哈工大高频赵雅琴课件第六章.ppt

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1、通信系统的基本概念和模型,模拟通信系统框图,1 信息源：需传送的原始信息,2 输入变换器：将发信者提供的非电量消息变换为电信号,3 发送设备：主要有两大任务：调制、放大,4 信道：是连接发、收两端的信号通道，又称传输媒介。,5 接收设备：是从已调信号中恢复出发送端相一致的基带信号,6 输出变换器：将输出的基带信号变换成原来形式的消息,1.3 通信信号传输模型,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,教学要求,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。 了解数字调幅的典型

2、解调方式及其实现电路。,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。调幅信号的解调器又称振幅检波器。 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,同步检波,峰值包络检波,平均包络检波,乘积型同步检波,叠加型同步检波,6.1 概述,调幅解调的分类,调幅解调的方法,1. 包络检波,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， 但需注意：同步检波过程中，为了正常解调，必须恢复载波信号，而所恢

3、复的载波必须与原调制载波同步（即同频同相）。,2. 同步检波,uAM,解调载波,(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

4、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，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)。,6.2 二极管大信号包络检波器,1. 大信号包络检

5、波的工作原理,(1) 电路组成,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就作为检波器的负载，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:,(2) 工作原理分析,+ uD -,uD= ui- uo,R,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

6、，输出电压uo(t) 很快增长 。,作用在二极管VD两端上的电压为ui(t)与uo(t)之差，即uD= ui- uo。所以二极管的导通与否取决于uD,当uD= ui- uo0，二极管导通； 当uD= ui- uo0 ，二极管截止。,ui(t)达到峰值开始下降以后，随着ui(t)的下降，当ui(t)= uo(t)，即uD= ui-uo=0时，二极管VD截止。C把导通期间储存的电荷通过R放电。因放电时常数RC较大，放电较缓慢。,检波器的有用输出电压：uo(t)=u(t)+UDC,+ -,+ -,检波器的实际输出电压为： uo(t)+uc= u(t)+UDC+uc 当电路元件选择正确时，高频纹波电压

7、uc很小，可以忽略,输出电压为： uo(t)=u(t)+UDC 包含了直流及低频调制分量。,图(a)：电容Cd的隔直作用，直流分量UDC被隔离，输出信号为解调恢复后的原调制信号u，一般常作为接收机的检波电路。,图(b)：电容C的旁路作用，交流分量u(t)被电容C旁路，输出信号为直流分量UDC，一般可作为自动增益控制信号（AGC信号）的检测电路。,峰值包络检波器的应用型输出电路,若设输入信号,如果以右图所示的折线表示二极管的伏安特征曲线（注意在大信号输入情况下是允许的），则有：,有：,低频调制分量：,其中：,直流分量 ：,(1) 电压传输系数Kd （检波效率）,定义：,2. 电路主要性能指标,有

8、,另外，还可以证明导通角的表达式：,代入上式可得：,（2）检波的等效输入电阻,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，这也是峰值检波器的主要缺点。,讨论： 当VD和R确定后，即为恒定值，与输入信号大小无关，亦即检波效率恒定，与输入信号的值无关。表明输入已调波的包络与输出信号之间为线性关系，故称为线性检波,则输出信号为：, 当,一般计算方法为：,当输入信号为：,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。若设输入信号为等幅载波信号:,忽略二极管导通电阻rd上的损耗功率，由能量守

9、恒原则，检波器输入端的高频功率,全部转换为输出端负载电阻R上消耗的功率,即有,又因Kd=cos 1,所以,(1) 惰性失真,二极管峰值型检波器中存在着两种特有失真：,惰性失真,底部切割失真,为了提高检波效率和滤波效果，（C越大，高频波纹越小），总希望选取较大的R、C值，但如果R、C 取值过大，使R、C的放电时间常数= RC 所对应的放电速度小于输入信号(AM)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，从而产生失真，这种失真是由于电容放电惰性引起的，故称为惰性失真。,(2) 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,(3) 避免产生惰性失真的条件：,在任何时刻，电

10、容C上电压的变化率应大于或等于包络信号的变化率，即：,3. 检波器的失真,另外，在二极管截止瞬间，电容两端所保持的电压近似等于输入信号的峰值。即,若设输入信号AM信号：,包络信号为：,在t1时刻包络的变化率:,那么电容C通过R放电的电压关系为：,(4)分析：,则有：,即：,可解得：,有,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,可见，ma，越大，信号包络变化越快，要求RC的值就应该越小。,(5) 底部切割失真,1) 原因：一般为了取出低频调制信

11、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，要求：,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),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

12、-ma)越小，底部切割失真也越易产生。,+UDC -,+ 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。,一般：,(1) 回路有载Q L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. 检波器设计及元件参数的选择,(3) 为了减少输出信号的频率失真（输出信号为一个低频限带信号）,要求：,(4) 为了避免惰性失真：要求：,1. 小信号检波概念 输入高频信号的振幅小于0.2V，利用二极管伏安特性的弯曲部

13、分进行频率变换，然后通过低通滤波器实现检波。,2. 小信号检波器的工作原理,因为是小信号输入，检波器需外加偏压VQ使其静态工作点位于二极管伏安特性的弯曲部分。,6.3 二极管小信号检波器,小信号检波的原理电路,二极管的伏安特性在工作点 Q 附近，可表示为：,由于输出电压很小，忽略输出电压的反作用，可得 ud=ui+VQ ，则忽略高次项可得：,经低通滤波器取出 。其中 为直流电流增量，它代表二极管的检波作用的结果。输出电压增量为：,在输入信号为高频等幅波 ui=Uimcosit 时，,输入信号为普通调幅波 时，因为 i，可以认为在i 一周内：,可见输出电压除分量外。还有2的频率成分，也就是产生了

14、非线性失真。,此电压增量经Cc隔直耦合在RL上得电压为：,这样检波后的输出电压增量为：,是不变的,3. 小信号检波器的特点 (1) 是利用二极管伏安特性非线性段的二次方特性实现频率变换，故又称为平方律检波。 输入为等幅波时的电压传输系数 kd = b2RUim/2 ， 输入为普通调幅波时的电压传输系数 kd = b2RUim 。 它们都与输入信号振幅Uim成正比， Uim越小，则 kd 越小，故小信号检波的电压传输系数小。 (3) 由于二极管始终处于导通状态，其等效输入电阻 Rid可近似等于二极管的导通电阻rd 。 (4) 当输入为普通调幅波时，有2分量输出产生非线性失真大。,4. 小信号检波

15、器的主要技术指标,输入为等幅波时，小信号检波器的电压传输系数为：,(1) 电压传输系数,输入为调幅波时，小信号检波器的电压传输系数为:,(2) 检波器的等效输入电阻 可近似地认为等于二极管的导通电阻rd,(3) 非线性失真系数,叠加型,乘积型,同步检波器可分为：,6.4 同步检波器(Synchronous Detection),注意：两种检波器都需要接收端恢复载波,1. 乘积型,设输入已调波：,而恢复的本地载波为：,So 相乘器输出为：,讨论： (1)当恢复的本地载波与发射端的调制载波同步（同频，同相）,则有：c=0，=0。,能够无失真将调制信号恢复出来。,(2) 若本地载波与调制载波有频差，

16、即：,即引起频率和相位失真。,则,引入一个振幅衰减因子cos，若随时间变化，会引起频率和相位失真。,(3) 若本地载波与调制载波有相位差，即：,乘积型同步检波器的实用电路,低通 滤波器,谐振限幅放大器,乘法器,uAM,u,uc,u ,u,ux,uy,uAM,u ,uAM,注意： (1) 同步解调的关键是乘积项，即以前介绍的具有乘积项的线性频谱搬移电路，只要后接低通滤波器都可实现乘积型同步检波。 (2) 同步检波无失真的关键是同步。 (3) 普通调幅波也可以采用乘积型同步检波器实现检波。,uAM,2. 叠加型同步检波器,(2) 叠加型同步检波器工作原理,设输入单频调制的单边带信号(上边带)为：,

17、本地载波信号为,式中,由于包络检波器对相位不敏感，只讨论包络的变化：,式中，m=USSB /Uo。当，m USSB时，利用到公式,如果设包络检波器的电压传输系数为Kd，那么ud经包络检波器后，输出电压为,与模拟调幅信号的解调相似，也有包络解调和相干解调两种方法。 1、包络解调法,2ASK信号包络解调,6.5 数字调幅信号的解调,（1）2ASK信号经带通滤波器选频滤波后送给包络检波，通过低通滤波器取出基带包络信号。 （2）与模拟调幅解调不同的是，为了提高数字解调的性能，增加了抽样判决器。它包括抽样、判决及码元形成，有时又称译码器。 （3）包络检波输出基带包络经抽样、判决后将码元再生，即可恢复数字序列。,2、相干解调法,（2）检波后在通过抽样判决器恢复数字序列an。,2ASK信号相干解调,（1）与模拟调幅信号同步检波一样利用乘法器实现同步检波，即相干解调。,