1、模數轉換數據交換與處理功率放大功率放大輸出換能信號傳輸模擬模擬信號信號調制調制小信號小信號放大放大數字數字信號信號調制調制載載波波產產生生信號解調信號解調數模轉換數據交換與處理諧振功放諧振功放電源電源反饋控制器反饋控制器簡易電子裝置模擬通信系統數字通信系統力熱聲光力熱聲光傳感器通信模塊通信模塊通信模塊：通信模塊： 發送發送接收接收晶 體振蕩器倍頻器倍頻器低電平低電平調制器調制器諧振功放小信號放大器諧振調制功放混頻器混頻器高高 頻放頻放大器大器晶 體振蕩器混頻器混頻器本 地振蕩器中中 頻放頻放大器大器解調器解調器低 頻功 放電源反饋控制器反饋控制器頻率變換器頻率變換器功率變換器功率變換器調幅、調

2、頻、調相檢波、鑒頻、鑒相高頻發送高頻接收第第4章章 振幅調制、解調與混頻電路振幅調制、解調與混頻電路高效率傳遞信號的條件：將它搭載在高頻載波上高效率傳遞信號的條件：將它搭載在高頻載波上vc = Vcmcos（wct + j0）vW = VW mcosW t調幅調幅調頻調頻調相調相(kVcm+ ka vW ) cos ( wct +j0）Vm cos (wc + kf vW ) t+ j0Vm cos(wct + kp vW +j0)1.信號的調制信號的調制信信號號載波載波調幅波調幅波調相波調相波調頻波調頻波或有三個點或有三個點位：位：幅幅、頻頻、相相 搭載信號搭載信號有二個點位：有二個點位：

3、幅幅、角角搭載信搭載信號號調幅調幅調角調角 dt0vW = VW mcosW t(kVcm+ ka vW ) cos ( wct +j0） Vm cos (wc + kf vW ) t+ j0Vm cos(wct + kp vW +j0)2.信號的解調信號的解調調幅波調幅波調相波調相波調頻波調頻波振幅檢波器振幅檢波器鑒頻器鑒頻器鑒相器鑒相器用用相乘器相乘器檢出振幅信號檢出振幅信號鑒別頻率檢出信號鑒別頻率檢出信號鑒別相位檢出信號鑒別相位檢出信號低低 通通 濾濾 波波 器器 dt03.變頻變頻相乘器相乘器中頻信號中頻信號 f I = f L - f c本振信號本振信號 f L濾波器濾波器調幅信號調

4、幅信號 f c混頻混頻4.1 頻譜搬移模型頻譜搬移模型vc (t ) =VcmcoswctvW (t ) =VW mcosW t函數圖函數圖0Wwc普通函數式（時域函數）普通函數式（時域函數）傅氏變換式（頻域函數）傅氏變換式（頻域函數）頻譜圖頻譜圖電信號的表達方電信號的表達方法法VW (w) = AWVc (w) = Bwc4.1 頻譜搬移模型頻譜搬移模型vc =VcmcoswctvW =VW mcosW tVm0 (1+ Ma cosW t ) cos wct1. 普通調幅的頻譜搬移模型普通調幅的頻譜搬移模型+AM xyxy用用相乘器相乘器，實現信號的，實現信號的頻率變換頻率變換0wcVm0

5、 cos wct + 1/2 Ma Vm0 cos (wc+W ) t + 1/2 Ma Vm0 cos (wc- W ) twc- Wwc+WW4.1.1 振幅調制模型振幅調制模型wc載波載波信號信號載波信載波信號頻譜號頻譜原信號原信號頻譜頻譜原信號原信號普通調普通調制信號制信號普通調制普通調制信號頻譜信號頻譜vc =VcmcoswctvW =VW mcosW tAM xyxy01/2 Ma Vm0 cos (wc+W ) t + 1/2 Ma Vm0 cos (wc- W ) tW2. 雙邊帶調幅的頻譜搬移模型雙邊帶調幅的頻譜搬移模型VW mcosW t Vcmcoswctwcwc- Ww

6、c+W4.1.1 振幅調制模型振幅調制模型wc載波載波信號信號載波信載波信號頻譜號頻譜原信號原信號頻譜頻譜原信號原信號雙邊帶調雙邊帶調制信號制信號雙邊帶調制雙邊帶調制信號頻譜信號頻譜用用相乘器相乘器，實現信號的，實現信號的頻率變換頻率變換3. 單邊帶調幅的頻譜搬移模型單邊帶調幅的頻譜搬移模型 14.1.1 振幅調制模型振幅調制模型濾濾波波器器濾波器濾波器vc =VcmcoswctvW =VW mcosW tAM xyxy0 1/2 Ma Vm0 cos (wc- W ) tWwcwc- Wwc+Wwc載波載波信號信號載波信載波信號頻譜號頻譜原信號原信號頻譜頻譜原信號原信號單邊帶調單邊帶調制信號

7、制信號單邊帶調制單邊帶調制信號頻譜信號頻譜用用相乘器相乘器，實現信號的，實現信號的頻率變換頻率變換3. 單邊帶調幅的頻譜搬移模型單邊帶調幅的頻譜搬移模型 2AM xyxyvWvcAM xyxy移相移相90o+wcwc+W-wcwc- WcoswctcosW tsinwctsinW t4.1.1 振幅調制模型振幅調制模型 1/2 Ma Vm0 cos (wc- W ) t 1/2 Ma Vm0 cos (wc+ W ) t用用相乘器相乘器，實現信號的，實現信號的頻率變換頻率變換AM xyxy4.1.2 振幅解調與混頻模型振幅解調與混頻模型wc濾波器濾波器wc2wc0濾波器濾波器1.振幅解調的頻譜

8、搬移模型振幅解調的頻譜搬移模型還還原原同同步步信信號號振幅解調就是振幅解調就是已調信號已調信號wcW和本身載波和本身載波wc相相乘乘邊帶調制信邊帶調制信號，需還原號，需還原同步信號同步信號wc然后相乘然后相乘wc已調信號中已調信號中的載波頻譜的載波頻譜已調信已調信號頻譜號頻譜還原出還原出來的信來的信號號還原出來的還原出來的信號頻譜信號頻譜用用相乘器相乘器，實現信號的，實現信號的頻率變換頻率變換2.混頻的頻譜搬移模型混頻的頻譜搬移模型AM xyxywc4.1.2 振幅解調與混頻模型振幅解調與混頻模型wLwL+wc濾波器濾波器濾波器濾波器wLwL- wc本地振本地振蕩信號蕩信號本地振蕩本地振蕩信號

9、頻譜信號頻譜高頻已高頻已調信號調信號頻譜頻譜高頻已高頻已調信號調信號fLfcfI= fL- fc作業作業- 預習相乘器，混頻電路預習相乘器，混頻電路中頻已中頻已調信號調信號中頻已調中頻已調信號頻譜信號頻譜用用相乘器相乘器，實現信號的，實現信號的頻率變換頻率變換4.2 相乘器電路相乘器電路相乘器電路有二種形式：相乘器電路有二種形式：模擬乘法器模擬乘法器和非線性變換器和非線性變換器4.2.2 模擬乘法器：模擬乘法器：vBE4 = vBE1+ vBE2 vBE3iO = iX iY / iZ跨導線性環，跨導線性環，(見上冊見上冊339頁頁)e = evBE4 /VT(vBE1+ vBE2 vBE3

10、) /VT當當iZ為定值時，實現電流量的乘法運算為定值時，實現電流量的乘法運算是利用是利用PN結的指數特性，把電壓量的迭加運算變換為電流量的乘積運算結的指數特性，把電壓量的迭加運算變換為電流量的乘積運算增加電流、電壓變換器，可實現電壓量的乘法運算增加電流、電壓變換器，可實現電壓量的乘法運算T1T2T3T4iyiziXiO6.1.2 乘法、除法器iC = IS evBEVTvo =vX vYvZ+-RioA+-ToTX+-vXiXA+-RTY+-vYiYA+-R+-vZiZA+-TZR-vBEX-vBEY-vBEX-vBEZvBEo= IS evBEoVT= iX iY / iZ = IS e

11、vBEX +vBEY - vBEZ =VT = io =左邊對數運算右邊指數運算vovX vY / vZRvoR加減運算恒等式加減運算恒等式上冊上冊339頁頁4.2 相乘器電路相乘器電路相乘器電路有二種形式：相乘器電路有二種形式：模擬乘法器模擬乘法器和非線性變換器和非線性變換器4.2.2 模擬乘法器模擬乘法器T9T10v1T7T8T6T5v2T1T4T2T3vo-+-+-電流差值：電流差值：i = (i1 i2 ) (i4 i3 )雙差分對模擬乘法器，雙差分對模擬乘法器，(244頁頁)123478vBE1 vBE2 = vBE4 vBE3i = (i1 i2 ) (i4 i3 )= (i10

12、i9 ) (i5 i6 ) / IKth2VTvBE8 vBE7=i1i2i5i8 i7 IK=i4i3i6=vo = AM v1 v2雙差分電雙差分電流乘法器流乘法器電流電壓電流電壓變換器變換器差模傳輸特性，差模傳輸特性， 見上冊見上冊204頁頁雙差分電流乘法器雙差分電流乘法器i雙極晶體管差放雙極晶體管差放=TVvBE2SIiC2e=TVvBE1SIiC1eEEIiC1=iC2+=iC1-iC2=EEITVvIDe1+- -TVvIDe1+EEIEEIth(T2VvID)IEE-IEETVvIDiC1-iC2復習三極管單管的轉移特性（指數函數式）：復習三極管單管的轉移特性（指數函數式）：三極

13、管差放的差模傳輸特性（雙曲函數式）三極管差放的差模傳輸特性（雙曲函數式）差模傳輸函數差模傳輸函數函數圖函數圖上冊上冊204頁頁4.2 相乘器電路相乘器電路相乘器電路有二種形式：模擬乘法器和相乘器電路有二種形式：模擬乘法器和非線性變換器非線性變換器4.2.1 非線性變換器非線性變換器: :是利用非線性器件（是利用非線性器件（晶體管的大信號狀態），使變量之間形成乘積項晶體管的大信號狀態），使變量之間形成乘積項大信號大信號 v1小信號小信號 v2i線性疊加線性疊加非線性傳遞函數非線性傳遞函數 對大信號對大信號 v1非線性變換非線性變換對小信號對小信號 v2線性變線性變換換非線性電阻非線性電阻非線性電

14、抗非線性電抗 電容電感電容電感1. 相乘器數學原理相乘器數學原理v 2 是小信號是小信號 4.2 相乘器電路相乘器電路相乘器電路有二種形式：模擬乘法器和相乘器電路有二種形式：模擬乘法器和非線性變換器非線性變換器4.2.1 非線性變換器非線性變換器: :是利用非線性器件是利用非線性器件（晶體管的大信號狀態），使變量之間形成乘積項（晶體管的大信號狀態），使變量之間形成乘積項= f (v1) + f (v1) v2 + ! f (v1) v22 + 對對v2 泰勒展開泰勒展開 I0 (v1) + g (v1) v2v2 足夠小足夠小設設 g (v1)為角頻率為角頻率w1 的偶周期的偶周期函數，則函數

15、，則sin項系數為零項系數為零對對g (v1) 傅氏展開傅氏展開= I0 (v1) + ( g0 / 2 + g1cosw1t + g2cos2w1t + ) v2gn = 1/2p g(v1) cosnw1tdw1t其中：其中：-ppv2 的系數是時變的的系數是時變的與與 v2 是線性關系是線性關系周期函數的傅氏展開周期函數的傅氏展開式，是離散頻譜式，是離散頻譜i = f (v1+ v2)1. 相乘器數學原理相乘器數學原理v2是小信號是小信號 4.2 相乘器電路相乘器電路4.2.1 非線性變換器非線性變換器: :（晶體管的大信號狀態），使變量之間形成乘積項（晶體管的大信號狀態），使變量之間形

16、成乘積項= I0 (v1) + ( g0 / 2 + g1cosw1t + g2cos2w1t + ) v2則則g (v1) 為矩形為矩形脈沖脈沖= I0 (v1) + gD( 1/ 2 + 2/ p cosw1t - 2/ 3p cos3w1t + ) v2g (v1) 為周期為周期方波方波= I0 (v1) + gT(4/ p cosw1t - 4/ 3p cos3w1t + ) v2K2(w1t )是雙向開關函數是雙向開關函數如果如果 v1 為角頻率為角頻率w1 的偶周期函數的偶周期函數K1(w1t )是單向開關函數是單向開關函數接上式接上式i = f (v1+ v2)w1tgDw1tg

17、Tv2 是小信號是小信號 如果如果 v1 為角頻率為角頻率w1 的對稱偶周期函數的對稱偶周期函數4.2 相乘器電路4.2.1 非線性變換器:（晶體管的大信號狀態），使變量之間形成乘積項g (v1) 為矩形脈沖的電路模型 單向開關函數 K1(w1t ) 的電路模型v1v2Di+-i = I0 (v1) + gD( 1/ 2 + 2/ p cosw1t - 2/ 3p cos3w1t + ) v2i = iC1 - iC2= I0 (v1) + gT(4/ p cosw1t - 4/ 3p cos3w1t + ) v2gD K1(w1t ) w1tgDgT K2(w1t ) w1tgTK1(w1t

18、 ) v1v2RDi+-+-g (v1) 為周期方波的電路模型 雙向開關函數 K2(w1t ) 的電路模型T4T3+-v1I (v2) =A + B v2RTiC1iC2K2(w1t ) v1I (v2)2. 相乘器電路模型v2是小信號是小信號 4.2 相乘器電路4.2.1 非線性變換器:（晶體管的大信號狀態），使變量之間形成乘積項雙差分對平衡調制器的電路模型2. 相乘器電路模型i = (i1 i2 ) (i4 i3 )T6T5v2T1T4T2T3vo-+-電流差值：i = (i1 i2 ) (i4 i3 )v1+-I0i1 i2 = i5 th2VTv1單管跨導特性差分對管跨導特性i1 =

19、IS evBE1 /VT上冊53頁上冊189頁th2VTv2th2VTv1= I04VT2v1v2I0雙向開關函數K2(w1t )作對稱變換=2VTI0=(4/ p cosw1t - 4/ 3p cos3w1t + ) v2v1小于26mV模擬相乘v1大于260mV非線性變換v2是小信號 4.2 相乘器電路4.2.3 大動態平衡調制器AD630（電路單元在對稱開關狀態），使變量之間形成乘積項+-v1109A1A2A3-+v2201813vo雙向開關函數K2(w1t )作對稱變換vo = kf (4/ p cosw1t - 4/ 3p cos3w1t + ) v2-1.5mVv1 1.5mV非線

20、性變換K2(w1t )4.2 相乘器電路4.2.4 二極管雙平衡混頻器（二極管在對稱開關狀態），使變量之間形成乘積項雙向開關函數K2(w1t )作對稱變換v1 遠大于 Vsm 非線性變換K2(w1t ) = K1(w1t ) - K1(w1t - p )-+K1(w1t )i2v1v1v2RLi3D2D3io = - (4/ p cosw1t - 4/ 3p cos3w1t + ) v222RL + RD io =(i1 i4 ) ( i2 i3)+-+-K1(w1t - p )i1v1v1v2RLi4D1D4+-v1v1v2RL+-v2D2D1D3D4+-作業- 預習 4.3 4.44.3

21、混頻電路用于超外差接收機，把各種頻率的高頻信號變換為頻率固定的中頻信號，用相乘器電路實現4.3.1 通信接收機的混頻電路: 通信接收機廣泛使用二極管環形混頻和雙差分對平衡調制器混頻混頻增益噪聲系數1dB壓縮電平：隨著輸入信號的升高混頻增益降低混頻失真：混頻過程中無用的組合頻率混入中頻隔離度：Vs Vi Ac = 20lgPS PI Gc = 10lgNF = 10lg(PS /Pn) i (PI /Pn) o 隔離度: 10lg本端口的功率竄到另端口的功率(用相乘器把信號頻譜從高頻載波附近不失真地搬移到固定中頻附近) 4.3 混頻電路4.3.1 通信接收機的混頻電路: 通信接收機廣泛使用二極管

22、環形混頻和雙差分對平衡調制器混頻混頻增益低：約 -7dB ( 0.2倍 )噪聲系數：低，約 6dB ( 4倍 )混頻失真小隔離度: 小于40dB ( 10000倍 )二極管環形混頻器用于高性能分立元件接收機優點：頻帶寬：從幾十kHz到幾GHz缺點：端口阻抗50歐，必須接阻抗匹配網絡雙差分對平衡混頻器用于集成電路XFC1596, AD831混頻增益高：噪聲系數：大優點：頻帶寬：達到 500MHz缺點：不必接阻抗匹配網絡隔離度: 高4.3 混頻電路4.3.2 三級管混頻電路: 廣播接收機廣泛使用TVCCvsfcfIvLvL=VLm cos wLtvs=Vsm cos wct輸入已調高頻 小信號iI

23、= IIm cos wIt本地產生振蕩 大信號得到中頻輸出= gmc Vsm cos wIt諧振于fc諧振于fI混頻跨導VLm 的最佳值20200mVIEQ 的最佳值0.21mA實用電路圖4364.3 混頻電路4.3.3 混頻失真 pfL qfc = fI F哨聲干擾通道干擾 pfL qfM = fI中頻干擾fM = fI鏡像干擾fM = fc +2 fI一、干擾干擾信號干擾信號4.3 混頻電路4.3.3 混頻失真 fL rfM1 sfM2 = fI二、失真交調失真：有用信號vs 與干擾信號 vM 在四次方項展開式中出現交叉相乘項12a4 vL vs vM2互調失真：干擾信號干擾信號干擾信號4.4 振幅調制與解調電路4.4.1 振幅調制電路: ( 用相乘器把信號頻譜從零頻附近不失真地搬移到載波附近 ) 調制