王佳蓓，周 浩，譚思煒

(海軍工程大學(xué)， 武漢 430033)

目標(biāo)信號(hào)特征的識(shí)別能力在通信等領(lǐng)域尤為重要，主要包括目標(biāo)信號(hào)的幅度、頻率以及相位等信息[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)目標(biāo)信號(hào)為受鐘形包絡(luò)調(diào)制的載波信號(hào)時(shí)，可以利用同步檢波解調(diào)載波信號(hào)，提取目標(biāo)信號(hào)的包絡(luò)，從而得到目標(biāo)信號(hào)幅值、相位等相關(guān)信息。同步檢波具有很高的精度要求，即要求本地載波信號(hào)與發(fā)射端的載波同頻同相[2]，否則會(huì)使調(diào)制信號(hào)出現(xiàn)偏差，影響解調(diào)質(zhì)量，例如，如果出現(xiàn)頻差，則會(huì)產(chǎn)生拍頻分量，使解調(diào)信號(hào)嚴(yán)重失真。

根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，馬興平等[3]對(duì)二極管峰值包絡(luò)檢波電路進(jìn)行了仿真分析研究，觀察到檢波電容的大小會(huì)影響檢波效果，但這種方法容易出現(xiàn)惰性失真和負(fù)峰切割失真；程秀英等[4]通過對(duì)高頻電子線路的仿真分析，利用雙蹤示波器觀察到由RC組成的低通濾波器將模擬乘法器輸出的雙邊帶信號(hào)中的高頻成分濾除，再經(jīng)過大電容得到低頻基帶信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)同步檢波；羅海軍等[5]提出了一種基于同步檢波的單通道磁感應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)，引入模擬相移電路，使參考信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)相位正交，提高了相位測(cè)量靈敏度；陳光等[6]研究了一種基于Hilbert變換的包絡(luò)檢波法，這種方法雖然克服了傳統(tǒng)峰值包絡(luò)檢波和同步檢波的不足，但卻受到目標(biāo)信噪比的限制；任志良等[7]對(duì)同步檢波和平衡疊加型檢波進(jìn)行了分析與推導(dǎo)，通過仿真分析得到了鑒相精度小于0.1°和鑒頻精度約2 Hz的效果。

本文建立了一種開關(guān)鑒相型同步檢波電路，首先利用乘法器獲取調(diào)制信號(hào)，將其與本地參考信號(hào)輸入鑒相電路部分，最后經(jīng)過包絡(luò)檢波電路獲得解調(diào)信號(hào)。利用仿真軟件Multisim對(duì)該電路的包絡(luò)提取、鑒頻、鑒相功能進(jìn)行了仿真研究，取得了較好的效果。

1 同步檢波電路工作原理分析

同步檢波電路信號(hào)源選用雙邊帶調(diào)幅信號(hào)(DSB-AM)。在DSB-AM調(diào)制電路中，已調(diào)信號(hào)的幅度受被傳輸消息信號(hào)控制，并正比于該消息信號(hào)。DSB-AM信號(hào)可通過消息信號(hào)與載波信號(hào)相乘得到。

設(shè)載波信號(hào)為u1=U1cosωct，目標(biāo)信號(hào)為單頻余弦信號(hào)uc=UccosΩt，則經(jīng)過乘法器輸出的DSB-AM信號(hào)為

u2=kU1UccosΩtcosωct=U2cosΩtcosωct

(1)

其中，ωc>>Ω，k為乘法器的增益。

同步檢波電路的原理[1]框圖如圖1，設(shè)接收信號(hào)為

u2=U2cosΩtcos(ωct+φ1)

(2)

本地參考信號(hào)形式為

ur=Urcos(ωct+φ2)

(3)

φ1和φ2分別為載波信號(hào)和本地參考信號(hào)的初始相位，那么解調(diào)信號(hào)：

u3=KDU2cosΩtcosΔφ

(4)

其中，Δφ=φ1-φ2，由式(4)可知，檢波電路的輸出結(jié)果與載波信號(hào)和本地參考信號(hào)的相位差有關(guān)，若Δφ=0，即參考信號(hào)和載波信號(hào)初相位相同，此時(shí)輸出信號(hào)最大；隨著Δφ的增大，輸出信號(hào)幅值逐漸衰減，當(dāng)Δφ=90°，輸出信號(hào)為0；當(dāng)Δφ=180°，輸出信號(hào)反向最大。由此可以說明電路具有相位識(shí)別的功能。

圖1 同步檢波電路原理框圖

2 開關(guān)鑒相檢波電路工作原理分析

2.1 開關(guān)鑒相電路原理分析

開關(guān)鑒相電路采用4只NPN三極管組成開關(guān)鑒相陣列，其電路原理圖如圖2所示。

圖2 開關(guān)鑒相電路原理圖

NPN三極管T1、T2、T3、T4組成開關(guān)陣列，且每只三極管的射極和基極均相連，與集電極一起分別作為每只三極管的兩個(gè)端點(diǎn)接入電路。與基準(zhǔn)相位相差180°的參考信號(hào)U180°經(jīng)電阻R1后與三極管T1和T2的集電極相連，參考信號(hào)U0°經(jīng)電阻R2后與三極管T3和T4的射極相連。三極管T1的射極與T3的集電極相連，且為開關(guān)鑒相電路的信號(hào)輸入端，即接收模擬調(diào)制信號(hào)。三極管T2的射極與T4的集電極相連，形成開關(guān)鑒相電路的輸出端，后接電阻R3，電阻R3接地后為開關(guān)鑒相電路的輸出端，即三極管T2的射極和T4的集電極提供了參考電位0電位。

由于NPN三極管的射極和基極相連，因而這4只三級(jí)管在電路中的作用可等效成二極管，因此，開關(guān)鑒相電路的等效電路如圖3所示。

圖3 開關(guān)鑒相等效電路圖

為方便分析，可假設(shè)開關(guān)鑒相電路的輸入信號(hào)為與電路工作頻率相同的峰值為±10 V的雙極性方波信號(hào)。為保證輸入信號(hào)的信息能夠不缺失的輸出，因此作為參考信號(hào)輸入的U180°和U0°的正負(fù)峰值均小于方波信號(hào)的正負(fù)峰值。令方波的正負(fù)峰值分別為VH1、VL1，參考信號(hào)的正、負(fù)峰值分別為VH2、VL2，則必有如下關(guān)系：VH1>VH2，VL1

下面分別分析當(dāng)輸入信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)U0°同相時(shí)，相位差為0°反相時(shí)相位差為180°，就這兩種情況分析開關(guān)鑒相電路的工作原理。

1) 相位差為0°。當(dāng)輸入的方波信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相位差為0°時(shí)，開關(guān)鑒相電路的工作原理如圖4所示。由輸入信號(hào)Ui和參考信號(hào)U180°、U0°的相位和幅值關(guān)系不難看出，開關(guān)鑒相電路的工作狀態(tài)可按照工作信號(hào)周期，劃分為前半周期和后半周期兩種情況分別討論。

圖4 相位差為0°時(shí)開關(guān)鑒相電路的工作原理

當(dāng)輸入信號(hào)處于前半周期時(shí)，Ui處電平為VH1，此時(shí)，參考信號(hào)U180°處于負(fù)半周期，U0°處于正半周期，根據(jù)二極管的工作原理，T1處于導(dǎo)通狀態(tài)，T3處于截止?fàn)顟B(tài)。T1的導(dǎo)通將影響T2的負(fù)極，使該點(diǎn)的電壓被輸入信號(hào)Ui拉到高位。由于開關(guān)鑒相電路輸出端的下拉電阻將T2的正極和T4的負(fù)極電位鉗制在參考0位，因而此時(shí)T2截止。T3的截止使得T4的正極端不受輸入信號(hào)Ui的電壓影響，所以該點(diǎn)電壓處于VH2階段，導(dǎo)致T4導(dǎo)通。由于T4的導(dǎo)通，使得電路輸出端將輸出參考信號(hào)的U0°正半周期。

當(dāng)輸入信號(hào)處于后半周期時(shí)，Ui處電平為VL1，此時(shí)，參考信號(hào)U180°處于正半周期，U0°處于負(fù)半周期，此時(shí)T1截止，T3導(dǎo)通。T3的導(dǎo)通將影響T4的正極，使該點(diǎn)的電壓被輸入信號(hào)Ui拉到低位，并低于0電位，因此T4截止。T1的截止使得T2的負(fù)極不受輸入信號(hào)Ui的電壓影響，所以該點(diǎn)電壓處于VH2階段，導(dǎo)致T2也截止。T4、T2均截止，所以電路輸出端將輸出0電位電壓。

2) 相位差為180°。當(dāng)輸入的方波信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相位差為180°時(shí)，開關(guān)鑒相電路的工作原理如圖5所示。同樣，按照輸入信號(hào)Ui的相位特征，可將開關(guān)鑒相電路的工作過程分為前半周期和后半周期分別討論。當(dāng)輸入信號(hào)處于前半周期時(shí)，此時(shí)三極管工作狀態(tài)與相位差為 0°時(shí)后半周期類似；當(dāng)輸入信號(hào)處于后半周期時(shí)，與相位差為0°時(shí)的前半周期類似，此處不再贅述。

圖5 相位差為180°時(shí)開關(guān)鑒相電路的工作原理

2.2 包絡(luò)檢波電路

圖6 二階SALLEN-KEY低通濾波電路圖

3 仿真分析

3.1 功能分析

Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器有限公司研發(fā)的高版本電路模擬仿真軟件，它為電子電路仿真提供了數(shù)量豐富的元件數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)提供了種類多樣且標(biāo)準(zhǔn)化的仿真儀器，大大方便了在虛擬環(huán)境中的仿真與分析[8-9]。

仿真電路及參數(shù)如圖7所示，其中目標(biāo)信號(hào)頻率為 1 Hz，包絡(luò)檢波電路截止頻率約為1.7 Hz。圖中V(4)、V(6)、V(11)、V(12)等編號(hào)可以從選項(xiàng)-電路圖屬性-網(wǎng)絡(luò)名稱-全部顯示調(diào)試出來，以便仿真時(shí)選擇輸出端點(diǎn)。執(zhí)行菜單命令仿真-分析-瞬態(tài)分析，設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為2s，選擇輸出變量為目標(biāo)信號(hào)V(4)、模擬調(diào)制信號(hào)V(12)、包絡(luò)信號(hào)V(6)、解調(diào)信號(hào)V(11)，得到仿真結(jié)果如圖8所示，由上往下分別為V(11)、V(4)、V(12)、V(6)。圖9為V(6)信號(hào)正半周、負(fù)半周信號(hào)的放大波形，其中正半周對(duì)應(yīng)原理分析中相位差為0°的情況，負(fù)半周對(duì)應(yīng)相位差為180°的情況，其中后半周期信號(hào)受輸入為高頻振蕩信號(hào)的影響在0附近有略微波動(dòng)，幅值較小，可以忽略，因此由波形可以驗(yàn)證原理分析的正確性。

圖7 仿真電路圖

圖8 各關(guān)鍵信號(hào)仿真輸出波形

圖9 V(6)信號(hào)放大波形

設(shè)置本地參考信號(hào)和發(fā)射端載波信號(hào)同頻，相位差為0°，執(zhí)行菜單命令仿真-分析-傅里葉分析，選擇輸出變量為V(11)，即同步檢波輸出信號(hào)，仿真結(jié)果如圖10所示，前半周期對(duì)應(yīng)相位差為180°的情況，輸出信號(hào)為參考信號(hào)的負(fù)半周期；后半周期對(duì)應(yīng)相位差為180°的情況，輸出信號(hào)為參考信號(hào)的正半周期。由于輸入信號(hào)為高頻包絡(luò)信號(hào)，高低電位快速交替，從而使得輸出為高頻包絡(luò)信號(hào)。對(duì)比圖8原目標(biāo)正弦信號(hào)和檢波所得解調(diào)信號(hào)可得，同步檢波器可以將調(diào)制信號(hào)中的目標(biāo)信號(hào)精確解調(diào)，提取出來的低頻包絡(luò)與原始目標(biāo)信號(hào)相比較，在波形上幾乎無失真，且圖10顯示傅里葉分析檢波效果較好，幾乎無諧波分量，因此得出此同步檢波電路具有可行性。

圖10 同步檢波輸出信號(hào)頻域仿真結(jié)果

3.2 性能分析

1) 鑒相性能。為了檢測(cè)電路的鑒相功能及精度，分別取相位差0°、30°、90°、180°，執(zhí)行菜單命令仿真-分析-傅里葉分析，測(cè)得各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)比表1中4組數(shù)據(jù)，只有當(dāng)同步檢波輸入的兩個(gè)信號(hào)同頻同相時(shí)，輸出信號(hào)幅值最大，隨著相位差的增大，幅值不斷減?。划?dāng)相位差為90°時(shí)，輸出幅值近似為0；當(dāng)相位差為180°時(shí)，輸出信號(hào)反向最大，這驗(yàn)證了該電路的鑒相功能。由于同檢波要求參考信號(hào)與輸入信號(hào)嚴(yán)格同相，所以鑒相精度小于0.1°[7]。

表1 不同相位差測(cè)得的一組仿真數(shù)據(jù)

2) 鑒頻性能。若本地參考信號(hào)與載波信號(hào)頻率不同，設(shè)置頻差分別為1.5 Hz、2 Hz、5 Hz、10 Hz，運(yùn)行仿真模型，其瞬態(tài)分析波形如圖11(a)～圖11(d)所示，從波形上看，輸出信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)差別很大，從幅值上看，當(dāng)頻差越大時(shí)，幅值也在減小，這說明同步檢波電路的本地參考信號(hào)與載波信號(hào)不同頻時(shí)，輸出信號(hào)將產(chǎn)生嚴(yán)重的失真，同時(shí)也驗(yàn)證了檢波電路具有良好的鑒頻功能。

圖11 不同頻差的檢波輸出波形

將低通濾波電路的輸入和輸出信號(hào)接入波特測(cè)試儀，其幅值特性如圖12所示。由通頻帶定義，系統(tǒng)輸出信號(hào)從最大值衰減3 dB的信號(hào)頻率為截止頻率，上下頻率之間的頻帶為通頻帶。仿真中得輸出最大信號(hào)為A點(diǎn)(1.029 Hz，0.511 dB)；根據(jù)-3 dB原則，衰減3 dB后輸出為B點(diǎn)(2.044 Hz，-2.552 dB)，所以通頻帶為1.015 Hz，因此電路選頻特性約為1 Hz。

圖12 輸出信號(hào)幅值特性界面

4 結(jié)論

本文對(duì)建立的開關(guān)鑒相型同步檢波電路進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和推導(dǎo)，將設(shè)計(jì)的電路圖在Multisim仿真環(huán)境中對(duì)電路的同步檢波性能進(jìn)行了全面、深入的仿真研究。仿真結(jié)果表明當(dāng)本地參考信號(hào)與載波信號(hào)同頻同相時(shí)，該電路通過控制開關(guān)鑒相電路中三極管的通斷，利用低通濾波電路的濾波性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，輸出解調(diào)信號(hào)與原目標(biāo)信號(hào)相比，波形幾乎無失真，此外，還具有良好的鑒頻、鑒相功能，其中鑒頻精度約為1 Hz，鑒相精度小于0.1°。本文的仿真結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，且不失一般性，改善了原有研究方法中存在的解調(diào)信號(hào)容易失真、鑒頻精度不高的缺陷和不足，具有積極的指導(dǎo)意義。