《高頻電路原理與應(yīng)用》課件第6章

第6章振幅調(diào)制、解調(diào)及混頻

6.1概述6.2振幅調(diào)制6.3振幅調(diào)制信號(hào)的解調(diào)6.4混頻電路6.5調(diào)幅收音機(jī)實(shí)例本章小結(jié)思考題與習(xí)題在通信和廣播、電視發(fā)送系統(tǒng)中，為了有效地實(shí)現(xiàn)信息傳輸和信號(hào)處理，廣泛地采用了各種頻譜變換電路(或稱頻率變換電路和頻譜搬移電路)。此類電路具備將輸入信號(hào)頻譜進(jìn)行變換，以獲取具有所需頻譜的輸出信號(hào)的功能，是通信系統(tǒng)最基本的單元電路。根據(jù)頻譜變換的不同特點(diǎn)，頻譜變換電路分為頻譜線性變換電路和頻譜非線性變換電路。頻譜線性變換電路的特點(diǎn)是輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的頻譜具有簡(jiǎn)單線性關(guān)系；從頻域看，在頻譜搬移的過程中，輸入信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，即搬移前后各頻率分量的比例關(guān)系不發(fā)生變化，只是將輸入信號(hào)頻譜沿頻率軸進(jìn)行不失真的線性搬移。振幅調(diào)制與解調(diào)、混頻電路就是典型的頻譜線性搬移電路。頻譜非線性變換電路的特點(diǎn)是輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的頻譜不再是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，也不是頻譜的簡(jiǎn)單搬移，而是在搬移過程中將輸入信號(hào)頻譜進(jìn)行特定的非線性變換，變換前后譜結(jié)構(gòu)不同，如調(diào)頻與鑒頻電路，調(diào)相與鑒相電路都屬于這種類型的電路。對(duì)于頻譜變換電路而言，不論頻譜如何搬移，輸出信號(hào)的頻率分量總與輸入信號(hào)的頻率分量不盡相同，即有新的頻率分量產(chǎn)生，所以頻譜搬移過程必須利用非線性器件才能實(shí)現(xiàn)?？梢?，頻譜變換電路屬于非線性電路。常見的進(jìn)行頻率變換的非線性器件有二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管以及模擬相乘器。它們都是具有相乘特性的非線性器件，可作為乘法器使用，因此可把頻率變換歸結(jié)為兩個(gè)信號(hào)相乘的結(jié)果。通常頻譜變換電路分類見圖6.1。本章討論的是頻譜線性變換電路中的振幅調(diào)制與解調(diào)和混頻電路。圖6.1頻譜變換電路分類6.1概述

6.1.1調(diào)制、解調(diào)原理

通信的主要任務(wù)就是將各種信息(包括語(yǔ)言、文字、圖像和數(shù)據(jù)等)由發(fā)送者傳遞給接收者，以達(dá)到無失真?zhèn)魉托畔⒌哪康?。?duì)于無線通信方式而言，根據(jù)電磁場(chǎng)理論可知，只有天線長(zhǎng)度與電信號(hào)的波長(zhǎng)相比擬時(shí)(L≈λ/4)，電信號(hào)才能以電磁波形式有效地通過天線向外輻射，這就要求被發(fā)送的電信號(hào)必須有足夠高的頻率或采用尺寸足夠大的天線。由于要傳送的信號(hào)多為基帶信號(hào)，其信號(hào)的頻率較低，最高也只有幾千赫茲。對(duì)于這種電信號(hào)通過增加天線的長(zhǎng)度來進(jìn)行有效地發(fā)送是難以想象的。即使那么長(zhǎng)的天線能夠制造出來，但由于各電臺(tái)都用幾乎同樣的頻率發(fā)射，在空間會(huì)形成干擾，接收端也無法收到需要的信號(hào)。為了解決這些問題，就需要將低頻信號(hào)搬移到不同的高頻段，以實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用。這樣可以利用頻率較高的載波將待發(fā)送的低頻信號(hào)“攜帶”到空間中去，并且不同的電臺(tái)采用不同頻率的高頻載波，使得在同一信道中傳送的大量電磁波由于頻分復(fù)用而不會(huì)相互干擾。接收者通過選擇從空間接收到所需高頻電磁波后，再將低頻信號(hào)從接收信號(hào)中提取出來，并變換成原始低頻信號(hào)。這樣的過程就實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)。有線通信雖然可以傳輸語(yǔ)音類的低頻信號(hào)，但一條信道只允許傳輸一路信號(hào)，信道利用率很低，所以有線通信中也需要將各路語(yǔ)音信號(hào)搬移到不同的頻段，采用頻分復(fù)用的“多路通信”技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)經(jīng)一根導(dǎo)線傳輸而又互不干擾。因此，無論是無線通信還是有線通信都要使用頻分復(fù)用技術(shù)，也就是都要進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)而在接收端都需要解調(diào)。調(diào)制過程是將包含信息的基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸?shù)念l帶信號(hào)的過程，也就是在發(fā)射端將要傳送的低頻信號(hào)“加載”到高頻信號(hào)上，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播的過程。此方式便于天線發(fā)送或?qū)崿F(xiàn)不同信號(hào)源、不同系統(tǒng)的頻分復(fù)用。通常將未調(diào)制的高頻信號(hào)稱為載波信號(hào)，將低頻或視頻信號(hào)(基帶信號(hào))稱為調(diào)制信號(hào)，將調(diào)制后的高頻信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。一般來說，高頻載波電壓(電流)可用簡(jiǎn)諧波來表示，其數(shù)學(xué)表示式為

a(t)=Acosφ(t)=Acos(ωt+φ0)

(6.1)式中，A是正弦波的振幅，ω是角頻率，φ(t)是瞬時(shí)相位，φ0是初相角。任何一個(gè)正弦波都有三個(gè)基本參數(shù)：幅度、頻率和初相位，它們都是常數(shù)，本身不包含要傳輸?shù)娜魏涡畔?。因此，調(diào)制實(shí)際上就是用待傳輸?shù)恼{(diào)制信號(hào)去控制一個(gè)等幅的載波信號(hào)的某個(gè)參數(shù)，使該參數(shù)按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化(該參數(shù)的變化規(guī)律與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系)。這樣，已調(diào)波就是一個(gè)帶有調(diào)制信號(hào)特征或者包含調(diào)制信號(hào)信息的高頻振蕩信號(hào)。解調(diào)是在接收端將已調(diào)信號(hào)從高頻段變換到低頻段，恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)的過程。它是調(diào)制的逆過程。幅度調(diào)制的解調(diào)簡(jiǎn)稱檢波，實(shí)現(xiàn)解調(diào)的裝置叫解調(diào)器或檢波器。從頻譜變換的角度來看，不論是調(diào)制還是解調(diào)，其實(shí)質(zhì)都是在功能實(shí)現(xiàn)的過程中發(fā)生了頻率變換，產(chǎn)生了新的頻率分量。本章討論的調(diào)幅、檢波和混頻電路在頻譜線性搬移的過程中，變換前后信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化(即各分量的頻率間隔和相對(duì)幅度保持不變)，只是頻率位置發(fā)生改變，這說明變換前后信號(hào)所包含的有用信息不變。由于調(diào)幅和檢波都可以歸結(jié)為兩個(gè)信號(hào)相乘的結(jié)果，所以只要兩個(gè)信號(hào)共同作用于具有相乘特性的非線性器件上，將產(chǎn)生無數(shù)個(gè)新的頻率分量，經(jīng)過特定的選頻網(wǎng)絡(luò)選頻，就可實(shí)現(xiàn)調(diào)幅與檢波。這就是調(diào)幅與檢波的基本工作原理。實(shí)際上，這一原理也適用于混頻。6.1.2調(diào)制的分類

調(diào)制方式有很多種類型，常見的調(diào)制方式分類如下：

1.模擬調(diào)制

模擬調(diào)制是指調(diào)制信號(hào)為連續(xù)變化的模擬信號(hào)時(shí)的調(diào)制方式，又根據(jù)載波是連續(xù)的正弦信號(hào)，還是離散的矩形脈沖序列，分正弦波調(diào)制和脈沖調(diào)制兩大類。

1)正弦波調(diào)制正弦波調(diào)制也稱連續(xù)波調(diào)制，是以高頻正弦波為載波，用低頻調(diào)制信號(hào)分別去控制正弦波的振幅、頻率或相位三個(gè)參量，分別得到調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)。

(1)振幅調(diào)制：由調(diào)制信號(hào)去控制載波振幅，使已調(diào)信號(hào)的振幅隨調(diào)制信號(hào)線性變化，也稱幅度調(diào)制，簡(jiǎn)稱調(diào)幅。調(diào)幅方式又可分為普通調(diào)幅(AM)、抑制載波的雙邊帶調(diào)幅(DSB)、單邊帶調(diào)幅(SSB)、殘留邊帶調(diào)幅(VSB)，其解調(diào)過程叫檢波，或幅度解調(diào)。

(2)頻率調(diào)制：由調(diào)制信號(hào)去控制載波頻率，使已調(diào)波的頻率隨調(diào)制信號(hào)線性變化，而維持載波振幅不變，簡(jiǎn)稱調(diào)頻(FM)，其解調(diào)過程叫鑒頻，頻率檢波或頻率解調(diào)。

(3)相位調(diào)制：由調(diào)制信號(hào)去控制載波相位，使已調(diào)波的相位隨調(diào)制信號(hào)線性變化，而維持載波振幅不變，簡(jiǎn)稱調(diào)相(PM)，其解調(diào)過程叫鑒相，相位檢波或相位解調(diào)。通常，調(diào)頻和調(diào)相統(tǒng)稱為調(diào)角制或角度調(diào)制。

2)脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制以脈沖信號(hào)作為載波對(duì)連續(xù)的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行采樣，得到一個(gè)時(shí)間上離散的調(diào)制信號(hào)，之后用各離散時(shí)刻調(diào)制信號(hào)的采樣值去控制脈沖的幅度、脈沖寬度或脈沖位置等參量，使之隨調(diào)制信號(hào)變化。常用的脈沖調(diào)制有以下幾種：

(1)脈沖幅度調(diào)制(PAM)：用調(diào)制信號(hào)控制脈沖序列的幅度，使脈沖幅度在其平均值上下隨調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)值變化。它是脈沖調(diào)制中最簡(jiǎn)單的一種，簡(jiǎn)稱脈幅調(diào)制。

2)脈沖寬度調(diào)制(PWM)：又稱脈沖持續(xù)時(shí)間調(diào)制(PDM)。用調(diào)制信號(hào)控制脈沖的寬度，使每個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間與瞬時(shí)調(diào)制信號(hào)成比例，其脈沖幅度不變，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。

(3)脈沖相位調(diào)制(PPM)：用調(diào)制信號(hào)控制脈沖序列中各脈沖的相對(duì)位置(即相位)，使各脈沖的相位隨調(diào)制信號(hào)變化，其脈沖幅度和寬度均保持不變，簡(jiǎn)稱脈位調(diào)制。

(4)脈沖編碼調(diào)制(PCM)：簡(jiǎn)稱脈碼調(diào)制，是一種對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化的取樣技術(shù)，將模擬語(yǔ)音信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的編碼方式。它有三個(gè)過程：采樣、量化和編碼。脈碼調(diào)制的本質(zhì)不是調(diào)制，而是數(shù)字編碼，由編碼得到的數(shù)字信號(hào)可根據(jù)需要對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。

2．?dāng)?shù)字調(diào)制

數(shù)字調(diào)制是指調(diào)制信號(hào)為離散的數(shù)字信號(hào)時(shí)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制的過程。主要有：振幅鍵控(ASK)、頻率鍵控(FSK)、相位鍵控(PSK)。

(1)振幅鍵控：又稱幅移鍵控。這種調(diào)制是根據(jù)信號(hào)的不同，調(diào)節(jié)正弦波的幅度。載波幅度是隨著調(diào)制信號(hào)而變化的。最簡(jiǎn)單的形式是用數(shù)字調(diào)制信號(hào)控制載波的通斷。

(2)頻率鍵控：又稱頻移鍵控，是利用基帶數(shù)字信號(hào)離散取值特點(diǎn)去鍵控載波頻率以傳遞信息的一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)，即用數(shù)字調(diào)制信號(hào)的正負(fù)控制載波的頻率。

(3)相位鍵控：又稱相移鍵控，是用數(shù)字調(diào)制信號(hào)的正負(fù)控制載波相位的一種調(diào)制方法。當(dāng)數(shù)字信號(hào)為正時(shí)，載波起始相位取0；當(dāng)數(shù)字信號(hào)為負(fù)時(shí)，載波起始相位取180°。6.2振幅調(diào)制

從頻譜搬移的角度看，凡是能實(shí)現(xiàn)將調(diào)制信號(hào)頻譜搬移到載波一側(cè)或兩側(cè)的過程，稱為振幅調(diào)制。經(jīng)過振幅調(diào)制的載波稱為調(diào)幅波或已調(diào)幅波。通常討論普通調(diào)幅(AM)、雙邊帶調(diào)幅(DSB)和單邊帶調(diào)幅(SSB)三種方式。其中，普通調(diào)幅是最基本的，因此又稱標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅。三種方式的主要區(qū)別在于產(chǎn)生的方法不同、頻譜結(jié)構(gòu)不同。6.2.1振幅調(diào)制信號(hào)分析

為了分析各種調(diào)幅電路，首先要了解各種調(diào)幅波的性質(zhì)，下面對(duì)三種調(diào)幅方式逐個(gè)討論。

1．普通調(diào)幅波的分析

1)普通調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達(dá)式和波形設(shè)載波信號(hào)為uc(t)=Ucmcosωct=Ucmcos2πfct；調(diào)制信號(hào)為uΩ(t)。根據(jù)調(diào)幅定義，已調(diào)幅波的幅度變化量應(yīng)和調(diào)制信號(hào)成正比，其包絡(luò)函數(shù)(即瞬時(shí)振幅)U(t)可表示為

U(t)=Ucm+ΔU(t)=Ucm+kauΩ(t)

(6.2)式中，ΔU(t)與調(diào)制電壓uΩ(t)成正比，代表已調(diào)波振幅的變化量；包絡(luò)函數(shù)所對(duì)應(yīng)的曲線是由調(diào)幅波各高頻周期峰值所連成的曲線，稱為調(diào)幅波的包絡(luò)?？梢?，包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律完全一致。它包含調(diào)制信號(hào)的有用信息。由于實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制后載波頻率保持不變，則普通調(diào)幅波信號(hào)的表達(dá)式為

uAM(t)=U(t)cosωct=［Ucm+kauΩ(t)］cosωct

(6.3)式(6.2)和(6.3)中，ωc為載波角頻率，Ucm為載波振幅。ka是由調(diào)幅電路確定的比例常數(shù)，又稱調(diào)制靈敏度，表示單位調(diào)制信號(hào)電壓所引起的高頻振蕩幅度的變化。假設(shè)調(diào)制信號(hào)為單頻余弦信號(hào)，即

uΩ(t)=UΩmcosΩt=UΩmcos2πFt一般定義Ω為調(diào)制信號(hào)的角頻率，F(xiàn)為調(diào)制信號(hào)的頻率，UΩm為調(diào)制信號(hào)的振幅，通常載波頻率與調(diào)制信號(hào)頻率之間滿足ωc>>Ω或fc>>F關(guān)系，fc為載波頻率。這時(shí)，根據(jù)式(6.3)可寫出單頻調(diào)制時(shí)的普通調(diào)幅波表達(dá)式為(6.4)式中，已調(diào)波振幅變化量kaUΩm與載波振幅之比稱為調(diào)幅系數(shù)或調(diào)幅指數(shù)即調(diào)幅度，是調(diào)幅波的主要參數(shù)之一。它表示載波振幅受調(diào)制信號(hào)控制的程度，用ma表示如下：(6.5)根據(jù)以上討論可知，調(diào)幅波也是一個(gè)高頻振蕩，它的振幅變化規(guī)律與調(diào)制信號(hào)完全一致，因此調(diào)幅波攜帶著原調(diào)制信號(hào)的信息。當(dāng)調(diào)制信號(hào)為單頻余弦波時(shí)，普通調(diào)幅過程中的各信號(hào)波形如圖6.2所示，其中，(a)是調(diào)制信號(hào)波形，(b)是載波信號(hào)波形，(c)是已調(diào)波信號(hào)波形。由于ma與UΩm成正比，所以UΩm越大，ma越大，調(diào)幅波的幅度變化也就越大。為了避免產(chǎn)生包絡(luò)失真，調(diào)制系數(shù)應(yīng)當(dāng)滿足0≤ma≤1的條件，以便調(diào)幅波的包絡(luò)能正確地表現(xiàn)出調(diào)制信號(hào)的變化。圖6.2普通調(diào)幅過程中的各信號(hào)波形圖6.2(c)中用虛線表示的曲線是調(diào)幅波的包絡(luò)，可以看到包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律完全一致。包絡(luò)中填充的是頻率為載頻、幅度按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化的高頻振蕩，也就是高頻調(diào)幅波。另外，從圖6.2(c)中可以看出已調(diào)波幅度的最大值為Umax=Ucm(1+ma)；已調(diào)波幅度的最小值為Umin=Ucm(1－ma)。因此，我們可以得到調(diào)幅指數(shù)的常用計(jì)算式為(6.6)從上式可以得出:當(dāng)ma=0時(shí)，Umax=Umin=Ucm，其輸出為等幅波，稱之為非調(diào)制狀態(tài);當(dāng)ma＜1時(shí)，調(diào)幅波的波形如圖6.2(c)所示；當(dāng)ma=1時(shí)，Umax=2Ucm，Umin=0，此時(shí)調(diào)幅達(dá)到最大值，稱之為100%調(diào)制，又稱最大調(diào)制狀態(tài)，其波形如圖6.3所示；當(dāng)ma＞1時(shí)，Umax＞2Ucm，Umin＜0，稱之為過調(diào)制狀態(tài)，其波形如圖6.4所示。圖6.4中兩種情況下的包絡(luò)均產(chǎn)生了嚴(yán)重的失真，與調(diào)制信號(hào)不再相同，甚至?xí)霈F(xiàn)一段時(shí)間振幅為零的現(xiàn)象，我們稱這兩種情況為過調(diào)幅，這樣的已調(diào)波解調(diào)后，將無法還原調(diào)制信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)避免過調(diào)幅情況出現(xiàn)。由此可以得出結(jié)論：調(diào)幅系數(shù)的取值范圍是0≤ma≤1。圖6.3最大調(diào)制波形圖6.4過調(diào)幅波形圖6.4(a)中，ma＞1是因?yàn)檎{(diào)制信號(hào)過大造成的，這時(shí)調(diào)幅器中的非線性器件在一段時(shí)間內(nèi)保持截止?fàn)顟B(tài)，使得輸出信號(hào)已不能用ma＞1的已調(diào)波的數(shù)學(xué)表達(dá)式代表，因此波形出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，即一段時(shí)間振幅為零。當(dāng)已調(diào)幅波通過線性電路時(shí)，若其邊頻獲得的增益大于載頻增益，則可能使邊頻幅度大于載頻幅度的一半，調(diào)幅指數(shù)就由小于1變成大于1，這時(shí)輸出信號(hào)可以用ma＞1的已調(diào)波的數(shù)學(xué)表達(dá)式代表，故不會(huì)出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，如圖6.4(b)所示。

2)調(diào)幅波的頻譜在單頻正弦信號(hào)的調(diào)制情況下，將普通調(diào)幅波的表達(dá)式用三角函數(shù)公式展開，就可以得到普通調(diào)幅波中包含的各個(gè)頻譜分量。由式(6.4)可展開為(6.7)可見，普通調(diào)幅波包含三個(gè)頻率分量：載頻ωc、上邊頻ωc+Ω和下邊頻ωc－Ω。單頻調(diào)制的調(diào)幅波的頻譜圖如圖6.5所示。圖6.5單頻調(diào)制時(shí)調(diào)幅波的頻譜圖6.5(c)中，載頻fc為中心頻率，它與調(diào)制信號(hào)無關(guān)，不包含要傳輸?shù)男畔?，其振幅為Ucm；上邊頻fc+F和下邊頻fc－F是調(diào)制過程中產(chǎn)生的新頻率分量，這兩個(gè)邊頻實(shí)質(zhì)是相乘器對(duì)uΩ(t)和uc(t)相乘的產(chǎn)物，它們以載頻為中心對(duì)稱分布，反映調(diào)制信號(hào)頻率F的值。兩者都包含待傳輸?shù)恼{(diào)制信號(hào)信息，且幅度相等并與調(diào)制信號(hào)幅度成正比，可以反映UΩm的大小，振幅均為。因?yàn)閙a的最大值等于1，所以其邊頻振幅的最大值不能超過載頻振幅的一半。由調(diào)幅波的頻譜可得，單頻調(diào)制的調(diào)幅波的頻帶寬度為上下邊頻之間的寬度，即調(diào)制信號(hào)頻率的二倍，表示為B=(fc+F)－(fc－F)=2F或B=2Ω。通常調(diào)制信號(hào)不是單一頻率的正弦波，在多頻調(diào)制的情況下，調(diào)制信號(hào)是復(fù)雜的非正弦周期函數(shù)，但可用傅里葉級(jí)數(shù)分解為若干正弦信號(hào)之和，即含有許多頻率成分。因此，由各個(gè)低頻頻率分量所引起的邊頻對(duì)組成了已調(diào)波的上下兩個(gè)邊帶。假設(shè)調(diào)制信號(hào)為

uΩ(t)=UΩm1cosΩ1t+UΩm2cosΩ2t+UΩm3cosΩ3t+…

(6.8)則相應(yīng)調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為式(6.9)中所含頻率成分ωc+Ω1~ωc+Ωn組成的邊帶稱上邊帶；頻率ωc－Ω1~ωc－Ωn組成的邊帶稱下邊帶。多頻調(diào)制時(shí)調(diào)幅波的頻譜如圖6.6所示。(6.9)圖6.6多頻調(diào)制時(shí)調(diào)幅波的頻譜由圖6.6可見，uAM(t)的頻譜結(jié)構(gòu)中，除載波分量ωc外，還有新產(chǎn)生的上、下邊頻分量ωc±Ω1、ωc±Ω2、…、ωc±Ωmax，這些邊頻分量都是成對(duì)出現(xiàn)的，其幅度與調(diào)制信號(hào)中相應(yīng)頻率分量的幅度成正比；上、下邊帶中各頻率分量的相對(duì)大小及間距均與原調(diào)制信號(hào)相同，僅下邊帶頻譜倒置而已?？梢?，無論是單音頻調(diào)制信號(hào)還是復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)，其調(diào)幅過程均為在頻譜上將低頻調(diào)制信號(hào)不失真地搬移到高頻載波分量?jī)蓚?cè)的過程，即頻譜線性搬移的過程。所以，調(diào)幅為線性調(diào)制，而調(diào)幅電路則屬于頻譜的線性搬移電路。調(diào)幅信號(hào)的頻譜寬度為調(diào)制信號(hào)頻譜寬度的兩倍。所以，多音調(diào)制時(shí)的頻帶寬度為最高調(diào)制頻率的兩倍，帶寬表示為

B=2Fmax

(6.10)例如，語(yǔ)音信號(hào)的頻率范圍為300~3400Hz，則其調(diào)幅波的帶寬為6800Hz。調(diào)幅波帶寬的結(jié)論很重要，這是因?yàn)樵诮邮蘸桶l(fā)送調(diào)幅波的通信設(shè)備中，所有的選頻網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)當(dāng)能通過載頻和各邊頻成分。如果選頻網(wǎng)絡(luò)的通頻帶太窄，將導(dǎo)致調(diào)幅波的失真。我國(guó)規(guī)定調(diào)幅廣播電臺(tái)占有的頻帶寬度為9kHz，也就是最高調(diào)制頻率限制在4.5kHz以內(nèi)。這樣既可以有效地傳輸音頻信號(hào)，又滿足了一定的頻帶冗余，避免兩個(gè)相鄰頻段電臺(tái)的頻率干擾。

3)調(diào)幅波的功率分配關(guān)系調(diào)幅波的幅度是變化的，因此存在幾種功率。調(diào)幅波振幅的變化通常由載波功率、最大功率、最小功率、調(diào)幅波平均功率等參數(shù)加以描述。設(shè)電路的負(fù)載為R，且調(diào)制信號(hào)為單頻信號(hào)，則如果將調(diào)幅波電壓加于負(fù)載電阻R上，可得載波功率(載波在負(fù)載電阻R上消耗的功率)(6.11)調(diào)幅波平均功率：調(diào)幅波在載波信號(hào)(高頻)一個(gè)周期內(nèi)的平均功率。即U=Ucm(1+macosΩt)時(shí)變振幅作用在負(fù)載電阻R上所消耗的總功率。表示為(6.12)式中，P是調(diào)制信號(hào)的函數(shù)，它隨時(shí)間變化。當(dāng)cosΩt=1(包絡(luò)波峰)時(shí)，調(diào)幅波振幅達(dá)到峰值，高頻輸出功率P最大，為Pmax=Pc(1+ma)2，此時(shí)平均功率稱為調(diào)幅波最大功率，也稱峰值包絡(luò)功率。當(dāng)cosΩt=－1(包絡(luò)波谷)時(shí)，P最小；調(diào)幅波的最小功率為Pmin=Pc(1-ma)2。可見，調(diào)幅波的最大功率和最小功率分別對(duì)應(yīng)調(diào)制信號(hào)的最大值和最小值。因?yàn)檎{(diào)幅波有三個(gè)頻率成分，各頻率成分單獨(dú)作用在負(fù)載電阻上產(chǎn)生的功率分別為載波功率、上邊頻功率和下邊頻功率，其中上下邊頻功率相同。上、下邊頻分量功率為(6.13)邊頻總功率(上下邊頻功率之和)為(6.14)調(diào)幅波在調(diào)制信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)輸出的總平均功率為(6.15)由此可見，總功率由邊頻功率及載波功率組成，調(diào)幅波的輸出功率(實(shí)際是邊頻功率)隨ma的增大而增大。因?yàn)樾畔H包含在邊帶中，所以在調(diào)幅時(shí)應(yīng)盡量提高ma的值，以加強(qiáng)邊帶功率，提高系統(tǒng)傳輸信號(hào)的能力。當(dāng)ma=1時(shí)，總功率為PAV=1.5Pc，邊頻功率達(dá)到最大，但其值只有載波功率的一半或總功率的1/3，而不包含調(diào)制信號(hào)信息的載波功率占調(diào)幅波總功率的2/3。實(shí)際使用中，ma在0.1~1之間，正常無線廣播時(shí)平均值取0.3。當(dāng)ma=0.3時(shí)，平均功率PAV=1.05Pc，說明邊頻功率只占總功率的5%。在選擇晶體管時(shí)要按最大功率Pmax進(jìn)行選擇，因此，普通調(diào)幅的功率利用率和晶體管的利用率都是極低的，這樣會(huì)造成功率浪費(fèi)；另外，音頻信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，有時(shí)調(diào)幅度可能很小。以上兩點(diǎn)是普通調(diào)幅波的缺點(diǎn)。因?yàn)槠胀ㄕ{(diào)幅的設(shè)備簡(jiǎn)單，特別是解調(diào)電路既簡(jiǎn)單成本又低，便于接收，所以它仍在某些領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，特別是用于無線電廣播。為了提高功率利用率，應(yīng)采用抑制載波的雙邊帶調(diào)幅或單邊帶調(diào)幅，有時(shí)也可采用殘留邊帶調(diào)幅。從傳輸信息的觀點(diǎn)看，如果在傳輸前把載波抑制，則可在不影響傳輸信息的條件下，大大節(jié)省發(fā)射功率。沒有載波的調(diào)幅信號(hào)稱雙邊帶調(diào)制，其發(fā)送的功率都是有用信息功率。實(shí)際上，上、下邊帶都含有調(diào)制信號(hào)的有用信息，因此，傳輸時(shí)只需發(fā)送一個(gè)邊帶即可。這種僅傳輸一個(gè)邊帶的調(diào)制方式稱為單邊帶調(diào)制，它除了節(jié)省發(fā)射功率外，還將已調(diào)信號(hào)的頻譜寬度壓縮一半。雖然雙邊帶和單邊帶調(diào)制的功率利用率高，但其實(shí)現(xiàn)所需的收發(fā)系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜，且造價(jià)高，目前常在遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)如短波甚至超短波通信中使用。

4)AM調(diào)幅電路組成模型由調(diào)幅波表示式uAM(t)=［Ucm+kauΩ(t)］cosωct=Ucmcosωct+kauΩ(t)cosωct可知，普通調(diào)幅在時(shí)域上表現(xiàn)為調(diào)制信號(hào)疊加一直流電壓后與載波的相乘。因此，凡是具有相乘功能的非線性器件和電路都可以實(shí)現(xiàn)普通調(diào)幅。從波形上看，普通調(diào)幅波是調(diào)制信號(hào)和載波的線性疊加。圖6.7所示為實(shí)現(xiàn)普通調(diào)幅的兩種電路組成模型，可以看出，實(shí)現(xiàn)調(diào)幅的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)和載波的相乘。圖6.7(a)實(shí)現(xiàn)的是uAM(t)=［Ucm+kauΩ(t)］cosωct的電路模型,圖(b)實(shí)現(xiàn)的是uAM(t)=Ucmcosωct+kauΩ(t)cosωct的電路模型。圖6.7實(shí)現(xiàn)普通調(diào)幅的兩種電路組成模型

5)普通調(diào)幅波性質(zhì)總結(jié)通過以上的討論，我們對(duì)普通調(diào)幅波有了基本的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)將其性質(zhì)總結(jié)如下：

(1)已調(diào)信號(hào)的幅度隨調(diào)制信號(hào)而變化。因此，調(diào)幅信號(hào)幅度的包絡(luò)線近似為調(diào)制信號(hào)的波形。只要能取出這個(gè)包絡(luò)信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)解調(diào)。

(2)調(diào)幅波的頻譜由兩部分組成：一部分是未調(diào)制載波的頻譜，另一部分是分別平移至載頻ωc兩側(cè)的調(diào)制信號(hào)的頻譜，稱上下邊頻。普通調(diào)幅信號(hào)所占的頻帶寬度為調(diào)制信號(hào)頻帶寬度的兩倍。但從傳遞信息的角度看，普通調(diào)幅信號(hào)所占的頻帶中有一半是多余的，因此，這種調(diào)幅方式在頻率資源利用上是有缺陷的。

(3)幅度調(diào)制是一種非線性過程，可將調(diào)制信號(hào)的各頻率分量變換為載頻與它的和頻和差頻分量，但該變換都是將信號(hào)的頻譜在頻率軸上平移，因此又稱幅度調(diào)制為線性調(diào)制。

(4)在調(diào)幅波中，欲傳遞的信息只包含在邊帶內(nèi)，而載波分量是不傳遞信息的。因此，從有效地利用發(fā)射機(jī)功率的角度考慮，普通調(diào)幅是不經(jīng)濟(jì)的。

2.抑制載波的雙邊帶調(diào)幅(DSB/SC-AM)為了提高功率的有效利用率、節(jié)省發(fā)射功率，在傳輸時(shí)，可以僅發(fā)射含有信息的上、下邊帶，而將占有絕大部分功率的載波分量在傳輸前抑制掉，這樣，可在不影響傳輸信息的條件下大大節(jié)省發(fā)射功率。這種調(diào)制方式稱為抑制載波的雙邊帶調(diào)幅，簡(jiǎn)稱雙邊帶調(diào)幅，用DSB表示。抑制了載波信號(hào)的調(diào)幅信號(hào)稱雙邊帶信號(hào)。利用模擬乘法器或平衡調(diào)幅器電路很容易產(chǎn)生抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波。

1)雙邊帶調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達(dá)式和電路模型

DSB信號(hào)可用載波與調(diào)制信號(hào)直接相乘得到，其表示式為

uDSB=kuΩ(t)uc(t)

(6.16)若調(diào)制信號(hào)為單一正弦信號(hào)uΩ(t)=UΩmcosΩt，則載波信號(hào)uc(t)=Ucmcosωct。將調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)直接加到乘法器，調(diào)制后得到雙邊帶調(diào)幅信號(hào)，即

式中,k為調(diào)幅電路決定的比例系數(shù)，即乘法器的增益系數(shù)；g(t)=kUΩmUcmcosΩtg(t),表示雙邊帶調(diào)幅信號(hào)的瞬時(shí)幅度。g(t)可正可負(fù)，它與普通調(diào)幅波的幅度函數(shù)U(t)是不同的。(6.17)圖6.8雙邊帶調(diào)幅的電路組成模型從雙邊帶信號(hào)的表達(dá)式可以看出，雙邊帶調(diào)幅是利用相乘器來實(shí)現(xiàn)的，因此其電路組成模型可用圖6.8來說明。在實(shí)際電路中，為了得到雙邊帶信號(hào)，應(yīng)在相乘器后加一級(jí)中心頻率為fc、帶寬略大于2F的帶通濾波器，用以從眾多頻率分量中提取DSB信號(hào)。

2)波形與頻譜圖6.9所示為雙邊帶調(diào)幅信號(hào)的波形和頻譜，由圖可見它只有上、下邊頻成分。由圖6.9和式(6.17)可知，雙邊帶信號(hào)振幅g(t)與調(diào)制信號(hào)成正比。與AM波不同，此高頻信號(hào)的振幅按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，它并不是在載波振幅基礎(chǔ)上，而是在零值基礎(chǔ)上變化，所以g(t)可正可負(fù)。因此，就調(diào)制信號(hào)的半個(gè)周期來看，DSB信號(hào)的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)相同，但就整個(gè)周期看則不同，雙邊帶信號(hào)在正電壓區(qū)和負(fù)電壓區(qū)的合成包絡(luò)為|kUΩmUcmcosΩt|，可見DSB信號(hào)的包絡(luò)正比于調(diào)制信號(hào)的模值。雖然雙邊帶信號(hào)的包絡(luò)不再反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，但仍保持著AM波所具有的頻譜線性搬移特性。另外，DSB信號(hào)的高頻載波相位在調(diào)制電壓過零處(調(diào)制電壓正負(fù)交替時(shí))要突變180°。在調(diào)制信號(hào)負(fù)半周，已調(diào)波高頻與原載波反相；在調(diào)制信號(hào)正半周，已調(diào)波高頻與原載波同相。這說明DSB信號(hào)的相位反映了調(diào)制信號(hào)的極性變化，因此嚴(yán)格地說，DSB信號(hào)已非單純的調(diào)幅信號(hào)，而是既調(diào)幅又調(diào)相的信號(hào)。圖6.9雙邊帶信號(hào)的波形和頻譜與普通調(diào)幅波相同，雙邊帶調(diào)幅波所占頻帶寬度仍為調(diào)制信號(hào)帶寬的兩倍，其帶寬為(6.18)由于DSB信號(hào)頻譜中抑制了載波分量，可將有效的發(fā)射功率全部用到邊帶功率的傳輸上，因而大大減少了功率浪費(fèi)。DSB的功率利用率高于AM調(diào)制，比普通調(diào)幅經(jīng)濟(jì)，常用于彩色電視和調(diào)頻―調(diào)幅立體聲廣播等系統(tǒng)中，但其在頻帶利用率上并沒有得到改善。為進(jìn)一步節(jié)省發(fā)射功率、減小頻帶寬度、提高頻帶利用率，演變出了單邊帶調(diào)制方式。

3.抑制載波的單邊帶調(diào)幅(SSB/SC-AM)由于上、下邊帶都反映了調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，且都含有調(diào)制信號(hào)的全部信息，因此，從有效傳輸信息的角度看，可以抑制一個(gè)邊帶，而用另一個(gè)邊帶來傳輸信息，我們將這種調(diào)制方式稱為單邊帶調(diào)幅。顯然，單邊帶調(diào)幅既可充分利用發(fā)射機(jī)的功率，提高了功率利用率；又節(jié)省占有頻帶，提高了頻帶利用率。所以，它是傳輸信息的最佳調(diào)幅方式，尤其對(duì)信道特別擁擠的短波無線電通信非常有利，但實(shí)現(xiàn)這種調(diào)幅方式的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)比較復(fù)雜。

1)單邊帶調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達(dá)式和電路模型單邊帶信號(hào)是由DSB信號(hào)經(jīng)邊帶濾波器濾除一個(gè)邊帶或者在實(shí)現(xiàn)調(diào)制的過程中直接將一個(gè)邊帶抵消而得來的。單頻調(diào)制時(shí)，SSB信號(hào)表示式為上邊帶信號(hào)(6.19)下邊帶信號(hào)(6.20)顯然，它們均為單一頻率成分的信號(hào)。實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)幅的方法很多，其中最簡(jiǎn)單的方法是在雙邊帶調(diào)制后接一個(gè)邊帶濾波器。當(dāng)邊帶濾波器的通帶位于載頻以上時(shí)，提取出上邊帶，否則就提取出下邊帶。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還有另外兩種基本電路方法，這些內(nèi)容將在單邊帶信號(hào)產(chǎn)生電路中具體討論。

2)波形與頻譜由單邊帶信號(hào)表達(dá)式可得，單頻調(diào)制時(shí)的SSB信號(hào)為等幅余弦波，但它和原等幅載波的電壓是不同的。通常，單邊帶調(diào)幅信號(hào)波形比較復(fù)雜，然而不論是單頻還是多頻調(diào)制，SSB信號(hào)的振幅與調(diào)制信號(hào)振幅成正比，其頻率隨調(diào)制信號(hào)頻率不同而不同，所以單邊帶信號(hào)仍然包含有欲傳輸?shù)南⑻卣?。單邊帶信?hào)的包絡(luò)不再反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，其包絡(luò)為一條水平線。單邊帶信號(hào)的波形及頻譜如圖6.10所示。單純從SSB信號(hào)中無法知道原調(diào)制信號(hào)，也無法看出實(shí)際信號(hào)的特征。由于在SSB調(diào)制時(shí)，原調(diào)制信號(hào)的頻率信息已寄載到已調(diào)波的頻率項(xiàng)之中或信息包含在相位中，因此單邊帶調(diào)制本質(zhì)上是振幅和頻率都隨調(diào)制信號(hào)改變的調(diào)幅-調(diào)頻方式，所以它的抗干擾性能優(yōu)于AM調(diào)制。圖6.10單邊帶信號(hào)的波形和頻譜由于單邊帶調(diào)制產(chǎn)生的已調(diào)信號(hào)頻率與調(diào)制信號(hào)頻率之間只是一種線性變換關(guān)系，在頻譜線性搬移這點(diǎn)上，SSB與AM、DSB相似，因此通常還是把它歸結(jié)為振幅調(diào)制。

SSB調(diào)制方式在傳送信息時(shí)，頻帶利用率和功率利用率均比普通調(diào)幅波和雙邊帶調(diào)幅波高，其所占頻帶約為調(diào)制信號(hào)的最高頻率Fmax，比AM及DSB減少了一半，可表示為(6.21)

目前,單邊帶調(diào)制方式已成為短波通信中—種重要的調(diào)制方式。對(duì)SSB和DSB這類調(diào)幅信號(hào)，由于其包絡(luò)不能反映原調(diào)制信號(hào)的波形，所以只能使用同步解調(diào)方法來解調(diào)。6.2.2振幅調(diào)制電路

由上述分析可知，AM信號(hào)為純調(diào)幅信號(hào)，DSB信號(hào)為調(diào)幅—調(diào)相信號(hào)，SSB信號(hào)為調(diào)幅-調(diào)頻信號(hào)。三種信號(hào)在時(shí)域內(nèi)都有一個(gè)調(diào)制信號(hào)和載波的乘積項(xiàng)，在頻域上都將調(diào)制信號(hào)的頻譜搬移到載頻上，且頻譜結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，因此均為線性調(diào)制(頻譜的線性搬移)?？梢?，振幅調(diào)制在時(shí)域的實(shí)現(xiàn)方法就是信號(hào)的相乘運(yùn)算，在頻域是頻率的加減運(yùn)算，因此調(diào)幅電路的實(shí)現(xiàn)必須以乘法器或平方項(xiàng)為基礎(chǔ)，然后通過合適的濾波器選出所需成分。實(shí)際上，具有相乘功能的器件和電路有多種。這里主要針對(duì)應(yīng)用較多的非線性器件、線性時(shí)變器件和集成模擬乘法器來說明如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相乘運(yùn)算，并進(jìn)一步討論常用的調(diào)幅電路。

1.振幅調(diào)制方法

1)利用非線性器件進(jìn)行頻率變換(實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相乘運(yùn)算)常見的進(jìn)行頻率變換的非線性器件有二極管、三極管和場(chǎng)效應(yīng)管，它們是具有相乘特性的非線性器件，可作為相乘器使用。我們根據(jù)對(duì)頻率變換的需求選擇不同的器件，通過對(duì)非線性器件具有的相乘功能的分析，了解產(chǎn)生調(diào)幅波的物理過程，說明各種頻率成分出現(xiàn)的規(guī)律，為設(shè)計(jì)調(diào)幅電路提供方向。下面以幾種常用的非線性分析方法來說明調(diào)幅中的相乘作用。

(1)冪級(jí)數(shù)法(小信號(hào)工作狀態(tài))。以二極管為例說明利用器件的非線性完成信號(hào)相乘的原理。當(dāng)作用在非線性器件上的兩個(gè)信號(hào)幅度較小時(shí)，為小信號(hào)工作狀態(tài)。這時(shí)，若非線性器件工作在伏安特性的彎曲部分，?？刹捎脙缂?jí)數(shù)法來分析；此時(shí)由非線性器件構(gòu)成的調(diào)幅電路為小信號(hào)調(diào)幅。圖6.11描述了二極管的相乘作用。它是采用冪級(jí)數(shù)方法分析的，由此原理電路可構(gòu)成小信號(hào)調(diào)幅電路。圖6.11二極管相乘作用設(shè)非線性器件的伏安特性為

i=f(u)

(6.22)由圖6.11可見，上式中，u=UQ+u1+u2，UQ為靜態(tài)工作點(diǎn)電壓，u1和u2是兩個(gè)輸入信號(hào)電壓(分別是載波和調(diào)制信號(hào)，其角頻率分別為ω1和ω2)。設(shè)f(u)在UQ有任意階導(dǎo)數(shù)，可將非線性器件的伏安特性用冪級(jí)數(shù)近似表示。一般來說，若伏安特性曲線近似的準(zhǔn)確度越高及其應(yīng)用范圍愈寬，冪級(jí)數(shù)所取項(xiàng)數(shù)也就愈多。當(dāng)小信號(hào)輸入時(shí)，冪級(jí)數(shù)的高次項(xiàng)可以忽略，只取前三項(xiàng)或四項(xiàng)。若器件上輸入兩個(gè)信號(hào)u1=U1mcosω1t和u2=U2mcosω2t，且幅度較小，則在靜態(tài)點(diǎn)Q處展開的泰勒級(jí)數(shù)(冪級(jí)數(shù))可近似表示為(6.23)從式(6.23)可以看出，二極管電流i中包含的頻率成分有直流成分、基波分量ω1和ω2；還有很多新的頻率成分，如輸入頻率的諧波2ω1和2ω2、3ω1和3ω2；以及輸入頻率及其各次諧波所形成的各種組合頻率ω1±ω2，ω1±2ω2，2ω1±ω2。其中，上、下邊頻(基頻的組合分量)ω1+ω2，ω1-ω2是由平方項(xiàng)(二次方項(xiàng))a2(u1+u2)2產(chǎn)生的?？梢姡诋a(chǎn)生的眾多乘積項(xiàng)中，只有平方項(xiàng)產(chǎn)生的一次相乘項(xiàng)才是對(duì)調(diào)幅有用的，其他高階相乘項(xiàng)非但無用，往往有害，故冪級(jí)數(shù)法得來的相乘作用不理想。為了實(shí)現(xiàn)有效調(diào)幅，必須在調(diào)幅電路中包含選頻電路，以濾除不必要的頻率成分。采用冪級(jí)數(shù)法分析的小信號(hào)調(diào)幅通常又稱為平方律調(diào)幅。由于冪級(jí)數(shù)平方項(xiàng)中得到的一次相乘項(xiàng)(載波和調(diào)制信號(hào)的相乘項(xiàng))產(chǎn)生的上、下邊頻的振幅只和平方項(xiàng)系數(shù)a2有關(guān)，所以只要非線性器件的冪級(jí)數(shù)表示式中含有平方項(xiàng)a2u2，就可以由其構(gòu)成調(diào)幅電路，產(chǎn)生所需調(diào)幅波。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)不同的要求選用適當(dāng)?shù)姆蔷€性元件，或者選擇合適的工作范圍，以得到所需頻率成分。當(dāng)兩個(gè)交流信號(hào)疊加輸入時(shí)，晶體管輸出電流含有輸入信號(hào)頻率的無窮多個(gè)組合分量。因此，為了有效地實(shí)現(xiàn)調(diào)幅，必須盡量減少非線性器件冪級(jí)數(shù)展開式中的無用高階相乘項(xiàng)及其產(chǎn)生的組合頻率分量，應(yīng)采用平方律特性好的場(chǎng)效應(yīng)管代替晶體管。選擇合適的Q點(diǎn)，使非線性器件工作在特性接近平方律的區(qū)段，即盡量使冪級(jí)數(shù)系數(shù)a3=a4=a5=…=0。由于小信號(hào)調(diào)幅的調(diào)制效率低、無用成分多，因此目前在通信系統(tǒng)的設(shè)備中已很少采用。

(2)線性時(shí)變法(線性時(shí)變工作狀態(tài))。當(dāng)非線性器件呈現(xiàn)出時(shí)變特性時(shí)，可將它看成是線性時(shí)變?cè)?也叫時(shí)變參量元件)。此時(shí)的工作狀態(tài)為線性時(shí)變狀態(tài)，用線性時(shí)變分析法來討論器件的相乘作用。因此，線性時(shí)變分析法中常用的時(shí)變跨導(dǎo)電路分析法可用于對(duì)調(diào)幅、混頻等電路的分析。如果頻譜線性變換電路中有兩個(gè)不同頻率的輸入信號(hào)u1和u2(載波和調(diào)制信號(hào)，其角頻率分別為ω1和ω2)同時(shí)作用于非線性器件，若載波幅度較大，可將其看做器件的附加偏置。載波的作用是使器件始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，則器件的參量受大信號(hào)控制作周期性變化(成為時(shí)變參量)；調(diào)制信號(hào)幅度相對(duì)很小，在其變化范圍內(nèi)，認(rèn)為器件的特性參數(shù)不變，即處于線性工作狀態(tài)。這樣的電路稱為時(shí)變跨導(dǎo)電路。此時(shí)靜態(tài)點(diǎn)為時(shí)變靜態(tài)點(diǎn)(時(shí)變偏置)，表示為UQ(t)=u1+UQ?？蓪⑵骷姆蔡匦栽跁r(shí)變工作點(diǎn)處對(duì)小信號(hào)u2展開成泰勒級(jí)數(shù)，有若u2足夠小，可以忽略上式中二次方及其以上的各高次方項(xiàng)，則上式可簡(jiǎn)化為

i=f［UQ(t)］+f′［UQ(t)］u2=I0(t)+g(t)u2

(6.24)式中，I0(t)和g(t)均是與u2無關(guān)的系數(shù)，且它們都是u1的非線性函數(shù)，隨時(shí)間而變化，故稱為時(shí)變系數(shù)或時(shí)變參量。其中，I0(t)是u2=0時(shí)的電流，稱為時(shí)變靜態(tài)電流；g(t)是在u2=0時(shí)的增量電導(dǎo)，稱為時(shí)變?cè)隽侩妼?dǎo)或時(shí)變跨導(dǎo)。由式(6.24)可以看出，電流i與u2之間為線性關(guān)系，類似于線性器件，但它們的系數(shù)g(t)是時(shí)變的，所以將器件的這種工作狀態(tài)稱為線性時(shí)變狀態(tài)。這種器件非常適合于構(gòu)成頻譜搬移電路。若輸入信號(hào)u1=U1mcosω1t，u2=U2mcosω2t，I0(t)和g(t)均是角頻率為ω1的周期性函數(shù)，其傅里葉展開式為

I0(t)=I0+I1mcosω1t+I2mcos2ω1t+…g(t)=g0+g1mcosω1t+g2mcos2ω1t+…所以，頻譜搬移電路中的電流為i(t)=(I0+I1mcosω1t+I2mcos2ω1t+…)+

(g0+g1mcosω1t+g2mcos2ω1t+…)U2mcosω2t

(6.25)由上式可見，輸出電流中包含直流成分、ω1及其各次諧波、ω2、ω1及其各次諧波與ω2的組合頻率；消除了ω2的各次諧波及ω2的各次諧波與ω1及其各次諧波的組合頻率。因此，線性時(shí)變工作狀態(tài)能減少無用組合頻率分量。由于g1mcosω1t與u2的相乘項(xiàng)是有用相乘項(xiàng)，可完成頻譜搬移功能，其余項(xiàng)為無用相乘項(xiàng)，而無用頻率與有用頻率ω1±ω2之間的頻率間隔很大，所以很容易用濾波器濾除無用分量，取出有用頻率分量。實(shí)際應(yīng)用中，常采用三極管工作在線性時(shí)變狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)頻譜搬移電路的功能，如晶體三極管混頻電路等。

(3)開關(guān)函數(shù)法(開關(guān)工作狀態(tài)或大信號(hào)工作狀態(tài))。當(dāng)輸入信號(hào)之一的振幅足夠大(振幅遠(yuǎn)大于截止電壓UBZ)時(shí)，晶體管的轉(zhuǎn)移特性可采用折線法來近似，如果靜態(tài)偏置電壓為0，則晶體管半周導(dǎo)通半周截止，完全受大信號(hào)的控制。這種工作狀態(tài)稱為開關(guān)工作狀態(tài)或大信號(hào)工作狀態(tài)，是線性時(shí)變工作狀態(tài)的一種特例。二極管通?？煽闯砷_關(guān)元件，所以多令二極管工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入載波電壓u1足夠大，而調(diào)制電壓u2較小時(shí)，二極管將在載波的控制下輪流工作在導(dǎo)通區(qū)和截止區(qū)，此時(shí)，二極管電流將為半個(gè)周期的尖頂余弦脈沖序列，其周期為載波周期2π/ω1。通?？蓪⒍O管當(dāng)做受載波控制的理想開關(guān)，電路用開關(guān)函數(shù)分析法分析。此法常用于調(diào)幅、混頻、大信號(hào)鑒相等的實(shí)現(xiàn)。下面介紹采用開關(guān)函數(shù)法實(shí)現(xiàn)的大信號(hào)調(diào)幅電路(即開關(guān)式調(diào)幅)。因?yàn)殚_關(guān)工作狀態(tài)是線性時(shí)變工作狀態(tài)的一種特例，所以我們認(rèn)為時(shí)變靜態(tài)電流I0(t)是導(dǎo)通角為π/2的尖頂余弦脈沖序列；時(shí)變電導(dǎo)g(t)是幅度為二極管電導(dǎo)值gVD(忽略負(fù)載電阻RL的反作用時(shí))，導(dǎo)通角為π/2的矩形脈沖序列。單向開關(guān)函數(shù)S1(t)表示高度為1的單向周期性方波，其周期即為大信號(hào)載波的周期2π/ω1，表達(dá)式為(6.26)此時(shí)二極管電流為i(t)=I0(t)+g(t)u2=g

VDS1(t)u1+gVD

S1(t)u2=gVDS1(t)(u1+u2

)其中，(6.27)若載波和調(diào)制信號(hào)分別表示為u1=U1mcosω1t、u2=U2mcosω2t，則可求出電流i中包含的頻率分量為：輸入信號(hào)頻率ω1、ω2，載波信號(hào)的偶數(shù)次諧波2nω1(其中n=1，2…)，載波的奇數(shù)次諧波和調(diào)制信號(hào)基波的組合頻率(2n+1)ω1±ω2(其中n=0，1，2…)以及直流成分。與線性時(shí)變狀態(tài)相比：開關(guān)工作狀態(tài)進(jìn)一步消除了ω1的奇次諧波、ω1的偶次諧波與ω2的組合頻率分量。從所得頻率很容易看出，S1(t)的基波與調(diào)制信號(hào)電壓u2的相乘項(xiàng)是有用項(xiàng)，可實(shí)現(xiàn)頻譜搬移功能，其余項(xiàng)為無用相乘項(xiàng)。而無用頻率分量與所需有用頻率分量ω1±ω2之間的頻率間隔很大，所以很容易用濾波器濾除無用分量，取出有用的頻率分量。應(yīng)該指出的是，由非線性器件構(gòu)成的相乘電路是將u2與u1相乘。這種相乘器主要應(yīng)用在頻譜搬移電路中，稱為調(diào)制器或混頻器。通常采用的電路是平方律調(diào)幅器，二極管平衡調(diào)幅器，二極管環(huán)形調(diào)幅器，二極管環(huán)形混頻器等。至于在分析調(diào)幅電路時(shí)具體應(yīng)用以上介紹的哪種方法，應(yīng)視輸入信號(hào)的大小和多少而定。

2)利用模擬乘法器進(jìn)行頻率變換(實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相乘運(yùn)算)

(1)集成模擬相乘器的基本概念。集成模擬乘法器(模擬相乘器)是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬信號(hào)瞬時(shí)值相乘功能的電路或器件，它具有兩個(gè)輸入端(常稱X輸入和Y輸入)和一個(gè)輸出端(常稱Z輸出)，是一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)，電路符號(hào)如圖6.12所示。本書我們采用圖(b)和(c)所示圖形符號(hào)表示模擬乘法器。圖中輸入信號(hào)用ux、uy表示，輸出信號(hào)用uo表示，模擬乘法器的理想輸出特性為

uo=Kuxuy

或Z=K·X·Y

(6.28)式中，K為比例系數(shù)，稱為模擬乘法器的增益系數(shù)，又稱相乘增益、相乘因子或標(biāo)度因子，單位為V－1或。K的數(shù)值與乘法器的電路參數(shù)有關(guān)。理想乘法器實(shí)現(xiàn)理想相乘的關(guān)鍵是保證兩個(gè)輸入端平衡，即任一輸入端信號(hào)為0時(shí)，輸出信號(hào)就為0。根據(jù)兩個(gè)輸入電壓的不同極性，乘法器輸出的極性有四種組合，也就是乘法器有四個(gè)工作區(qū)域，可用圖6.13所示的模擬乘法器工作象限來說明。XYZ(＋)·(＋)=(＋)第Ⅰ象限(－)·(＋)=(－)第Ⅱ象限(－)·(－)=(＋)第Ⅲ象限(＋)·(－)=(－)第Ⅳ象限圖6.12模擬乘法器的符號(hào)圖6.13模擬乘法器的工作象限如果兩個(gè)輸入信號(hào)只能為單極性信號(hào)時(shí)才能正常工作，該乘法器稱為單象限乘法器；若其中一個(gè)輸入信號(hào)能適應(yīng)正、負(fù)兩種極性電壓，而另一個(gè)只能適應(yīng)單極性電壓，則為二象限乘法器；若兩個(gè)輸入信號(hào)都能適應(yīng)正、負(fù)兩種極性(即適應(yīng)四種極性組合)，則稱為四象限乘法器。在通信電路中，兩個(gè)輸入電壓多為交流信號(hào)，因此多數(shù)情況下應(yīng)采用四象限乘法器。

(2)模擬乘法器的基本工作原理。頻譜搬移電路的主要運(yùn)算功能是實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，如果將兩個(gè)輸入信號(hào)u1=U1mcosω1t和u2=U2mcosω2t同時(shí)分別加于模擬乘法器的兩個(gè)輸入端，則相乘后的輸出電壓為由此可見乘法器是一個(gè)非線性器件，可組成一個(gè)理想的線形頻譜搬移電路，其輸出電壓中只含有兩個(gè)輸入信號(hào)頻率的組合分量，即ω1±ω2。振幅調(diào)制、同步檢波、混頻、倍頻、鑒頻、鑒相等調(diào)制與解調(diào)的過程，均可視為兩個(gè)信號(hào)相乘或包含相乘的過程，采用集成模擬乘法器實(shí)現(xiàn)上述功能比采用分離器件要簡(jiǎn)單得多，而且性能優(yōu)越。所以目前在無線通信、廣播電視等方面應(yīng)用較多。模擬乘法器的基本構(gòu)成電路是差分對(duì)放大器，一般情況下，干擾和噪聲都是以共模方式輸入的，而信號(hào)可以人為控制以差模方式輸入，所以差分放大器輸出端的信噪比優(yōu)于其他放大器。實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電壓相乘的方案有很多種，下面我們主要討論兩種。①單差分對(duì)模擬乘法器電路。在乘法器中以可變跨導(dǎo)模擬乘法器最易集成，而且它的頻帶寬、線性好、價(jià)格低、使用方便?？勺兛鐚?dǎo)乘法器的核心單元是一個(gè)由兩個(gè)性能完全相同的晶體管用恒流源偏置方式構(gòu)成的差分放大器，可見模擬乘法器的基本構(gòu)成是差分放大器。圖6.14所示為恒流可變差分模擬乘法器(可變跨導(dǎo)模擬乘法器)的原理電路。它是一個(gè)具有恒流源的單差分放大器，也叫單差分對(duì)模擬乘法器。圖6.14中的恒流源是V3管的集電極電流I0，它是一個(gè)受輸入電壓uy控制的可變恒流源。由模擬電路相關(guān)知識(shí)可知，晶體管的發(fā)射極電流與基射電壓之間的關(guān)系為(6.29)圖6.14恒流可變差分模擬乘法器式中，Is為反向飽和電流。所以，恒流源電流為根據(jù)晶體管工作原理，若晶體管V1、V2及兩個(gè)電阻Rc完全對(duì)稱，可得Is1=Is2=Is，則(6.30)忽略基極電流，則Ic=Ie，差模輸入電壓為ux=ube1－ube2，可求出集電極電流為(6.31)式中，UT=kT/q，為PN結(jié)內(nèi)建電勢(shì)，其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，q為電荷量，T為絕對(duì)溫度。在室溫情況下，UT≈26mV。利用雙曲正切函數(shù)，式(6.31)可以改寫為(6.32)若差模輸入電壓滿足|ux|<<2UT條件，則，差分輸出電流為(6.33)當(dāng)加在恒流源的晶體管基極上的電壓uy>>Ube3時(shí)，則這樣，差分放大器的輸出電壓uo為(6.34)上式中，因有ux和uy的乘積項(xiàng)，故稱為模擬乘法器。在ux<<26mV、uy>>Ube3時(shí)，可完成兩個(gè)信號(hào)的相乘。對(duì)于圖6.14所示的乘法器電路，存在下列三個(gè)問題：第一，由于控制Io的電壓uy必須是單極性的，所以要求ux和uy均為正或ux為負(fù)、uy為正?？梢姡瑔尾罘謱?duì)乘法器只在兩個(gè)象限內(nèi)起作用，稱其為兩象限乘法器。如果能使ux和uy均可正可負(fù)，則將有更大的實(shí)用意義。為此，必須解決四象限相乘問題。第二，可變跨導(dǎo)模擬乘法器線性范圍太小，為此，必須引入線性化措施，以擴(kuò)大線性范圍。第三，增益系數(shù)K與UT有關(guān)，即K與溫度有關(guān)，所以需要解決溫度引起的不穩(wěn)定性問題。②雙差分對(duì)模擬乘法器。雙象限乘法器雖然能完成相乘作用，但只能在兩個(gè)象限內(nèi)工作。對(duì)大多數(shù)通信設(shè)備來說，要求實(shí)用的乘法器應(yīng)能在四個(gè)象限內(nèi)工作。圖6.15所示電路為四象限可變跨導(dǎo)乘法器，它由兩個(gè)差分放大器交叉耦合，并用第三個(gè)差分放大器作為它們的射極電流源。這個(gè)電路最早由Gilbert提出，因此又叫Gilbert(吉爾伯特)相乘器，它是大多數(shù)集成乘法器的基礎(chǔ)。假定晶體管V1~V6的特性相同，組成三個(gè)差分對(duì)管，其中V1、V2和V3、V4組成集電極交叉連接的雙差分對(duì)，由電壓ux控制；V5、V6組成的差分對(duì)由電壓uy控制，并給V1、V2和V3、V4提供電流ic5和ic6?，F(xiàn)對(duì)雙差分模擬乘法器進(jìn)行靜態(tài)分析，當(dāng)ux=uy=0時(shí)，得到以下結(jié)論：圖6.15四象限可變跨導(dǎo)乘法器當(dāng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，可以略去三極管基極電流，根據(jù)差動(dòng)電路的原理，并利用前面討論的結(jié)果，可寫出以下電流關(guān)系：(6.35)由此可得總差動(dòng)輸出電流為(6.36)則相乘器的輸出電壓為(6.37)上式表明了雙差分模擬乘法器的相乘作用，由于這個(gè)電路對(duì)ux、uy的極性不限制，因此在ux-uy平面的四個(gè)象限均可起作用?，F(xiàn)僅討論乘法器處于小信號(hào)工作狀態(tài)時(shí)的情況，當(dāng)ux和uy均小于50mV時(shí)，一般滿足|ux|≤UT，|uy|≤UT，則(6.38)式中,K為雙差分乘法器的增益系數(shù)。此時(shí)雙差分乘法器實(shí)現(xiàn)了理想相乘，輸出電壓中只包含兩個(gè)輸入信號(hào)頻率的組合分量。但是小信號(hào)工作狀態(tài)下信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較小。

2.調(diào)幅波的產(chǎn)生電路

調(diào)幅關(guān)鍵在于獲得調(diào)制信號(hào)與載波的相乘項(xiàng)，因而必須采用非線性電路才能實(shí)現(xiàn)。本小節(jié)將討論調(diào)幅波的常用產(chǎn)生電路。一般來說，不論哪一種調(diào)幅方式，都要求調(diào)幅電路的調(diào)制效率高、調(diào)制線性范圍大、失真度小。雖然前述三種調(diào)幅方式具體電路構(gòu)成不同，但它們的電路模型表明它們之間存在一定的關(guān)系。圖6.16說明了三種調(diào)制方式之間的關(guān)系。調(diào)幅電路可以按照構(gòu)成電路的非線性器件的不同分為二極管調(diào)幅電路、三極管調(diào)幅電路和模擬乘法器調(diào)幅電路等，但更常采用的分類方法是按調(diào)制電路輸出功率的高低來分。在無線電發(fā)射機(jī)中，按調(diào)制器在發(fā)射機(jī)中所處位置的不同，也就是我們常說的按功率電平的高低不同，調(diào)幅電路可分為高電平調(diào)制電路和低電平調(diào)制電路兩大類。圖6.16調(diào)幅電路的實(shí)現(xiàn)模型

1)高電平調(diào)幅電路由于高電平調(diào)幅可產(chǎn)生AM信號(hào)，因此在調(diào)幅發(fā)射機(jī)中，一般采用高電平調(diào)幅電路。高電平調(diào)幅過程是在發(fā)射機(jī)高電平級(jí)即功放末級(jí)或末前級(jí)中進(jìn)行的，由于其電平較高，故稱為高電平調(diào)幅。高電平調(diào)幅電路是以高頻功率放大器為基礎(chǔ)構(gòu)成的，實(shí)際上它就是一個(gè)輸出電壓振幅受調(diào)制信號(hào)控制的高頻功率放大器，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和功率放大，將功放和調(diào)制電路合二為一。高電平調(diào)幅電路的優(yōu)點(diǎn)是采用高效率的丙類功率放大器來實(shí)現(xiàn)高電平調(diào)幅，這對(duì)提高發(fā)射機(jī)整機(jī)效率有利，并且它在調(diào)幅的同時(shí)還具有一定的功率增益。但它也必須兼顧輸出功率、效率和調(diào)制線性的要求。根據(jù)調(diào)制信號(hào)控制的電極不同，高電平調(diào)幅電路可分為基極調(diào)幅、集電極調(diào)幅和發(fā)射極調(diào)幅三種。為了保證調(diào)制的線性特性，根據(jù)丙類功放的調(diào)制特性要求：基極調(diào)幅應(yīng)工作在欠壓區(qū)，集電極調(diào)幅應(yīng)工作在過壓區(qū)。下面將主要介紹基極調(diào)幅和集電極調(diào)幅兩種方式?？偟膩碚f，高電平調(diào)幅的基本工作原理是將調(diào)制信號(hào)加到高頻功率放大器的某一個(gè)電極上，改變其直流電壓瞬時(shí)值，控制高頻功率放大器的集電極電流振幅，從而控制輸出電壓振幅。

(1)基極調(diào)幅。基極調(diào)幅原理電路如圖6.17所示，其特點(diǎn)是載波和調(diào)制信號(hào)都串接在放大器的基極回路。它與丙類功放的原理電路相類似，所不同的是，電路中載波uc作為激勵(lì)信號(hào)、調(diào)制信號(hào)uΩ(相當(dāng)于一個(gè)緩慢變化的偏壓)和基極偏壓UBB疊加作為基極的時(shí)變偏壓UBB′，其值隨調(diào)制信號(hào)變化規(guī)律而變。圖6.17基極調(diào)幅原理電路圖6.18所示為實(shí)用基極調(diào)幅電路。圖中，Tr1和Tr3為高頻變壓器；Tr2為低頻變壓器；LB和LC為高頻扼流圈；C1為耦合電容，將載波電壓耦合到LB上，Tr2的次級(jí)電感L2上得到調(diào)制信號(hào)電壓；C2、C4為高頻旁路電容，C2為高頻載波信號(hào)提供通路，而不允許調(diào)制信號(hào)和直流信號(hào)通過；C3為低頻旁路電容，用來為調(diào)制信號(hào)提供通路，而不允許直流信號(hào)通過，所以UBB實(shí)際加在C3上；可見高頻功放采用并聯(lián)型基極饋電形式。C5為耦合電容；L3C6回路為集電極回路，相當(dāng)于帶通濾波器，該回路應(yīng)調(diào)諧于ωc，通帶為2Ω?？梢钥闯龉Ψ诺募姌O采用并聯(lián)饋電形式，集電極回路的輸出電壓就是調(diào)幅電壓。圖6.18實(shí)用基極調(diào)幅電路基極調(diào)幅可以看做是基極偏壓隨調(diào)制信號(hào)而變化，且用載波去激勵(lì)的高頻功率放大器，其功放管應(yīng)當(dāng)工作在丙類狀態(tài)。根據(jù)丙類功率放大器的基極調(diào)制特性可知，當(dāng)晶體管工作在欠壓狀態(tài)時(shí)，放大器的輸出電流和輸出電壓隨基極偏置電壓近似成線性關(guān)系，這時(shí)基極偏置電壓對(duì)集電極電流和輸出電壓的振幅具有有效地控制作用。當(dāng)基極偏置電壓中包含調(diào)制信號(hào)時(shí)，其輸出電壓的中心頻率為載波頻率；瞬時(shí)振幅和調(diào)制信號(hào)成正比例關(guān)系，可見實(shí)現(xiàn)了調(diào)幅。圖6.19給出了基極調(diào)幅電路工作在欠壓狀態(tài)時(shí)，集電極余弦脈沖電流ic隨時(shí)間的變化波形以及經(jīng)過選頻后的輸出電壓波形(假設(shè)基極偏壓UBB為負(fù))。圖6.19基極調(diào)幅的電流、電壓波形由圖6.19可見，在調(diào)制過程中，當(dāng)基極偏壓UBB′變化(實(shí)際是調(diào)制信號(hào)uΩ變化)時(shí)，基極回路電壓ube隨之變化，引起放大器的集電極余弦脈沖峰值icmax和導(dǎo)通角θc也按調(diào)制信號(hào)的大小而變化。在uΩ正向增大時(shí)，icmax和θc隨調(diào)制信號(hào)的增大而增大；在uΩ負(fù)向減小時(shí)，icmax和θc隨調(diào)制信號(hào)的減少而減少，故輸出電壓幅值正好反映調(diào)制信號(hào)的波形變化。將ic信號(hào)通過一個(gè)中心頻率為fc的帶通濾波器，則放大器的輸出端就能得到普通調(diào)幅波。由圖6.19(c)可見，為了實(shí)現(xiàn)調(diào)幅，基極調(diào)幅電路必須工作在欠壓狀態(tài)，可得集電極回路諧振電阻上的輸出電壓表示為

uAM=uo=Icm1Rpcosωct

uAM=uo=k(UBB+UΩmcosΩt)cosωct

(6.39)式(6.39)是調(diào)幅信號(hào)表達(dá)式。其中，k為由電路決定的比例常數(shù)，為了得到更好的調(diào)制線性，實(shí)現(xiàn)基極調(diào)幅，則需減小調(diào)制信號(hào)幅度UΩm，使UΩm小于UBB的絕對(duì)值，即ma<1?；鶚O調(diào)幅的主要優(yōu)點(diǎn)是：由于調(diào)制信號(hào)接在基極回路，因而基極電流小，消耗功率也?。煌瑫r(shí)調(diào)制信號(hào)經(jīng)過功放后再輸出，因而基極只需注入較小的調(diào)制信號(hào)功率，就能獲得較大的已調(diào)波功率，這樣，調(diào)制信號(hào)的放大電路就比較簡(jiǎn)單，對(duì)調(diào)制器的小型化有利?；鶚O調(diào)幅的缺點(diǎn)是：由于欠壓狀態(tài)功放效率較低，因此基極調(diào)幅效率較低；且調(diào)制線性不如集電極調(diào)幅，其輸出波形較差。

(2)集電極調(diào)幅。集電極調(diào)幅是利用調(diào)制電壓去控制晶體管的集電極電壓，通過集電極電壓的變化，使集電極高頻電流的基波分量隨調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。實(shí)際上，它是一個(gè)集電極電源受調(diào)制信號(hào)控制的高頻功率放大器。集電極調(diào)幅原理電路如圖6.20所示。它與高頻功率放大器的區(qū)別在于集電極電源隨調(diào)制信號(hào)變化，即調(diào)制信號(hào)uΩ與電源電壓UCC疊加后再加到晶體管的集電極上。圖中載波號(hào)uc仍從基極加入，而調(diào)制信號(hào)加在集電極回路。因uΩ與UCC串接在一起，故可將二者合在一起看做一個(gè)緩慢變化的綜合電源UCC′(也稱集電極時(shí)變電源)。所以，集電極調(diào)幅電路就可看做是具有緩慢變化電源的諧振功率放大器。圖6.20集電極調(diào)幅原理電路集電極調(diào)幅的實(shí)用電路如圖6.21所示。圖中，T1、T3為高頻變壓器；T2為低頻變壓器。電容Cb、Cc是高頻旁路電容，Cc的作用是避免高頻電流通過調(diào)制變壓器T2的次級(jí)線圈及直流電源，因此它對(duì)高頻相當(dāng)于短路，而對(duì)調(diào)制信號(hào)頻率應(yīng)相當(dāng)于開路。調(diào)幅電路基極回路采用的是串聯(lián)饋電方式，并且其基極偏置為自給基極偏置，Rb上得到負(fù)偏壓。集電極回路也采用的是串聯(lián)饋電方式，LC諧振回路相當(dāng)于帶通濾波器，應(yīng)保證回路調(diào)諧于ωc，通帶為2Ω。這樣，集電極回路的輸出電壓就是調(diào)幅電壓。圖6.21實(shí)用集電極調(diào)幅電路集電極調(diào)幅電路中的三極管也工作在丙類狀態(tài)，由丙類功放的集電極調(diào)制特性曲線可知：若UCC′較大，則放大器工作在欠壓狀態(tài)，集電極高頻電流的基波分量Icm1隨UCC′變化(實(shí)際是調(diào)制信號(hào)uΩ的變化)很小，集電極電流脈沖在欠壓區(qū)可近似認(rèn)為不變；若UCC′較小，則放大器工作在過壓狀態(tài)，Icm1隨著UCC′的變化比較明顯(近似成線性關(guān)系)，這時(shí)集電極余弦電流脈沖的高度和凹陷程度均隨uΩ的變化而變化。所以，在調(diào)制過程中，只有放大器工作在過壓狀態(tài)，集電極有效電源電壓對(duì)集電極電流才有較強(qiáng)的控制作用，其電壓的變化才會(huì)引起集電極電流脈沖幅度和輸出電壓幅度的明顯變化，經(jīng)過集電極諧振回路的濾波作用后，在放大器輸出端即可獲得已調(diào)波信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)集電極調(diào)幅作用。通過以上討論，我們確定集電極調(diào)幅時(shí)，放大器應(yīng)工作在過壓狀態(tài)。圖6.22給出了集電極調(diào)幅電路工作在過壓狀態(tài)時(shí)，集電極電流ic的變化波形以及經(jīng)過選頻后的輸出電壓波形。圖(a)中，為保證調(diào)幅電路具有較高的效率，同時(shí)調(diào)幅波的包絡(luò)無失真，應(yīng)使集電極調(diào)幅電路中的直流電源UCC位于過壓區(qū)直線段的中央；圖(b)表示集電極余弦電流脈沖隨調(diào)制信號(hào)變化的波形。圖中集電極電流脈沖出現(xiàn)中心凹陷，且隨著UCC′的進(jìn)一步減小，過壓越深，脈沖凹陷也越深，則集電極基波電流Icm1越??；若UCC′越大，過壓程度的降低，脈沖下凹減輕，集電極基波電流Icm1增大?？梢姡姌O基波電流幅值正好反映調(diào)制信號(hào)的波形變化。當(dāng)將變化的ic信號(hào)通過一個(gè)中心頻率為fc的帶通濾波器時(shí)，那么放大器的輸出端就能得到如圖(c)所示的普通調(diào)幅波。圖6.22集電極調(diào)幅的電流、電壓波形調(diào)幅波電壓uAM(即集電極回路諧振電阻上的輸出電壓)可表示為(6.40)式中，k為由電路所決定的比例常數(shù)。要求調(diào)制信號(hào)幅值UΩm小于電源UCC的值，使ma>1。集電極調(diào)幅的主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)幅線性比基極調(diào)幅好，此外，由于集電極調(diào)幅始終工作在臨界和弱過壓區(qū)，故效率比較高；缺點(diǎn)是調(diào)制信號(hào)接在集電極回路中，未經(jīng)放大就輸出了，所以需要供給的調(diào)制功率比較大，且電路復(fù)雜、體積也較大。雖然集電極調(diào)幅的調(diào)制特性比基極調(diào)幅好，但也并不理想。由于放大器工作在過壓狀態(tài)，集電極電流脈沖出現(xiàn)凹陷，且隨UCC′減小，凹陷加深，因而影響調(diào)制線性，使調(diào)幅產(chǎn)生失真。為改善調(diào)制線性，可在電路中引入非線性補(bǔ)償措施，其原則是在調(diào)制過程中，隨著有效電源電壓UCC′的變化，要求輸入電壓ube也作相應(yīng)的變化。當(dāng)有效電源電壓降低時(shí)，輸入電壓也隨之減小，則調(diào)幅器不會(huì)進(jìn)入強(qiáng)過壓狀態(tài)；而當(dāng)有效電源電壓提高時(shí)，輸入電壓也隨之增大，則調(diào)幅器也不會(huì)進(jìn)入欠壓狀態(tài)，可使放大電路始終保持在弱過壓—臨界狀態(tài)。這樣不但改善了調(diào)制特性，還保持了較高的效率。補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)的方法有以下兩種：一是采用基極自給偏壓電路，如圖6.21所示。由于基極電流脈沖的平均分量Ib0隨調(diào)制信號(hào)而變，它產(chǎn)生的自給偏壓(UBB=-RbIb0)也相應(yīng)變化。當(dāng)有效電源UCC′降低時(shí)，過壓程度增大，加在三極管集電極上的反向電壓減小，使集電極電流ic下降。根據(jù)三極管內(nèi)部載流子的傳輸關(guān)系可知，基極電流ib反而增加，基極電流脈沖的平均分量Ib0也隨之增加，則由Ib0決定的基極自給偏壓的負(fù)值也增大，相應(yīng)地基極回路瞬時(shí)電壓ube變小，從而使過壓程度減輕。當(dāng)UCC′提高時(shí)，情況正好相反，放大器不會(huì)進(jìn)入欠壓狀態(tài)?？梢?，集電極調(diào)幅中存在基極電流脈沖的平均分量Ib0隨有效電源電壓的增加而減小的關(guān)系。因此，采用基極自給偏壓在一定程度上改善了放大器調(diào)制特性的線性。二是采用雙重調(diào)幅電路。所謂雙重調(diào)幅，就是用調(diào)制信號(hào)既控制集電極電壓，又控制基-射間電壓。在調(diào)制信號(hào)正半周時(shí)，有效電源電壓UCC′增大，同時(shí)調(diào)制信號(hào)也使基極瞬時(shí)偏壓向正方向增加(瞬時(shí)激勵(lì)電壓ube變大)，可防止電路進(jìn)入欠壓區(qū)；在調(diào)制信號(hào)負(fù)半周，UCC′減小，同時(shí)使基極瞬時(shí)偏壓向負(fù)方向變(瞬時(shí)激勵(lì)電壓ube變小)，可防止電路進(jìn)入強(qiáng)過壓區(qū)。這樣，就使放大器在整個(gè)調(diào)制過程中始終保持在弱過壓狀態(tài)，既保證了調(diào)制線性，又保證了較高的效率。通常多采用集電極-基極雙重調(diào)幅或集電極-集電極雙重調(diào)幅。通過以上介紹可以看到，高電平調(diào)幅產(chǎn)生的是普通調(diào)幅波，即AM波。

2)低電平調(diào)幅電路低電平調(diào)幅過程是在發(fā)射機(jī)低電平級(jí)也就是在功率放大之前進(jìn)行的，即先在發(fā)射機(jī)前級(jí)產(chǎn)生小功率的已調(diào)波，再經(jīng)過線性功率放大得到所需發(fā)射功率電平的調(diào)幅波，簡(jiǎn)單地說，就是先調(diào)制后功放。這種組成結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是：調(diào)制電路與高頻功放分開，調(diào)制的實(shí)現(xiàn)比較方便，可以保證調(diào)制的良好線性。但由于調(diào)制在功率放大之前進(jìn)行，因此功放的工作效率較低，且調(diào)制器容易對(duì)振蕩源產(chǎn)生影響。對(duì)于低電平調(diào)幅而言，AM、DSB、SSB這三種調(diào)制方式都適用，但低電平調(diào)幅電路主要用于DSB、SSB信號(hào)的產(chǎn)生。常用的低電平調(diào)幅方法有：平方律調(diào)幅、平衡調(diào)幅、斬波調(diào)幅(或環(huán)形調(diào)幅)和模擬乘法器調(diào)幅，其中前三種方法一般由一個(gè)或多個(gè)二極管構(gòu)成，又屬于二極管調(diào)幅電路。下面我們分別加以介紹。

(1)單二極管調(diào)幅電路。調(diào)制是一個(gè)非線性過程，要利用非線性器件來完成頻率變換。當(dāng)調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)相加后，通過二極管非線性特性的變換，將在電流中產(chǎn)生各種組合頻率分量，將LC諧振回路調(diào)諧于載頻，且回路帶寬足夠，便能取出兩信號(hào)頻率的和頻、差頻及載頻成分，這便是普通調(diào)幅波。二極管的工作狀態(tài)可分為小信號(hào)和大信號(hào)兩種。小信號(hào)調(diào)幅又稱為平方律調(diào)幅，可用冪級(jí)數(shù)法來分析；大信號(hào)調(diào)幅又稱為開關(guān)式調(diào)幅，可用折線法或開關(guān)函數(shù)法進(jìn)行分析。①平方律調(diào)幅——二極管信號(hào)較小時(shí)的工作狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，二極管在靜態(tài)偏置電壓UQ的作用下，處于導(dǎo)通狀態(tài)，工作于其特性曲線的彎曲部分。這時(shí)采用冪級(jí)數(shù)法來分析。圖6.23是平方律調(diào)幅方框圖和電路原理圖。圖6.23平方律調(diào)幅方框圖和電路圖圖中,二極管的伏安特性在工作點(diǎn)UQ處可用冪級(jí)數(shù)展開表示。當(dāng)u1=uc，u2=uΩ，即ω1=ωc,ω2=Ω時(shí)，根據(jù)式(6.23)可以得到眾多組合頻率分量的通式為

ωp·q=|±pωc±qΩ|(p、q為0或正整數(shù))經(jīng)分類整理可知：p=q=1時(shí)，對(duì)應(yīng)的ω1·1=|ωc±Ω|是平方項(xiàng)所產(chǎn)生的和頻、差頻是所需的上、下邊頻，其余分量都由無用乘積項(xiàng)產(chǎn)生。其中最為有害的分量是ωc±2Ω項(xiàng)(由于最接近有用分量，難于濾除)。為減小無用組合分量，獲得不失真調(diào)幅，應(yīng)選擇合適的Q點(diǎn)，使非線性器件工作在特性接近平方律的區(qū)段，或選用具有二次的或平方律特性的非線性器件。因產(chǎn)生調(diào)幅作用的是平方項(xiàng)，故此調(diào)幅方法稱平方律調(diào)幅。平方律調(diào)幅產(chǎn)生的是普通調(diào)幅波。但由于二極管不容易得到較理想的平方特性，因而調(diào)制效率低，無用成分多，故相乘作用不理想。目前較少采用平方律調(diào)幅器。②單二極管開關(guān)式調(diào)幅。為了減小不需要的頻率成分，在大信號(hào)應(yīng)用時(shí)，讓二極管工作在開關(guān)狀態(tài)。即一個(gè)電壓足夠大，另一個(gè)電壓小，則二極管的導(dǎo)通與截止完全受大電壓控制，此時(shí)將依靠二極管的導(dǎo)通和截止來實(shí)現(xiàn)頻率變換，為分析方便，可將二極管當(dāng)做一個(gè)理想的開關(guān)來處理。若取載波為大電壓，調(diào)制信號(hào)為小電壓，并且滿足UcmUΩm條件，則二極管處在受載波uc(t)控制的開關(guān)狀態(tài)。此時(shí)二極管相當(dāng)于一個(gè)按照載頻重復(fù)通斷的開關(guān)。其電路原理如圖6.24所示。圖6.24單二極管開關(guān)式調(diào)幅電路根據(jù)非線性電路的開關(guān)函數(shù)分析法，在忽略輸出電壓對(duì)回路的反作用的情況下，加在二極管兩端的電壓為uVD=uc+uΩ，二極管的導(dǎo)通與截止完全受載波電壓uc控制，則二極管的電流為(6.41)式中，gVD為回路電導(dǎo)，它是二極管導(dǎo)通電阻rd和負(fù)載電阻RL反射到輸出變壓器初級(jí)的反射電阻相串聯(lián)后的等效電導(dǎo)。引入單向開關(guān)函數(shù)S1(t)的概念，由于S1(t)可表示為(6.42)則式(6.41)可等效為

iVD=gVDS1(t)uVD=g(t)uVD

(6.43)式中，g(t)=gVDS1(t)，為時(shí)變電導(dǎo)，和S1(t)相同，它也受載波uc控制。S1(t)可展開為傅里葉級(jí)數(shù)形式：(6.44)由式(6.43)和式(6.44)可得由上述可知，iVD中的頻率成分有：輸入頻率ωc、Ω，載波的偶數(shù)次諧波2nωc(n=1，2…)，載波的奇數(shù)次諧波和調(diào)制信號(hào)基波的組合頻率(2n+1)ωc±Ω(其中n=0，1，2…)以及直流成分。在輸出端，用中心角頻率為ωc、帶寬為2Ω的帶通濾波器可取出ωc、ωc-Ω和ωc+Ω成分，從而實(shí)現(xiàn)普通調(diào)幅。可見，單二極管調(diào)幅電路只可以產(chǎn)生普通調(diào)幅波(即AM波)。在單二極管調(diào)幅中，大信號(hào)開關(guān)式調(diào)幅比小信號(hào)平方律調(diào)幅效率高、無用成分少，所以應(yīng)用較廣。但它的輸出仍有載波成分，若要抑制載波，得到雙邊帶信號(hào)，可采用平衡調(diào)幅方式實(shí)現(xiàn)。

(2)二極管平衡調(diào)幅電路。將兩個(gè)單二極管調(diào)幅器對(duì)稱連接，如圖6.25所示，就構(gòu)成了平衡調(diào)幅器。它可以運(yùn)用在小信號(hào)及大信號(hào)工作狀態(tài)。當(dāng)工作于大信號(hào)狀態(tài)時(shí)，它可以看做是兩個(gè)單二極管開關(guān)調(diào)幅電路對(duì)稱組合而成，平衡調(diào)幅電路中的二極管工作在開關(guān)狀態(tài)，從而減少了不需要的諧波成分，這種情況下的二極管平衡調(diào)幅電路也稱為二極管平衡斬波調(diào)幅電路，應(yīng)按照斬波調(diào)幅的方法來分析。若電路工作在小信號(hào)狀態(tài)，可看做是兩個(gè)平方律調(diào)幅電路對(duì)稱連接而成，按照冪級(jí)數(shù)法來分析。對(duì)于平衡調(diào)幅器而言，不論工作在何種狀態(tài)，只要兩個(gè)二