G通信电子线路电子CH6.pptx

第第6章章 调幅、调幅、检波与混频电路检波与混频电路6.1 概述概述 调制电路与解调电路是通信系统中的重要组成部分。调制电路与解调电路是通信系统中的重要组成部分。在模拟系统里在模拟系统里,按照载波波形的不同按照载波波形的不同,可分为可分为:(1)脉冲调制脉冲调制 (2)正弦波调制正弦波调制 调调制制是是在在发发射射端端将将调调制制信信号号从从低低频频段段变变换换到到高高频频段段,便便于于天天线线发发送送或或实实现现不不同同信信号号源源、不不同同系系统统的的频频分分复复用用；解解调调是是在在接接收收端端将将已已调调波波信信号号从从高高频频段段变变换到低频段换到低频段,恢复原调制信号。恢复原调制信号。脉脉冲冲调调制制是是以以高高频频矩矩形形脉脉冲冲为为载载波波,用用低低频频调调制制信信号号分分别别去去控控制制矩矩形形脉脉冲冲的的幅幅度度、宽宽度度或或位位置置三三个个参参量量,分分别别称称为为脉脉幅幅调调制制(PAM),脉脉宽宽调调制制(PDM)和和脉脉位调制位调制(PPM)。正正弦弦波波调调制制是是以以高高频频正正弦弦波波为为载载波波,用用低低频频调调制制信信号号分分别别去去控控制制正正弦弦波波的的振振幅幅、频频率率或或相相位位三三个个参参量量,分分别别称称为为调调幅幅(AM)、调调频频(FM)和和调调相相(PM)。对时域的理解有利于区别调幅和调角的差异，对时域的理解有利于区别调幅和调角的差异，但对于区分不同调幅的产物但对于区分不同调幅的产物调幅波调幅波(也称已调波也称已调波)则是不够的。至于各种调幅波的差异问题，最好从则是不够的。至于各种调幅波的差异问题，最好从频域角度来考虑。频域角度来考虑。一一般般说说来来，调调幅幅的的实实现现在在时时域域上上可可以以理理解解为为：通通过过代代表表信信息息的的基基带带信信号号，即即低低频频信信号号，去去控控制制高高频载波振幅来实现。频载波振幅来实现。怎样来理解调幅怎样来理解调幅(AM)调制呢？调制呢？怎样来理解解调呢？怎样来理解解调呢？解调的作用是从已调波中还原一个与原基带解调的作用是从已调波中还原一个与原基带信号变化规律一致的电信号。信号变化规律一致的电信号。6.2 振幅调制与解调原理振幅调制与解调原理 6.2.1 普通调幅普通调幅(Am)方式方式 1.1 普通调幅信号的表达式、普通调幅信号的表达式、波形波形 普普通通调调幅幅方方式式是是用用低低频频调调制制信信号号去去控控制制高高频频正正弦弦波波(载载波波)的振幅的振幅,使其随调制信号波形的变化而呈线性变化。使其随调制信号波形的变化而呈线性变化。设载波为设载波为 uc(t)=Ucmcosct,调制信号为单频信号，即调制信号为单频信号，即u(t)=Umcost,则普通调幅信号为则普通调幅信号为:uAM(t)=(Ucm+Um cos t)cosct =Ucm(1+Macost)cosct (6.2.1)其中调幅指数其中调幅指数Ma=,其中其中 0Ma1 图图6.2.1(a)给出了给出了u(t),u c(t)和和uAM(t)的波形图。的波形图。从图中并结合式从图中并结合式(6.2.1)可以看出可以看出,普通调幅信号普通调幅信号的振幅由直流分量的振幅由直流分量Ucm和和交流分量交流分量Um cost迭加迭加而成而成,其中交流分量与调其中交流分量与调制信号成正比。制信号成正比。简单说简单说,普通调幅信号普通调幅信号的包络的包络(信号振幅各峰值点信号振幅各峰值点的连线的连线)完全反映了调制信完全反映了调制信号的变化。号的变化。式中，式中，Umax和和Umin分别指分别指uAM(t)的最大值和最小值。的最大值和最小值。无论无论Ma是否大于是否大于1我们我们都将式都将式(6-2-2)的的uAM(t)最大值最大值连成的光滑曲线连成的光滑曲线(如图如图6-2-1中中所示的所示的uAM(t)波形上的虚线波形上的虚线)称为上包络，将称为上包络，将uAM(t)最小值最小值连成的光滑曲线称为下包络。连成的光滑曲线称为下包络。(6-2-2)根据定义，我们还可得到调幅指数根据定义，我们还可得到调幅指数Ma的表达式：的表达式：1、认真分析、认真分析Ma的含义，它与的含义，它与Umax、Umin和和Ucm之间的关系，请同学们用表达式给出。之间的关系，请同学们用表达式给出。2、当当Ma 的值与调幅调制的关系，分三种的值与调幅调制的关系，分三种情况讨论：情况讨论：（1）Ma 小于小于1（2）Ma 等于等于1（3）Ma 大于大于1讨论：讨论：显显然然,当当Ma1时时,普普通通调调幅幅波波的的包包络络变变化化与与调调制制信信号号不不再再相相同同,产产生生了了失失真真,称称为为过过调调制制,如如图图6.2.2所所示示。所所以以,普普通通调幅要求调幅要求Ma必须不大于必须不大于1。可见可见,uAM(t)的频谱包括了三个频率分量：的频谱包括了三个频率分量：、和和 ，原原调调制制信信号号的的频频带带宽度是宽度是 或（或（F=）1.2 普通调幅信号的频谱普通调幅信号的频谱由式由式(6.2.1)：uAM(t)=(Ucm+k Um cos t)cosct =Ucm(1+Macost)cosct =Ucmcosct+cos(c+)t+cos(c-)t(6.2.3)c(载波载波)c+(上边频上边频)c-(下边频下边频)图图6.2.1(b)调制信号频谱图调制信号频谱图 普通调幅信号的普通调幅信号的频带宽度是频带宽度是2(或或2F),是原调制信号是原调制信号的两倍。普通调幅的两倍。普通调幅将调制信号频谱搬将调制信号频谱搬移到了载频的左右移到了载频的左右两旁。两旁。结论：结论：uAM(t)=Ucmcosct+cos(c+)t+cos(c-)t1.3 普通调幅信号的功率谱普通调幅信号的功率谱 若此单频调幅信号加在负载若此单频调幅信号加在负载R上上,则载频分量则载频分量产生的平均功率为产生的平均功率为:Pc=(6.2.4)由式由式(6.2.3)还可以看到还可以看到,两个边频分量产两个边频分量产生的平均功率相同生的平均功率相同,均为均为:PSB=调幅信号总平均功率为调幅信号总平均功率为:Pav=Pc+2PSB=(6.2.6)(6.2.5)由于被传送的调制信息只存在于边频分量而不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在载频分量中,所以从式所以从式(6.2.6)可知可知,携带信息的边携带信息的边频功率最多只占总功率的三分之一频功率最多只占总功率的三分之一(因为因为Ma1)。在在实实际际系系统统中中,平平均均调调幅幅指指数数很很小小,所所以以边边频频功功率占的比例更小率占的比例更小,功率利用率更低。功率利用率更低。为为了了提提高高功功率率利利用用率率,可可以以只只发发送送两两个个边边频频分分量量而而不不发发送送载载频频分分量量,或或者者进进一一步步仅仅发发送送其其中中一一个个边边频频分分量量,同同样样可可以以将将调调制制信信息息包包含含在在调调幅幅信信号号中中。这这两两种种调调幅幅方方式式分分别别称称为为抑抑制制载载波波的的双双边边带带调调幅幅(简简称称双双边边带带调调幅幅)和和抑抑制制载载波波的的单单边边带带调调幅幅(简简称称单单边边带带调调幅幅),在以下两小节将分别给予介绍。在以下两小节将分别给予介绍。根根据据信信号号分分析析理理论论,一一般般非非周周期期调调制制信信号号u(t)的的频频谱谱是是一一连连续续频频谱谱,假假设设其其频频率率范范围围是是minmax,如如载载频频仍仍是是c,则则这这时时的的普普通通调调幅幅信信号号可可看看成成是是调调制制信信号号中中所所有有频频率率分分量量分分别别与与载载频频调调制制后后的的迭迭加加,各各对对上上、下下边边频频的的迭迭加加组组成成了了上上、下下边边带带,相相应应的的波波形形和和频频谱谱如如图图6.2.3所所示示。可可见见,这这时时普普通通调调幅幅信信号号的的包包络络仍仍然然反反映映了了调调制制信信号号的的变变化化,上上边边带带与与下下边边带带呈呈对对称称状状分分别别置置于于载载频频的的两两旁旁,且且都都是是调调制制信信号号频频谱谱的的线线性性搬搬移移,上上、下下边边带带的的宽宽度度与与调调制制信信号号频频谱谱宽宽度度分分别别相相同同,总总频频带带宽宽度仍为调制信号带宽的两倍度仍为调制信号带宽的两倍,即即BW=2max。2 普通调幅信号的产生和解调方法普通调幅信号的产生和解调方法 式式(6.2.1)可以改写如下：可以改写如下：由由上上式式可可见见,将将调调制制信信号号与与直直流流相相加加后后,再再与与载载波波信信号号相相乘乘,即即可可实实现现普普通通调调幅幅。图图6.2.4给给出出了了相相应应的的原原理理方方框框图图。由由于于乘乘法法器器输输出出信信号电平不太高号电平不太高,所以这种方法称为低电平调幅所以这种方法称为低电平调幅 第第3章章曾曾经经讨讨论论过过利利用用丙丙类类谐谐振振功功放放的调制特性也可以产生普通调幅信号。的调制特性也可以产生普通调幅信号。由由于于功功放放的的输输出出电电压压很很高高,故故这这种种方方法称为高电平调幅。法称为高电平调幅。思思考考：在在模模电电中中该该电电路路可可以以用用什什么么器器件件组组合合构构成成？普通调幅信号的解调方法有两种普通调幅信号的解调方法有两种,即包即包络检波和同步检波络检波和同步检波(1)包络检波。包络检波。利用普通调幅信号的包络反映了调制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信号波形变化这一特点,如能将包络提取出如能将包络提取出来来,就可以恢复原来的调制信号。这就是包就可以恢复原来的调制信号。这就是包络检波的原理。络检波的原理。图图6.2.5给出了包络检波的给出了包络检波的原理图。原理图。图图6.2.5中的非线性器件可以用晶体二极管中的非线性器件可以用晶体二极管,也可以也可以用晶体三极管。用晶体三极管。(2)同步检波。同步检波。同同步步检检波波必必须须采采用用一一个个与与发发射射端端载载波波同同频频同同相相(或或固定相位差固定相位差)的信号的信号,称为同步信号。称为同步信号。同同步步检检波波可可由由乘乘法法器器和和低低通通滤滤波波器器实实现现,其其原原理理见图见图6.2.6。6.2.2双边带调幅方式双边带调幅方式 1 双边带调幅信号的特点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 Ucmcostcosct =cos(c+)t+cos(c-)t 其中k为比例系数。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。图6.2.7显示了单频调制双边带调幅信号的有关波形与频谱图。需要注意的是,双双边边带带调调幅幅信信号号不不仅仅其其包包络络已已不不再再反反映映调调制制信信号号波波形形的的变变化化,而而且且在在调调制制信信号号波波形形过过零零点点处处的的高高频频相相位位有有180的的突突变变。由式(6.2.10)可以看到,在调制信号正半周,cost为正值,双边带调幅信号uDSB(t)与载波信号uc(t)同相；在调制信号负半周,cost为负值,uDSB(t)与uc(t)反相。所以,在正负半周交界处,uDSB(t)有180相位突变。2 双边带调幅信号的产生与解调方法双边带调幅信号的产生与解调方法 由式(6.2.10)可以看出,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。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。与普通调幅信号同步检波不同之处在于,乘法器输出频率分量有所减少。设 双 边 带 调 幅 信 号 如 式(6.2.10)所 示,同 步 信 号 为ur(t)=Urmcosct,则乘法器输出为:uo(t)=k2uDSB(t)ur(t)=k2kUrmUm Ucmcostcos2ct 其中k2是乘法器增益。用低通滤波器取出低频分量,即可实现解调。将式(6.2.10)所示双边带信号取平方,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。6.2.3单边带调幅方式单边带调幅方式 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,但是,一般的单边带调幅信号波形却比较复杂。不过有一点是相同的,即单边带调幅信号的包络已不能反映调制信号的变化。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。v产生单边带调幅信号的方法主要有滤波法、滤波法、相移法相移法以及两者相结合的相移滤波法相移滤波法。uSSB(t)=cos(c+)t (6.2.12)1 滤波法滤波法 这这种种方方法法是是根根据据单单边边带带调调幅幅信信号号的的频频谱谱特特点点,先先产产生生双双边边带带调调幅幅信信号号,再再利利用用带带通通滤滤波波器器取取出出其其中中一一个个边边带带信信号号。滤滤波波法原理见图法原理见图6.2.8。由图由图6.2.7(b)所示双边带调幅信号频谱图可以推知所示双边带调幅信号频谱图可以推知,对于频对于频谱范围为谱范围为minmax的一般调制信号的一般调制信号,如如min很小很小,则上、则上、下两个边带相隔很近下两个边带相隔很近,用滤波器完全取出一个边带而滤除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。另一个边带是很困难的。2 相移法相移法 这种方法是基于单边带调幅信号的时域表达这种方法是基于单边带调幅信号的时域表达(6.2.12)所示单频单边带调幅信号可写成所示单频单边带调幅信号可写成:uSSB(t)=uSSB(t)=cos(c+)t (6.2.12)由由上上式式可可知知,只只要要用用两两个个90相相移移器器分分别别将将调调制制信信号号和和载载波波信信号号相相移移90,成成为为sint和和sinct,然然后后进进行行相相乘乘和和相相减减,就就可以实现单边带调幅可以实现单边带调幅,如图如图6.2.9所示。所示。uSSB(t)=显然显然,对单频信号进行对单频信号进行90相移比较简单相移比较简单,但是对于一个包含许但是对于一个包含许多频率分量的一般调制信号进行多频率分量的一般调制信号进行90相移相移,要保证其中每个频要保证其中每个频率分量都准确相移率分量都准确相移90是很困难的。是很困难的。3 相移滤波法相移滤波法 滤滤波波法法的的缺缺点点在在于于滤滤波波器器的的设设计计困困难难。若若调调制制信信号号频频率率范范围围为为FminFmax,则则上上下下边边带带间间隔隔为为2Fmin。如如果果要要求求滤滤波波器器取取出出一一个个边边带带而而滤滤除除另另一一个个边边带带,则则过过渡渡带带宽宽度度就就是是2Fmin。当当滤滤波波器器的的过过渡渡带带宽宽度度固固定定,则则工工作作频频率率越越高高,要要求求衰衰减减特特性性越越陡陡峭峭,实实现现越越困困难难。举举个个例例子子,设设过过渡渡带带宽宽度度2Fmin=1kHz,要要求求在在过过渡渡带带内内衰衰减减20 dB,若若工工作作频频率率fc=1MHz,则则滤滤波波器器边边沿沿的的衰衰减减特特性性必必须须为为-46 000dB10倍倍频频程程；若若工工作作频频率率fc=10kHz,则则要要求求相相应应的的衰衰减减特特性性为为-500dB10倍频程。倍频程。相相移移法法的的困困难难在在于于宽宽带带90相相移移器器的的设设计计,而而单单频频90相相移移器的设计比较简单。器的设计比较简单。结结合合两两种种方方法法的的优优缺缺点点而而提提出出的的相相移移滤滤波波法法是是一一种种比比较较可行的方法可行的方法,其原理图见图其原理图见图6.2.10。相相移移滤滤波波法法的的关关键键在在于于将将载载频频c分分成成1和和2两两部部分分,其其中中1是是略略高高于于max的的低低频频,2是是高高频频,即即c=1+2。现现仍仍以以单单频频调调制制信信号号为为例例说说明明此此法法的的原原理理。为为简简化化起起见见,图图6.2.10中中各各信号的振幅均表示为信号的振幅均表示为1。调调制制信信号号u(t)与与两两个个相相位位差差为为90的的低低载载频频信信号号u1、u1分分别别相相乘乘,产产生生两两个个双双边边带带信信号号u3、u4,然然后后分分别别用用滤滤波波器器取取出出u3、u4中中的的下下边边带带信信号号u5和和u6。因因为为1是是低低频频,所所以以用用低低通通滤滤波波器器也也可可以以取取出出下下边边带带u5和和u6。由由于于1 c,故故滤滤波波器器边边沿沿的的衰衰减减特特性性不不需需那那么么陡陡峭峭,比比较较容容易易实实现现。取取出出的的两两个个下下边边带带信信号号分分别别再再与与两两个个相相位位差差为为90的的高高载载频频信信号号u2、u2相相乘乘,产产生生u7、u8两个双边带信号。将两个双边带信号。将u7,u8相减相减,则可以得到则可以得到 uo(t)=u7-u8=cos2tcos(1-)t-sin2tsin(1-)t =cos(2+1-)t=cos(c-)t 其中其中u(t)就是单边带调幅信号。就是单边带调幅信号。与与双双边边带带调调幅幅信信号号相相同同,单单边边带带调调幅幅信信号号的的解解调调也也不不能能采采用用包包络络检检波波方方式式而而只只能能采采用用同同步步检检波波方方式式。与与普普通通调调幅幅与与双双边边带带调调幅幅方方式式不不同同之之处处在在于于,从从单单边边带带调调幅幅信信号号中中无无法法提提取取同同步步信信号号。一一般般可可在在发发送送单单边边带带调调幅幅信信号号的的同同时时,也也附附带带发发送送一一个个功功率率较较小小的的载载波波信信号号,供供接接收收端端从从中中提提取取作作为为同同步步信信号号。6.2.4残留边带调幅方式残留边带调幅方式 残留边带调幅是指发送信号中包括一个完整边带、载波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。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。电视图像信号带宽为6MHz。在发射端先产生普通调幅信号,然后利用图6.2.11(a)所示特性的滤波器取出一个完整的上边带、一部分下边带以及载频分量,组成残留边带调幅信号发送出去。在接收端,采用图6.2.11(b)所示特性的滤波器从残留边带调幅信号中取出所需频率分量。由于载频两旁的接收滤波器幅频特性正好互补,而上、下边带又对称置于载频两边,所以实际上可等效为接收到一个完整的上边带和增益为上边带一半的载频信号。于是,采用同步检波方式可对此单边带信号进行解调。由图6.2.11可见,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,对于滤波器过渡带的要求远不如单边带调幅那样严格,故容易实现。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。例例 6.1已已知知调调制制信信号号频频率率范范围围为为300Hz4 kHz,分分别别采采用用普普通通调调幅幅(平平均均调调幅幅指指数数Ma=0.3)、双双边边带带调调幅幅和和单单边边带带调调幅幅三三种种方方式式,如如要要求求边边带带功功率率为为10W,分分别别求求出出每每种种调调幅幅方方式式的的频带宽度、发射总平均功率频带宽度、发射总平均功率Pav及功率利用率及功率利用率 解：解：普通调幅：普通调幅：由式由式(6.2.6)可得边带功率可得边带功率 故故所以所以双边带调幅：双边带调幅：单边带调幅单边带调幅kHzFBWWpPWppkHZFBWWppPWPWpppSBavsBavSBcavCccSB4%100101010%10010101028max2%3.4232102322222045.01010)3.0211(2max2=+=-*+=hhhkHZFBW8max2=6.3 调幅电路调幅电路 6.3.1高电平调幅高电平调幅电路电路 丙丙类类谐谐振振功功放放的的调调制制特特性性分分为为基基极极调调制制特特性性和和集集电电极极调调制制特特性性两两种种,据据此此可可以以分分别别组组成成基基极极调调幅幅电电路路和和集集电电极极调调幅幅电电路路。现以集电极调幅电路为例现以集电极调幅电路为例,说明高电平调幅的原理。说明高电平调幅的原理。集集电电极极调调制制特特性性是是指指固固定定丙丙类类谐谐振振功功放放的的VBB和和R,当当输输入入一一个个等等幅幅高高频频正正弦弦波波时时,输输出出高高频频正正弦弦波波的的振振幅幅Ucm将将随随集集电电 极极 电电 源源 电电 压压 的的 变变 化化 而而 变变 化化。若若 集集 电电 极极 电电 源源 电电 压压 为为VCC(t)=VCC0+u(t),即即一一个个固固定定直直流流电电压压与与一一个个低低频频交交流流调调制制信信号号之之和和,则则根根据据图图3.2.10,随随着着VCC的的变变化化,使使得得静静态态工工作作点点左左右平移右平移,从而使动态线左右平移。从而使动态线左右平移。当当谐谐振振功功放放工工作作在在过过压压状状态态时时,Ucm将将发发生生变变化化,近近似似有有UcmVCC(t)的的关关系系。如如输输入入信信号号为为高高频频载载波波cosct,输输出出LC回路调谐在回路调谐在c上上,则输出信号可写成则输出信号可写成:uo(t)=Ucmcosct=kVCC0+u(t)cosct其中其中k为比例系数。为比例系数。图图6.3.1是是集集电电极极调调幅幅电电路路原原理理图图。可可见见,集集电电极极调调幅幅电电路路可可以以产产生生且且只只能能产产生生普普通通调调幅幅波波,但但必必须须工工作作在在过过压压状状态态。读读者者可可以以自自行行分分析析图图6.3.2所所示示基基极极调调幅幅电电路路,需需要要注注意意的的是是,基极调幅电路必须工作在欠压区。基极调幅电路必须工作在欠压区。UC1mIc1mIc0过压过压 临界临界 欠压欠压过压过压 临界临界 欠压欠压UCCUCC P1P0uC1mIC1mIC0欠压欠压 0 临界临界 过压过压UBB P0P1欠压欠压 0 临界临界 过压过压UBB 高高电电平平调调幅幅电电路路的的优优点点是是调调幅幅、功功放放合合一一,整整机机效效率率高高,可可直直接接产产生生很很大大功功率率输输出出的的调调幅幅信信号号,但但也也有有一一些些缺缺点点和和局局限限性性。一一是是只只能能产产生生普普通通调调幅幅信信号号,二二是是调调制制线线性性度度差差,例例如集电极调制特性中如集电极调制特性中Ucm与与VCC并非完全成线性关系。并非完全成线性关系。6.3.2低电平调幅电路低电平调幅电路 模模拟拟乘乘法法器器是是低低电电平平调调幅幅电电路路的的常常用用器器件件,它它不不仅仅可可以以实实现现普普通通调调幅幅,也也可可以以实实现现双双边边带带调调幅幅与与单单边边带带调调幅幅。既既可可以以用用单单片片集集成成模模拟拟乘乘法法器器来来组组成成低低电电平平调调幅幅电电路路,也也可可以以直直接接采采用用含含有模拟乘法器部分的专用集成调幅电路。有模拟乘法器部分的专用集成调幅电路。1 单片集成模拟乘法器单片集成模拟乘法器 模模拟拟乘乘法法器器可可实实现现输输出出电电压压为为两两个个输输入入电电压压的的线线性性积积,典典型型应应用用包包括括：乘乘、除除、平平方方、均均方方、倍倍频频、调调幅幅、检检波波、混混频、频、相位检测等。相位检测等。单单片片集集成成模模拟拟乘乘法法器器种种类类较较多多,由由于于内内部部电电路路结结构构不不同同,各各项项参参数数指指标标也也不不同同。在在选选择择时时,应应注注意意以以下下主主要要参参数数：工工作作频率范围、电源电压、输入电压动态范围、线性度等。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(国内同类型号是 XFC-1596),MC1495/1595(国 内 同 类 型 号 是 BG314)和MC1494/1594单片模拟乘法器的参数指标简介如下。MC14系列与MC15系列的主要区别在于工作温度,前者为070,后者为-55125。其余指标大部分相同,个别后者稍好一些。表6.3.1给出了MC15系列三种型号模拟乘法器的参数典型值。MC1596是以双差分电路为基础,在Y输入通道加入了反馈电阻,故Y通道输入电压动态范围较大,X通道输入电压动态范围很小。图6.3.3是MC1596内部电路图。MC1595是在MC1596中增加了X通道线性补偿网络,使X通道输入动态范围增大。MC1594是以MC1595为基础,增加了电压调整器和输出电流放大器。MC1595和MC1594分别作为第一代和第二代模拟乘法器的典型产品,线性度很好,既可用于乘、除等模拟运算,也可用于调制、解调等频率变换,缺点是工作频率不高。MC1596工作频率高,常用作调制、解调和混频,通常X通道作为载波或本振的输入端,而调制信号或已调波信号从Y通道输入。当X通道输入是小信号(小于26 mV)时,输出信号是X、Y通道输入信号的线性乘积。当X通道输入是频率为c的单频很大信号时(大于260 mV),根据双差分模拟乘法器原理(可参看例5.4),输出信号应是Y通道输入信号和双向开关函数K2(ct)的乘积。两种情况均可实现调幅。例 6.2 已知调制信号u(t)的频谱范围为300Hz4000 Hz,载频为560kHz。现采用MC1596进行普通调幅,载波信号和调制信号分别从X、Y通道输入。若X通道输入是小信号,输出uo(t)=k1uxuy；若X通道输入是很大信号,uo(t)=k2uyK2(ct)。分析这两种情况的输出频谱。解：由于是普通调幅,故输入调制信号应迭加在一直流电压UY上,即uy(t)=UY+u(t),显然,为使调制指数不大于1,UY应不小于u(t)的最大振幅。令ux(t)=cosct,则当ux(t)是小信号时,uo(t)=k1(UY+u)cosct=k1UY+当ux(t)是很大信号时,uo(t)=k2(UY+u)K2(ct)根据第5.3节的分析,在前一种情况,uo的频谱应为c和c ,其中是u的全部频谱,如图例6.2(a)所示,显然这是普通调幅信号频谱。由于fc=560 kHz,Fmax=4kHz,fcFmax,所以用带通滤波器很容易取出其中的普通调幅信号频谱而滤除fc的三次及其以上奇次谐波周围的无用频谱。由上面的分析可知,虽然两种情况下的输出频谱不一样,但经过带通滤波后的频谱就一样了。但是,在有些情况下就很难甚至不可能完全滤除无用频率分量。例如在此例中,若uo的频谱为cn,n=1,2,就是如此。读者可自行分析这种情况。2 模拟乘法器调幅电路模拟乘法器调幅电路 图6.3.4是用MC1596组成的普通调幅电路。由图可知,X通道两输入端、10脚直流电位均为6.V,可作为载波输入通道；Y通道两输入端、脚之间外接有调零电路,可通过调节50k电位器使脚电位比脚高UY,调制信号u(t)与直流电压UY迭加后输入Y通道。调节电位器可改变调制指数Ma。输出端、12脚外应接调谐于载频的带通滤波器。、脚之间外接Y通道负反馈电阻。采用图6.3.4的电路也可以组成双边带调幅电路,区别在于调节电位器的目的是为了使Y通道、脚之间的直流电位差为零,即Y通道输入信号仅为交流调制信号。为了减小流经电位器的电流,便于调零准确,可加大两个750 电阻的阻值,比如各增大10k。6.4 检波电路检波电路 6.4.1包络检波电路包络检波电路 包包络络检检波波原原理理如如图图6.2.5所所示示。其其中中的的非非线线性性器器件件可可以以是是二二极极管管,也也可可以以是是三三极极管管或或场场效效应应管管,电电路路种种类类也也较较多多。现现以以图图6.4.1所所示示二二极极管管峰峰值值包包络络检检波波器器为为例例进进行行讨讨论论,其其中中RC元元件件组成了低通滤波器。组成了低通滤波器。1.工作原理工作原理 我我们们以以时时域域上上的的波波形形变变化化来来说说明明二二极极管管峰峰值值包包络络检检波波器器的工作原理。的工作原理。由由图图6.4.1可可见见,加加在在二二极极管管上上的的正正向向电电压压为为u=ui-uo。假假定二极管导通电压为零定二极管导通电压为零.2 性能指标性能指标 二二极极管管峰峰值值包包络络检检波波器器的的性性能能指指标标主主要要有有检检波波效效率率、输输入电阻、入电阻、惰性失真和底部切割失真惰性失真和底部切割失真几项。几项。1)检检波波效效率率d。由由式式(6.4.2)可可知知,gD或或R越越大大,则则越越小小,d越越大大。如如果果考考虑虑到到二二极极管管的的实实际际导导通通电电压压不不为为零零,以以及及充充电电电电流流在在二二极极管管微微变变等等效效电电阻阻上上的的电电压压降降等等因因素素,实实际际检检波波效效率率比比以上公式计算值要小。以上公式计算值要小。2)等效输入电阻等效输入电阻Ri。由由于于二二极极管管在在大大部部分分时时间间处处于于截截止止状状态态,仅仅在在输输入入高高频频信信号的峰值附近才导通号的峰值附近才导通,所以检波器的瞬时输入电阻是变化的。所以检波器的瞬时输入电阻是变化的。检检波波器器的的前前级级通通常常是是一一个个调调谐谐在在载载频频的的高高Q值值谐谐振振回回路路,检检波波器器相相当当于于此此谐谐振振回回路路的的负负载载。为为了了研研究究检检波波器器对对前前级级谐谐振回路的影响振回路的影响,故定义检波器等效输入电阻故定义检波器等效输入电阻 (6.4.3)其其中中Uim是是输输入入等等幅幅高高频频载载波波的的振振幅幅。根根据据图图6.4.2,若若ui是是等等幅幅高高频频载载波波,则则流流经经二二极极管管电电流流应应是是高高频频窄窄尖尖顶顶余余弦弦脉脉冲冲序序列列,I1m即即为为其其中中基基波波分分量量的的振振幅幅,而而输输出出uo应应是是电电平平为为Uo的的直直流流电电压压。显显然然,检检波波器器对对前前级级谐谐振振回回路路等等效效电电阻阻的的影影响响是并联了一个阻值为是并联了一个阻值为Ri的电阻。的电阻。按按照照第第3章章尖尖顶顶余余弦弦脉脉冲冲序序列列的的分分析析方方法法,可可以以求求得得I1m与与Uim的关系式的关系式,从而可得到从而可得到:Ri (6.4.4)上上式式也也可可以以利利用用功功率率守守恒恒的的原原理理求求出出。因因检检波波器器输输入入功功率率为为,输输出出功功率率为为 ,若若忽忽略略二二极极管管上上的的功功率率损损耗耗,则则输输入入功功率率应应与与输输出出功功率率相相等等,考考虑虑到到d1,由此也可得到式由此也可得到式(6.4.4)。3)惰性失真惰性失真。在在调调幅幅波波包包络络线线下下降降部部分分,若若电电容容放放电电速速度度过过慢慢,导导致致uo的的下下降降速速率率比比包包络络线线的的下下降降速速率率慢慢,则则在在紧紧接接其其后后的的一一个个或或几几个个高高频频周周期期内内二二极极管管上上为为负负电电压压,二二极极管管不不能能导导通通,造造成成uo波波形形与与包包络络线线的的失失真真。由由于于这这种种失失真真来来源源于于电电容容来来不不及及放放电电的的惰惰性性,故故称称为为惰惰性性失失真真。图图6.4.3给给出出了了惰惰性性失失真真的的波波形形图图,在在t1t2时时间段内出现了惰性失真。间段内出现了惰性失真。要要避避免免惰惰性性失失真真,就就要要保保证证电电容容电电压压的的减减小小速速率率在在任任何何一一个高频周期内都要大于或等于包络线的下降速率。个高频周期内都要大于或等于包络线的下降速率。单频调幅波的包络线表达式为：单频调幅波的包络线表达式为：us(t)=Uim(1+Macost)其下降速率为：其下降速率为：因为电容通过因为电容通过R放电时放电时,电容电流与电阻电流相同电容电流与电阻电流相同,即即:-ic=iR=ic=所以电容电压的减小速率所以电容电压的减小速率 在在开开始始放放电电时时刻刻,电电容容电电压压uc可可近近似似视视为为包包络络电电压压us,故故避避免惰性失真的不等式可写为免惰性失真的不等式可写为:即即上式又可写成上式又可写成:式式(6.4.5)即即为为避避免免惰惰性性失失真真应应该该满满足足的的条条件件。可可见见,调调幅幅指指数数越越大大,调调制制信信号号的的频频率率越越高高,时时间间常常数数RC的的允允许许值值越越小小。4)底底部部切切割割失失真真。检检波波器器输输出出uo是是在在一一个个直直流流电电压压上上迭迭加加了了一一个个交交流流调调制制信信号号,故故需需要要用用隔隔直直流流电电容容将将解解调调后后的的交交流流调调制制信信号号耦耦合合到到下下一一级级进进行行放放大大或或其其它它处处理理。下下一一级级电电路路的的输入电阻即作为检波器的实际负载输入电阻即作为检波器的实际负载RL,如图如图6.4.4(a)所示。所示。为为了了有有效效地地将将检检波波后后的的低低频频信信号号耦耦合合到到下下一一级级电电路路,要要求求耦耦合合电电容容Cc的的容容抗抗远远远远小小于于RL,所所以以Cc的的值值很很大大。这这样样,uo中中的的直直流流分分量量几几乎乎都都落落在在Cc上上,这这个个直直流流分分量量的的大大小小近近似似为为输输入入载载波波的的振振幅幅Uim。所所以以Cc可可等等效效为为一一个个电电压压为为Uim的的直直流流电电压压源。源。此电压源在此电压源在R上的分压为：上的分压为：UR=这这意意味味着着检检波波器器处处于于稳稳定定工工作作时时,其其输输出出端端R上上将将存存在在一一个个固固定定电电压压UR。当当输输入入调调幅幅波波ui(t)的的值值小小于于UR时时,二二极极管管将将会会截截止止。也也就就是是说说,电电平平小小于于UR的的包包络络线线不不能能被被提提取取出出来来,出出现现了了失失真真,如如图图6.4.4(b)、(c)所所示示。由由于于这这种种失失真真出出现现在在调调制制信信号号的的底底部部,故故称称为为底底部部切切割割失失真真。由由图图6.4.4(b)可可以以看看出出,调调幅幅信信号号的的最最小小振振幅幅或或包包络络线线的的最最小小电电平平为为Uim(1-Ma),所所以以,要要避避免免底部切割失真底部切割失真,必须使包络线的最小电平大于或等于必须使包络线的最小电平大于或等于UR,即即:其其中中R指指RL与与R的的并并联联值值,即即检检波波器器的的交交流流负负载载。式式(6.4.6)即即为为避避免免底底部部切切割割失失真真应应该该满满足足的的要要求求。由由此此式式可可以以看看出出,交交流流负负载载R与与直直流流负负载载R越越接接近近,可可允允许许的的调调幅幅指指数数越越大大。在在实实际际电电路路中中,有有两两种种措措施施可可减减小小交交直直流流负负载载之之间间的的差差别别。一一是是在在检检波波器器与与下下一一级级电电路路之之间间插插入入一一级级射射随随器器,即即增增大大RL的的值值。二二是是采采用用图图6.4.5所所示示的的改改进进电电路路,将将检检波波器器直直流流负负载载R分分成成R1和和R2两两部部分分。显显然然,在在直直流流负负载载不不变变的的情情况况下下,改改进进电电路路的的交流负载交流负载 比原电路增大。通常比原电路增大。通常以免分压过大使输出到后级的信号减小过多。以免分压过大使输出到后级的信号减小过多。3 参数设计参数设计 为了使二极管峰值包络检波器能正常工作,避免失真,必须根据输入调幅信号的工作频率与调幅指数以及实际负载RL,正确选择二极管和R、C、Cc的值。例6.3给出了一个设计范例。例 6.3已知普通调幅信号载频fc=465kHz,调制信号频