东华大学高频电子电路通信电子电路课件7-4(DOC)

7.4 调幅信号的解调（检波）7.4.1 概述概念：解调、检波、检波器从高频已调信号中恢复出调制信号的过程称为解调。通常将从已调振幅调制信号中恢复出调制信号的解调过程称为检波。完成这种解调作用的电路称为振幅检波器，简称检波器。解调与调制是逆过程。从频域上看，是将频谱从高端（载波附近）搬移至低频端。检波是频谱的线性搬移过程。1检波电路的功能检波电路的功能是从振幅已调信号中不失真的恢复出原调制信号。(i) 当输入信号为高频等幅波时，检波器输出为直流电压,如图6.4.1（a）所示；(ii) 当输入信号是正弦调制的调幅信号时，检波器输出电压为正弦波，如图6.4.1（b）所示；(iii)当输入信号为脉冲调制的调幅信号时，检波器输出电压为脉冲波，如图6.4.1（c）所示。图6.4.1检波器的输入/输出波形从信号的频谱来看，检波电路的功能是将已调波的边频或边带信号频谱从载波附近搬移到原调制信号所处的频谱低端。在频域，检波完成频谱的线性搬移。如图6.4.2（c），输入信号频谱为，而通过检波电路后输出信号的频率为。这样的频谱搬移过程正好与振幅调制的频谱搬移过程相反。图6.4.2 检波器原理框图(a)组成框图 (b)检波器输入、输出信号的波形； (c) 检波器输入、输出信号的频谱 2检波电路的分类根据输入调制信号的不同特点，检波电路可分为两大类，包络检波和同步检波。（1） 包络检波包络检波是指检波器的输出电压直接反映输入高频调幅波包络变化规律的一种检波方式。即，解调器输出电压输入已调波的包络。由于AM信号的包络与调制信号成正比。包络检波只适用于AM波的解调。（确切地说：只能解调的普通调幅波）特点：包络检波电路实现简单，检波效率高，几乎所有AM调幅式接收机均采用这种电路。注意：若AM波，当，无法用此方法检波，可用同步检波法。（2） 同步检波同步检波主要应用于双边带调幅波（DSB）和单边带调幅波（SSB）的检波。因为双边带调幅波和单边带调幅波的频谱中缺少载波频率分量。因此不能用包络检波器解调，必须用 “同步检波器”实现解调。原理框图图6.4.3 检波电路的频谱搬移过程 同步检波又可分为乘积型 图（a）和 叠加型 图（b）（乘积型用的比较普遍，叠加型使用的较少）（a）本地载波( b)说明：（i）同步检波法适用于AM, DSB，SSB的解调。由于同步检波比包络检波器复杂，所以很少用于AM解调，通常只用于解调DSB和SSB信号和的AM解调。（ii）为了不失真的恢复原调制信号，本地载波必须与调制端的载波电压完全同步。这是同步检波名称的来由。3检波电路的组成检波器必须包含有非线性器件，Why?振幅调制信号，其频谱有载频组成，其中没有包含调制信号本身的分量。为了解调出原调制频率，检波器必须包含有非线性器件，以便调幅信号通过它产生新的频率分量。检波电路由三部分组成，高频输入回路，非线性器件和低通滤波器。7.4.2 峰值包络检波（二极管大信号包络检波器）峰值包络检波只适合于的普通调幅波的解调。适用条件：峰值包络检波属于大信号检波，要求输入信号幅度0.5V，通常在1V左右。由于电路简单、性能好，因而得到广泛应用。一、大信号包络检波电路的工作原理图6.4.4 (a)是二极管峰值包络检波器的原理电路。检波电路的组成高频信号输入回路；非线性器件：二极管VD（三极管、场效应管）。低通滤波器：通常由RC电路组成。其作用有二个：(a)作为检波器的负载，其二端产生调制频率的电压要求：，即电容对调制信号阻抗很大（近似断路），由R取出调制信号。(b) ,C对高频载波短路，滤除高频。在理想情况下，RC网络的阻抗Z应满足：即：对于高频载波，RC网络短路；对于直流或低频，RC网络中的C开路，其等效负载为R。式中,c为输入信号的载频。问题：在调幅超外差接收机中，c对应的是什么频率？为中频I，为调制信号频率。检波过程分析实质：检波过程是在二极管作为通断开关的控制下，完成对二极管充放电的过程。(i) 充电过程在输入信号正半周，二极管导通，对电容充电。 C对高频载波近似短路，基本上全部加在二极管上， 导通，C被充电，充电时间常数。(ii) 放电过程二极管上的电压，当时，如下图所示的BC段，二极管截止，电容通过R放电。放电时间常数RC充电快、放电慢，使电容上的电荷不断积累，电压逐渐升高，最后达到动态平衡。动态平衡：即导通时对C的充电电荷等于截止时C对R的放电电荷。此时，电容二端的电压近似等于输入信号的峰值电压。为了便于说明检波原理，先分析高频等幅信号经检波电路后的特性。i) 为高频等幅信号下图为加入等幅波时检波器的波形刚接入时，R、C二端的电压a) 在正半周，二极管导通，对电容C充电，充电时间常数（为二极管正向导通电阻，很小）。充电速度很快，这时 RC二端的电压为，该反向加在检波二极管上。b)到达B时，之后，二极管截止，电容C通过R放电，放电时间常数RC()，电容上的电压下降不多，在C点处，下一个周期的高频信号使。之后，二极管导通，又开始充电过程。如此充放电过程循环往复。c)由于充电快、放电慢，使C上的电荷不断积累，导通的时间不断减小，直至达到平衡状态：即导通时对C的充电电荷等于截止时C对R的放电电荷。这时，值近似等于输入信号的峰值电压，二极管的导通时间很短，导通角很小，电容上的电压是一个脉动电压，脉动的频率就是载波频率。d)平衡时检波器输出电压基本上与输入电压的包络相等，所以这种检波器称包络检波器。检波过程可以概括为以下几点:(1)检波过程就是信号源通过二极管这个开关的控制给电容充电和电容对电阻R放电的过程。(2)由于电容充电时间常数rDC远小于电容放电的时间常数RC，使得电容上的电压接近于高频正弦波的峰值电压，所以叫二极管峰值包络检波器。输入信号是高频等幅波时，检波输出为脉动反映充放电过程的高频成分。二极管导通时间非常短，电流导通角很小，为一系列尖顶余弦脉冲，二极管电流iD包含平均直流分量Iav及高频分量。ii) 输入信号为调幅波时当输入为调幅波时的检波器工作波形如图6.4.6所示。结论：(a)二极管电流中包含平均直流成分是（低频调制分量）及高频分量。平均直流分量是流经电阻R，形成检波电压输出；高频电流分量大部分被电容C滤除，部分会在R上产生很小的高频滤波电压。因此，(b)检波输出的电压由三部分构成：。实际上，如果电路元件选择得合适，高频滤波电压将很小，可以忽略。检波电压输出中只包括低频调制分量是，如下图所示，其中，（即图中的）反映输入调幅波的幅度平均值，：与调制信号幅度成比例。(c)峰值包络检波器的实用输出电路图（a）：隔直作用，滤除检波器输出直流分量，电路输出原调制信号的解调信号。图（b）：为滤除检波输出的调制信号，输出直流信号。这种电路一般可用作自动增益控制电路（AGC信号）的检测电路。小结：（本节应掌握的内容）二极管峰值包络检波器的构成，各部分的功能。二极管峰值包络检波器工作的实质，电容的充放电过程。流过二极管的电流为尖顶余弦脉冲序列。其中包含哪些频率分量，其中的高频成分被低通滤波器滤除，只有直流和低频分量（调制信号）在滤波器两端输出。当检波电路输入信号为等幅信号时，输出为一直流电压。当输入信号为AM时，输出的直流电压和调制信号电压二部分。通过隔直流电容，取出调制信号。从检波过程的分析可知：数值对检波器输出性能影响很大。值过小，放电很快，高频纹波加大，平均电压下降。取值过大，放电慢。当AM信号幅度变化快时，跟不上峰值包络的下降，从而造成失真，在后面将专门讨论。二、大信号检波电路的性能分析检波器的性能指标主要有：电压传输系数（检波效率），输入阻抗及非线性失真。1. 传输系数（检波效率）描述检波器将高频调幅波转换为低频电压的能力。输入等幅载波 输入AM 对于 （静态检波效率）对于 （动态检波效率），其中为输出低频信号的电压幅值；为输入调幅波包络的电压幅值。通过对二极管伏安特性及周期性余弦脉冲的定量分析可知： 详细推导过程参见高频电路原理与分析电子科技大学出版社，曾兴雯主编。由于导通角很小，检波效率对检波效率的二个要求：a) 希望检波效率越大越好。这样对于相同的检波输出电平要求的输入信号包络幅值可以较小。对前面电路的增益，动态范围的要求就可以小一些。b) 检波效率是常数。不随输入信号的幅度变化，以便实现线性不失真检波。由式可知，与幅值无关，只与电路参数有关。若输入，则输出2.输入阻抗在接收机中，检波器跟在中频放大器后面，作为负载并接在中频选频网络两端，影响中频回路的Q值，从而影响中频的选频特性。因此希望检波器的输入阻抗越大越好，这样对前级放大器的Q值及增益影响都较小。图6.4.7 中频放大器与检波器级联 检波器输入电阻的定义：说明：二极管检波电流是以载频为重复频率的尖顶脉冲，检波器的输入阻抗是描述检波器对前级的影响，因此定义为输入信号电压幅度与二极管检波电流中信号基波分量幅度之比。掌握：定义 检波器的输入阻抗一般由电阻和电容并联构成，通常将电容部分计入到前级高频谐振回路电容内，所以只考虑输入电阻。大信号峰值包络检波器的输入阻抗只取决于负载电阻。此结论可由能量守恒定理得到证明。假设输入为等幅载波则输入功率： 输出功率： ，忽略二极管导通电阻上的损耗。由能量守恒定理得：等效输入电阻就是中频放大器的负载。所以从增加中频放大器增益、提高接收机灵敏度的角度出发，应尽量加大，也即应加大，但是的增大将受到检波器中非线性失真的限制，后面将分析检波器中的非线性失真。解决以上矛盾的一个有效方法是采用图6.4.8所示的三极管射极包络检波电路，这种电路在集成电路中得到了广泛的应用。由图可见，就其检波物理过程而言，它利用发射结产生与二极管包络检波器相似的工作过程，不同的是：（a）三极管检波电路除了便于集成之外，还具有放大作用，使；（b）输入电阻比二极管检波器增大了倍。 图6.4.8 三极管射极包络检波电路3. 二极管包络检波器中的失真检波电路图6.4.9计入耦合电容和低放输入等效电阻后的检波电路：耦合电容； ：后级低频放大器的等效输入电阻。检波电路的失真分为频率失真、非线性失真、惰性失真和负峰切割失真。(1)频率失真（线性失真）定义：由于容抗对不同频率的信号的传输特性不同而引起的失真,又叫线性失真。举例分析说明：检波电路对C的要求有两个方面：其一，滤除调幅波中的载波频率分量，即对短路；应满足 对短路其二，在负载上取出调制信号，即对调制频率开路。应满足 在产生压降当C取大以便滤除高频载波时，对于调制频率为的调幅波， 当C取得过大时，对于检波后输出的电压上限频率来说，C的容抗将产生旁路作用。对于不同的频率将产生不同的旁路作用。这样便产生了频率失真。为了不产生频率失真，应使电容C的容抗对上限频率旁路作用要小(应呈现断路)，为此应满足确保调制信号在产生压降同样为了不因其频率失真，应使对于下限频率的电压降很小（尽量呈现短路），必须满足（2)非线性失真产生原因：二极管的伏安特性是弯曲的，就伏安特性来说，在电压较小时，电流变化较慢；在电压较大时，电流增加得快。结果：当检波器输入为调幅波时，在调幅波包络的正半周，单位输入电压引起的电流变化大，检波输出电压大；而在调幅包络的负半周，二极管电流变化的速度慢，单位输入电压引起的电流变化小，检波输出电压小，这样就造成了检波器输出电压正、负半周不对称。这种波形的不对称是二极管伏安特性非线性引起。（3）惰性失真（对角线切割失真）在调幅波包络下降时，由于时间常数太大，电容C的放电速度跟不上输入电压包络的下降速度，致使二极管截止而产生失真（如下图中时间内）。这种非线性失真是由于C的惰性太大引起的，所以称为惰性失真。产生的原因：一方面RC越大高频纹波越小越大，检波效率高；另一方面RC过大，其放电时间常数就会越大，电容C两端电压【即】在二极管截止期间放电速度会较慢。如果的放电速度小于输入信号包络下降的速度，会造成二极管负偏压大于输入信号的下一个正峰值，致使二极管在其后的若干个高频信号周期内不导通，如课本图7-23所示所描述的情形。其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，故称惰性失真。越大，调制频率越高，则包络下降的速度就越快，越易产生惰性失真。下图为惰性失真波形图要避免惰性失真，必须在任何一个高频信号周期内，电容的放电速度（即的下降速度）大于或等于包络的下降速度。即：在任何时刻，电容C上的电压的变化率应大于或等于包络信号的变化率，即： （4-1） 包络随时间的变化率若输入信号为单频调制的AM信号，即 包络信号在时刻的变化率 （4-2） 电容放电的速率在时刻电容二端的电压近似与输入信号的峰值相等。即：C通过R放电的电压表达式在时刻电容放电的速率为 （4-3）令： (4-4) (4-5)由于不同时刻，调幅波的包络下降速度不同，为了保证在包络下降最快时，仍不产生惰性失真，即确保A值最大时,仍有Amax1。令dAdt=0,求得A达到最大值的条件（4-6）将（4-6）代入（4-5）得：避免惰性失真的条件：当调制信号为多频信号时，必须保证，最大时满足 ： 注意：一定要正确理解R的物理意义。请大家运用multisim去对放电电阻R进行探讨。（4）负峰切割失真负峰切割失真又称底部切割失真。产生这种失真后, 输出电压的波形如下图所示。 图6.4.11负峰切割失真产生负峰切割失真原因分析：检波输出中有音频和平均直流电平，因为Cc较大,在音频一周内,加在Cc其两端的平均直流电平基本不变，可以把它看作一直流电源，在电阻R和RL上产生分压。在电阻R上的压降为: 该电压反向的加在检波二极管上。检波器的输入其中的平均直流电平 即大小约为载波振幅值要避免负峰切割失真：输入调幅波包络的最小值必须大于二极管上的反向电压即 式中为检波器交流负载 由上式可知，当一定时，检波器的交流负载越接近检波器的直流负载R,负峰切割失真就越不易产生，由（2）式可知，要使接近直流负载R，就必须提高 当，则有实际上，现代设备一般采用很大的集成运放