信号解调的基本原理.doc

第7章 信号解调的基本原理一、学习目标与要求1、理解解调的基本原理；2、掌握模拟幅度信号的解调方法；会分析包络检波的两种失真；3、理解LC并联谐振网络在鉴频中的重要作用，正确分析鉴相器在模拟角度调制信号解调中的工作过程，了解三种数字调制信号解调的基本方法。二、本章学习要点（一） 调幅信号的解调调幅信号的解调是振幅调制的相反过程，是从高频已调幅信号中取出原调制信号。通常将完成这种解调作用的电路称为振幅检波器。1、振幅检波电路的功能、组成与分类振幅检波电路的功能是从调幅波中不失真地解调出原调制信号c当输人信号是高频等幅波时，检波电路输出为直流电压，如图7 I（a）所示。当输人信号是正弦调制的调幅波时，检波器输出电压为正弦波，如图7 1（b）所示。当输人信号是脉冲调制的调幅波时，检波器输出电压为脉冲波，如图7 1（c）所示。图71 检波器输人输出波形调幅信号的频谱由载频和边频分量组成，它包含有调制信号的信息，但并不包含调制信号本身的频率分量。例如普通调幅波,其频谱由载频c和边频c组成，它没有包含调制信号本身的频率。但载频c与上边频c或下边频c-之差就是。因而它包含有调制信号的信息。为了解调出原调制信号频率，检波电路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，其中包含有所需要的分量。然后通过低通滤波器滤除不需要的高频分量，取出所需的原调制信号。因此检波电路如图72所示，由三部分组成，即高频输人回路、非线性器件和低通滤波器。图72 振幅检波电路的组成振幅检波电路的功能还可以用输入信号和输出信号的频谱来进行说明。图7 3所示，列出了高频等幅波、普通调幅波、双边带调幅波和单边带调幅波四种信号通过振幅检波电路的输人和输出频谱。图7 3（a）所示是等幅波检波，输入信号频率为c的等幅波，只要检波器中的非线性器件具有二次方特性或者通过非线性器件的电流产生失真，则能实现检波输出直流电压。图7 3（b）所示是普通调幅波检波，输人信号频谱为c、c、c-，通过检波器的非线性器可得到c与c的差频或c或与c-的差频，通过低通滤波器可实现检波。图7 3（c）所示是双边带调幅波检波，图7 3（d）所示是单边带调幅波检波。它们和图7 3（b）不同之处在于输人信号频谱中没有独立的载波分量c故通过非线性器件是不能直接产生分量。必须还要外加一个本地载频信号c，而且要求这个载频信号与原发射的载频频率相同、相位相同。通常将图6 3（a）、（b）所示电路称为包络检波器，图6 3（c）、（d）成为同步检波器两大类。图73 检波电路的输人与输出频谱2、二极管大信号包络检波电路1）什么是大信号包络检波 大信号检波是指高频输人信号的振幅大于0.5V，利用二极管两端加正向电压时导通，通过二极管对低通滤波器的电容C充电，二极管加反向电压时截止，电容C通过R放电这一特性实现的检波。2）大信号检波的工作原理图74所示是大信号检波的原理电路。它是由输人回路、非线性器二极管D和RC低通滤波器组成。图75给出了输入为等幅波时的检波过程。当输人信号ui（t）为高频等幅波时，电路接通后，由于低通滤波器的电容C上初始电压为0，载波正半周时，二极管处于正向导通，输入高频电压通过二极管对电容C充电，充电时间常数rd C较小，充电很快。随着C被充电，输出电压uo（t）增长，作用在二极管上的电压为ui（t）与uo（t）之差。当tt1时刻，ui（t）与uo（t）相等，二极管截止，电流为零。随着t的增加，ui（t）继续浊小，uo（t）大于ui（t），这一段时间，二强管处于截止状态，电容器C经电阻R放电，放电时间常数为RC。由于R比rd要大很多，因而RC较大，放电较慢。当到达tt2时刻，ui（t）与uo（t）又相等，然后随着t的增加ui（t）大于uo（t），二极管导通，ui（t）通过二极管D对电容器再充电：到tt3时刻，ui（t）大于uo（t）再次相等，随着t的增大ui（t）小于uo（t）二极管又处于截止，电容器C叉经电阻R放电。如此反复，直到在一周期内电容充电电荷量与放电电荷量相等充放电达到动态平衡进人稳定工作状态。这时检波器的输出电压uo（t）按高频信号的角频率作锯齿状等幅波动。当输入为普通调幅波信号时，充放电波形如图7 6所示。其过程与等幅波输入情况相似。输出电压uo（t）的变化规律正好与输入信号的包络相同。图7 4 大信号检波器原理电路图7-4 大信号检波电路图7 5 时检波器的工作过程图7-5 输入等幅波是检波电路工作过程图7 6 输人为普通调幅波时的检渡过程图7-6 输入为普通调幅波是的检波电路3）大信号检波器的技术指标检波效率若检波电路输入调幅波电压为，由于包络检波电路输出电压与输入高频电压振幅成正比，所以，检波器输出电压等于 （7-1） 式中，称为检波电压传输系数，又称检波效率。小于1，而近似等于1，实际电路中在80左右。当足够大时，为常数，故为线性检波。 式（7-1）中，为检波器输出电压中的直流成分，即为解调输出原调制信号电压。输入电阻 对于高频输入信号源来说，检波电路相当于一个负载，此负载就是检波电路的输入电阻，它定义为输入高频电压振幅对二极管电流中基波分量振幅之比。根据输入检波电路的高频功率与检波负载所获得的平均功率近似相等，可求得检波电路的输入电阻 2 （7-2）4）惰性失真与负峰切割失真 根据前面分析可知，二极管包络检波器工作在大信号检波状态时，具有较理想的线性解调性能，输出电压能够不失真地反映输入调幅波的包络变化规律。但是，如果电路参数选择不当，二极管包络检波器就有可能产生惰性失真和负峰切割失真。惰性失真图7-7 惰性失真波形 为了提高检波效率和滤波效果，常希望选取较大的值，使电容器在载波周期内放电很慢，上电压的平均值便能够不失真地跟随输入电压包络变化。但是当选得过大，也就是通过的放电速度过慢时，电容器上的端电压便不能紧跟输入调幅波的幅度下降而及时放电，这样，输出电压将跟不上调幅波的包络变化而产生失真，如图7-7所示，这种失真称为惰性失真。不难看出，调制信号角频率越高，调幅系数越大，包络下降速度就越快，惰性失真就越严重。要克服这种失真，必须减小的数值，使电容器的放电速度加快，因此要求 （7-3） 在多频调制时，作为工程估算，式（7-3）中应取最大调幅系数，应取最高调制角频率，因为在这种情况下最容易产生惰性失真。负峰切割失真在实际电路中，检波电路的输出端一般需要经过一个隔直电容，与下级电路相连接，如图7-8（a）所示。图中，为下级（低频放大级）的输入电阻，为了传送低频信号，要求对低频信号阻抗很小，因此它的容量比较大。这样检波电路对于低频的交流负载变为（因 ，略去了的影响）而直流负载仍为，且，即说明该检波电路中直流负载不等于交流负载，并且交流负载电阻小于直流负载电阻。当检波电路输入单频调制的调幅信号时，如图7-8（b）所示，如调幅系数比较大时，因检波电路的直流负载电阻与交流负载电阻数值相差较大，有可能使输出的低频电压在负峰值附近被削平，如图7-8（c）所示，把这种失真称为负峰切割失真。根据分析，与满足下面关系 （7-4）则可避免产生负峰切割失真。式（7-4）中，为多频调制时的最大调幅系数。式（7-4）说明，与大小越接近，不产生负峰切割失真所允许的值就越接近于1，或者说，当一定时，越大、越小，负峰切割失真就越不容易产生。（二）同步检波电路 同步检波电路与包络检波不同，检波时需要同时加入与载波信号同频同相的同步信号。同步检波有两种实现电路，一种为乘积型同步检波电路，另一种为叠加型同步检波电路。1）乘积型同步检波电路 利用相乘器构成的同步检波电路称为乘积型同步检波电路。在通信及电子设各中广泛采用二极管环形相乘器和双差分对模拟集成相乘器构成同步检波电路。二极管环形相乘器既可用作调幅，也可用作解调，但两者信号的接法刚好相反。同样，为了避免制作体积较大的低频变压器（或考虑到混频组件变压器低频特性较差），常把输入高频同步信号和高频调幅信号分别从变压器和接入，将含有低频分量的相乘输出信号从、的中心抽头处取出，再经低通滤波器，即可检出原调制信号。若同步信号振幅比较大，使二极管工作在开关状态，就可减小检波失真。 图7-9所示为采用MC1496双差分对集成模拟相乘器组成的同步检波电路。图中 同步信号加到相乘器的X输入端，其值一般比较大，以使相乘器工作在开关状态。为调幅信号，加到Y输入端，其幅度可以很小，即使在几毫伏以下，也能获得不失真的解调。解调信号由12端单端输出，、组成形低通滤波器，为输出耦合隔直电容，用以耦合低频、隔除直流。MC1496采用单电源供电，所以，5端通过接到正电源端，以便为器件内部管子提供合适的静态偏置电流。图7-9 MC1496乘积型同步检波电路 2）叠加型同步检波电路图7-10 叠加型同步检波电路 叠加型同步检波电路是将需解调的调幅信号与同步信号先进行叠加，然后用二极管包络检波电路进行解调的电路，其电路如图7-10所示。设输入调幅信号，同步信号，则它们相叠加后的信号为 （7-6） 由式（7-6）说明，当时，1，合成信号为不失真的普通调幅波，因而通过包络检波电路便可解调出所需的调制信号。令包络检波电路的检波效率为，则检波输出电压为 （7-7）式中，为检波输出的直流分量； 为检波输出低频信号。图7-11 平衡同步检波电路 为了进一步减少谐波频率分量，可采用图7-911所示的平衡同步检波电路。可以证明，它的输出解调电压中频率为2 及其以上各偶次谐波的失真分量被抵消了。最后必须指出，不管是乘积型还是叠加型同步检波，都要求同步信号与发送端载波信号严格保持同频同相，否则就会引起解调失真。当相位相同而频率不等时，将产生明显的解调失真；当频率相等而相位不同时，则检波输出将产生相位失真。因此，如何产生一个与载波信号同频同相的同步信号是极为重要的。为了产生同步信号，往往在发送端附带发送一个功率远低于边带信号功率的载波信号，称为导频信号，接收端收到导频信号后，经放大就可以作为同步信号。也可用导频信号去控制接收端载波振荡器，使之输出的同步信号与发送端载波信号同步。（三）调角信号的解调电路的功能与技术指标1、调相波解调电路的功能调相波解调电路的功能是从调相波中取出原调制信号。调相波解调电路又称为鉴相器。从输人信号和输出信号的频谱变换关系看，可用图81所示来说明。若输入的调相波 ，因为mp=2，其输人频谱为c、c、c2、c3，经鉴相器的频率变换输出频谱为。图7 11 鉴相器的功能 图7 12 鉴频器的功能2、调频波解调电路的功能 调频波解调电路的功能是从调频波中取出原调制信号。调频波解调电路又称为鉴频器。同样，从输入信号和输出信号的频谱变换关系看，可用图82所示来说明。若输人的调频波，因为mf =2，其输入频谱为c、c、c2、c3，经鉴频器的频率变换输出频谱为。 3 鉴相器的主要技术指标1）鉴相特性曲线鉴相器输出电压与输人信号的瞬时相位偏移的关系。通常要求是线性关系。2）鉴相跨导鉴相器输出电压与输人信号的瞬时相位偏移的关系的比例系数，也可以说是鉴相特性曲线的斜率。 3）鉴相线性范围鉴相线性范围通常应大于调相波最大相移的二倍。 4）非线性失真鉴相特性的非线性失真要尽可能小。4、鉴频器的主要技术指标1）鉴频特性曲线鉴频器输出电压与输人信号的瞬时频率偏移的关系。通常要求是线性关系。2）鉴频跨导鉴频器输出电压与输人信号的瞬时频率偏移的关系的比例系数，也可以说是鉴频特性曲线的斜率。3）鉴频线性范围鉴频线性范围通常应大于调频波最大频移的二倍。4）非线性失真鉴频特性的非线性失真要尽可能小。5鉴频的实现方法 鉴频的方法很多，常用的方法可归纳为以下四种。 （1）斜率鉴频器 实现模型如图7-14所示。先将等幅调频信号送入频率振幅线性变换网络，变换成幅度与频率成正比变化的调幅一调频信号，然后用包络检波器进行检波，还原出原调制信号。 图7-14 斜率鉴频器实现模型 图7-15 相位鉴频器实现模型（2）相位鉴频器实现模型如图7-15所示。先将等幅的调频信号送入频率一相位线性变换网络，变换成相位与瞬时频率成正比变化的调相一调频信号，然后通过相位检波器还原出原调制信号。（3）脉冲计数式鉴频器 实现模型如图7-16所示。先将等幅的调频信号送入非线性变换网络，将它变为调频等宽脉冲序列，该等宽脉冲序列含有反映瞬时频率变化的平均分量，通过低通滤波器就能输出反映平均分量变化的解调电压。（4）锁相鉴频器利用锁相环路进行鉴频，这种方法在集成电路中应用甚广。锁相鉴频器工作原理将在第8章锁相环路中介绍。 图7-17 斜率鉴频器工作原理（a）变换网络 （b）调频信号变为调幅调频信号 （c）单失谐回路鉴频器6 斜率鉴频器1）基本原理 把调频信号电流加到并联谐振回路上，如图7-17（a）所示。将并联回路谐振频率调离调频波的中心频率，使调频信号的中心频率工作在谐振曲线一边的A点上，如图7-17（b）所示，这时并联回路两端电压的振幅为。当频率变至，时，工作点移到B ，回路两端电压的振幅增加到。当频率变至，时，工作点移到C点，回路两端电压振：减小到，如图7-17（b）所示。由此可见，当加到并联回路的调频信号频率随时间变化时，回路两端电压的振幅也将随时间产生相应的变化，如图7-17（a）、（b）所示。当调频信号的最大频偏不大时，电压振幅的变化与频率的变化近似成线性关系，所以，利用并联回路谐振曲线的下降（或上升）部分，可使等幅的调频信号变成幅度随频率变化的调频信号。 利用上述原理构成的鉴频器原理电路如图7-17（c）所示，常称它为单失谐回路斜率鉴频。图中并联谐振回路调谐在高于或低于调频信号中心频率上，从而可将调频信号变成调幅一调频信号。、组成振幅检波器，用它对调幅一调频信号进行振幅检波，即可得到原调制信号。由于谐振回路谐振曲线的线性度差，所以，单失谐回路斜率鉴频器输出波形失真大，质量不高，故很少使用。2）双失谐回路斜率鉴频器 图7-18 双失谐回路斜率鉴频器 （a）电路 （b）电压谐振曲线 （c）鉴频特性 为了扩大鉴频特性的线性范围，实用的斜率鉴频器都是采用两个单失谐回路斜率鉴频器构成的平衡电路，如图7-18（a）所示。图中，二次侧有两个失谐的并联谐振回路，所以称为双失谐回路斜率鉴频器。其中第一个回路调谐在上，第二个回路调谐在上。设，低于调频信号中心频率，高于，而且和对于是对称的，即，这个差值应大于调频信号的最大频偏。调频信号在回路两端产生的电压和的幅度分别用和表示，回路的电压谐振曲线如图7-18（b）所示，两回路的谐振曲线形状相同。 图7-18(a)中两个二极管振幅检波电路参数相同，即，与参数一致。和分别经二极管检波得到的输出电压为和，它与频率的关系如图7-18（c）中 虚线所示，与的极性相反，鉴频器总的输出电压 。当调频信号的频率为时，由图7-18（b）可见，与大小相等，故检波输出电压，鉴频器输出电压0。当调频波频率为时，则 ，所以鉴频器输出电压0为正值，且为最大。当调频信号频率为时，则，所以0为负最大值。这样可以得到鉴频特性，如图7-18（c）实线所示。实际上它就是图7-18（c）中与两条曲线相加的结果。由于调频信号频率大于后，很小，随频率的升高而下降，使鉴频器输出电压数值减小，所以鉴频特性在，后开始弯曲；同理，调频信号频率小于后，很小，随频率的降低而减小，鉴频特性在后也开始弯曲。 双失谐回路鉴频器由于采用了平衡电路，上、下两个单失谐回路鉴频器特性可相互补偿，使得鉴频器输出电压中的直流分量和低频偶次谐波分量相抵消，故鉴频的非线性失真小，线性范围宽，鉴频灵敏度高。不过，双失谐回路鉴频器鉴频特性的线性范围和线性度与两个回路的谐振频率和的配置很有关系。如和偏离过大，鉴频特性就会在附近出现弯曲，而与偏离过小，鉴频特性的线性范围又不能得到有效扩展，再加上两个谐振回路相互耦合，所以调整起来不太方便。7 相位鉴频器 利用鉴相器构成的鉴频器称为相位鉴频器。鉴相器有多种实现电路，大体上可归纳为数字鉴相器和模拟鉴相器两大类。数字鉴相器由数字电路构成，模拟鉴相器由模拟电路构成，它广泛用于相位鉴频器中，这类鉴相器又可分为乘积型和叠加型两种。采用乘积型鉴相器构成相位鉴频器的称为乘积型相位鉴频器，它的组成模型如图7-19（a）所示；采用叠加型鉴相器构成相位鉴频器的称为叠加型相位鉴频器，它的组成模型如图7-19（b）所示。 图7-19 相位鉴频器组成模型（a）乘积型相位鉴频器 （b）叠加型相位鉴频器（1）单谐振回路频相变换网络 在乘积型相位鉴频器中，广泛采用单谐振回路作为频率一相位变换网络，其电路如图7-19（a）所示。由图可写出电路的电压传输系数为 （7-9） 令 ， 代入式（6.2.6），则得 （7-10） 在失谐不太大的情况下，式（6.3.7）可简化为 （7-11） 由此可以得到变换网络的幅频特性和相频特性分别为 （7-12） （7-13）图7-20 单谐振回路频相变换网络（a）电路 （b）频率特性曲线 根据式（7-12）和式（7-13）作出网络的幅频特性和相频特性曲线，如图7-20（b）所示。由图可见，当输入信号频率时，2，当偏离时，相移在2上下变化，时，随着增大，减小；时，随着减小，增大。但只有当失谐量很小，6时，相频特性曲线才近似为线性的。此时 （7-14） 图7-21 集成电路中相位鉴频器电路若输入为调频信号，其瞬时角频率，且，则式（7-14）可写成 （7-15）可见，当调频信号较小时，图7-20（a）所示变换网络可不失真地完成频率一相位变换。 （2）叠加型相位鉴频器 实用中常采用叠加型平衡鉴相器，电路如图7-22所示。图中，、与、分别构成两个包络检波电路。设两输入电压分别为，由图可见，加到上、下两包络检波电路的输入电压分别为 图7-22 叠加型平衡鉴相器图7-23 叠加型鉴相器鉴相特性曲线 当0时，相位滞后于90，而则超前于90，此时合成电压与相等，经包络检波后输出电压与大小相等，所以鉴相器输出电压0。当0时，相位滞后于小于90，而则超前于大于90，此时合成电压，检波后的电压，所以鉴相器输出0，为正值，且越大，输出电压就越大。 当0时，相位滞后于大于90，此时，则，所以鉴相器输出电压0为负值，且的负值越大，负值就越大。 由此可得到叠加型平衡鉴相器的鉴相特性如图7-23所示。根据分析，它也具有正弦鉴相特性，而只有当比较小时，才具有线性鉴相特性。8 脉冲计数式鉴频器脉冲计数式鉴频器有各种实现电路，图7-24所示为一种实现电路的组成及其工作波形。由于调频信号的频率是随调制信号变化的，因而它在相同的时间间隔内过零点的数目是不相同的，经脉冲形成电路，调频信号每经过一个过零点就形成一个脉冲，当瞬时频率高时，形成的脉冲数目就多，瞬时频率低时，形成的脉冲数目就少，如图7-24（b）中波形所示。这些脉冲经脉冲展宽电路，展宽成相同的脉冲宽度，这样调频信号就变换成脉宽相同而周期变化的脉冲序列，如图7-24（b）中波形所示，它的周期变化反映了调频信号的瞬时频率变化。此信号经低通滤波，取出其平均分量，就可得到原调制信号，如图7-24（b）中波形所示。由于低通滤波器输出电压的幅度正比于调频波的瞬时频率，即正比于输入低通滤波器的脉冲数目，故称之为脉冲计数式鉴频器。图7-24 脉冲计数式鉴频器组成及其工作波形 （a）电路组成 （b）工作波形 脉冲计数式鉴频器的主要优点是线性鉴频范围大，不需要谐振回路，便于集成化。其缺点是工作频率受到脉冲最小宽度的限制，而多用于中心频率较低的场合。三、典型例题.【例1】已知图例7-25中二极管的伏安特性均为从原点出发的斜率为gD的直线, 二极管导通电阻为RD, 且二极管工作在受uL控制的开关状态, 求图中三个二极管平衡混频器输出电压uo的表达式。解：1) 由图可知, 输出回路电流i与两个输入回路电流i1、i2的关系为i=i1-i2, 且输出电压uo等效到两输入回路变压器线圈上的电压均为uo=iRL=(i1-i2)RL。因为两个二极管在u正半周时同时导通, 负半周时同时截止, 故可根据KVL得到两输入回路电压方程分别为: -(uL-us)K1(Lt)+i1RD+(i1-i2)RL=0 -(uL+us)K1(Lt)+i2RD-(i1-i2)RL=0 两方程式相减, 可得:所以： 2) 因为在uL正半周时两二极管同时导通, 负半周时两二极管同时截止, 故根据KVL可写出两个回路电压方程分别为：-(us+uL)K1(Lt)+i1RD+(i1-i2)RL=0-(-us+uL)K1(Lt)+i2RD-(i1-i2)RL=0 两方程式相减, 可得:所以： 3) 因为在uL正半周时, V1导通, V2截止；在uL负半周时, V1截止, V2导通, 故根据KVL可写出两个回路电压方程分别为:-(uL+us)K1(Lt)+i1RD+(i1-i2)RL=0-(uL-us)K1(Lt-)-i2RD+(i1-i2)RL=0两方程式相加, 可得: 所以：例2 同步检波电路模型如图7-1（a）所示，当输入信号为双边带调幅信号，已知，低通滤波器具有理想特性，试写出输出电压和表示式。 解：相乘器输出电压为 上式右边第一项是所需的解调输出电压，而第二项为高频分量，可被低通滤波器滤除，所以低通滤波器输出电压为 四、思考题和习题1 对振幅检波电路有哪些基本要求？2 同步检波和包络检波电路有何区别？各有何特点？3 二极管包络检波电路中R的大小对检波性能有何影响？ 4 何谓惰性失真和负峰切割失真？如何避免这些失真的产生？ 5 能否用二极管环形相乘器构成检波电路？为什么？ 6 相乘型同步检波电路输入单边带调幅信号为，同步信号为，试写出解调输出电压表示式，并分析解调失真情况。7何谓频谱搬移电路？它与相乘器有何关系？ 8 说明振幅调制、振幅解调和混频电路的作用，它们的电路组成模型及基本工作原理有哪些共同点和不同点。 9 何谓鉴频特性？对它有何要求？为什么？ 10 常用的鉴频实现方法有哪些？画出电路模型并说明各有何特点。11 图7-18（a）所示双失谐斜率鉴频器中发生下列情况，试分析鉴频特性的变化，说明电路能否实现鉴频。（1）管极性接反；（2）、管极性均接反；（3）管断开；（4）LC回路均调谐在同一频率上，即；（5）。 12 若已知调频信号，试问图7-15（a）所示斜率鉴频器中LC回路应如何调谐？13试比较乘积型和叠加型相位鉴频器的工作原理，它;们各有何特点？画出乘积型和叠加型鉴相器电路模型，说明它们的工作特点。14调频信号解调时，为什么要进行限幅？通常限幅器由哪几个部分组成？说明差分对限幅电路的优点。15 叙述ASK信号非相干解调和相干解调的区别是什么？16 F