东华大学高频电子电路通信电子电路课件7-4.docx

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1、7.4调幅信号的解调（检波）7.4.1 概述概念：解调、检波、检波器从高频已调信号中恢复出调制信号的过程称为解调。通常将从已调振幅调制信号中恢复出 调制信号的解调过程称为检波。完成这种解调作用的电路称为振幅检 波器，简称检波器。解调与调制是逆过程。从频域上看，是 将频谱从高端（载波附近）搬移至低频 端。；检波是频谱的线性搬移过程。1检波电路的功能检波电路的功能是从振幅已调信号中不失真的恢复出原调制信号。(i)当输入信号为高频等幅波时，检波 器输出为直流电压，如图6.4.1 (a)所示;(ii)当输入信号是正弦调制的调幅信 号时，检波器输出电压为正弦波，如 图6.4.1 (b)所示；(iii)当

2、输入信号为脉冲调制的调幅信 号时，检波器输出电压为脉冲波，如 图6.4.1 (c)所示。图6.4.1检波器的输入/输出波形从信号的频谱来看,检波电路的功能是 将已调波的边频或边带信号频谱从载 波附近搬移到原调制信号所处的频谱 低端。在频域，检波完成频谱的线性搬移。如 图6.4.2(c),输入信号频谱为4。, 而通过检波电路后输出信号的频率为 。O这样的频谱搬移过程正好与振幅调 制的频谱搬移过程相反。匕检波器（a）u（）的波形J . 一 A匕G）的波形9)匕（力的频谱QC匕（E）的频谱OoJr图6.4.2检波器原理框图(a)组成框图(b)检波器输入、输出信号的波形；(c)检波器输入、输出信号的频

3、谱2检波电路的分类根据输入调制信号的不同特点，检波电 路可分为两大类，包络检波和同步检 波。(1)包络检波包络检波是指检波器的输出电压直接 反映输入高频调幅波包络变化规律的 一种检波方式。即，解调器输出电压8输入已调波的包络。由于AM信号的包络与调制信号成正 比。包络检波只适用于AM波的解调。 （确切地说：只能解调加。工1的普通 调幅波）特点：包络检波电路实现简单，检波效率高,几乎所有AM调幅式接收机均采用这种电路。 注意：若AM波，当冽。1,无法用 此方法检波，可用同步检波法。(2)同步检波同步检波主要应用于双边带调幅波(DSB)和单边带调幅波(SSB)的检 波。因为双边带调幅波和单边带调幅

4、波的 频谱中缺少载波频率分量。因此不能用 包络检波器解调，必须用“同步检波 器”实现解调。原理框图Ft的频谱I I I I.襄 川川川 Ihjllllllllhi ”。窄一G max Sq F匕iG）的频谱川H hhih ?川| iiliih 。月-Gmax 0Gmax2 max2/TG1t1ax%的频谱0 Omii图 6.4.3检波电路的频谱搬移过程同步检波又可分为乘积型图（a）和加型图（b）（乘积型用的比较普遍,叠加型使用的较少）Vr本地载波(a)IlA包络检波器一A U介本地载波 1Tr本地载波（切说明：（i）同步检波法适用于AM, DSB, SSB的解调。由于同步检波比包络检波器复杂，

5、所以 很少用于AM解调，通常只用于解调 DSB和SSB信号和加 1的AM解调o (ii)为了不失真的恢复原调制信号， 本地载波Ur必须与调制端的载波电压完全同步。这是同步检波名称的来由。3检波电路的组成检波器必须包含有非线性器件，Why?振幅调制信号Vcm (1 + ma cos QZ) cos(oct, 其频谱有载频以和边频叫土。组成， 其中没有包含调制信号本身的分量G o 为了解调出原调制频率。，检波器必须 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Q。检波电路由三部分组成，高频输入回 路，非线性器件和低通滤波器。e施入回路非线性器件低通滤波器)* 7.4.2峰值包络检波（二极

6、管大信号 包络检波器）峰值包络检波只适合于外1的普通调 幅波的解调。适用条件：峰值包络检波属于大信号检 波，要求输入信号幅度0.5V,通常在 IV左右。由于电路简单、性能好，因 而得到广泛应用。一、大信号包络检波电路的工作原理图6.4.4是二极管峰值包络检波器的原理电路。&检波电路的组成高频信号输入回路；非线性器件：二极管 无（三极管、 场效应管）。低通滤波器：通常由RC电路组成。其作用有二个：作为检波器的负载,其二端产生调制 频率的电压1n要求：廿八即电容对调制信号阻抗 很大(近似断路)，由R取出调制信号。(b) ,C对高频载波短路，滤除 高频。在理想情况下，RC网络的阻抗Z应满足：Z(69

7、c) = O,Z(Q) = R即：对于高频载波，RC网络短路； 对于直流或低频,RC网络中的C开路,其等效负载为R。式中,g为输入信号的载频。问题：在调幅超外差接收机中，回对应的是什么频率？为中频g, Q为调制信号频率。检波过程分析实质：检波过程是在二极管作为通断开 关的控制下，完成对二极管充放电的过 程。(i)充电过程在输入信号/正半周，二极管导通，对 电容充电。rDn二极管导通“ 充电电路C对高频载波近似短路，,基本上全 部加在二极管/上，/导通，C被充 电，充电时间常数卷C。(ii)放电过程 二极管上的电压麻。=%-%,当%. 时，如下图所示的BC段，二极管截止, 电容通过R放电。放电时

8、间常数RC二极管截止 电容放电RCrDC充电快、放电慢，使电容上的电荷 不断积累，电压逐渐升高，最后达到动 态平衡。动态平衡：即弓导通时对c的充电电 荷等于/截止时C对R的放电电荷。此时，电容二端的电压。近似等于输入 信号的峰值电压。为了便于说明检波原理，先分析高频等 幅信号经检波电路后的特性。i) ，为高频等幅信号下图为加入等幅波时检波器的波形(b)小刚接入时，R、C二端的电压。=a）在正半周，二极管导通，对电容 C充电，充电时间常数（缶为二极 管正向导通电阻，很小）。充电速度很 快，这时RC二端的电压为心,该。反 向加在检波二极管上。b）到达 B 时,ut = uo,之后，ui Uo ,二

9、极管导通，又开始充电过程。如此充放 电过程循环往复。C）由于充电快、放电慢，使C上的电 荷不断积累，导通的时间不断减小，直 至达到平衡状态：即/导通时对C的 充电电荷等于弓截止时C对R的放电电荷。这时，。值近似等于输入信号的峰值 电压，二极管的导通时间很短，导通角 很小，电容上的电压是一个脉动电压，脉动的频率就是载波频率Q od）平衡时检波器输出电压心基本上与 输入电压%的包络相等，所以这种检波 器称包络检波器。检波过程可以概括为以下几点：(1)检波过程就是信号源通过二极管 这个开关的控制给电容充电和电容对电阻R放电的过程。(2)由于电容充电时间常数rDC远小于 电容放电的时间常数RC,使得电

10、容上 的电压接近于高频正弦波的峰值电压， 所以叫二极管峰值包络检波器。输入信号是高频等幅波时，检波输出 为与 = “+A”,其中 因为反映输入载波信号的幅值的直流电平 脉动反映充放电过程的高频成分。二极管导通时间非常短，电流导通角很小，为一系列尖顶余弦脉冲，二极管 电流iD包含平均直流分量L及高频分 量。ii）输入信号%为调幅波时当输入为调幅波时的检波器工作波形 如图6.4.6所示。(b)结论：(a)二极管电流。中包含平均直流成分 是/8+心(低频调制分量)及高频分量。 平均直流分量是心+4流经电阻R,形 成检波电压输出。)= ”。+心。)；高频 电流分量大部分被电容C滤除，部分会在R上产生很

11、小的高频滤波电压Aw。因此，n(b)检波输出的电压由三部分构成：Uo UDC+%+八。实际上，如果 电路元件选择得合适，高频滤波电压 A”将很小，可以忽略。检波电压输出中只包括低频调制分量是 。）和直流比,如下图所示,匕%(a)O其中，C （即图中的K”）反映输入调 幅波的幅度平均值，。：与调制信号幅度成比例。（C）峰值包络检波器的实用输出电路Cc勺0HI_HII0Q1Ir= )图(a)： C隔直作用，滤除检波器输出“直流分量，电路输出原调制信号心的解调信号。图(b)： g为滤除检波输出的调制信 号k，输出直流信号加。这种电路 一般可用作自动增益控制电路(AGC 信号)的检测电路。小结：（本节

12、应掌握的内容）二极管峰值包络检波器的构成，各部 分的功能。二极管峰值包络检波器工作的实质， 电容的充放电过程。流过二极管的电流为尖顶余弦脉冲 序列。其中包含哪些频率分量，其中的 高频成分被低通滤波器滤除，只有直流 和低频分量（调制信号）在滤波器两端 输出。当检波电路输入信号为等幅信号时， 输出为一直流电压。当输入信号为AM时，输出的直流电压 和调制信号电压二部分。通过隔直流电 容，取出调制信号。从检波过程的分析可知：HC数值对检 波器输出性能影响很大。&C值过小，放电很快，高频纹波加大，平均电压下降。RC取值过大，放电慢。当AM信号 幅度变化快时，。跟不上峰值包络的 下降，从而造成失真，在后面

13、将专门讨 论。二、大信号检波电路的性能分析 检波器的性能指标主要有：电压传输系 数（检波效率），输入阻抗及非线性失 真。1 .传输系数（检波效率）描述检波器将高频调幅波转换为低频电压的能力。输入等幅载波输入AMkd对于ycm （静态检波效率）对于衣（动态检波效率）， 其中L为输出低频信号的电压幅值； 口为输入调幅波包络的电压幅值。通过对二极管伏安特性及，。周期性余 弦脉冲的定量分析可知：kd -cose,e为检波导通角3万 -当g/N50时,6=(-)3(raJ)(1)gDRg。=2为二极管正向电导rD详细推导过程参见高频电路原理与分 析电子科技大学出版社，曾兴雯主编。由于导通角e很小, k,

14、=cos 3 - 1(b)检波效率对检波效率的二个要求：a）希望检波效率越大越好。这样对于相同的检波输出电平要求 的输入信号包络幅值可以较小。对前 面电路的增益，动态范围的要求就可 以小一些。b）检波效率是常数。不随输入信号的幅度变化，以便实现线性不失真检波。3万 -由式可知，寿/与幅值 无关，只与电路参数有关。若输入AM (0 =匕/(1 + % cos Q，) cosg，, 则输出。(。=自曦(I +%cos d)2 .输入阻抗在接收机中，检波器跟在中频放大器后 面，作为负载并接在中频选频网络两 端，影响中频回路的Q值，从而影响 中频的选频特性。因此希望检波器的输 入阻抗越大越好,这样对前

15、级放大器的 Q值及增益影响都较小。中频放大 器末级同心。图6.4.7中频放大器与检波器级联检波器输入电阻的定义：n cm4丁1 Im其中，匕,为输入等幅载波的幅值；/所为二极管高频窄脉冲中的基波分量的振幅 说明：二极管检波电流是以载频为重复 频率的尖顶脉冲，检波器的输入阻抗是 描述检波器对前级的影响，因此定义为 输入信号电压幅度与二极管检波电流中信号基波分量幅度九之比。掌握：定义检波器的输入阻抗一般由电 阻和电容并联构成，通常将电 容部分计入到前级高频谐振 回路电容内，所以只考虑输入电阻。彳? R Ri，2乙大信号峰值包络检波器的输入阻抗只 取决于负载电阻。此结论可由能量守恒 定理得到证明。假

16、设输入为等幅载波，）=曦cos则输入功率:输出功率：V2P =ln 24:曦1（,曦）2 Rl Rl.K=cosl,忽略二极管导通电阻弓上的 损耗。v1由能量守恒定理得：请V2cm1Rt=-RL l 、 L /等效输入电阻尺就是中频放大器的负 载。所以从增加中频放大器增益、提高 接收机灵敏度的角度出发，应尽量加大 凡,也即应加大乙，但是4的增大将 受到检波器中非线性失真的限制，后面 将分析检波器中的非线性失真。解决以上矛盾的一个有效方法是采用 图6.4.8所示的三极管射极包络检波电 路，这种电路在集成电路中得到了广泛 的应用。由图可见，就其检波物理过程而言，它 利用发射结产生与二极管包络检波器

17、 相似的工作过程，不同的是：(a)三极管检波电路除了便于集成之 外，还具有放大作用，使的(b)输入电阻比二极管检波器增大了ew十一)图6.4.8三极管射极包络检波电路3.二极管包络检波器中的失真检波电路图6.4.9计入耦合电容Cc和低放输入等效电阻号后的检波电路Q：耦合电容；段2：后级低频放大器 的等效输入电阻。检波电路的失真分为频率失真、非线性 失真、惰性失真和负峰切割失真。频率失真（线性失真）定义：由于容抗对不同频率的信号的 传输特性不同而引起的失真，又叫线 性失真。举例分析说明：检波电路对C的要求有两个方面：其一，滤除调幅波中的载波频率分量,即对纭短路；应满足册& n对豌短路 其二，在负

18、载上取出调制信号。，即对调制频率Q开路。1应满足在与产生压降当C取大以便滤除高频载波时，对于 调制频率为Omin 口 Qmax的调幅波，当C 取得过大时，对于检波后输出的电压上 限频率Qmax来说，C的容抗将产生旁路 作用o对于不同的频率将产生不同的旁 路作用。这样便产生了频率失真。为了不产生频率失真，应使电容c的容抗对上限频率Qmax旁路作用要小（应 Rj呈现断路），为此应满足Qmax。=确保调制信号。在此产生压降同样为了不因其频率失真，应使。对于下限频率Qmin的电压降很小（尽量呈现短路），必须满足QmmQ &2(2)非线性失真产生原因：二极管的伏安特性是弯曲 的，就伏安特性来说，在电压较

19、小时, 电流变化较慢；在电压较大时，电流增 加得快。结果：当检波器输入为调幅波时，在调 幅波包络的正半周，单位输入电压引起 的电流变化大，检波输出电压大；而在调幅包络的负半周，二极管电流变 化的速度慢，单位输入电压引起的电流 变化小，检波输出电压小，这样就造成 了检波器输出电压正、负半周不对称。这种波形的不对称是二极管伏安特性 非线性引起。(3)惰性失真(对角线切割失真) 在调幅波包络下降时，由于时间常数RC太大,电容c的放电速度跟不上输 入电压包络的下降速度，致使二极管截 止而产生失真（如下图中时间。口,2 内）。这种非线性失真是由于C的惰性 太大引起的，所以称为惰性失真。产生的原因:一方面

20、RC越大一高频纹波越小一 越大，检波效率高；另一方面RC过大，其放电时间常数 c = RC就会越大，电容C两端电压与 【即以】在二极管截止期间放电速度 会较慢。如果乙的放电速度小于输入 信号,包络下降的速度，会造成二 极管负偏压大于输入信号的下一个正 峰值,致使二极管在其后的若干个高频 信号周期内不导通，如课本图7-23所 示。G所描述的情形。其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，故称惰性失真。也越大，调制频率。越高，则包络下 降的速度就越快，越易产生惰性失真。 下图为惰性失真波形图要避免惰性失真，必须在任何一个高频 信号周期内，电容的放电速度（

21、即。 的下降速度）大于或等于包络的下降速 度。即：在任何时刻，电容C上的电 压的变化率应大于或等于包络信号的 变化率，即：加。?dt dt (4-1)包络随时间的变化率若输入信号为单频调制的AM信号，即UAM = 7cm(l + ma cosQz)eoscr包络信号，四=匕加(1 + ma cosQ/)在，时刻的变化率dtt=t加qQ匕初sinQ(4-2)电容放电的速率 在时刻电容二端的电压近似与输入信号的峰值相等。即：% I 闩 “ 曦（1 + ma C0SC通过R放电的电压表达式力一，“C。曦（1 +加/osQ/Je RC 在:时刻电容放电的速率为lcl = 曦（1 + %Q曦 cosQ%

22、）I & L RC 1 （4-3）令:1 + ma cos Q，i1(4-4)1(4-5)由于不同时刻。，调幅波的包络下降速 度不同，为了保证在包络下降最快时， 仍不产生惰性失真，即确保A值最大 吐仍有Amaxl o令dA / dt=O,求得A达到最大值的条件cos Q。=-加(4-6)将（4-6）代入（4-5）得:ACmaxRCm” sin Q/(l + ma cosQ/)a/1 M：1避免惰性失真的条件：L - 叱当调制信号为多频信号时，必须保证Q = Qmax最大时满足：RCC2）从避免惰性失真考虑，允许4的最 大值满足下列条件K C-x mdx u rndx工程分析时，取即可。因此，要同时满足上述两个条件，RC可供选用的数值范围由下式确定：5101 5RC10Co当采用分负载电路时乙,和网的数值可按%/% = om02进行分配，而G和G均可取为C/2 （参见图 6.4.12)