高頻電子線路Class15

高頻電子線路王軍wangjun@汕頭大學(xué)電子工程系第6章振幅調(diào)制、解調(diào)及混頻6.1振幅調(diào)制6.2調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)6.3混頻6.4混頻器的干擾擬授課學(xué)時(shí)：8學(xué)時(shí)6.1振幅調(diào)制調(diào)制(modulation):用調(diào)制信號(hào)去控制載波的某個(gè)參數(shù)的過(guò)程。調(diào)制信號(hào)：是攜帶信息的低頻信號(hào)，如聲音、圖象、數(shù)據(jù)等。載波：未受調(diào)制的高頻振蕩信號(hào)，如正弦波、方波、三角波等。已調(diào)波：已經(jīng)被調(diào)制過(guò)的高頻振蕩信號(hào)。解調(diào)(Demodulation):是從已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)原來(lái)調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。調(diào)制解調(diào)器Modem“貓”振幅調(diào)制是由調(diào)制信號(hào)去控制載波信號(hào)的振幅，使之按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。有以下幾種調(diào)幅方式：●AM調(diào)幅（AmplitudeModulation，縮寫(xiě)為AM)●雙邊帶調(diào)幅(DoublesidebandAM,縮寫(xiě)為DSB)●單邊帶調(diào)幅(SingleSideBandAM，縮寫(xiě)為SSB)●殘留單邊帶調(diào)幅(VestigialSingleSideBandAM,縮寫(xiě)VSB)6.1.1振幅調(diào)制信號(hào)分析AM調(diào)幅波的分析(1)表示式及波形設(shè)載波電壓為:(6-1)(6-4)(6-3)由此可得調(diào)幅信號(hào)的表達(dá)式為：調(diào)制電壓為一單音信號(hào)：(6-2)式中m稱做調(diào)制度，當(dāng)m<1時(shí)為適調(diào)制,m=1為全調(diào)制,m>1為過(guò)調(diào)制。ka是比例系數(shù)，稱為調(diào)制靈敏度,一般由調(diào)制電路確定.則調(diào)幅波表示式為：圖6-1和圖6-2畫(huà)出了單音和復(fù)雜調(diào)制信號(hào)下的調(diào)幅波的波形。(6-5)(6-6)上面的分析是在單一正弦信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)的情況下進(jìn)行的,而一般傳送的信號(hào)并非為單一頻率的信號(hào),例如是一連續(xù)頻譜信號(hào)f(t),這時(shí),可把調(diào)制信號(hào)分解為多次諧波的疊加，因此可用下式來(lái)描述調(diào)幅波:圖6-1單音調(diào)制時(shí)的信號(hào)波形圖6-2實(shí)際調(diào)制信號(hào)的調(diào)幅波形

為什么會(huì)出現(xiàn)這種波形?回顧功率放大器章節(jié),例如基極調(diào)制特性,83,Figure3-22峰-峰值

從圖6-1和圖6-2中可以看到，已調(diào)波的振幅隨調(diào)制信號(hào)線性變化，即調(diào)幅波的包絡(luò)線性正比于調(diào)制信號(hào)。另外從AM信號(hào)的表達(dá)式中，可以看出，要實(shí)現(xiàn)AM調(diào)幅，可用圖6-3的電路模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖6-3AM信號(hào)的產(chǎn)生原理圖+××+常數(shù)要求的幅度要小于1要求常數(shù)值值要大于的幅度。(2)調(diào)幅波的頻譜由圖6-1（c）可知,調(diào)幅波不是一個(gè)簡(jiǎn)單的正弦波形。在單一頻率的正弦信號(hào)的調(diào)制情況下,調(diào)幅波如式（6-3）所描述。將它用三角公式展開(kāi),可得:可以看出，經(jīng)過(guò)調(diào)制后，調(diào)幅波包含三種頻率分量。為載波分量ωc，上邊頻分量ωc+Ω和下邊頻分量ωc-Ω。兩邊頻幅度相等并與調(diào)制信號(hào)成正比，且對(duì)稱于載波頻率，調(diào)制信號(hào)的消息只包含在邊頻中。對(duì)于多頻信號(hào)的調(diào)制，調(diào)制信號(hào)的每個(gè)低頻分量也都必然會(huì)產(chǎn)生一對(duì)對(duì)稱與載波頻率的邊頻分量，從而組成了上下兩個(gè)邊帶。見(jiàn)圖3-5和圖3-6。(6-7)圖6-4單音調(diào)制時(shí)已調(diào)波的頻譜（a）調(diào)制信號(hào)頻譜（b）載波信號(hào)頻譜（c）AM信號(hào)頻譜圖6-5語(yǔ)音信號(hào)及已調(diào)信號(hào)頻譜（a）語(yǔ)音頻譜（b）AM信號(hào)頻譜上邊帶下邊頻下邊帶上邊頻從圖中可以看出，AM信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)和調(diào)制信號(hào)完全一樣，各分量的相對(duì)振幅和相對(duì)位置沒(méi)有改變。也就是說(shuō)，通過(guò)AM調(diào)制，把調(diào)制信號(hào)的頻譜從0附近線性地搬移到了載波兩側(cè)。對(duì)于單音信號(hào)調(diào)制，AM信號(hào)的頻帶寬度為：而對(duì)于多頻信號(hào)調(diào)制，AM信號(hào)的頻帶寬度為：(6-8)(6-9)(3)調(diào)幅波的功率當(dāng)把一個(gè)AM信號(hào)加在一個(gè)負(fù)載上時(shí)，在負(fù)載電阻RL上消耗的載波功率應(yīng)為各個(gè)頻率分量的功率之和。載波功率：邊帶功率：總的平均功率：邊帶功率和載波功率的比值為：即便是在m=1時(shí)，包含信息的邊帶功率也只占總功率的1/3，因此這種調(diào)幅方式效率很低，功率浪費(fèi)大。(6-10)(6-11)(6-12)(6-13)在負(fù)載電阻RL上,消耗的瞬時(shí)功率為：由此可見(jiàn),P是調(diào)制信號(hào)的函數(shù),是隨時(shí)間變化的。且最大值和最小值分別為：這個(gè)最大功率有可能大大超過(guò)總的平均功率，它限定了用于調(diào)制的功放管的額定輸出功率PH。因此在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，一定要以此來(lái)選擇功放管。保證：Pmax≤PH(6-15)(6-14)例6-1已知發(fā)射機(jī)的發(fā)射總功率Pav為504W，發(fā)射的AM調(diào)幅信號(hào)為uAM=Um(1+0.4cosΩ1t+0.6cosΩ2t)cosωct,請(qǐng)求（1）在未調(diào)制時(shí)的載波功率Pc，（2）邊帶功率PSB各為多少？解：根據(jù)已知條件得：2.雙邊帶信號(hào)(DSB)在調(diào)制過(guò)程中,將載波抑制就形成了抑制載波雙邊帶信號(hào),簡(jiǎn)稱雙邊帶信號(hào)。它可用載波與調(diào)制信號(hào)相乘得到,其表示式為:在單一正弦信號(hào)uΩ=UΩcosΩt調(diào)制時(shí),(6-16)圖6―6DSB信號(hào)波形

可以看出，DSB信號(hào)的特點(diǎn)為：

●DSB信號(hào)的包絡(luò)正比于調(diào)制信號(hào)的絕對(duì)值?！馜SB信號(hào)的相位在調(diào)制信號(hào)過(guò)零處要突變倒相180度?！袼缓猩?、下邊頻分量，載波分量被抑制掉了。帶寬和AM信號(hào)一樣。其實(shí)提示我們可以用檢測(cè)這種突變來(lái)實(shí)現(xiàn)解調(diào)的。而在數(shù)字通訊中經(jīng)常用到圖6-7單音調(diào)制時(shí)DSB信號(hào)的頻譜（a）調(diào)制信號(hào)頻譜（b）載波信號(hào)頻譜（c）AM信號(hào)頻譜

圖6-8語(yǔ)音信號(hào)及已調(diào)信號(hào)頻譜（a）語(yǔ)音頻譜（b）DSB信號(hào)頻譜雖然去掉了載波，但占用的頻帶范圍和AM一樣3.單邊帶信號(hào)(SSB)(1)單邊帶信號(hào)分析DSB信號(hào)具有上下兩個(gè)包含相同消息的邊帶，因此，從消息傳輸角度來(lái)看，可發(fā)送一個(gè)邊帶即可。這種方式稱做單邊帶調(diào)制。單邊帶（SSB）信號(hào)是由DSB信號(hào)經(jīng)邊帶濾波器濾除一個(gè)邊帶或在調(diào)制過(guò)程中,直接將一個(gè)邊帶抵消而成。單頻調(diào)制時(shí),uDSB（t）=kuΩuC。因此：當(dāng)取上邊帶時(shí)：當(dāng)取下邊帶時(shí)：(6-17)(6-18)

為了看清SSB信號(hào)波形的特點(diǎn),下面再分析雙音調(diào)制時(shí)產(chǎn)生的SSB信號(hào)波形。為分析方便。設(shè)雙音頻振幅相等,即：且Ω2＞Ω1,則可以寫(xiě)成下式:(6-19)(6-20)受uΩ調(diào)制的雙邊帶信號(hào)為:取上邊帶后(6-21)(6-22)包絡(luò)線形狀等效于單頻信號(hào)DSB調(diào)制決定了兩個(gè)DSB調(diào)制的包絡(luò)線形狀,可見(jiàn)這兩者之間的包絡(luò)線形狀相同,唯一有區(qū)別的是載波信號(hào)不同而已。(6-23)把式(6-22)和(6-20)比較發(fā)現(xiàn)，對(duì)于雙音頻調(diào)制，SSB信號(hào)的包絡(luò)也與調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)相同，但頻率隨調(diào)制信號(hào)頻率改變。調(diào)制信號(hào)的每個(gè)分量都產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)的邊帶信號(hào)分量。因此可以看出SSB信號(hào)的特點(diǎn)：

●SSB信號(hào)包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)相同?！駧捴皇茿M和DSB信號(hào)帶寬的一半?！馭SB信號(hào)的填充頻率已不是載波頻率，而隨調(diào)制信號(hào)頻率的變化而變化。振幅與調(diào)制信號(hào)的振幅成線性關(guān)系進(jìn)一步展開(kāi)得：圖6-9和圖6-10分別是單音和雙音調(diào)制時(shí)的SSB信號(hào)波形和頻譜。僅有和頻分量,單邊帶圖6-10雙音調(diào)制時(shí)SSB信號(hào)的波形和頻譜圖6-9單音調(diào)制時(shí)SSB信號(hào)的波形和頻譜單頻信號(hào)SSB調(diào)制之后僅僅是頻率變快了包絡(luò)形狀相同,不同的是填充的頻率變化了(2)多頻率分量調(diào)制的SSB信號(hào)分析對(duì)于單邊帶信號(hào)：由此可以推出uΩ(t)=f(t)時(shí),即一般情況下的SSB信號(hào)表達(dá)式(6-24)(6-25)(6-26)因果濾波器/物理可實(shí)現(xiàn)的濾波器的FourierTransform(傳遞函數(shù))的實(shí)部和虛部互為HilbertTransform濾波器由于(6-28)(6-27)sgn(ω)是符號(hào)函數(shù),可得f(t)的傅里葉變換為：所以通過(guò)把調(diào)制信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換，然后用乘法器與加法器就可以實(shí)現(xiàn)SSB調(diào)制。圖6―11希爾伯特變換網(wǎng)絡(luò)及其傳遞函數(shù)

根據(jù)階躍函數(shù)的Fourier變換和反變換公式很容易得到Hilbert濾波器為全通、倒相濾波器圖6-12語(yǔ)音調(diào)制的SSB信號(hào)頻譜(a)DSB頻譜(b)上邊帶頻譜(c)下邊帶頻譜從該圖看不出全通倒相位濾波的效果6.1.2振幅調(diào)制電路

1.AM調(diào)制電路AM信號(hào)的產(chǎn)生可以采用高電平調(diào)制和低電平調(diào)制兩種方式完成。高電平調(diào)幅就是在功率電平比較高的級(jí)中完成調(diào)制；而低電平調(diào)幅就是在功率電平比較低的級(jí)中完成調(diào)制。目前,AM信號(hào)大都用于無(wú)線電廣播,因此多采用高電平調(diào)制方式。(1)高電平調(diào)制主要用于AM調(diào)制,這種調(diào)制是在高頻功率放大器中進(jìn)行的。通常分為基極調(diào)幅、集電極調(diào)幅以及集電極基極(或發(fā)射極)組合調(diào)幅調(diào)制和功放在一級(jí)完成，不需要再額外加功放，直接可以接天線發(fā)送出去▲集電極調(diào)幅

集電極調(diào)幅就是用調(diào)制信號(hào)來(lái)改變集電極電源電壓，使ic的基波振幅線性地隨調(diào)制信號(hào)變化.因此，根據(jù)丙類高頻功放的調(diào)制特性，功放必須工作在過(guò)壓狀態(tài)。圖6-13集電極調(diào)幅電路自偏壓方式的基極饋電對(duì)低頻信號(hào)相當(dāng)于短路對(duì)低頻信號(hào)相當(dāng)于開(kāi)路圖6―13集電極調(diào)幅的波形▲基極調(diào)幅基極調(diào)幅就是用調(diào)制信號(hào)改變丙類功放的基極偏壓，當(dāng)在欠壓狀態(tài)時(shí)，集電極電流的基波振幅將線性隨遍壓即隨調(diào)制信號(hào)而變化。因此，基極調(diào)幅時(shí)功放應(yīng)工作在欠壓狀態(tài)。圖6―14基極調(diào)幅電路

基極分壓提供靜態(tài)偏置,但仍然使得晶體管處于丙類放大穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)低頻調(diào)制信號(hào)來(lái)說(shuō)C1,CB,C2,C3,C4,C5斷路,LB1短路,負(fù)載短路,與載波相連的變壓器次級(jí)電感短路圖6―15基極調(diào)幅的波形(2)低電平調(diào)制

①二極管電路。圖6―16單二極管調(diào)制電路及頻譜用單二極管電路和平衡二極管電路作為調(diào)制電路,都可以完成AM信號(hào)的產(chǎn)生,圖6―16(a)為單二極管調(diào)制電路。H(jω)為一帶通濾波器。當(dāng)UC>>UΩ時(shí),可知,流過(guò)二極管的電流iD為:帶通濾波器BPF如果調(diào)諧回路對(duì)ωc+Ω、ωc+Ω和ωc調(diào)諧，則在輸出將產(chǎn)生AM調(diào)幅電壓輸出。從式(6-29)可以看出，該電路不能產(chǎn)生DSB信號(hào)（Why?）;如果把調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)調(diào)換位置，并使UC<<UΩ時(shí),會(huì)產(chǎn)生ωc+(2n+1)Ω和ωc-(2n+1)Ω頻率分量，且頻率間隔只為2Ω，這對(duì)濾波器來(lái)說(shuō)要抑制無(wú)用分量是很困難的。(6-29)要濾去載波信號(hào),濾波器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為一個(gè)沖擊函數(shù),濾波器系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)在時(shí)域?yàn)橐粋€(gè)常數(shù)=>非因果的系統(tǒng),物理不可實(shí)現(xiàn)的②利用差分對(duì)電路產(chǎn)生普通調(diào)幅波圖6–17是一個(gè)單差分對(duì)AM調(diào)幅電路。用調(diào)制信號(hào)控制差分對(duì)的靜態(tài)電流。且輸出濾波器是一個(gè)帶通濾波器。它的差動(dòng)輸出電流為：圖6–17單差分對(duì)AM調(diào)幅電路式中,m=UΩ/Ee,x=UC／VT。若集電極濾波回路的中心頻率為fc,帶寬為2F,諧振阻抗為RL,則經(jīng)濾波后的輸出電壓:該電路作為AM調(diào)制器時(shí)，可以單端輸出，也可以雙端輸出。圖6-18是電路的工作波形。(6-30)(6-31)書(shū)本Page.161頁(yè)公式5-70和5-71C圖6―18差分對(duì)AM調(diào)制器的輸出波形相當(dāng)于一個(gè)“可變?cè)鲆妗钡牟罘址糯箅娐?，放大器的增益受調(diào)制信號(hào)控制③利用集成模擬乘法器進(jìn)行AM調(diào)幅·輸出uo圖6―19(a)利用模擬乘法器BG314產(chǎn)生AM信號(hào)

補(bǔ)償失調(diào)電壓+15V擴(kuò)展線形范圍調(diào)整調(diào)制度調(diào)整靜態(tài)電流可單端或雙端輸出有錯(cuò)：應(yīng)該加一個(gè)耦合電容圖6―19(b)利用MC1596產(chǎn)生AM信號(hào)

擴(kuò)展線性范圍調(diào)整調(diào)制度改為10K時(shí)，可實(shí)現(xiàn)DSB2.DSB調(diào)制電路(1)二極管調(diào)制電路單二極管電路只能產(chǎn)生AM信號(hào),不能產(chǎn)生DSB信號(hào)。二極管平衡電路和二極管環(huán)形電路可以產(chǎn)生DSB信號(hào)。①二極管平衡DSB調(diào)制器在圖6-20中，UC>>UΩ，變壓器的變比為1:1。圖6―20二極管平衡DSB調(diào)制電路在忽略了負(fù)載的影響后iL中包含F(xiàn)分量和(2n+1)fc±F(n=0,1,2,…)分量,若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(6-32)(6-33)

顯然，二極管平衡電路中的調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)不能互換位置，否則不能得到DSB信號(hào)。若互換則呢？能得到AM信號(hào)嗎？圖6―21二極管平衡DSB調(diào)制器波形濾波之后的波形圖6―22平衡調(diào)制器的一種實(shí)際線路圖2-22是一種實(shí)用電路，省略了低頻變壓器和輸出變壓器，調(diào)制信號(hào)反相、載波信號(hào)同相加到兩個(gè)二極管上，流過(guò)RL的電流仍然是兩管電流之差。C2、C3用來(lái)平衡結(jié)電容，而R2用來(lái)平衡二極管導(dǎo)通電阻。大信號(hào)高頻載波信號(hào)作用時(shí)該電路的優(yōu)點(diǎn)是？易于調(diào)整，使得兩個(gè)回路平衡②二極管雙平衡DSB調(diào)制器為進(jìn)一步減少組合分量,可采用雙平衡調(diào)制器(環(huán)形調(diào)制器)，如圖（6-23）。圖6―23雙平衡調(diào)制器電路及波形經(jīng)濾波后,有輸出電流(6-34)(6-35)

這種平衡調(diào)制期不能用來(lái)產(chǎn)生AM信號(hào)。但調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)可以互換位置。位置互換對(duì)濾波器的要求提高了③橋式DSB調(diào)制器圖6―24雙橋構(gòu)成的環(huán)形調(diào)制器該電路由上下兩個(gè)橋構(gòu)成一個(gè)環(huán)行調(diào)制器，uC對(duì)兩個(gè)橋是反相的，uC>0時(shí)上橋路導(dǎo)通，uC<0時(shí)下橋路導(dǎo)通。調(diào)制電壓反相加于兩橋的另一對(duì)角線上。高頻小信號(hào)放大器設(shè)兩橋路中的所有二極管都一樣，導(dǎo)通電阻為rd,則：輸出諧振回路的諧振頻率為fc，頻寬為2F，那么輸出電壓為：(6-36)(6-37)忽略晶體管輸入阻抗（為什么可以忽略？）(2)差分對(duì)調(diào)制器①單差分對(duì)調(diào)制器在單差分電路(圖6―7)中,將載波電壓uC加到線性通道,調(diào)制信號(hào)uΩ加到非線性通道,則雙端輸出電流io(t)為:式中,I0=Ee/Re,m=UC/Ee,x=UΩ/VT。經(jīng)濾波后的輸出電壓uo(t)為:(6-38)(6-39)

單差分對(duì)做DSB調(diào)制時(shí)，必須采用雙端輸出，否則只能得到AM信號(hào)(Why?)。圖6―24是差分對(duì)DSB調(diào)制器的波形

電源的變化相當(dāng)于共模信號(hào)變化,而單輸出能不能抑制共模信號(hào)?與AM比較有什么區(qū)別？圖6―25差分對(duì)DSB調(diào)制器的波形

②雙差分對(duì)DSB調(diào)制器圖6―26雙差分調(diào)制器實(shí)際線路是彩色電視機(jī)中的實(shí)際電路。雙差分對(duì)電路的差動(dòng)輸出電流為：若UΩ、UC均很小,且uA=uC，uB=uΩ，上式可近似為:因此此時(shí)可看作一個(gè)模擬乘法器，uC，uΩ可以互換位置，與信號(hào)加入方式無(wú)關(guān)，可以單端和雙端輸出。(6-40)(6-41)圖6―26雙差分調(diào)制器實(shí)際線路

V7,V8恒流源W4調(diào)整V5、V6平衡，防止副載頻泄露W2調(diào)整V1~V4平衡，防止視頻泄露擴(kuò)展線性范圍的，引入了負(fù)反饋復(fù)合管利用雙差分集成平衡調(diào)制器MC1596和模擬乘法器BG314等電路，也可以實(shí)現(xiàn)DSB調(diào)制，而且具有工作頻帶寬、輸出信號(hào)頻譜較純、動(dòng)態(tài)范圍大、使用方便、性能可靠等特點(diǎn)。見(jiàn)圖6-19(書(shū)本圖6-18)中，只要把直流疊加電平去掉，就可以實(shí)現(xiàn)DSB調(diào)制?！ぽ敵鰑o去掉去掉3.SSB調(diào)制電路SSB信號(hào)是將雙邊帶信號(hào)濾除一個(gè)邊帶形成的。根據(jù)濾除方法的不同,SSB信號(hào)產(chǎn)生方法有好幾種,主要有濾波法和移相法兩種。(1)濾波法圖6―27是采用濾波法產(chǎn)生SSB的基本原理框圖。這種方法是通過(guò)濾波器，把DSB信號(hào)的一個(gè)邊帶濾除。圖6―27濾波法基本原理框圖。

但是這種簡(jiǎn)單的方法不能把低頻信號(hào)直接調(diào)制頻率比較高的載波。因?yàn)槿魏我粋€(gè)濾波器的品質(zhì)因數(shù)都是一定的，當(dāng)用比較低的調(diào)制信號(hào)去調(diào)幅時(shí)，使得相對(duì)頻寬非常小，即意味著要很大的Q值。例