第6章

振幅調制、解調及混頻我在時域，你在頻域才能發現你的美麗通信技術情書

我把愛的語言調制到高頻需要經過傅立葉變換通過高頻功率放大器載波到你的頻率你說我的愛噪聲太大經過層層濾波原來發現那是在宇宙開始的時候我發給你的愛的微波背景輻射時域特性：指的是信號的強度隨著時間的變化特性。這些信號最后都轉換為隨著時間而隨機變化的電壓或電流。例如通信中要處理的各種信號：語音、數據、圖像和視頻等。頻域特性：描述信號的另一種表示方法。描述的是信號包含哪些不同頻率分量。正弦信號的頻譜圖

例1：畫出信號的頻譜圖

例2例3：任何一個信號，不論它是周期性的還是非周期性的，都可以分解為一系列頻率不同的正弦（或余弦)分量。例3：畫出語音信號的大致頻譜圖

例4：畫出圖像信號的大致頻譜圖6.1概述6.2振幅調制原理及特性

6.4調幅信號的解調

第6章

振幅調制、解調及混頻

6.5混頻器原理及電路

6.3振幅調制電（2）便于通過天線輻射出去。低頻信號直接發射所需要的天線過長。發射20kHz無線電波所需要的最佳天線長度為75萬米長。（3）調制可以解決不同基帶信號相互之間干擾的問題。以電視信號傳輸為例，一個城市十個電視頻道，由于這十個頻道圖像信號的頻率都在0～6MHz之間，每個電視接收機將同時收到所有十個頻道的信號，結果屏幕上所顯示的將是十個頻道圖像的復合，這顯然是無法接受的（1）把基帶信號的頻譜搬移到某個頻帶范圍內，適應信道的傳輸要求；實現頻率的分配。

為什么要調制與解調？

(1)調制：用調制信號去控制載波信號的某一個參量的過程。

定義：信號載波信號：（等幅）高頻振蕩信號正弦波方波

三角波鋸齒波調制信號：需要傳輸的信號（原始信號）語言圖像密碼已調信號（已調波）：經過調制后的高頻信號（射頻信號）振幅調制解調（檢波)混頻（變頻）屬于頻譜線性搬移電路(2)解調：調制的逆過程，即從已調波中恢復原調制信號的過程。6．1概述(7)振幅調制分三種方式：

（5）相位調制：調制信號控制載波相位，使已調波的相位隨調制信號線變化。

（6）解調方式：（4）頻率調制：調制信號控制載波頻率，使已調波的頻率隨調制信號線性變化。（3）振幅調制：由調制信號去控制載波振幅，使已調信號的振幅隨調制信號線性變化。6.2振幅調制原理及特性一、振幅調制信號分析二、雙邊帶信號三、單邊帶信號（1）設：載波信號：調制信號：那么調幅信號（已調波）可表達為：

由于調幅信號的振幅與調制信號成線性關系，即有：，式中為比例常數即：

式中ma為調制系數，

常用百分比數表示。1.AM調幅波的數學表達式

返回6.2.1標準振幅調制（AM）信號分析則有

其中：

若將

分解為：

一般，實際中傳送的調制信號并非單一頻率的信號，常為一個連續頻譜的限帶信號。則2、調幅信號波形

波形特點：（1）調幅波的振幅（包絡）變化規律與調制信號波形一致

(2)調幅度ma反映了調幅的強弱程度

一般m值越大調幅越深：

（1）由單一頻率信號調幅可見,調幅波并不是一個簡單的正弦波，包含有三個頻率分量：

3、調幅波的頻譜

Ω調制信號ωc載波調幅波ωc

+Ω上邊頻ωc

-Ω下邊頻同樣含有三部分頻率成份(2)限帶信號的調幅波Ωmaxωcω限帶信號ω

c載波ω調幅波ωc-Ωmax下邊頻帶ωc+Ωmax上邊頻帶ΩmaxΩmaxΩmax

由于：

相加器

乘法器直流

乘法器

相加器4、AM信號的產生原理框圖可見要完成AM調制，其核心部分是實現調制信號與載波相乘。5、普通調幅波的功率關系條件：如果將普通調幅波輸送功率至負載RL上，則載波與兩個邊頻將分別得出如下功率：載波功率:上下邊頻功率:在調幅信號一周期內，AM信號的平均輸出功率是uAM(t)=Ucm(1+macosΩt)cosωct討論：

載波本身并不攜帶調制信息，但它的功率卻占整個調幅波功率的絕大部分。當ma＝1時，PC＝(2/3)PAM

；PDSS＝(1/3)PAM

當ma＝0.5時，PC＝(8/9)PAM

；PDSS＝(1/9)PAM

結論：因為調制信號的信息攜帶在上下邊頻中，因此在調幅的過程中，應盡量使調制系數ma大，以增大上下邊帶的功率，提高信號的傳輸能力，但不能超過1。普通調幅波的缺點：功率利用率太低，整機利用率低。1.設備簡單。2.解調方便，便于接受。3.與其它調制方式比較占用的頻帶寬。普通調幅被廣泛應用于中、短波無線電廣播系統的原因：

在AM調制過程中，如果將載波分量抑制就形成抑制載波的雙邊帶信號，簡稱雙邊帶信號，它可以用載波和調制信號直接相乘得到，即：調制信號為單一頻率信號：調制信號為限帶信號的調制：6.2.2雙邊帶(doublesidebandDSB)調幅信號

１、數學表達式2.波形與頻譜6.2.2雙邊帶(doublesidebandDSB)調幅信號

(1)DSB信號的包絡正比于調制信號

(2)

DSB信號載波的相位反映了調制信號的極性，即在調制信號負半周時，已調波高頻與原載波反相。因此嚴格地說，DSB信號已非單純的振幅調制信號，而是既調幅又調相的信號。(3)

DSB波的頻譜成份中抑制了載波分量，全部功率為邊帶占有，功率利用率高于AM波。(4)占用頻帶調制信號載波上邊頻下邊頻單邊帶(SSB)信號是由雙邊帶調幅信號中取出其中的任一個邊帶部分，即可成為單邊帶調幅信號。其單頻調制時的表示式為：上邊帶信號下邊帶信號6.2.3單邊帶(singlesidebandSSB)信號

1.SSB信號的性質

在現代電子通信系統的設計中，為節約頻帶，提高系統的功率和帶寬效率，常采用單邊帶（SSB）調制系統

Ωmaxω限帶信號ωc載波ωc-Ωmax下邊頻帶信號ωωc+Ωmax上邊頻帶信號ωωc+Ωmaxωc-Ωmax由DSB信號經過邊帶濾波器濾除了一個邊帶而形成，如：上邊帶信號下邊帶信號2.單邊帶調幅信號的實現

上邊帶濾波器下邊帶濾波器乘法器(1)濾波法

有三種基本的電路實現方法：濾波法、相移法：下邊頻帶信號ωωDSB信號ωc-Ωmaxωc+Ωmax上邊頻帶信號ωωc+Ωmaxωc-Ωmax另外由三角公式：(2)相移法

利用上三角公式的實現電路如下圖所示：乘法器乘法器９00相移９00相移加法器減法器????

習慣上將沒有抑制載波和邊帶的幅度調制方式稱為普通調幅方式，簡稱AM，于是就有三種幅度調制方式：AM、DSB和SSB調制，下表給出了三種調幅方式性能的比較。

三種幅度調制方式的比較抑制載波的雙邊帶調幅和單邊帶調幅（VSB）*電視圖像信號的殘留邊帶調制加上殘留部分，調制后圖像信號頻帶寬度等于7.25MHz，加上電視伴音信號（采用頻率調制方式發送），全電視信號的寬度為8MHz，對照第1章電視頻道的劃分，不同電視頻道之間的頻率差正好是8MHz。電視圖像信號采用了一種稱為殘留邊帶的發送方式，即發送全部上邊帶和部分下邊帶，如圖所示。

通常分為：6.3振幅調制電路

三種信號都有一個調制信號和載波的乘積項，所以振幅調制電路的實現是以乘法器為核心的頻譜線性搬移電路。具體的說調制可分為高電平調制：功放和調制同時進行，主要用于AM信號。低電平調制：先調制后功放，主要用于DSB、SSB以及FM信號。6.3.1低電平調幅電路

二極管調幅電路

集成模擬乘法器調幅電路

如下圖所示的電路設:(1)單二極管電路且則回路電流:而

1.二極管調幅電路

的頻譜成份：

Ωω

c2ωc3ωc如果選頻回路工作在處，且帶寬為

而諧振時的負載電阻為RL，則輸出電壓為

為一個AM信號B=2ΩVDusuc+-+-RLLCid+-uL+-udZL2.集成模擬乘法器調幅電路

用集成模擬相乘器來實現各種調幅電路，電路簡單，性能優越且穩定，調整方便，利于設備的小型化。

R151ΩR6RW50kΩ21kΩ3.9kΩ1kΩC2C2uo-EE=-8V694178Ry3MC1596510EC=12VR4R4R5uxuyR2R3R7R8R9C2C21kΩ51Ω51Ω6.8kΩ750Ω750Ω3.9kΩ1）MC1596構成的調幅電路RcRcEcVT1VT2VT3VT4VT5VT6VT7VT8VDRyRy-EEX通道兩輸入端8腳和7腳，Y通道兩輸入端1腳和4腳之間接有調零電路

可通過調節電位器RW，使1腳電位比4腳高Uo，相當于在1、4腳之間加了一個直流電壓Uo，以產生普通調幅波。

實際應用中，高頻載波電壓uc加到X輸入端口，調制信號電壓uΩ及直流電壓Uo加到Y輸入端口，從9腳單端輸出AM信號。2.集成模擬乘法器調幅電路2)BG314構成的調幅電路

RLuxuy13kΩIox10kΩ28.2kΩR11141294Rw8133R13R37-EE=-15V+15V561011IoyEC=15V-15V10kΩRwxRwy2kΩ2kΩRxRyBG314（MC1595）8.2kΩ10kΩ10kΩ10kΩ6.8kΩ3.3kΩCLN1N2uo8腳附加補償調零電壓UXIS，12腳除附加補償零電壓UYIS。ux=uc=Ucmcosωctuy=uΩ-(-Uo)=Uo+UΩmcosΩt

若2、14腳兩端外接LC諧振回路的等效諧振電阻為RL

，

由式(4-50)可推出變壓器次級回路輸出的調幅波電壓為：

如果uy=uΩ=UΩmcosΩt

1、集電極調幅2、基極調幅6.3.2.高電平調幅過壓欠壓0臨界VCC欠壓過壓0臨界Vbm集電極調幅電路1、集電極調幅高電平調幅電路能同時實現調制和功率放大，即用調制信號vΩ去控制諧振功率放大器的輸出信號的幅度Vcm來實現調幅的。臨界過壓欠壓VCC（t）臨界過壓欠壓VBB(t)EndiCiC1臨界過壓欠壓VCC（t）1、集電極調幅基極調幅電路2、基極調幅EndiCvAM（t）臨界過壓欠壓V

BB(t)2、基極調幅高頻載波具有單一的頻率,基帶信號對其進行調制后，所形成的已調信號必然具有一定的頻帶寬度，這個頻帶寬度除了與基帶信號自身的頻帶寬度有關之外，還與調制方式有關。已調信號所使用的頻帶寬度即為頻帶利用效率的含義。1、調制方式的頻帶利用效率由于存在多種調制方式，自然就有一個如何選擇最佳調制方式的問題。為此，就需要討論調制的主要性能指標，以便根據式的性能來確定最佳選用方案。6.3.2

調制的主要性能指標例如，48.5MHz～92MHz的甚高頻段用于電視及數據廣播，電視廣播已調信號頻帶寬度6.5MHz，規定每個電視頻道頻率間隔8MHz，整個頻段就可以安排5個頻道。調制方式選用不當，每個電視頻道占用的頻帶寬度提高到13MHz，上述頻段就只能安排3個頻道，頻帶利用效率就大大下降了。

3、抗噪聲抗干擾能力在保證相同通信距離的情況下，采用不同的調制方式，所需要的發射功率會有所不同，所需要的功率越小，就說其功率有效性越高。功率有效性也是衡量調制方式的重要性能指標之一。

例如，幅度調制方式中有一種稱為單邊帶調制的技術能使功率減小一半有效性就較高。

2、調制方式的功率有效性6.3.2調制的主要性能指標各種調制方式對于噪聲等各種干擾的抑制能力也是衡量調制方式優劣的重要指標。例如，頻率調制方式的抗干擾能力就比幅度調制方式強，調頻波的特點是幅度為恒定值，假如通信過程中混入了幅度干擾，在解調前只要加一個限幅器電路就可以消除這種干擾。解調是調制的逆過程，是從高頻已調波中恢復出原低頻調制信號的過程。從頻譜上看，解調也是一種信號頻譜的線性搬移過程，是將高頻端的信號頻譜搬移到低頻端，解調過程是和調制過程相對應的，不同的調制方式對應于不同的解調。振幅調制過程：解調過程AM調制

DSB調制

SSB調制包絡檢波：同步檢波：

峰值包絡檢波平均包絡檢波乘積型同步檢波疊加型同步檢波6.4調幅信號的解調

6.4.1調幅解調的方法

1包絡檢波t調幅波調幅波頻譜ωc+Ωωc-Ωωcω輸出信號頻譜Ωω包絡檢波輸出t

非線形電路低通濾波器t調幅波t調幅波t調幅波包絡檢波輸出t包絡檢波輸出t包絡檢波輸出t

由于DSB和SSB信號的包絡不同于調制信號，不能用包絡檢

波器，只能用同步檢波器，但需注意同步檢波過程中，為了正常解調，必須恢復載波信號，而所恢復的載波必須與原調制載波同步（即同頻同相）。

乘法器低通濾波器uDSBu'ou'Ω2同步檢波包絡檢波器

加法器uDSBu'ou'ΩuAM解調載波6.4.2二極管大信號包絡檢波器

1.大信號包絡檢波的工作原理

(1)電路組成

ZL+-uiVDRC+-uiRui+-Crd它是由輸入回路、二極管VD和RC低通濾波器組成。

RC低通濾波電路有兩個作用：

①對低頻調制信號uΩ來說，電容C的容抗，電容C相當于開路，電阻R就作為檢波器的負載，其兩端產生輸出低頻解調電壓

②對高頻載波信號uc來說，電容C的容抗，電容C相當于短路，起到對高頻電流的旁路作用，即濾除高頻信號。

理想情況下，RC低通濾波網絡所呈現的阻抗為:

1.大信號包絡檢波的工作原理(2)工作原理分析

+

uD-+-uoiduD=ui-uoRi充+-uoi放+-ui+-uiVDRCui+-Crd

當輸入信號ui(t)為調幅波時，那么載波正半周時二極管正向導通，輸入高頻電壓通過二極管對電容C充電，充電時間常數為rdC。因為rdC較小，充電很快，電容上電壓建立的很快,輸出電壓uo(t)很快增長。

作用在二極管VD兩端上的電壓為ui(t)與uo(t)之差，即uD=ui-uo。所以二極管的導通與否取決于uD

當uD=ui-uo>0，二極管導通；當uD=ui-uo<0

，二極管截止。

ui(t)達到峰值開始下降以后，隨著ui(t)的下降，當ui(t)=uo(t)，即uD=ui-uo=0時，二極管VD截止。C把導通期間儲存的電荷通過R放電。因放電時常數RC較大，放電較緩慢。

檢波器的有用輸出電壓：uo(t)=uΩ(t)+UDCUDCuΩ(t)tuo(t)Δucui(t)uo(t)ui(t)與uo(t)tididi充i充i放i放+-+-檢波器的實際輸出電壓為：uo(t)+Δuc=uΩ(t)+UDC+Δuc當電路元件選擇正確時，高頻紋波電壓Δuc很小，可以忽略，輸出電壓為：

uo(t)=uΩ(t)+UDC包含了直流及低頻調制分量。

圖(a)：電容Cd的隔直作用，直流分量UDC被隔離，輸出信號為解調恢復后的原調制信號uΩ，一般常作為接收機的檢波電路。

圖(b)：電容Cφ的旁路作用，交流分量uΩ(t)被電容Cφ旁路，輸出信號為直流分量UDC，一般可作為自動增益控制信號（AGC信號）的檢測電路。

UDCuΩ(t)Δuctuo(t)ui(t)uo(t)ui(t)與uo(t)t

峰值包絡檢波器的應用型輸出電路

+-UDC（b）ui+-CVDRφRCφ+-uoui+-CVDRL+-uΩRCd+UDC

-+-uo（a）同步檢波器用于對載波被抑止的雙邊帶或單邊帶信號進行解調。它的特點是必須外加一個頻率和相位都與被抑止的載波相同的電壓。同步檢波的名稱即由此而來。圖6.10.1同步檢波器l兩種方式6.4.3同步檢波 載波信號相位對檢波結果的影響1.

乘積檢波器乘積檢波電路低通濾波器

vsV0ivr乘積檢波器同步檢波圖6.10.2輸入雙邊帶信號時乘積檢波器的有關波形和頻譜同步檢波2.

疊加型同步檢波器包

絡檢波器vsvrvWv同步檢波End同步檢波乘積型同步檢波器的實用電路

低通濾波器諧振限幅放大器乘法器CDIoyRw-15V-15V15kΩRφ+15VR13-EEVT35.1kΩRwx121kΩ100kΩ121kΩR11Rc141294Rc8133R327+15V561011IoxRwZEC=15V-+11kΩ1MΩ25kΩ-15V10kΩ10kΩRwy2kΩ2kΩRxRyBG314（MC1595）AVT1VT2LC510Ω510ΩfoCφ

諧振限幅放大器

乘法器

低通濾波器CD49uAMuΩu'cu'ΩuΩuxuyuAMu'ΩuAM注意點：(1)同步解調的關鍵是乘積項，即以前介紹的具有乘積項的線性頻譜搬移電路，只要后接低通濾波器都可實現乘積型同步檢波。(2)同步檢波無失真的關鍵是同步。

在保持相同調制規律的條件下，將輸入已調信號的載波頻率從fs變換為固定fi的過程稱為變頻或混頻。（以調幅為例）在接收機中，fi稱為中頻。一般其值為其中fL是本地振蕩頻率。超外差式接收機1.定義其中，fi大于fs的混頻稱為上混頻，fi小于fs的混頻稱為下混頻。6.5混頻舉例經過混頻器變頻后，輸出頻率為混頻的結果：較高的不同的載波頻率變為固定的較低的載波頻率，而振幅包絡形狀不變。6.5.1混頻器的工作原理圖6.5.1變頻前后的頻譜圖2.混頻的實質線性頻率變換頻譜搬移3.混頻器的性能指標A.變頻(混頻)增益：混頻器輸出中頻電壓Vim與輸入信號電壓Vsm的幅值之比。變頻功率增益：變頻增益是指變頻器的輸出信號功率和輸入信號功率之比EndC.選擇性：抑制中頻以外的信號的干擾的能力。D.非線性干擾：抑制組合頻率干擾、交調、互調干擾等干擾的能力。B.噪聲系數：高頻輸入端信噪比與中頻輸出端信噪比的比值。晶體管混頻器前面分析表明，要進行混頻，可以用非線性電子器件工作于線性時變狀態來實現,即VLm>>Vsm。1.工作原理時變電導vLvsiC=f(VBB+vL)

+f'(VBB+vL)

vs其中f'(VBB+vL)是時變跨導。已知振蕩電壓vL=VLcosωLt6.5.2晶體管混頻器iC=f(VBB+vL)

+f'(VBB+vL)

vs晶體管混頻器時變工作點處的電流時變跨導已知輸入電壓

vs=V(t)cosωst中頻輸出電流變頻跨導圖6.5.2混頻管跨導隨本振電壓V０變化晶體管混頻器圖6.5.3晶體管混頻器的電路組態2.電路組態晶體管混頻器高頻時采用共基組態低頻頻時采用共射組態圖6.5.4某調幅通信機混頻器電路3.實際電路舉例調諧于ωi調諧于ωs圖6.5.5自激式變頻器電路3.實際電路舉例調諧于ωi調諧于ωs調諧于ωLEnd4.晶體管混頻特點優點：有變頻增益

缺點：1）動態范圍較小

2）組合頻率干擾嚴重

3）噪聲較大

4）存在本地輻射1二極管平衡混頻器2二極管環形混頻器（雙平衡混頻器）6.5.3二極管混頻器圖6.5.6二極管平衡混頻器如果VLm>Vsm,D1和D2工作于開關狀態，1二極管平衡混頻器圖6.5.7二極管平衡混頻器1二極管平衡混頻器 二極管平衡混頻器的輸出頻率的組合分量大為減少。同時，在輸入端沒有本振角頻率ωL及其諧波分量的電壓。End開關函數法1二極管平衡混頻器圖6.5.8二極管環形混頻器2二極管環形混頻器圖6.5.9在本振電壓正半周的環形混頻器2二極管環形混頻器圖6.5.10在本振電壓負半周的環形混頻器2二極管環形混頻器2二極管環形混頻器 提供混頻增益的同時，進一步減小輸入信號頻率成分。抑制的頻率？End2二極管環形混頻器圖6.5.11差分對混頻器6.5.4差分對模擬乘法器混頻電路End圖6.5.12模擬乘法器混頻器差分對模擬乘法器

2交叉調制(交調)

3互相調制(互調)

4阻塞現象與相互混頻1

組合頻率干擾(干擾哨聲)

和副波道干擾

5克服干擾的措施6.5.5混頻器中的干擾

理想的變頻過程只是將輸入信號的頻譜在頻率軸上平移，信號頻譜結構不應發生變化。但由于實際電路的非理想工作狀態，往往在變頻輸出信號中出現干擾信號，稱其為變頻干擾。下面以接收機變頻電路為例，說明變頻干擾產生的原因及其表現。中頻信號高頻放大混頻器中頻放大本地振蕩器本振電壓干擾信號電壓檢波器輸入信號基帶信號

變頻干擾產生原因：高頻放大器的頻率特性不理想高頻放大器具有非線性特性；本振信號的各次諧波；變頻器的非線性不能看作為時變參量線性電路1）.

有用信號和本振產生的組合頻率干擾——哨叫干擾 當接收機接收某一電臺音頻信號時，除了能聽到有用信號外，還同時能聽到等音頻的哨叫聲。F為音頻現象：p+q≤n1組合頻率干擾和副波道干擾它將與有用信號疊加，并同時被中頻放大器放大，然后檢波輸出。檢波器除了輸出有用信號的解調信號外，還伴有一個頻率為F的音頻信號，這就形成了哨叫干擾。舉例：調幅廣播接收機的中頻為465kHz，某電臺發射頻率為931kHz，當接收該臺廣播時，接收機的本振頻率。2）.干擾信號和本振產生的副波道干擾 當混頻器前級的天線和高頻放大電路的選頻特性不理想時，在通頻帶以外的電臺信號也有可能進入混頻器的輸入端而形成干擾。原因：這時，頻率為fn的干擾信號便順利進入中頻放大器，經檢波后使可聽到這一哨叫干擾。由于它是主波道以外的波道對有用信號形成的干擾，所以稱為副波道干擾，又稱寄生通道干擾。考慮到下