高频电子线路

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 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 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 峰值包络检波 平均包络检波 乘积型同步检波 叠加型同步检波 6 1概述 调幅解调的分类 调幅解调的方法 1 包络检波 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 但需注意 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 uAM 解调载波 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 2二极管大信号包络检波器 1 大信号包络检波的工作原理 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就作为检波器的负载 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 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两端上的电压为ui t 与uo t 之差 即uD ui uo 所以二极管的导通与否取决于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 检波器的实际输出电压为 uo t uc u t UDC uc当电路元件选择正确时 高频纹波电压 uc很小 可以忽略 输出电压为 uo t u t UDC包含了直流及低频调制分量 图 a 电容Cd的隔直作用 直流分量UDC被隔离 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 图 b 电容C 的旁路作用 交流分量u t 被电容C 旁路 输出信号为直流分量UDC 一般可作为自动增益控制信号 AGC信号 的检测电路 峰值包络检波器的应用型输出电路 若设输入信号 如果以右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 有 低频调制分量 其中 直流分量 1 电压传输系数Kd 检波效率 定义 2 电路主要性能指标 有 另外 还可以证明导通角的表达式 代入上式可得 2 检波的等效输入电阻 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 讨论 当VD和R确定后 即为恒定值 与输入信号大小无关 亦即检波效率恒定 与输入信号的值无关 表明输入已调波的包络与输出信号之间为线性关系 故称为线性检波 则输出信号为 当 一般计算方法为 当输入信号为 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 若设输入信号为等幅载波信号 忽略二极管导通电阻rd上的损耗功率 由能量守恒原则 检波器输入端的高频功率 全部转换为输出端负载电阻R上消耗的功率 即有 又因Kd cos 1 所以 1 惰性失真 二极管峰值型检波器中存在着两种特有失真 惰性失真 底部切割失真 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R C取值过大 使R C的放电时间常数 RC所对应的放电速度小于输入信号 AM 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 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 2 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 3 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等于包络信号的变化率 即 3 检波器的失真 另外 在二极管截止瞬间 电容两端所保持的电压近似等于输入信号的峰值 即 若设输入信号AM信号 包络信号为 在t1时刻包络的变化率 那么电容C通过R放电的电压关系为 4 分析 则有 即 可解得 有 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 可见 ma 越大 信号包络变化越快 要求RC的值就应该越小 5 底部切割失真 1 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 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 检波器设计及元件参数的选择 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 与模拟调幅信号的解调相似 也有包络解调和相干解调两种方法 1 包络解调法 2ASK信号包络解调 6 5数字调幅信号的解调 1 2A