1、第六章振幅调制、解调与混频第六章振幅调制、解调与混频第一节振第一节振 幅幅 调调 制制第二节调幅信号的解调第二节调幅信号的解调第三节第三节混混 频频第四节混频器的干扰第四节混频器的干扰思考题与练习思考题与练习题题Fc /(2)。根据振幅调制信号的定义，已调信号的振幅随调制信号u线性变化，由此可得振幅调制信号振幅Um(t)为式中，Uc(t)与调制电压 u成正比，其振幅 Ucka U 与载波振幅之比称为调幅度（调制度）：(6-3)(6-4)式中，ka为比例系数，一般由调制电路确定，又称为调制灵敏度。由此可得调幅信号的表 达式为 为了使已调波不失真，即高频振荡波的振幅能真实地反映出调制信号的变化规律
2、，调制度m应小于或等于。图6-1（c）、图6-1（d）分别为m、m 时的已调波波形；图6-1（a）、图6-1（b）则分别为调制信号、载波信号的波形。当m 时，称为过调制，如图6-1（e）所示，此时已调信号的振幅已与调制信号不构成线性关系而产生失真，这是应该避免的。在画已调信号波形时，应该注意已调波的包络用虚线表示，因为它只是包络的变化 趋势，而不是实际的变化曲线。(6-5)图6-1AM调制过程中的信号波形 上面的分析是在单一正弦信号作为调制信号的情况下进行的，而一般传送的信号并非 为单一频率的信号，若信号是一连续频谱信号 f(t)时，可用下式来描述调幅波：式中，f(t)是均值为零的归一化调制信
3、号，|f(t)|max。如果调制信号如图6-2（a）所示，已调波波形则如图6-2（b）所示。(6-6)图6-2实际调制信号的调幅波形 由式（6-5）可以看出，要完成振幅调制，可用图6-3的原理框图来完成，其关键在于 实现调制信号和载波的相乘。图6-3振幅调制信号的产生原理图 ）调幅波的频谱 由图6-1（c）可知，调幅波不是一个简单的正弦波形。在单一频率的正弦信号的调制情况下，调幅波如式（6-5）所描述。将式（6-5）用三角公式展开，可得 式（6-7）表明，单频调制的调幅波包含三个频率分量，它是由三个高频正弦波叠加而 成，其频谱图见图6-4。由图6-4及式（6-7）可看到：频谱的中心分量就是载波
4、分量，它 与调制信号无关，不含消息。(6-7)而两个边频分量 fc F及 fc F则以载频为中心对称分布，两个边频幅度相等并与调制信号幅度成正比。边频相对于载频的位置仅取决于调制信号的 频率，这说明调制信号的幅度及频率消息只含于边频分量中。图6-4单音调制时已调波的频谱 在多频调制情况下，各个低频频率分量所引起的边频对组成了上、下两个边带。例如 语言信号，其频率范围大致为3003400Hz（如图6-5（a）所示），这时调幅波的频谱如图6-5（b）。由图可见，上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的 镜像。所谓频谱结构相同，是指各频率分量的相对振幅及相对位置没有变化。这就是说
5、，振幅调制是把调制信号的频谱搬移到载频两侧，在搬移过程中频谱结构不变。这类调制方 式属于频谱线性搬移的调制方式。单频调制时，调幅波占用的带宽BAM 2F。如调制信号为一连续谱信号或多频信号，其最高频率为Fmax，则振幅调制信号占用的带宽BAM 2Fmax。信号带宽是决定无线电台频 率间隔的主要因素，如通常广播电台规定的带宽为9kHz，VHF电台的带宽为25kHz。图6-5话音信号及已调信号频谱 ）调幅波的功率 平均功率（简称功率）是对恒定幅度、恒定频率的正弦波而言的。调幅波的幅度是变化的，所以它存在几种状态下的功率，如载波功率、最大功率及最小功率、调幅波的平均功率等。在负载电阻RL上消耗的载波
6、功率为(6-8)在负载电阻RL上，一个载波周期内调幅波消耗的功率为 由此可见，P是调制信号的函数，是随时间变化的。上、下边频的平均功率均为(6-9)(6-10)AM 信号的平均功率为 由式（6-11）可以看出，AM 波的平均功率为载波功率与两个边带功率之和。而两个边 频功率与载波功率的比值为(6-11)(6-12)当100调制时（m），边频功率为载波功率的二分之一，即只占整个调幅波功率的1/3。当m值减小时，两者的比值将显著减小，边频功率所占比重更小。同时可以得到调幅 波的最大功率和最小功率，它们对应调制信号的最大值和最小值分别为 Pmax 限定了用于调制的功放管的额定输出功率PH，要求PH
7、Pmax。(6-13)在普通的振幅调制方式中，载频与边带一起发送，不携带调制信号分量的载频占去了 2/3以上的功率，而携带有信息的边频功率不到总功率的1/3，功率浪费大，效率低。但它 仍广泛地应用于传统的无线电通信及无线电广播中，其主要的原因是设备简单，特别是振 幅调制信号解调器很简单，便于接收，而且与其他调制方式（如调频）相比，振幅调制信号 占用的频带窄。双边带信号双边带信号 在调制过程中，将载波抑制就形成了抑制载波双边带信号，简称双边带（DSB）信号。它可用载波与调制信号相乘得到，其表示式为 在单一正弦信号uU cos t调制时，有式中，g(t)是双边带信号的振幅，与调制信号成正比。与式（
8、6-3）中的Um(t)不同，这里g(t)可正可负。因此单频调制时的双边带信号波形如图6-6（c）所示。(6-14)(6-15)与 AM波相比，它有如下特点：（）包络不同。普通调幅信号波的包络正比于调制信号f(t)的波形，而双边带波的包络则正比于|f(t)|。例如g(t)kcost，它具有正、负两个半周，所形成的双边带信号的包络为|cost|。当调制信号为零时，即cost0，DSB波的幅度也为零。（）双边带信号的高频载波相位在调制电压零交点处（调制电压正负交替时）要突变180。由图可见，在调制信号正半周内，已调波的高频与原载频同相，相差为0；在调制信 号负半周内，已调波的高频与原载频反相，相差1
9、80。这就表明，双边带信号的相位反映 了调制信号的极性。因此，严格地讲，双边带信号已非单纯的振幅调制信号，而是既调幅 又调相的信号。图6-6DSB信号波形 从式（6-15）看出，单频调制的双边带信号只有 fc F及fc F两个频率分量，它的频谱相当于从普通调幅信号频谱图中将载频分量去掉后的频谱。由式（6-14）可以看出，双边带信号的产生可以将调制信号和载波直接相乘即可。由于双边带信号不含载波，它的全部功率被边带占有，所以发送的全部功率都载有消 息，功率利用率高于普通调幅信号。由于两个边带所含消息完全相同，故从消息传输角度 看，发送一个边带的信号即可，这种方式称为单边带调制。图6-7调制信号波形
10、 题意分析：AM 信号是其振幅随调制信号变化的一种振幅调制信号，确切地讲，其振 幅与调制信号 u 成线性关系。调幅信号的表达式为 uAM(t)Uc1 mf(t)cosct，式中 f(t)为调制信号的归一化信号，即|f(t)|max1。由 AM 信号的表达式可以看出，调幅信号的振幅，是在原载波振幅的基础上，将 f(t)信号乘以 mUc叠加到载波振幅 Uc之上，再与cosct相乘后，得到 AM信号的波形。对双边带信号，直接将调制信号u与载波 uc相乘，就可得到 DSB信号的波形。应注意的是，DSB信号在调制信号u的过零点处，载波相位有180的突跳。解解图6-8为 AM波在m0.5和m1的波形和 D
11、SB信号的波形。图6-8例题6.1波形图 讨论：对AM信号，当m0.5时，其振幅可以看成是将调制信号叠加到载波振幅Uc上，其振幅的最大值（对应调制信号的最大值）为Uc（10.5），最小值（对应调制信号的最小值）为Uc（10.5），包络的峰-峰值为Uc。当m1时，其振幅可以看成是将调制信号叠加到载波振幅Uc上，其最大值与最小值分别为2 Uc和0，峰-峰值为2Uc。由此可见，m越大，振幅的起伏变化越大，有用的边带功率越大，功率的利用率越高。对DSB信号，是在 AM信号的基础上将载波抑制而得到的，反映在波形上，是将包络中的Uc分量去掉，将u 与uc 直接相乘就可得到 DSB信号。应注意的是，DSB信
12、号的包络与调制信号的绝对值成正比，在调制信号的过零点载波要反相。特别要指出的是，DSB信号是在 AM信号的基础 上将载波抑制后得到的，但不可用滤波的方法将载波分量滤出，而是采用如平衡电路等方 法将载波分量抵消，从而得到 DSB信号的。在画波形时，包络不能用实线，只能用虚线，因为它只是反映了包络的变化趋势，而不是信号的瞬时值。单边带信号单边带信号 单边带（SSB）信号是由双边带信号经边带滤波器滤除一个边带，或在调制过程中直接 将一个边带抵消而成。单频调制时uDSB(t)kuuc。当取上边频（带）时，有取下边频（带）时，有 从式（6-16）和式（6-17）可知，单频调制时的单边带信号仍是等幅波，但
13、它与原载波电压是不同的。单边带信号的振幅与调制信号的幅度成正比，它的频率随调制信号频率的不同而不同，因此它含有消息特征。单边带信号的包络与调制信号的包络形状相同。(6-16)(6-17)图6-9单音调制的SSB信号波形图6-10单边带调制时的频谱搬移 双音调制时，每一个调制频率分量产生一个对应的单边带信号分量，它们之间的关系 和单音调制时一样，振幅之间成正比，频率则线性移动，如图6-11所示。这一调制关系也 同样适用于多频率分量信号 f（t）的单边带调制。图6-11双音调制时SSB信号的波形和频谱 由式（6-16）和式（6-17），利用三角公式，可得和 式（6-18）对应于上边带，式（6-19
14、）对应于下边带。这是SSB信号的另一种表达式，由此可以推出u(t)f(t)，即一般情况下的单边带信号的表达式：式中，“”号对应于下边带，“”号对应于上边带。(6-18)(6-19)(6-20)(6-21)(6-22)(6-23)图6-12希尔伯特变换网络及其传递函数 单边带调制从本质上说是幅度和频 率都随调制信号改变的调制方式。但是 由于它产生的已调信号频率与调制信号 频率间只是一个线性变换关系（由 F变 至 fc F 或 fc 的线性搬移），这一 点与调幅信号及双边带信号相似，因此通常把它归于振幅调制。由上所述，对 于语音调制而言，其单边带信号的频谱 如图6-13（b）、图6-13（c）所示
15、。图上也表示了产生单边带信号过程中的双边带信号频谱。单边带调制方式在传送信息时，不但功率利用率高，而且它所占用频带为BSSBFm，比调 幅信号、双边带信号减少了一半，频带利用充分，目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。图6-13语音调制的SSB信号频谱二、振幅调制电路二、振幅调制电路 振幅调制电路振幅调制电路 振幅调制信号的产生可以采用高电平调制和低电平调制两种方式完成。目前，振幅调 制信号大都用于无线电广播，因此多采用高电平调制方式。）高电平调制 高电平调制主要用于普通调幅信号，这种调制是在高频功率放大器中进行的。通常分 为基极调幅、集电极调幅以及集电极 基极（或发射极）组合调幅。其基本工
16、作原理就是利 用改变某一电极的直流电压以控制集电极高频电流振幅。集电极调幅和基极调幅的原理和 调制特性已在高频功率放大器一章讨论过了。集电极调幅电路如图6-14所示。等幅载波通过高频变压器1输入到被调放大器的基 极，调制信号通过低频变压器2加到集电极回路且与电源电压相串联，此时，UCC UCC0 u，即集电极电源电压随调制信号变化，从而得集电极电流的基波分量随 u 的规律变化。图6-14集电极调幅电路 由功放的分析已知，当功率放大器工作于过压状态时，集电极电流的基波分量与集电 极偏置电压成线性关系。因此，要实现集电极调幅，应使放大器工作在过压状态。图6-15（a）给出了集电极电流基波振幅 Ic
17、1随 UCC变化的曲线集电极调幅时的静态调制特性，图6-15（b）画出了集电极电流脉冲及基波分量的波形。图6-15集电极调幅的波形 图6-16是基极调幅电路，图中LB1是高频扼流圈，LB为低频扼流圈，C1、C3、C5为低频旁路电容，C2、C4、C6为高频旁路电容。基极调幅与谐振功放的区别是基极偏压随调制 电压变化。在分析高频功放的基极调制特性时已得出集电极电流基波分量振幅 Ic随 UBB变化的曲线，这条曲线就是基极调幅的静态调制特性，如图6-17所示。如果 UBB随 u 变化，Ic1将随之变化，从而得到调幅信号。从调制特性看，为了使 Ic1受 UBB的控制明显，放大器 应工作在欠压状态。图6-
18、16基极调幅电路图6-17基极调幅的波形(6-24)图6-18单二极管调制电路及频谱 （）利用模拟乘法器产生普通调幅波。模拟乘法器是以差分放大器为核心构成的。在 第五章中分析了差分电路的频谱线性搬移功能，对单差分电路，已得到双端差动输出的电流ic与差动输入电压 uA和恒流源（受 uB控制）的关系式（5-57）为(6-25)若将uc加至uA，u加到 uB，则有式中，m U/UEE，x Uc/UT。若集电极滤波回路的中心频率为 fc，带宽为2F，振阻抗为RL，则经滤波后的输出电压uo：(6-26)(6-27)为一振幅调制信号。这种情况下的差动传输特性及io波形如图6-19所示。图6-19（a）中
19、实线为调制电压 u 0时的曲线，虚线表示 u达正、负峰值时的特性，输出为振幅调制信号。如果载波幅度增大，包络内高频正弦波将趋向方波，io中含高次谐波。图6-19差分对AM调制器的输出波形 用双差分对电路或模拟乘法器也可得到振幅调制信号。图6-20（a）给出了用 BG314模拟乘法器产生振幅调制信号的电路，将调制信号叠加上直流成分，即可得到振幅调制信号输出，调节直流分量大小，即可调节调制度 m值，电路要求 Uc、U 分别小于2.5V。用 MC1596G产生振幅调制信号的电路如图6-20（b）所示，MC1596G 与国产 XCC类似，将 调制信号叠加上直流分量也可产生普通调幅波。此外，还可以利用集
20、成高频放大器、可变跨导乘法器等电路产生振幅调制信号。图6-20利用模拟乘法器产生 AM信号 式中包含F分量和(2n 1)fcF（n，）分量，若输出滤波器的中心频率为 fc，带宽为2F，谐振阻抗为RL，则输出电压为(6-28)(6-29)图6-21二极管平衡调制电路 二极管平衡调制器采用平衡方式，将载波抑制掉、从而获得抑制载波的双边带信号。平衡调制器的波形如图6-22所示，加在VD1、VD1上的电压仅音频信号 u 的相位不同（反 相），故电流 i1和 i2仅音频包络反相。电流 i1 i2 的波形如图6-22（c）所示。经高频变压器 T2及带通滤波器滤除低频和3c 等高频分量后，负载上得到双边带信
21、号电压 uo(t)，如 图6-22（d）所示。对平衡调制器的主要要求是调制线性好、载漏小（输出端的残留载波电压要小，一般应 比有用边带信号低20dB以上），同时希望调制效率高及阻抗匹配等。图6-22二极管平衡调制器波形 一实用的平衡调器制电路如图6-23所示。调制电压为单端输入，已调信号为单端输出，省去了中心抽头音频变压器和输出变压器。从图可见，由于两个二极管方向相反，故 载波电压仍同相加于两管上，而调制电压反相加到两管上。流经负载电阻 RL的电流仍为 两管电流之差，所以它的原理与基本的平衡电路相同。图中，C1对高频短路、对音频开路，因此 T1次级中心抽头为高频地电位。R2、R3与二极管串联，
22、同时用并联的可调电阻 R1来 使两管等效正向电阻相同。C2、C3用于平衡反向工作时两管的结电容。图6-23平衡调制器的一种实际线路 为进一步减少组合分量，可采用双平衡调制器（环形调制器）。在第五章已得到双平衡 调制器输出电流的表达式（5-36），在 u1 u，u2 uc的情况下，该式可表示为 经滤波后，有 从而可得双边带信号，其电路和波形如图6-24所示。(6-30)(6-31)图6-24双平衡调制器电路及波形 在二极管平衡调制电路（如图5-7所示电路）中，调制电压u与载波 uc的注入位置与所要完成的调制功能有密切的关系。u加到 u1 处，uc 加到 u2 处，可以得到双边带信号，但 两个信号
23、的位置相互交换后，只能得到振幅调制信号，而不能得到双边带信号。在双平衡 电路中，uc、u 可任意加到两个输入端，均可完成双边带调制，当然，输入回路是不相同 的，一个输入的是低频信号，另一个输入的是高频信号。平衡调制器的一种等效电路是桥式调制器，同样也可以用两个桥路构成的电路等效一 个环形调制器，如图6-25所示。图6-25双桥构成的环形调制器 例例6-2二极管调制电路如图6-26，载波电压控制二极管的通断。试分析其工作原 理并画出输出电压波形；说明 R 的作用。图6-26二极管调制电路 题意分析：这是一种二极管调制电路，与第五章介绍的二极管平衡调制器的电路形式 是不同的。从图中可以看出，载波电
24、压 uc正向地加到两个（串联）二极管上，控制二极管的 导通。这里两个二极管和电阻 R 构成一个电桥，由此可知，调节电阻 R的抽头，可以使电 桥平衡。当二极管导通时（uc0），两个二极管均呈现一导通电阻 RD，电桥平衡时，两个 二极管的中间连接点为地电位，则 u 有效地加到变压器的初级回路中就有电流流动；当二极管截止时（uc 0），两个二极管开路，变压器的输入端不能形成回路，没有电流流动，故 输出端没有输出。由此可以看出，图6-26的电路可以等效为图6-27（a）所示的电路。可以认为在变压器的输入端接了一个由载波电压 uc控制的时变开关。将 uc 0和 uc 0的两 种情况合并考虑，就可得到变压
25、器次级回路的电压，经滤波器（并联谐振回路）滤波后，就可得到输出电压，从而画出输出电压的波形。解当uc 0时，两个二极管导通，呈现一导通电阻RD，若由两个二极管和电阻R组成的电桥平衡，则变压器的下端为地电位，变压器的初级有电流流动，在变压器的次级就 有电压 uo，设变压器的匝数比为1 1，则有 当uc 0时，两二极管截止，变压器初级的下端开路，没有电流流动，则有 将uc 0和uc 0两种情况一并考虑，可用一开关函数K(ct）将两种情况综合，有 若u U cost，则有 经滤波器（并联谐振回路，中心频率0 c）滤波后，输出电压uo为上式表明，该电路完成了DSB调制。图6-27（b）为输出电压的波形
26、图。图6-26中R的作用是与两个二极管构成桥式电路，改变中间抽头可调节桥路的平衡。图6-27 ）差分对调制器 在单差分电路（图5-17）中，将载波电压 uc 加到线性通道，即 uB uc，调制信号 u 加 到非线性通道，即 uA u，则双端输出电流 io(t)为式中，。经滤波后的输出电压uo(t)为(6-32)(6-33)图6-28差分对DSB调制器的波形 由信号分析可知，双边带信号的产生可将u和 uc直接相乘即可。单差分调制器虽然 可以得到双边带信号，具有乘法器功能，但它并不是一个理想乘法器。首先，信号的注入 必须是 uA u，uB uC，且对 u的幅度提出了要求，U 值应小（例如，U 26
27、mV），这 限制了输入信号的动态范围；其次，要得到双边带信号，必须加滤波器以滤除不必要的分 量；必须双端差动输出（单端输出只能得到振幅调制信号）；最后，当输入信号为零时，输出 并不为零，如 uB 0，则电路为一直流放大器，仍然有输出。采用双差分调制器，可以近似为一理想乘法器。前已得到双差分对电路的差动输出电流为 若U、Uc均很小，上式可近似为 不加滤波器就可得到双边带信号。由上面的分析可以看出，双差分对调制器克服了单 差分对调制器上述大部分的缺点。例如，与信号加入方式无关，不需加滤波器，单端输出 仍然可以获得双边带信号。唯一的要求是输入信号的幅度应受限制。(6-34)(6-35)图6-29是用
28、于彩色电视发送机中的双差分对调制器的实际电路。图中，V7、V8 组成恒 流源电路。V5、V6 由复合管组成。RP4用来调整差分电路的平衡性，使静态电流 I5 I6，否则 即使色差信号（调制信号）为零，还有副载频输出，会造成副载频泄漏。同理，RP2 用来调整 V1V4管的对称性，如不对称，即使副载频为零，仍有色差信号输出，称为视频泄漏。图6-29双差分调制器实际线路 单边带调制电单边带调制电路路 ）滤波法 图6-30是采用滤波法产生单边带的发射机框图。调制器（平衡或环形调制器）产生的 双边带信号，通过后面的边带滤波器，就可得到所需的单边带（上边带或下边带）信号。滤 波法单边带信号产生器是目前广泛
29、采用的单边带信号产生的方法。滤波法的关键是边带滤 波器的制作。因为要产生满足要求的单边带信号，对边带滤波器的要求很高。这里主要是 要求边带滤波器的通带、阻带间有陡峭的过渡衰减特性。设语音信号的最低频率为300Hz，调制器产生的上边带和下边带之差为600Hz，若要求对无用边带的抑制度为40dB，则要求滤波器在600Hz过渡带内衰减变化40dB以上。图6-31就是要求的理想边带滤波器的衰减频率特性。除了过渡特性外，还要求通带内衰减要小，衰减变化要小。图6-30滤波法产生SSB信号的框图图6-31理想边带滤波器的衰减特性 通常的带通滤波器是由L、C元件或等效 L、C元件（如石英晶体）构成。从振荡回路
30、的基本概念可知，带通滤波器的相对带宽 f/f0随元件品质因数Q的增加而减小。因为实际 的品质因素不能任意大，当带宽一定时（如3000Hz），滤波器的中心频率 f0 就不能很高。因此，用滤波法产生单边带信号，通常不是直接在工作频率上调制和滤波，而是先在低于 工作频率的某一固定频率上进行，然后如图6-30那样，通过几次混频及放大，将单边带信 号搬移到工作频率上去。目前常用的边带滤波器有机械滤波器、晶体滤波器和陶瓷滤波器等。它们的特点是Q值高、频率特性好、性能稳定。机械滤波器的工作频率一般为100500kHz，晶体边带滤波器的工作频率为一、二兆赫至几百千赫。）移相法 移相法是利用移相网络对载波和调制
31、信号进行适当的相移，以便在相加过程中将其中 的一个边带抵消而获得单边带信号。在单边带信号分析中已经得到了式（6-20），重写如下：图6-32移相法SSB信号调制器 移相法的优点是省去了边带滤波器，但要把无用边带完全抑制掉，必须满足下列两个 条件：两个调制器输出的振幅应完全相同；移相网络必须对载频及调制信号均保证精确的/2相移。根据分析，若要求对无用边带抑制40dB，则要求网络的相移误差在1 左右。这 时单频的载频电压是不难做到的，但对于调制信号，如话音信号300 3400Hz的范围内（波段系数大于11），要在每个频率上都达到这个要求是很困难的。因此，/2相移网络是 移相法的关键部件。第第二节调
32、幅信号的解二节调幅信号的解调调一、调幅信号解调的方法一、调幅信号解调的方法 从高频已调信号中恢复出调制信号的过程称为解调，又称为检波。对于振幅调制信 号，解调就是从它的幅度变化上提取调制信号的过程。解调是调制的逆过程，实质上是将高频信号搬移到低频端，这种搬移正好与调制的搬移过程相反。搬移是线性搬移，故所有 的线性搬移电路均可用于解调。振幅信号解调方法可分为包络检波和同步检波两大类。包络检波是指解调器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方法。由于振幅调制 信号的包络与调制信号成线性关系，因此包络检波只适用于振幅调制波。其原理框图如图 6-33所示。由非线性器件产生新的频率分量，用低通滤波器选出
33、所需分量。双边带信号 和单边带信号的包络不同于调制信号，不能用包络检波，必须使用同步检波。图6-33包络检波的原理框图 同步解调器是一个六端网络，有两个输入电压，一个是双边带信号或单边带信号，另 一个是外加的参考电压（或称为插入载波电压或恢复载波电压）。为了正常地进行解调，恢 复载波应与调制端的载波电压完全同步（同频同相），这就是同步检波名称的由来。同步检 波的框图及输入、输出信号频谱示于图6-34中。顺便指出，同步检波也可解调振幅调制 信号，但因为它比包络检波器复杂，所以很少采用。图6-34同步解调器的框图 同步检波又可以分为乘积型（图6-35（a）和叠加型（图6-35（b）两类。它们都需要
34、用 恢复的载波信号 ur进行解调。图6-35同步检波器二、二极管峰值包络检波二、二极管峰值包络检波器器 原理电路及工作原理原理电路及工作原理 图6-36（a）是二极管峰值包络检波器的原理电路。它由输入回路、二极管VD和RC低通滤波器组成。在超外差接收机中，检波器的输入回路通常就是末级中放的输出回 路。二极管通常选用导通电压小、rD小的锗管。RC电路有两个作用：一是作为检波器的负载，在其两端产生调制频率电压；二是起到高频电流的旁路作用。为此目的，RC网络需满足：式中，c为输入信号的载频，在超外差接收机中则为中频 I；为调制信号频率。在理想情况下，RC网络的阻抗Z应为即对高频短路；对直流及低频由电
35、容C开路，此时负载为R。图6-36二极管峰值包络检波器 在这种检波器中，信号源、非线性器件二极管及RC网络三者为串联。该检波器工作于大信号状态，输入信号电压要大于0.5V，通常在1V左右。故这种检波器的全称为二 极管串联型大信号峰值包络检波器。这种电路也可以工作在输入电压小的情况，由于工作 状态不同，不再属于峰值包络检波器范围，这种电路称为小信号检波器。下面讨论检波过程。检波过程可用图6-37说明。设输入信号ui为等幅高频电压（载波状态），且加电压前图6-36中C上电荷为零，当 ui从零开始增大时，由于电容C的高频阻抗很小，ui几乎全部加到二极管 VD两端，VD导通，C被充电，因 rD小，充电
36、电流很大，又因充电时常数 rD C很小，电容上的电压建立得很快，这个电压又反向加于二极管上，此时 VD上的电压为信源 ui与电容电压 uC之差，即 uD uC ui。当 uC达到 U1值时（见图所示），uD uC ui 0，VD开始截止，随着 ui的继续下降，VD存在一段截止时间，在此期间内电容器 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，放电较慢，在uC值下降不多时，ui的下一个正半周已到来。当 ui uC（如图中U2值）时，VD再次导通，电容C在原有积累电荷量的基础上又得到补充，uC进一步提高。然后，继续上述放电、充电过程，直至 VD导通时C的充电电荷量等于VD截止时C的
37、放电电荷量，便达到动态平 衡状态稳定工作状态。如图中U4以后所示情况，此时，U4已接近输入电压峰值。在下面的研究中，将只考虑稳态过程，因为暂态过程是很短暂的瞬间过程。图6-37加入等幅波时检波器的工作过程 从这个过程可以看出：（）检波过程就是信号源通过二极管给电容充电与电容对电阻R放电的交替重复过程。若忽略 rD，二极管 VD导通与截止期间的检波器等效电路如图6-36（b）、图6-36（c）所示。（）由于 RC时常数远大于输入电压载波周期，放电慢，使得二极管负极永远处于正的 较高的电位（因为输出电压接近于高频正弦波的峰值，即 Uo Um）。该电压对 VD形成一 个大的负电压，从而使二极管只在输
38、入电压的峰值附近才导通。导通时间很短，电流通角 很小，二极管电流是一窄脉冲序列，如图6-37（b），这也是峰值包络检波名称的由来。（）二极管电流 iD 包含平均分量（此种情况为直流分量）Iav及高频分量。Iav流经电阻R形成平均电压Uav（载波输入时，Uav Udc），它是检波器的有用输出电压；高频电流主要被旁路电容C旁路，在其上产生很小的残余高频电压 u，所以检波器输出电压 uo uCUav u，其波形如图6-37（c）。实际上，当电路元件选择正确时，高频波纹电压很小，可以忽略，这时检波器输出电压为UoUav。直流输出电压Udc接近于但小于输入电压峰值Um。根据上面的讨论，可以画出大信号检波
39、器在稳定状态下的二极管工作特性，如图6-38所示，其中二极管的伏安特性用通过原点的折线来近似。二极管两端电压 uD在大部分时间 里为负值，只在输入电压峰值附近才为正值，uD Uo ui。图6-38检波器稳态时的电流电压波形 当输入振幅调制信号时，充放电波形如图6-39（a）。因为二极管是在输入电压的每个 高频周期的峰值附近导通，因此其输出电压波形与输入信号包络形状相同。此时，平均电 压 Uav 包含直流及低频调制分量，即 Uo(t)Uav Udc u，其波形见图6-39（b）。此时 二极管两端电压为 uD uAM Uo(t)，其波形见图6-40，它是在自生负偏压 Uo(t)之上 叠加输入振幅调
40、制信号后的波形。二极管电流 iD 中的高频分量被C旁通，Idc及调制分量 u 流经R形成输出电压。如果只需输出调制频率电压，则可在原电路上增加隔直电容 Cg和 负载电阻 Rg，如图6-41（a）。若需要检波器提供与载波电压大小成比例的直流电压，例如作图6-39输入为 AM信号时检波器的输出波形图图6-40输入为 AM信号时，检波器二极管的电压及电流波形图6-41包络检波器的输出电路 从检波过程还可以看出，RC的数值对检波器输出的性能有很大影响。如果R值小（或C小），则放电快，高频波纹加大，平均电压下降；RC数值大则作用相反。当检波器电路一 定时，它跟随输入电压的能力取决于输入电压幅度变化的速度
41、。当幅度变化快，例如调制频率高或调幅度 m大时，电容器必须较快地放电，以使电容器电压能跟上峰值包络而下降，此时，如果RC太大，就会造成失真。性能分性能分析析 （）传输系数Kd。检波器传输系数 Kd或称为检波系数、检波效率，是用来描述检波器对输入已调信号的解调能力或效率的一个物理量。若输入载波电压振幅为 Um，输出直流电压为 Uo，则 Kd定义为 对振幅调制信号，其定义为检波器输出低频电压振幅与输入高频已调波包络振幅之比：(6-36)由于输入大信号，检波器工作在大信号状态，二极管的伏安特性可用折线近似。在考虑输入为等幅波，采用理想的高频滤波，并以通过原点的折线表示二极管特性（忽略二极管的导通电压
42、VP），则由图6-36有(6-37)(6-38)(6-39)式中，uD ui uo，gD1/rD，为电流通角，iD是周期性余弦脉冲，其平均分量 io为 基频分量为式中，0()、1()为电流分解系数。由式（6-36）和图6-38可得(6-40)(6-41)(6-42)由此可见，检波系数Kd是检波器电流 iD的通角 的函数，求出 后，就可得Kd。当gDR很大时，如gDR50时（一般情况下此条件是可满足的），可得 由以上的分析可以看出：当电路一定（管子与 R一定）时，在大信号检波器中 是恒定的，它与输入信号大小无关。其原因是由于负载电阻R的反作用，使电路具有自动调节作用而维持 不变。例如，当输入电压
43、增加，引起 增大，导致I0、Uo增大，负载电压加大，加到二极管上的反偏电压 增大，致使 下降。(6-43)因 一定，Kd cos ，检波效率与输入信号大小无关。所以，检波器输出、输入间是线 性关系线性检波。当输入AM信号时，输出电压：越小，Kd越大，并趋近于1。而 随 gDR增大而减小，因此，Kd随gDR增加而增大，图6-42就是这一关系曲线。由图可知，当gDR50时，Kd变化不大，且Kd 0.9。(6-44)图6-42Kd-gDR关系曲线图 （）输入电阻Ri。检波器的输入阻抗包括输入电阻Ri及输入电容Ci，如图6-43所示。输入电阻是输入载波电压的振幅Um与检波器电流的基频分量振幅 I1之比
44、值，即(6-45)图6-43检波器的输入阻抗 检波器输入电容包括检波二极管结电容Cj和二极管引线对地分布电容Cf，Ci Cj Cf。Ci可以被看作输入回路的一部分。输入电阻是检波器前级的负载，它直接并入输入回路，影响着回路的有效Q值及回路阻抗。由式（6-41）可知，当gDR50时，很小，可得 由此可见，串联二极管峰值包络检波器的输入电阻与二极管检波器负载电阻R有关。当 较小时，近似为R的一半。R越大，Ri越大，对前级的影响就越小。(6-46)检波器的失检波器的失真真 （）惰性失真。在二极管截止期间，电容C两端电压下降的速度取决于RC的时常数。如RC数值很大，则下降速度很慢，将会使得输入电压的下
45、一个正峰值来到时仍小于uc，也就是说，输 入振幅调制信号包络下降速度大于电容器两端电压下降的速度，因而造成二极管负偏压大 于信号电压，致使二极管在其后的若干高频周期内不导通。因此，检波器输出电压就按RC放电规律变化，形成如图6-44所示的情况，输出波形不随包络形状而变化，产生了失真。由于这种失真是由电容放电的惰性引起的，故称惰性失真或失随失真。图6-44惰性失真的波形 容易看出，惰性失真总是起始于输入电压的负斜率的包络上，调幅度越大，调制频率 越高，惰性失真就越易出现，因为此时包络斜率的绝对值增大。为了避免产生惰性失真，必须在任何一个高频周期内，使电容C通过R放电的速度 大于或等于包络的下降速
46、度。如果输入信号为单音频调制的振幅调制信号，不失真条 件为 由此可见，m、越大，包络下降速度就越快，要求的RC就越小。在设计中，应用最大调制度及最高调制频率(6-47)检验有无惰性失真，其检验公式为 （）底部切削失真。底部切削失真又称为负峰切削失真。产生这种失真后，输出电压的波形如图6-45（c）所示。这种失真是因检波器的交直流负载不同引起的。为了取出低频调制信号，检波器电路如图6-45（a）。电容Cg应对低频呈现短路，其电容值一般为（510）uF；Rg是所接负载。当检波器接有 Cg、Rg后，检波器的直流负载 R=仍等于 R，而低频交流负载 R 等于R与 Rg的并联(6-48)，即 R R R
47、g/(R Rg)。因 R R ，即检波器的交流与直流负载不相同，将引起底部失真。分析表明，不产生底部失真 的条件为 这一结果表明，为防止底部切削失真，检波器交流负载与直流负载之比应大于调幅波 的调制度m。因此必须限制交、直流负载的差别。(6-49)图6-45底部切削失真 在工程上，减小检波器交、直流负载的差别有两种常用的措施，一是在检波器与低放级之间插入高输入阻抗的射极跟随器；二是将R分成 R1和R2，RR1 R2。此时，R=R1 R2，R R1 R2/Rg，如图6-46。图6-46减小底部切削失真的电路 需要指出的是：由上面的分析可以看出，包络检波器的惰性失真和低部切削失真是由 于元器件（电
48、阻和电容）选择不当引起的，但电阻和电容是线性器件，不会产生非线性失真。产生非线性失真的根本原因还是非线性器件二极管。实际电路及元件选择实际电路及元件选择 在图6-47中，检波器部分是峰值包络检波器常用的典型电路。它与图6-46（a）是相 同的，采用分段直流负载。R2电位器用以改变输出电压大小，称为音量控制。通常使 C1C2，R3、R4、R2 及-6V电源构成外加正向偏置电路，给二极管提供正向偏置电流，其大小 可通过 R4 调整。正向偏置的引入是为了抵消二极管导通电压 VP，使得在输入信号电压较 小时，检波器也可以工作。图6-47检波器的实际电路 R4、C3组成低通滤波器。C3为20uF的大电容
49、，其上只有直流电压，这个直流电压的大小与 输入信号载波振幅成正比，并加到前面放大级的基极作为偏压，以便自动控制该级增益。如输 入信号强，C3上直流电压大，加到放大管偏压大，增益下降，使检波器输出电压下降。电容C不能太大，以防止惰性失真；C太小又会使高频波纹大，应使RCTc。由于实际电路中R1值较小，所以可近似认为C C1 C2，通常取C1 C2。广播收音机中，C一般取0.01F。三、同步检波三、同步检波 乘积型乘积型 乘积型同步检波是直接把本地恢复载波与接收信号相乘，用低通滤波器将低频信号提取出来。在这种检波器中，要求恢复载波与发送端的载波同频同相。如果其频率或相位有 一定的偏差，将会使恢复出
50、来的调制信号产生失真。(6-50)(6-51)(6-52)(6-53)(6-54)类似的分析也可以用于AM波和SSB波。这种解调方式关键在于获得两个信号的乘 积，因此，第五章介绍的频谱线性搬移电路均可用于乘积型同步检波。图6-48为几种乘 积型解调器的实际线路。图6-48几种乘积型解调器实际线路 叠加型叠加型 叠加型同步检波是将双边带或单边带信号插入恢复载波，使之成为或近似为振幅调制信号，再利用包络检波器将调制信号恢复出来。对双边带信号而言，只要加入的恢复载波 电压在数值上满足一定的关系，就可得到一个不失真的振幅调制波。图6-49就是一叠加 型同步检波器原理电路。下面分析单边带信号的叠加型同步
