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1、34- 1 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 34- 2 教学要求 o 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。 o 了解数字调幅的典型解调方式及其实现电路 。 34- 3 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
2、检波 6.1 概述 调幅解调的分类 AM调制 AM调制 DSB调制 SSB调制 34- 4 调幅波频谱 c+ c- c 输出信号频谱 调幅解调的方法 1. 包络检波 t 调幅波 包络检波输出 t 非线性器件低通滤波器 t 调幅波 t 调幅波 t 调幅波 包络检波输出 t 包络检波输出 t 包络检波输出 t 检波器不需要复杂的载波恢复电路，电路简单易做，在标准调幅波的 解调中得到普遍应用。 从频谱角度看，标准调幅波可视为载波信号与双边带信号之和，解调 正是这个“和信号”通过非线性器件进行相乘、实现频谱搬移的结果。 可是任一种伏安特性含有平方项的非线性器件。根据输入信号幅度大 小的不同，对非线性器
3、件分析方法不同。以晶体二极管为例，按输入 信号幅度大小分为：小信号(0.5V)检波。 34- 5 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， 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）。 乘法器低通滤波器 ui uo u 2. 同步检波 本地 载频 34- 6 (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)=Uimcosct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
4、高频调幅波ui(t)=Uim(1+macost)cosct时，Kd定义为输出低 频信号分量的振幅Um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，
5、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U om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(50100)。 34- 7 6.2 二极管大信号包络检波器 1. 工作原理 (1) 电路组成 ZL + - ui VD R C + - ui 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
6、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: R ui + - C rd 二极管导通内阻 34- 8 (2) 工作原理分析 + uD - + - uo id uD= ui- uo R i充 + - uo i放 + - ui + - ui VD R C ui + - C rd 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两端上电压为ui(t)与
7、uo(t)差 uD= ui- uo。即二极管导通与否取决于uD 当uD= ui- uo0，二极管导通； 当uD= ui- uomax 并且电容放电速度能跟上包络 变化速度，那么检波器输出电压就能跟着调幅波包络线变化。 34- 10 输入等幅波 输出信号, 则加在二极管两端的电压 当外加激励信号幅度足够大，二极管伏安特 征可用分段折线逼近： + uD- ui + - C VD R + - uo uD i D uo Uim t i D (3) 特性的折线分析 综合上式： 当 即如图可知： 有： 当 即 根据高功放折线分析法： 34- 11 根据高功放折线分析法： 对应二级管电流iD为重复频率为c的
8、周期余弦脉冲通角为，振幅最大值为 IM，可以将其分解为直流、基波和各次谐波分量。 其中 为直流分量， 为n次谐波分量振幅 综上可得： 经低通滤波器的输出电压为： 除 可得： 当UBZ =0或者uoUBZ可得： 当很小（ ）, tan 可展开成级数： 忽略高次项（ ）, 可得： 通角仅与检波器电路参数rd和R有关，而与输入高频信号振幅Uim无关。 即，检波器电路一旦确定，无论输入通角 不变。 由于二极管导通电阻rd通常比负载电阻R小得多 易满足。 34- 12 由 可得： 对于输入调幅波： 由于c ，在高频电压一周内由引起的振幅变化可认为不变。 检波器输出电压： 为了取出原调制信号，选用如下检波
9、电路，一般常作为接收机的检波电路： A点 ui + - C VD RL + - uo R Cd +UDC - + - uo AB 电容Cd的隔直作用，直流分量 Uimcos被隔离，输出信号为解调恢复后的原 调制信号 B点 34- 13 (1) 电压传输系数Kd （检波效率） 2. 电路主要性能指标 Kd定义为输出直流电压与输入高频电压振幅的比值，即 若输入电压为等幅波： 检波器输出： 若输入电压为调幅波： 检波器输出： Kd定义为输出低频信号分量振幅与输入调幅波变化振幅比值，即 34- 14 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
10、值检波器的主要缺点。 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。 + - uo 中放末级 Rs VD R CsC Ls is Rid + - ui (2) 等效输入电阻Rid 定义为输入高频电压振幅与流过检波二极 管的高频电流基波分量的振幅之比： 代入 可得： 由于 且很小，可忽略高次项，可得： 34- 15 (1) 频率失真 3. 检波器的失真 Cd隔直电容 RL下级输入电阻 ui + - C VD RL + - uo R Cd +UDC - + - uo AB 当输入调幅波调制频率 ，A点电压频率包含直流、 输出B点的
11、电压频谱包含 。低通滤波器RC具有一定的频率特 性，电容C的主要作用是滤除调幅波中的载波频率分量，为此应满足： 阻抗，分流 当C取得过大时，对于检波后输出电压上限频率max来说， C的容抗产 生旁路作用。不同的产生不同的旁路作用，引起频率失真。为了不产 生频率深圳，应使电容C的容抗，对max不产生旁路作用，应满足： Cd的容抗将影响检波器下限频率min的输出电压， 即在 范围内， Cd上电压降大小不同，在输出端B点电压会因此产生频率失真。 为避免，应使Cd对于下限频率min的电压降很小，满足： 34- 16 (2) 非线性失 真 Cd隔直电容 RL下级输入电阻 ui + - C VD RL +
12、 - uo R Cd +UDC - + - uo AB 非线性器件，输入信号幅值较大时，输出波形失真。采用负反馈 由于检波器输出电压是二极管的反向偏压，具有负反馈作用。输出电压大，负反馈强 ，输出电压减小，负反馈减弱。负反馈将使非线性失真减小。R越大，反向偏压越大， 非线性失真越小。 一般来说，二极管大信号检波器非线性失真很小。 34- 17 (3) 惰性失真 检波器低通滤波器RC影响检波器特性。负载电阻R越大,电压传输系数 Kd和等效输入电阻Rid越大, 非线性失真越小。C越大，高频波纹越小。 为提高检波效率和滤波效果，选较大R、C值，但取值过大，二极管截 止时放电慢，电容电压高于输入电压，
13、二极管一直截止，即R、C放电 时间常数= RC 所对应的放电速度小于输入信号包络下降速度时，会 造成输出波形不随输入信号包络而变化，失真由电容放电惰性引 起的，称为惰性失真。 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 避免产生惰性失真的条件： 在任何时刻，电容C上电压变化率应大于或等于包络信号变化率，即： t ui(t)与uc(t) uc(t) ui(t) 包络信号 34- 18 输入高频调幅波： 包络信号为： 包络变化率: 电容C通过R放电电流： 分析： 流过R的电流： 由于ic=iR，有 所以： 设大信号检波器电压传输系数kd1： 综合上述两公式： 避免产生惰性失真的
14、条件： 令 即 ，综合上面公式： + uD- ui + - C VD R + - uc 34- 19 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 故令: 即： 避免产生惰性失真的条件： 实际应用中，由于调制信号总占有一定的频带(minmax)，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 为调幅信号中的调制信号角频率 可解得： 34- 20 Uim(1-ma) (4) 负峰切割失真 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
15、，要求： Ui m UR 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) UR 或 通常Cd取值较大(一般为510F)， 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。 后级放大器 ui + - C RL R VD Cd +UDC - + - UR + 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。 34- 21 一般： (1) 回路有载 要大：这应该从选择性及通频带的要求来考虑。 为高频载波周期 (2) 为发保证输出的高频纹波小要求： 即 4. 检波器元件参数的选择 (3) 为了减少输出信号的频率失真（输出信
