《高頻電子線路》PPT課件.ppt

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1、第六章 調(diào)幅信號的解調(diào) 6.1 概述 6.2 二極管大信號包絡(luò)檢波器 6.3 二極管小信號檢波器 6.4 同步檢波器 6.5 數(shù)字調(diào)幅信號的解調(diào) 教學(xué)要求 掌握典型調(diào)幅信號解調(diào)電路的結(jié)構(gòu)、工作原 理、分析方法和性能特點(diǎn)。 了解數(shù)字調(diào)幅的典型解調(diào)方式及其實(shí)現(xiàn)電路。 解調(diào)： 是調(diào)制的逆過程 ， 是從高頻已調(diào)波中恢復(fù)出原低頻調(diào)制信號的 過程 。 又稱 振幅檢波器 。 從頻譜上看： 解調(diào)也是信號頻譜的線性搬移過程 ， 將高頻端的信號頻 譜搬移到低頻端 。 解調(diào)過程和調(diào)制過程相對應(yīng) ， 不同的調(diào)制方式 對應(yīng)于 不同的解調(diào) 。 振幅調(diào)制 解調(diào) AM調(diào)制 DSB調(diào)制 SS

2、B調(diào)制 包絡(luò)檢波 同步檢波 峰值包絡(luò)檢波 平均包絡(luò)檢波 乘積型同步檢波 疊加型同步檢波 6.1 概述 調(diào)幅解調(diào)的分類 調(diào)幅解調(diào)的方法 1. 包絡(luò)檢波 t 調(diào)幅波 調(diào)幅波頻譜 c+ c- c 輸出信號頻譜 包絡(luò)檢波輸出 t 非線形電路 低通濾波器 調(diào)幅波調(diào)幅波 t 調(diào)幅波 包絡(luò)檢波輸出包絡(luò)檢波輸出包絡(luò)檢波輸出 由于 DSB和 SSB信號的包絡(luò)不同于調(diào)制信號，不能用包絡(luò)檢波器， 只 能用 同步檢波器 ， 但需注意： 同步檢波過程中，為了正常解調(diào)，必須恢復(fù)載波信號，而 所恢復(fù)的載波必須與原調(diào)制載波同步（即同頻同相）。 乘法器 低通濾波器 uDSB uo

3、 u 2. 同步檢波 包絡(luò)檢波器 加法器 uDSB uo u uAM 解調(diào) 載波 (1) 電壓傳輸系數(shù) Kd 檢波電路的主要技術(shù)指標(biāo) 是指檢波電路的輸出電壓和輸入高頻電壓振幅之比。 當(dāng)檢波電路的輸入 信號 為高頻等幅波 ， 即 ui(t)=Uimcosct時(shí) ， Kd定 義為輸出直流電壓 Uo與輸入高頻電壓振幅 Uim的比值 ， 即 當(dāng)輸入高頻調(diào)幅波 ui(t)=Uim(1+macost)cosct時(shí)， Kd定義為輸出低 頻信號 分量的振幅 Um與輸入高頻調(diào)幅波包絡(luò)變化的振幅 maUim的 比值，即 (2) 等效輸入電阻 Rid im o d U U

4、K ima m d Um UK 因?yàn)闄z波器是非線性電路， Rid的定義與線性放大器是不相同的。 Rid定義為輸入高頻等幅電壓的振幅 Uim，與輸入端高頻脈沖電流基波 分量的振幅之比，即 1m im id I UR (3) 非線性失真系數(shù) Kf 非線性失真的大小，一般用非線性失真系數(shù) Kf表示。當(dāng)輸入信號為單 頻調(diào)制的調(diào)幅波時(shí)， Kf定義 為： U UUK f 2 3 2 2 U、 U2、 U3 分別為輸出電壓中調(diào)制信號的基波和各次諧波分量的 有效值。 (4) 高頻濾波系數(shù) F 檢波器輸出電壓中的高頻分量應(yīng)該盡可能的被濾除，以免產(chǎn)生高頻 寄生反饋，導(dǎo)致接收機(jī)工作不穩(wěn)定。

5、 高頻濾波系數(shù)的定義 為 ， 輸入高頻電壓的振幅 Uim與輸出高頻電壓的 振幅 U om的比值 ， 即 mo im U UF 在輸入高頻電壓一定的情況下，濾波系數(shù) F越大，則檢波器輸出端的 高頻電壓越小，濾波效果越好。通常要求 F(50 100)。 6.2 二極管大信號包絡(luò)檢波器 1. 大信號包絡(luò)檢波的工作原理 (1) 電路組成 ZL + - ui VD R C + - ui R ui + - C rd 由 輸入回路 、 二極管 VD和 RC低通濾波器 組成。 RC低通濾波電路有兩個(gè)作用： 對 低頻調(diào)制信號 u來說，電容 C的容抗 ，電容

6、 C相當(dāng)于開路，電阻 R就作為 檢波器的負(fù)載，其兩端產(chǎn)生輸出低頻解調(diào)電壓。 RC 1 對 高頻載波信號 uc來說，電容 C的容抗 ，電容 C相當(dāng)于短 路，起到對高頻電流的旁路作用，即濾除高頻信號。 RC c 1 理想情況下， RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)所呈現(xiàn)的阻抗為 : RZ ZZ )( 0)()( c L (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 當(dāng)輸入信號 ui(t)為調(diào)幅波時(shí)，那么載波正半 周時(shí)

7、二極管正向?qū)?，輸入高頻電壓通過二 極管對電容 C充電，充電時(shí)間常數(shù)為 rdC。 因 為 rdC較小，充電很快，電容上電壓建立的很 快，輸出電壓 uo(t) 很快增長 。 作用在二極管 VD兩端上的電壓為 ui(t)與 uo(t) 之差，即 uD= ui- uo。所以二極管的導(dǎo)通與 否取決于 uD 當(dāng) uD= ui- uo0，二極管導(dǎo)通； 當(dāng) uD= ui- uo50) 353 3115231 tg 33 33 R rRg d d 代入上式可得： ttmUu caimi c o s)c o s1( )c o s1()( tmUKtu aimdo c o sKR d （ 2

8、） 檢波的等效輸入電阻 idR 峰值檢波器常作超外差接收機(jī) 中放末級的負(fù)載 ， 故其輸入阻抗對前級 的有載 Q值及回路阻抗有直接影響 ， 這也是峰值檢波器的主要缺點(diǎn)。 討論： 當(dāng) VD和 R確定后， 即為恒定值，與輸入信號大小無關(guān)， 亦即檢波效率恒定，與輸入信號的值無關(guān)。表明輸入已調(diào)波的包絡(luò) 與輸出信號之間為線性關(guān)系，故稱為線性檢波 則輸出信號為： 當(dāng) 1dK 1dK但 理想值 50gR 9.0dK一般當(dāng) ， 一般計(jì)算方法為： 當(dāng)輸入信號為： 33 33 R rRg D d 檢波器的輸入電阻 Rid是為研究檢波器對 其輸入諧振回路影響的大小而定義的 ， 因而 ， Ri

9、d是對載波頻率信號呈現(xiàn)的參量 。 若設(shè)輸入信號為等幅載波信號 : tUu cimi c o s + - uo 中放末級 Rs VD R C s C Ls is Rid + - ui KdUim ui(t) t 忽略二極管導(dǎo)通電阻 rd上的損耗功率，由 能量守恒原則，檢波器輸入端的高頻功率 id 2im 2R U R UK 2im2d 全部轉(zhuǎn)換為輸出端負(fù)載電阻 R上消耗的功 率 即有 R UK R U 2im2d id 2im 2 又因 Kd=cos 1 RR 2 1 id 所以 (1) 惰性失真 二極管峰值型檢波器中存在著兩種特有失真： 惰性失真

10、底部切割失真 為了提高檢波效率和濾波效果，（ C越大，高頻波紋越?。傁Ｍ?選取較大的 R、 C值，但 如果 R、 C 取值過大，使 R、 C的放電時(shí)間常數(shù) = RC 所對應(yīng)的放電速度小于輸入信號 (AM)包絡(luò)下降速度時(shí)，會造成 輸出波形不隨輸入信號包絡(luò)而變化，從而產(chǎn)生失真， 這種失真是由于 電容放電惰性引起的，故稱為惰性失真。 (2) 產(chǎn)生惰性失真的原因： 輸入 AM信號包絡(luò)的變化率 RC 放電的速率 (3) 避免產(chǎn)生惰性失真的條件： 在任何時(shí)刻，電容 C上電壓的變化率應(yīng)大于或等于包絡(luò)信號的變化率， 即： t tU t u AMC )( t ui(t)與 uc(t) u

11、 c(t) ui(t) 3. 檢波器的失真 另外， 在二極管截止瞬間，電容兩端所保持的電壓近似等于輸入信號 的峰值。 即 ttmUu aimi 0c o s)c o s1( )c o s1()( tmUtU aimAM 1s i n )( tUm t tU ima AM )c o s1( tmUu aimC RC tt aimC etmUtu 1)c os1()( 1 )c o s1(1 1 1 tmURCtu aim tt C 11 s i n)c o s1( 1 tmUmtmU RC aimaim 若設(shè)輸入信號 AM信號： 包絡(luò)信號為： 在 t1時(shí)刻包絡(luò)的變

12、化率 : 那么電容 C通過 R放電的電壓關(guān)系為： 時(shí)刻不產(chǎn)生惰性失真的條件為： 1t 所以要求在 (4)分析： 則有： 1c o s1 s i n 1 1 tm tmRCA a a 1t )(tUAM Cu實(shí)際上不同的 ， 和 下降速度不同。 為 在任何時(shí)刻都避免產(chǎn)生惰性失真， 必須保證 A值取最大時(shí)仍有 1max A 故令 : 0dtdA 0c os1 s i nc os)c os1( 2 2222 tm tRCmttmmRCdtdA a aaa 即： ;c o s amt 22 1c o s1s i n amtt 可解得： a a m mRC 21

13、 有 實(shí)際應(yīng)用中 ， 由于調(diào)制信號總占有一定的頻帶 (min max)， 并且各頻 率分量所對應(yīng)的調(diào)制系數(shù) ma也不相同 ， 設(shè)計(jì)檢波器時(shí) ， 應(yīng)該用最大調(diào) 制度 mmax和最高調(diào)制頻率 max來檢驗(yàn)有無惰性失真 ， 其檢驗(yàn)公式為 可見， ma， 越大，信號包絡(luò)變化越快，要求 RC的值就應(yīng)該越小。 m a xm a x 2 m a x1 mRC )c o s1( tmU aim Uim(1-ma) (5) 底部切割失真 1) 原因：一般為了取出低頻調(diào)制信號，檢波器與后級低頻放大器的 連接如圖所示，為能有效地傳輸檢波后的低頻調(diào)制信號，要求： Ui m RRRUU L DCR

14、 UR 二極管截止，檢波輸出信號不跟隨輸入調(diào)幅波包絡(luò)的變化而產(chǎn)生失真。 當(dāng) UR Uim(1-ma) ttmUu caimi c o s)c o s1( UR 或 m i nd L 1 CR m i ndL 1 CR 通常 Cd取值較大 (一般為 5 10F)， 在 Cd兩端的直流電壓 UDC，大小近似 等于載波電壓振幅 UDC=KdUim UDC經(jīng) R和 RL分壓后在 R上產(chǎn)生 的直流電壓為： 由于 UR對檢波二極管 VD來說相 當(dāng)于一個(gè)反向偏置電壓，會影響 二極管的工作狀態(tài)。 在輸入調(diào)幅波包絡(luò)的負(fù)半周峰值處可能會低于 UR , 顯然， RL越小， UR分壓值越大，底

15、部切割失真越容易產(chǎn)生；另外， ma 值越大，調(diào)幅波包絡(luò)的振幅 maUim越大，調(diào)幅波包絡(luò)的負(fù)峰值 Uim(1-ma) 越小，底部切割失真也越易產(chǎn)生。 后級放大器 ui + - C RL R VD Cd +UDC - + - UR + u(t) - 要防止這種失真 ， 要求調(diào)幅波包絡(luò)的負(fù) 峰值 Uim(1-ma)須大于直流電壓 UR。 即： RRR UmU im L aim )1( 避免底部切割失真的條件為： R R R RR RR Rm //L L L a 式中： R=RL//R為輸出端的交流負(fù) 載電阻，而 R為直流負(fù)載電阻。 一般： 1)//( idsscL RR

16、CQ (1) 回路有載 LQ 要大：這應(yīng)該從選擇性及通頻帶的要求來考慮。 cTRC 為高頻載波周期 cT (2) 為發(fā)保證輸出的高頻紋波小要求： c RC 1 即 4. 檢波器設(shè)計(jì)及元件參數(shù)的選擇 (3) 為了減少輸出信號的頻率失真（輸出信號為一個(gè)低頻限帶信號） 要求： 不影響下限頻率 不影響上限頻率 ddL CCR CRC m i n m a x 1 1 min max m a xm a x 2 m a x m m1RC (4) 為了避免惰性失真：要求： L L RR Rm R RR L //(5) 為了避免底部切割失真： 或 +

17、 - u 中放末級 Rid RL C VD R C s Ls Rs is Cd 1. 小信號檢波概念 輸入高頻信號的振幅小于 0.2V，利用二極管伏安特性的 彎曲部 分 進(jìn)行頻率變換，然后通過低通濾波器實(shí)現(xiàn)檢波。 2. 小信號檢波器的工作原理 因?yàn)槭切⌒盘栞斎耄瑱z波器需外 加偏壓 VQ使其靜態(tài)工作點(diǎn)位于二 極管伏安特性的 彎曲部分 。 6.3 二極管小信號檢波器 小信號檢波的原理電路 二極管的伏安特性在工作點(diǎn) Q 附近，可表示為： ...332210 QdQdQdd vubvubvubbi 2 2 1 2 imbU 由于輸出電壓很小， 忽略 輸出電壓的反

18、作用，可得 ud=ui+VQ ， 則忽略高次項(xiàng)可得： 220 1 2c o s c o sim i im ib b U t b U t 22 0 1 2 2 11c os c os 2 22im i im im ib b U t b U b U t ...332210 iiid ubububbi 2 02 1 2 imb b U 2 2 1 2 imu b RU 經(jīng)低通濾波器取出 。其中 為直流電流增量， 它代表二極管的檢波作用的結(jié)果。輸出電壓增量為： 2210 iid ububbi 在輸入信號為高頻等幅波 ui=Uimcosit 時(shí) ，

19、 輸入信號為普通調(diào)幅波 時(shí)， 因?yàn)? i，可以認(rèn)為在 i 一周內(nèi)： ( 1 c o s ) c o si i m a iu U m t t ( 1 c os )im a imU m t U 2 2 2 22 11 ( 1 c os ) 22 im im ab R U b R U m t 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1c os c os 2 2 4 4im a im a im a imb R U b R m U b R m U t b R m U t 2 2 2 22 1c o s c o

20、 s 2 4a im a imb R m U t b R m U t 可見輸出電壓除 分量外。還有 2的頻率成分，也就是產(chǎn)生了 非線性失真 。 此電壓增量經(jīng) Cc隔直耦合在 RL上得電壓為： 這樣檢波后的輸出電壓增量為： 是不變的 3. 小信號檢波器的特點(diǎn) (1) 是利用二極管伏安特性非線性段的二次方特性實(shí)現(xiàn)頻率變換， 故又稱為 平方律檢波 。 (2) 輸入為等幅波時(shí)的電壓傳輸系數(shù) kd = b2RUim/2 ， 輸入為普通調(diào)幅波時(shí)的電壓傳輸系數(shù) kd = b2RUim 。 它們都與輸入信號振幅 Uim成 正比 ， Uim越小，則 kd 越小，故 小

21、信號檢波的電壓傳輸系數(shù)小。 (3) 由于二極管始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，其等效輸入電阻 Rid可 近似等于 二極管的導(dǎo)通電阻 rd 。 (4) 當(dāng)輸入為普通調(diào)幅波時(shí)，有 2分量輸出產(chǎn)生非線性失真大。 4. 小信號檢波器的主要技術(shù)指標(biāo) 輸入為等幅波時(shí) ，小信號檢波器的電壓傳輸系數(shù)為： (1) 電壓傳輸系數(shù) RUbU RUb K im im im d 2 2 2 2 12 1 輸入為調(diào)幅波時(shí) ，小信號檢波器的電壓傳輸系數(shù)為 : RUbUm RUmbK im ima imad 222 (2) 檢波器的等效輸入電阻 可近似地認(rèn)為等于二極管的導(dǎo)通電阻 rd (3) 非線性失真系數(shù)

22、 a ima ima m mm f mUmb Umb U UUK 4 14 1 2 2 22 22322 疊加型 乘積型 同步檢波器可分為： 6.4 同步檢波器 (Synchronous Detection) 注意：兩種檢波器 都需要接收端恢復(fù)載波 1. 乘積型 乘法器 低通濾 波器 uDSB uc 本地載波 u(t) 設(shè)輸入已調(diào)波： ttUu cDS B c o sc o s )c o s ( 1 tUu cc 而恢復(fù)的本地載波為： So 相乘器輸出為 ： tttUU tttUUuu ccc cccD S B 11 1 c o

23、 sc o sc o s 2 1 )c o s (c o sc o s ， 則經(jīng)低通濾波器后的輸出信號為： cc 1 令 )c o s (c o s )c o s (c o s 2 1 ttU ttUUu c cc oo 22 本地載波 DSB信號 討論： (1)當(dāng)恢復(fù)的本地載波與發(fā)射端的調(diào)制載波同步 （ 同頻 ， 同相 ） 則有： c=0， =0。 tUu c o s 能夠 無失真 將調(diào)制信號恢復(fù)出來。 0 0 c (2) 若本地載波與調(diào)制載波有頻差 ，即： ttUu c c o sc o s 即引起 振幅失真 。 tU

24、u c o sc o s 則 引入一個(gè)振幅衰減因子 cos， 如果 隨時(shí)間變化，會引起 振幅失真 。 乘法器 低通濾 波器 uDSB uc 本地載波 u(t) )c o s (c o s )c o s (c o s 2 1 ttU ttUUu c cc (3) 若本地載波與調(diào)制載波有相位差，即： 0 c 0 乘積型同步檢波器的實(shí)用電路 低通 濾波器 諧振限幅放大器 乘法器 CD Ioy Rw -15V -15V 15k R +15V R13 -EE VT3 5.1k Rwx 121k 100k 121k R1 1 Rc 14 12 9 4 Rc 8 13 3

25、R3 2 7 +15V 5 6 10 11 Iox RwZ EC=15V - + 11k 1M 25k -15V 10k 10k Rwy 2k 2k Rx Ry BG314 （ MC1595） A VT1 VT2 L C 510 510 fo C 諧振限 幅放大器 乘法器 低通 濾波器 CD 4 9 uAM u uc u u ux uy uAM u uAM 注意： (1) 同步 解調(diào)的關(guān)鍵是乘積項(xiàng) ， 即以前介紹的具有乘積項(xiàng)的 線性頻譜搬移電路 ， 只要后接低通濾波器都可實(shí)現(xiàn)乘積型同步 檢波 。 (2) 同步檢波 無失真的關(guān)鍵是同步 。 (3) 普通調(diào)幅波也可以采用

26、乘積型同步檢波器實(shí)現(xiàn)檢波 。 相加 器 包絡(luò)濾 波器 uDSB uc 本地載波 u uAM 2. 疊加型同步檢波器 (2) 疊加型同步檢波器工作原理 + uc - + - u VD R C + - uSSB + - uSSB + uc - T1 T2 ud uc 本地載波 相加器 包絡(luò)濾波器 uSSB u ud 設(shè)輸入單頻調(diào)制的單邊帶信號 (上邊帶 )為： ttUttUtUu cSSBcSSBcSSBSSB s i ns i nc o sc o s)c o s ( 本地載波信號為 tUu coc c o s )(c o s )( s

27、i ns i nc o s)c o s( cm cSSBcoSSBcSSBd tttU ttUtUtUuuu 式中 22SSBm )s i n()c o s()( tUUtUtU SSBo o SSB UtU tUt c o ss i na r c t a n)( SSB 由于包絡(luò)檢波器對相位不敏感，只討論包絡(luò)的變化： tmmUt U U U UU tUUUUtU o o SSB o SSB o oSSB c os2)(1c os2)(1 c os2)( 22 2 o 2 SSBm 式中， m=USSB /Uo。當(dāng)， m< USSB時(shí)，利用到公式 211 xx

28、 )c o s1(c o s21)(m tmUtmUtU oo 如果設(shè)包絡(luò)檢波器的電壓傳輸系數(shù)為 Kd， 那么 ud經(jīng)包絡(luò)檢波器后 ， 輸 出電壓為 )c o s1(d tmUKu o 與模擬調(diào)幅信號的解調(diào)相似，也有 包絡(luò)解調(diào) 和 相干解調(diào) 兩種方法。 1、包絡(luò)解調(diào)法 2ASK信號包絡(luò)解調(diào) 6.5 數(shù)字調(diào)幅信號的解調(diào) （ 1） 2ASK信號經(jīng)帶通濾波器選頻濾波后送給包絡(luò)檢波，通過低通 濾波器取出基帶包絡(luò)信號。 （ 2）與模擬調(diào)幅解調(diào)不同的是，為了提高數(shù)字解調(diào)的性能，增加了 抽樣判決器。它包括抽樣、判決及碼元形成，有時(shí)又稱譯碼器。 （ 3）包絡(luò)檢波輸出基帶包絡(luò)經(jīng)抽樣、判決后將碼元再生，即可恢復(fù) 數(shù)字序列。 2、相干解調(diào)法 （ 2）檢波后在通過抽樣判決器恢復(fù)數(shù)字序列 an。 2ASK信號相干解調(diào) （ 1）與模擬調(diào)幅信號同步檢波一樣利用乘法器實(shí)現(xiàn)同步檢波，即 相干解調(diào)。