SSB模式解调AM信号的几种情况分析

ace919

主要采用LTspice仿真，结合简单的分析，看看接收机在SSB模式解调AM信号是如何工作的，可靠稳定的工作需要什么样的条件。

解调器限定为常见的单个乘法器原理的器件，比如NE602、环形二极管混频器等。这些器件在拍频解调时，起作用的是其乘法器功能。

假设到达解调器的中频信号为IF，其AM载波为455KHz，为简单起见，载波幅度假设为1，调制信号为1KHz的单音正弦波，调制率m为典型值0.3，则AM信号可表示为：

V=cos(2*pi*455k*t) + 0.15*cos(2*pi*454k*t) + 0.15*cos(2*pi*456k*t)
式中pi为圆周率。

在LTspice中用两个bv电压源分别发生中频信号IF及拍频信号BFO，用第三个bv电压源作为理想乘法器进行拍频解调，后接两节RC低通滤波器，滤除音频以外的信号。

先看下两节RC低通滤波器的频率特性：

3dB带宽为大约10.7KHz：



情况1：IF为AM信号，BFO与IF载波同相位

低通滤波后输出的是1KHz音频信号与直流分量的叠加，1KHz信号峰峰值为大约150mV。


情况2：IF为AM信号，BFO与IF载波正交(相位相差90度)

输出无1KHz的音频信号，也无直流分量。
从波形上看，此时输出的为幅度很小(因通过低通滤波器的原因)的AM信号，展开时间轴，可看出此时载波为910KHz，即2倍的IF载波频率。FFT的频谱图也可验证：



情况3：IF为AM信号，BFO与IF载波相位相差45度

低通滤波后输出的是1KHz音频信号与直流分量的叠加，1KHz信号的峰峰值为大约105mV，幅度约为情况1的0.7倍(cos(45度) = 二次根下2的倒数 ≈ 0.707)。直流分量也大约是情况1的0.7倍。


情况1～3实际上是AM信号的同步解调，因为此时BFO与IF载波完全同频，且相位关系固定。

综合情况1、情况2、情况3，以及结合理论计算(涉及有点繁琐的三角函数积化和差运算，此处省略)，可以得出结论：

对于用单个乘法器实现的同步方式解调AM信号，若到达乘法器的AM信号的上下边带幅度一致(普通接收机，频率调正，且没有启动IF Notch、PBT等功能时，一般就是这种情况)，在AM信号中的载波信号相位与BFO信号相位一致时，可以解调出音频信号。AM信号中的载波信号相位与BFO信号相位相差θ时，相应地，输出音频幅度相对减小为cos (θ)倍，当θ为90度时，无音频输出。


情况4：IF为经过中频通带切割的AM信号，BFO与IF载波正交(相位相差90度)

BFO与IF载波间的相位关系与情况2相同，但到达乘法器的AM信号被中频通带人为地切割了，也就是说，中频通道对AM信号中的上边带、下边带、载波的放大倍数不同。譬如人为地将频率调偏几个KHz。


假设上边带幅度还是情况1～3的值，而载波幅度降为原来的1/2，下边带降为原来的1/4：

1KHz信号的峰峰值为大约56mV。

此时若BFO与IF载波相位改为同相，1KHz信号的峰峰值为大约93mV。而在BFO与IF载波相位相差45度时，1KHz信号的峰峰值为大约77mV。也就是不管BFO与IF载波之间的相位关系如何，均能解调出音频信号，只是输出幅度有大小差别。

可以理论证明，类似情况4的条件下，下边带相对上边带衰减的越厉害，BFO与IF载波之间的相位相差越小，输出的音频幅度越大。


情况5：IF为经过中频通带切割的AM信号，BFO与IF载波不同步

在一般的接收机中，BFO与IF载波之间没有锁相关系。特别是对于德生PL600或德劲DE1103等这类机器，其BFO频率是手动调节的，想把BFO调节到与IF载频相差小于20Hz之内都很难。

假设上边带幅度还是情况1～3的值，而载波幅度降为原来的1/2，下边带降为原来的1/4。BFO比IF载波频率高50Hz：

波形初看上去，像是50Hz正弦波与1KHz正弦波的叠加，查看LTspice的FFT结果，及理论分析都表明，输出的音频分量有：
50Hz，幅度最大；
1.05KHz，幅度最小；
0.95KHz，幅度介于中间。


50Hz的频率分量听起来是低频啸叫音，当然我们可以在接收机的音频通道中设置带通滤波器，减轻这种低频啸叫音。

1.05KHz与0.95KHz都是与原1KHz音频调制信号相差50Hz的移频信号，这也是一种失真。若传送的是语音，人耳能够容忍的频率差也就在几十Hz，相差太多，就难以听懂了。


情况6：IF为AM信号，BFO与IF载波不同步
分析了情况5，是不是只要BFO与IF载波频率不同，不管上下边带信号幅度是否大小一样，均可解调呢？
我们看一下达到乘法器的IF信号为标准的AM信号，而BFO频率比载波频率高50Hz的情况。

与情况5很类似，但1KHz附近的音频信号幅度受到50Hz信号的严重调制，从波形上看，1KHz(1.05KHz与0.95KHz的合成)信号的幅度从最大到0的变化频率为100Hz。

这种现象可以这么理解：455.05KHz的BFO信号可以认为是455KHz的信号，但有一附加的相位角每秒从0到360度，均匀地变化50个周期，当附加的相位角为0、180、360+0、360+180……度时，解调出的音频信号幅度最大，而当附加的相位角为90、270、360+90、360+270……度时，解调出的音频信号幅度为0。

也就是说，这种情况下，除了移频失真，还有明显的颤音，严重影响可懂度。

实际上情况5的音频信号幅度也是变化的，只不过最小值不为零，变化的幅度不如情况6明显。



总结情况1～6，用单个乘法器，稳定可靠地以BFO方式解调AM信号时(也适用于双边带抑制载波DSB-SC模式的解调)，需要满足下面两个条件之一：
条件1：BFO与AM信号的载波同频同相，或相位差尽量小；
条件2：AM信号的上下边带幅度有明显差别(幅度相差越大越好)，且BFO与AM信号的载波频率相差尽量小(不超过几十Hz)。

当条件1与条件2同时满足时，也是可以的，也就是BFO与AM信号的载波同频同相，且AM信号的上下边带幅度有差别时，也可以稳定可靠地解调。

实际上以BFO方式解调SSB信号时，就是条件2的特例，此时上下边带中的一个已彻底消失，且载波也不存在。而用BFO方式解调AM信号时，载波分量要么反映在输出端为直流分量，要么与BFO差拍出低频啸叫音，因此到达乘法器的信号有无载波分量，与能否解调出音频信号无关。


顺便说一句，德生HAM2000收音机这种AM同步检波电路，有两个乘法器，本地恢复的载波也有正交(相位相差90度)的两路，两路载波分别在两个乘法器与AM信号相乘，后面经过音频全通网络，实现AM同步检波的。在这种电路中，并不要求本地载波与AM信号内的载波分量有任何特定相位关系。

炫彩

兄弟的文章确实专业！喜欢。

66718

不错的文章，我曾经试过，SSB模式听AM广播，实际效果就是情况5所得出的结果。
有低频啸叫，语音失真，语音听起来很费劲。

acex_1

66718 发表于 2013-8-30 18:31
不错的文章，我曾经试过，SSB模式听AM广播，实际效果就是情况5所得出的结果。
有低频啸叫，语音失真，语音 ...

但只要差拍调得好声音也不错，我以前在短波中试过，想对付干扰。

小徒弟下山

难得的好文章，顶

侠客行0707

学习了，好文章

iffi123

66718 发表于 2013-8-30 18:31
不错的文章，我曾经试过，SSB模式听AM广播，实际效果就是情况5所得出的结果。
有低频啸叫，语音失真，语音 ...

所以我不喜欢听ssb,难受

手动就是无法调到准确同频，其实就是调拍频振荡电路变容管的电压，个人感觉厂家为了适应范围大，电压调节范围偏大造成很难调的很接近，如果弄个粗调和细调就好了