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第六章调幅信号的解调 6 1概述6 2二极管大信号包络检波器6 3二极管小信号检波器6 4同步检波器6 5数字调幅信号的解调 1 教学要求 掌握典型调幅信号解调电路的结构 工作原理 分析方法和性能特点 了解数字调幅的典型解调方式及其实现电路 2 解调 是调制的逆过程 是从高频已调波中恢复出原低频调制信号的过程 又称振幅检波器 从频谱上看 解调也是信号频谱的线性搬移过程 将高频端的信号频谱搬移到低频端 解调过程和调制过程相对应 不同的调制方式对应于不同的解调 振幅调制 解调 AM调制 DSB调制 SSB调制 包络检波 同步检波 6 1概述 调幅解调的分类 AM调制 AM调制 DSB调制 SSB调制 3 调幅解调的方法 1 包络检波 检波器不需要复杂的载波恢复电路 电路简单易做 在标准调幅波的解调中得到普遍应用 从频谱角度看 标准调幅波可视为载波信号与双边带信号之和 解调正是这个 和信号 通过非线性器件进行相乘 实现频谱搬移的结果 可是任一种伏安特性含有平方项的非线性器件 根据输入信号幅度大小的不同 对非线性器件分析方法不同 以晶体二极管为例 按输入信号幅度大小分为 小信号 0 5V 检波 4 由于DSB和SSB信号的包络不同于调制信号 不能用包络检波器 只能用同步检波器 注意 同步检波过程中 为了正常解调 必须恢复载波信号 而所恢复的载波必须与原调制载波同步 即同频同相 2 同步检波 本地载频 5 1 电压传输系数Kd 检波电路的主要技术指标 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ui t Uimcos ct时 Kd定义为输出直流电压Uo与输入高频电压振幅Uim的比值 即 当输入高频调幅波ui t Uim 1 macos t cos ct时 Kd定义为输出低频信号 分量的振幅U m与输入高频调幅波包络变化的振幅maUim的比值 即 2 等效输入电阻Rid 因为检波器是非线性电路 Rid的定义与线性放大器是不相同的 Rid定义为输入高频等幅电压的振幅Uim 与输入端高频脉冲电流基波分量的振幅之比 即 3 非线性失真系数Kf 非线性失真的大小 一般用非线性失真系数Kf表示 当输入信号为单频调制的调幅波时 Kf定义为 U U2 U3 分别为输出电压中调制信号的基波和各次谐波分量的有效值 4 高频滤波系数F 检波器输出电压中的高频分量应该尽可能的被滤除 以免产生高频寄生反馈 导致接收机工作不稳定 高频滤波系数的定义为 输入高频电压的振幅Uim与输出高频电压的振幅Uo m的比值 即 在输入高频电压一定的情况下 滤波系数F越大 则检波器输出端的高频电压越小 滤波效果越好 通常要求F 50 100 6 6 2二极管大信号包络检波器 1 工作原理 1 电路组成 由输入回路 二极管VD和RC低通滤波器组成 RC低通滤波电路有两个作用 对低频调制信号u 来说 电容C的容抗 电容C相当于开路 电阻R就作为检波器负载 其两端产生输出低频解调电压 对高频载波信号uc来说 电容C的容抗 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 RC低通滤波网络所呈现的阻抗为 7 2 工作原理分析 uD uD ui uo R 当输入信号ui t 为调幅波时 那么载波正半周时二极管正向导通 输入高频电压通过二极管对电容C充电 充电时间常数为rdC 因为rdC较小 充电很快 电容上电压建立的很快 输出电压uo t 很快增长 作用在二极管VD两端上电压为ui t 与uo t 差uD ui uo 即二极管导通与否取决于uD 当uD ui uo 0 二极管导通 当uD ui uo 0 二极管截止 ui t 达到峰值开始下降以后 随着ui t 的下降 当ui t uo t 即uD ui uo 0时 二极管VD截止 C把导通期间储存的电荷通过R放电 因放电时常数RC较大 放电较缓慢 检波器的有用输出电压 uo t u t UDC 均值 8 检波器的实际输出电压为 uo t uc u t UDC uc电路元件选择正确时 高频纹波电压 uc很小可忽略 输出电压为 uo t u t UDC包含了直流及低频调制分量 如果输入信号是调幅波 只要 c max并且电容放电速度能跟上包络变化速度 那么检波器输出电压就能跟着调幅波包络线变化 9 输入等幅波 输出信号 则加在二极管两端的电压 当外加激励信号幅度足够大 二极管伏安特征可用分段折线逼近 uD iD t iD 3 特性的折线分析 综合上式 如图可知 有 根据高功放折线分析法 10 根据高功放折线分析法 对应二级管电流iD为重复频率为 c的周期余弦脉冲通角为 振幅最大值为IM 可以将其分解为直流 基波和各次谐波分量 其中为直流分量 为n次谐波分量振幅 综上可得 经低通滤波器的输出电压为 除可得 当UBZ 0或者uo UBZ可得 当 很小 tan 可展开成级数 忽略高次项 可得 通角 仅与检波器电路参数rd和R有关 而与输入高频信号振幅Uim无关 即 检波器电路一旦确定 无论输入通角 不变 由于二极管导通电阻rd通常比负载电阻R小得多易满足 11 由可得 对于输入调幅波 由于 c 在高频电压一周内由 引起的振幅变化可认为不变 检波器输出电压 为了取出原调制信号 选用如下检波电路 一般常作为接收机的检波电路 A点 12 1 电压传输系数Kd 检波效率 2 电路主要性能指标 Kd定义为输出直流电压与输入高频电压振幅的比值 即 若输入电压为等幅波 检波器输出 若输入电压为调幅波 检波器输出 Kd定义为输出低频信号 分量振幅与输入调幅波变化振幅比值 即 13 峰值检波器常作超外差接收机中放末级的负载 故其输入阻抗对前级的有载Q值及回路阻抗有直接影响 这也是峰值检波器的主要缺点 检波器的输入电阻Rid是为研究检波器对其输入谐振回路影响的大小而定义的 因而Rid是对载波频率信号呈现的参量 2 等效输入电阻Rid 定义为输入高频电压振幅与流过检波二极管的高频电流基波分量的振幅之比 代入可得 由于且 很小 可忽略高次项 可得 14 1 频率失真 3 检波器的失真 当输入调幅波调制频率 A点电压频率包含直流 输出B点的电压频谱包含 低通滤波器RC具有一定的频率特性 电容C的主要作用是滤除调幅波中的载波频率分量 为此应满足 阻抗 分流 当C取得过大时 对于检波后输出电压上限频率 max来说 C的容抗产生旁路作用 不同的 产生不同的旁路作用 引起频率失真 为了不产生频率深圳 应使电容C的容抗 对 max不产生旁路作用 应满足 Cd的容抗将影响检波器下限频率 min的输出电压 即在范围内 Cd上电压降大小不同 在输出端B点电压会因此产生频率失真 为避免 应使Cd对于下限频率 min的电压降很小 满足 15 2 非线性失真 非线性器件 输入信号幅值较大时 输出波形失真 采用负反馈 由于检波器输出电压是二极管的反向偏压 具有负反馈作用 输出电压大 负反馈强 输出电压减小 负反馈减弱 负反馈将使非线性失真减小 R越大 反向偏压越大 非线性失真越小 一般来说 二极管大信号检波器非线性失真很小 16 3 惰性失真 检波器低通滤波器RC影响检波器特性 负载电阻R越大 电压传输系数Kd和等效输入电阻Rid越大 非线性失真越小 C越大 高频波纹越小 为提高检波效率和滤波效果 选较大R C值 但取值过大 二极管截止时放电慢 电容电压高于输入电压 二极管一直截止 即R C放电时间常数 RC所对应的放电速度小于输入信号包络下降速度时 会造成输出波形不随输入信号包络而变化 失真 由电容放电惰性引起的 称为惰性失真 产生惰性失真的原因 输入AM信号包络的变化率 RC放电的速率 避免产生惰性失真的条件 在任何时刻 电容C上电压变化率应大于或等于包络信号变化率 即 包络信号 17 输入高频调幅波 包络信号为 包络变化率 电容C通过R放电电流 分析 流过R的电流 由于ic iR 有所以 设大信号检波器电压传输系数kd 1 综合上述两公式 避免产生惰性失真的条件 令 即 综合上面公式 uc 18 2019 12 30 19 即 避免产生惰性失真的条件 实际应用中 由于调制信号总占有一定的频带 min max 并且各频率分量所对应的调制系数ma也不相同 设计检波器时 应该用最大调制度mmax和最高调制频率 max来检验有无惰性失真 其检验公式为 20 4 负峰切割失真 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所示 为能有效地传输检波后的低频调制信号 要求 二极管截止 检波输出信号不跟随输入调幅波包络的变化而产生失真 当UR Uim 1 ma 或 通常Cd取值较大 一般为5 10 F 在Cd两端的直流电压UDC 大小近似等于载波电压振幅UDC KdUim UDC经R和RL分压后在R上产生的直流电压为 由于UR对检波二极管VD来说相当于一个反向偏置电压 会影响二极管的工作状态 在输入调幅波包络的负半周峰值处可能会低于UR 显然 RL越小 UR分压值越大 底部切割失真越容易产生 另外 ma值越大 调幅波包络的振幅maUim越大 调幅波包络的负峰值Uim 1 ma 越小 底部切割失真也越易产生 UDC u t 要防止这种失真 要求调幅波包络的负峰值Uim 1 ma 须大于直流电压UR 即 避免底部切割失真的条件为 式中 R RL R为输出端的交流负载电阻 而R为直流负载电阻 21 一般 为高频载波周期 2 为发保证输出的高频纹波小要求 即 4 检波器元件参数的选择 3 为了减少输出信号的频率失真 输出信号为一个低频限带信号 要求 4 为了避免惰性失真 要求 22 1 小信号检波概念输入高频信号的振幅小于0 2V 利用二极管伏安特性的弯曲部分进行频率变换 然后通过低通滤波器实现检波 2 小信号检波器的工作原理 因为是小信号输入 检波器需外加偏压VQ使其静态工作点位于二极管伏安特性的弯曲部分 6 3二极管小信号检波器 小信号检波的原理电路 二极管的伏安特性在工作点Q附近 可表示为 23 由于输出电压很小 忽略输出电压的反作用 可得ud ui VQ 则忽略高次项可得 经低通滤波器取出 其中为直流电流增量 它代表二极管的检波作用的结果 输出电压增量为 在输入信号为高频等幅波ui Uimcos it时 24 输入信号为普通调幅波时 因为 i 可以认为在 i一周内 可见输出电压除 分量外 还有2 的频率成分 也就是产生了非线性失真 此电压增量经Cc隔直耦合在RL上得电压为 这样检波后的输出电压增量为 是不变的 25 3 小信号检波器的特点 1 是利用二极管伏安特性非线性段的二次方特性实现频率变换 故又称为平方律检波 输入为等幅波时的电压传输系数kd b2RUim 2 输入为普通调幅波时的电压传输系数kd b2RUim 它们都与输入信号振幅Uim成正比 Uim越小 则kd越小 故小信号检波的电压传输系数小 3 由于二极管始终处于导通状态 其等效输入电阻Rid可近似等于二极管的导通电阻rd 4 当输入为普通调幅波时 有2 分量输出产生非线性失真大 26 大信号检波与小信号检波器的主要区别GDp218 1 是利用二极管伏安特性非线性段的二次方特性实现频率变换 故又称为平方律检波 输入为等幅波时的电压传输系数kd b2RUim 2 输入为普通调幅波时的电压传输系数kd b2RUim 它们都与输入信号振幅Uim成正比 Uim越小 则kd越小 故小信号检波的电压传输系数小 3 由于二极管始终处于导通状态 其等效输入电阻Rid可近似等于二极管的导通电阻rd 4 当输入为普通调幅波时 有2 分量输出产生非线性失真大 27 4 小信号检波器的主要技术指标 输入为等幅波时 小信号检波器的电压传输系数为 1 电压传输系数 输入为调幅波时 小信号检波器的电压传输系数为 2 检波器的等效输入电阻可近似地认为等于二极管的导通电阻rd 3 非线性失真系数 28 叠加型 乘积型 同步检波器可分为 6 4同步检波器 SynchronousDetection 注意 两种检波器都需要接收端恢复载波 1 乘积型 设输入已调波 而恢复的本地载波为 So相乘器输出为 29 讨论 1 当恢复的本地载波与发射端的调制载波同步 同频 同相 则有 c 0 0 能够无失真将调制信号恢复出来 2 若本地载波与调制载波有频差 即 即引起振幅失真 则 引入一个振幅衰减因子cos 如果 随时间变化 会引起振幅失真 3 若本地载波与调制载波有相位差 即 30 乘积型同步检波器的实用电路 低通滤波器 谐振限幅放大器 乘法器 uAM u u c u u ux uy uAM u uAM 31 注意 1 同步解调的关键是乘积项 即以前介绍的具有乘积项的线性频谱搬移电路 只要后接低通滤波器都可实现乘积型同步检波 2 同步检波无失真的关键是同步 3 普通调幅波也可以采用乘积型同步检波器实现检波 uAM 2 叠加型同步检波器 32 2 叠加型同步检波器工作原理 设输入单频调制的单边带信号 上边带 为 本地载波信号为 式中 由于包络检波器对相位不敏感 只讨论包络的变化 式中 m USSB Uo 当 m USSB时 利用到公式 如果设包络检波器的电压传输系数为Kd 那么ud经包络检波器后 输出电压为