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调幅同步检波的原理

要点:

1、AM广播的上下边带有相同的音声信号,只要取出单边带音声信号就可以听广播了。

2、大多数的干扰都是单边带干扰(混信)

3、同步检波的实质是通过产生与原载波同频同相的信号和将此信号移相90度的信号分别与原载波信号混频,检波出USB+LSB和USB-LSB的音声信号,其中后者可视为混信成分,再经90度移相后与前者和差合成后分别得到USB音声信号和LSB音声信号。选择无混信的一侧就可达到目的. <BR>补充一点,同步出来的信号和原调幅信号混频后会得到含有直流成分和高频成分和USB与LSB的音声成分的新信号,通过电容和低周滤波器消除直流和高频成分后就得到双侧边带的音声成分,这大概就是同步检波这个词的由来了。

 

    据此,同步检波去除混信从原理上来说和边带滤波器没什么大关系,最多只在最后起了个选择开关的作用(这是西瓜妄断)

 

  最后整理一下:同步检波首先是产生同步信号并利用这个同步信号与要接收信号混频分别得到上下边带音频信号的和差,此时的和差信号已是检波后的音频信号,这个过程用到低通滤波器,与二极管检波完全不同,至此同步检波实际上已经完成,再将此和差加减处理后得到分离的上下边带音频信号,选择无邻频干扰的一侧即可达到消除邻频干扰的目的.整个过程大家可以自己比较一下和通常所说的单边带接收有无不同。

 

 

  使用有同步检波的收音机很久了,一直知其然不知其所以然,最多也是根据一些机器的宣传资料望文生义的猜测一下,没有系统完整的理解,这次有幸看到日本出口宪先生作于2002年1月25日的一篇文章<理解同步检波的原理>,原想翻译给大家看看,因为打字等原因,觉得还是以自己的理解简单写一篇短文比较合适,本文中的式号和图号分别与原文对应,文字则大多用我自己的语言,架构基本与原文保持一致便于大家阅读.这里有二点需要先向大家解释:一,本人只在20多年前看过几本粗浅的无线电书籍,文中谬误还请指正.二,原文描述的同步检波原理有可能只是同步检波的一种,实际上目前常见的表示除了AM SYNC还有ECSS(边带抑制同步检波),似乎高级一点的都用ECSS,如AR7030,NRD545等,而传统模拟调谐的机器同样有同步检波,如SONY的高灵敏度中波/调频收音机ICF-EX5,价格还很便宜,不管他们是否都一样,性能的差别非常巨大是肯定的,这就是为什么有的网友会否认同步检波效果的原因。

 

1、无线电波的基本,我们知道变化的电场产生变化的磁场,变化的磁场又产生变化的电场,无线电波就是这样产生的,它是波的一种,可以用波长,频率和振幅来表示(图1),波长和频率的关系如式1,我们可以算出1134KHZ广播频率的波长为264.6M式2,可知中波使用频率的波长是很长的(200-600M)。

 

2、声音如何通过电波传送?要通过电波传送声音,首先要把音频信号合成到电波中去,这个过程叫调制,我们熟知的调制方式有调幅和调频,简称AM,FM,我们既然讨论AM的同步检波,本文中就只描述AM.所谓AM就是用音频信号去改变电波的振幅,AM波中用于搬送音频信号的电波成分叫载波,它是等幅波,频率远大于音频信号,中波的场合约为100-1000倍,短波也是AM波,此外电视的图象信号,航空通信也是AM波,我们常说的SSB是单边带调制,实际上将AM波中的载波成分和一侧边带滤除后所得.在后文中还会详细描述,AM波含有三个成分,一个载波和二个边带波,相同的音频信号包含在二个边带波之中,所以我们可以用SSB方式解调出其中一个边带波所包含的音频信号,也就是说可以用SSB接收机收听AM广播,但这不是同步检波,同步检波可以收听AM广播却不能解调出SSB信号就是这个道理,至于SSB所用解调方式和同步检波中用的解调方式在某一过程中所用原理上是否一样则是另一回事,不在本文讨论之例。

 

3、AM波是怎样的波?刚才已经简单提到,用希望信号去调制一个等幅信号的振幅的过程叫调幅,调制后的波就叫调幅波(AM波),这个被调制的信号叫载波,可用式3表示,式中A为振幅,F是频率,t是时间,还有一个是圆周率(我的笔记本打不出来,抱歉),式3可以用图2表示,我们希望送出的音频信号可用式4表示,其中f是音频信号的频率,因为音频信号也是波,所以他们可以用同一个函数式表示,这里要注意F必须远大于f,不这样信号不能很好发射,因为调幅就是改变载波的振幅A,可以表示为式5,式中的m为调制度,决定了将多少信号调制到载波中去,通常m小于1,如果大于1则会发生过调制而产生失真,式5可用图形3表示,从图中可以看出,AM波的振幅变化与音频信号一致,其波形是上下对称的。将式5变化可得式6,从中可以看出包含了3个部分,第1部分是原来的载波,频率是F,振幅还是A,第2部分为比载波高一个音频频率的波(F+f),第3部分为比载波低一个音频频率的波(F-f),这二个部分分别被称为上侧边带和下侧边带(USB,LSB),从式中可以知道这二个边带波各含有一个音频信号f,AM波中的这3个成分除了一个原载波是等幅波外,另二个波成分的波形是什么样的出口先生文中没有提到,在网上一时也找不到相关图形,从式6中推断,上下边带这二个波成分其实也是等幅波(假定音频f此时为一固定频率比如1KHZ的正弦波),在调制度m为1时振幅分别为载波振幅的一半(A/2),频率分别为F+f和F-f,也就是说音频信号f分别包含在这二个等幅波中,很奇妙吧?这一点说实在的本人并未看过相关描述,只是从出口氏文中所给数式加以理解推断,或有谬误也未可知.在实际情况下音频频率f是个变量,所以上下边带是一个频率范围,这个频率范围叫带宽,AM广播中这个范围是正负7.5KHZ(载波为中心点),带宽越窄高频损失越多,FM的带宽有15KHZ,FM广播的音质远好于AM广播,就是因为FM带宽大于AM,而不是因为AM这种调制方式本身不如FM.SSB信号是将AM波三个成分中的载波和一侧边带成分滤除后所余的一侧边带成分,记忆中它的带宽是3KHZ.从这里也可以看出用普通的SSB接收方式接收AM广播音质不好的原因,带宽太窄,一侧边带的音频信号虽然解调出来却损失了很多音频成分。

 

4,有干扰的场合,在干扰存在的情况下,AM信号和邻局信号的侧带波相重叠,此时的AM信号可用式7表示,可以将式7分为二部分,其一为原来的AM信号,另一部分为邻局干扰信号,实际上也就是邻局边带波,大多数情况下邻频干扰只是单侧边带相重叠,所以干扰信号的频率或为F~+f~(USB)或为F~-f~(LSB),式7过于复杂,可以将其简化为式8,表示在受到邻频干扰时AM信号的成分仍为原载波+USB+LSB。只不过此时的USB不再等于LSB,而原来的AM信号中二者是相等的,情况发生了变化。中波AM信号的边带宽是7.5KHZ,而中波电台使用频率的间隔是9KHZ,因此相邻二台有可能发生边带重叠,这就是为什么当我们收听广播时,在选择性不好时邻局强台的音乐声会混入耳中的原因,通常我们对付这种干扰除了提高调谐回路的Q值以提高选择性以外,还使用通带滤波器减小信号通过带阈,以求能将重叠部分滤除,这也是为什么通带滤波器的性能与选择性和音质有很大关系的原因,这里需要补充一点的是,本文讨论的干扰皆指邻频干扰,很显然同频干扰的情况下原信号和干扰信号重叠的范围包括了载波和二侧边带,文中函数式将发生变化。 <BR>邻频干扰时AM信号的波形如图5,频率分布如图6。

 

5.一般的检波方式(包络检波)

 

  前面已经提到,将音频信号调制到载波上去就可以达到发送声音的目的,可是我们的最终目的是实现声音的远距离传送,所以还必须在接收一侧将已调制的信号解读出来,这个解调的过程就叫检波,过去的书里有个很形象的比喻:将书信绑在箭上射出去的过程叫调制和发射,找到箭后取下书信就叫接收和检波。

 

  为了便于说明问题我们已经分析了AM信号的频谱,实际的AM波形却如图3或图5所示,是一个以载波为其频率,振幅与音频信号同步变化的上下对称的波,也即其振幅变化的包络就是我们需要的音频信号,包络检波也得名于此,因为这个包络是上下对称互相抵消,为了得到它就必须将AM信号削去一半,这个目的可以通过使用具有单向导电特性的半导体二极管等整流元件来得到,只许AM信号的正半周或负半周通过,即可得到图7那样的半个AM信号,再用电容等将细密振动的载波成分旁路吸收,最终得到图8所示音频信号,完成整个检波过程,因只使用简单的二极管就能达到目的,所以一般收音机都采用这种检波方式,不过这种检波方式和下面即将介绍的同步检波相比信号的再现性要低,因为检出的是AM信号振幅变化的包络,在图5那样因受到干扰振幅变化的波形发生改变时,检波得到的音频信号也是受到干扰而改变的信号。

 

  值得一提的是,包络检波虽将AM信号削去一半,AM信号的频谱却没有发生改变,仍由一个载波和二个边带波而成,这也从另一个角度说明为什么普通使用二极管的包络检波不能消除邻频干扰也不能解调出SSB信号,因为前面说过SSB信号是将AM信号频谱中的载波成分和一侧边带滤除后得到的,既然使用二极管检波后信号的频谱没有改变,边带还是原来的边带,当然就不可以解调SSB信号了。

 

6、同步检波

  同步检波是利用和载波同步的信号进行检波的方式。这里所说的同步信号是由AM信号接收端产生。同步检波的流程整理后如图9。图中最后可以看到USB和LSB所含的音频信号被分别提取出来,严格的说本文所讨论的AM同步检波过程中检出的是上下边带音频信号之和(和频)与音频信号之差(差频)。这个音频信号之差没有干扰时为零(两侧边带所含音频信号原本是相同的),在其后的处理过程中分别将这个和差信号相加减后就能得到我们需要的一侧边带音频信号。达到削除邻频干扰的目的。

 

  在图9所示同步检波流程中有3个信号是关键的,第一当然就是我们需要接收的AM信号,即图中的入力信号。第二是与所要接收AM信号的载波同步的同步信号,这里的同步指的是同频同相。第三是将刚才的同步信号移相后得到的移相信号。其实同步检波就是一种“乘法检波”,用同步信号和移相信号分别与入力AM信号相乘就能得到AM信号中包含的二个音频信号之和与差。

 

6.1、USB+LSB的音频信号的检波(注:这里的USB+LSB指的是将USB中所含的音频信号与LSB中所含的音频信号相加。下同,后面提到的USB-LSB也表示同样的意思)

 

  这里说明一下图9中虚线围起来的USB+LSB部分,首先用同步信号和要接收的AM信号混合(其实就是一个混频过程,和超外差收音机的混频是一个意思),这个混合在数学中用乘法表示。前文中提到式8的AM信号是受到干扰的AM号。将这个AM信号与同步信号相乘。利用三角函数的加法定理可以得到式9(将式9的波形表示出来就是图10的样子。从中可以看到高频波形变的浓密。是因为频率变为2倍的缘故)。在式9的最后部分,我们可以看到二个音频成份之和。它们是原AM信号中上下边带各自包含的音频信号,不难理解,通过使用与载波同步的同步信号,我们得到了上下边带音频信号之和。所谓同步检波的同步,意义即在于此。再看看式9的前面部分,它们分别是2倍于载波频率(2F)的高频部分和定数1/2。分别表示高频成分和直频成分。高频成分可用低通滤波器滤除。直流成分可以用电容除去,至此检波完成。得到USB+LSB的音频成分(式10)。这个音频信号的波形如图11。图10的包络线被圆滑致密的连在了一起,因此这种检波方法能够做到比通常使用整流元件的检波有更小的失真。

 

6.2、USB+LSB还不能除去领频干扰

  我们得到了USB+LSB的音频信号,还是不能除去邻频干扰。从图6中可知,只要取出USB或LSB其中未受干扰的一侧,就可以消除邻频干扰,而在实际的广播接收中,大部分的干扰都只限于接收信号伞双侧边带的其中一侧。

 

6.3、USB—LSB的音频信号的检波

  回过头再看图9下侧用虚线围住的USB—LSB部分。为了除去邻频干扰,人们想到了USB—LSB的方法。我们可以把这个USB—LSB考虑为干扰成份。为什么这么说呢?我们已知相同的音频信号包含在AM信号的USB和LSB中,受到干扰后,USB和LSB中所含音频信号不再相同。它们的差信号就是干扰成份。只要使用前文中提到的移相信号,很容易就能得到这个音频差频信号了。还是用与接收AM信号混频的办法。因为移相信号与同步信号相比相位差了90度,它们的计算式发生了一些变化。不过适用的仍是三角函数的加法定理,如式11。式11表示的波形如图12,图12有些怪异,那是因为相位发生了变化,将图13反转后与之重叠会有助与理解一些。从图12也可以理解我们为何可以将USB—LSB视为干扰成份。

 

  再比较式11和式9,相似的是式11的最后部份也是USB和LSB的音频信号,前面部分同样是高频成分,可以用低通滤波器滤除,得到式12。因为相位不同,还不能直接将其与前面式10的和频进行加减运算。必需再次移相90得式13。式13的波形如图13,为USB—LSB的音频信号(频差)。

 

6.4、取出USB和LSB

  经过前面对信号的处理,我们得到了二个音频信号,或者说检波出二个音频信号,它们分别为上下边带所含音频信号之和(USB+LSB)与差(USB-LSB)。这二个信号通过简单的加减运算就能得到独立的USB和LSB信号了。式14=式10+式13。式15=式10-式13。选择其中未受干扰的一侧就达到了我们消除邻频干扰的目的。图14表示受到干扰的USB波形,图15表示不受干扰的LSB波形。

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