第6章振幅調制、解調及混頻

6.1振幅調制6.2調幅信號的解調6.3混頻

熟練掌握振幅調制原理與實現電路；掌握振幅解調的原理和解調電路以及混頻原理。重點：振幅調制與解調原理以及實現電路。難點：振幅調制與解調原理、調制解調電路的性能參數理解。學習目的重點難點6.1振幅調制

（amplitudemodulation）

調制（modulation）：要傳送的信號（調制信號）附加到高頻振蕩信號（載波信號）上去，形成已調信號。為什么要調制呢？四不許！

四不許：低頻信號直接發送，天線長的離譜！－－第一不許！信號的頻率變化范圍大，導致天線和諧振回路參數應該在很寬的范圍內變化，太困難！－－第二不許！發射音頻信號，發射機工作于同一頻率范圍，接收多個節目，導致無法加以選擇。結果無法接受－－第三不許！直接發送，信道利用率極低－－第四不許！結論：必須調制！

調制原理：利用調制信號去控制載波信號的某一參數。可控參數有幅度（振幅調制）、頻率（頻率調制:frequencymodulation）、相位（相位調制:phasemodulation）。解調(demodulation)：反解調，又稱檢波(detection

)。振幅調制(三類)：普通振幅調制（amplitudemodulation,AM）；抑制載波雙邊帶調制(doublesidebandmodulation–suppressedcarrier,DSB-SC)；單邊帶調制(singlesidebandmodulation-SC,SSB-SC)。6.1.1振幅調制信號分析1.調幅波的分析

1)數學表示式及波形（調制信號：單頻正弦信號）設載波信號電壓為:

調制信號電壓為:（6―1）

（6―2）

已調信號的振幅隨調制信號uΩ線性變化：調制靈敏度ka：為比例系數,調制電路確定。調幅波信號的表達式：（6―3）

（6―5）

調幅度（調制度）m：振幅ΔUC=kaUΩ與載波振幅之比。范圍：m<=1。如果m>1，過調制失真。調制信號為連續頻譜信號f（t），則調幅波:

（6―6）

(6―4)

如果將調制信號分解為：則調幅波表示式為：(6―7)

2)調幅波的頻譜單一頻率的正弦信號的調制情況下，調幅波：將上式用三角公式展開，可得：(6―8)頻譜分析：單一頻率的正弦信號的已調制波：三個分量也即：中心頻率：只含載波分量。上邊頻，下邊頻：包含了調制信號的幅度和頻率信息。帶寬：2F。多頻信號：上下邊頻帶。屬于線性頻譜搬移。帶寬：2Fmax。

3）調幅波的功率調幅波的功率：載波功率，最大功率，和最小功率以及平均功率。在負載電阻RL上消耗的載波功率：(6―9)在負載電阻RL上，一個載波周期內調幅波消耗的功率：調幅波的最大功率和最小功率:(6―10)

上、下邊頻的平均功率均：AM信號的平均功率:

(6―11)

(6―12)結論：AM波的平均功率為載波功率與兩個邊帶功率之和。兩個邊頻功率與載波功率的比則為：結論：變頻功率所占比重很小，<=1/3。優點：設備簡單，易于實現；頻帶窄。缺點：效率低。邊頻功率

載波功率

2.雙邊帶信號抑制載波雙邊帶：載波與調制信號相乘得到：在單一正弦信號uΩ=UΩcosΩt調制時,有：（6―16）

（6―15）

與AM比較：包絡不同：AM正比于調制信號f（t），雙邊帶則正比于|f(t)|.相位：DSB信號在調制電壓零處要突變1800，即調幅有調相。頻譜：消除了載波頻率部分。效率：大大提高。3.單邊帶信號單邊帶（SSB）信號：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。單頻調制時，uDSB（t）=kuΩuC。當取上邊帶時：（6―17）（6―18）取下邊帶時：單邊帶（SSB）信號分析：是一等幅波，但幀幅和頻率發生了變化。頻譜：只有一邊帶頻率信號。優點：效率極高。缺點：實現復雜。

6.1.2振幅調制電路

（amplitudemodulationcircuit）調制實現：只要包含乘積項即可實現，如二極管電路（單、平衡、環形）、差分對電路（單、雙、模擬乘法器）。

調制分類：高電平調制和低電平調制。高電平調制(highlevelmodulation)：功放和調制二合一。AM調制。低電平調制(lowlevelmodulation)

：功放和調制分開。先調后放。

1、AM調制電路實現方法：

高電平調制和低電平調制。

1)高電平調制在高頻功率放大器中進行的。通常分為基極調幅、集電極調幅以及集電極基極(或發射極)組合調幅。集電極調幅。集電極偏置電壓：Ec=Ec0+uΩ，過壓狀態下，集電極電流基波分量Ic1與集電極偏置電壓Ec成線性關系。集電極調制的特點：效率高，大功率發射機中。基極調幅：Eb=Eb0+uΩ，欠壓狀態下，集電極電流基波分量Ic1與基電極偏置電壓Eb成線性關系。基極調制特點：工作于欠壓狀態；效率低，小功率發射機中。

2)低電平調制

二極管電路：用單二極管電路和平衡二極管電路作為調制電路。單二極管電路：u1=uΩ,u2=uC,且UC>>UΩ時，流過二極管的電流iD:（P150）濾波器H(jw)：中心頻率wc，帶寬2F。(6―29)二極管平衡電路：u1=uC,u2=uΩ,且UC>>UΩ時，濾波器H(jw)：中心頻率wc，帶寬2F。(5－44)

(2)模擬乘法器產生普通調幅波。(P147)

模擬乘法器：單差分對和雙差分對電路，集成模擬乘法器（BG314、MC15496）。單差分對電路：伏安特性(6―30)

若將uC加至uA，uΩ加到uB，則有：其中，m=UΩ/Ee，x=UC／VT。(調制過程)(6―31)

濾波回路的中心頻率為fc，帶寬為2F，諧振阻抗為RL，則經濾波后的輸出電壓：雙差分對電路（模擬乘法器）：采用BG314、MC15496模擬乘法器實現。2.DSB調制電路

1)二極管調制電路實現電路：二極管平衡電路和二極管環形電路。平衡電路：

u1=uΩ,u2=uC

,且UC>>UΩ時(6―33)

輸出濾波器的中心頻率為fc，帶寬為2F，諧振阻抗為RL，則輸出電壓為：(6―33)

2)差分對調制器與AM不同：將uC加至uB，uΩ加到uA，則有：(6―39)

經濾波后的輸出電壓uo(t)：(6―40)

3.SSB調制電路SSB信號是將雙邊帶信號DSB濾除一個邊帶形成的。產生方法主要有濾波法和移相法兩種。濾波法（filteringmethod

）：DSB濾掉一個邊帶，留下一個邊帶。濾波器要求很高。（原理）移相法（phase-shiftmethod）：適當的移項，在相加時實現邊帶的抑制。移相網路要求高。

（原理）振幅調制實現電路總結AM:高電平調制（基極調制和集電極調制）和低電平調制（單二極管、平衡二極管、差分對電路、模擬乘法器）實現。環形電路無法實現。DSB：低電平調制（平衡二極管、環形電路、差分對電路、模擬乘法器）實現。單二極管無法實現。SSB：DSB實現基礎上，濾波器法和移相法實現。6.2調幅信號的解調

6.2.1調幅解調的方法振幅解調方法：包絡檢波(envelopedetection)和同步檢波(synchronousdetection)

。包絡檢波：解調器輸出電壓與輸入已調波的包絡成正比的檢波方法。只適用于AM波。同步檢波：兩個輸入（一個：DSB或者SSB，第二個：插入載波或恢復載波），一個輸出。

6.2.2二極管峰值包絡檢波器

1．原理電路及工作原理電路組成：輸入回路、二極管VD和RC低通濾波器。RC電路作用：負載；旁路作用。則應滿足：理想狀態，RC阻抗Z應為：二極管串聯型大信號峰值包絡檢波器：各部分串聯，工作在大信號狀態(>0.5V)，獲取峰值包絡。工作過程：二極管導通：電源經過二極管給電容充電。此時充電時常rDC。充電快。二極管截至：電容給電阻放電。放電時常RC，放電慢。再次導通，充電。再次截至，放電。交替進行。且很快到達平衡狀態。結論：檢波過程：即信號源通過二極管給電容充電與電容對電阻R放電的交替重復過程。充電常數：其過程是放電時RC，慢；充電時rDC，快。二極管導通處為輸入電壓的峰值附近，故稱為峰值包絡檢波(peakenvelopedetection)。二極管電流iD為一窄脈沖序列，包含平均分量Iav及高頻分量。Iav也即直流分量。Iav在R上獲得平均電壓Uav（Udc

）。高頻分量被旁路電容旁路，但會殘留很小的高頻電壓，即輸出電壓uo=Uav+。(輸出電壓)輸入AM信號：輸出電壓波形與輸入信號包絡形狀相同。平均電壓有直流分量和低頻分量（調制信號）。Uo（t）＝Uav

＝Udc＋uΩ低頻分量輸出：隔直電容；負載電阻。獲取調制信號。直流分量輸出：低通濾波器。獲取載波的振幅信號。RC的選擇：太小不行：放電快，高頻波紋快，平均電壓下降。太大也不行：放電慢，導致跟蹤峰值不上，造成失真（惰性失真）。2．性能分析

1)傳輸系數Kd(transmissioncoefficient)檢波器傳輸系數Kd：檢波系數、檢波效率，描述檢波器對輸入已調信號的解調能力或效率的一個物理量。Kd定義：(6―43a)

(6―43b)由二極管折線近似分析法可證明：

Kd＝UO/Um＝cosθ當gDR>=50,有結論：電路一定，θ恒定，Kd一定，也即傳輸系數與輸入信號大小無關。θ越小，Kd越大，且當gDR>=50，Kd>0.9。

2)輸入電阻Ri(inputimpedance

)

檢波器的輸入阻抗：輸入電阻Ri，輸入電容Ci。輸入電阻Ri：輸入載波電壓的振幅Um與檢波器電流的基頻分量振幅I1之比值，即在一定條件下，根據能量守恒，輸入電阻Ri與R關系：(6―52)性能分析總結從傳輸系數Kd分析：R越大，檢波效率就越高。想要大R！從等效輸入電阻Ri分析：R越大，等效輸入電阻Ri就越大，對上級影響就越小。想要大R！從高頻殘留濾除分析：C越大，高頻波紋就越小。想要大C！

結論：RC越大越好！非也！

3．檢波器的失真兩種失真：惰性失真(inertdistortion

)；底部切削失真(bottomcuttingdistortion

)。

1)惰性失真原因：輸入AM信號的包絡下降速度大于電容C兩端放電速度。調幅度和調制頻率有關。解決辦法：只需使電容C放電速度大于或等于包絡的下降速度。不失真條件如下:結論：調制度和調制信號頻率越大，則要求RC越小。工程檢驗公式：

2)底部切削失真造成原因：Cg很大，就會在兩端建立起直流電源UC，其值近似等于載波電壓振幅。在R上產生分壓UR，此直流分壓反過來影響二極管的工作狀態。分析：直流負載：R==R;交流負載：RgR/R+Rg。

(6―62)

調幅波的最小幅度為UC(1-m),

要避免底部切削失真,應滿足:(6―63)(6―64)總結RC回路實現在峰值包絡檢波器中作用必須滿足條件：消除惰性失真，必須滿足：要滿足不底部切削失真，必須滿足：

6.2.3同步檢波

方法分類：乘積型(productmodel

)和疊加型(superpositionmodel)。

1．乘積型輸入信號為DSB信號：us=UscosΩtcosωct，本地恢復載波：ur=Urcos(ωrt+φ)。相乘可得：(6―72)

(6―73)

經低通濾波器的輸出，且考慮ωr-ωc=Δωc在低通濾波器頻帶內，有：發射載波和恢復載波同頻同相,即ωr=ωc,φ=0

：

(6―74)

(6―75)

如果恢復載波與發射載頻有一定的頻差，即ωr=ωc+Δωc若有一定的相差：實現辦法：乘法器。

(6―76)

6.3混頻6.3.1混頻(mixing)的概述

功能：獲取一個新的頻率信號。頻域加減法器。產生：兩個輸入電壓：輸入信號us（fc

）和本地振蕩信號uL（fL

）

。一個輸出信號為uI（中頻信號），中頻fI，fI=fL±fc。特點：頻譜結構同。線性搬移。中頻：上變頻：高中頻，即取和頻。下變頻：低中頻，即取差頻。實現：頻譜搬移電路。調制、解調和混頻都屬于頻譜搬移。

2．混頻器的工作原理輸入已調信號us：us=UscosΩtcosωct

本振電壓uL：

uL=ULcosωLt

其乘積：中頻信號獲取：信號通過帶通濾波器即可獲得。(6―85)(6―86)

3．混頻器的主要性能指標主要性能指標：變頻增益，噪聲系數，失真和干擾，變頻壓縮特性，選擇性。變頻增益(conversiongain)：變頻電壓增益和變頻功率增益。變頻電壓增益：變頻功率增益：分貝數表示：物理意義：變換為中頻的能力。

(6―89)

(6―90)(6―91)

噪聲系數：混頻器的噪聲系數NF定義為物理意義：混頻器的引入噪聲影響。其值越小越好。選擇性(selectivity)：輸出只留下中頻信號，其它干擾信號全部濾掉。輸入信噪比(信號頻率)

輸出信噪比(中頻頻率)

(