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1、第6章 模拟调幅、检波与混频电路 (线性频率变换电路)6.1 概述6.2 振幅调制与解调原理6.3 调幅电路6.4 检波电路6.5 混频16.1 概述调制电路与解调电路是通信系统中的重要组成部分。v调制：调制是在发射端将调制信号从低频段变换到高频 段, 便于天线发送或实现不同信号源、不同系统的频分复 用；v解调：解调是在接收端将已调波信号从高频段变换到低 频段, 恢复原调制信号。 分类： 按照载波波形的不同, 可分为脉冲调制和正弦波调制两种方式。2v脉冲调制：以高频矩形脉冲为载波, 用低频调制信号分别去控制矩形脉冲的幅度、宽度或位置三个参量, 分别称为脉幅调制(PAM)， 脉宽调制(PDM)和
2、脉位调制(PPM)。 v正弦波调制：高频正弦波为载波, 用低频调制信号分别去控制正弦波的振幅、频率或相位三个参量, 分别称为调幅(AM)、 调频(FM)和调相(PM)。 本书仅讨论正弦波调制。3正弦波的表示式为：其中，A是振幅，(t)是瞬时相位角，是瞬时角频率，0是初始相位。使这三个参数中的某一个（幅度、角频率、相位）随调制信号大小而线性变化的过程，分别称为幅度调制、频率调制或相位调制，简称调幅、调频和调相。4而正弦振荡的瞬时角频率和瞬时相位角之间的关系为： 由上两式可见，调频与调相的相位角(t)都要变化，故有时将其称为合称为角度调制，或者简称调角。解调是调制的逆过程。即从已调信号中恢复原调制
3、信号的过程。与幅度调制、频率调制和相位调制相对应。有幅度解调、频率解调和相位解调，并分别简称为检波、鉴频和鉴相。5本章首先分别在时域和频域讨论振幅调制与解调的基本原理, 然后介绍有关电路组成。由于混频电路、倍频电路与调幅电路、 振幅解调电路同属于线性频率变换电路, 所以也放在这一章介绍。 66.2.1普通调幅方式 6.2 振幅调制与解调原理1. 普通调幅信号的表达式、 波形、 频谱和功率谱设载波为uc(t)=Ucmcosct,调制信号为单频信号，即u(t)=Umcost(c), 则普通调幅信号为:uAM(t)= (Ucm+kUm cos t)cosct=Ucm(1+Macost)cosct其中
4、调幅指数 0Ma1, k为比例系数。 v波形7u(t), u c(t)和uAM(t)的波形图。调制 信号载波 信号高频已 调波 信号8调幅指数 ：显然, 当Ma1时, 普通调幅波的包络变化与调制信号不再相同, 产生了失真, 称为过调制, 如图所示。所以, 普通调幅要求Ma必须不大于1。过调制波形9其频谱图为：uAM(t)=Ucmcosct+ cos (c+)t+cos (c-)t带宽：2v频谱与带宽公式10一般非周期调制信号u(t)的频谱是一连续频谱, 假设其频 率范围是minmax, 如载频仍是c带宽： 2max11若此单频调幅信号加在负载R上, 则载频分量产生的平均功率为:两个边频分量产生
5、的平均功率相同, 均为:调幅信号总平均功率为:v功率12v AM调制方式的功率利用率最高只能达到1/3v提出问题：为什么AM方式得到了广泛应用？在接收方解调电路简单经济，对于调幅收音机，其接收方是千家万户，因此得到了广泛应用。132. 普通调幅信号的产生和解调方法其中：k1=k/Ucmv普通调幅信号的产生14高电平调制：第3章曾经讨论过利用丙类谐振功放的调制特性也可以产生普通调幅信号。 由于功放的输出电压很高, 故这种方法称为高电平调幅。 低电平调制15 包络检波。 利用普通调幅信号的包络反映了调制信号波形变化这一特点, 如能将包络提取出来, 就可以恢复原来的调制信号。这就是包络检波的原理。包
6、络检波原理图 v普通调幅信号的解调16 同步检波。 同步检波必须采用一个与发射端载波同频同相(或固定相位差)的信号, 称为同步信号。 同步检波可由乘法器和低通滤波器实现同步检波原理图 17 设输入普通调幅信号uAM(t), 乘法器另一输入同步信号为:ur(t)=Urmcosct则乘法器输出为:18可见, 输出信号中含有直流, , 2c, 2c几个频率分量。用低通滤波器取出直流和分量, 再去掉直流分量, 就可恢复原调制信号。 如果同步信号与发射端载波同频不同相, 有一相位差, ur=Urmcos(ct+) 则乘法器输出中的分量为 k2UcmUrmMacoscost。v是一常数, 即同步信号与发射
7、端载波的相位差始终保持恒 定, 则解调出来的分量仍与原调制信号成正比, 只不过振幅 有所减小。当然90, 否则cos=0, 分量也就为零了。v若是随时间变化的, 即同步信号与发射端载波之间的相位 差不稳定, 则解调出来的分量就不能正确反映调制信号了 19例1：已知调幅信号为：（1）指出调制信号，载波信号；（2）画出频谱图；（3）求出单位电阻的边带功率、载波功率以及 功率利用率206.2.2双边带调幅方式 1 双边带调幅信号的特点设载波为uc(t)=Ucmcosct, 单频调制信号为u(t)=Um cost(c), 则双边带调幅信号为:uDSB(t)=ku(t)uc(t)=kUm Ucmcost
8、cosct= kUmUcm/2 cos (c+)t+cos (c-)t 可见双边带调幅信号中仅包含两个边频, 无载频分量, 其频带宽度仍为调制信号带宽的两倍。 21v波形与频谱图。 双边带调幅波形与频谱 22v双边带调幅信号不仅其包络已不再反映调制信号波形的变化, 而且在调制信号波形过零点处的高频相位有180的突变。232. 双边带调幅信号的产生与解调方法v 调制：产生双边带调幅信号的最直接法就是将调制信号与载波信号相乘。v 解调：由于双边带调幅信号的包络不能反映调制信号, 所以包络检波法不适用, 而同步检波是进行双边带调幅信号解调的主要方法。24设同步信号为ur(t)=Urmcosct, 则
9、乘法器输出为:用低通滤波器取出低频分量, 即可实现解调。将上式双边带信号取平方, 则可以得到频率为2c的分量, 然后经二分频电路, 就可以得到c分量。 这是从双边带调幅信号中提取同步信号的一种方法。 256.2.3单边带调幅方式单边带调幅方式是指仅发送上、下边带中的一个。如以发送 上边带为例, 则单频调制单边带调幅信号为：由上式可见, 单频调制单边带调幅信号是一个角频率为c+的单频正弦波信号。单边带调幅信号的带宽与调制信号带宽相同, 是普通调幅 和双边带调幅信号带宽的一半。 产生单边带调幅信号的方法主要有滤波法、 相移法以及 两者相结合的相移滤波法。26v滤波法从频域方面这种方法是根据单边带调
10、幅信号的频谱特点, 先产生双边 带调幅信号, 再利用带通滤波器取出其中一个边带信号。v 对于频谱范围为minmax的一般调制信号, 如min很小, 则上、下两个边带相隔很近, 用滤波器完全取出一个边带而 滤除另一个边带是很困难的。 27v相移法从时域方面单频单边带调幅信号可写成:28由上式可知, 只要用两个90相移器分别将调制信号和载波信号相移90, 成为sint和sinct, 然后进行相乘和相减, 就可以实现单边带调幅。 v 对单频信号进行90相移比较简单, 但是对于一个包含许多频率分量的一般调制信号进行90相移, 要保证其中每个频率分量都准确相移90是很困难的。29v相移滤波法维夫法 滤波
11、法的缺点在于高频滤波器的设计困难，而低频滤波器 的设计要容易些。 相移法的困难在于宽带90相移器的设计, 而单频90相移器的 设计比较简单。 结合两种方法的优缺点而提出的相移滤波法是一种比较可 行的方法,30相移滤波法的关键在于将载频c分成1和2两部分, 其中1是略高于max的低频, 2是高频, 即c=1+2, 12。31v 单边带信号的解调则乘法器输出为 同步信号的获取：一般可在发送单边带调幅信号的同时, 也附带发送一个功率较小的载波信号, 供接收端从中提取作为同步信号。同步信号： 采用同步检波方式。 326.2.4残留边带调幅方式v 特点：残留边带调幅是指发送信号中包括一个完整边带、 载波
12、及另一个边带的小部分(即残留一小部分)。 这样, 既比普通调幅方式节省了频带, 又避免了单边带调幅要求滤波器衰减特性陡峭的困难, 发送的载频分量也便于接收端提取同步信号。 v 应用：在电视广播系统中, 由于图像信号频带较宽, 为了节约频带, 同时又便于接收机进行检波, 所以对图像信号采用了残留边带调幅方式, 而对于伴音信号则采用了调频方式。现以电视图像信号为例, 说明残留边带调幅方式的调制与解调原理。33残留边带调幅发送和接收滤波器幅频特性 (a) 发送； (b) 接收 34v若采用普通调幅, 每一频道电视图像信号的带宽需12 MHz, 而采用残留边带调幅只需8 MHz。另外, 对于滤波器过渡
13、带的要求远不如单边带调幅那样严格, 故容易实现。 35小结：普通调幅功率利用率低, 但可采用简单、 低成本的包络检波方式, 故广泛用于电台广播系统, 给广大接收者带来便利。 双边带调幅与单边带调幅功率利用率高, 可用于小型通信系统, 其中单边带调幅可节省一半频带, 但需解决如何获得同步信号的问题。 残留边带调幅广泛用于电视广播系统。366.3.1高电平调幅电路6.3 调幅电路丙类谐振功放的调制特性分为基极调制特性和集电极调制特性两种, 据此可以分别组成基极调幅电路和集电极调幅电路。 现以集电极调幅电路为例, 说明高电平调幅的原理。 集电极调制特性是指固定丙类谐振功放的VBB和R, 当输入一个等
14、幅高频正弦波时, 输出高频正弦波的振幅Ucm将随集电极电源电压的变化而变化。37若集电极电源电压为UCC(t)=UCC0+u(t), 即一个固定直流电压与一个低频交流调制信号之和, 则随着UCC的变化, 使得静态工作点左右平移, 从而使动态线左右平移。 当谐振功放工作在过压状态时,Ucm将发生变化, 近似有UcmUCC(t)的关系。如输入信号为高频载波cosct, 输出LC回路调谐在c上, 则输出信号可写成:uo(t)=Ucmcosct=kUCC0+u(t)cosct 其中k为比例系数。 38集电极调幅电路原理 集电极调制特性cosctUCC0+u(t)kUCC0+u(t)cosct39v 高
15、电平调幅电路的优点是调幅、 功放合一, 整机效率高, 可直接产生很大功率输出的调幅信号, 但也有一些缺点和局限性。 一是只能产生普通调幅信号, 二是调制线性度差, 例如集电极调制特性中Ucm与UCC并非完全成线性关系。 406.3.2 低电平调幅模拟乘法器是低电平调幅电路的常用器件, 它不仅可以实现普通调幅, 也可以实现双边带调幅与单边带调幅。 既可以用单片集成模拟乘法器来组成低电平调幅电路, 也可以直接采用含有模拟乘法器部分的专用集成调幅电路。 411. 单片集成模拟乘法器则两信号相乘后的输出信号为可见，乘法运算能够产生两个输入信号频率的和频与差频，这正是调幅、检波和混频等电路所需要的功能。模拟乘法器可实现输出电压为两个输入电压的线性积, 典 型应用包括：乘、除、平方、均方、倍频、调幅、检波、混 频、 相位检测等。 设两个输入信号分别为42单片集成模拟乘法器种类较多, 由于内部电路结构不同, 各项参数指标也不同。在选择时, 应注意以下主要参数：工作频率范围、电源电压、输入电压动态范围、线性度等。 现将常用的 Motorola公司MC1496/1596、MC1495/1595和MC1494/1594单片模拟乘法器的参数指标简介如下。 MC14
