基于CA3070的相干檢波在無線電羅盤中的應(yīng)用

李 杰，張 菊，魏書生

（天津陽光電子機械有限公司，天津 300000）

基于CA3070的相干檢波在無線電羅盤中的應(yīng)用

李 杰，張 菊，魏書生

（天津陽光電子機械有限公司，天津 300000）

文章簡要介紹調(diào)制解調(diào)原理，結(jié)合無線電羅盤的檢波電路，分析了羅盤的調(diào)幅檢波。文中圍繞器件CA3070著重敘述相干解調(diào)的原理及過程，同時使用仿真軟件Multisim對解調(diào)的電路進(jìn)行仿真。

調(diào)幅；同步檢波；相干檢波；羅盤

無線電羅盤又叫自動定向機，用于測量地面導(dǎo)航臺相對于飛機縱軸的方位，以引導(dǎo)飛機向臺或者背臺飛行。無線電羅盤依靠安裝在飛機腹部的組合天線，接收地面臺發(fā)射的無線電調(diào)幅信號。組合天線中由兩個正交的環(huán)形天線和一個垂直天線組成，其中環(huán)形天線為接收機提供了必要的角度信息，而垂直天線確保了合成場型的方向性，即接收的單值特性，天線內(nèi)部電路完成對無線電導(dǎo)航信號的前端處理。無線電羅盤工作在150KHz～1750KH頻段，在這個頻段覆蓋了民用廣播電臺，因此除了專門的信標(biāo)臺，無線電羅盤也可以利用民用無線電廣播電臺完成定向?qū)Ш?。無線電羅盤系統(tǒng)屬于調(diào)幅（AM）系統(tǒng)。地面信標(biāo)臺發(fā)射的調(diào)幅信號包括載波信號，1KHz的調(diào)制信號，調(diào)制深度30%。組合天線接收的空中的調(diào)幅信號，其調(diào)制音頻為導(dǎo)航臺識別音，在天線內(nèi)部被80Hz的信號調(diào)制，調(diào)制芯片為MC1496的乘法器。

1 簡述調(diào)幅信號特性：

設(shè)高頻載波uc(t)的表達(dá)式為：

調(diào)幅時，載波的頻率和相位不變，而振幅將隨著調(diào)制信號uΩ(t)線性地變化。由于調(diào)制信號為零時調(diào)幅波的振幅應(yīng)等于載波振幅Ucm，則調(diào)幅波的振幅Ucm(t)可寫作

式（2）中，ka是一個與調(diào)幅電路有關(guān)的比例常數(shù)。因此，調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式（4）中ΔUΩm=kaUΩm是受調(diào)后載波電壓振幅的最大變化量；ma==Δ稱為調(diào)幅系數(shù)或調(diào)制深度，它反映了載波振幅受調(diào)制信號控制的程度，ma與UΩm成正比。Ucm(t)=Ucm(1+macosΩt)是高頻振蕩的振幅，它反映了調(diào)制信號的變化規(guī)律，稱為調(diào)幅波的包絡(luò)。在調(diào)制信號的一個周期內(nèi)，調(diào)制波的最大振幅=(1+ma)，最小振幅=(1-ma)，故有。

圖1 同步檢波器原理圖

2 檢波原理

振幅調(diào)制是用調(diào)制信號去改變高頻載波振幅的過程，而從已調(diào)信號中還原出原調(diào)制信號的過程稱為振幅解調(diào)，也稱振幅檢波。從頻譜上看，檢波就是將調(diào)幅波中的邊帶信號不失真地從載波頻率附近搬移到零頻率附近,因此，檢波器也屬于頻譜搬移電路。我們平時使用的乘法器可以將輸入信號頻率不失真地搬移到參考信號頻率兩邊，而濾波器用來取出有用頻率分量，抑制無用頻率分量。所以接收機的解調(diào)可以使用頻譜搬移和選頻電路實現(xiàn)。常用的檢波電路有二極管峰值包絡(luò)檢波電路和同步檢波電路。但是SSB和DSB信號的包絡(luò)不能直接反映調(diào)制信號的變化規(guī)律，所以必須采用同步檢波電路。如果要達(dá)到良好的檢波效果，要求同步信號與載波信號必須嚴(yán)格同頻、同相。

同步檢波器又稱為相干檢波器，它是由模擬乘法器和低通濾波器LPF組成。因此這種電路也稱為模擬相乘檢波器，其原理圖如圖1所示。

設(shè)uI為單音正弦信號調(diào)制的調(diào)幅波，而同步電壓ur(t) =Urmcosωct。假設(shè)uI(t)為普通調(diào)則乘法器的輸出電壓為

可見，Uz(t)中含有0、F、2fc、2fc±F頻率分量，經(jīng)過LPF濾去2f、2f±F分量，再阻隔直流后，就得到u(t)=1mKUU-

cc02aMrmimcosΩt=UΩmcosΩt。

式（5）中，U=1mKUU?？梢妘(t)，已恢復(fù)出了原調(diào)

3 鎖相環(huán)檢波

無線電羅盤的接收機是一個超外差接收機。它所使用的檢波器為同步檢波器，如果接收機處理的信號為大信號，那么我們采用二極管檢波也可以完成解調(diào)，但是接收信號很小，并且信噪比很低的情況下，二極管檢波就會顯現(xiàn)出很低的效率。由于二極管檢波器相當(dāng)于一個平方率檢波器，它的輸出為：

其中項只含有信息不含有噪聲，其他兩項均含有噪聲，在檢波的過程中被選頻組件抑制掉；相反同步檢波器就是一個乘法檢波器，它的輸出為：

從公式中可以看出只有一個含有噪聲項，明顯的效率提高，因此在Collins的系列化羅盤接收機中的檢波方式一直是同步檢波方式。

但是無線電羅盤中的同步檢波方式，并非是使用模擬乘法器相乘而是鎖相環(huán)檢波。

第二中頻信號源于接收到的調(diào)幅信號與第一本振、第二本振混頻后經(jīng)放大濾波而成。脈沖調(diào)制（PM）鑒相器比較第二中頻和VCXO參考基準(zhǔn)信號的相位，如果兩個信號相位相同，則形成的誤差信號數(shù)值均為0V；中頻信號由脈沖調(diào)制鑒相器的基準(zhǔn)方波調(diào)制，給VCXO提供誤差電壓；如果中頻信號的相位變化，則誤差電壓將不為零，這個誤差電壓調(diào)整VCXO信號頻率，使其重新穩(wěn)定在與中頻信號的相位相關(guān)的相位上，而后誤差電壓再次回到0V。第二中頻信號經(jīng)過移相器移相+6°，在振幅（AM）鑒相器上與調(diào)節(jié)后的VCXO基準(zhǔn)信號相乘得到一個射頻信號用于解調(diào)角度信息，以及提取識別音頻并放大。

鎖相環(huán)本身是一個負(fù)反饋系統(tǒng)，利用其特性可以鎖定信號的相位，調(diào)整頻率。在第二中頻的下方，信號被移相網(wǎng)絡(luò)移相84°，但是經(jīng)過脈沖調(diào)制鑒相器與參考信號比較后，通過環(huán)路濾波器形成的直流誤差電壓驅(qū)動VCXO移相+90°，或者鎖定+90°的移相，最終鎖相環(huán)輸出穩(wěn)定在+3.6MHz+6°,保持和輸入到AM鑒相器的信號同頻同相。相乘后得到調(diào)制信號，失真最小。

4 無線電羅盤檢波仿真

羅盤中使用的檢波集成電路CA3070，原用于彩色電視機同步解調(diào)。它工作于-40℃～+85℃范圍內(nèi)，內(nèi)部包含有自動相位控制、自動色彩控制、直流關(guān)斷等功能模塊。

圖2 無線電羅盤相干檢波電路

外部電路結(jié)合移相器輸入射頻信號，通過與參考信號比較形成直流誤差電壓，結(jié)合鎖相環(huán)原理，應(yīng)用于無線電羅盤的同步檢波恰到好處。

在圖3中給出了羅盤的相干解調(diào)電路，其中包括各功能電路及外部應(yīng)用電路。在如圖2的R32處輸入第二中頻信號，設(shè)置信號發(fā)生器頻率為3.6MHz的雙邊帶調(diào)幅波。電路圖中標(biāo)記15、16處為整個電路的輸出端，整個檢波電路采用+15VDC供電，3.6MHz晶體振蕩器為VCXO提供了振蕩源。

Multisim是一個原理電路設(shè)計、電路功能測試虛擬仿真軟件，其自帶多種器件模型，簡單易學(xué)，而且集成了信號源、示波器、頻譜、分析儀等實驗通用設(shè)備，可以給電路輸出結(jié)果以直觀的認(rèn)識，有助于設(shè)計開發(fā)者觀察分析?，F(xiàn)將上述電路輸入到Multisim10.0中進(jìn)行仿真，可以得到一個簡單清晰的包絡(luò)信號如圖3所示：

圖3 包絡(luò)信號圖

5 結(jié)語

通信和信息傳輸系統(tǒng)中或電子工程技術(shù)調(diào)制和解調(diào)應(yīng)用最為廣泛，同步解調(diào)用于抑制載波的單邊帶和雙邊帶信號的解調(diào)，它的特點是必須外加與載波相同的同頻同相的電壓。在無線電羅盤中檢波中應(yīng)用了鎖相環(huán)，確保了相位的一致性。外加信號和輸入信號在檢波器內(nèi)部相乘，后通過低通濾波檢出調(diào)制信號。但是同步檢波并非是提高信噪比的方法，它的應(yīng)用針對小信號更加突出。

[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]張肅文.高頻電子線路[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]邱關(guān)源.電路(第四版)[M].北京：高等教育出版社，1999.

[4]武秀玲，沈偉慈.高頻電子線路[M].西安：西安電子科技大學(xué)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：電子機械。