技术探讨——AM调幅检波的几种方法

ace919

技术探讨——AM调幅检波的几种方法

1. 包络检波
一般用锗检波二极管，或肖特基二极管，也可用三极管、FET管及电子管等实现。也有实验性电路用轻微反偏的稳压二极管实现（见王新成：《晶体管收音机中的新技术》一书），但也有资料说，稳压二极管在轻微反偏时音频噪声较大，因此具体效果待试验。
1.1半波检波
一般超外差收音机里最常见的检波电路。

   电路虽然简单，但若处理不好，就成为音频失真的来源之一。
   信号大时，线性度较好；信号小时，主要是平方率检波，失真较大。
  上图是二极管串联半波检波电路，有时也用并联式：

并联与串联比，对前级的负载要重。

1.2倍压检波
   在直放式收音机里较常见。


1.3全波检波
这个似乎难以见到，电路与全波整流类似。毕竟中频变压器次级加个中间抽头，相比倍压检波加个二极管有些麻烦。不过比起半波检波理论上有一个好处，检波输出的信号不含中频的频率（上下半波的电路对称时），基频是中频的2倍频，也就是中频为455KHz时，检波输出波形的基频为910KHz，因此检波电路引起中频自激的现象较轻。



2. 精密线性检波
也是包络检波，但理论上没有PN结检波的失真。
采用高速运放或三极管，可基本消除或大幅度减少二极管检波引起的非线性失真。
注意运放工作在中频频率，因此对增益带宽积及电压转换速率（Slew Rate）的要求较高。对455/465KHz中频，LM318算入门级，更快的运放如AD811、AD817、AD818、LT1028等更好。
运算放大器与二极管结合实现半波或全波的检波，有很多种具体电路形式，下面的图是只最常见的几个。

2.1精密线性半波检波，运算放大器

基本原理是二极管没有导通时，负反馈很少，电路的增益接近很大的运放开环增益，因此把二极管似通非通的那段区域快速越过了。一旦二极管导通后，放大倍数基本由R2与R1的比值决定，因此输出是线性的。

2.2 精密线性全波检波，运算放大器


2.3精密线性半波检波，三极管

    其实这个电路就是个OTL功放，不过频率工作在中频。RL其实是假负载，仅仅让推挽电路能对称工作。音频输出自TR2的集电极电阻，因为TR2是半波导通，自然就完成了从中频到音频的半波检波。图中TR1集电极串联的电流表可用于场强指示。


3. SSB法
用中频滤波器滤除一个边带，并尽量压制载波，同时对要保留的另一个边带滤波特性尽量平坦，这要求中频滤波器矩形系数要足够好。
本地产生BFO差拍频率，调整到与载波尽量同频。否则声音变调，频差较大时就听不懂了。
BFO与中频相乘。
若载波压制不干净，发生频率为载波与BFO频率之差的啸叫。
据说在微弱信号时，此方法效果较好。因为需要的中频带宽较窄，压制了本机RF/IF及从天线进入的噪声，同时又没有同步检波的载波失步问题。但要做出实用性较好的机器，需要考虑好调偏时的啸叫问题。
注意BFO与载波并不严格同频，因此不能用差拍的输出低通滤波后作为AGC信号。事实上差拍输出是变调的音频与低频正弦波（频率为载波与BFO频率的差）的迭加，没有直流分量。AGC可采用SSB模式中常用的方法，或另加用于AGC的包络检波电路。


4. 同步检波 - 可手工选择LSB/USB
同步检波也称为相干检波。
需要恢复一个与输入载波同频同相的本地载波。
需要载波及音频各有一个90度移相电路。音频的移相电路需要在音频范围（300-3000Hz左右，严格说至少是中频带宽的一半，因为不止要处理音频，还要处理好单边临频干扰）有基本一致的90度移相特性（全通网络），这在电路实现上有一定的复杂度，音频移相实现的准确与否，直接关系到对单边干扰压制的程度。
输出可单独选LSB或USB，从而消除单边的邻频干扰。
信号很弱时，PLL容易失锁，本地载波频移，造成啸叫。在检测到失锁时，应该有电路能自动转换到包络检波方式。

其中本地载波的恢复方法有：
4.1 锁相环PLL法
4.2 先倍频（幅度平方），窄带滤波限幅放大或用PLL，数字电路2分频获得载波



4.3 窄带滤波法，调制度较大或短波选择性衰落严重时容易失去载波
4.4 限幅放大法，调制度较大或短波衰落严重时容易失去载波
4.5 Costas Loop法（同相正交环法），原用于DSB-SC中，可以借用到AM解调中


4.6 频率牵引法

其中方法4.2是用于接收双边带抑制载波（DSB-SC）时恢复载波的方法，这里借用到AM中。因为上下边带的相互乘积输出中有载波的二倍频，再加上载波的自乘也是载波的二倍频，总的载波二倍频分量较多，因此理论上比方法4.1能更好地解决短波选择性衰落引起的载波失步。

下图是一个可选择LSB/USB同步检波的电路框图，载波恢复用PLL：

在有的实现里，没有上图中的音频减法电路，而是在I通道的本地恢复载波通路上，加一可选择的180度反相电路（例如本地载波为数字信号时，可用异或门74HC86，从而灵活控制反相/不反相），从而调整I/Q载波间的相位先后关系。
大部分爱好收音机的网友平时所理解的同步检波就是4，比如Sony SW7600GR，德生的HAM2000等，都是可手工选择LSB/USB的同步检波电路。

上图是采用Sony CX-857的AM同步检波电路 -摘自QEX1992.9


5. 同步检波 - 中频与恢复的本地载波相乘
本地载波的恢复方法与4相同。
然后中频与恢复的本地载波相乘。
要求本地载波与输入信号的载波同相，否则解调出的信号幅度要乘上cos(θ)，θ为相位差。
邻频干扰被解调为高音频啸叫，可通过低通滤波器降低幅度。例如，旁边有与接收载波相差5KHz的CW信号，则被解调为5KHz的高音频滴答声。又比如相差10KHz处有AM强台干扰，调制信号假设为1KHz的单音，则干扰台的载波及上下边带被解调为10KHz+9KHz+11KHz的混合啸叫音。
与4不同，无法排除仅与LSB或仅与USB频谱重叠的单边干扰源。
这也是一种同步检波。
下面框图中采用PLL恢复载波，载波与中频相乘，实现同步检波：


一个具体电路：



6. 中频信号自身相乘
用模拟乘法器等，中频信号自身相乘。
邻频AM信号与包络检波时一样，同样效率解调出来。
接收信号与邻频信号相乘，差拍出高音频啸叫声，可通过低通滤波器降低幅度。
输出中含有音频的2次谐波分量，也就是有失真。2次谐波与基波电压幅度之比为m/4 : 1，m=0～1为调制度。平时m/4一般在0.1左右，再加上人耳对2次谐波敏感度低于奇次谐波，因此听起来主要是音色发生变化，对可懂度一般影响不大。
在有些资料上，这也称为同步检波，有时称为平方检波（Squaring Detector）。



7. 同步检波- 迭加法
恢复的载波与滤除载波的中频信号相加（电压叠加，而非相乘），然后包络检波
这种技术一般用于DSB-SC中。


8. Weaver方法
需要4个乘法器，但不需要4中的音频移相电路。
下面的电路是借用于解调SSB的：


在Philips公司的AN1981： New low-power single sideband circuits的pdf文档内，有一电路，指出后两个音频模拟乘法器可用廉价的CMOS模拟开关4066代替：


附：4分频及移相电路：



9. 软件无线电解调
软件无线电解调，可用同步检波、包络检波等。

补充内容 (2012-6-12 20:40):
本楼已超过编辑的时限，仅能补充这个简短的说明，后续补充更正等发在后续各楼层。

ace919

一个三极管精密线性半波检波的实际电路：

检波后的J1、Q5及所属阻容件实现10KHz音频陷波电路，用于减少
中波临频电台引起的啸叫音，我们国家中波频率间隔为9KHz，需要
修改相关的电阻电容值。

若不需要陷波电路，从A点输出音频，并删除A点以后的电路即可

神之觉醒

好资料  值得收藏

ace919

发一个HAM2000的AM同步检波电路部分：


网上的图片太模糊了，哪位有清晰的图片，请上传。
图中打红叉的地方是怀疑原图此处有误。

电路中一路载波有180度反相电路，用于改变两路载波谁领先谁落后90度，
以便选择LSB/USB，这样就不需要音频减法电路。音频加法电路是把两路
相差90度的移相网络输出相连，自然实现相加的功能。

电路比较复杂，但用的都是普通的IC及分离件，因此还是可以仿制的，
只不过调试起来可能需要费些周折

主要器件包括：

NE612混频器   x2片
74HC74双D触发器   x1片
74HC86四异或门   x1片
LF353双运放及LMC660四运放若干片
4066四模拟传输门   x1/4片
三极管   x5
MOS管   x1

ace919

一个比较复杂的AM检波电路：


从图上看，音频移相电路比HAM2000简单不少，估计
同步检波性能达不到HAM2000的水平

电路复杂在解调的模式多，除了包络检波，LSB，USB外，还有双边带DSB，
立体声扩展等

原文见http://www.surreyelectronics.com/leaflets/AM_Synchronous_Demodulator.pdf

往事已去

2.3精密线性半波检波，三极管
这个好，巧妙。

ace919

还有一种线性检波，是在二极管包络检波器的基础上，增加了一个非线性放大器（放大器的负反馈电路加了二极管 ...
冰岛 发表于 2011-12-3 21:11

哪里能找到资料？搜了下，没找到呢

lanniao

第一副电路图楼主是用什么软件绘制的？

ace919

回复 10# lanniao
图是借来的，我只是简单处理下

66718

谢谢楼主的精彩资料。

求知无足

顶一下。这是十分不错的调幅检波大全了。

ace919

发个用于仿真调幅检波电路的小材料：用于LTspice的调幅解调器总谐波失真度分析仪 V1.0.0

前些时候看了这个帖子：http://www.audio-perfection.com/ ... eps-in-ltspice.html

是个在LTspice中计算电路总谐波失真度THD、增益、输入阻抗等等的LTspice add-on，感觉能改造后用于计算AM检波电路的THD等，于是小改了下，成功。


*功能：
* 按指定参数（固定或步进扫描）产生调幅波输出，经外部被测电路调幅解调后
* 输入到本分析仪，分析包括总谐波失真度THD等各项数据。仅分析调制信号的前
* 10次谐波。可根据需要，多个参数混合步进扫描。
*
* 可设置的参数（固定或步进扫描）：
* Fc               载波频率
* Ac               未调制载波幅度
* Fm               调制信号频率
* m                调制指数，0到1之间
*
* 分析时用到的一些时间参数：
* MaxTimeStep      最大分析时间间隔
* SettlingTime     开始采集数据的时间
* StrobeLength     分析基波的时间，其值应为调制信号周期（1/Fm）的整数倍
* IntegrationTime  分析谐波的时间，其值应为调制信号周期（1/Fm）的整数倍
*
* 分析结果包括：
* THD_persent  被测电路电压总谐波失真度，以百分比计
* THD_dB       被测电路电压总谐波失真度，以dB计
* Fundamental_Out_V_RMS  解调信号中调制信号的基波电压幅度，RMS值
* Phase_deg    解调信号中调制信号的基波电压相移，以度计
* H2,H3,...H10 解调信号中调制信号2到10次谐波的电压RMS幅度与
*              Fundamental_Out_V_RMS之比的100倍
* GAIN         被测电路交流电压传输系数（又称为检波效率），为解调输出信
*              号中调制信号的基波幅度与未调制载波幅度及调制系数m的乘积之
*              比，即：GAIN=1.414*Fundamental_Out_V_RMS/(m*Ac)
* GAIN_dB      被测电路交流电压传输系数（又称为检波效率），以dB计
* Z_in_mod     被测电路对载波的输入复阻抗，模
* Z_in_ph_deg  被测电路对载波的输入复阻抗，角度，以度计

压缩包内AM_THD_Analyzer.asy及AM_THD_Analyzer.txt为所需文件，其他是一套简单测试文件：
AM Demodulator THD Analyzer V1.0.0.rar (13.4 KB, 下载次数: 366)

2012-4-18 20:44 上传

点击文件名下载附件

测试例程的界面截图：


THD计算结果的图片：（不是压缩包内测试例程的结果）

ace919

调幅解调器总谐波失真度分析仪的一个实际例子

分析仪及被测电路的图：



测试时的参数：
中频频率  Fc=455k
未调制载波幅度  Ac=1m 10m 50m 100m 200m 500m 750m 1000m   分8步步进
调制指数  m=0.2 0.3 0.5 0.8 1   分5步步进
调制信号频率  Fm=1k

因为未调制载波幅度与调制指数双重步进，因此一共自动仿真5x8=40次

RF、AF、Notch的波形图：



不同m值时，THD随Ac的变化曲线：

总起来说，调制越深，检波失真越大。THD在输入电压为0.1V左右时，达到最大。


不同m值时，输出基波RMS电压值随Ac的变化曲线：



不同m值时，检波效率随Ac的变化曲线：

可以看出，检波效率与m值几乎无关，而且输入电压足够大时，效率接近1


不同m值时，检波电路输入阻抗随Ac的变化曲线：

这个也许对做矿机的二极管、变压器、耳机等阻抗匹配有点指导意义

ace919

凡是与调幅波解调有关的资料，都会不定期地随时添加到本帖，
资料包括但不限于理论、电路结构、电路图、关键元器件、有意义的网页链接、文章、测评、辅助设计工具、成品......