通信电子线路讲义9-1

1、9.1 概述概述9.2 鉴相器鉴相器9.3 鉴频器鉴频器9.4 数字鉴频与数字鉴相数字鉴频与数字鉴相第9章 调角电路的解调电路 掌握典型调角信号解调电路的功能、结构、掌握典型调角信号解调电路的功能、结构、工作原理、分析方法和性能特点。工作原理、分析方法和性能特点。 了解数字调角信号解调方式及其实现电路。了解数字调角信号解调方式及其实现电路。教学基本要求1. 解调电路的功能解调电路的功能 调角信号解调电路：从调角波中取出原调制信号。调角信号解调电路：从调角波中取出原调制信号。 调相波的解调电路调相波的解调电路：是从调相波中取出原调制信号，即：是从调相波中取出原调制信号，即输出电压与输入信号的瞬时

2、相位偏移成正比，又称为输出电压与输入信号的瞬时相位偏移成正比，又称为鉴鉴相器相器。 调频波的解调电路调频波的解调电路：是从调频波中取出原调制信号，即：是从调频波中取出原调制信号，即输出电压与输入信号的瞬时频率偏移成正比，又称为输出电压与输入信号的瞬时频率偏移成正比，又称为鉴鉴频器频器。 9.1 概述概述输入调相波输入调相波 : ( )coscosicmcpu ttmt0( )cosmu tt输出电压输出电压:输入调频波：输入调频波： ( )cossintcmcfu tutmt0( )cosmu tUt输出电压：输出电压：(1) 鉴相特性曲线鉴相特性曲线 即鉴相器输出电压与输入信号的瞬时相位偏移

3、即鉴相器输出电压与输入信号的瞬时相位偏移的关的关系。系。通常要求是线性关系通常要求是线性关系。(2) 鉴相跨导鉴相跨导 鉴相器输出电压与输入信号的瞬时相位偏移鉴相器输出电压与输入信号的瞬时相位偏移的关系的关系的比例系数。的比例系数。(3) 鉴相线性范围鉴相线性范围 通常应大于调相波最大相移的二倍。通常应大于调相波最大相移的二倍。(4) 非线性失真非线性失真 应尽可能小。应尽可能小。 2. 鉴相器的主要技术指标鉴相器的主要技术指标3. 鉴频器的主要技术指标鉴频器的主要技术指标(1) 鉴频特性曲线鉴频特性曲线 即鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频率偏移的关系。即鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频率偏移

4、的关系。通常要求是线性关系通常要求是线性关系。(2) 鉴频跨导鉴频跨导 鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频率偏移的关系的鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频率偏移的关系的比例系数。比例系数。(3) 鉴频线性范围鉴频线性范围 通常应大于调频波最大频移的二倍。通常应大于调频波最大频移的二倍。(4) 非线性失真非线性失真 应尽可能小。应尽可能小。9.2 鉴相器鉴相器 通常可分为通常可分为模拟电路型模拟电路型和和数字电路型数字电路型两大类。两大类。 在集成电路系统中，常用的有：在集成电路系统中，常用的有： 模拟乘法器构成的模拟乘法器构成的乘积型鉴相乘积型鉴相 数字门电路构成的数字门电路构成的门电路鉴相门电路

5、鉴相1. 乘积型鉴相电路乘积型鉴相电路 采用模拟乘法器作为非线性器件进行频率变换，然后通过低采用模拟乘法器作为非线性器件进行频率变换，然后通过低通滤波器取出原调制信号。通滤波器取出原调制信号。一般来说一般来说u1和和u2为正交关系为正交关系，以取得正弦形鉴相特性。例如：，以取得正弦形鉴相特性。例如：)(cos111ttUucm22sinmcuUt12022ququiI ththKTKTu1 ：是是输入的需解调的调相波输入的需解调的调相波。u2 ：是由是由u1变化来的，或是系统本身产生变化来的，或是系统本身产生的与的与u1有确定关系的参考信号。有确定关系的参考信号。乘法器乘法器低通低通滤波器滤波

6、器u1u2ku1u2uo(1) u1为小信号，为小信号，u2为小信号为小信号当当u1和和u2均小于均小于26mV时，根据模拟乘法器的特性，时，根据模拟乘法器的特性，输出电流输出电流：01222qqiIuuKTKT1 2121cos()sinMMmmccK uuK U Uttt12112111sin()sin 2()22MmmMmmcK U UtK U Utt经低通滤波器滤波，在负载经低通滤波器滤波，在负载RL可得可得输出电压输出电压为：为：01211sin( )2MmmLuK U URt1211sin( )2MmmLK U URt （2）线性鉴相范围：线性鉴相范围：鉴相特性曲线鉴相特性曲线 ：

7、1 (t)是是u1和和u2的相位差，通的相位差，通常用常用e(t)来表示。来表示。uo和和e(t)呈呈 正弦正弦 关系。关系。小信号正交乘积鉴相特性小信号正交乘积鉴相特性 （1）鉴相跨导鉴相跨导S00eeduSdrade6LmmMRUUKS2121Vrad当：当： 时，时，单位：单位：6esineemax6erad 当：当： 时，时， ，即：，即：乘法器的输出电流乘法器的输出电流 i 为为 ：双曲正切函数具有开关函数的形式双曲正切函数具有开关函数的形式 将其按傅氏级数展开：将其按傅氏级数展开： (2) u1为小信号，为小信号，u2为大信号为大信号212ukTqthuKiM210122ttukT

8、qthcc2444sinsin3sin5235cccqthutttKT相乘后的乘法器的相乘后的乘法器的输出电流输出电流为：为： 低通滤波后在负载上得到低通滤波后在负载上得到输出电压输出电压为：为： 1144cos( )sinsin33MmccciK Utttt ttUKtUKcmMmM11112sin2sin2111122sin 2( )sin 4( )33MmcMmcK UttK Utt0112sin( )MmLuK URt 112sinMmLK URt 鉴相特性曲线鉴相特性曲线 （1 1）鉴相跨导）鉴相跨导： max6erad （2）线性鉴相范围：）线性鉴相范围：12MmLSK U R小信

9、号正交乘积鉴相特性小信号正交乘积鉴相特性 呈呈 正弦正弦 关系关系当当 时，时，rade6乘法器的乘法器的输出电流输出电流 i 为为 ： (3) u1为大信号，为大信号，u2为大信号为大信号01222qqiI thu thuKTKT 23212212111ttttuKTqthcc11144cos( )cos3( )23ccqthuttttKT14cos5( )5ctt开关函数形式开关函数形式展开为傅氏级数展开为傅氏级数u2为大信号，展开：为大信号，展开：210122ttukTqthcc2444sinsin3sin5235cccqthutttKT21022uKTqthuKTqthIi 01144

10、44coscos3(sinsin3)33ccccItttttt 01012288sinsin2cItItt01012288sin 23( )sin 43( )33ccIttItt01012288sin 2( )sin 4( )33ccIttItt01012288sin3( )sin 63( )(3 )(3 )cItItt乘法器的乘法器的输出电流输出电流为：为：鉴相特性曲线鉴相特性曲线00112288sin( )sin3( )(3 )LuI Rtt 10122118sin 2121nLnI Rntn 经低通滤波器滤波，在负载上得到经低通滤波器滤波，在负载上得到输出电压：输出电压：呈呈 三角波三角

11、波 关系关系（1）输出电压为）输出电压为 ：（3）鉴相跨导：）鉴相跨导：（2）线性鉴相范围：）线性鉴相范围：112( )22( )oMLoMLuK RtuK Rt 11( )223( )22ttmax2e 02LSI R 分析：乘积型鉴相器应尽量采用分析：乘积型鉴相器应尽量采用大信号工作状态大信号工作状态，这样可以获，这样可以获得较宽的线性鉴相范围。得较宽的线性鉴相范围。一次和三次叠加一次和三次叠加一次、三次和五次叠加一次、三次和五次叠加一次、三次、五次和七次叠加一次、三次、五次和七次叠加2. 门电路鉴相器门电路鉴相器特点：特点：电路简单、线性鉴相范围大，易于集成化。电路简单、线性鉴相范围大，

12、易于集成化。分类：分类：分为分为或门鉴相器或门鉴相器和和异或门鉴相器。异或门鉴相器。异或门异或门鉴相器及波形鉴相器及波形00eedmeedmedUUu/dmSU 经低通滤波器滤波后，输出电经低通滤波器滤波后，输出电压压u ud d( (e e) )与与e e的关系为三角的关系为三角形，可表示为：形，可表示为：其其鉴相跨导鉴相跨导为：为： 或门电路鉴相器或门电路鉴相器 异或门鉴相器异或门鉴相器 与门鉴相器与门鉴相器9.3 鉴频器鉴频器 由于调频波是等幅波，其解调的过程不是线性频谱搬移。因而不由于调频波是等幅波，其解调的过程不是线性频谱搬移。因而不能像调幅那样用能像调幅那样用非线性器件非线性器件+

13、低通滤波器低通滤波器组成。而是要组成。而是要先先通过变换通过变换电路对等幅调频波进行变换，电路对等幅调频波进行变换，然后然后再经振幅检波、鉴相器或低通再经振幅检波、鉴相器或低通滤波实现。滤波实现。 鉴频电路可分为鉴频电路可分为调频调频-调幅调频变换型调幅调频变换型(双失谐鉴频器、相位鉴频双失谐鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器器、比例鉴频器)、相移乘法型相移乘法型和和脉冲均值型脉冲均值型三类。三类。（1）调频）调频-调幅变换型：将调幅变换型：将等幅调频波等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的正比的调幅调频波调幅调频波，然后用，然后用振幅检波器振幅检波器进行振幅检波

14、。进行振幅检波。（2）相移乘积型：将）相移乘积型：将等幅调频波等幅调频波经移相电路变换成经移相电路变换成调相调频波调相调频波，其相，其相位的变化正好与调频波瞬时频率变化成线性关系，然后将调相调位的变化正好与调频波瞬时频率变化成线性关系，然后将调相调频波与原调频波频波与原调频波经乘法器鉴相，由低通滤波器输出经乘法器鉴相，由低通滤波器输出。（3）脉冲均值型：将）脉冲均值型：将调频信号调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频通过过零比较器变换成重复频率与调频波瞬时频率相等的波瞬时频率相等的单极性等幅脉冲序列单极性等幅脉冲序列，然后通过，然后通过低通滤波器取低通滤波器取出脉冲序列的平均值出脉冲序列的

15、平均值实现鉴频。实现鉴频。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：FM信号工作在并联谐振回路的信号工作在并联谐振回路的失谐区失谐区，即（，即（fpf0），当），当FM波电流流过回波电流流过回路时，由于瞬时频率随调制信号而变化，路时，由于瞬时频率随调制信号而变化，对于不同的瞬时频偏，失谐回路对于不同的瞬时频偏，失谐回路阻抗不同，阻抗不同，回路输出电压回路输出电压u1的振幅将随瞬时频偏的振幅将随瞬时频偏f(t)的变化而变化的变化而变化，即可，即可完成完成FMAM 变换。变换。 f o)(tf 1umf fp利用利用失调回路中幅频特性曲线的

16、倾斜部分失调回路中幅频特性曲线的倾斜部分来实现鉴频，解调后来实现鉴频，解调后失真失真较大，是较大，是一种原始类型的鉴频器，现在已很少采用，但它对理解振幅鉴频器对一种原始类型的鉴频器，现在已很少采用，但它对理解振幅鉴频器对FM波的波的解调有很直观的意义。解调有很直观的意义。 1u fpius(fo)例：单失谐回路振幅鉴频器例：单失谐回路振幅鉴频器1. 双失谐回路鉴频器双失谐回路鉴频器由三个并联调谐回路组成的由三个并联调谐回路组成的调频调频-调幅调频变换电调幅调频变换电路路和和上下对称的振幅检波器上下对称的振幅检波器组成。组成。 双失谐回路鉴频器双失谐回路鉴频器u2u1uFMf01f02初级回路调

17、谐于调频波的中心频率初级回路调谐于调频波的中心频率c，通带较宽，通带较宽。次级两个回路分别调谐于。次级两个回路分别调谐于o1和和o2 ，并使，并使o1和和o2与与c成对称失谐，即成对称失谐，即c-o1 =o2-c。两个回路两个回路的幅频特性可近似认为对的幅频特性可近似认为对c是对称的。是对称的。输入输入FM信信号特性曲线号特性曲线当输入调频信号的频率为当输入调频信号的频率为c时时，两个回路的电压振幅相等，经两个检波器，两个回路的电压振幅相等，经两个检波器检波产生输出电压检波产生输出电压 uo1和和 uo2是相等的，故鉴频器输出电压是相等的，故鉴频器输出电压uo= uo1- uo2 = 0。当输

18、入调频信号的频率从当输入调频信号的频率从c向增大方向偏离时向增大方向偏离时，L2C2回路电压大，而回路电压大，而L1C1回回路电压小，经检波后路电压小，经检波后 uo1 uo2 ，则鉴频器输出电压，则鉴频器输出电压 uo= uo1- uo2 uo2 ，则鉴频器输出电压，则鉴频器输出电压 uo= uo1- uo2 0 。双失谐回路鉴频特性双失谐回路鉴频特性输入输入FM信信号特性曲线号特性曲线+结论：结论：可获得较好的线可获得较好的线性响应，失真较小，灵性响应，失真较小，灵敏度也高于单回路鉴频敏度也高于单回路鉴频器。器。各点波形各点波形t0uFM(a)t0Uo1tUo2(b)(c)tUo(d)00

19、Bm0UofAf双失谐鉴频器的鉴频特性双失谐鉴频器的鉴频特性双失谐鉴频器的输出是取两个带通响应之差，双失谐鉴频器的输出是取两个带通响应之差，即该鉴频器的传输特性或鉴频特性，如图中的即该鉴频器的传输特性或鉴频特性，如图中的实线所示。其中虚线为两回路的谐振曲线。实线所示。其中虚线为两回路的谐振曲线。可获得较好的线性响应，失真较小，灵敏度也可获得较好的线性响应，失真较小，灵敏度也高于单回路鉴频器。高于单回路鉴频器。实用电路举例实用电路举例 双失谐回路鉴频器的实用电路双失谐回路鉴频器的实用电路 两个失谐回路分别调谐于两个失谐回路分别调谐于35MHz和和40MHz。它们是共基放大器的负载回路。它们是共基

20、放大器的负载回路。 输入调频波输入调频波ui从两放大器发射极输入，经共基放大，在负载回路产生输出电压，经从两放大器发射极输入，经共基放大，在负载回路产生输出电压，经检波器产生检波电流检波器产生检波电流 I1和和 I2。在负载上得到电压为。在负载上得到电压为 (I1- I2) RL。相位鉴频器：相位鉴频器：是利用双耦合回路的是利用双耦合回路的相位相位-频率特性频率特性将将调调频波频波变成变成调幅调频波调幅调频波，再通过再通过振幅检波器振幅检波器实现鉴频的一实现鉴频的一种鉴频器。种鉴频器。 互感耦合互感耦合鉴频器鉴频器 电容耦合电容耦合鉴频器鉴频器二者原理相同，仅以二者原理相同，仅以互感耦合互感耦

21、合为例。为例。用途：频偏在几百用途：频偏在几百KHz以下的调频无线接收设备中。以下的调频无线接收设备中。2. 相位鉴频器相位鉴频器uFM(一一) 电路结构和基本原理电路结构和基本原理 （1）移相网络：）移相网络：互感为互感为M的初、次级双调谐耦合回路组成的初、次级双调谐耦合回路组成的移相网络，的移相网络，u1经移相网络生成经移相网络生成次级电压次级电压u2，并使，并使 |U1|=|U2|。+ u3 -另外，另外，u1经耦合电容经耦合电容CC在扼流圈在扼流圈LC上产生的电压上产生的电压u3=u1，故其等效，故其等效电路如右下图所示。电路如右下图所示。VD1C3R1C4R2VD2221u221u1

22、3uu 242131,RCVDRCVD（2） 包络检波器：包络检波器：组成平衡式包络检波器。两个检波器组成平衡式包络检波器。两个检波器的输出电压差为的输出电压差为:21ooouuu 1ou ou 2ou+u2-+u1-LcC2C1VD2VD1R1R2EcC4C3VTCcML2L1ud1ud2互感耦合相位鉴频器互感耦合相位鉴频器两个调谐回路两个调谐回路L1C1和和L2C2均调谐均调谐于输入调频波的中心频率于输入调频波的中心频率c 。(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，

23、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：1i111111LjuLjrui 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1112uLMMijE 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，次级回路电流流 i2为：为：)1()1(2221122222CLjruLMCLjrEi 所以：次级回路两端电压所以：次级回路两端电压u2为：为：2122122221()iuMujj CLC rjLCVD1C3R1C4R2VD2221u221u13uu 1ou ou 2ouud1ud221121uuud 212

24、21uuud LcC2C1VD2VD1R1R2EcC4C3VTCcML2L1i1i2初级回路品质因数较高，可忽略初级回路品质因数较高，可忽略L1的损耗电阻；的损耗电阻；初、次级互感耦合较弱，可忽略次级损耗对初级的影响。初、次级互感耦合较弱，可忽略次级损耗对初级的影响。（1）当输入）当输入FM波瞬时频率波瞬时频率 f 等于调频波中心频率等于调频波中心频率f c，即，即f= f c时，次时，次级回路谐振。级回路谐振。即：即： c2c21L0C 01121c2 21c2 2uuMMuj90LC rLC r 则有：则有：即有：即有：u2 滞后滞后u1 相位差相位差/2，由矢量图可得：，由矢量图可得：

25、|Ud1|=|Ud2|2122122221()iuMujj CLC rjLC 1u 21u221u22du1du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。 22221111|ddddoddddoUkuKuUkuKu则有：则有：0)(2121 dddoooUUKuuu所以：所以：讨论讨论: : 212212222iuMuj1j CLC rj(L)C（2）当瞬时频率）当瞬时频率f fc 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。0122CL 0112122122uuMMuj(90)LC ZLC | Z | 注意：注意： 为为次级回路阻抗。次级回路

26、阻抗。)1(2222CLjrZ 2221rCLarctg 为为Z2的相角。的相角。由矢量图，由矢量图，u2滞后滞后u1的相位大于的相位大于/2，且随且随f，相位差，相位差 21u221u21u2du1du 所以：所以：|Ud1|Ud2| odd1d2uK (|U|U|)0 212212222iuMuj1j CLC rj(L)C （3）当）当f |Ud2| odd1d2uK (|U|U|)0 21u221u21u2du1du鉴频特性曲线鉴频特性曲线互感耦合回路电路互感耦合回路电路（1）对于实际电路，定性分析中的两点假设是不完全符合的。）对于实际电路，定性分析中的两点假设是不完全符合的。1221(

27、1)pjUIRj22(1)abpjUIRj （2）实际的互感耦合回路电路如图。）实际的互感耦合回路电路如图。 根据耦合回路的分析可得：根据耦合回路的分析可得：(三三) 相位鉴频器的鉴频特性相位鉴频器的鉴频特性：2LcffLKQ为广义失谐为广义失谐为耦合因数为耦合因数2Lcffcfff LKQ12/KML LM L其中：其中：1122122(1)abDpjjUUUIRj2122122(1)abDpjjUUUIRj（3）D1与与 D2的表示式的表示式21DDdoUUKu,412121222222pdpdIRKIRK鉴频特性是与鉴频特性是与(,)有关。有关。图图8-14是一组是一组(,)曲线，它只表

28、示了曲线，它只表示了0 的一半，另一半是的一半，另一半是3时，非线性严重。时，非线性严重。当当1时，对应曲线的时，对应曲线的近似等于近似等于m。而鉴频特性的两个最大值。而鉴频特性的两个最大值的宽度可认为是鉴频宽度的宽度可认为是鉴频宽度 Bm。由于。由于m=L2fmax/fc，=KL ，则，则 Bm= 2fmax=Kfc ，即鉴频宽度与耦合系数，即鉴频宽度与耦合系数K有关。有关。(,)曲线曲线3. 比例鉴频器比例鉴频器主要特点主要特点：是本身兼有抑制寄生调幅的能力。：是本身兼有抑制寄生调幅的能力。 在调频广播和电视接收中得到广泛应用。在调频广播和电视接收中得到广泛应用。原理电路原理电路：比例鉴频

29、器原理电路比例鉴频器原理电路(2) 在在ab两端并接一个大电容两端并接一个大电容C0，其电容量约为，其电容量约为10F。由于。由于C0和和(R+R) 组组成电路时间常数很大，通常约为成电路时间常数很大，通常约为(0.10.2) 秒左右。对于秒左右。对于15Hz以上的寄生调幅以上的寄生调幅变化，电容器变化，电容器C0上的电压上的电压Udc不变。不变。34a bccUUU (3) 两二极管中一个与相位鉴频器接法相反。使两二极管中一个与相位鉴频器接法相反。使U ab为两检波电压之和，即：为两检波电压之和，即：(4) 鉴频器输出电压取自电容鉴频器输出电压取自电容C3、C4的接点的接点 d 和电阻的接点

30、和电阻的接点 e 之间。之间。 (1) 调频调频-调幅调频波形变换电路与相位鉴频器相同。调幅调频波形变换电路与相位鉴频器相同。基本原理基本原理:122211UjXRCLMjUab(1) ab与与 1的关系的关系与相位鉴频器相同与相位鉴频器相同11/2DabUUU22112ababDUUUUU31cdDUK U42cdDUK U34ccdcUUU(2) D1 、 D2与检波电压与检波电压Uc3，Uc4的关系：的关系：0443111222cdcccUUUUU211()2dDDKUU(3) 鉴频器输出电压：鉴频器输出电压：检波输出电压：检波输出电压： 不变不变 取决于两检波器输入电压之差，为相位鉴频

31、器的一半。取决于两检波器输入电压之差，为相位鉴频器的一半。抑制寄生调幅的原理抑制寄生调幅的原理:44043422111(1)(1)222cccdcdcdcdcccUUUUUUUUUU31421212112211dcdcCDCDUUUUUU（1）比例鉴频器的输出电压的另一种表示形式）比例鉴频器的输出电压的另一种表示形式（2）当输入信号的）当输入信号的频率变化频率变化时，时，|UD1|与与 |UD2|的变化是一个增大，另一个减的变化是一个增大，另一个减小，小， |UD1|/|UD2|变化，则变化，则U0随频率变化而变，起到鉴频作用。随频率变化而变，起到鉴频作用。（3）当输入信号）当输入信号振幅变化

32、振幅变化时，时，|UD1|与与|UD2|随振幅增大同时增大，随振幅减随振幅增大同时增大，随振幅减小同时减小，其比值不变。也就是说，振幅变化对鉴频输出没有影响。小同时减小，其比值不变。也就是说，振幅变化对鉴频输出没有影响。uFM+ u3 -VD1C3R1C4R2VD2221u221u13uu 1ou ou 2ou+u2-+u1-LcC2C1VD2VD1R1R2EcC4C3VTCcML2L1ud1ud2相位鉴频器相位鉴频器例：例：图示的相位鉴频器，一图示的相位鉴频器，一次和二次回路均调谐于次和二次回路均调谐于fc 。（1）用矢量图定性分析鉴）用矢量图定性分析鉴频特性；频特性；（2）画出在输入为单音调）画出在输入为单音调频波的作用下，二极管检波频波的作用下，二极管检波器器D1和和D2的电压的电压ud1和和ud2的的波形；波形；（3）如果一次回路未调谐于中）如果一次回路未调谐于中心频率心频率fc时（设高于时（设高于fc ），鉴频），鉴频特性如何变化，画出鉴频特性曲特性如何变化，画出鉴频特性曲线。线。相移乘法鉴频器方框图相移乘法鉴频器方框图（一）相移乘法鉴频器基本原理：（一）相移乘法鉴