調制音頻或視頻放大高頻功放高頻放大中頻放大混頻解調音頻或視頻功放高頻放大倍頻高頻振蕩本地振蕩音頻或視頻信號第4章振幅調制、解調與混頻電路4.1頻譜搬移電路的組成原理4.2相乘器電路4.3振幅調制與解調電路

概述

發射端：調制（將調制信號從低頻段變換到高頻段,便于天線發送或實現不同信號源、不同系統的頻分復用）接收端：解調（將已調波信號從高頻段變換到低頻段,恢復原調制信號。(a)頻譜的線性搬移；(b)頻譜的非線性搬移

正弦波調制：高頻正弦波為載波，用調制信號分別去控制正弦波的振幅、頻率或相位三個參量，分別稱為調幅(AM)、調頻(FM)和調相(PM)。本章內容：(1)在時域和頻域上討論振幅調制與解調的基本原理；(2)介紹有關電路組成。由于混頻電路、調幅電路、振幅解調電路(又稱為檢波電路)同屬于線性頻率變換電路，所以放在同一章介紹。4.1頻譜搬移電路的組成模型4.1.1調幅方式調制信號載波調幅波ooo調幅電路調制信號載波調幅波一、普通調幅信號的表達式、波形、頻譜和功率載波：vc(t)=Vcmcosωct,單頻調制信號：vΩ(t)=VΩmcosΩt(Ω＜＜ωc)普通調幅信號:vAM(t)=(Vm0+kaVΩmcosΩt)cosωct=Vm0(1+MacosΩt)cosωct其中，調幅度0＜Ma≤1，ka為比例系數。調幅電路的組成模型

AMxyxyA調幅波波形圖o調幅度的一般定義式:普通調幅要求Ma必須不大于1。當Ma＞1時，普通調幅波的包絡變化與調制信號不再相同，產生了失真，稱為過調制。，未調幅（同載波），普通調幅,最大調幅（百分之百），過調幅（包絡失真）ooooo調制信號載波調幅波上邊頻下邊頻上邊頻下邊頻載波000原調制信號的頻帶寬度是Ω或（

），而普通調幅信號的頻帶寬度是2Ω(或2F)，是原調制信號的兩倍。普通調幅：將調制信號頻譜搬移到了載頻的左右兩旁。功率：（調幅信號加在單位負載電阻上）載頻分量產生的平均功率為：兩個邊頻分量產生的平均功率相同，均為：調幅信號總平均功率為：功率利用率低攜帶信息的邊頻功率最多只占總功率的三分之一。提高功率利用率的措施：(1)不發送載頻分量。→抑制載波雙邊帶調幅(2)僅發送其中一個邊頻分量，同樣可以將調制信息包含在調幅信號中。→抑制載波的單邊帶調幅。BWAM=2Ωmax復雜音調制其中ka為比例系數頻帶寬度：仍為調制信號帶寬的兩倍。

二、雙邊帶調幅方式

1.雙邊帶調幅信號的特點

載波：vc(t)=Vcmcosωct調制信號：vΩ(t)=VΩmcosΩt(Ω<<ωc)雙邊帶調幅信號為:雙邊帶調幅波形與頻譜

2.

單邊帶調幅信號單邊帶（SSB）信號是由DSB信號經邊帶濾波器濾除一個邊帶或在調制過程中，直接將一個邊帶抵消而成。取上邊帶時取下邊帶時濾波法原理電路組成模型相移法原理電路組成模型普通調幅信號的解調方法有兩種：包絡檢波和同步檢波。1.包絡檢波4.1.2振幅解調（檢波）t調幅波調幅波頻譜ωc+Ωωc-Ωωcω輸出信號頻譜Ωω包絡檢波輸出tvΩ(t)vAM(t)非線性器件低通濾波器2.同步檢波vΩ(t)vAM(t)vr(t)由于DSB和SSB信號的包絡不同于調制信號，不能用包絡檢波器，只能用同步檢波器，但需注意同步檢波過程中，為了正常解調，必須恢復載波信號，而所恢復的載波必須與原調制載波同步（即同頻同相）。輸入調幅波的頻譜輸出信號的頻譜4.1.3混頻器原理超外差式接收機高頻放大中頻放大混頻解調器低頻功放本地振蕩換能器vsvIvL調幅收音機的中頻為465KHz，調頻收音機的中頻為10.7MHz，電視接收機的中頻為38MHz，微波接收機及衛星接收機的中頻為70MHz或140MHz等。混頻電路的作用：將不同載頻的高頻已調波信號變換為同一個固定載頻(一般稱為中頻)的高頻已調波信號，而保持其調制規律不變。例如：在廣播接收機中，把載頻位于535kHz～1605kHz中波波段各電臺的普通調幅信號變換為中頻為465kHz的普通調幅信號。目的：設計和制作增益高，選擇性好，固定中頻放大器比較容易，采用混頻方式可大大提高接收機的性能。

fIfI+FfI-FfvI的頻譜混頻器是頻譜的線性搬移電路，是一個三端口網絡本地振蕩信號

一個中頻輸出信號：兩個輸入信號與輸出信號之間的關系：輸入信號vs與輸出信號vI的包絡形狀相同，頻譜結構相同，只是填充頻譜不同，其中心頻率：

vs(fc)vL(fL)vI(fI)混頻器tvs(t)tvI(t)tvL(t)有兩個輸入信號：

高頻已調波

ffcfc+Ffc-Fvs的頻譜fcfLfvL的頻譜tvs(t)tvs(t)tvL(t)tvL(t)tvI(t)tvI(t)下混頻上混頻設輸入已調波信號：兩信號的乘積項為：

本振信號:如果帶通濾波器的中心頻率為，帶寬

則經帶通濾波器的輸出為：乘法器帶通濾波器vIvsvL(1)調幅(DSB為例)

vΩ乘法器帶通濾波器vDSBvc載波信號(2)檢波

vDSB乘法器低通濾波器vr同步信號vΩ(3)混頻

vDSB=vs乘法器vL本振信號帶通濾波器vIωI=ωL-ωcωLωc振幅調制、檢波與混頻器的關系混頻電路與調幅電路、檢波電路同屬于線性頻率變換電路，但它卻有明顯不同的特點:調幅電路：將低頻調制信號搬移到高頻段檢波電路：將高頻已調波信號搬移到低頻段混頻電路：輸入輸出均為高頻已調波信號，將已調波信號從一個高頻段搬移到另一個高頻段。一、非線性器件相乘作用的冪級數分析法二極管或三極管的非線性伏安特性i=f(v)在自變量v的某一點處(例如靜態工作點VQ)存在各階導數，則電流i可以在該點附近展開為泰勒級數:4.2相乘器電路4.2.1非線性器件相乘作用及其特性式中則相乘項，同時還有眾多無用的相乘項—非理想相乘設則包含組合頻率分量：其中是有用相乘項產生的。問題：采取措施減少無用的相乘項，實現近似理想相乘運算。

減少無用相乘項的措施：①器件特性：采用具有平方律特性的場效應管；選擇合適的靜態工作點（平方律區段）。②電路結構：采用多個非線性器件組成平衡電路，抵消一部分無用組合頻率分量；采用負反饋技術。③輸入電壓：減小或，使器件工作在線性時變狀態，可以大量減少無用的組合頻率分量。二、線性時變工作狀態如果v2<<v1，則可以認為晶體管的工作狀態主要由VQ與v1決定，若在交變工作點(VQ+v1)處將輸出電流iC展開為冪級數，可以得到：

因為v2很小，故可以忽略v2的二次及以上各次諧波分量，由此簡化為：

iC≈f(VQ+v1)+f'(VQ+v1)v2=I0(t)+g(t)v2其中，I0(t)=I0(v1)=

f(VQ+v1)，g(t)=g(v1)=

f'(VQ+v1)I0(t)：v2=0時的電流值——時變靜態電流g(t)：電流對于電壓的變化率(電導)——時變電導它們均隨時間變化(因為它們均隨v1變化，而v1又隨時間變化)。I0(t)與g(t)均是與v2無關的參數，故iC與v2可看成一種線性關系，但是I0(t)與g(t)又是隨時間變化的——線性時變工作狀態。設v1=V1mcosω1t,v2=V2mcosω2t,在周期性電壓VQ+V1mcosω1t作用下，g(t)也是周期性變化的，所以可展開為傅里葉級數：g(t)=g0+gncosnω1t其中

可以看出：（1）iC中減少了許多組合頻率分量。|±pω1±ω2|(p=0,1,2,…)（2）無用分量與有用分量間隔可以很大，容易濾波。例1已知晶體二極管特性二極管工作在線性時變狀態用圖解法求和

二極管完全受v1的控制。開關工作狀態，是線性時變工作狀態的一種特例。足夠小足夠大半周余弦脈沖序列單向開關函數g(v)是一個常數gD,

g(t)是一個矩形脈沖序列gDV1m單向開關函數，它的傅里葉級數展開式為：i中的組合頻率分量進一步減少。二極管開關等效電路+-+-v1v2RDiDv1v2i例2

差分對管中，恒流源I0與v2是線性關系，I0=A+Bv2，A、B均為常數，v1=V1mcosω1t，v2=V2mcosω2t。分析輸出電流i=iC1-iC2中的頻率分量。解：根據三極管指數函數表達式v2I0受v2控制的差分對管同理可得所以非理想相乘令其中，差分對管的傳輸特性vv輸出電流中僅有ω1以及ω1，ω2的和頻與差頻，實現理想相乘。當，即，有近似公式雙向開關函數vv1VTVTvvx1>10是的波形當x1＞10時(V1m＞260mV)

，趨近于周期性方波，可近似用雙向開關函數K2(ω1t)表示：

i≈(A+BV2mcosω2t)K2(ω1t)K2(ω1t)中僅有ω1的奇次諧波分量，輸出電流中含有ω1的奇次諧波分量以及|±(2n-1)ω1±ω2|分量(n=1,2,3,…)。三、小結調制、解調與混頻電路是通信系統中的重要組成部分。從頻域的角度來看，它們都被稱為頻率變換電路。(1)非線性元器件實現頻率變換電路。(2)乘法器是頻率變換電路中廣泛應用的一種集成電路，它能夠產生和頻與差頻信號。(3)非線性器件的輸出是輸入兩信號頻率的各次諧波的組合分量。實際要求產生的組合頻率分量只是其中極少數。需要采取一些措施來減少或抑制輸出頻率中的無用組合分量。

平衡電路可抵消很大一部分無用頻率分量，工作在線性時變狀態的器件也可使輸出無用頻率分量大大減少。一、雙差分對平衡調制器由三個基本的差分電路組成4.2.2雙差分對平衡調制器和模擬相乘器缺點：(1)輸入信號動態范圍較小；(2)系數與溫度有關→溫度穩定性較差。非線性函數相乘實現理想相乘(1)問題：的動態范圍受到限制。怎樣擴展的動態范圍？為任意值非理想相乘（線性時變狀態）(2)實現開關工作(3)ie采用負反饋技術擴展的動態范圍i5i6當時，x的三次方及其以上各次方可忽略所以v2允許的最大動態范圍為

集成平衡調制器（MC1496/1596）三層晶體結構：(1)最高層T1~T4(2)中間層T5~T6(3)最底層T7~T9電流源MC1596構成的雙邊帶調制電路利用MC1596產生AM信號-8V二、雙差分對模擬相乘器擴展的動態范圍i1i2i3i4AB反雙曲正切函數電路IKA+VCCT7T8-BvABT9T10iC9-VEEv1+-RE1iC10iE7iE8iC7iC8BG314集成模擬乘法器的內部電路BG314集成模擬乘法器的外接電路三、大動態范圍平衡調制器AD630集電極調幅電路原理圖一、高電平調幅電路丙類諧振功放的調制特性分為基極調制特性和集電極調制特性。1.集電極調幅電路可以產生且只能產生普通調幅波，電路必須工作在過壓狀態。4.3振幅調制與解調電路4.3.1振幅調制電路集電極調幅電路基極調幅電路原理2.基極調幅電路三極管工作在欠壓狀態。調制信號vΩ與直流偏置電壓VBB0串聯起來，晶體管的基極直流偏置電壓VBB(t)=VBB0+vΩ(t)通過VBB(t)變化，控制Ico、Ic1m變化，從而實現調制。基極調幅電路二、低電平調幅電路一般置于發射機的初級，在功率電平較低的情況下進行調制，再由線性功率放大器放大調幅信號，得到所要求功率的調幅波。二極管調幅電路集成模擬乘法器調幅電路單二極管調幅電路二極管平衡調幅電路二極管環路調幅電路特點：電路簡單，性能優越穩定，調整方便。解調：從已調波中提取出調制信號的過程，調制的逆過程。解調又叫檢波。振幅調制的解調叫振幅檢波。從頻譜上看，解調也是一種信號頻譜的線性搬移過程，是將高頻端的信號頻譜搬移到低頻端。解調過程是和調制過程相對應的，不同的調制方式對應于不同的解調。4.3.2振幅解調電路振幅解調

包絡檢波

同步檢波

乘積型同步檢波

疊加型同步檢波

包絡檢波：指解調器輸出電壓與輸入已調波的包絡成正比。由于只有AM信號的包絡與調制信號成線性關系，因此包絡檢波只適用于AM波。t調幅波調幅波頻譜ωc+Ωωc-Ωωcω輸出信號頻譜Ωω包絡檢波輸出t非線性電路低通濾波器t調幅波t調幅波t調幅波包絡檢波輸出t包絡檢波輸出t包絡檢波輸出t由于DSB和SSB信號的包絡不同于調制信號，不能用包絡檢波器，只能用同步檢波器。但需注意同步檢波過程中，為了正常解調，必須恢復載波信號，而所恢復的載波必須與原調制載波同步（即同頻同相）。乘法器低通濾波器vDSBvrvo包絡檢波器加法器vDSBvrvovAM解調載波乘積型疊加型輸入調幅波的頻譜輸出信號的頻譜：電壓傳輸系數，又叫檢波效率VAVvotvovsvovs與vot一、二極管包絡檢波電路電容C兩端的電壓變化速率將遠大于包絡變化的速率，而遠小于高頻載波變化的速率。1.輸入電阻

檢波器的輸入阻抗就是中頻放大器的負載，它的大小直接影響中頻放大器的性能。檢波器輸入阻抗越大，檢波器對中頻放大器的影響越小。得：設輸入高頻等幅電壓：則輸出電壓：輸入高頻功率：輸出平均功率：從能量守恒原理近似求出：+-+-vO中放末級R1DRLC1CL1isvSRi中頻放大和檢波器級聯等效電路RE對前級（中放）影響↓檢波器的輸入電阻Ri等于輸入電壓振幅Vsm與二極管電流iD中的基波分量幅度ID1之比。三極管射極包絡檢波器保證大信號檢波的條件：包絡的最小值應大于檢波時所需的電壓。保證不產生頻率失真（線性失真）的條件：即低通濾波器的帶寬大于兩種特有的非線性失真：惰性失真和負峰切割失真。2.二極管包絡檢波電路中的失真

為了避免產生惰性失真，必須在任何一個高頻周期內，使電容C通過RL放電的速度大于或等于包絡的下降速度，即(1)惰性失真tvS(t),vO(t)vO(t)t1輸入信號為單音調制的AM波，在t1時刻其包絡的變化速度為t1時刻檢波器的輸出電壓VO1≈Vm0(1+MacosΩt1)。從t1時刻開始C通過RL放電規律為C通過RL放電速度為所以A是t1的函數，必須保證A值最大時，仍有Amax≤1。求得：不產生惰性失真的條件：在多音調制時：結論：調幅指數越大和調制信號的頻率越高，時間常數RLC的允許值越小。(2)負峰切割失真交流負載：直流負載：負峰切割失真又稱為底部切割失真。產生這種失真后，輸出電壓的波形如圖(c)所示。這種失真是當輸入調幅電壓的Ma較大時，檢波器的交直流負載不同引起的。

不失真的條件：

由上式可以看出，交流負載與直流負載越接近，可允許的調幅指數越大。兩種措施減小交直流負載之間的差別：(1)采用改進電路，將檢波器直流負載分成R1和R2兩部分。在直流負載不變的情況下，改進電路的交流負載比原電路增大。(2)在檢波器與下一級電路之間插入一級射隨器，即增大交流負載的值。通常，以免分壓過大使輸出到后級的信號減小過多。

二、同步檢波電路vr(或vDSB)vAMvoMC1596

上圖是用MC1596組成的乘積型同步檢波電路。普通調幅信號或雙邊帶調幅信號經耦合電容后從Y通道①、④腳輸入，同步信號vr從X通道⑧、10腳輸入。12腳單端輸出后經RC的π型低通濾波器取出調制信號vo。此電路的輸入同步信號可以是小信號，也可以是很大信號，分析方法與用作調幅電路時一樣。同步檢波電路與包絡檢波電路比較缺點：同步檢波電路復雜，需要一個同步信號。優點：檢波線性性好，不存在惰性失真和底部切割失真。

(1)各種調幅方式（普通調幅、雙邊帶調幅、單邊帶調幅）對于相同調制信號產生的已調波信號的時域波形不一樣，頻譜不一樣，帶寬不完全一樣，調制與解調的實現方式與難度不一樣。(2)混頻與調幅、檢波同屬于線性頻譜搬移過程，在工作原理上基本相同。(3)從時域上看，兩信號相乘是實現線性頻譜搬移的最直接方法，所以模擬乘法器是進行調幅、檢波和混頻的最常用器件。在有關專用集成電路里，具有相乘功能的雙差分電路是最