振幅调制、解调与混频电路

电子系统结构模数转换数据交换与处理力热电光等通过传感器变成电信号功率放大输出换能信号传输模拟信号调制小信号放大数字信号调制载波产生信号解调数模转换数据交换与处理谐振功放电源反馈控制器通信系统组成框图晶体振荡器倍频器低电平调制器谐振功放信号放大器谐振调制功放混频器高频放大器晶体振荡器混频器本地振荡器中频放大器解调器低频放大器电源反馈控制器频率变换器功率变换器调幅、调频、调相检波、鉴频、鉴相高频发送高频接收第4章振幅调制、解调与混频电路要高效传递信号，必需将它搭载在高频载波上vc=Vcmcos（wct+j0）vW=VWmcosWt调幅调频调相(kVcm+kavW)cos(wct+j0）Vmcos[(wc+kfvW)t+j0]Vmcos(wct+kpvW+j0)1.信号的调制信号载波调幅波调相波调频波或有三个点位：幅、频、相搭载信号有二个点位：幅、角搭载信号调幅调角dt0vW=VWmcosWt(kVcm+kavW)cos(wct+j0）Vmcos[(wc+kfvW)t+j0]Vmcos(wct+kpvW+j0)2.信号的解调调幅波调相波调频波振幅检波器鉴频器鉴相器用相乘器检出振幅信号鉴别频率检出信号鉴别相位检出信号低通滤波器dt03.变频相乘器中频信号fI=fL-fc本振信号fL4.倍频滤波器相乘器滤波器调幅信号fc混频4.1频谱搬移模型vc=VcmcoswctvW=VWmcosWtVm0(1+MacosWt)coswct1.普通调幅的频谱搬移模型+AMxyxy用非线性器件，实现信号的时变线性变换ω0ωwcVm0coswct+1/2MaVm0cos(wc+W)t+1/2MaVm0cos(wc-W)twc-Wwc+WW4.1.1振幅调制模型ωwc载波信号载波信号频谱原信号频谱原信号普通调制信号普通调制信号频谱vc=VcmcoswctvW=VWmcosWtAMxyxy用非线性器件，实现信号的时变线性变换ω01/2MaVm0cos(wc+W)t+1/2MaVm0cos(wc-W)tW2.双边带调幅的频谱搬移模型VWmcosWtVcmcoswctωwcwc-Wwc+W4.1.1振幅调制模型ωwct载波信号载波信号频谱原信号频谱原信号双边带调制信号双边带调制信号频谱用非线性器件，实现信号的时变线性变换3.单边带调幅的频谱搬移模型AMxyxyvWvcωwcwc-Wwc+W滤波器vo滤波器AMxyxyvWvcAMxyxy移相90o+ωwcwc+W-ωwcwc-WcoswctcosWtsinwctsinWt4.1.1振幅调制模型AMxyxy4.1.2振幅解调与混频模型ωwc滤波器ωwc2wc0滤波器1.振幅解调的频谱搬移模型还原同步信号振幅解调就是已调信号wc±W和本身载波wc相乘边带调制信号，需还原同步信号wc然后相乘wc已调信号中的载波频谱已调信号频谱还原出来的信号还原出来的信号频谱2.混频的频谱搬移模型AMxyxyωwc4.1.2振幅解调与混频模型ωwLwL+wc滤波器滤波器ωwLwL-wc本地震荡信号本地震荡信号频谱高频已调信号频谱高频已调信号fLfcfI=fL-fc作业---预习相乘器，混频电路中频已调信号中频已调信号频谱4.2相乘器电路相乘器电路有二种形式：模拟乘法器和非线性变换器4.2.2模拟乘法器：vBE4=vBE1+vBE2–vBE3ixT2+-T1T3T4iyizioiO=iXiY/iZ跨导线性环，上册328页上册53页e=evBE4/VT(vBE1+vBE2–vBE3)/VT当iZ为定值时，实现电流量的乘法运算是利用PN结的指数特性，把电压量的迭加运算变换为电流量的乘积运算增加电流、电压变换器，可实现电压量的乘法运算4.2相乘器电路相乘器电路有二种形式：模拟乘法器和非线性变换器4.2.2模拟乘法器T9T10v1T7T8T6T5v2T1T4T2T3vo-++-+-电流差值：i=(i1–i2)–(i4–i3)双差分对模拟乘法器，192页123478vBE1–vBE2=vBE4–vBE3i=(i1–i2)–(i4–i3)=(i10–i9)(i5–i6)/IKth2VTvBE8–vBE7=i1–i2i5i8–i7IK=i4–i3i6=vo=AMv1v2双差分电流乘法器电流电压变换器差模传输特性，上册189页双差分电流乘法器i4.2相乘器电路相乘器电路有二种形式：模拟乘法器和非线性变换器4.2.1非线性变换器:是利用非线性器件（晶体管的大信号状态），使变量之间形成乘积项=∑∑kmnanv1n-mv2mn=0m=0∞n=f(v1)+f'(v1)v2+½!f(v1)v22+·····对v2泰勒展开≈I0(v1)+g(v1)v2v2足够小设g(v1)为角频率w1的偶周期函数，则sin项系数为零对g(v1)傅氏展开=I0(v1)+(g0/2+g1cosw1t+g2cos2w1t+···)v2gn=1/pg(v1)cosnw1tdw1t其中：-pp与v2是线性关系v2的系数是时变的大信号v1小信号v2i叠加非线性传递函数对大信号v1非线性变换对小信号v2线性变换非线性电阻非线性电抗电容电感周期函数的傅氏展开式，是离散频谱i=f(v1+v2)完全展开式无实用价值1.相乘器数学原理v2是小信号4.2相乘器电路4.2.1非线性变换器:（晶体管的大信号状态），使变量之间形成乘积项=I0(v1)+(g0/2+g1cosw1t+g2cos2w1t+···)v2g(v1)为矩形脉冲=I0(v1)+gD(1/2+2/pcosw1t-2/3pcos3w1t+···)v2g(v1)为周期方波=I0(v1)+gT(4/pcosw1t-4/3pcos3w1t+···)v2gn=1/pg(v1)cosnw1tdw1t其中：-ppK2(w1t)是双向开关函数g(v1)为角频率w1的偶周期函数K1(w1t)是单向开关函数接上式i=f(v1+v2)gDK1(w1t)w1tgDgTK2(w1t)w1tgTv2是小信号4.2相乘器电路4.2.1非线性变换器:（晶体管的大信号状态），使变量之间形成乘积项g(v1)为矩形脉冲的电路模型——单向开关函数K1(w1t)的电路模型v1v2Di++--i=I0(v1)+gD(1/2+2/pcosw1t-2/3pcos3w1t+···)v2i=iC1-iC2=I0(v1)+gT(4/pcosw1t-4/3pcos3w1t+···)v2gDK1(w1t)w1tgDgTK2(w1t)w1tgTK1(w1t)v1v2RDi+-+-g(v1)为周期方波的电路模型——双向开关函数K2(w1t)的电路模型T4T3+-v1I(v2)=A+Bv2RTiC1iC2K2(w1t)v1I(v2)2.相乘器电路模型v2是小信号4.2相乘器电路4.2.1非线性变换器:（晶体管的大信号状态），使变量之间形成乘积项双差分对平衡调制器的电路模型2.相乘器电路模型i=(i1–i2)–(i4–i3)T6T5v2T1T4T2T3vo-++-电流差值：i=(i1–i2)–(i4–i3)v1+-I0i1–i2=i5th2VTv1单管跨导特性差分对管跨导特性i1=ISevBE1/VT上册53页上册189页th2VTv2th2VTv1=I04VT2v1v2I0双向开关函数K2(w1t)作对称变换=2VTI0=(4/pcosw1t-4/3pcos3w1t+···)v2v1小于26mV模拟相乘v1大于260mV非线性变换v2是小信号4.2相乘器电路4.2.3大动态平衡调制器AD630（电路单元在对称开关状态），使变量之间形成乘积项+-v1109A1A2A3--++v2201813vo双向开关函数K2(w1t)作对称变换vo=kf(4/pcosw1t-4/3pcos3w1t+···)v2-1.5mV≤v1≤1.5mV非线性变换K2(w1t)4.2相乘器电路4.2.4二极管双平衡混频器（二极管在对称开关状态），使变量之间形成乘积项双向开关函数K2(w1t)作对称变换v1远大于Vsm非线性变换K2(w1t)=K1(w1t)-K1(w1t-p)-+K1(w1t)i2v1v1v2RLi3D2D3io=-(4/pcosw1t-4/3pcos3w1t+···)v222RL+RDio=(i1–i4)–(i2–i3)++--+-K1(w1t-p)i1v1v1v2RLi4D1D4++--v1v1v2RL++--v2D2D1D3D4++--作业---预习4.34.44.3混频电路用于超外差接收机，把各种频率的高频信号变换为频率固定的中频信号，用相乘器电路实现4.3.1通信接收机的混频电路:通信接收机广泛使用二极管环形混频和双差分对平衡调制器混频混频增益噪声系数1dB压缩电平：随着输入信号的升高混频增益降低混频失真：混频过程中无用的组合频率混入中频隔离度：VsViAc=20lgPSPIGc=10lgNF=10lg(PS/Pn)i(PI/Pn)o隔离度:10lg本端口的功率窜到另端口的功率(用相乘器把信号频谱从高频载波附近不失真地搬移到固定中频附近)4.3混频电路4.3.1通信接收机的混频电路:通信接收机广泛使用二极管环形混频和双差分对平衡调制器混频混频增益低：约-7dB(0.2倍)噪声系数：低，约6dB(4倍)混频失真小隔离度:小于40dB(10000倍)二极管环形混频器用于高性能分立元件接收机优点：频带宽：从几十kHz到几GHz缺点：端口阻抗50欧，必须接阻抗匹配网络双差分对平衡混频器用于集成电路XFC1596,AD831混频增益高：噪声系数：大优点：频带宽：达到500MHz缺点：不必接阻抗匹配网络隔离度:高4.3混频电路4.3.2三级管混频电路:广播接收机广泛使用TVCCvsfcfIvLvL=VLmcoswLtvs=Vsmcoswct输入已调高频小信号iI=IImcoswIt本地产生振荡大信号得到中频输出=gmcVsmcoswIt谐振于fc谐振于fI混频跨导VLm的最佳值20～200mVIEQ的最佳值0.2～1mA实用电路图4－3－64.3混频电路4.3.3混频失真±pfL±qfc=fI±F哨声干扰通道干扰±pfL±qfM=fI中频干扰fM=fI镜像干扰fM=fc+2fI一、干扰干扰信号干扰信号4.3混频电路4.3.3混频失真±fL±rfM1±sfM2=fI二、失真交调失真：有用信号vs与干扰信号vM在四次方项展开式中出现交叉相乘项12a4vLvsvM2互调失真：干扰信号干扰信号干扰信号4.4振幅调制与解调电路4.4.1振幅调制电路:(用相乘器把信号频谱从零频附近不失真地搬移到载波附近)调制线性稍差，辐射强度较大一、高电平调幅：优点：利用丙类(相乘器)谐振(选频)功放的调制特性(p90、102、103)完成振幅调制发射机效率高缺点：输出的是普通调幅信号，接收机的解调成本低二、低电平调制：优点：利用平衡调制器(相乘器)(p188-----p199)完成双边带调制调制线性好缺点：输出的是边带信号，接收机的解调成本高辐射强度较小广播发射机广泛使用高电平调幅，通信发射机广泛使用低电平单边带调幅4.4振幅调制与解调电路4.4.2二极管包络检波：(用相乘器把信号频谱从载波附近不失真地搬移到零频附近)用于普通调幅信号的解调。普通调幅信号内包含：大信号(载波)和小信号(边带)一、输入电阻vsvoD++--RLCRi=1/2RLRiT1vo+-RLCvs+-RiRi=b/2RLvsvoD++--RLCRiRi=1/3RL4.4振幅调制与解调电路4.4.2二极管包络检波：二、失真vsvoD++--RLC惰性失真vs=Vm0(1+MacosWt)coswctRLC≤(1-Ma2)1/2/WMa不负峰失真条件负峰失真vsvoD++--RLCRi2Cc不惰性失真条件Ma≤Ri2/(RL+Ri2)4.4振幅调制与解调电路4.4.3同步检波：用于双边带和单边带调制信号的解调vs=Vm0cosWtcoswct关键是产生出一个与载波同频同相的同步信号vr=VrmcoswctvrvoD++--RLCvs+-vs=Vm0cos