高频电子电路54

1、5.4 调调幅幅信号的解调信号的解调 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。从频谱上看，调幅信号的解调（即检波）也是一种信号的过程。从频谱上看，调幅信号的解调（即检波）也是一种信号信号频谱的线性搬移过程频谱的线性搬移过程，是将高频端的信号频谱搬移到低频端。，是将高频端的信号频谱搬移到低频端。5.4.1调幅解调的方法调幅解调的方法 1.检波方法检波方法 包络检波包络检波峰值包络检波峰值包络检波平均包络检波平均包络检波叠加型同步检波叠加型同步检波乘积型同步检波乘积型同步检波同步检波同步检波（1）包络检波）包络检波定义定义

2、 包络检波指检波器的输出电压直接反映输入高频包络检波指检波器的输出电压直接反映输入高频调幅波包络变调幅波包络变化规律化规律的一种检波方式。的一种检波方式。原理框图原理框图（只能解调（只能解调AM信号）信号） t调幅波调幅波调幅波频谱调幅波频谱c+c- c包络检波输出包络检波输出t输出信号频谱输出信号频谱（2）同步检波）同步检波（能解调（能解调AM、DSB、SSB信号）信号） 叠加型同步检波器叠加型同步检波器乘积型同步检波器乘积型同步检波器调幅波调幅波调幅波频谱调幅波频谱仿真仿真【说明】由于【说明】由于DSB和和SSB信号的包络与调制信号成线性关系，因信号的包络与调制信号成线性关系，因此不能用包

3、络检波器检波，只能用此不能用包络检波器检波，只能用同步检波器同步检波器检波，但需注意同检波，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，而所恢复的载波载波 必须与原调制载波必须与原调制载波同步（即同频同初相）同步（即同频同初相）。cu（1）电压传输系数）电压传输系数dK 电压传输系数电压传输系数是指检波电路的输出电压和输入高频电压的振幅是指检波电路的输出电压和输入高频电压的振幅之比。之比。 即即2. 检波电路的主要技术指标检波电路的主要技术指标（1）当检波器输入信号为）当检波器输入信号为高频等幅波高频等幅波，即，即 时，有时，

4、有( )cosiimcu tUtodimUKU（2）当检波器输入信号为）当检波器输入信号为高频调幅波高频调幅波，即，即 时，有时，有( )(1cos)cosiimacu tUmttmdaimUKm U（2）等效输入电阻等效输入电阻idR 因为检波器是非线性电路，因为检波器是非线性电路， 的定义与线性放大器是不相同的。的定义与线性放大器是不相同的。 定义为输入高频等幅电压的振幅定义为输入高频等幅电压的振幅 与输入端高频脉冲电流基波分与输入端高频脉冲电流基波分量的振幅之比，即量的振幅之比，即 idRidRimU1imidmURI（3）非线性失真系数非线性失真系数fK 非线性失真的大小一般用非线性失

5、真系数非线性失真的大小一般用非线性失真系数 表示。当输入表示。当输入信信号号为单频调制的调幅波时，为单频调制的调幅波时， 定义为定义为 fKfK2223fUUKU式中，式中，U、U2、U3分别为输出电压中调制信号的基波和各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。次谐波分量的有效值。 （4） 高频滤波系数高频滤波系数F 检波器输出电压中的高频分量应该尽可能地被滤除，以免产生检波器输出电压中的高频分量应该尽可能地被滤除，以免产生高频寄生反馈，导致接收机工作不稳定。通常用高频滤波系数来衡高频寄生反馈，导致接收机工作不稳定。通常用高频滤波系数来衡量滤波能力。量滤波能力。 高频滤波系数的定

6、义为，输入高频电压的振幅高频滤波系数的定义为，输入高频电压的振幅 与输出高频电与输出高频电压的振幅压的振幅 的比值，即的比值，即imUomUimomFUU 在输入高频电压一定的情况下，滤波系数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。通常要求端的高频电压越小，滤波效果越好。通常要求F(50100)。当载。当载频和调制信号频率相差很大时，这个要求很容易满足。频和调制信号频率相差很大时，这个要求很容易满足。 5.4.2 二极管大信号包络检波器二极管大信号包络检波器1. 大信号大信号包络包络检波的工作原理检波的工作原理 （1）电路结构电

7、路结构 VDRC+-ui+-uo+-uiZL 它是由输入回路、二极管它是由输入回路、二极管VD和和RC低通低通滤波器组成。滤波器组成。 RC低通滤波器低通滤波器 1:1 RC低通滤波器的两个作用：低通滤波器的两个作用： 对低频对低频调制信号调制信号 来说，电容来说，电容C的容抗的容抗 ，电容，电容C 相当相当于于开路开路，电阻，电阻R就作为检波器的负载，其两端输出低频解调电压。就作为检波器的负载，其两端输出低频解调电压。 u1CR 对高频对高频载波信号载波信号 来说，电容来说，电容C的容抗的容抗 ，电容，电容C相当相当于于短路短路，起到对高频电流的旁路作用，即滤除高频信号。，起到对高频电流的旁

8、路作用，即滤除高频信号。 cu1cCR故故RC低通滤波器所呈现的阻抗为：低通滤波器所呈现的阻抗为：()( )0()LcRZ VD是包络检波器原理框图中的非线性元是包络检波器原理框图中的非线性元件，在件，在 为大信号时工作于为大信号时工作于导通导通和和截止截止两种两种状态，通常选用导通电压和导通电阻状态，通常选用导通电压和导通电阻 较小较小的锗管。的锗管。iudrRui+- -Crd+-uo1. 大信号大信号包络包络检波的工作原理检波的工作原理 （2）工作原理分析工作原理分析 设输入设输入 为为AM波时，波时，RC低通滤波器中电低通滤波器中电容容C上的初始电压为上的初始电压为0，则，则iuRui

9、+- -Crd+-uoVDRC+-ui+-uo+-ui1:1 uD= ui- - uo+ uD - -id+-uc+-uci充充i放放 正半周时，二极管正向导通，输入高正半周时，二极管正向导通，输入高频电压通过二极管对电容频电压通过二极管对电容C充电，充电时间充电，充电时间常数为常数为 。 较小，故充电很快，电容较小，故充电很快，电容上电压上电压 建立得很快，因此输出电压建立得很快，因此输出电压 很快很快增长增长 。 iu1dr Cdr CcuouUDCu(t)tuo(t)ucui(t)uo(t) u i(t)与与uo(t)t 到达峰值后开始下降，随着到达峰值后开始下降，随着 的下降，的下降，

10、当当 即即 时，时，VD截止。截止。C把导通期间储存的电荷通过把导通期间储存的电荷通过R放电。放电。由于放电时常数由于放电时常数 较大，放电缓较大，放电缓慢，在慢，在 下降不多的时候，下降不多的时候， 的下一的下一个正半周已到来，当个正半周已到来，当 时，时，VD再导通，再导通，C又充电，又充电， 又上升。又上升。iuiu( )( )iou tu t0Diouuu2RCouiu( )( )iou tu tou因此检波器的有用输出电压：因此检波器的有用输出电压：( )( )oDCu tUut0Diouuu，VD导通；导通； ，VD截止。截止。 0Diouuu仿真仿真UDCu(t)uctuo(t)

11、ui(t)uo(t) ui(t)与与uo(t)t+- -UDC（b）ui+- -CVDRRC+- -uoui+- -CVDRL+- -uRCd+UDC - -+- -uo（a）仿真仿真【结论】【结论】检波过程是输入检波过程是输入AM信号通信号通过二极管给过二极管给C充电及充电及C通过电通过电阻阻R放电的交替重复过程。放电的交替重复过程。它是它是峰值包络检波器峰值包络检波器，由于，由于 和和 的包络形状相同。的包络形状相同。( )ou t( )iu t检波的实际输出电压为：检波的实际输出电压为：( )( )oDCcu tUutu当正确选择电路元件时，高频纹波电压当正确选择电路元件时，高频纹波电压

12、 可以忽略可以忽略 。输出电压为：。输出电压为：cu( )( )oDCu tUut（3）峰值包络检波器的实用电路峰值包络检波器的实用电路 图（图（b）：旁路电容）：旁路电容 使交流分量使交流分量 被旁路，输出信号为直流分被旁路，输出信号为直流分量量 。这种实用电路一般作为。这种实用电路一般作为自动增益控制信号的检测电路自动增益控制信号的检测电路。CuDCU 图（图（a）：隔直电容）：隔直电容 使直流分量使直流分量 被隔离，因此输出信号为解被隔离，因此输出信号为解调恢复后的原调制信号调恢复后的原调制信号 。这种实用电路一般作为。这种实用电路一般作为接收机的检波电接收机的检波电路路。dCDCUu5

13、.4.2 二极管大信号包络检波器二极管大信号包络检波器2. 检波检波电路的主要性能指标电路的主要性能指标 （1）电压传输系数电压传输系数 （检波效率检波效率）dK定义：定义：mdaimUKm U计算计算uDid-uoUim+ uD-ui+- -CVDR+- -uo 设输入信号设输入信号 ，输出信号为输出信号为 ，则加在二极管两端的电压，则加在二极管两端的电压为：为：(1cos)cosiAMimacuuUmttou如果以右图所示的折线表示二极管伏安如果以右图所示的折线表示二极管伏安特性曲线（注意在大信号输入时是允许特性曲线（注意在大信号输入时是允许的），则流过二极管的电流可表示为：的），则流过二

14、极管的电流可表示为：DioAMouuuuu( )( )ddDdAMoi tg uguu t(1cos)cos( )dimacogUmttu tdg即即0(1cos)cos( )dimaogUmtu t( )(1cos)coscoscos cosoimaimaimu tUmtUm UtcosDCmUUt直流分量直流分量低频交流分量低频交流分量设二极管的电流导通角为设二极管的电流导通角为 ，则有，则有 时，时， ，即，即ct( )0di t 记住记住有有coscosmaimdaimaimUm UKm Um U另外，还可以证明导通角的表达式：另外，还可以证明导通角的表达式：dtgg R而当而当 很大

15、时，如很大时，如 ，则有，则有 ，因此因此dg R50dg R 63531213153tg代入上式可得：代入上式可得：3333ddrg RR讨论讨论当当VD和和R确定后，确定后，即即为恒定值，与输入信号大小无关，也就是为恒定值，与输入信号大小无关，也就是检波效率检波效率 恒定，与输入信号大小无关。这表明输入已调波恒定，与输入信号大小无关。这表明输入已调波的包络与输出信号之间为线性关系，故称为的包络与输出信号之间为线性关系，故称为线性检波线性检波。 cosdK一般计算方法一般计算方法为：当输入信号为为：当输入信号为 ，则输出，则输出信号为：信号为：(1cos)cosiimacuUmtt记住记住即

16、即( )(1cos)odimau tKUmt ，但，但 ，理想值，理想值 ；一般当；一般当 时，时， 。cosdRK1dK 1dK 50dg R 0.9dK ( )odu tK 的包络的包络( )iu t实际检波电路中，实际检波电路中， 与与C有关。有关。dK其中其中3333ddrg RRcosdK检波效率检波效率（2）检波电路的等效输入电阻）检波电路的等效输入电阻idR 超外差接收机中，检波电路通常作为中放末级的负载，故超外差接收机中，检波电路通常作为中放末级的负载，故 会影会影响前级中放的响前级中放的Q值和回路阻抗等。值和回路阻抗等。idR+- -uo中放末级中放末级RsVDRCsCLsi

17、sRid+- -ui定义定义1imidmURI ：输入的高频电压振幅：输入的高频电压振幅imU ：流过二极管的高频电：流过二极管的高频电流基波分量的振幅流基波分量的振幅1mI计算计算 忽略二极管导通电阻上的损耗功率，由根据忽略二极管导通电阻上的损耗功率，由根据能量守恒原则能量守恒原则得，得，检波器输入端口的高频功率检波器输入端口的高频功率 应全部转换成输出负载电阻应全部转换成输出负载电阻R上消耗的功率上消耗的功率 ，因此有，因此有22imidUR( )cosiimcu tUt设检波器的输入信号为等幅载波信号设检波器的输入信号为等幅载波信号 。22dimK UR2222imdimidUK URR

18、( )odu tK( )iu t 的包络的包络 ( )odimu tK U22iddRRK又因为又因为 ，因此，因此cos1dK2idRR记住记住【说明】检波二极管用三极管发射结代替就构成了三极管包络【说明】检波二极管用三极管发射结代替就构成了三极管包络检波电路。检波电路。1dK (1)2idRR3.检波器的失真检波器的失真（1）惰性失真）惰性失真 避免产生惰性失真的条件避免产生惰性失真的条件 在任何时刻，电容在任何时刻，电容C上电压的变上电压的变化率应大于或等于化率应大于或等于AM信号包络的信号包络的变化率，即变化率，即tui(t)与与uc(t) uc(t)ui(t)形成原因形成原因一般为了

19、提高检波效率和滤波效果，（一般为了提高检波效率和滤波效果，（C越大，高频波纹小；越大，高频波纹小；R越大，检波效率越高），总希望选取较大的越大，检波效率越高），总希望选取较大的R、C值，但如果值，但如果R、C 取值过大，使取值过大，使R、C的放电时常数的放电时常数 大大RC C两端的电两端的电压在二极管截止期间放电缓慢，使此时压在二极管截止期间放电缓慢，使此时 大于大于 的下一个峰值，的下一个峰值，致使致使 不随不随 的包络变化。的包络变化。( )ou t( )ou tAMuAMu 二极管大信号包络检波器中存在着两种失真：二极管大信号包络检波器中存在着两种失真：惰性失真惰性失真和和底部底部 切

20、割失真切割失真。 形成原因：形成原因：电容电容C放电的惰性放电的惰性。即输入的即输入的AM信号的包络变化率信号的包络变化率大于大于RC放电速度放电速度。( )cAMuUttt避免避免惰性惰性失真的条件：失真的条件： ( )cAMuUttt输入的输入的AM信号：信号： ；(1cos)cosiimacuUmtt【分析】【分析】( )(1cos)AMimaUtUmt相应的包络：相应的包络：因此因此t1时刻包络变化率为：时刻包络变化率为：111( )sinsinAMaimaimt tt tUtmUtmUtt 此外，在二极管截止瞬间，电容两端电压近似等于此外，在二极管截止瞬间，电容两端电压近似等于 的包

21、络值，的包络值，即即 。( )(1cos)cimau tUmtAMu因此从因此从t1时刻开始时刻开始C通过通过R放电的电压为放电的电压为ui+- -CVDR+- -uc11( )(1cos)exp()cimattu tUmtRC111111(1cos)exp()(1cos)cimimaat tt tuUttUmtmttRCRCRC在在t1时刻不产生惰性失真的条件为时刻不产生惰性失真的条件为 11(1cos)sinimaaimUmtmUtRC11sin11cosaaRCmtAmt为为避免在任何时刻都不产生惰性失真避免在任何时刻都不产生惰性失真，必须保证，必须保证A的最大值小于的最大值小于1，即即

22、 。max1A令令 ，即，即0dAdtcosatm 2sin1atm 2max221111aaaaaRCmmRCmAmm即即21aamRCm记住记住2222222cos(1cos)sincos0(1cos)(1cos)aaaaaaaRCmtmtRCmttmdARCmdtmtmt 实际应用中，实际应用中，调制信号为限带信号（调制信号为限带信号（minmax），并且各频率），并且各频率分量所对应的调幅指数分量所对应的调幅指数ma也不相同，因此设计检波器时应用最大调也不相同，因此设计检波器时应用最大调制度制度mmax和最高调制频率和最高调制频率max来检验有无惰性失真，其检验公式为来检验有无惰性失真

23、，其检验公式为2maxmaxmax1 mRCm仿真仿真（2）底部切割失真）底部切割失真形成原因形成原因 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。为了能有效地传输检波后的低频调制信号，要求：如图所示。为了能有效地传输检波后的低频调制信号，要求：后级放大器后级放大器ui+-CRLRVDCd+UDC -+-UR+u(t)-或或min1LdRCmin1LdR C 通常通常Cd取值较大（一般为取值较大（一般为510F），），所以在所以在Cd两端的直流电压两端的直流电压UDC大小近似大小近似等于载波电压振幅等于载波电压振幅 。D

24、CdimUK U)cos1(tmUaim Uim(1-ma) Ui m URttmUucaimi cos)cos1( URUDC经经R和和RL分压后在分压后在R上产上产生的直流电压为：生的直流电压为： 由于由于UR对对检波检波二极管二极管VD来说相来说相当于一个反向偏置电压，会影响当于一个反向偏置电压，会影响二极管的工作状态。二极管的工作状态。 输入输入AM波包络的谷值处可能会低于波包络的谷值处可能会低于UR ，即即 UR Uim(1-ma)时，时，二极管截止，检波器输出信号不随二极管截止，检波器输出信号不随AM波包络的变化而产生失真。波包络的变化而产生失真。RDCLRUURRimLRURR

25、为避免产生这种失真，必须要求调幅波包络的负峰值为避免产生这种失真，必须要求调幅波包络的负峰值Uim(1-ma) 大于大于R上的直流电压上的直流电压UR。即即 避免产生底部切割失真的条件避免产生底部切割失真的条件(1)imaRimLRUmUURR即即LaLRmRRLRRRRR记住记住 ：检波器输出端的直流负载电阻。：检波器输出端的直流负载电阻。 R ：检波器输出端的交流负载电阻；：检波器输出端的交流负载电阻； LRRR式中式中仿真仿真4. 检波器设计及元件参数的选择检波器设计及元件参数的选择 （总结上述所有内容总结上述所有内容）+-u中放末级中放末级RidRLCVDRCsLsRsisCd 实用的

26、二极管大信号包络检波器电路如图所示。实用的二极管大信号包络检波器电路如图所示。检波器中元件参数的选择原则：检波器中元件参数的选择原则： （1）中放末级回路有载）中放末级回路有载 要大要大LQ（从通频带方面考虑）（从通频带方面考虑）(/)1LcssidQC RR要求要求R大大（2）为保证输出的高频纹波小，要求：）为保证输出的高频纹波小，要求：cRCT即即1cRC（3）设低频调制信号是限带信号（）设低频调制信号是限带信号（ minmax ），为了减小输），为了减小输出低频信号的频率失真，要求：出低频信号的频率失真，要求：max1RC即即max1RC即即min1LdR C且且min1LdRC （4）

27、为了避免惰性失真，要求：）为了避免惰性失真，要求：2maxmaxmax1 mRCm（5）为了避免底部切割失真，要求：）为了避免底部切割失真，要求：LaLRmRR5.4.3 同步检波同步检波 则相乘器输出为则相乘器输出为：1. 乘积型同步检波乘积型同步检波（1）工作原理（以）工作原理（以DSB信号信号为例）为例）本地载波本地载波设输入已调波：设输入已调波：coscosiimcuUtt本地载波：本地载波：cos()comouUt 1( )s t1( )coscoscos()icimomcos tku ukU Uttt高频分量高频分量1coscos()cos()2imomcoockU Uttt则经低

28、通滤波后的输出信号为：则经低通滤波后的输出信号为： 令令 ，occ oo22 DSB信号信号cc本地载波本地载波o(,0)co coscos()coscos()2oimomcckuU UttUttcoscos()coscos()2oimomcckuU UttUtt检波器的输出为检波器的输出为【讨论】【讨论】 （1）若恢复的本地载波与发射端的载波）若恢复的本地载波与发射端的载波同步（同频、同初相）同步（同频、同初相），即即 、 有有 0c0cosouUt（2）若恢复的本地载波与发射端的载波同频但有一定的）若恢复的本地载波与发射端的载波同频但有一定的相差相差，即，即 、 有有 0c0coscoso

29、uUt（3）若恢复的本地载波与发射端的载波有一定的）若恢复的本地载波与发射端的载波有一定的频差频差，即，即 、 有：有：0c0coscosocuUtt【结论结论1】同步时能】同步时能无失真无失真地恢复出调制信号。地恢复出调制信号。 振幅衰减因子振幅衰减因子 【结论结论2】存在相差时输出信号中引入了振幅衰减因子；若】存在相差时输出信号中引入了振幅衰减因子；若 随时间随时间变化，会引起振幅失真。变化，会引起振幅失真。【结论结论3】存在频差时输出信号存在振幅失真。】存在频差时输出信号存在振幅失真。仿真仿真1仿真仿真2仿真仿真3低通低通滤波器滤波器谐振限幅放大器谐振限幅放大器乘法器乘法器CDIoyRw

30、-15V-15V15k R+15VR13-EEVT35.1kRwx121k100k121kR11Rc141294Rc8133R327+15V561011IoxRwZEC=15V-+11k1M25k-15V10k10kRwy2k2kRxRy BG314（MC1595）AVT1VT2LC510510fcCuAMuoucuououxuyuAMuouAM（2）实用电路）实用电路 谐振限幅放大器：由谐振限幅放大器：由VT1、VT2、VT3构成的恒流源差分电路构成的恒流源差分电路组成；组成；LC谐振回路谐振于输入谐振回路谐振于输入AM信号的信号的载波频率载波频率fc上。上。 乘法器：由乘法器：由BG314

31、及其外围电路组成。及其外围电路组成。(,)xcyAMuuuu 低通滤波器：由低通滤波器：由 、 组成。组成。RC运放运放A：双端输出转单端输出的电路。：双端输出转单端输出的电路。2.叠加型同步检波叠加型同步检波（1）工作原理（以）工作原理（以SSB信号信号为例）为例）+ uc -+-uoVDRC+-uSSB+-uSSB+ uc -T1T2uddu设输入的单边带（上边带）信号为：设输入的单边带（上边带）信号为：cos()coscossinsinSSBSSBcSSBcSSBcuUtUttUtt本地载波本地载波本地载波信号为本地载波信号为 ，则，则 coscomcuUt1:11:1coscossinsincosdSSBcSSBcSSBcomcuuuUttUttUt(cos)cossinsin( )cos( )SSBomcSSBcmcUtUtUttUttt 式