高频电路(本科)第6章

第6章调幅、检波与混频电路(线性频率变换电路)

第6章调幅、检波与混频电路(线性频

率变换电路)

6.1 概述　

　调制电路与解调电路是通信系统中的重要组成部分。正如绪论中所介绍的, 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；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。　

在模拟系统里, 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。

脉冲调制是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)和脉位调制(PPM)。

正弦波调制是以高频正弦波为载波, 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。　

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(又称为检波电路)同属于线性频率变换电路, 所以也放在这一章介绍。

6.2 振幅调制与解调原理　

6.2.1普通调幅方式　

1. 普通调幅信号的表达式、波形、频谱和功率谱　

普通调幅方式是用低频调制信号去控制高频正弦波(载波)的振幅, 使其随调制信号波形的变化而呈线性变化。　

设载波为uc(t)=Ucmcosωct, 调制信号为单频信号，即u　Ω(t)=UΩmcosΩt(Ωωc), 则普通调幅信号为:

　uAM(t)= (Ucm+kUΩmcosΩt)cosωct　

=Ucm(1+MacosΩt)cosωct (6.2.1)

其中调幅指数Ma= , 0＜Ma≤1, k为比例系数。　图6.2.1(a)给出了uΩ(t), u c(t)和uAM(t)的波形图。从图中并结合式(6.2.1)可以看出, 普通调幅信号的振幅由直流分量Ucm　和交流分量kUΩmcosΩt迭加而成, 其中交流分量与调制信号成正比, 或者说, 普通调幅信号的包络(信号振幅各峰值点的连线)完全反映了调制信号的变化。另外, 还可得到调幅指数Ma的表达式:

Umax UminUmax UminUcm Umin Ma Umax UminUcmUcm

显然, 当Ma＞1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6.2.2所示。所以, 普通调幅要求Ma必须不大于1。

式(6.2.1)又可以写成

MaUcmuAM(t)=Ucmcosωccos(ωc+Ω)t+cos(ωc-Ω)t］2

可见, uAM(t)的频谱包括了三个频率分量：ωc(载波)、ωc+Ω(上边频)和ωc-Ω(下边频)。原调制信号的频带宽度是

Ω或（）2 , 而普通调幅信号的频带宽度是2Ω(或2F),

是原调制信号的两倍。普通调幅将调制信号频谱搬移到了载频的左右两旁, 如图6.2.1(b)所示。　　　

图6.2.2 过调制波形

由式(6.2.3)还可以看到, 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:

21U　　Pc2R

　　两个边频分量产生的平均功率相同, 均为:

1MaUcm212() Mapc　　PSB=2R24

调幅信号总平均功率为:　　(6.2.4)

12Pav=Pc+2PSB(1 Mn)pc2(6.2.6)　　

由于被传送的调制信息只存在于边频分量而不在载频分量中, 所以从式(6.2.6)可知, 携带信息的边频功率最多只占总功率的三分之一(因为Ma≤1)。在实际系统中, 平均调幅指数很小, 所以边频功率占的比例更小, 功率利用率更低。　

为了提高功率利用率, 可以只发送两个边频分量而不发送载频分量, 或者进一步仅发送其中一个边频分量, 同样可以将调制信息包含在调幅信号中。这两种调幅方式分别称为抑制载波的双边带调幅(简称双边带调幅)和抑制载波的单边带调幅(简称单边带调幅), 在以下两小节将分别给予介绍。　

根据信号分析理论, 一般非周期调制信号uΩ(t)的频谱是一连续频谱, 假设其频率范围是Ωmin～Ωmax, 如载频仍是ωc　, 则这时的普通调幅信号可看成是调制信号中所有频率分量分别与载频调制后的迭加, 各对上、下边频的迭加组成了上、下边带, 相应的波形和频谱如图6.2.3所示。可见, 这时普通调幅信号的包络仍然反映了调制信号的变化, 上边带与下边带呈对称状分别置于载频的两旁, 且都是调制信号频谱的线性搬移, 上、下边带的宽度与调制信号频谱宽度分别相同, 总频带宽度仍为调制信号带宽的两倍, 即BW=2Ωmax。　

2　普通调幅信号的产生和解调方法　

式(6.2.1)可以改写如下：　kuAM(t) (1 U t) UcmcoswctUcmk [1 k1u (t)] uc(t),k1 ucm

由上式可见, 将调制信号与直流相加后, 再与载波信号相乘, 即可实现普通调幅。图6.2.4给出了相应的原理方框图。由于乘法器输出信号电平不太高, 所以这种方法称为低电平调幅

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。　

普通调幅信号的解调方法有两种, 即包络检波和同步检波。

(1) 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。图6.2.5给出了包络检波的原理图。　

设输入普通调幅信号uAM(t)如式(6.2.1)所示, 图6.2.5中非线性器件工作在开关状态, 其特性可用第5章第5.3节式(5.3.5)那样的单向开关函数来表示, 则非线性器件输出电流为:io(t)=guAM(t)·K1(ωct)　

21 n 1cos(2n 1)wct]=gUcm(1+MacosΩt)cosωct·[ ( 1) (2n 1) 2n 1

g是非线性器件伏安特性曲线斜率。　

可见io中含有直流, Ω, ωc, ωc±Ω以及其它许多组合频率分量, 其中的低频分量是:

1

　　 gUcm(1 Mscos t)

　　用低通滤波器取出io中这一低频分量, 滤除ωc-Ω及其以上的高频分量, 同时用隔直流电容滤除直流分量, 就可以恢复与原调制信号uΩ(t)成正比的单频信号了。　

图6.2.5中的非线性器件可以用晶体二极管, 也可以用晶体三极管。　

(2) 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, 其原理见图6.2.6。　设输入普通调幅信号uAM(t)仍如式(6.2.1)所示, 乘法器另一输入同步信号为:

　　ur(t)=Urmcosωct　　

则乘法器输出为:

2u0(t) k2uAM(t)ur(t) k2UcmUrm(1 Macos t)coswct

k2UcmUrmMacos(2wc )tMacos(2wc )t [1 Macos t cos2wct 222