关于二极管小信号检波器非线性用于提升信噪比的讨论

zzfjct

众所周知，大信号检波的失真和效率远优于小信号检波，超外差机的功能之一是尽可能将接收信号放大至大信号检波状态，以获得良好的音质。为改善信噪比（能否达到目的另说）将所有信号压缩至小信号状态（“使到达检波器的波幅锁定在0.05V”），这不是因噎废食吗？
噪声信号都是广谱的，幅度也是随机的，不可能区分干扰幅度与信号幅度的比例。能听闻的音频噪声都已经调制在载波里，解调后相当于声波的泛音，根本无法单独压缩。楼主的方法能达到的效果与关小音量差别不大，区别是大信号音质劣化为小信号音质。
普通二级中放的超外差机由于AGC功能的存在，大信号接收的信噪比不存在问题，小信号接收的信噪比也根本不可能改善。

电子猫

冰岛 发表于 2024-11-18 23:15
不论你是不是善意，请注意你的态度和言辞！我发贴子就是让大家讨论的，对贴子所讨论的话题正面回复表达你 ...

你提出的这些问题因为有很多错误，而且还相互叠加，和“胡言乱语”没有本质区别，要给你讨论清楚等于要上一门高频课程了。

冰岛

在电脑软件里搭一个小信号检波电路：

设调制信号频率1kHz、载波频率1MHz、调幅度50%固定不变，调整信号源V1幅度，从示波器XSC1读取检波还原的音频幅度，从失真测试仪XDA1读取失真度，仿真结果如下：

从表格里可以看出，调幅信号从10mV增长到80mV，信号幅度每增加两倍；检波产生的包络幅度增加四倍，信号幅度从80mV增长到160mV，检波产生的包络幅度增加三倍；信号幅度从160mV增长到640mV，信号幅度每增加两倍，检波产生的包络也近似增长两倍。另一方面，从表格里可以看出，V1信号在80mV以下，失真度都比较高，幅度增长到从160mV，检波失真显著下降，信号幅度达到320mV，检波失真已经很低了。表格里A列是信号源V1的幅度，但由于仿真电路里R4的存在，这个信号幅度并不是D1阴极的信号幅度。
从表格里可以看出，小信号检波器对不同幅度信号的传输系数并不相同，如果收音机的自动增益控制电路把检波器输入端的有用信号限制在平方律检波的范围之内，那么在有用的广播信号幅度大于干扰杂波幅度的情况下，检波器对干扰杂波的传输系数必然小于有用信号，干扰杂波产生的噪音就应该比用大信号检波器低。

冰岛

接收弱信号时，很多情况正如14#所假设的那样，经过收音机的选频之后，到达检波器的除了要收听的节目A之外还有另一套节目B的调幅波，假设两套节目的调幅度相同，到达检波器的B电平比A低10dB，如果检波器工作在大信号区（比如说A信号500mV），那么，检波之后得到的音频，B仍然比A低10dB，若用自动增益控制电路限制中放增益，使检波输入端A信号限制在小信号区（比如楼上表格里的80mV以内），那么检波得到的音频，节目B的声音就比节目A低20dB，从而达到改善弱信号节目清晰度的目的。在收听受到干扰的节目时，小信号检波器对信噪比的提升或许没有这样显著，但只要有效果我认为就没什么不合适，有些“专业”的接收设备为了提升受到干扰节目的可懂性，给出的可选中频带宽最低只有1.2kHz，使用1.2k带宽接收调幅信号能获得什么音质就不用说了。小信号检波失真比大信号检波高很多，但那种失真并非无法被用户接收，矿石收音机、来复再生收音机的检波器能工作在大信号区的机会很少，几乎全是工作在小信号区，做过这类收音机的人不少，主观听感声音如何大家心里应该有数。

bobby_jack

收音机的信噪比是指在同等场强条件下接收调幅信号（30%）与接收等幅信号时输出之比，设计的重点是降低本机噪声，而你在帖中写的是外部干扰信号因素，实际上是指抗干扰。与信噪比是不相干的。

冰岛

bobby_jack 发表于 2024-11-20 18:22
收音机的信噪比是指在同等场强条件下接收调幅信号（30%）与接收等幅信号时输出之比，设计的重点是降低本机 ...

那种“信噪比”是在实验室里测试的，测试时只有信号发生器产生的信号，用户实际用收音机听广播，天线绝不可能感应需要收听的广播信号，而是任何能被天线感应到的电磁波都可以被天线接收下来，由于收音机的选频系统性能的局限性，任何干扰都会通过变频和中放到达检波级，且变频、中放对干扰杂波的放大量与选频系统的衰减量乘积通常是正数，即到达检波级的干扰波功率大于天线感应到的原始干扰波功率。实际对AM收音机噪音高低影响最大的因素是外来干扰而非收音机本机振荡器的THD+N。
检波输入端的信号电平在小信号区，二极管检波器和三极管检波器的传输系数是随输入波幅的降低而降低的，也可以认为小信号检波器对不同幅度的电信号“不公平”，不论是外来干扰还是振荡器产生的THD+N，只要它到达检波级的幅度比需要接收的广播节目中频幅度小，那么小信号检波器就对这种干扰所产生的噪音有进一步弱化的作用，而当干扰幅度与节目中频相差不很大的情况下，大信号检波器就未必对干扰有弱化作用，检波线性非常好的乘法同步检波器则完全没有弱化干扰杂波所产生噪音的作用。当然，让收音机的检波器工作在小信号区，检波失真比较大，这样或许不太合适，适当提高检波输入端的信号电平，使正常中频信号电平在检波器的大信号和小信号的中间过渡段也是可以的。

冰岛

箫音 发表于 2024-11-19 00:48
就检波来说，有道理！
但我粗粗一想，怎么把干扰减小到信号的几分之一呢？
干扰与信号因为同在带宽内，AG ...

我想讨论的是如何利用小信号检波器电压传输系数的平方律特性降低收音机的噪音，你考虑的是在检波前拦截干扰，咱两个人没在一个频道上。

首先，一套受到持续干扰的广播节目，只要是能听到广播节目声音的，到达检波级的广播信号幅度必然不会小于干扰幅度，这应该没有争议。不同类型的干扰波对收音机造成的影响有不同的表现：断续的脉冲干扰可以看做100%调制的调幅波，与节目信号同样幅度的脉冲干扰所产生的包络幅度必然大于节目音频包络；持续不断的干扰波检波后未必会产生低频包络，但是其在检波负载旁路电容上面产生的直流电压会给检波二极管施加持续反偏压，使幅度小于该干扰的广播信号完全无法通过检波器；其它广播信号对收音机产生的干扰，如果经过选频之后所要收听的节目仍然不是幅度最大的一个，那么干扰台的声音大于所要收听的节目声音，由于人耳朵听觉的掩蔽效应，根本无法听懂需要收听的广播内容，用户必然放弃收听这样的节目，因此不在讨论范围之内。

收音机的任何选频手段都不可能把干扰绝对抑制掉，只要收音机接收的节目不是接收环境中唯一的电磁波，任何干扰都会或多或少通过选频装置到达放大器和检波器，由于AM检波器没有“频率占据”效应，即使干扰杂波比广播信号幅度小，检波输出端也不可能完全没有干扰的产物，这就是任何AM收音机都有噪音的原因，只是噪音大点小点的差别。

按照（放大器和选频回路分开）收音机的功率框图，高放、中放对不同幅度的放大量完全相等，自动增益控制电路的作用也只是调整放大器增益，对于同时进入放大器和检波器的节目信号和干扰，自动增益控制或手动增益控制也完全不改变二者的比例，这种说法我完全认同。不过，收音机用的二极管检波器，其“检波增益”并不是讲解收音机原理的书上说的那样是一个固定值，只是按照商品收音机检波器工作的300mV~500mV大信号电平，通常来说检波增益通常在相对稳定的-20dB，但是在小于100mV的小信号区，检波增益有随信号幅度降低而下降的平方律区域。小信号检波器的输出幅度与输入幅度的平方成正比，输入幅度越小检波增益越低，本贴讨论的正是利用检波器的平方律区域，对于干扰杂波小于广播信号的可收听情况下，利用增益控制电路限制注入到检波器的广播信号幅度在小信号检波的信号幅度上限，这样就可以充分利用检波器的平方律特性来弱化干扰杂波所产生的噪音。

冰岛

ace919 发表于 2024-11-19 10:21
很有意思的想法！
干扰信号千奇百怪，除了有统计特性的白噪声等之外，难以量化计算。把问题简化成两个调幅 ...

检波器的谐波失真分为奇数次谐波和偶数次谐波，对于信号包络来说，检波器产生的偶数次谐波与基频音名相同，且小信号检波器的偶数次谐波功率明显小于基频，因此偶数次谐波会对原声起加强作用，偶数次谐波多少只是声音低沉和清脆的差别，并不影响节目内容的可懂性，奇数次谐波音名与基频不同，可以认为是一种噪音。据说双边带调幅在检波器中产生的谐波，检波器的非线性失真，奇数次谐波的远远小于总谐波失真，且因为人耳朵听觉的掩蔽效应，奇数次谐波失真对节目可懂性所造成的负面影响实际并不严重。
二极管检波器的非线性失真与晶体管单管放大器的非线性失真，对波形的影响是完全相同的，都是PN结正向电流加大的半周幅度加大、另外半周幅度减小，因此，适当利用音频前置放大管的非线性，只要在音频信号流方向检波二极管极性与前置放大管发射结相反，检波器的非线性失真就可以被音频前置放大器矫正一部分，从音频放大器输出的音频比检波器输出的原始音频信号失真低，这是完全可能的。

箫音

冰岛 发表于 2024-11-20 23:29
我想讨论的是如何利用小信号检波器电压传输系数的平方律特性降低收音机的噪音，你考虑的是在检波前拦截干 ...

我明白楼主的意思，
就是在检波时把主信号的电平调低到高低检波的分界处，
让有用的大一点的信号进入高电平检波的范围，有相对高一点的检波效率，
让相对弱一点的噪音或干扰信号进入低电平检波的范围，有相对低一点的检波效率，
通过这样的方法检波就能进一步拉大差距，从而提高信噪比。
但会不会有这样的情况发生呢：
就是有用信号进入二极管，已经使得二极管进入大信号状态了，
就是特性曲线中角度比较大的区域了，这时二极管的电阻已经相对小了，
对大信号效率高了，同时小信号也享用到了这个大信号的效率。
楼主的的想法在信号和干扰分开二路的情况下是可以实现的，
合成一路了共用了一个元件效率就应该是一样的了，
如通信机里常用二极管代替机械开关，当二极管里有假设1mA的电流，
二极管特性电阻为R时，从天线进来的信号，无论是大是小，都受这个R的影响，
要是小信号受到的影响更大，这设备就不能用了。

不知道我说的这个场景套用在检波上对不对。
请楼主指正。

longshort

箫音 发表于 2024-11-21 15:25
我明白楼主的意思，
就是在检波时把主信号的电平调低到高低检波的分界处，
让有用的大一点的信号进入高 ...

說白了，樓主朋友就是想把檢波器當成音頻擴張器使用，前提搞錯了。

qzlbwang

三个字:想多了

冰岛

箫音 发表于 2024-11-21 15:25
我明白楼主的意思，
就是在检波时把主信号的电平调低到高低检波的分界处，
让有用的大一点的信号进入高 ...

干扰杂波与有用的中频调幅信号同时进入检波器，在幅度较大的有用信号作用下，检波二极管的确可以进入开关状态，干扰杂波也可以“搭车”顺利通过检波二极管——不过我认为，杂波能“搭车”通过二极管，并不等同于杂波也与幅度较大的有用信号获得同样的检波效率。大信号检波状态下，收听的广播中频载波与同步检波器的本机中频振荡波作用是相同的，而同步检波器有个特点，那就是本机振荡频率必须与节目发射端被抑制的载波同频才可以正确解调，只有本地振荡波与发射端被抑制的载波同相（或者相位相差180°）才可以获得最大检波效率，相差90°正交则检波输出为0。显然，随有用信号一同进入检波器的干扰杂波与有用信号没有频率和相位的关联性，所以我推断，干扰杂波不会因为有用信号的载波使二极管进入开关状态而获得与有用信号同等的检波效率。

箫音

这是开了一个新的思路了。
利用乘积检波电路配合以可移相的载波进行检波，
至少可以消除正交的干扰或噪声，信噪比只会增加。