有线通信中包络检波器设计书

1 有线通信中包络检波器设计书 1 绪论 无线通信的发展经历了三个阶段，首先，远古时期的手段是用烽火和旗语。其次，到近代出现了有线通信，其中著名的发明就是 1837 年 明 得 电报和 1876 年 明的电话。电话的发明加速了通信领域的发展，为无线通信的出现奠定了坚实的基础。无线通信的出现加快了现代通信领域的飞速发展。 无线通信 (利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。 在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。无线通信主要包括微波通信和卫星通信。微波是一种无线电波，它传送的距离一般只有几十千米。但微波的频带很宽，通信容量很大。微波通信每隔几十千米要建一个微波中继站。卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。 无线通信系统可以分为：信源、调制、高频功放、天线、高频小放、混频和解调。其中解调就是从高频已调信号的过程，又称为检波。对于振幅调制信号，解调就是从它的幅度变化上提取调制信号的过程。解调是调制的 逆过程，实质上是将高频信号搬移到低频段，这种搬移正好与调制的搬移过程相反。振幅解调方法可以分为包络检波和同步检波。包络检波是指解调器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方法。由于 号的包络与调制信号呈线性关系，因此包络检波只适用于 。 包络检波是从调幅波包络中提取调制信号的过程：先对调幅波进行整流，得到波包络变化的脉动电流，再以低通滤波器滤除去高频分量，便得到调制信号。包络检波电路有很多种，无源的有二极管检波，有源的有三极管、运放等；还有单向检波、桥式检波、同步检波等等。最简单的，也是用得最多的就 是二极管和三极管。 此次设计就是利用二极管和低通滤波器实现 络检波，得到不失真的调制信号。 2 2 包络检波 器设计 原理 理框图 包络检波主要用于普通调幅 (号的解调，主要由二极管和低通滤波器组成原理框图如 图 1： 图 1 包络检波器原理框图 因 由非线性器件后输出电流中含有能线性反映输入信号包络变化规律的音频信号分量（即反映调制信号变化规律）。所以包络检波仅适用于标准调制波的解调 。此电路不需要加同步信号，电路显得较简单。 调幅波的波形及频谱如 图 2： 图 2 调幅波的波形及频谱 包络检波后的调制信号波形与频谱如图 3： 图 3 调制信号的波形及频谱 调幅波频谱 c+ c 包络检波输出 t 输出信号频谱 t 非线性器件 低通滤波 调幅波 3 0Z 理电路 包络检波电路的组成：输入回路、二极管 通滤波器，如图 4所示： 图 4 包络检波电路 在图 4 中， 整流作用， C 起高频滤波作用， R 作为检 波器的低频负载在其两端输出已恢复的调制信号。 通滤波电路有两个作用： (1)对低频调制信号 u来说，电容 C 的容抗相当大，电容 C 相当于开路，电阻 R 就作为检波器的负载，其两端产生输出低频解调电压 (2)对高频载波信号容 C 的容抗特别小，电容 C 相当于短路，起到对高频电流的旁路作用，即滤除高频信号。 理想情况下， 通滤波网络所呈现的阻抗为 : （ 1）作原理分析 原理电路如图 5，当输入信号 么载波正半周时二极管导通，输入高频电压通过二极管对电容 C 充电，充电时间常数为为电很快，电容上电压建立的很快 ,输出电压 。 作用在二极管 端上的电压为 D i ou u u。所以二极管的导通与否取决于 当 0D i ou u u ，二极管导通； 当 0D i ou u u ，二极管截止。 着 t u t ，即 0D i ou u t u t 时，二极管 止。 C 把导通期间储存的电荷通过 R 放电。因放电时常数 大，放电较缓慢。 4 图 5 二极管对电容 C 充电 原理 图 6 电容 C 放电原理 检波器的有用输出电压： o D Cu t u t U（ 2） 检波器的实际输出电压为： o c D C cu t u u t U u （ 3） 当电路元件选择正确时，高频纹波电压小，可以忽略。 输出电压为： o D Cu t u t U包含了直流及低频调制分量。 其输出电压波形如图 8： 图 7 包络检波原理图 图 8 包络检波器输出电压 5 值包络检波器的输出电路 图 9 检波电路 检波电路如图 9 所示。电容流分量，输出信号为解调恢复后的原调制信号 u，一般常作为接收机的检波电路。 压传输系数 检波器传输系数波效率 ， 是用来描述检波器对输入已调信号的解调能力或效率的一个物理量 ， 是指检波电路的输出电压和输入高频电压振幅之比。 当检波电路的输入信号为高频等幅波 ： 即 c o si i m cu t U t时 ， 当输入高频调幅波 1 c o s c o si i m a cu t U m t t 时 分量的振幅输入高频调幅波包络变化的振幅a （ 4） 若设输入信号 c o s)c o s1(i （ 5） 输出信号为 )c o ( （ 6） 则加在二极管两端的电压 i（） 如果 下图 所示的折线表示二极管的伏安特征曲线 (注意在大信号输入情况下是允许的 )，则有： )(c o s)c o )()(d 当 0c t时 0)(d c o sc o sc o sc o sc o s)c o ( 可见 )( 直流分量： U （ 7） 低频 调制分量： （ 8） 图 10 包络检波图 6 图 11 二极管特性曲线 所以有 c o s c o sm a i i m a i mU m UK m U m U ， 电流通角 (二极管导通角度 )。 波器的惰性失真 一般为了提高检波效率和滤波效果 (C 越大 ， 高频波纹越小 )，总希望选取较大的 R， C 值，但如果取值过大，使 R， C 的放电 时间常数所对应的放电速度小于输入信号 (络下降速度时，会造成输出波形不随输入信号包络而变化，从而产生失真，这种失真是由于电容放电惰性引起的，故称为惰性失真。 图 12 包络检波惰性失真波形 原因 ： 由于负载电阻 R 与负载电容 C 的时间常数 大所引起的。这时电容 C 上的电荷不能很快地随调幅波包络变化 ， 从而产生失真（电容 C 两端电压通过 R 放电的速度太慢） 。 输入 号包络的变化率 电的速率 改进措施：为避免产生惰性失真 ,必须在任何一个高频周期内 ,使电容 C 通过 R 放电的速度大于或等于包络下降速度。 避免 产生惰性失真的条件：在任何时刻，电容 C 上电压的变化率应大于或 7 等于包络信号的变化率：t )(（ 9） 即得出不失真条件： 21 （ 10） 波器的底部切割失真 原因：一般为了取出低频调制信号，检波 器与后级低频放大器的连接如图13 所示 ： 图 13 包络检波应用型电路 图 14 底部切割失真波形图 如图 14 所示 底部切割失真越容易产生；另外 ， 调幅波包络的振幅a 调幅波包络的负峰值 1im 小 ， 底部切割失真也越易产生。 改进的措施 ： 要防止这种失真，必须要求调幅波包络的负峰值 1im 于直流电压即 （ 11） 避免底部切割失真的条件为： 式中 R 为直流负载电阻。 1 m a m R 8 3 包络检波 器 电路设计 根据包络检波原理设计出包络检波电路，电路图 如图 15 所示 ： 图 15 包络检波设计电路 号，载波幅度为 3V，频率为 10制信号的频率为1调制幅度为 60%。 检波二极管，用于整流。 电容 阻 阻 成低通滤波器。 C 起高频滤波作用， R 作为检波器的低频负载在其两端输出已恢复的调制信号。对低频调制信号 u来说，电容 C 的容抗相当大，电容 C 相当于开路，电阻 R 就作为检波器的负载，其两端产生输出低频解调电压。对高频载波信号容 C 的容抗特别小，电容 C 相当于短路，起到对高频电流的旁 路作用，即滤除高频信号。 电容 隔直作用，直流分量出信号为解调恢复后的原调制信号 u。 在已知调制系数 m 下满 足 避免惰性失真条件 和满足避免底部切割失真条件 下选择合适的参数使包络检波器产生不失真的波形。 幅信号在经过选用合适的二极管、低通滤波器电容 C 和电阻 R 的参数后在 R 两端输出调制信号，完成包络检波。 根据仿真 电路运行电路观察不失真的输出与输入的波形如图 17 所示： 2R R R R R R 9 图 16 包络检波 器 输入输出波形 从图 16 可以读出输入信号的频率为 300f ，包络的最大值为包络的最小值为输出波形的频率为 1f ，。 4 调试 M 发射机实验 （ 1）将振荡模块中拨 码开关 “ 4”置于“ 为晶振。将振荡模块中拨码开光 “ 3”置于“ “ 部开路。用示波器观察 出10波信号，调整电位器 其输出幅度为 右。 （ 2）低频调制模块中开关 向左端，短路块 通到下横线处，将示波器连接到振幅调制模块中就 （ 调整低频调制模块中 输出 1弦信号 V 。 （ 3）将示波器接在 可观察到普通调幅波。 （ 4）将 前置放大模块中 通到 横线处，用示波器在 可观察到放大后的调幅波。改变 改变前置放大单元的增益。 （ 5）调整前置放大模块 出 1右的不失真 ，将功率放大模块中 通，调节 出 6右不失真的放大信号。 10 （ 6）将 通到下横线处，开关 向右端（ +12V）处，示波器在 观察到放大后的调幅波，改变电位器 改变丙放的放大量。 M 接收机实验 （ 1）在小信号放大器模块 （ N）处加入 10于 50调幅信号，调幅度小于 30%。 （ 2）将晶体管混频模块中 连通到下横线处，示波器在输出端可观察到混频后 。 （ 3）调整中周 输出电压最大。 （ 4）将 通到 横线处，开关 向右端，调整 二次混频输出 出 55失真的调幅波。 （ 5）连通中放模块中 下横线处，在中放输出端 可观察到放大后的 ，如图 18 所示。 图 17 输入 形 11 （ 6）调谐中周 出 3V 左右的 号。 （ 7）振幅解调处与包络检波器的信号输入端接入电路，将信号输出端接入示波器，则可以观察到放大后的低频信号，解调后的低频信号如图 19 所示。 图 18 解调后输出波形 12 参考文献 1 曾兴文，刘乃安，陈健 M等教育出版社， 2007 2 张肃文等 M(第四版 )等教育出版社， 2004 3 路而红等 M民邮电出版社， 2006 4 华成英，童诗白 M(第四版 )等教育出版社， 2006 5 清华大学通信教研组 M民邮电出版社， 1979 6 杨欣，王玉凤 M华大学出版社， 2009 7 谢嘉奎 M(第二版 )等教育出版社， 1984 8 武秀玲，沈伟慈 M安电子科技大学出版社， 1995 13 致 谢 这次的设计，给我的印象很深。刚拿到课程设计的题目时侯感觉这次课程设计的内容不太难，但是当开始进行设计的时候感觉电路原理比较简单，但是参数的选择比较难。后来在查了一些资料和计算后对各个参数的选择有了大致的了解，然后经过多次的的修改终于设计出比较满意的作品。 通过本次课程设计，对本课题有了一定的了解。但是，在对该课题有一定的了解的前提下，也发现了很多问题。认识到理论与实践之间的差距，联系实际的应用去理解只是比一大堆理论来的直接与清晰明了。在设计中难免会遇到很多学习中不会注意到的问题，比如说在调制中在取元件的某些值后输出是失真的波形，在设计并没有想过会存在那样多的问题，当着手 时才发现要完成一个信号的调制与解调，在元件、电路和取值都要有一部分的要求。做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个课程设计对我们的作用是非常大的，同时通过这次课程设计使我懂得了理论与实际结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实 践结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力。此次课程设计学到了许多可能学不到的东西，比如多利思考解决问题的能力，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，我们都受益匪浅，今后的制作应该更加轻松，自己都能扛得起并高质量的完成项目。 最后感谢李欣老师的耐心指导， 这次的课程设计是在 李欣 老师的悉心指导