基于CA3070的相干检波在无线电罗盘中的应用

李 杰，张 菊，魏书生

（天津阳光电子机械有限公司，天津 300000）

基于CA3070的相干检波在无线电罗盘中的应用

李 杰，张 菊，魏书生

（天津阳光电子机械有限公司，天津 300000）

文章简要介绍调制解调原理，结合无线电罗盘的检波电路，分析了罗盘的调幅检波。文中围绕器件CA3070着重叙述相干解调的原理及过程，同时使用仿真软件Multisim对解调的电路进行仿真。

调幅；同步检波；相干检波；罗盘

无线电罗盘又叫自动定向机，用于测量地面导航台相对于飞机纵轴的方位，以引导飞机向台或者背台飞行。无线电罗盘依靠安装在飞机腹部的组合天线，接收地面台发射的无线电调幅信号。组合天线中由两个正交的环形天线和一个垂直天线组成，其中环形天线为接收机提供了必要的角度信息，而垂直天线确保了合成场型的方向性，即接收的单值特性，天线内部电路完成对无线电导航信号的前端处理。无线电罗盘工作在150KHz～1750KH频段，在这个频段覆盖了民用广播电台，因此除了专门的信标台，无线电罗盘也可以利用民用无线电广播电台完成定向导航。无线电罗盘系统属于调幅（AM）系统。地面信标台发射的调幅信号包括载波信号，1KHz的调制信号，调制深度30%。组合天线接收的空中的调幅信号，其调制音频为导航台识别音，在天线内部被80Hz的信号调制，调制芯片为MC1496的乘法器。

1 简述调幅信号特性：

设高频载波uc(t)的表达式为：

调幅时，载波的频率和相位不变，而振幅将随着调制信号uΩ(t)线性地变化。由于调制信号为零时调幅波的振幅应等于载波振幅Ucm，则调幅波的振幅Ucm(t)可写作

式（2）中，ka是一个与调幅电路有关的比例常数。因此，调幅波的数学表达式为：

式（4）中ΔUΩm=kaUΩm是受调后载波电压振幅的最大变化量；ma==Δ称为调幅系数或调制深度，它反映了载波振幅受调制信号控制的程度，ma与UΩm成正比。Ucm(t)=Ucm(1+macosΩt)是高频振荡的振幅，它反映了调制信号的变化规律，称为调幅波的包络。在调制信号的一个周期内，调制波的最大振幅=(1+ma)，最小振幅=(1-ma)，故有。

图1 同步检波器原理图

2 检波原理

振幅调制是用调制信号去改变高频载波振幅的过程，而从已调信号中还原出原调制信号的过程称为振幅解调，也称振幅检波。从频谱上看，检波就是将调幅波中的边带信号不失真地从载波频率附近搬移到零频率附近,因此，检波器也属于频谱搬移电路。我们平时使用的乘法器可以将输入信号频率不失真地搬移到参考信号频率两边，而滤波器用来取出有用频率分量，抑制无用频率分量。所以接收机的解调可以使用频谱搬移和选频电路实现。常用的检波电路有二极管峰值包络检波电路和同步检波电路。但是SSB和DSB信号的包络不能直接反映调制信号的变化规律，所以必须采用同步检波电路。如果要达到良好的检波效果，要求同步信号与载波信号必须严格同频、同相。

同步检波器又称为相干检波器，它是由模拟乘法器和低通滤波器LPF组成。因此这种电路也称为模拟相乘检波器，其原理图如图1所示。

设uI为单音正弦信号调制的调幅波，而同步电压ur(t) =Urmcosωct。假设uI(t)为普通调则乘法器的输出电压为

可见，Uz(t)中含有0、F、2fc、2fc±F频率分量，经过LPF滤去2f、2f±F分量，再阻隔直流后，就得到u(t)=1mKUU-

cc02aMrmimcosΩt=UΩmcosΩt。

式（5）中，U=1mKUU。可见u(t)，已恢复出了原调

3 锁相环检波

无线电罗盘的接收机是一个超外差接收机。它所使用的检波器为同步检波器，如果接收机处理的信号为大信号，那么我们采用二极管检波也可以完成解调，但是接收信号很小，并且信噪比很低的情况下，二极管检波就会显现出很低的效率。由于二极管检波器相当于一个平方率检波器，它的输出为：

其中项只含有信息不含有噪声，其他两项均含有噪声，在检波的过程中被选频组件抑制掉；相反同步检波器就是一个乘法检波器，它的输出为：

从公式中可以看出只有一个含有噪声项，明显的效率提高，因此在Collins的系列化罗盘接收机中的检波方式一直是同步检波方式。

但是无线电罗盘中的同步检波方式，并非是使用模拟乘法器相乘而是锁相环检波。

第二中频信号源于接收到的调幅信号与第一本振、第二本振混频后经放大滤波而成。脉冲调制（PM）鉴相器比较第二中频和VCXO参考基准信号的相位，如果两个信号相位相同，则形成的误差信号数值均为0V；中频信号由脉冲调制鉴相器的基准方波调制，给VCXO提供误差电压；如果中频信号的相位变化，则误差电压将不为零，这个误差电压调整VCXO信号频率，使其重新稳定在与中频信号的相位相关的相位上，而后误差电压再次回到0V。第二中频信号经过移相器移相+6°，在振幅（AM）鉴相器上与调节后的VCXO基准信号相乘得到一个射频信号用于解调角度信息，以及提取识别音频并放大。

锁相环本身是一个负反馈系统，利用其特性可以锁定信号的相位，调整频率。在第二中频的下方，信号被移相网络移相84°，但是经过脉冲调制鉴相器与参考信号比较后，通过环路滤波器形成的直流误差电压驱动VCXO移相+90°，或者锁定+90°的移相，最终锁相环输出稳定在+3.6MHz+6°,保持和输入到AM鉴相器的信号同频同相。相乘后得到调制信号，失真最小。

4 无线电罗盘检波仿真

罗盘中使用的检波集成电路CA3070，原用于彩色电视机同步解调。它工作于-40℃～+85℃范围内，内部包含有自动相位控制、自动色彩控制、直流关断等功能模块。

图2 无线电罗盘相干检波电路

外部电路结合移相器输入射频信号，通过与参考信号比较形成直流误差电压，结合锁相环原理，应用于无线电罗盘的同步检波恰到好处。

在图3中给出了罗盘的相干解调电路，其中包括各功能电路及外部应用电路。在如图2的R32处输入第二中频信号，设置信号发生器频率为3.6MHz的双边带调幅波。电路图中标记15、16处为整个电路的输出端，整个检波电路采用+15VDC供电，3.6MHz晶体振荡器为VCXO提供了振荡源。

Multisim是一个原理电路设计、电路功能测试虚拟仿真软件，其自带多种器件模型，简单易学，而且集成了信号源、示波器、频谱、分析仪等实验通用设备，可以给电路输出结果以直观的认识，有助于设计开发者观察分析。现将上述电路输入到Multisim10.0中进行仿真，可以得到一个简单清晰的包络信号如图3所示：

图3 包络信号图

5 结语

通信和信息传输系统中或电子工程技术调制和解调应用最为广泛，同步解调用于抑制载波的单边带和双边带信号的解调，它的特点是必须外加与载波相同的同频同相的电压。在无线电罗盘中检波中应用了锁相环，确保了相位的一致性。外加信号和输入信号在检波器内部相乘，后通过低通滤波检出调制信号。但是同步检波并非是提高信噪比的方法，它的应用针对小信号更加突出。

[1]康华光.电子技术基础(模拟部分)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]张肃文.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]邱关源.电路(第四版)[M].北京：高等教育出版社，1999.

[4]武秀玲，沈伟慈.高频电子线路[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.

Application of Coherent Detection in Radio Compass based on CA3070

LI Jie，ZHANG Ju,WEI Shu-sheng
(Tianjin Sunshine Electronic Machinery Co.,Ltd.,TianJin，300000，China)

This paper briefly introduced the modulation and demodulation principle,combined with the detection circuit of radio compass,it analyzed the modulation and detection of the compass.This paper mainly described the principle and process of coherent demodulation around the device CA3070,and simulate the demodulated circuit with the simulation software Multisim.

amplitude modulation;synchronous detection;coherent detection;compass

TN925

A

2095-980X（2015）02-0047-02

2015-01-15

李杰，主要研究方向：电子机械。