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1、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
2、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
3、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（
4、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7
5、4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。
6、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
7、。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
8、，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
9、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
10、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
11、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
12、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 MC
13、1496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
14、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
