基于开关鉴相的同步检波电路的设计与仿真分析

王佳蓓，周 浩，谭思炜

(海军工程大学， 武汉 430033)

目标信号特征的识别能力在通信等领域尤为重要，主要包括目标信号的幅度、频率以及相位等信息[1]。在实际应用中，当目标信号为受钟形包络调制的载波信号时，可以利用同步检波解调载波信号，提取目标信号的包络，从而得到目标信号幅值、相位等相关信息。同步检波具有很高的精度要求，即要求本地载波信号与发射端的载波同频同相[2]，否则会使调制信号出现偏差，影响解调质量，例如，如果出现频差，则会产生拍频分量，使解调信号严重失真。

根据目前的研究现状，马兴平等[3]对二极管峰值包络检波电路进行了仿真分析研究，观察到检波电容的大小会影响检波效果，但这种方法容易出现惰性失真和负峰切割失真；程秀英等[4]通过对高频电子线路的仿真分析，利用双踪示波器观察到由RC组成的低通滤波器将模拟乘法器输出的双边带信号中的高频成分滤除，再经过大电容得到低频基带信号，从而实现同步检波；罗海军等[5]提出了一种基于同步检波的单通道磁感应测量系统，引入模拟相移电路，使参考信号与检测信号相位正交，提高了相位测量灵敏度；陈光等[6]研究了一种基于Hilbert变换的包络检波法，这种方法虽然克服了传统峰值包络检波和同步检波的不足，但却受到目标信噪比的限制；任志良等[7]对同步检波和平衡叠加型检波进行了分析与推导，通过仿真分析得到了鉴相精度小于0.1°和鉴频精度约2 Hz的效果。

本文建立了一种开关鉴相型同步检波电路，首先利用乘法器获取调制信号，将其与本地参考信号输入鉴相电路部分，最后经过包络检波电路获得解调信号。利用仿真软件Multisim对该电路的包络提取、鉴频、鉴相功能进行了仿真研究，取得了较好的效果。

1 同步检波电路工作原理分析

同步检波电路信号源选用双边带调幅信号(DSB-AM)。在DSB-AM调制电路中，已调信号的幅度受被传输消息信号控制，并正比于该消息信号。DSB-AM信号可通过消息信号与载波信号相乘得到。

设载波信号为u1=U1cosωct，目标信号为单频余弦信号uc=UccosΩt，则经过乘法器输出的DSB-AM信号为

u2=kU1UccosΩtcosωct=U2cosΩtcosωct

(1)

其中，ωc>>Ω，k为乘法器的增益。

同步检波电路的原理[1]框图如图1，设接收信号为

u2=U2cosΩtcos(ωct+φ1)

(2)

本地参考信号形式为

ur=Urcos(ωct+φ2)

(3)

φ1和φ2分别为载波信号和本地参考信号的初始相位，那么解调信号：

u3=KDU2cosΩtcosΔφ

(4)

其中，Δφ=φ1-φ2，由式(4)可知，检波电路的输出结果与载波信号和本地参考信号的相位差有关，若Δφ=0，即参考信号和载波信号初相位相同，此时输出信号最大；随着Δφ的增大，输出信号幅值逐渐衰减，当Δφ=90°，输出信号为0；当Δφ=180°，输出信号反向最大。由此可以说明电路具有相位识别的功能。

图1 同步检波电路原理框图

2 开关鉴相检波电路工作原理分析

2.1 开关鉴相电路原理分析

开关鉴相电路采用4只NPN三极管组成开关鉴相阵列，其电路原理图如图2所示。

图2 开关鉴相电路原理图

NPN三极管T1、T2、T3、T4组成开关阵列，且每只三极管的射极和基极均相连，与集电极一起分别作为每只三极管的两个端点接入电路。与基准相位相差180°的参考信号U180°经电阻R1后与三极管T1和T2的集电极相连，参考信号U0°经电阻R2后与三极管T3和T4的射极相连。三极管T1的射极与T3的集电极相连，且为开关鉴相电路的信号输入端，即接收模拟调制信号。三极管T2的射极与T4的集电极相连，形成开关鉴相电路的输出端，后接电阻R3，电阻R3接地后为开关鉴相电路的输出端，即三极管T2的射极和T4的集电极提供了参考电位0电位。

由于NPN三极管的射极和基极相连，因而这4只三级管在电路中的作用可等效成二极管，因此，开关鉴相电路的等效电路如图3所示。

图3 开关鉴相等效电路图

为方便分析，可假设开关鉴相电路的输入信号为与电路工作频率相同的峰值为±10 V的双极性方波信号。为保证输入信号的信息能够不缺失的输出，因此作为参考信号输入的U180°和U0°的正负峰值均小于方波信号的正负峰值。令方波的正负峰值分别为VH1、VL1，参考信号的正、负峰值分别为VH2、VL2，则必有如下关系：VH1>VH2，VL1

下面分别分析当输入信号与基准信号U0°同相时，相位差为0°反相时相位差为180°，就这两种情况分析开关鉴相电路的工作原理。

1) 相位差为0°。当输入的方波信号与基准信号相位差为0°时，开关鉴相电路的工作原理如图4所示。由输入信号Ui和参考信号U180°、U0°的相位和幅值关系不难看出，开关鉴相电路的工作状态可按照工作信号周期，划分为前半周期和后半周期两种情况分别讨论。

图4 相位差为0°时开关鉴相电路的工作原理

当输入信号处于前半周期时，Ui处电平为VH1，此时，参考信号U180°处于负半周期，U0°处于正半周期，根据二极管的工作原理，T1处于导通状态，T3处于截止状态。T1的导通将影响T2的负极，使该点的电压被输入信号Ui拉到高位。由于开关鉴相电路输出端的下拉电阻将T2的正极和T4的负极电位钳制在参考0位，因而此时T2截止。T3的截止使得T4的正极端不受输入信号Ui的电压影响，所以该点电压处于VH2阶段，导致T4导通。由于T4的导通，使得电路输出端将输出参考信号的U0°正半周期。

当输入信号处于后半周期时，Ui处电平为VL1，此时，参考信号U180°处于正半周期，U0°处于负半周期，此时T1截止，T3导通。T3的导通将影响T4的正极，使该点的电压被输入信号Ui拉到低位，并低于0电位，因此T4截止。T1的截止使得T2的负极不受输入信号Ui的电压影响，所以该点电压处于VH2阶段，导致T2也截止。T4、T2均截止，所以电路输出端将输出0电位电压。

2) 相位差为180°。当输入的方波信号与基准信号相位差为180°时，开关鉴相电路的工作原理如图5所示。同样，按照输入信号Ui的相位特征，可将开关鉴相电路的工作过程分为前半周期和后半周期分别讨论。当输入信号处于前半周期时，此时三极管工作状态与相位差为 0°时后半周期类似；当输入信号处于后半周期时，与相位差为0°时的前半周期类似，此处不再赘述。

图5 相位差为180°时开关鉴相电路的工作原理

2.2 包络检波电路

图6 二阶SALLEN-KEY低通滤波电路图

3 仿真分析

3.1 功能分析

Multisim是美国国家仪器有限公司研发的高版本电路模拟仿真软件，它为电子电路仿真提供了数量丰富的元件数据库，同时提供了种类多样且标准化的仿真仪器，大大方便了在虚拟环境中的仿真与分析[8-9]。

仿真电路及参数如图7所示，其中目标信号频率为 1 Hz，包络检波电路截止频率约为1.7 Hz。图中V(4)、V(6)、V(11)、V(12)等编号可以从选项-电路图属性-网络名称-全部显示调试出来，以便仿真时选择输出端点。执行菜单命令仿真-分析-瞬态分析，设置仿真时长为2s，选择输出变量为目标信号V(4)、模拟调制信号V(12)、包络信号V(6)、解调信号V(11)，得到仿真结果如图8所示，由上往下分别为V(11)、V(4)、V(12)、V(6)。图9为V(6)信号正半周、负半周信号的放大波形，其中正半周对应原理分析中相位差为0°的情况，负半周对应相位差为180°的情况，其中后半周期信号受输入为高频振荡信号的影响在0附近有略微波动，幅值较小，可以忽略，因此由波形可以验证原理分析的正确性。

图7 仿真电路图

图8 各关键信号仿真输出波形

图9 V(6)信号放大波形

设置本地参考信号和发射端载波信号同频，相位差为0°，执行菜单命令仿真-分析-傅里叶分析，选择输出变量为V(11)，即同步检波输出信号，仿真结果如图10所示，前半周期对应相位差为180°的情况，输出信号为参考信号的负半周期；后半周期对应相位差为180°的情况，输出信号为参考信号的正半周期。由于输入信号为高频包络信号，高低电位快速交替，从而使得输出为高频包络信号。对比图8原目标正弦信号和检波所得解调信号可得，同步检波器可以将调制信号中的目标信号精确解调，提取出来的低频包络与原始目标信号相比较，在波形上几乎无失真，且图10显示傅里叶分析检波效果较好，几乎无谐波分量，因此得出此同步检波电路具有可行性。

图10 同步检波输出信号频域仿真结果

3.2 性能分析

1) 鉴相性能。为了检测电路的鉴相功能及精度，分别取相位差0°、30°、90°、180°，执行菜单命令仿真-分析-傅里叶分析，测得各项数据如表1所示。对比表1中4组数据，只有当同步检波输入的两个信号同频同相时，输出信号幅值最大，随着相位差的增大，幅值不断减小；当相位差为90°时，输出幅值近似为0；当相位差为180°时，输出信号反向最大，这验证了该电路的鉴相功能。由于同检波要求参考信号与输入信号严格同相，所以鉴相精度小于0.1°[7]。

表1 不同相位差测得的一组仿真数据

2) 鉴频性能。若本地参考信号与载波信号频率不同，设置频差分别为1.5 Hz、2 Hz、5 Hz、10 Hz，运行仿真模型，其瞬态分析波形如图11(a)～图11(d)所示，从波形上看，输出信号与目标信号差别很大，从幅值上看，当频差越大时，幅值也在减小，这说明同步检波电路的本地参考信号与载波信号不同频时，输出信号将产生严重的失真，同时也验证了检波电路具有良好的鉴频功能。

图11 不同频差的检波输出波形

将低通滤波电路的输入和输出信号接入波特测试仪，其幅值特性如图12所示。由通频带定义，系统输出信号从最大值衰减3 dB的信号频率为截止频率，上下频率之间的频带为通频带。仿真中得输出最大信号为A点(1.029 Hz，0.511 dB)；根据-3 dB原则，衰减3 dB后输出为B点(2.044 Hz，-2.552 dB)，所以通频带为1.015 Hz，因此电路选频特性约为1 Hz。

图12 输出信号幅值特性界面

4 结论

本文对建立的开关鉴相型同步检波电路进行了详细的阐述和推导，将设计的电路图在Multisim仿真环境中对电路的同步检波性能进行了全面、深入的仿真研究。仿真结果表明当本地参考信号与载波信号同频同相时，该电路通过控制开关鉴相电路中三极管的通断，利用低通滤波电路的滤波性能，实现对调制信号的解调，输出解调信号与原目标信号相比，波形几乎无失真，此外，还具有良好的鉴频、鉴相功能，其中鉴频精度约为1 Hz，鉴相精度小于0.1°。本文的仿真结果准确、可靠，且不失一般性，改善了原有研究方法中存在的解调信号容易失真、鉴频精度不高的缺陷和不足，具有积极的指导意义。