*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第 四 章,振幅调制、解调与混频电路,振幅调制与解调、混频、频率调制与解调等电路是通信系统的基本组成电路。它们的共同特点是将输入信号进行频谱变换，以获得具有所需频谱的输出信号，因此，这些电路都属于频率（或频谱）变换电路。,根据频谱变换的不同特点，频率变换电路分为频谱搬移电路和频谱非线性变换电路两大类。前者的作用是将输入信号频谱沿频率轴进行不失真的搬移，属于这类电路的有振幅调制与解调电路、混频电路等。后者的作用是将输入信号频谱进行特定的非线性变换，属于这类电路的有频率调制与解调电路等。,4.1,频谱搬移电路的组成模型,振幅调制电路的组成模型,振幅调制电路有两个输入信号，一个是输入调制信号 ，它含有所需传输的信息，另一个是输入高频等幅信号（又称载波信号），其中 为载波角频率，为载波频率。,振幅调制信号按其不同频谱结构分为普通调幅信号，抑制载波的双边带调制信号，抑制载波和一个边带的单边带调制信号等，其中普通调幅信号是基本的，其它振幅调制信号都是由它演变而来的。,一、普通调幅信号及其电路组成模型,1.组成模型,式中，,V,m0,=,kV,cm,是未经调制的输出载波电压振幅，,k,和,k,a,是取决于调幅电路的比例常数。为保证不失真，要求,在数学上，调幅电路的组成模型可由一个相加器和一个相乘器组成，如图所示。,A,M,为相乘器的乘积常数，,A,为相加器的加权系数，且,A,=,k,，,A,M,AV,cm,=,k,a,。,2、,单音调制,且,f,c,F(一般满足,f,c,F），则输出调幅电压为,式中，,M,a,=,k,a,是调幅信号的调幅系数，,简称调幅度。,图中，是 的振幅，它反映调制信号的变化，称为调幅信号的包络。在输入调制信号的一个周期内，调幅信号的最大振幅为 =，最小振幅为 。,调幅度是表征调幅信号的重要参数，它的一般定义式为,式中，,V,mmax,和,V,mmin,分别是调幅信号电压的最大振幅和最小振幅。,单音调制时调幅信号的频谱由三个频率分量组成：角频率为的载波分量，角频率分别为 和 的上、下边频分量。,3、复杂音调制,假设 为非余弦的周期信号，其傅里叶级数展开式为,=,式中,其中,BW,AM,=2,F,max,4、功率,在单位电阻上，单音调制时调幅信号电压在载频信号一个周期内的平均功率,上式表明，,P,(,t,)是时间的函数。,P,(,t,)在一个调制信号周期内的平均功率,式中，,P,SB,是上、下边频电压分量产生的功率，称为边频功率。因而,P,av,是调幅信号中各频谱分量产生的平均功率之和。,二、双边带和单边带调制电路组成模型,1、双边带调制,上、下边频分量才反映调制信号的频谱结构，而载频分量本身并不反映调制信号的变化。因此，占有绝大部分功率的载频分量是无用的。如果在传输前将它抑制掉，可在不影响传输信息的条件下，大大节省发射机的发射功率。这种仅传输两个边频的调制方式称为抑制载波的双边带调制简称双边带调制。并表示为,2、,单边带调制,在双边带调制信号的频谱中，上边带和下边带都反映了调制信号的频谱结构，区别仅在于下边带反映的是调制信号频谱的倒置。这种区别对传输信息是无关紧要的。因此，从传输信息的观点来说，还可将其中一个边带抑制掉。这种仅传输一个边带（上边带或下边带）的调制方式称为单边带调制。它除了节省发射功率外，还将已调信号的频谱宽度压缩一半，即,BW,SSB,=,F,max,单边带调制电路有两种实现模型。一种是由相乘器和带通滤波器组成，如图所示，称为滤波法。其中，相乘器产生双边带调制信号，而后由带通滤波器取出一个边带信号，抑制另一个边带信号。,另一种是由两个相乘器、两个90,o,相移器和一个相加器组成，称为相移法。若设 =，则由相乘器产生的双边带调制信号为,由相乘器产生的双边带调制信号为,叠加，输出为取上边带的单边带调制信号，即,4.1.2 振幅解调和混频电路的组成模型,一、振幅解调电路,解调是调制的逆过程。振幅调制信号的解调电路称为振幅检波电路，它的作用是从振幅调制信号中不失真地检出调制信号。图中，为输入振幅调制信号电压，为反映调制信号变化的输出电压。在频域上，这种作用就是将振幅调制信号频谱不失真地搬回到零频率附近。因此振幅检波电路是一种频谱搬移电路，可以用相乘器实现。,同步信号必须与输入信号保持严格同步是实现上述电路模型的关键，这种检波电路称为同步检波电路。,二、,混频电路,混频电路又称变频电路，是超外差式接收机的重要组成部分。它的作用是将载频为,f,c,的已调信号 不失真地变换为载频为,f,I,的已调信号 。将 称为中频信号，相应的,f,I,称为中频频率，简称中频。是由本地振荡器产生的本振电压，称为本振角频率，它与,f,I,、,f,c,之间的关系为,f,I,=,f,c,+,f,L,或,f,I,=,其中，,f,I,高于,f,c,的混频称为上混频，,f,I,低于,f,c,的混频称为下混频。,从频谱观点来看，混频的作用就是将输入已调信号频谱不失真地从,f,c,搬移到,f,I,的位置上。因此，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器来实现这种频谱搬移。,则当,f,L,f,c,时，相乘器的输出电压频谱如图（c）所示。,4.1.3 小结,振幅调制电路、振幅解调电路、混频电路都属于频谱搬移电路，它们都可以用相乘器和相应滤波器组成的模型来实现。相乘器的两个相乘信号中，一个是输入信号，另一个称为参考信号，相乘器的作用就是将输入信号频谱不失真地搬移到参考信号频率的两边，即两个频率的相加、减，或者说，输入信号频谱向左、右搬移参考信号频率的数值。滤波器则是取出有用分量，抑制无用分量。对于不同的频谱搬移电路，有不同的输入信号，不同的参考信号以及不同类型和要求的滤波器。,4.2 相乘器电路,非线性电阻器件构成的相乘器电路根据两个输入信号不同的注入方式，可分为两种类型，一种是两个输入信号电压加到同一器件输入端，利用器件的非线性完成相乘作用；另一种是两个输入信号电压分别加到不同器件输入端，构成两个非线性函数相乘。,4.2.1 非线性器件的相乘作用及其特性,一、非线性器件相乘作用的一般分析,一个非线性器件伏安特性为,i,=,f,(,v,)，式中，,v,=,V,Q,+,v,1,+,v,2,，,V,Q,为静态工作点电压，,v,1,和,v,2,为两个输入电压。采用泰勒级数展开式为,i,=,a,o,+,a,1,(,v,1,+,v,2,)+,a,2,(,v,1,+,v,2,),2,+,a,n,(,v,1,+,v,2,),n,+,式中,，,a,o,，,a,1,，,，,a,n,，,由下列通式表示,a,n,=,当同时作用着两个输入电压时，器件的响应电流中出现了两个电压的相乘项2,a,2,v,1,v,2。,它是由特性的二次方项产生的。但同时也出现了众多无用的高阶相乘项。因此，非线性器件的相乘作用不理想。,二、线性时变状态,上式就是,i,=,f,(,V,Q,+,v,1,+,v,2,)在,(,V,Q,+,v,1,)上对,v,2,的泰勒级数展开式，即,i,=,f,(,V,Q,+,v,1,+,v,2,)=,f,(,V,Q,+,v,1,)+,f,(,V,Q,+,v,1,),v,2,+,若,v,2,足够小，忽略,v,2,的二次方及其以上各次方项，则,i,f,(,V,Q,+,v,1,)+,f,(,V,Q,+,v,1,),v,2,式中，,f,(,V,Q,+,v,1,)和,f,(,V,Q,+,v,1,)是与,v,2,无关的系数，是,v,1,的非线性函数，随时间变化，称为时变系数或时变参量。其中，,f,(,V,Q,+,v,1,)是,v,2,=0时的电流，称为时变静态电流，用,I,o,(,v,1,)表示；,f,(,V,Q,+,v,1,)是增量电导在,v,2,=0时的数值，称为时变增量电导，用,g,(,v,1,)表示。,i,I,0,(,v,1,)+,g,(,v,1,),v,2,i,与,v,2,之间的关系是线性的，类似于线性器件，但是它们的系数是时变的，因此将这种器件的工作状态称为线性时变。,4.2.2 二极管平衡、双平衡电路,一、二极管平衡电路,下图为二极管平衡电路原理图，图中,v,1,=,V,1m,cos,1,t,，,v,2,=,V,2m,cos,2,t,。,v,1,与两二极管的正方向一致，,v,2,则与,D,1,一致，与,D,2,相反。当,V,1m,V,2m,时，两二极管的开关状态受,v,1,信号控制。工作在开关状态的二极管可用开关与导通电阻,R,D,串联的电路表示。因此可得,二、二极管双平衡电路,为了进一步抵消组合频率分量，可以采用二极管双平衡电路。下图为二极管双平衡电路图，图中,v,s2,、,R,s2,和,v,s1,、,R,s1,分别为,R,端和,L,端的信号源和信号源内阻，,v,1,=,V,1m,cos,1,t,和,v,2,=,V,2m,cos,2,t,分别为Tr1和Tr2变压器次级所感应的电压。,电路中四只二极管，两两构成单平衡。当,V,1m,V,2m,时，二极管工作在由,v,1,控制的开关状态。,v,1,与D2、D3的正方向一致，与D1、D4的正方向相反。,v,2,与D1、D2的正方向一致，而与D3、D4的正方向相反。由此可得,4.2.3 三极管Gilbert电路,在差分放大器电路中，如果,v,1,用作为输入信号，,v,2,控制尾电流源并呈线性变化，则差分放大器可构成一个简单的相乘器。在实际电路中尾电流的控制可以用基本镜像电流源实现。,一、双极型管Gilbert相乘器,1、电路组成原理,i,=,i,i,=（,i,1,+,i,3,）（,i,2,+,i,4,）=（,i,1,i,2,）（,i,4,i,3,）,i,5,i,6,=,I,o,i,=,I,o,上式表明，电路输出电流提供了两个输入信号的双曲正切函数的相乘。,（1）,26mV，,26mV,当,v,26mV 时，,v,/(2,V,T,)0.5 ，th,i,=,（2）,26mV，,（3）,26mV，,260mV,，V,1m,260mV,当,th(,),K,2,(,),K,2,(,),T,5,、T,6,管发射极之间接入负反馈电阻,R,E,。为便于集成化，图中还将电流源,I,0,分割成两个,I,0,/2 的电流源,2、扩展,v,2,的动态范围,v,2,=,V,T,ln(,i,5,/,i,6,)+,i,e,R,E,其中，,ln(,i,5,/,i,6,)=ln(1+2,i,e,/,I,0,),ln(1,2,i,e,/,I,0,),满足 2,i,e,/,I,0,0.5,ln(,i,5,/,i,6,)4,i,e,/,I,0,允许的最大动态范围为,3、扩展,v,1,的动态范围,进一步扩展,v,1,的动态范围可在上述Gilbert相乘器电路中增加由T,7,T,10,组成的补偿电路。图中T,7,、T,8,是将集电极和基极短接的差分对管，它的输出差值电流为,二、场效应管Gilbert相乘器,i,=,i,i,=（,i,D1,+,i,D3,）（,i,D2,+,i,D4,）,=（,i,D1,i,D2,）（,i,D4,i,D3,）,当,v,1,、,v,2,较小，满足|,v,1,|2(,V,GSQ1,-,V,GS(th)1,)=2,V,ON1,和|,v,2,|10dB），动态范围小。,4.3.2 三极管混频电路,、作用原理,下图是三极管混频器的原理电路。,L,1,、,C,1,为输入信号回路，调谐在,f,c,上。,L,2,、,C,2,为输出中频回路，调谐在,f,I,上。本振电压 接在基极回路中，,V,BB0,为基极静态偏置电压，加在发射结上的电压 。若将,v,BB0,+,v,L,作为三极管的等效基极偏置电压，用,v,BB,（,t,）表示，称之为时变基极偏压，则当输入信号电压很小，满足线性时变条件时，三极管集电极电流,i,C,f,(,v,BE,),I,c0,(,v,L,)+,g,m,(,v,L,),v,s,g,m,(,t,)中的基波分量,g,m1,