高频电子线路 振幅解调

1、第6章振幅调制、 解调及混频 第第6章章 振幅调制、振幅调制、 解调及混频解调及混频 6.1 振幅调制振幅调制 6.2 调幅信号的解调调幅信号的解调6.3 混频混频6.4 混频器的干扰混频器的干扰第6章振幅调制、 解调及混频 6.2 调幅信号的解调调幅信号的解调 6.2.1 调幅解调的方法调幅解调的方法 振幅解调方法可分为振幅解调方法可分为包络检波包络检波和和同步检波同步检波两大类。包络检波是指解调器输出电压与输入两大类。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。由于已调波的包络成正比的检波方法。由于AM信信号的包络与调制信号成线性关系号的包络与调制信号成线性关系,因此因此

2、包络检波包络检波只适只适用于用于AM波波。其原理框图如图。其原理框图如图630所示。所示。 第6章振幅调制、 解调及混频 图630 包络检波的原理框图 ui非线性电路(器件)低 通滤波器u00fttf00F(a)(b)fc Ffcfc F第6章振幅调制、 解调及混频 图631 同步解调器的框图 插入载波同步解调器低通滤波器uUcos (ctc)DSB信号SSB信号或ffc Ffcfc Fffc F00fF0第6章振幅调制、 解调及混频 同步检波分为同步检波分为乘积型乘积型(a)和叠加型和叠加型(b)两类。两类。 都需要用恢复的载波信号都需要用恢复的载波信号ur进行解调。进行解调。 图632 同

3、步检波器 低通滤波器us(a)uour包络检波器us(b)uour第6章振幅调制、 解调及混频 6.2.2 二极管峰值包络检波器二极管峰值包络检波器 1原理电路及工作原理原理电路及工作原理 图图633(a)是是二极管峰值包络检波器二极管峰值包络检波器的原理电路。的原理电路。它是由输入回路、二极管它是由输入回路、二极管VD和和RC低低通滤波器组成。通滤波器组成。 11cRRCC 式中式中,c为输入信号的载频为输入信号的载频,在超外差接收机中则在超外差接收机中则为中频为中频I为调制频率。在理想情况下为调制频率。在理想情况下,RC网络的阻网络的阻抗抗Z应为应为()0()cZZR 第6章振幅调制、 解

4、调及混频 图633 二极管峰值包络检波器(a)原理电路 (b)二极管导通 (c)二极管截止 uiCRVDuo(a)CRuoui(b)CR(c)uo11cRRCCc为输入信号载频,在超外差接收机中为中频,I为调制频率,在理想情况下,RC网络的阻抗Z应为()0()cZZR 第6章振幅调制、 解调及混频 图634 加入等幅波时检波器的工作过程 uCU1U2uiU3uCU4tUAUB0通断断通(a)(b)(c)t00 0tUouoiDUav1DDCCDDCiCiDCr CuuuuuUuru很小很小充电产生反作用于二极管：时，V 截止时，V 再导通第6章振幅调制、 解调及混频 特点特点: (1)检波过程

5、就是信号源通过二极管给检波过程就是信号源通过二极管给电容充电电容充电与电容对电阻与电容对电阻R放电放电的交替重复过程的交替重复过程。 (2)由于由于RC时间常数远大于输入电压载波周期时间常数远大于输入电压载波周期,放电慢放电慢, 使得二极管负极永远处于正的使得二极管负极永远处于正的较高的较高的电位电位(二极管是一窄脉冲序列二极管是一窄脉冲序列, 输出电压接近输出电压接近于高频正弦波峰值于高频正弦波峰值UoUm) (3)二极管电流二极管电流 iD 包含包含平均分量平均分量(直流分量直流分量) Iav及及高高频分量频分量。 检波器输出电压检波器输出电压UoUav第6章振幅调制、 解调及混频 图63

6、5 检波器稳态时的电流电压波形 0iDgDuDuDUottiD0iDmax(a)(b)DDoiuuuu 在大部分时间里为复负值：第6章振幅调制、 解调及混频 图636 输入为AM信号时检波器的输出波形图t0(a)(b)t0uC(t)Uo(t)00AM ( ) ( ) DdcdVu tUuuUu t在在高频周期峰：-值附近导通第6章振幅调制、 解调及混频 图637 输入为AM信号时,检波器二极管的电压及电流波形 0iDuDUo(t)uDiDt000AM ( ) ( ) DdcdVu tUuuUu t在在高频周期峰：-值附近导通第6章振幅调制、 解调及混频 图638 包络检波器的输出电路 CRu(

7、a)RgCgCRUdc(b)CR第6章振幅调制、 解调及混频 2性能分析性能分析 1) 传输系数传输系数Kd 检波器传输系数检波器传输系数Kd或称为或称为检波系数检波系数、检、检波效率波效率,是用来描述检波器对输入已调信号的解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。若输入载波电压调能力或效率的一个物理量。若输入载波电压振幅为振幅为Um,输出直流电压为输出直流电压为Uo,则则Kd定义为定义为odmdCUKUUKmU(643a) (643b)第6章振幅调制、 解调及混频 由于输入大信号由于输入大信号,检波器工作在检波器工作在大信号状态大信号状态,二极管二极管的伏安特性可用的伏安

8、特性可用折线近似折线近似。在考虑输入为等幅波。在考虑输入为等幅波,采用采用理想的高频滤波理想的高频滤波,并以通过原点的折线表示二极管特性并以通过原点的折线表示二极管特性(忽略二极管的导通电压忽略二极管的导通电压VP),则由图则由图635有有:000DDDDDg uuiu(644)(645) 式中式中,uD=ui-uo,gD=1/rD,为电流通角为电流通角,iD是周期是周期性性余弦脉冲余弦脉冲,其平均分量其平均分量I0为为max()(1cos )DDmoDmigUUg U第6章振幅调制、 解调及混频 式中式中,0()、1()为电流分解系数。为电流分解系数。 由式由式(643(a)和图和图635可

9、得可得0max01max1( )(sincos )( )(sinsin )DmDDmDg UIiag UIia基频分量为 (646)(647)cosodmUKU(648) 第6章振幅调制、 解调及混频 由此可见由此可见,检波系数检波系数Kd是检波器电流是检波器电流iD的通角的通角的函的函数数,求出求出后后,就可得就可得Kd。 由式由式(646)Uo=I0R,有有 (sincos )cosooDmmUI Rg RUU(649)等式两边各除以等式两边各除以cos,可得可得tanDg R(650) 当当很小时很小时, ,即即g gD DR R很大时很大时, ,如如g gD DR R5050时时, ,

10、331ta3n3Dg R代入上式，有：第6章振幅调制、 解调及混频 传输系数传输系数特点特点 当电路一定时，在大信号检波器中当电路一定时，在大信号检波器中仅与检波器的仅与检波器的电路参数有关是恒定的，与输入信号大小无关。电路参数有关是恒定的，与输入信号大小无关。越小，越小，Kd越大，并趋近于越大，并趋近于1。而。而随随gDR增大而减增大而减小，因此，小，因此， Kd随随gDR增加而增大。增加而增大。实际上输出平均电压还是要小些。实际传输持性与实际上输出平均电压还是要小些。实际传输持性与电容电容C的容量有关。的容量有关。理想状态：通角为理想状态：通角为0第6章振幅调制、 解调及混频 图639 K

11、dgDR关系曲线图 020406080100gDRKd0.20.40.60.81.00Kd0.20.40.60.81.0101001000gDRRC0RC5RC图640 滤波电路对Kd的影响 第6章振幅调制、 解调及混频 2) 输入电阻输入电阻Ri 检波器的输入阻抗包括检波器的输入阻抗包括输入电阻输入电阻Ri及输入电容及输入电容Ci。输入电阻是输入载波电压的振幅输入电阻是输入载波电压的振幅Um与检波器电流的基与检波器电流的基频分量振幅频分量振幅I1之比值之比值,即即1miURI1max1( )(sinsin )tan(sincos )tan(sincos )sincosDmDiDDiDg UI

12、iaRgg RRRg 又第6章振幅调制、 解调及混频 图641 检波器的输入阻抗 CRisR0LC1ZiRiCi第6章振幅调制、 解调及混频 3333343523521231511cos2!4113311112!3!3!2!11sin3!5!2itgRRRtRg很小时，将展开成级数：忽略高次项1-有，则：1-第6章振幅调制、 解调及混频 3检波器的失真检波器的失真 1)惰性失真惰性失真 在二极管截止期间在二极管截止期间,电容电容C两端电压下降的两端电压下降的速度取决于速度取决于RC的时常数。的时常数。 图642 惰性失真的波形 0uCtui第6章振幅调制、 解调及混频 为了避免产生惰性失真为了

13、避免产生惰性失真,必须在任何一个高必须在任何一个高频周期内频周期内,使使电容电容C通过通过R放电的速度放电的速度大于或等大于或等于包络的下降速度于包络的下降速度,即即( )ouU ttt(655) 如果输入信号为单音调制的如果输入信号为单音调制的AM波波,在在t1时时刻其包络的变化速度为刻其包络的变化速度为1111cos( )()sint tt tmmmUtU tmUttt 第6章振幅调制、 解调及混频 二极管停止导通的瞬间二极管停止导通的瞬间,电容两端电压电容两端电压uC近似为输近似为输入电压包络值入电压包络值,即即uC=Um(1+mcost)。从。从t1时刻开始通过时刻开始通过R放电的速度

14、为放电的速度为111011111( )1(1cos)( )sin( )sin11cost tt tRCRCCmt tmoU tRCmtu eUmt ettRCU tmUtAmtttttuU 又：代入：得到：第6章振幅调制、 解调及混频 实际上实际上,不同的不同的t1, U(t)和和uC的下降速度不同的下降速度不同,为避免为避免产生惰性失真产生惰性失真,必须保证必须保证A值最大时值最大时,仍有仍有Amax1。故令。故令dadt1=0,得得122maxmaxmaxcos11tmmRCmmRCm 代入式代入式(658),得出不失真条件如下得出不失真条件如下:(659) (660)(661) 第6章振

15、幅调制、 解调及混频 图图643 底部切削失真底部切削失真 usCVDRRgCg(a)usutt00(b)(c)URUC 2) 底部切削失真底部切削失真底部切削失真又称为负底部切削失真又称为负峰切削失真。峰切削失真。产生这种产生这种失真是因检波器的失真是因检波器的交直交直流负载不同流负载不同引起的。引起的。 ggRRRRRRR第6章振幅调制、 解调及混频 因为因为Cg较大较大,在在音频一周内音频一周内,其两端的直流电压基本不其两端的直流电压基本不变变,大小约为载波振幅值大小约为载波振幅值UC,可以看作一直流电源。它可以看作一直流电源。它在电阻在电阻R和和Rg上产生分压。在电阻上产生分压。在电阻

16、R上上的压降为的压降为 调幅波的最小幅度为调幅波的最小幅度为UC(1-m) ,要避免底部切削要避免底部切削失失真真,应满足应满足 (1)RCgCCgggggRUURRRUmURRRRRRmRRRRRR（）(662) 第6章振幅调制、 解调及混频 图644 减小底部切削失真的电路 C1(a)C2R2RgCgR1(b)射随器RRg12gRRRR第6章振幅调制、 解调及混频 4实际电路及元件选择图645 检波器的实际电路C3放 大20R382 k6 V10 kR4 Ec2AP9C1R1680RgR24.7 k5 100 pF5 100 pFCg10C2第6章振幅调制、 解调及混频 根据上面诸问题的分

17、析根据上面诸问题的分析,检波器设计及元检波器设计及元件参数选择的原则如下件参数选择的原则如下: (1)回路有载回路有载QL值要大值要大, (2) 为载波周期为载波周期 (3) (4) (5) 000/12LRRQC11,CCCcRCTTTf0011,2mmR CRC2maxmaxmax1(1)gggmRCmRm RmRRRm第6章振幅调制、 解调及混频 5. 二极管并联检波器二极管并联检波器 除上面讨论的串联检波器外除上面讨论的串联检波器外,峰值包络检峰值包络检波器还有并联检波器、推挽检波器、倍压检波波器还有并联检波器、推挽检波器、倍压检波器器、视频检波器等。这里讨论并联检波器。、视频检波器等

18、。这里讨论并联检波器。 第6章振幅调制、 解调及混频 图646 并联检波器及波形(a)原理电路 (b)波形 (c)实际电路 第6章振幅调制、 解调及混频 根据能量守恒原理根据能量守恒原理,实际加到并联型检波器中的高实际加到并联型检波器中的高频功率频功率,一部分一部分消耗在消耗在R上上,一部分转换为一部分转换为输出平均功率输出平均功率,即即222223CCaviiUUURRRRR当当UavUC时时(UC为载波振幅为载波振幅)有有(665) 第6章振幅调制、 解调及混频 6小信号检波器小信号检波器 小信号检波指输入信号振幅在小信号检波指输入信号振幅在几至几十毫伏几至几十毫伏范围内范围内的检波。这时

19、的检波。这时,二极管的伏安特性可用二次幂级数近似二极管的伏安特性可用二次幂级数近似,即即 一般小信号检波时一般小信号检波时Kd很小很小,可以忽略平均电压负反可以忽略平均电压负反馈效应馈效应,认为认为2012DDDiaa ua u(666)cosDiaVimcuuuuUt(667) 将它代入上式将它代入上式,可求得可求得iD的平均分量和高频基波分的平均分量和高频基波分量振幅为量振幅为2021112aVmmIaa UIaU第6章振幅调制、 解调及混频 若用若用Iav=Iav-a0表示在输入电压作用下产生的平均表示在输入电压作用下产生的平均电流增量电流增量,则则2212aVaVmUIRa U (66

20、8) 相应的相应的Kd和和Ri为为211121aVdmmmiDUKa RUUURrIa(669) (670)第6章振幅调制、 解调及混频 若输入信号为单音调制的若输入信号为单音调制的AM波波,因因c,可用包络函数可用包络函数U(t)代替以上各式中的代替以上各式中的Um22222222221(1cos)21(12coscos)2111(1)2coscos2222aVmmmUa RUmta RUmtmta RUmmtmt 小信号检波器输出的平均电压与输入信号电压振小信号检波器输出的平均电压与输入信号电压振幅的平方成正比，故将这种检波器称为幅的平方成正比，故将这种检波器称为平方律检平方律检波器波器。

21、可以作功率指示。可以作功率指示。第6章振幅调制、 解调及混频 图647 小信号检波 iDQ0EQtuD0iDIav(音频成分)a0tVDuiCREQ第6章振幅调制、 解调及混频 图631 同步解调器的框图 插入载波同步解调器低通滤波器uUcos (ctc)DSB信号SSB信号或ffc Ffcfc Fffc F00fF06.2.3 同步检波同步检波第6章振幅调制、 解调及混频 同步检波分为同步检波分为乘积型乘积型(a)和叠加型和叠加型(b)两类。两类。 都需要用恢复的载波信号都需要用恢复的载波信号ur进行解调。进行解调。 图632 同步检波器 低通滤波器us(a)uour包络检波器us(b)uo

22、ur第6章振幅调制、 解调及混频 1乘积型乘积型 设输入信号为设输入信号为DSB信号信号,即即us=Uscostcosct,本地恢本地恢复载波复载波ur=Urcos(rt+),这两个信号相乘这两个信号相乘coscos cos()coscoscos()1coscos()cos()2sscrrsrscrsrrcrcuUttutu uUtttU Uttt 经低通滤波器的输出经低通滤波器的输出,且考虑且考虑r-c=c在低通在低通滤波器频带内滤波器频带内,有有cos()cosoocuUtt(673) 第6章振幅调制、 解调及混频 由上式由上式,当恢复载波与发射载波当恢复载波与发射载波同频同相同频同相时时

23、,即即r=c,=0,则则 uo=Uocost (674) 无失真无失真地将调制信号恢复出来。若恢复载波地将调制信号恢复出来。若恢复载波与发射载频有一定的频差与发射载频有一定的频差,即即r=c+c uo=Uocosctcost (675) 引起引起振幅失真振幅失真。若有一定的相差。若有一定的相差,则则 uo=Uocoscost (676) 相当于引入一个振幅的衰减因子。相当于引入一个振幅的衰减因子。cos()cosoocuUtt第6章振幅调制、 解调及混频 图648 几种乘积型解调器实际线路 10 k2 k10 k10 k10 k10 k10 kC2C1载波输入7/15 pFT27/15 pFC

24、4T1中频输入10 pF10 pFC3音频输出(a)220 pF(470 pF)220 pF(470 pF)0.01(0.005) (0.005)0.014.7 k中频输入9 MHz(455kHz)载频输入500500500 H(2.5 mH)0.01(b)中频输入470 pFE47 k470 k100 k22 pF0.011 k载频0.011251 k0.014.7 k0.1u(c)0.0151f0 f1681 k1 k0.01输出1120023中频输入22000.01载频1.5 V0.0017100259 V(d)T112 V10 k10 k2 k2200 pF第6章振幅调制、 解调及混频 2. . 叠加型同步检波叠加型同步检波将将DSB或或SSB信号信号插入恢复载波插入恢复载波,使之成为或使之成为或近似近似为为AM信号信号,再利用包络检波器恢复调制信号。再利用包络检波器恢复调制信号。对对DSB信号信号,只要加入的只要加入的恢复载波电压恢复载波电压在数值上在数值上满足一定的关系满