通信电子电路83

1、 FM波波(频幅变换频幅变换)FMAM FMAM(包络检波包络检波)恢复原调制信号恢复原调制信号 88振幅鉴频器（斜率鉴频器振幅鉴频器（斜率鉴频器slope discriminator） 一失谐（一失谐（detuning）回路振幅鉴频器）回路振幅鉴频器 振幅鉴频器的基本原理：振幅鉴频器的基本原理： 频频-幅幅 变换器变换器 包络检波器包络检波器)t (vFM )(vAMFM 1 )t(v 返回 最简单的频最简单的频幅变换电路就是幅变换电路就是并联谐振回路并联谐振回路，其工作特点：，其工作特点： 例例1： 失调单回路振幅鉴频器失调单回路振幅鉴频器 FM信号工作在并联谐振回路的失谐区信号工作在并联

2、谐振回路的失谐区，即（，即（），当），当FM波波 电流流过回路时，由于瞬时频率随调制信号而变化，电流流过回路时，由于瞬时频率随调制信号而变化，对于不同的瞬时频对于不同的瞬时频 偏，失谐回路阻抗不同，回路输出电压偏，失谐回路阻抗不同，回路输出电压 振幅将随瞬时频偏振幅将随瞬时频偏 的变化而变化，即可完成的变化而变化，即可完成 变换。变换。 1 v so ff AMFMFM )t(f f S )(tf 1 v m f fo 利用失调回路中幅频特性曲线的倾斜部分来实现鉴频，解调后失真较大，利用失调回路中幅频特性曲线的倾斜部分来实现鉴频，解调后失真较大， 是一种原始类型的鉴频器，是一种原始类型的鉴频器

3、，现在已很少采用，但它对理解振幅鉴频器对现在已很少采用，但它对理解振幅鉴频器对 FM波的解调有很直观的意义。波的解调有很直观的意义。 1 v fo i vs(fs) 返回 是在是在集成电路中常用的振幅鉴频器集成电路中常用的振幅鉴频器，如下图电路就是电视接收机中，如下图电路就是电视接收机中 伴音信号处理的集成电路伴音信号处理的集成电路TA7176A中的差分峰值鉴频器。中的差分峰值鉴频器。 1 电路结构电路结构 二二 差分峰值振幅鉴频器差分峰值振幅鉴频器 T1，T2为射随器；为射随器；T3， T4为峰值检波器；为峰值检波器；T5， T6为差分对放大器；为差分对放大器；9， 10管脚外接频管脚外接频

4、幅移相幅移相 变换网络：变换网络：C1，C2，L1 2 电路分析：电路分析： 设：设：L1C1并联电路的谐振并联电路的谐振 频率为：频率为： 11 1 2 1 CL fo L1,C1和和C2组成的并、串谐组成的并、串谐 振回路的谐振频率为：振回路的谐振频率为： )(2 1 21 2 CCL fo 21oo ff 虽然有：虽然有： 1当当时，并串回路呈现串联谐振，由于串联谐振阻抗最小，故时，并串回路呈现串联谐振，由于串联谐振阻抗最小，故 V1最小，而电流最大，故最小，而电流最大，故V2最大。最大。 2o ff 21 v,v 1 v 2 v f o o v f o2f o1 故故V1最大，而最大，

5、而C2的容抗的容抗 最小最小 1o ff 201 2C C 1 X 较较大大 01 2当当时，并联回路谐振，时，并联回路谐振， （），故），故V2最小。最小。 故此移相网络的作用是故此移相网络的作用是将将 输入输入FM信号信号Vi转换成转换成V1和和 V2两个幅频特性相反的两个幅频特性相反的 FMAM信号。信号。 V1和和V2经经T1和和T2的射随器的射随器 输出后加到输出后加到T3，T4两个峰两个峰 值型包络检波器值型包络检波器的输入端，的输入端， 而输出的峰值检波电压为：而输出的峰值检波电压为： 为为检检波波器器的的传传输输系系数数其其中中KKK ,KVVKv KVVKv 21 2224e

6、 1113e 分别加到差分对分别加到差分对T5，T6的输的输4e3e v ,v )VV( kk)vv(kv 21v4e3evo 入端，经放大后由入端，经放大后由T6集电极单端输出集电极单端输出 v1v2 ve3 ve4 vo 返回 一一 电路结构和基本原理电路结构和基本原理 88互感偶合回路相位鉴频器互感偶合回路相位鉴频器 由二个部分组成：由二个部分组成： 1， 移相网络：移相网络：互感互感 为为M的初，次级双调谐耦的初，次级双调谐耦 合回路组成的移相网络，合回路组成的移相网络， v1经移相网络生成经移相网络生成PM FM波波v2，且，且|V1|=|V2| + v3 - 另外，另外，V1经耦合

7、电容经耦合电容C CC C在在 扼流圈扼流圈L LC C上产生的电压上产生的电压 v3=v1，故其等效电路如右，故其等效电路如右 下图所示。下图所示。 13 vv 242 131 , , RCD RCD 2 包络检波器：包络检波器： 组成平衡式包络检波器。组成平衡式包络检波器。 两个检波器的输出电压为：两个检波器的输出电压为： 2o1oo VVv 1o V o V 2o V + v2 - + v1 - 返回 i1 i2 13 vv 1o V o V 2o V 1d v 2d v 212d 211d v 2 1 vv v 2 1 vv 二二 工作原理分析：工作原理分析： 上下检波器的输入端高频电

8、压为：上下检波器的输入端高频电压为： 如果忽略次级回路对初级回路的影响，如果忽略次级回路对初级回路的影响， 则初级回路中流过则初级回路中流过L1的电流的电流 近似为：近似为： 1 i 1 1 11 1 1 Lj v Ljr v i 而次级回路中产生的感应电动势而次级回路中产生的感应电动势 1 1 12 v L M MijE 当忽略二极管检波器等效输入电阻对次级回路的影响时，次级回路电流当忽略二极管检波器等效输入电阻对次级回路的影响时，次级回路电流 i2为：为： ) C 1 L( jr v L M ) C 1 L( jr E i 2 22 1 1 2 22 2 2 所以：次级回路两端电压所以：次

9、级回路两端电压v2为：为： ) C 1 L( jrC v L M j Cj i v 2 222 1 12 2 2 讨论讨论:（1）当输入）当输入FM波瞬时频率波瞬时频率f等于调频等于调频 波中心频率波中心频率f o，即，即f= f o时，次级回路谐振。时，次级回路谐振。 即：即：0 1 2 2 c L o o 0 220 1 1220 1 1 2 90 rc v L M rc v L M jv 则有：则有： 即有：即有：v2 超前超前v1 相位差相位差/2，由矢量图可得：，由矢量图可得： |vd1|=|vd2| 若设检波器的传输系数为若设检波器的传输系数为Kd1=Kd2=Kd。 2222 11

10、11 | | ddddo ddddo Vkvkv Vkvkv 则有：则有： 0)( 2121 dddooo VVkvvv 所以：所以： （2）当瞬时频率）当瞬时频率ffo时，则有时，则有，这时，这时 次级回路呈电感性。次级回路呈电感性。 0 1 c L )90( |Z|C v L M ZC v L M jv 0 22 1 122 1 1 2 注意：式中注意：式中 为为次级回路阻抗。次级回路阻抗。) c 1 L( jrZ 2 222 2 2 2 r c 1 L arctg 为为Z2的相角。的相角。 0f 相相位位差差 由矢量图，由矢量图，V2超前超前V1的相位小于的相位小于/2， 且随且随 所以

11、：所以：|Vd1|Vd2|0|)|(| 21 dddo VVkv （3）当）当ffo vo=0 vo0 vd2 vd1 2 v 2 1 1 v 1 v f0 m f 比例鉴频器的输出电压比例鉴频器的输出电压V o只取决于输入只取决于输入FM波瞬时波瞬时 频率的变化，而与输入频率的变化，而与输入FM幅度变化的大小无关。幅度变化的大小无关。 如果设输入如果设输入FM波的瞬时频率不变，即波的瞬时频率不变，即 =常量，常量， 而由于传输过程中的寄生干扰调幅使输入而由于传输过程中的寄生干扰调幅使输入FM波的幅波的幅 度发生变化。则由于度发生变化。则由于 f 1o2o 1o2o1o2o 1o2oo vv

12、)vv)(vv( 2 1 )vv( 2 1 v o1o2o 2o 1o 2o 1o o 1o2o 1o2o o Evv v v 1 v v 1 E 2 1 vv vv E 2 1 可见，可见， 几几乎乎不不变变不不变变波波振振幅幅当当 o 2o 1o 2o 1o 2d 1d v v v v v V V FM 另外，当输入另外，当输入FM波的瞬时频率变化时，即有：波的瞬时频率变化时，即有： o d d v V V f 2 1 | 返回 一一 电路组成框图电路组成框图 /2移相移相 相乘器相乘器 低通低通 滤波器滤波器 电路由电路由移相器移相器，相乘器相乘器和和低低 通滤波器通滤波器三部分组成三部

13、分组成 )t (vFM )t (vr ) t (vo ) t (v o 输入信号输入信号一般来自调频接一般来自调频接 收机中放限幅器电路（中频载波为收机中放限幅器电路（中频载波为6.5MHZ或或10.7MHZ）的中频）的中频FM信号，信号， 参考信号参考信号 和和 同步正交，即同步正交，即 与与 在载频上有在载频上有/2 的固定相位差。的固定相位差。 )t (vFM)t (vr )t (vFM )t (vr)t(v FM 二二 正交鉴频器的性能分析正交鉴频器的性能分析 sincos)(tmtVtv foFM 而经而经/2移相后的移相后的 信号，对载频有固定信号，对载频有固定/2相移，但对各边相

14、移，但对各边 频分量（频分量（）则产生相位迟延）则产生相位迟延，即，即 ) t (vr n o 610正交鉴频器正交鉴频器 )t (vFM设输入设输入FM波波 为单一频率调制的信号，即为单一频率调制的信号，即 )t (sinmtsinV )t (sinm 2 tcosV)t (u for forr 所以：相乘器的输出电压所以：相乘器的输出电压 为：为： ) t (v o /2 移相 相乘 器 低通 滤 波 器 ) t (vFM )t (vr ) t (vo ) t (v o tsinm)t(sinmt2sinVkV 2 1 )tsin)t(sinmsinkVV 2 1 tsinmtcos)t(

15、sinmtsinVkV)t(vkv)t(v ffor fr foforrFM , o 经低通滤波器后，滤除经低通滤波器后，滤除 分量，并由三角函数公式：分量，并由三角函数公式： o 2 2 cos 2 sin2sinsin yxyx yx ) 2 1 tcos( 2 sin2msinVkV 2 1 v )t 2 1 tcos( 2 sin2tsin)t(sin fro 所以有：所以有： 又因为又因为 通常通常 ，所以，所以 1 22 sin )1m( , ) 2 t(coskV 2 1 ) 2 tcos(mVkV 2 1 ) 2 1 t(cosmsinVkV 2 1 v f fr fro 可见

16、，可见，正交鉴频器的输出电压正交鉴频器的输出电压V o就是原调制信号电压，只是增加了一个就是原调制信号电压，只是增加了一个 附加的固定相移（附加的固定相移（）/2，这是通过线性网络传输而形成的时间延迟。，这是通过线性网络传输而形成的时间延迟。 正交鉴频器的核心是相乘器，便于集成化，在集成电路调频接收机中，正交鉴频器的核心是相乘器，便于集成化，在集成电路调频接收机中， 调频信号的解调常采用正交鉴频器。调频信号的解调常采用正交鉴频器。 返回 一一调频发射机（调频发射机（FM transmitter）的组成。）的组成。 f 01=200kHz 振荡器振荡器 调相器调相器 多 级 倍多 级 倍 频器频

17、器 混频器混频器 多 级 倍多 级 倍 频器频器 功 率 放功 率 放 大器大器 积分积分 预加重预加重 可 变 频可 变 频 振荡器振荡器 N1=64 f 01 =200KHz fm1=25Hz f 0 3 =1.8-2.3MHZ fm3=1.6KHZ f L=11-10.5MHZ f 0=86.4-110.4MHZ fm=76.8KHZ N2=48 ) t (v 811调频发射机和调频接收机的组成调频发射机和调频接收机的组成 f 02=12.8MHZ fm2=1.6KHZ 调频广播波段：调频广播波段：，而（音频）调制信号，而（音频）调制信号 的频率的频率 =50HZ15KHZ，要求输出的，

18、要求输出的FM信号最大频偏信号最大频偏 =75KHZ，输出，输出FM信号的带宽信号的带宽: BFM=2（mf+1）Fmax=2 +2 F max =180KHZ，于是在调频广播工作波，于是在调频广播工作波 段内，段内，各调频电台的频率间隔取各调频电台的频率间隔取200KHZ，可容纳，可容纳100个电台。个电台。 MHz10888fo )(tv maxmin FF m f m f 多 级 倍多 级 倍 频器频器 f 01=200kHz 振荡器振荡器 调相器调相器 积分积分 预加重预加重 混频器混频器 可 变 频可 变 频 振荡器振荡器 多 级 倍多 级 倍 频器频器 功 率 放功 率 放 大器大

19、器 间接调频器 返回 广播调频接受机的通频带广播调频接受机的通频带B=200KHZ，中频载波频率，中频载波频率 fI=10.7MHZ，自动频率微调（，自动频率微调（AFC）电路的作用是微调本）电路的作用是微调本 振频率振频率f L，保证中频，保证中频fI=fL-fs=10.7MHZ稳定，这对提高调频稳定，这对提高调频 接收机的整机选择性，灵敏度和保真度是极有益处的。接收机的整机选择性，灵敏度和保真度是极有益处的。 二二 调频接收机（调频接收机（FM receiver）的组成）的组成 射 频 放 大器 混频器中频放 大 限幅器鉴频器 静噪电路 去 加 重 ， 音频功放 本振AFC 返回 一一 调

20、频制中的噪声调频制中的噪声 以上各种调频信号解调的原理分析中，都没有考虑到噪声的干扰，以上各种调频信号解调的原理分析中，都没有考虑到噪声的干扰，实际实际 上，信道内存在着的干扰和噪声是不可避免的，与有用信号一起加到解调器上，信道内存在着的干扰和噪声是不可避免的，与有用信号一起加到解调器 ，使解调器输出除了有用信号外，必然伴有干扰和噪声，使解调器输出除了有用信号外，必然伴有干扰和噪声，这将影响信号的传这将影响信号的传 输质量，输质量，在严重情况下，当输出信噪比较小时，有用信号甚至会淹没在干扰在严重情况下，当输出信噪比较小时，有用信号甚至会淹没在干扰 和噪声中，和噪声中，因此要求各种解调方式应具有

21、优良的抗噪声性能。因此要求各种解调方式应具有优良的抗噪声性能。 解调器解调器低通滤波器低通滤波器输出输出 信号信号+噪声噪声+干扰干扰 )t (v )t (v n FM 解调器抗噪声的能力通常用解调器的输出信噪比来度量：解调器抗噪声的能力通常用解调器的输出信噪比来度量： 输出信噪比输出信噪比=输出信号功率输出信号功率PSO/ 输出噪声平均功率输出噪声平均功率P n o 由于在实际信号中存在着各种形式的干扰和噪声，是十分复杂的，而调由于在实际信号中存在着各种形式的干扰和噪声，是十分复杂的，而调 制信号的解调本身是一个非线性的过程，使分析和计算复杂化，本课程制信号的解调本身是一个非线性的过程，使分

22、析和计算复杂化，本课程 在此只引用有关结论。在此只引用有关结论。 812调频制中的噪声，门限值和特殊电路调频制中的噪声，门限值和特殊电路 BFM BFM /2 P n o P s o 如图所示，如图所示，如果输入鉴频器的噪声功率谱密如果输入鉴频器的噪声功率谱密 度为均匀分布的白噪声，那么经鉴频器输出度为均匀分布的白噪声，那么经鉴频器输出 的噪声功率谱密度将随调制频率的增加而呈的噪声功率谱密度将随调制频率的增加而呈 平方律增加。平方律增加。 在调频广播中传送的语音信号的能量大部分在调频广播中传送的语音信号的能量大部分 集中在低频端，而在集中在低频端，而在调制信号高频端信号功调制信号高频端信号功

23、率谱最小，相反鉴频器输出的噪声功率谱密率谱最小，相反鉴频器输出的噪声功率谱密 度却在调制信号的高频端最大，这就使度却在调制信号的高频端最大，这就使得鉴得鉴 频器输出的调制信号高频端的输出信噪比严频器输出的调制信号高频端的输出信噪比严 重恶化，为改善鉴频器在调制信号高频端的重恶化，为改善鉴频器在调制信号高频端的 输出信噪比，输出信噪比，可以人为的在调频发送端提升可以人为的在调频发送端提升 调制信号调制信号中的高频分量，即这就是在中的高频分量，即这就是在 调频发射中接入预加重网络的原因。调频发射中接入预加重网络的原因。 )(tv 2鉴频器的输出信噪比与输入信噪比之间的关系鉴频器的输出信噪比与输入信

24、噪比之间的关系 理论上可以推出理论上可以推出： ) P P )(1m(m3 P P ni si f 2 f no so 1鉴频器输出的噪声功率谱密度鉴频器输出的噪声功率谱密度 P n i f o 鉴相器的鉴相器的噪声制度增益噪声制度增益： )1(3 2 ff ni si no so FM mm P P P P G 由上式可以看出，随调制指数由上式可以看出，随调制指数m f的增加，噪声制度增益将急剧增加，的增加，噪声制度增益将急剧增加， 即在相同输入信噪比的情况下，输出信噪比增大，系统的抗干扰能力增大，即在相同输入信噪比的情况下，输出信噪比增大，系统的抗干扰能力增大， 但同时但同时BFM=2（m

25、f+1）F max也增加，这表明也增加，这表明调频系统抗干扰性能的改善，调频系统抗干扰性能的改善， 是以增加是以增加FM信号的传输带宽为代价的。信号的传输带宽为代价的。 即当即当 FM no so f ni si B P P m P P 抗抗干干扰扰能能力力常常量量 如如果果 返回 以上的讨论是在输入信噪比较大的情况下进行的，以上的讨论是在输入信噪比较大的情况下进行的，当输入信噪比较低，当输入信噪比较低， 而小于一定的门限数值时，鉴频器的输出信噪比将急剧恶化，有用信号甚至而小于一定的门限数值时，鉴频器的输出信噪比将急剧恶化，有用信号甚至 完全淹没在噪声中，而无法正常接收，这种现象叫做鉴频器的门

26、限效应。完全淹没在噪声中，而无法正常接收，这种现象叫做鉴频器的门限效应。 为了建立调频信号解调时门限效应的概念，设鉴频器输入未加调制的载为了建立调频信号解调时门限效应的概念，设鉴频器输入未加调制的载 波信号，如果改变载频信号的振幅，则相当于改变鉴频器输入端的信噪比。波信号，如果改变载频信号的振幅，则相当于改变鉴频器输入端的信噪比。 二二 调频信号解调的门限效应调频信号解调的门限效应 （1）当）当VFM输入大时，即输入大时，即Ps i /P n i 较大较大 设设vFM=VFMCOS（ ） t o 噪声：噪声：)t (tcos) t (V) t (v n0nn 其中其中 表示随机变化的噪声幅度，

27、而表示随机变化的噪声幅度，而 表示在表示在02范围内随机变化范围内随机变化 的噪声相位，的噪声相位，且且 )t (Vn)(t n )t(VV nFM v（t） vFM )t ( n vn（t） )t ( n vn（t） )t( n vn（t） ) t ( n )()()(tvtvtv nFM 由矢量图可以看出，由矢量图可以看出， )(tV)(t 合成矢量的幅度合成矢量的幅度 和相位和相位 变化不大，变化不大， 即合成矢量是一个调幅即合成矢量是一个调幅,调角的信号，调角的信号，且且 的变化的变化 不会造成瞬不会造成瞬 时频率的突变，故对瞬时频率变化能作出响应的鉴频器的输出为小起伏的时频率的突变，

28、故对瞬时频率变化能作出响应的鉴频器的输出为小起伏的 噪声信号。噪声信号。 )(t dt )t( 即即，输入信噪比较小的情况下。合成矢量的端点轨迹如下图，输入信噪比较小的情况下。合成矢量的端点轨迹如下图 所示，合成矢量的相位所示，合成矢量的相位 可以围绕原点在可以围绕原点在02范围内剧烈变化，由于瞬范围内剧烈变化，由于瞬 时频率时频率 )t (VV nFM ) t ( dt )t (d 所以当所以当 由由0到到2突变时，会产生正脉突变时，会产生正脉 冲瞬时频率变化冲瞬时频率变化,而当而当 由由2到到0突变时，突变时， 令产生负脉冲瞬时频率变化，令产生负脉冲瞬时频率变化， )(t )(t (3)

29、当当VFM输入较小时，输入较小时， )(t v FM vn vn vn鉴频器对此正负瞬时频率脉冲的响应就是鉴频器对此正负瞬时频率脉冲的响应就是 正负脉冲噪声，正负脉冲噪声，由此产生啸叫声，使输出信由此产生啸叫声，使输出信 噪比急剧下降，这就是调频接收门限效应噪比急剧下降，这就是调频接收门限效应 现象的物理解释。现象的物理解释。 )t ( dt )t (d 2 由上分析可知：由上分析可知：当输入信噪比低于门限值时，当输入信噪比低于门限值时， 调频解调的抗噪声性能严重恶化，并不比调幅解调频解调的抗噪声性能严重恶化，并不比调幅解 调有多少优越性，只有在门限值以上工作的调频调有多少优越性，只有在门限值

30、以上工作的调频 解调器才有优良的抗噪声性能。解调器才有优良的抗噪声性能。 一般鉴频器的门限值与一般鉴频器的门限值与m f有关，当有关，当m f 大时大时 门限值也较大，但在不同的门限值也较大，但在不同的m f下，门限值变化下，门限值变化 范围不大，大约在范围不大，大约在811dB范围内变化，范围内变化， 所以一般认为鉴频器的门限值约为所以一般认为鉴频器的门限值约为10dB左右。左右。 鉴频器输出噪声功率随调制频率鉴频器输出噪声功率随调制频率F的升高按抛物线规律增加，但各种的升高按抛物线规律增加，但各种 消息信号（语音，音乐）它们的能量都集中在低频端，在高频端功率谱密消息信号（语音，音乐）它们的能量都集中在低频端，在高频端功率谱密 度随频率的增高而下降。度随频率的增高而下降。 三三 预加重电路与去加重电路预加重电路与去加重电路 因此，在调制频率的高频端输出信噪比明显下降，这对调制信号的接收因此，在调制频率的高频端输出信噪比明显下降，这对调制信号的接收 是不利的，为了进一步改善调频器的输出信噪比，针对调频制的特点，是不利的，为了进一步改善调频器的输出信噪比，针对调频制的特点， 调制信号高频端的信噪比采用调制信号高频端的信噪比采用加重技术。加重技术。 加重技术包括：加重技术包括： 预加重