第4章振幅调制解调与混频电路4课件.ppt

第第4章振幅调制解调与混章振幅调制解调与混频电路频电路4第1页，此课件共33页哦4.4.1混频电路的组成模型（混频电路的组成模型（P227 4.1.2P227 4.1.2）一、混频的基本概念一、混频的基本概念1接收机的分类接收机的分类（1）直（接）直（接）放放（大）式（大）式技术难点技术难点：由于从天线收到的不同电台信号其载波频率不同，而高频：由于从天线收到的不同电台信号其载波频率不同，而高频放大器的中心频率应调谐在载波频率上，所以高频放大器应是中心频放大器的中心频率应调谐在载波频率上，所以高频放大器应是中心频率可调的谐振放大器，其性能（增益、选择性等）不可能做得很好。率可调的谐振放大器，其性能（增益、选择性等）不可能做得很好。第2页，此课件共33页哦（2）超外差式（）超外差式（P5）高放高放：是中心频率可调的谐振：是中心频率可调的谐振放大器（有时省去）。放大器（有时省去）。本振本振：振荡频率也是可调的，且与载频的差值是固定的。：振荡频率也是可调的，且与载频的差值是固定的。中放中放：是频率固定的的谐振放大器，其性能：是频率固定的的谐振放大器，其性能(增益、选择性等增益、选择性等)可可以做得很好。以做得很好。整台接收机的性能主要由中频放大器决定。整台接收机的性能主要由中频放大器决定。第3页，此课件共33页哦混频混频：将载频为：将载频为fc的高频已调波的高频已调波vs(t)不失真不失真地变换为载频为地变换为载频为fI的中频的中频已调波已调波vI(t)。不失真不失真：包络不变（：包络不变（AM）或频率偏移规律不变（）或频率偏移规律不变（FM）例例：调幅广播（：调幅广播（AM）中波段）中波段 fc 为为5351605kHz，本机振荡器，本机振荡器的振荡频率的振荡频率fL为为10002070kHz，中频（，中频（fI=fL-fc）固定为）固定为465 kHz。（1 1）调幅广播（）调幅广播（AMAM）：）：（2 2）调频广播（）调频广播（FMFM）；）；（3 3）电视图象中频：）电视图象中频：（4 4）电视伴音第二中频：）电视伴音第二中频：2几种常用中频几种常用中频第4页，此课件共33页哦 1作用作用 频频谱谱搬搬移移：将将载载频频为为 fc 的的已已调调信信号号 vS(t)不不失失真真地地变变换换为为载载频频为为 fI 的已调信号的已调信号 vI(t)。fL、fI、fc 之间的关系为之间的关系为2组成模型组成模型 为为典典型型的的频频谱谱搬搬移移电电路路，可用乘法器和滤波器实现。可用乘法器和滤波器实现。3原理原理(1)混频混频二、混频实现模型二、混频实现模型第5页，此课件共33页哦设设 若若 fL fc 时时，经经乘乘法法器器，将将 vS(t)的的频频谱谱不不失失真真地地搬搬移到移到 L 的两边：的两边：一一边边搬搬到到 L+c 上上，构构成成载载波波角角频频率率为为 L+c 的调幅信号；的调幅信号；另一边搬到另一边搬到 L-c 上，载波角频率为上，载波角频率为 L-c。若若令令 I=L-c，则则前前者者为为无无用用的的寄寄生生分分量量，而而后后者者为为有有用中频分量用中频分量。(2)滤波滤波 用调谐在用调谐在 I=L-c 上的带通滤波器取出有用的分量。上的带通滤波器取出有用的分量。第6页，此课件共33页哦四、频谱搬移电路小结（四、频谱搬移电路小结（P229表）表）振幅调制、振幅解调（检波）、混频都属于频谱搬移过程，振幅调制、振幅解调（检波）、混频都属于频谱搬移过程，都可以用乘法器和相应的滤波器组成的电路来实现。都可以用乘法器和相应的滤波器组成的电路来实现。输入信号输入信号参考信号参考信号输出信号输出信号滤波器滤波器第7页，此课件共33页哦一混频增益一混频增益 定定义义：混混频频器器的的输输出出中中频频信信号号电电压压 Vi(或或功功率率PI)对对输输入入信信号电压号电压 Vs(或功率或功率 PS)的比值，用分贝表示的比值，用分贝表示(与混频损耗与混频损耗 Lc 类似类似)或或二二噪声系数噪声系数4.4.2混频器主要性能指标（混频器主要性能指标（P253P253）第8页，此课件共33页哦定定义义：输输入入信信号号噪噪声声功功率率比比 (PS/Pn)I 对对输输出出中中频频信信号号噪噪声声功功率比率比 (PI/Pn)o 的比值，即的比值，即 接接收收机机的的噪噪声声系系数数主主要要取取决决于于它它的的前前端端电电路路，若若无无高高频频放放大大器器，主要由混频电路决定主要由混频电路决定。三三1 dB 1 dB 压缩电平压缩电平(P PI1dB I1dB)当当 PS较小时，较小时，PI 随随 PS 线性增大，混频增益为线性增大，混频增益为定值定值；当当 PS较大时，较大时，PI 随随 PS 增大趋于缓慢。增大趋于缓慢。第9页，此课件共33页哦定定义义：比比线线性性增增长长低低 1 dB 时时所所对对应应的的输输出出中中频频功功率率电电平平，称称 1dB 压压缩缩电平电平，用，用 PI1dB 表示。表示。意意义义：PI1dB 所所对对应应的的 PS 是是混混频频器器动态范围的上限电平。动态范围的上限电平。四四混频失真混频失真来源：来源：(1)接收机输入端存在的干扰信号；接收机输入端存在的干扰信号；(2)混混频频器器件件非非线线性性，使使输输出出电电流流包包含含众众多多无无用用组组合合频频率率分分量量，若若某某些些靠靠近近中中频频，则则中中频频滤滤波波器器无无法法将将它它们们滤滤除除，叠叠加加在在有有用用中中频频信号上，引起失真称信号上，引起失真称混频失真混频失真。第10页，此课件共33页哦五五隔离度隔离度混混频频器器各各端端口口之之间间在在理理论论上上应应相相互互隔隔离离，确确保保任任一一端端口口上的功率不会窜到其他端口上。上的功率不会窜到其他端口上。实际上，总有极少量功率在各端口之间窜通。实际上，总有极少量功率在各端口之间窜通。定定义义：本本端端口口功功率率与与其其窜窜通通到到另另一一端端口口的的功功率率之之比比(用用分分贝贝表表示示)。意义：意义：用来评价窜通大小的性能指标。用来评价窜通大小的性能指标。危危害害：在在接接收收机机中中，本本振振端端口口功功率率向向输输入入端端口口的的窜窜通通危危害害最最大大。为为保保证证混混频频性性能能，加加在在本本振振端端口口的的本本振振功功率率都都比比较较大大，当当它它窜窜通通到到输输入入信信号号端端口口时时，就就会会通通过过输输入入信信号号回回路路加加到到天天线线上上，产产生生本本振振功功率率的的反向辐射，严重干扰邻近接收机。反向辐射，严重干扰邻近接收机。第11页，此课件共33页哦一、二极管环形混频器（双平衡混频器）一、二极管环形混频器（双平衡混频器）1电路电路（与（与P239P239图图4-2-84-2-8相比：相比：ABAB端接反，输出电压反相）端接反，输出电压反相）4.4.3混频电路混频电路（本振信号（本振信号vL应是大信号，高频已调波应是大信号，高频已调波vs 应应是小信号）是小信号）D1-D4：工作在受工作在受vL控制的开关状态。控制的开关状态。第12页，此课件共33页哦Tr2初级线圈初级线圈a,b,c三三点短路点短路vo(t)=vs(t)当当vL(t)0时：时：D2、D3（on),D1、D4(off)2隔离度：隔离度：较低，主要靠各二极管的匹配特性和变压器中心抽较低，主要靠各二极管的匹配特性和变压器中心抽头的对称性来实现隔离。头的对称性来实现隔离。第13页，此课件共33页哦二、由乘法器和滤波器构成的混频器二、由乘法器和滤波器构成的混频器乘法器：乘法器：线性模拟乘法器线性模拟乘法器MC1595 开关型乘法器开关型乘法器MC1596、MC1496（vL应是大信号）应是大信号）例：例：P246 图图4-2-14 vc(t)vL(t)v(t)vs(t)BPF:fo=fIvL(t)vs(t)第14页，此课件共33页哦三、三极管混频电路三、三极管混频电路（三极管始终导通，三极管始终导通，vL是大信号，是大信号，vs是是小信号小信号线性时变状态）线性时变状态）1四种混频电路形式四种混频电路形式共同点共同点：利用：利用发射结的非线性发射结的非线性进行混频。进行混频。不同点不同点：（1）共）共E：工作频率低；：工作频率低；共共B：工作频率高。：工作频率高。第15页，此课件共33页哦不同点不同点：（2）vs、vL加在同一极的，信号会牵引本振；加在同一极的，信号会牵引本振；vs、vL加在不同极的，牵引小，本振波形好。加在不同极的，牵引小，本振波形好。（3）vL加在加在E极，输入电阻小，本振电路负载重，不易起振；极，输入电阻小，本振电路负载重，不易起振；vL加在加在B极，输入电阻大，本振电路负载轻，容易起极，输入电阻大，本振电路负载轻，容易起振。振。第16页，此课件共33页哦2工作原理工作原理L1C1：输入信号回路，调谐在输入信号回路，调谐在 fcL2C2：输出中频回路，调谐在：输出中频回路，调谐在 fI本本振振电电压压 vL=VLmcos Lt 接接在在基基极极回回路路中中，VBB0 为为基基极极静静态态偏置电压偏置电压。vBE(t)=VBB0+vL(t)+vS(t)将将 VBB0+vL(t)作作为为T的的等等效效基基极极偏偏置置电电压压，用用 vBB(t)表表示示，称称为为时时变变基基极极偏偏置置电电压压，当当输输入入信信号号电电压压 vS(t)=Vsmcos ct很很小小，满足满足线性时变条件线性时变条件时，三极管集电极电流为：时，三极管集电极电流为：iC f(vBE)IC0(vL)+gm(vL)vS第17页，此课件共33页哦iC f(vBE)IC0(vL)+gm(vL)vS在时变偏压作用下，在时变偏压作用下，gm(vL)的傅氏级数展开式为：的傅氏级数展开式为：gm(vL)=gm(t)=g0+gm1cos Lt+gm2cos2 Lt+其中，基波分量其中，基波分量 gmlcos Lt 与输入信号电压与输入信号电压 vS 相乘相乘gmlcos Lt Vsmcos ct=gmlVsmcos(L-c)t+cos(L+c)t令令 I=L-c，得中频电流分量为，得中频电流分量为iI =IImcos It =其中其中称称为为混混频频跨跨导导，定定义义为为输输出出中中频频电电流流幅幅值值 IIm 对对输输入入信信号号电电压压幅幅值值 Vsm 之比，其值等于之比，其值等于 gm(t)中基波分量幅度中基波分量幅度 gm1 的一半。的一半。第18页，此课件共33页哦若若设设中中频频回回路路的的谐谐振振电电阻阻为为 Re，则则所所需需的的中中频频输输出出电电压压 vI=-iIRe，相应的，相应的混频增益混频增益为为AC=-gmc Re（1）电路组成）电路组成3实例（实例（P260P260中波广播收音机的三极管混频器电路）中波广播收音机的三极管混频器电路）第19页，此课件共33页哦本本振振为为电电感感三三点点式式电电路路。本本振振电电压压输输出出由由耦耦合合线线圈圈 Le 加到加到 T1 管的发射极上。管的发射极上。天天线线上上感感生生的的信信号号电电压压通通过过耦耦合合线线圈圈 La 加加到到输输入入信信号号回回路路，再再通通过过耦耦合合线线圈圈 Lb 加到加到 T1 管的基极上。管的基极上。第20页，此课件共33页哦C为三个电容和线圈为三个电容和线圈的最上部分所等效的的最上部分所等效的电容电容 直流通路：直流通路：本振等效电路：本振等效电路：混频等效电路：混频等效电路：（2）各组成模块等效电路）各组成模块等效电路（B极输入，极输入，E极注极注入，共入，共E）第21页，此课件共33页哦（3）同步调谐）同步调谐靠输入靠输入LC回路和本振回路和本振LC回路的双联可调电容进行同步调谐，回路的双联可调电容进行同步调谐，输入回路的值低，本振回路的值高，主要靠本振选台。输入回路的值低，本振回路的值高，主要靠本振选台。对对输输入入信信号号频频率率，本本振振LCLC回回路路严严重重失失谐谐，Le 回回路路看看作作对对输输入入信信号号短短路路；对对本本振振信信号号频频率率，输输入入LC回回路路严严重重失失谐谐，而而且且Lb 的的值值较较小小，Lb 看看作作对对本本振振信信号号短短路路，避避免免输输入入信信号号和和本本振振信信号号互互相干扰。相干扰。对对本本振振信信号号频频率率，输输入入LC回回路路严严重重失失谐谐，而而且且La 的的值值较较小小，La 看作看作对本振信号短路，对本振信号短路，避免本振信号反向辐射。避免本振信号反向辐射。（4）隔离度）隔离度第22页，此课件共33页哦混混频频利利用用了了器器件件特特性性的的非非线线性性，而而器器件件的的非非线线性性又又是是混混频器产生各种干扰的根源。频器产生各种干扰的根源。一、干扰哨声和寄生通道干扰一、干扰哨声和寄生通道干扰1干扰哨声干扰哨声(组合频率干扰组合频率干扰)(1)产产生生：混混频频器器输输入入有有用用信信号号时时，混混频频器器件件输输出出电电流流将将出出现现众多组合频率分量：众多组合频率分量：fp,q=|pfL qfc|混混频频器器中中存存在在着着无无数数个个变变换换通通道道，其其中中只只有有 p=q=1 的的通通道道是是有有用用的的，它它可可以以将将输输入入信信号号频频率率变变换换为为所所需需的的中中频频，而而其其余余大大量量的的变换通道无用甚至有害。变换通道无用甚至有害。4.4.4混频失真混频失真第23页，此课件共33页哦例：例：fc =931 kHz，fI=465 kHz，fL =fc+fI=1 396 kHz 当当 fc 与与 fL 混混合合后后，输输出出可可能能存存在在 2fc-fL=2 931-1 396=466 kHz 的的组组合合频频率率，与与 465 kHz 一一起起送送到到检检波波器器，产产生生差差拍拍现象，在扬声器听到现象，在扬声器听到 1 kHz 的的哨叫哨叫。现象：听到的声音为哨叫现象：听到的声音为哨叫干扰哨声干扰哨声干扰的原因：组合频率干扰：干扰的原因：组合频率干扰：显然，产生哨叫的条件：显然，产生哨叫的条件：|pfL qfc|=fI F 式中：式中：F 为音频。为音频。经分析，得产生干扰哨声的输入经分析，得产生干扰哨声的输入有用信号频率有用信号频率 fc为：为：fI F，上式可简化为，上式可简化为第24页，此课件共33页哦(2)减小干扰哨声的办法：减小干扰哨声的办法：组组合合频频率率分分量量电电流流振振幅幅随随(p+q)的的增增加加而而迅迅速速减减小小，因因而而，只只有有对对应应于于 p 和和 q 为为较较小小值值的的输输入入有有用用信信号号才才会会产产生生明明显显的的干干扰扰哨哨声声，将将产产生生最最强强干干扰扰哨哨声声的的信信号号频频率率移移到到接接收收频频段段之之外外，就就可可大大大大减减小小干干扰扰哨声的有害影响。哨声的有害影响。例例1 1：由由 ，当，当 p=0，q=1 时干扰哨声强，时干扰哨声强，即即 fc fI，因因此此，将将接接收收机机的的中中频频选选在在接接收收频频段段以以外外，避避免免这这个个最最强强的的干干扰扰哨哨声声。例例如如，中中频频接接收收机机，fI 规规定定为为 465 kHz。(中波：中波：535 1 605 kHz)例例2：fc=931kHz时，会产生干扰哨声（时，会产生干扰哨声（p=1,q=2）。因此不能把）。因此不能把电台载波频率设在电台载波频率设在fc=931kHz。例例3：p=3,q=4时，即时，即fc=4fI=1860kHz 在波段外，且在波段外，且p+q阶数大，阶数大，幅度小，因此不需考虑此频点的干扰哨声。幅度小，因此不需考虑此频点的干扰哨声。第25页，此课件共33页哦2寄生通道干扰寄生通道干扰(副波道干扰副波道干扰)(1)产产生生：非非接接收收频频率率的的干干扰扰台台串串入入接接收收机机所所造造成成的的干干扰扰。当干扰台的频率当干扰台的频率fM与本振频率与本振频率fL满足满足|pfL qfM|=fI(4-3-10)时时，干干扰扰信信号号就就将将其其频频率率 fM 变变换换为为 fI，顺顺利利地地通通过过中中频频放放大大器器，造造成成干干扰扰(收收音音机机听听到到干干扰扰信信号号)。这这种种干干扰扰称称为为寄寄生生通通道道干干扰扰。现现象象：收收听听载载波波为为fc的的电电台台时时，同同时时收收听听到到载载波波为为fM的的电电台台的的声声音。音。受受 fL-fc=fI 的限制，的限制，(4-3-10)式式中中只有下两式成立：只有下两式成立：pfL-qfM =fI ，qfM-pfL =fI合并，得形成寄生通道干扰的干扰信号频率为合并，得形成寄生通道干扰的干扰信号频率为 (4-3-11)如果阶数（如果阶数（p+q）越小，干扰越严重。）越小，干扰越严重。第26页，此课件共33页哦 中频干扰中频干扰(p=0，q=1)镜像干扰镜像干扰(p=1，q=1)若若将将 fL 想想象象为为一一面面镜镜子子，则则 fK 就就是是 fc 的镜像，故称的镜像，故称镜像干扰镜像干扰。(2)解决办法解决办法中频干扰：中频干扰：与消除干扰哨声一样，与消除干扰哨声一样，中中频频应应选选在在接接收收频频段段以以外外，远远离离接接收收段段。在在高高放放输入端，可加中频陷波器滤除。输入端，可加中频陷波器滤除。fK=fL+fI=fc+2fI，这这时时，干干扰扰信信号号 fK 在在混混频频器器中中与与本本振振信信号号 fL混混频频后后，变变换换为为中频。中频。fM=fI ，故故称称中中频频干干扰扰。这这时时，混混频频器器起起到到中中频频放放大大器器的的作作用用，具有比有用信号更强的传输能力。具有比有用信号更强的传输能力。寄生通道干扰的两种最强情况：寄生通道干扰的两种最强情况：第27页，此课件共33页哦 镜镜像像干干扰扰：fK-fc=2fI，可可以以采采用用两两种种措措施施：高高中中频频方方案案、二次混频二次混频。3高中频方案高中频方案中频的两种选择方案：中频的两种选择方案：(1)低中频方案，低中频方案，fI f频段频段。(2)高中频方案，高中频方案，fI f频段频段。4二次混频二次混频优点：优点：fI 低，中频放大器易实现高增益和高选择性；低，中频放大器易实现高增益和高选择性；如如在在短短波波接接收收机机中中，接接收收频频段段为为 (2 30)MHz，中中频频选选在在 70 MHz 附附近近。由由于于中中频频很很高高，镜镜像像干干扰扰频频率率远远高高于于有有用用信信号号频频率率，混频的滤波电路很容易将它滤除。混频的滤波电路很容易将它滤除。第28页，此课件共33页哦例例：GSM接接收收机机，第第一一中中频频很很高高，为为 240 MHz，可可以以在在第第一一混混频频器器前前（用用输输入入回回路路或或高高放放的的滤滤波波器器）将将镜镜像像频频率率干干扰扰有有效效地地滤滤除除。第第二二中中频频很很低低，为为 10.7 MHz，有有利利于于提提高高中中频频放放大大器器的的增益。增益。第29页，此课件共33页哦二、交调失真和互调失真二、交调失真和互调失真交交调调失失真真和和互互调调失失真真会会在在混混频频器器、高高频频和和中中频频放放大大器器中中产产生生，现以混频器为例讨论。现以混频器为例讨论。1交调失真交调失真若若接接收收机机前前端端电电路路选选择择性性不不好好，使使有有用用信信号号 vS 和和干干扰扰信信号号 vM 同同时时串串入入混混频频器器输输入入端端，且且二二者者皆皆为为调调幅幅波波，则则通通过过混混频频器器的的非线性作用，将产生非线性作用，将产生交叉调制失真交叉调制失真。原原因因：混混频频器器件件非非线线性性的的高高次次方方项项引引起起的的，且且与与干干扰扰信信号号电电压振幅的平方成正比。压振幅的平方成正比。设混频器件在静态工作点上展开的伏安特性为：设混频器件在静态工作点上展开的伏安特性为：i =f(v)=a0+a1v+a2v2+a3v3+a4v4+其中其中v=vL+vS+vM =VLmcos Lt+Vsmcos ct+VMmcos Mt第30页，此课件共33页哦代代入入上上式式可可知知，v 的的二二次次方方项项(展展开开式式中中的的 2a1vLvS)、四四次次方方项项(展展开开式式中中的的 4a4 vS+4a4vL +12a4vLvS )及及更更高高偶偶次次方方项项均均会会产产生生中中频频电电流流分分量量。其其中中 12a4vLvS 产产生生的的中中频频电流分量振幅为电流分量振幅为 3a4vLmvSm ，其值与，其值与 VMm 有关。有关。表表明明该该电电流流分分量量振振幅幅中中含含有有干干扰扰信信号号的的包包络络变变化化，这这种种失失真真是是将将干干扰扰信信号号的的包包络络交交叉叉地地转转移移到到输输出出中中频频信信号号上上去去的的一种非线性失真，故称为一种非线性失真，故称为交叉调制失真交叉调制失真。现现象象：不不仅仅可可听听到到有有用用信信号号，同同时时也也听听到到干干扰扰信信号号。当当接接收收机机对对有有用用信信号号失失谐谐时时，干干扰扰信信号号也也随随之之消消失失。如如同同干干扰扰台台调调制制信信号号调调制制在在有有用用信信号号频频率率上上，故故称称交交叉叉调调制制干干扰扰。注注意意：交交调调干干扰扰时时，对对干干扰扰信信号号的的频频率率fM没没有有要要求求，任任何何频频率率只只要要能能进进入入接接收机前端电路都可形成干扰。收机前端电路都可形成干扰。第31页，此课件共33页哦2互调失真互调失真当当混混频频器器输输入入端端同同时时作作用用着着两两个个干干扰扰信信号号 vM1 和和 vM2 时时，混混频频器还可能产生器还可能产生互调失真互调失真。令令v=vL+vS+vM1+vM2=VLmcos Lt+Vsmcos ct+VM1mcos M1t +VM2mcos M2t则则 i 中将包含的中将包含的组合频率分量组合频率分量：fp,q,r,s=其其中中，除除了了 fL-fc=fI(p=q=1，r=s=0)的的有有用用中中频频分分量量外外，还还可能在着某些特定的可能在着某些特定的 r 和和 s 值上存在着值上存在着的的寄寄生生中中频频分分量量，引引起起混混频频器器输输出出中中频频信信号号失失真真。这这种种失失真真由由两两个个干干扰信号互相调制产生的扰信号互相调制产生的，故称，故称互调失真互调失真。第32页，此课件共33页哦当当 VM1m 和和 VM2m一一定定时时，r 和和 s 值值越越小小，相相应应产产生生的的寄寄生生中中频频电电流流分分量量振振幅幅就就越越大大，互互调调失失真真也也就就越越严严重重。其其中中，若若两两个个干干扰扰信信号号的的频频率率 fM1、fM2 十十分分靠靠近近有有用用信信号号频频率率，则则在在 r 和和 s 为为小小值值时时(r=1，s=2 或或 r=2，s=1)的的组组合合频频率率分分量量的的频频率率有有可可能能趋趋近近于于 fI，即，即fL-(-(2fM1-fM2)fI 或或 fL-(2fM2-fM1)fI亦即亦即2fM1-fM2 fc或或2fM2-fM1 fc因因而而这这种种互互调调失失真真最最严严重重。由由于于 r+s=3，故故将将这这种种失失真真称称为为三三阶阶互互调调失失真真，它它是是由由 v 四四次次方方项项中中的的 12a4vL vM2 或或 12a4vLvM1 产生的。产生的。三三阶阶互互调调失失真真的的干干扰扰信信号号频频率率十十分分靠靠近近有有用用信信号号频频率率，混混频频前前滤滤波波器器不不能能有有效效滤滤除除，与与交交调调失失真真和和其其他他非非线线性性失失真真比比较较，三三阶阶互互调调失失真的危害最严重真的危害最严重。第33页，此课件共33页哦