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调幅信号的解调
调幅信号的解调
4.4调幅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信号的过程。
从频谱上看,解调也是一种信号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,解调过程是和调制过程相对应的,不同的调制方式对应于不同的解调。
峰值包络检波AM调制包络检波:
平均包络检波振幅调制过程:
DSB调制解调过程SSB调制同步检波:
叠加型同步检波乘积型同步检波
4.4.1调幅解调的方法1包络检波调幅波
包络检波输出
t
非线形电路
低通滤波器输出信号频谱
t
调幅波频谱
ωc-Ωωcωc+Ωω
Ω
ω休息1休息1
2同步检波由于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)。
uDSB乘法器低通滤波器u'Ω
u'ouDSB
解调载波uAM包络检波器u'Ω
加法器u'o
休息1休息1仿真
3.检波电路的主要技术指标
(1)电压传输系数Kd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)=Uimcosωct时,Kd定义为输出直流电压Uo与输入高频电压振幅Uim的比U值,即K=od
Uim
当输入高频调幅波ui(t)=Uim(1+macosΩt)cosωct时,Kd定义为输出低频信号Ω分量的振幅UΩm与输入高频调幅波包络变化的振幅maUim的比值,即Kd=UΩmmaUim
(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R=Uimid
I1m
(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Kf
=
22+U2UΩ3Ω+UΩ
式中,UΩ、U2Ω、U3Ω…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Uoωm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)。
UimF=Uoωm
5.4.2二极管大信号包络检波器1.大信号包络检波的工作原理
(1)电路组成它是由输入回路、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:
++uiVD
ZLRC
ui-
rd①对低频调制信号uΩ来说,电容C的1C+uiR,电容C相当于开路,电阻容抗RΩCR就
作为检波器的负载,其两端产生输出低频解调电压1②对高频载波信号uc来说,电容C的容抗ωCR,电容C相当于c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:
Z(ωc)=0ZL(ω)=Z(Ω)=R休息1休息1
1.大信号包络检波的工作原理
(2)工作原理分析
+uD++uiuD=ui-uordi充C+i放+Ruoui(t)uo(t)
当输入信号ui(t)为调幅波时,那么载波ui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+uiui(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-uo0,二极管导通;ui(t)与uo(t)当uD=ui-uo0,二极管截止。
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=uiuo=0时,二极管VD截止。
C把导通期uo(t)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)=uΩ(t)+UDC
VDid
++CR
uo-
t
uΩ(t)
ΔucUDCt
仿真休息1休息1
检波器的实际输出电压为:
uo(t)+Δuc=uΩ(t)+UDC+Δuc当电路元件选择正确时,高频纹波电压Δuc很小,可以忽略,输出电压为:
uo(t)=uΩ(t)+UDC包含了直流及低频调制分量。
VD+(a)+uiCuoRCd+UDC-
ui(t)与uo(t)
ui(t)
uo(t)
t
uo(t)
uΩ(t)
ΔucUDCt
峰值包络检波器的应用型输出电路VD+uΩ(b)u+iC+uoRCφRφ+UDC-
RL
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uΩ,一般常作为接收机的检波电路。
图(b):
电容Cφ的旁路作用,交流分量uΩ(t)被电容Cφ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。
2.电路主要性能指标
(1)电压传输系数Kd(检波效率)
VD+ui+uDCR+uo-
UΩm输出低频交流电压振幅K==定义:
d输入已调波包络振幅maUim若设输入信号
ui=uAM=Uim(1+macosΩt)cosωct输出信号为uo(t),则加在二极管两端的电压
iDuoθUim
uD=uiuo=uAMuo
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:
id(t)=gd[uAMuo(t)]=gd[Uim(1+macosΩt)cosωctuo(t)]
uD
休息1休息2休息3
当ωct=θ时id(t)=0uo(t)=Uim(1+macosΩt)cosθ=Uimcosθ+maUimcosθcosΩt有:
=UDC+UΩmcosΩt直流分量:
UDC=Uimcosθ可见uo(t)有两部分:
UΩm=maUimcosθuΩ(t)=UΩmcosΩt其中:
低频调制分量:
UΩmmaUimcosθ=cosθ∴有Kd=mU=mUaimaim其中θ为电流导通角。
另外,还可以证明导通角的表达式:
πtgθθ=gdR而当gdR很大时,(如gdR50)121tgθ=θ+θ3+θ5+L=θ+θ33153
代入上式可得:
θ≈
3
3π=gdR
3
3πrdR
θ≈
3
3π=gdR
3
3πrDR
讨论:
①当VD和R确定后,θ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,故称为线性检波一般计算方法为:
当输入信号为:
ui=Uim(1+macosΩt)cosωct则输出信号为:
uo(t)=KdUim(1+macosΩt)②当R↑→θ↓→Kd=cosθ↑Kd0.9但Kd1理想值Kd=1一般当gR50,
(2)检波的等效输入电阻Rid峰值检波器常作为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。
VD中放末级检波器的输入电阻Rid是为研究检波器++对其输入谐振回路影响的大小而定义uoRsuiisLsCsCR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-
ui=Uimcosωct
Rid
ui(t)KdUim
忽略二极管导通电阻rd上的损耗功率,由能量守恒的原则,检波器输入端口2Uim的高频功率2Rid
t
全部转换为输出端负载电阻R上消耗22KdUim的功率R即有222UimKdUim=2RidR
又因Kd=cosθ≈1
所以
Rid≈
1R2
所以:
R越大,对前级影响就越小。
3.检波器的失真
在二极管峰值型检波器中,存在着两种特有失真:
底部切割失真
(1)惰性失真一般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τ=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。
惰性失真
(2)产生惰性失真的原输入AM信号包络的变化率因:
RC放电的速率
ui(t)与uc(t)
uc(t)
(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uCUAM(t)≥ttui(t)
t
若设输入信号AM信号:
ui=Uim(1+macosΩt)cosω0tUAM(t)=Uim(1+macosΩt)包络信号为:
在t1时刻包络的变化率:
UAM(t)t=maΩUimsinΩt1
(4)分析:
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uC≈Uim(1+macosΩt)tt1那么电容C通过R放电的电压关系为:
uC(t)=Uim(1+macosΩt1)eRC
uCt=t=t1
1Uim(1+macosΩt1)RC
所以要求在t1时刻不产生惰性失真的条件为:
RCΩmasinΩt11A=≤1Uim(1+macosΩt1)≥ΩUimmasinΩt1则有:
1+macosΩt1RC
UAM(t)和uC下降速度不同。
实际上不同的t1,为在任何时刻都避免产生惰性失真,必须保证A值取最大时仍有dAAmax1故令:
=0dt
dARCΩ2ma(1+macosΩt)cosΩt+RCmaΩ2sin2Ωt=0即:
=2dt(1+macosΩt)
2
cosΩt=ma可解得:
;sinΩt=1cos2Ωt=1ma2
∴
有RC≤
1maΩma
2
可见,ma,Ω越大,信号包络变化越快,要求RC的值就应该越小。
实际应用中,由于调制信号总占有一定的频带(Ωmin~Ωmax),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Ωmax来检验有无惰性失真,其检验公式为21mmaxRC≤Ωmaxmmax
(2)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:
RL1CdΩmin1VDCd
或
RLCd
后级放大器
Ωmin
++uiC
+UDCRL
通常Cd取值较大(一般为5~10μF),在Cd两端的直流电压UDC,大小近似等于载波电压振幅UDC=KdUimu=UUDC经R和RL分压后在R上产生i
URR-
+uΩ(t)-
im
(1+macosΩt)cosωctUim(1+macosΩt)
的直流电压为:
UR=UDCRR+RL
UimURUim(1-ma)UR
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,当URUim(1-ma)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。
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。
要防止这种失真,必须要求调幅波包络的负峰值Uim(1-ma)大于直流电压UR。
即Uim(1ma)≥UimRR+RL
避免底部切割失真的条件为:
RLRL//RRΩ==ma≤R+RLRR
式中,RΩ=RL//R为检波器输出端的交流负载电阻,而R为直流负载电阻。
4.检波器设计及元件参数的选择
(1)回路有载QL要大:
这应该从选择性及通频带的要求来考虑。
QL=ωcCs(Rs//Rid)1一般:
中放末级
(2)为发保证输出的高频纹波小要求:
RCTc即RCVDCdCR+RLuΩ-
1
Tc为高频载波周期1RCΩmax要求:
RC1LdΩmin
ωc
≥
5~10
is
Rs
Ls
Cs
ωcRid
(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)C不影响上限频率Cd不影响下限频
率
Ωmin
Ωmax
21mmax(4)为了避免惰性失真:
要求:
RCΩmaxmmax
RL(5)为了避免底部切割失真:
mR+RL
或RL//RR
三p同步检波(SynchronousDetection)乘积型同步检波器可分为:
叠加型注意:
两种检波器都需要接收端恢复载波1.乘积型uDSB乘法器
休息1休息2
设输入已调波:
uDSB=UcosΩtcosωct
低通滤波器
uΩ(t)
′=Uccos(ω1t+)uc而恢复的本地载波为:
u'c本地载波则相乘器输出为:
′=UUccosΩtcosωctcos(ω1t+)uDSBuc
1=UUccosΩt{cos[(ωc+ω1)t+]+cos[(ωcω1)t+]}2令(ωcω1)=Δωc则经低通滤波器后的输出信号为:
1uΩ=UUccosΩtcos(Δωct+)2=UΩcosΩtcos(Δωct+)
1uΩ=UUccosΩtcos(Δωct+)2=UΩcosΩtcos(Δωct+)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:
Δωc=0=0∴uΩ=UΩcosΩt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:
Δωc≠0乘法器uDSB=0uΩ=UΩcosΔωctcosΩt即引起振幅失真。
(3)若本地载波与调制载波有相位差,Δωc=0即:
≠0则
低通滤波器
uΩ(t)
u'c本地载波
uΩ=UΩcoscosΩt引入一个振幅的衰减因子cos,如果随时间变化,也会引起振幅失真。
乘积型同步检波器的实用电路谐振限幅放大器CVT1+15VfoLVT2+15V2kΩRwyVT3510Ω510Ω-15V2kΩ5.1kΩ-15V10kΩ5Rx6Ry10112141R11MΩRcRwZ121kΩ11kΩ+A低通滤波器乘法器
uAM
Rwx
ux
BG3148(MC1595)1293R3RwIox
4
100kΩ-
u'Ω
RφCφ
CD
121kΩ15kΩ
uΩ
uy10kΩ
137RcR13EC=15VIoy-EE
25kΩ-15V
uAM
谐振限幅放大器
u'c
4
乘法器
uAM9
u'Ω
低通滤波器
CD
uΩ
注意点:
(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。
2.叠加型同步检波器相加器uAM包络滤波器
uDSB
uΩ
u'c本地载波
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