振幅調(diào)制解調(diào)高頻電路原理與分析

1、高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 第第7章章 振幅調(diào)制、振幅調(diào)制、 解調(diào)解調(diào) 調(diào)幅信號的解調(diào)調(diào)幅信號的解調(diào)高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 7.2 調(diào)幅信號的解調(diào)調(diào)幅信號的解調(diào) 振幅解調(diào)方法可分為包絡(luò)檢波和同步檢波兩大類。包絡(luò)檢波是指解調(diào)器輸出電壓與輸入已調(diào)波的包絡(luò)成正比的檢波方法。由于AM信號的包絡(luò)與調(diào)制信號成線性關(guān)系,因此包絡(luò)檢波只適用于AM波。其原理框圖如圖730所示。 高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 圖730 包絡(luò)檢波的原理框圖 ui非線性電路(器件)低 通濾波器u00fttf00F(a)(b)fc Ffcfc F高頻電路原理與分析第7章振幅

2、調(diào)制、 解調(diào)及混頻 圖731 同步解調(diào)器的框圖 插入載波同步解調(diào)器低通濾波器uUcos (ctc)DSB信號SSB信號或ffc Ffcfc Fffc F00fF0高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 同步檢波又可以分為乘積型(圖732(a)和疊加型(圖732(b)兩類。它們都需要用恢復(fù)的載波信號ur進行解調(diào)。 圖732 同步檢波器 低通濾波器us(a)uour包絡(luò)檢波器us(b)uour高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 1原理電路及工作原理 圖733(a)是二極管峰值包絡(luò)檢波器的原理電路。它是由輸入回路、二極管VD和RC低通濾波器組成。 11cRRCC 式中,c為輸入信

3、號的載頻,在超外差接收機中則為中頻I為調(diào)制頻率。在理想情況下,RC網(wǎng)絡(luò)的阻抗Z應(yīng)為()0()cZZR 高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 圖733 二極管峰值包絡(luò)檢波器(a)原理電路 (b)二極管導(dǎo)通 (c)二極管截止 uiCRVDuo(a)CRuoui(b)CR(c)uo高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 圖734 加入等幅波時檢波器的工作過程 uCU1U2uiU3uCU4tUAUB0通斷斷通(a)(b)(c)t00 0tUouoiDUav高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 從這個過程可以得出下列幾點: (1)檢波過程就是信號源通過二極管給電容充電與電容對

4、電阻R放電的交替重復(fù)過程。 (2)由于RC時常數(shù)遠大于輸入電壓載波周期,放電慢,使得二極管負(fù)極永遠處于正的較高的電位(因為輸出電壓接近于高頻正弦波的峰值,即UoUm)。 (3)二極管電流iD包含平均分量(此種情況為直流分量)Iav及高頻分量。 高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 圖735 檢波器穩(wěn)態(tài)時的電流電壓波形 0iDgDuDuDUottiD0iDmax(a)(b)高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 圖737 輸入為AM信號時檢波器的輸出波形圖t0(a)(b)t0uC(t)Uo(t)高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 圖737 輸入為AM信號時,檢波器二

5、極管的電壓及電流波形 0iDuDUo(t)uDiDt0高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 圖738 包絡(luò)檢波器的輸出電路 CRu(a)RgCgCRUdc(b)CR高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 2性能分析 1) 傳輸系數(shù)Kd 檢波器傳輸系數(shù)Kd或稱為檢波系數(shù)、檢波效率,是用來描述檢波器對輸入已調(diào)信號的解調(diào)能力或效率的一個物理量。若輸入載波電壓振幅為Um,輸出直流電壓為Uo,則Kd定義為odmdCUKUUKmU(743a) (743b)高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 由于輸入大信號,檢波器工作在大信號狀態(tài),二極管的伏安特性可用折線近似。在考慮輸入為等幅

6、波,采用理想的高頻濾波,并以通過原點的折線表示二極管特性(忽略二極管的導(dǎo)通電壓VP),則由圖735有:000DDDDDg uuiu(744)(745) 式中,uD=ui-uo,gD=1/rD,為電流通角,iD是周期性余弦脈沖,其平均分量I0為max()(1cos )DDmoDmigUUg U高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 式中,0()、1()為電流分解系數(shù)。 由式(743(a)和圖735可得0max01max1( )(sincos )( )(sinsin )DmDDmDg UIiag UIia基頻分量為 (747)(747)cosodmUKU(748) 高頻電路原理與分析第7章

7、振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 由此可見,檢波系數(shù)Kd是檢波器電流iD的通角的函數(shù),求出后,就可得Kd。 由式(747)Uo=I0R,有 (sincos )cosooDmmUI Rg RUU(749)等式兩邊各除以cos,可得tanDg R(750) 當(dāng)gDR很大時,如gDR50時,tan-3/3,代入式(7-50),有33Dg R(751) 高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 圖739 KdgDR關(guān)系曲線圖 020406080100gDRKd0.20.40.60.81.00Kd0.20.40.60.81.0101001000gDRRC0RC5RC圖740 濾波電路對Kd的影響 高頻電路原

8、理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 2) 輸入電阻Ri 檢波器的輸入阻抗包括輸入電阻Ri及輸入電容Ci,如圖741所示。輸入電阻是輸入載波電壓的振幅Um與檢波器電流的基頻分量振幅I1之比值,即1miURI(752) 輸入電阻是前級的負(fù)載,它直接并入輸入回路,影響著回路的有效Q值及回路阻抗。由式(747),有(sincos )iDRg(753) 高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 圖741 檢波器的輸入阻抗 CRisR0LC1ZiRiCi高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 當(dāng)gDR50時,很小,sin-3/7, cos1-2/2,代入上式,可得2222mCiiUURRR

9、R高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 3檢波器的失真 1)惰性失真 在二極管截止期間,電容C兩端電壓下降的速度取決于RC的時常數(shù)。 圖742 惰性失真的波形 0uCtui高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 為了避免產(chǎn)生惰性失真,必須在任何一個高頻周期內(nèi),使電容C通過R放電的速度大于或等于包絡(luò)的下降速度,即( )ouU ttt(755) 如果輸入信號為單音調(diào)制的AM波,在t1時刻其包絡(luò)的變化速度為11( )sint tmU tmUtt (757) 高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 二極管停止導(dǎo)通的瞬間,電容兩端電壓uC近似為輸入電壓包絡(luò)值,即uC=Um(1+

10、mcost)。從t1時刻開始通過R放電的速度為1111111(1cos)sin11cost tt tRCRCCmu eUmt etRCRCmtAmt 將式(757)和式(757)代入式(755),可得高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 實際上,不同的t1,U(t)和Cu的下降速度不同,為避免產(chǎn)生惰性失真,必須保證A值最大時,仍有Amax1。故令dadt1=0,得122maxmaxmaxcos11tmmRCmmRCm 代入式(758),得出不失真條件如下:(759) (770)(771) 高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 圖743 底部切削失真 usCVDRRgCg(a

11、)usutt00(b)(c)URUC高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 2) 底部切削失真 底部切削失真又稱為負(fù)峰切削失真。產(chǎn)生這種失真后,輸出電壓的波形如圖743(c)所示。這種失真是因檢波器的交直流負(fù)載不同引起的。 因為Cg較大,在音頻一周內(nèi),其兩端的直流電壓基本不變,其大小約為載波振幅值UC,可以把它看作一直流電源。它在電阻R和Rg上產(chǎn)生分壓。在電阻R上的壓降為 RCgRUURR(772) 高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 調(diào)幅波的最小幅度為UC(1-m),由圖743可以看出,要避免底部切削失真,應(yīng)滿足 (1)CCggRUmURRRRmRRR(773) (774

12、) 高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 圖744 減小底部切削失真的電路 C1(a)C2R2RgCgR1(b)射隨器RRg高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 4實際電路及元件選擇圖745 檢波器的實際電路C3放 大20R382 k6 V10 kR4 Ec2AP9C1R1680RgR24.7 k5 100 pF5 100 pFCg10C2高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 根據(jù)上面諸問題的分析,檢波器設(shè)計及元件參數(shù)選擇的原則如下: (1)回路有載QL值要大, (2) 為載波周期 (3) (4) (5) 000/12LRRQC11,CCCcRCTTTf0011,

13、2mmR CRC2maxmaxmax1(1)gggmRCmRm RmRRRm高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 5. 二極管并聯(lián)檢波器 除上面討論的串聯(lián)檢波器外,峰值包絡(luò)檢波器還有并聯(lián)檢波器、推挽檢波器、倍壓檢波器、視頻檢波器等。這里討論并聯(lián)檢波器。 高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 圖747 并聯(lián)檢波器及波形(a)原理電路 (b)波形 (c)實際電路 uiR(a)(c)(b)uCVDuDR1CgRgC1RVDEcCcuDttt000uCui高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 根據(jù)能量守恒原理,實際加到并聯(lián)型檢波器中的高頻功率,一部分消耗在R上,一部分轉(zhuǎn)換

14、為輸出平均功率,即2222223CCaviiUUURRRRR當(dāng)UavUC時(UC為載波振幅)有(775) 高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 7小信號檢波器 小信號檢波是指輸入信號振幅在幾毫伏至幾十毫伏范圍內(nèi)的檢波。這時,二極管的伏安特性可用二次冪級數(shù)近似,即 一般小信號檢波時Kd很小,可以忽略平均電壓負(fù)反饋效應(yīng),認(rèn)為2012DDDiaa ua u(777)cosDiaVimcuuuuUt(777) 將它代入上式,可求得iD的平均分量和高頻基波分量振幅為2021112aVmmIaa UIaU高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 若用Iav=Iav-a0表示在輸入電壓作用下

15、產(chǎn)生的平均電流增量,則2212aVaVmUIRa U (778) 相應(yīng)的Kd和Ri為211121aVdmmmiDUKa RUUURrIa(779) (770)高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 若輸入信號為單音調(diào)制的AM波,因c,可用包絡(luò)函數(shù)U(t)代替以上各式中的Um22222221(1cos)2111(1)2coscos2222aVmmUa RUmta RUmmtmt (771) 高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 圖747 小信號檢波 iDQ0EQtuD0iDIav(音頻成分)a0tVDuiCREQ高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 1乘積型 設(shè)輸入信

16、號為DSB信號,即us=Uscostcosct,本地恢復(fù)載波ur=Urcos(rt+),這兩個信號相乘coscoscos()1coscos()cos()2srscrsrrcrcu uUttttU Uttt(772) 經(jīng)低通濾波器的輸出,且考慮r-c=c在低通濾波器頻帶內(nèi),有cos()cosoocuUtt(773) 高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 由上式可以看出,當(dāng)恢復(fù)載波與發(fā)射載波同頻同相時,即r=c,=0,則 uo=Uocost (774) 無失真地將調(diào)制信號恢復(fù)出來。若恢復(fù)載波與發(fā)射載頻有一定的頻差,即r=c+c uo=Uocosctcost (775) 引起振幅失真。若有

17、一定的相差,則 uo=Uocoscost (777)高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 圖748 幾種乘積型解調(diào)器實際線路 10 k2 k10 k10 k10 k10 k10 kC2C1載波輸入7/15 pFT27/15 pFC4T1中頻輸入10 pF10 pFC3音頻輸出(a)220 pF(470 pF)220 pF(470 pF)0.01(0.005) (0.005)0.014.7 k中頻輸入9 MHz(455kHz)載頻輸入500500500 H(2.5 mH)0.01(b)中頻輸入470 pFE47 k470 k100 k22 pF0.011 k載頻0.011251 k0.

18、014.7 k0.1u(c)0.0151f0 f1681 k1 k0.01輸出1120023中頻輸入22000.01載頻1.5 V0.0017100259 V(d)T112 V10 k10 k2 k2200 pF高頻電路原理與分析第7章振幅調(diào)制、 解調(diào)及混頻 2. 疊加型 疊加型同步檢波是將DSB或SSB信號插入恢復(fù)載波,使之成為或近似為AM信號,再利用包絡(luò)檢波器將調(diào)制信號恢復(fù)出來。對DSB信號而言,只要加入的恢復(fù)載波電壓在數(shù)值上滿足一定的關(guān)系,就可得到一個不失真的AM波。圖749就是一疊加型同步檢波器原理電路。 設(shè)單頻調(diào)制的單邊帶信號(上邊帶)為 us=Uscos(c+)t=Uscostcosct-Ussint