頻譜中最高頻率的兩倍，即,2. 單邊帶調(diào)幅波,上邊頻與下邊頻的頻譜分量對(duì)稱含有相同的信息。也可以只發(fā)送單個(gè)邊帶信號(hào)，稱之為單邊帶通信(SSB)。,其表達(dá)式為： 或,其頻帶寬度為：,3. 殘留邊帶調(diào)幅,(a) 廣播電視臺(tái)系統(tǒng)發(fā)端濾波器特性 (b) 電視接收系統(tǒng)中頻濾波器特性,殘留邊帶調(diào)幅(記為VSB AM)它在發(fā)射端發(fā)送一個(gè)完整的

9、邊帶信號(hào)、載波信號(hào)和另一個(gè)部分被抑制的邊帶信號(hào)。,這樣它既保留了單邊帶調(diào)幅節(jié)省頻帶的優(yōu)點(diǎn)，且具有濾波器易于實(shí)現(xiàn)、解調(diào)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。,在廣播電視系統(tǒng)中圖象信號(hào)就是采用殘留邊帶調(diào)幅。,,調(diào)幅波的共同之處都是在調(diào)幅前后產(chǎn)生了新的頻率分量，也就是說(shuō)都需要用非線性器件來(lái)完成頻率變換。,原理框圖如下：,9.3.1　概述,9.3　振幅調(diào)制方法與電路,高電平調(diào)幅電路　　一般置于發(fā)射機(jī)的最后一級(jí)，是在功率電平較高的情況下進(jìn)行調(diào)制。低電平調(diào)幅電路

10、　　一般置于發(fā)射機(jī)的前級(jí)，再由線性功率放大器放大已調(diào)幅信號(hào)，得到所要求功率的調(diào)幅波。,按調(diào)制電路輸出功率的高低可分為：,1. 簡(jiǎn)單的二極管調(diào)幅電路,二極管調(diào)幅電路,調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)相加后，通過(guò)二極管非線性特性的變換，在電流i中產(chǎn)生了各種組合頻率分量，將諧振回路調(diào)諧于(ω0+ ? )，便能取出和的成分，這便是普通調(diào)幅波。,(1) 平方律調(diào)幅－二極管信號(hào)較小時(shí)的工作狀態(tài),當(dāng)vD很小時(shí)，級(jí)數(shù)可只取前四項(xiàng),9.3.2　低電平調(diào)幅電路,(

11、 2) 平衡調(diào)幅器 平衡調(diào)制是由兩個(gè)簡(jiǎn)單的二極管調(diào)幅電路對(duì)稱連接組成。載波成分由于對(duì)稱而被抵消，在輸出中不再出現(xiàn)，因而平衡調(diào)制器是產(chǎn)生DSB和SSB信號(hào)的基本電路。。,單管調(diào)幅器頻譜中所含的直流分量、載波分量以及載波的各次諧波分量，在平衡調(diào)制器里都被抑制掉了。,平衡調(diào)制器原理圖及其等效電路,(2)普通調(diào)幅波的高頻振蕩是連續(xù)的，可是雙邊帶調(diào)幅波在調(diào)制信號(hào)極性變化時(shí)，它的高頻振蕩的相位要發(fā)生180?的突變，這是因?yàn)殡p邊帶波是由v0

12、和v?相乘而產(chǎn)生的。,（1）它雖然是調(diào)幅波，但因失去了載波，因而包絡(luò)不能完全反映調(diào)制信號(hào)變化的規(guī)律，這就給以后的解調(diào)工作帶來(lái)困難；,平衡調(diào)制器的重要優(yōu)點(diǎn)就是有效地抑制了載波，其條件是Tr1和Tr2對(duì)中心抽頭來(lái)說(shuō)必須嚴(yán)格對(duì)稱，D1，D2兩管的特性完全相同。實(shí)際上，這是很難做到的。如果電路稍有不平衡，載波電壓就會(huì)泄漏到輸出端。,抑制載波的雙邊帶信號(hào)波形如圖所示，它有兩個(gè)重要的特點(diǎn)：,平衡調(diào)制器輸出的電壓波形,平衡開(kāi)關(guān)調(diào)幅器,在大信號(hào)情況應(yīng)運(yùn)

13、時(shí)，依靠二極管的導(dǎo)通和截止來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率變換，這時(shí)二極管就相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)。,滿足 的條件時(shí)，二極管的通、斷由載波電壓決定。,輸出調(diào)幅波有用電流分量,平衡調(diào)制器輸出的電壓波形,(3) 環(huán)形調(diào)制器,在平衡調(diào)制器的基礎(chǔ)上，再增加兩個(gè)二極管，使電路中4個(gè)二極管首尾相接構(gòu)成環(huán)形，這就是環(huán)形調(diào)制器。,環(huán)行調(diào)制器原理圖,環(huán)型調(diào)制器等效電路,從其正負(fù)半周期的原理圖可知環(huán)形調(diào)制器輸出電流的有用分量,= gDV?[cos(?0??)t+cos(?

14、0–?)t],振幅比平衡調(diào)制器提高了一倍，并抑制了低頻?分量，因而獲得了廣泛應(yīng)用。,調(diào)節(jié)直流電壓VDC的大小，可以改變調(diào)幅系數(shù)ma的值。,模擬相乘器的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為,如果v1(t)為高頻載波,，v2(t)為低頻調(diào)制信號(hào),則輸出電壓,如果在調(diào)制信號(hào)v2(t)上疊加一直流電壓，則可以得到普通調(diào)幅信號(hào)的輸出,抑制載波的雙邊帶調(diào)幅信號(hào)。,3. 模擬相乘器調(diào)幅電路,4. 產(chǎn)生單邊帶信號(hào)的方法,(1) 濾波法,濾波器法實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制,D

15、SB信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器后，濾除了下邊帶，就得到了SSB信號(hào)。由于?0>>?max，上、下邊帶之間的距離很近，要想通過(guò)一個(gè)邊帶而濾除另一個(gè)邊帶，就對(duì)濾波器提出了嚴(yán)格的要求。,為什么實(shí)際中使用的單邊帶濾波器不是在高頻段直接進(jìn)行濾波，而是先在低頻進(jìn)行濾波，然后進(jìn)行頻率搬移？,問(wèn)題：,實(shí)際濾波器法單邊帶發(fā)射機(jī)方框圖,(2) 相移法,相移法是利用移相的方法，消去不需要的邊帶。如圖所示,相移法單邊帶調(diào)制器方框圖,圖中兩個(gè)平衡調(diào)幅器的調(diào)制

16、信號(hào)電壓和載波電壓都是互相移相90°。,因此，輸出電壓為,這種方法原則上能把相距很近的兩個(gè)邊頻帶分開(kāi)，而不需要多次重復(fù)調(diào)制和復(fù)雜的濾波器。,但這種方法要求調(diào)制信號(hào)的移相網(wǎng)絡(luò)和載波的移相網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)，都要準(zhǔn)確地移相90°。這一點(diǎn)在實(shí)際上是很難做到的。,(3) 修正的移相濾波法,這種方法所需要的90°移相網(wǎng)絡(luò)工作于固定頻率?1與?2，因此制造和維護(hù)都比較簡(jiǎn)單。它特別適用于小型輕便設(shè)備，是一種有發(fā)展前途的

17、方法。,高電平調(diào)幅電路需要兼顧輸出功率、效率和調(diào)制線性的要求。最常用的方法是對(duì)功放的供電電壓進(jìn)行調(diào)制。,根據(jù)調(diào)制信號(hào)控制方式的不同，對(duì)晶體管而言，高電平調(diào)幅又可分為基極調(diào)幅和集電極調(diào)幅。,1. 集電極調(diào)幅電路,集電極調(diào)幅電路,調(diào)制信號(hào) 經(jīng)低頻變壓器加在集電極上，并與直流電源電壓VcT相串饋。,高頻載波v0(t)=v0cos經(jīng)高頻變壓器加在基極回路中。,9.3.3　高電平調(diào)幅電路,,,,,集電極

18、調(diào)幅電路波形圖,,集電極調(diào)幅應(yīng)工作在過(guò)壓區(qū),集電極調(diào)幅在調(diào)制信號(hào)一周期內(nèi)的各平均功率為：,1) 集電極有效電源電壓Vc(t)供給被調(diào)放大器的總平均功率,2) 集電極直流電源VcT所供給的平均功率則為,3) 調(diào)制信號(hào)源Vc?供給的平均功率,4) 平均輸出功率,5) 集電極平均耗散功率,6) 集電極效率,故：,2) 總輸入功率分別由VCT與VC?所供給，VCT供給用以產(chǎn) 生載波功率的直流功率P=T，VC?則供給用以產(chǎn)生邊

19、 帶功率的平均功率PDSB。,1) 平均功率均為載波點(diǎn)各功率的( )倍,3) 集電極平均耗散功率等于載波點(diǎn)耗散功率的( )倍， 應(yīng)根據(jù)這一平均耗散功率來(lái)選擇晶體管，以使PCM≥Pcav。,4) 輸出的邊頻功率由調(diào)制器供給的功率轉(zhuǎn)換得到，大功 率集電極調(diào)幅就需要大功率的調(diào)制信號(hào)電源。,5) 集電極調(diào)幅為等效率、等電壓利用系數(shù)調(diào)幅。,2. 基極調(diào)幅電路,基極調(diào)幅電路,與集電極調(diào)幅電路

20、同樣的分析，可以認(rèn)為VB(t)=VBT+v?(t)是放大器的基極等效低頻供電電源。,因?yàn)閂B(t)隨調(diào)制信號(hào)v?(t)變化，如果要求放大器的輸出電壓也隨調(diào)制信號(hào)變化，則應(yīng)使輸出電壓隨VB(t)變化。,放大器應(yīng)工作在欠壓區(qū)，保證輸出回路中的基波電流Ic1m、輸出電壓Vc(t)按基極供電電壓VBT(t)變化，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓隨調(diào)制電壓變化的調(diào)幅。,,9.4.1　概述,振幅解調(diào)(又稱檢波)是振幅調(diào)制的逆過(guò)程。它的作用是從已調(diào)制的高頻振蕩中恢

21、復(fù)出原來(lái)的調(diào)制信號(hào)。　　從頻譜上看，檢波就是將幅度調(diào)制波中的邊帶信號(hào)不失真地從載波頻率附近搬移到零頻率附近,因此，檢波器也屬于頻譜搬移電路。,9.4　振幅解調(diào)(檢波)原理與電路,輸入電壓為v1，輸出電壓為v2，則檢波前后的波形如圖所示，輸出電壓v2是已恢復(fù)的原調(diào)制信號(hào)。,檢波前后的波形圖,檢波器的組成應(yīng)包括三部分，高頻已調(diào)信號(hào)源，非線性器件，RC低通濾波器。其組成原理框圖如下圖所示，它適于解調(diào)普通調(diào)幅波。,,串聯(lián)式二極管（大信號(hào)）包絡(luò)

22、檢波器如圖(a)所示。圖中的RL、C為二極管檢波器的負(fù)載，同時(shí)也起低通濾波器作用。一般要求檢波器的輸入信號(hào)大于0.5V，所以稱為大信號(hào)檢波器。,及,。,二極管（大信號(hào)）峰值包絡(luò)檢波器,,,,RLC電路：,二是作為檢波器的負(fù)載，在其兩端輸出已恢復(fù)的調(diào)制信號(hào),一是起高頻濾波作用。,故必須滿足,及,1. 工作原理 串聯(lián)型二極管包絡(luò)檢波器的物理過(guò)程如圖所示。,大信號(hào)的檢波的原理:主要是利用二極管的單向?qū)щ娞匦院蜋z波負(fù)載RC的充放電過(guò)

23、程來(lái)完成調(diào)制信號(hào)的提取。,2. 包絡(luò)檢波器的質(zhì)量指標(biāo),1)　電壓傳輸系數(shù)(檢波效率),? ---電流通角,R ---檢波器負(fù)載電阻,Rd ---檢波器二極管內(nèi)阻,當(dāng)R>>Rd時(shí)，??0，cos??1。即檢波效率Kd接近于1，這是包絡(luò)檢波的主要優(yōu)點(diǎn)。,2)　等效輸入電阻Rid,Vim --- 輸入高頻電壓的振幅,Iim --- 輸入高頻電流的的基波振幅,由于二極管輸入電阻的影響，使輸入諧振回路的Q值降，消耗一些高頻功率。這是

24、二極管檢波器的主要缺點(diǎn)。,,即大信號(hào)二極管的輸入電阻約等于負(fù)載電阻的一半。,通常,,因此,負(fù)載R兩端的平均電壓為KdVim，因此平均電流,3)　失真,① 惰性失真,惰性失真,原因:由于負(fù)載電阻R與負(fù)載電容C的時(shí)間常數(shù)RC太大所引起的。這時(shí)電容 C上的電荷不能很快地隨調(diào)幅波包絡(luò)變化,從而產(chǎn)生失真。,不產(chǎn)生失真的條件:為了防止惰性失真，只要適當(dāng)選擇RC的數(shù)值，使檢波器能跟上高頻信號(hào)電壓包絡(luò)的變化就行了。,也就是要求,>,或?qū)懗?在工程

25、上可按 ?maxRC≤1.5 計(jì)算。,現(xiàn)象:,=,,②負(fù)峰切割失真(底部切割失真),檢波器輸出常用隔直流電容Cc與下級(jí)耦合，如圖所示。Rg代表下級(jí)電路的輸入電阻。,考慮了耦合電容Cc和低放輸入電阻Rg后的檢波電路,為了有效地傳送低頻信號(hào)，要求,在檢波過(guò)程中，Cc兩端建立了直流電壓經(jīng)電阻R和Rg分壓，在R上得到的直流電壓為：,對(duì)于二極管來(lái)說(shuō)，VR是反偏壓，它有可能阻止二極管導(dǎo)通，從而產(chǎn)生失真。,負(fù)峰切割失真波形,為了避免底部切割失真，

26、調(diào)幅波的最小幅度Vim(1–ma)必須大于VR,即：,現(xiàn)象:,原因:,不產(chǎn)生失真的條件:,③ 非線性失真,④ 頻率失真,這種失真是由檢波二極管伏安特性曲線的非線性所引起的。,這種失真是由于耦合電容Cc和濾波電容C所引起的。,Cc的存在主要影響檢波的下限頻率?min。,為使頻率為?min時(shí)，Cc上的電壓降不大，不產(chǎn)生頻率失真，必須滿足下列條件：,或,電容C的容抗應(yīng)在上限頻率?max時(shí)，不產(chǎn)生旁路作用，即它應(yīng)滿足下列條件：,或,一般Cc

27、約為幾?F，C約為0.01?F。,抑制載波的雙邊帶信號(hào)和單邊帶信號(hào)，因其波形包絡(luò)不直接反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，不能用包絡(luò)檢波器解調(diào)，又因其頻譜中不含有載頻分量，解調(diào)時(shí)必須在檢波器輸入端另加一個(gè)與發(fā)射載波同頻同相并保持同步變化的參考信號(hào)，此參考信號(hào)與調(diào)幅信號(hào)共同作用于非線性器件電路，經(jīng)過(guò)頻率變換，恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)。這種檢波方式稱為同步檢波。 在某些應(yīng)用中，為了改善性能，對(duì)普通調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)也可以采用同步檢波。,同步檢波有兩種實(shí)現(xiàn)電

28、路:,同步檢波電路,乘積檢波電路,平衡同步檢波,同步檢波實(shí)現(xiàn)模型,其原理電路見(jiàn)右,同步檢波原理電路,設(shè)輸入信號(hào)為抑制載波的雙邊帶,本地振蕩信號(hào),則它們的合成信號(hào),因此，通過(guò)包絡(luò)檢波器便可檢出所需的調(diào)制信號(hào)。,包絡(luò)檢波器構(gòu)成同步檢波電路,已調(diào)波為載波分量被抑止的雙邊帶信號(hào),準(zhǔn)確地等于輸入信號(hào)載波的角頻率,即,但二者的相位可能不同；這里?表示它們的相位差。這時(shí)相乘輸出（假定相乘器傳輸系數(shù)為1）,低通濾波器濾除,附近的頻率分量后，就得到頻率

29、為?的低頻信號(hào)，,本地載波電壓,本地載波的角頻率,乘積檢波電路,由式可見(jiàn)，低頻信號(hào)的輸出幅度與,成正比。當(dāng),低頻信號(hào)電壓最大，隨著相位差?加大，輸出電壓減弱。在理想情況下，除本地載波與輸入信號(hào)載波的角頻率必須相等外，希望二者的相位也相同。此時(shí)，乘積檢波稱為“同步檢波”。 乘積檢波也可用來(lái)解調(diào)普通調(diào)幅波，這時(shí)參考信號(hào)的作用僅是加強(qiáng)了輸入信號(hào)中的載波分量。由上分析得在同步檢波中，需要有與發(fā)送端同頻同相的本地振蕩信號(hào)，才能完全恢復(fù)原

30、調(diào)制信號(hào)。,,時(shí)，,產(chǎn)生本地振蕩信號(hào)的方法：（1）由發(fā)送端發(fā)出導(dǎo)頻信號(hào)，控制本地振蕩器，使本地振蕩器的頻率和相位與發(fā)送端一致。（2）對(duì)于雙邊帶調(diào)制來(lái)說(shuō)，可以從雙邊帶調(diào)制信號(hào)中提取所需的同頻同相的載波信號(hào)作本地振蕩信號(hào)。 對(duì)于單邊帶調(diào)制信號(hào)來(lái)說(shuō)，無(wú)法直接從單邊帶信號(hào)中提取載波信號(hào)，因此在發(fā)射單邊帶信號(hào)的同時(shí)，還發(fā)射受到一定程度抑制的載波信號(hào)（稱為導(dǎo)頻信號(hào)）。在接收端，用導(dǎo)頻信號(hào)控制本機(jī)振蕩信號(hào)使其同步中。（3）采用鎖相方法從抑

31、制載波的信號(hào)中提取載波。,單邊帶信號(hào)的接收(SSB),單邊帶信號(hào)的接收過(guò)程正好和發(fā)送過(guò)程相反。,單邊帶接收機(jī)方框圖,它是二次變頻電路。,fi1較高，用調(diào)諧回路即可選出所需的邊帶。,fi2較低，一般采用帶通濾波器取出單邊帶信號(hào)。,單邊帶信號(hào)與第三本振載波信號(hào)在乘積檢波器中進(jìn)行解調(diào)，經(jīng)過(guò)低通濾波器后，即可獲得原調(diào)制信號(hào)。,,9.5　混頻器原理與電路,,9.5.1　概述9.5.2　晶體三極管混頻器9.5.3　混頻器的干擾,9.5.1　

32、概　述,1. 混頻器的作用與組成　　混頻即對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率變換，將其載頻變換到某一固定的頻率上(常稱為中頻)，而保持原信號(hào)的特征(如調(diào)幅規(guī)律)不變?！　』祛l器的電路組成如圖所示,2. 為什么要變頻？變頻的優(yōu)點(diǎn)：　　1)變頻可提高接收機(jī)的靈敏度　　2)提高接收機(jī)的選擇性　　3)工作穩(wěn)定性好　　4)波段工作時(shí)其質(zhì)量指標(biāo)一致性好變頻的缺點(diǎn)：　　容易產(chǎn)生鏡像干擾、中頻干擾等干擾,3. 變頻器的分類(lèi),,平衡混頻、,按器件分：,二

33、極管混頻器、,三極管混頻器、,三極管變頻器、,場(chǎng)效應(yīng)管混頻器、　場(chǎng)效應(yīng)管變頻器,模擬乘法器混頻器、,按工作特點(diǎn)分：,單管混頻、,環(huán)型混頻,從兩個(gè)輸入信號(hào)在時(shí)域上的處理過(guò)程看：,疊加型混頻器、,乘積型混頻器,4. 混頻器的性能指標(biāo),上述的幾個(gè)質(zhì)量指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的，應(yīng)該正確選擇管子的工作點(diǎn)、合理選擇本振電路和中頻頻率的高低，使得幾個(gè)質(zhì)量指標(biāo)相互兼顧，整機(jī)取得良好的效果。,5)工作穩(wěn)定性：主要指振蕩器的頻率穩(wěn)定度,疊加型混頻器實(shí)現(xiàn)模型,圖

34、示中的非線性器件具有如下特性：,對(duì)其2次方進(jìn)行分析：,在二次方項(xiàng)中出現(xiàn)了和的相乘項(xiàng)，因而可以得到(?0+?s)和(?0-?s)。若用帶通濾波器取出所需的中頻成分(和頻或差頻)，可達(dá)到混頻的目的。,所用非線性器件的不同，疊加型混頻器有下列幾種：,1. 晶體三極管混頻器,它有一定的混頻增益,2. 場(chǎng)效應(yīng)管混頻器,它交調(diào)、互調(diào)干擾少,3. 二極管平衡混頻器和環(huán)形混頻器,它們具有動(dòng)態(tài)范圍大組合頻率干擾少的優(yōu)點(diǎn),乘積型混頻器實(shí)現(xiàn)模型,乘積

35、型混頻器由模擬乘法器和帶通濾波器組成,其實(shí)現(xiàn)模型如圖所示,設(shè)輸入信號(hào)為普通調(diào)幅波,,采用中心頻率不同的帶通濾波器(?0–?s)或(?0+?s)則可完成低中頻混頻或高中頻混頻。,,晶體管混頻器的分析,1. 基本電路和工作原理,設(shè)輸入信號(hào) ，本振電壓,實(shí)際上，發(fā)射結(jié)上作用有三個(gè)電壓,晶體管混頻器的分析方法,1.冪級(jí)數(shù)分析法,2.變跨導(dǎo)分析法,在混頻時(shí)，混頻管可看著一個(gè)參數(shù)(跨導(dǎo))在改變的線性元件，即變跨導(dǎo)線件元

36、件。,在小信號(hào)運(yùn)用的條件下，也可以將某些非線性元器件函數(shù)表達(dá)式用冪級(jí)數(shù)函數(shù)近似，使問(wèn)題簡(jiǎn)化。用這種方法來(lái)分析非線性電路可突出說(shuō)明頻率變換作用，不便于作定量分析。,i = a0+a1v+a2v2+a3v3+……,晶體管混頻原理電路，其電路組態(tài)可歸為4種電路形式,,圖(a)電路對(duì)振蕩電壓來(lái)說(shuō)是共發(fā)電路，輸出阻抗較大，混頻時(shí)所需本地振蕩注入功率較小，這是它的優(yōu)點(diǎn)?？赡墚a(chǎn)生頻率牽引現(xiàn)象，這是它的缺點(diǎn)。 圖(b)電路的輸入信號(hào)與本

37、振電壓分別從基極輸入和發(fā)射極注入，因此，相互干擾產(chǎn)生牽引現(xiàn)象的可能性小。同時(shí)，對(duì)于本振電壓來(lái)說(shuō)是共基電路，其輸入阻抗較小，不易過(guò)激勵(lì)，因此振蕩波形好，失真小。這是它的優(yōu)點(diǎn)。 圖(c)和(d)兩種電路都是共基混頻電路。在較低的頻率工作時(shí)，變頻增益低，輸入阻抗也較低，因此在頻率較低時(shí)一般都不采用。但在較高的頻率工作時(shí)(幾十MHz)，因?yàn)楣不娐返慕刂诡l率f?比共發(fā)電路的f?要大很多，所以變頻增益較大。因此，在較高頻率工作時(shí)采

38、用這種電路。,由于信號(hào)電壓Vsm很小，無(wú)論它工作在特性曲線的哪個(gè)區(qū)域，都可以認(rèn)為特性曲線是線性的(如圖上ab、a?b?和a?b?三段的斜率是不同的)。因此，在晶體管混頻器的分析中，我們將晶體管視為一個(gè)跨導(dǎo)隨本振信號(hào)變化的線性參變?cè)?變跨導(dǎo)分析法,加電壓后的晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線,因Vo>>Vsm使晶體管工作在線性時(shí)變狀態(tài)，所以晶體管集電極靜態(tài)電流ic(t)和跨導(dǎo)gm(t)均隨 　 作周期性變化。,由于信號(hào)vs遠(yuǎn)小于v0，可

39、以近似認(rèn)為對(duì)器件的工作狀態(tài)變化沒(méi)有影響。此時(shí)流過(guò)器件的電流為 i(t) = f(v)= f(v0+ vs+ vBB) 可將v0+ vBB看成器件的交變工作點(diǎn)，則i(t)可在其工作點(diǎn)(v0+ vBB)處展開(kāi)為泰勒級(jí)數(shù)   由于vs的值很小，可以忽略二次方及其以上各項(xiàng)，則i(t)近似為

40、,其中f(v0+vBB)是vs=0時(shí)僅隨v0變化的電流，稱為時(shí)變靜態(tài)電流，f?(v0+ vBB)隨v0+vBB而變化，稱為時(shí)變電導(dǎo)g(t)，電流可以寫(xiě)為 i(t) ? Io(t)+g(t)? vs(t) 將 vBB+v0=VBB+V0mcos?0t vs= Vsmcos?st 代入式展開(kāi)并整理，得,,若中頻頻率取差頻

41、 ，則混頻后輸出的中頻電流為其振幅為,由上式引出變頻跨導(dǎo)gc的概念，它的定義為,輸出的中頻電流振幅Ii與輸入高頻信號(hào)電壓的振幅Vs成正比。若高頻信號(hào)電壓振幅Vsm按一定規(guī)律變化，則中頻電流振幅Ii也按相同的規(guī)律變化。,(3) 混頻跨導(dǎo) gc,由于g(t)是一個(gè)很復(fù)雜的函數(shù)，因此要從上式來(lái)求g1是比較困難的。從工程實(shí)際出發(fā)，采用圖解法，并作適當(dāng)?shù)慕?，混頻跨導(dǎo)可計(jì)為：,g1是在本振電壓加入后，混頻管跨導(dǎo)變量中基波分量,(4)

42、 混頻器的增益 將混頻輸入電納和輸出電納歸并在輸入、輸出端的調(diào)諧回路的電容中去，則得到晶體三極管的等效電路如圖所示，圖中負(fù)載電導(dǎo)gL是輸出回路的諧振電導(dǎo)。,故混頻電壓增益,晶體三極管混頻器等效電路,由圖可以算出,混頻功率增益,如果電路匹配，使goc=gL，則可得到最大混頻功率增益,有用信號(hào)諧波和本振信號(hào)諧波產(chǎn)生的干擾--組合頻率干擾(干擾哨聲),混頻器的輸出信號(hào)中所包含的各種頻率分量為：,p，q為任意正整數(shù)，分別代表本振頻率和

43、信號(hào)頻率的諧波次數(shù)。,只有p=q=1對(duì)應(yīng)的頻率為 f0-fs 的分量是所需要的中頻信號(hào)。,如果某些組合頻率落在諧振回路的通頻帶內(nèi)，這些組合頻率分量就和有用的中頻分量一樣，通過(guò)中放進(jìn)入檢波器，并在檢波電路中與有用信號(hào)產(chǎn)生差拍，這時(shí)在接收機(jī)的輸出端將產(chǎn)生哨叫聲，形成有害的干擾。這種干擾又稱為干擾哨叫。,9.5.3　混頻器的干擾,減小這種干擾的措施: 1. 輸入信號(hào)vs,本振電壓vo都不易過(guò)大。 2.適當(dāng)選擇晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)，使混頻

44、器既能產(chǎn)生 有用頻率變換，而又不致產(chǎn)生無(wú)用的組合頻率干擾。 3.選擇合適的中頻，將接收機(jī)的中頻選在接收機(jī)頻段外,例如，設(shè)加給混頻器輸入端的有用信號(hào)頻率fs=931kHz，本振頻率fo=1396kHz。經(jīng)過(guò)混頻器的頻率變換產(chǎn)生出眾多組合頻率分量，,其中的fi=fo-fs=465kHz是有用的中頻信號(hào)。而其它分量是無(wú)用或有害的。 如當(dāng)q=2，p=-1時(shí)，f?i =2fs – fo=2?931-1396=466kHz=fi+

45、F(此處F=1kHz)。若中頻放大器的通頻帶2?f0.7=4kHz，則頻率f?i =466kHz的分量落在中放通帶內(nèi)，與465KHz的中頻信號(hào)一起被中頻放大并加給檢波器。因?yàn)闄z波器由非線性元器件組成，也有頻率變換作用，則會(huì)產(chǎn)生f?i – fi=466-465=1kHz的差拍信號(hào)送到接收機(jī)終端，形成被人耳聽(tīng)到的哨叫。,2、外來(lái)干擾信號(hào)和本振產(chǎn)生的干擾,(1) 組合副波道干擾,如果混頻器之前的輸入回路和高頻放大器的選擇性不夠好，除了要接收

46、的有用信號(hào)外，干擾信號(hào)也會(huì)進(jìn)入混頻器。,當(dāng)干擾頻率fn與本振頻率fo滿足,會(huì)產(chǎn)生組合副波道干擾。,時(shí)，,(2) 副波道干擾,在組合副波道干擾中，某些特定頻率形成的干擾稱為副波道干擾。這種干擾主要有中頻干擾和鏡像干擾。,1)中頻干擾,當(dāng)干擾信號(hào)的頻率等于或接近fi 時(shí)的干擾。,2)鏡像頻率干擾,fn=fo+fi=,提高前端輸入回路的選擇性，將干擾抑制在通帶外，可在混頻器的輸入端加中頻陷波電路，濾除外來(lái)的中頻干擾。如圖所示。,(a) 串聯(lián)L

47、C陷波電路 (b) 并聯(lián)LC陷波電路,抑制中頻干擾的主要方法,如果把fo當(dāng)作鏡子，則,相當(dāng)于fs的象，所以稱,為鏡像干擾頻率，即,,抑制鏡頻干擾的方法:1.提高混頻器前各級(jí)電路的選擇性2. 提高接收機(jī)的中頻頻率fi，以使鏡像頻率與信號(hào)頻率fs的頻率間距(2fi)加大，有利于選頻回路對(duì),3.還可采用鏡能抑制混頻電路，將鏡像頻率信號(hào)部分抵消。

48、,鏡像頻率干擾,抑制。,例 某超外差收音機(jī)，其中頻fi=465kHz。 (1) 當(dāng)收聽(tīng)fs1=550kHz電臺(tái)節(jié)目時(shí)，還能聽(tīng)到fn1=1480kHz強(qiáng)電臺(tái)的聲音，分析產(chǎn)生干擾的原因。 (2) 當(dāng)收聽(tīng)fs2=1480kHz電臺(tái)節(jié)目時(shí)，還能聽(tīng)到fn2=740kHz強(qiáng)電臺(tái)的聲音，分析產(chǎn)生干擾原因。解 (1) 因?yàn)閒n1=fs1+2f1=550+2?456=1480kHz；根據(jù)上述分析，fn1為鏡頻干擾。

49、(2) 因?yàn)閒s2=1480kHz fi=465kHz所以fo2=fs2+fi=1480+465=1945kHz，而fn2=740kHz,fo2–2fn2=1945–2?740=465kHz=fi故這種干擾為組合副波道干擾。,3、其他類(lèi)型的干擾,1) 交叉調(diào)制(交調(diào))干擾,產(chǎn)生的原因：,當(dāng)所接收電臺(tái)的信號(hào)和干擾電臺(tái)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)輸入端時(shí)，如果接收機(jī)調(diào)諧于信號(hào)頻率，可以清楚地收到干擾信號(hào)電臺(tái)的聲音，若接收機(jī)對(duì)接收信號(hào)頻率失諧，干擾臺(tái)

50、的聲音也消失。,由混頻器3次方以上的非線性傳輸特性產(chǎn)生的。,其現(xiàn)象為：,設(shè)混頻器的轉(zhuǎn)移特性用冪級(jí)數(shù)表示,若干擾信號(hào),作用在混頻器上的,將此式代入上式并經(jīng)必要的三角變換后，可得?s的電流成分i?s為,其中,為無(wú)失真包絡(luò)項(xiàng)，,為失真包絡(luò)項(xiàng)，,即為交調(diào)干擾項(xiàng)，顯然，交調(diào)項(xiàng)由,也就是說(shuō)交調(diào)是由轉(zhuǎn)移特性曲線的三次方項(xiàng)產(chǎn)生，且與,成正比。當(dāng),時(shí)，交調(diào)項(xiàng)起作用，當(dāng),這在聽(tīng)覺(jué)上就表現(xiàn)為聽(tīng)到有用信號(hào)的聲音同時(shí)，可以聽(tīng)到干擾信號(hào)的聲音，而一但有用信號(hào)停止

51、播音，干擾臺(tái)聲音也隨之消失。,引起，,交調(diào)項(xiàng)消失。,以上分析表明，交調(diào)是由非線性特性中的三次或更高次非線性項(xiàng)產(chǎn)生的，因此克服交調(diào)干擾的主要方法為:1.提高混頻電路前級(jí)的選擇性抑制干擾；2.選擇合適的器件和合適的工作狀態(tài)，使混頻器的非線性高次方項(xiàng)盡可能小；3.采用抗干擾能力較強(qiáng)的平衡混頻器和模擬乘法器混頻電路。,2) 互相調(diào)制(互調(diào))干擾,當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的干擾進(jìn)入到混頻器的輸入端時(shí)，它們與本振電壓v0一起加到混頻管的發(fā)射結(jié)。

52、由于器件的非線性作用，它們將產(chǎn)生一系列組合頻率分量。如果某些分量的頻率等于或接近于中頻時(shí)，就會(huì)形成干擾，稱為互調(diào)干擾。,接收機(jī)調(diào)諧于信號(hào)頻率，可以清楚地收到干擾信號(hào)電臺(tái)的聲音，若接收機(jī)對(duì)接收信號(hào)頻率失諧，干擾臺(tái)的聲音仍然存在。,由非線性器件二次方以上的特性引起，因此存在二階互調(diào)和三階互調(diào)及高階互調(diào)。,現(xiàn)象：,產(chǎn)生的原因：,若有兩個(gè)干擾信號(hào)進(jìn)入到混頻器，它們分別為,這時(shí),所得的ic中包含一系列組合頻率分量，其頻率可用下列通式表示,若兩干擾

53、信號(hào)形成的新的組合頻率,即組合頻率與本振頻率f0之差落在中頻范圍,那么，它就會(huì)和接收信號(hào)所產(chǎn)生的中頻一樣通過(guò)中放、檢波，造成強(qiáng)烈干擾。,與信號(hào)頻率fs相近，,例: 當(dāng)fn1=1.5MHz，fn2=0.9MHz，若接收機(jī)在1~3.5MHz波段工作，向在哪幾個(gè)頻率上會(huì)產(chǎn)生互調(diào)干擾？ 解 若m，n=1則 fn1+ fn2=1.5+ 0.9=2.4MHz fn1– fn2=1.5– 0.9=0.6M

54、Hz (波段外)m=1，n=2 fn1+ fn2=1.5+ 1.8=3.3MHz## 2fn1– fn2=1.5– 1.8=2.4MHz (波段外) m=2，n=1 2fn1+ fn2=3+ 0.9=3.9MHz (波段外) 2fn1– fn2=3– 0.9=2.1MHz m=3，n=0 3fn1 =3?1.5=4.5MHz (波段外) m=0，n=3

55、3fn2 =3?0.9=2.7MHz因此，考慮三次以下諧波fn1和fn2在1~3.5MHz波段內(nèi)對(duì)2.4MHz，3.3MHz，2.1MHz，2.7MHz等4個(gè)頻率會(huì)產(chǎn)生干擾。,抑制互調(diào)的方法與抑制交調(diào)的方法相同，除此外，還可采用倍頻程帶通濾波器防止二階互調(diào)干擾的產(chǎn)生。,3) 阻塞干擾,當(dāng)一個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)輸入端后，由于輸入電路抑制不良，會(huì)使前端電路內(nèi)放大器或混頻器的晶體管處于嚴(yán)重的非線性區(qū)域，使輸出信噪比大大下降。這種現(xiàn)

56、象稱為阻塞干擾。,產(chǎn)生阻塞觀象的原因有兩種， 一種是強(qiáng)干擾作用下晶體管特性曲線非線性所引起的阻塞， 一種是強(qiáng)干擾破壞了晶體管的工作狀態(tài)，使管子產(chǎn)生假擊穿。(干擾電壓消失后，晶體管還能夠還原)，使作為電流分配器的晶體管的正常工作狀態(tài)被破壞，產(chǎn)生了完全堵死的阻塞現(xiàn)象。,9.3 混頻器的干擾,4) 相互混頻,由于本振源內(nèi)存在雜散邊帶功率，強(qiáng)干擾與雜散邊帶噪聲混頻產(chǎn)生的頻率分量落在中頻通帶內(nèi)形成中頻噪聲。,減小阻塞干擾的措施:,,

57、提高混頻級(jí)前端電路的選擇性交流負(fù)反饋3. 輸入端加雙向限幅4. 小電流工作,綜上所述，減小各種干擾的措施可歸納為：,9.3 混頻器的干擾,,例1:有一個(gè)通信設(shè)備接收機(jī)與發(fā)射機(jī)共用天線，發(fā)射機(jī)功率較大，當(dāng)發(fā)射機(jī)電源關(guān)閉時(shí)測(cè)出接收靈敏度為2?V，當(dāng)接收機(jī)發(fā)射機(jī)電源同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，接收機(jī)靈敏度由2?V降為50?V，試分析靈敏度下降的原因？,例2: 某發(fā)射機(jī)發(fā)出某一頻率的信號(hào)。現(xiàn)打開(kāi)接收機(jī)在全波段尋找(設(shè)無(wú)任何其它信號(hào))，發(fā)現(xiàn)在接收

58、機(jī)頻率刻度盤(pán)的三個(gè)頻率(6.5MHz，7.25MHz，7.5MHz)上均能聽(tīng)到發(fā)射的信號(hào)，其中以7.5MHz處為最強(qiáng)。問(wèn)接收機(jī)是如何收到的？設(shè)接收機(jī)fi=0.5MHz，f0>fs。,1. 本章內(nèi)容主要包含三個(gè)主要部分——調(diào)幅、檢波和混頻。它們?cè)跁r(shí)域上都表現(xiàn)為兩信號(hào)的相乘；在頻域上則是頻譜的線性搬移。這三種電路的工作原理和基本組成相同，都是由非線性器件實(shí)現(xiàn)頻率變換和用濾波器來(lái)濾除不需要的頻率分量。不同之處是輸入信號(hào)、參考信號(hào)、濾波

59、器特性在實(shí)現(xiàn)調(diào)幅、檢波、混頻時(shí)各有不同的形式，以完成特定要求的頻譜搬移。,本 章 小 結(jié),2. 調(diào)幅有三種方式：　　普通調(diào)幅、雙邊帶調(diào)幅和單邊帶調(diào)幅。　　普通調(diào)幅波的載波振幅隨調(diào)制信號(hào)大小線性變化， 雙邊帶調(diào)幅是在普通調(diào)幅的基礎(chǔ)上抑制掉不攜帶有用 信息的載波，保留攜帶有用信息的兩個(gè)邊帶。 單邊帶則是在雙邊帶調(diào)幅的基礎(chǔ)上，去掉一個(gè)邊帶僅 用另一個(gè)邊帶傳送有用信息。

60、 單邊帶通信突出的優(yōu)點(diǎn):節(jié)省了頻帶和發(fā)射功率，從調(diào)幅實(shí)現(xiàn)電路的角度來(lái)看，雙邊帶調(diào)幅電路最簡(jiǎn)單，而單邊帶調(diào)幅電路最復(fù)雜。 這三種調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達(dá)式、波形圖、功率分配、頻帶寬度等各有區(qū)別。其解調(diào)方式也各有不同。 調(diào)幅方法可分為低電平調(diào)幅和高電平調(diào)幅兩大類(lèi)。,3. 檢波是調(diào)幅的逆過(guò)程，是調(diào)幅波解調(diào)的簡(jiǎn)稱。振幅解調(diào)的原理是將已調(diào)信號(hào)通過(guò)非線性器件產(chǎn)生包含有原調(diào)制信號(hào)的新頻率成份，由RC低通濾波器取出原調(diào)制信號(hào)。

61、　　本章主要介紹了二極管峰值包絡(luò)檢波器和乘積檢波。二極管峰值包絡(luò)檢波器只適用于普通調(diào)幅波的檢波。乘積檢波則適用于所有三種調(diào)幅波的解調(diào)?！　〉屯V波器是檢波器中不可缺少的組成部分，濾波器的時(shí)間常數(shù)選擇對(duì)檢波效果有很大影響，選擇不當(dāng)將會(huì)產(chǎn)生失真。,4. 混頻過(guò)程也是一種頻譜搬移的過(guò)程，它是將載波為高頻的已調(diào)信號(hào)搬移一個(gè)頻率量得到載波為中頻的已調(diào)信號(hào)并保持其調(diào)制規(guī)律不變。其工作原理與調(diào)幅十分相近，也是由二個(gè)不同頻率的信號(hào)相乘后通過(guò)濾波器選