电子线路_非线性部分(第五版)谢嘉奎_第5章

1、第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路1第五章第五章 角度调制与解调电路角度调制与解调电路第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路21. 调制的涵义调制的涵义 任意一高频信号任意一高频信号 一一 角度调制信号的基本特性角度调制信号的基本特性)(cos)(ttVmdttdt)()(Cf( )( )( )vvkttt用称为调频称为调频(FM)称为调相称为调相(PM)其中调频和调相统称为其中调频和调相统称为调角调角。称为调幅称为调幅 (AM)()()(tvkVtVtvamm用)()()(tvktttvPc用tVCmcos 未受任何调制未受任何调制: : 第5章 角度调制

2、与解调电路非线性电子线路非线性电子线路32. 角度调制的基本特性角度调制的基本特性 1) 时域分析时域分析 i. 一般表达式一般表达式 FM:PM:FMcmcf0cos( )d )tVtkttvvcp( )( )ttktv cp( )dtdttkdtdt pMcmcpcosvvVtktcf00( )( )d( )dttttttkttv)()(tvktfc第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路4ii)单音调制时调角波表达式单音调制时调角波表达式FM：cfm( )costk Vtcmcost(最大角频偏最大角频偏) mc0( )( )dsinttttttsincfctMtt(调频指

3、数调频指数 )mf mk VmfM第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路5PM：cpm( )costtk VtpMcmcpcos(cos)VtMtvppmMk Vcpd ( )( )sindttMttmppm Mk V(调相指数调相指数 )(最大角频偏最大角频偏) 第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路6iii） FM与与PM的关系的关系 FM与与PM的共同点的共同点a）均是等幅波）均是等幅波b）表示式均用）表示式均用Mf，MP和和 描述描述Cm,:角频率平均值角频率平均值:瞬时角频率变化的速度瞬时角频率变化的速度:瞬时角频率偏离中心频率瞬时角频率偏离中心频率

4、的最大值的最大值CmC 紧密联系紧密联系FM积分调相u(a)PM微分调频u(b)第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路7a) FM：b)PM:ppmMk Vmf1Mmfm k VmpM FM与与PM的不同点的不同点第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路801234567891011120.40.200.20.40.60.81.0Jn(mf)J0J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10mfi) 频谱结构频谱结构 中中n为阶数，为阶数，Mf为宗数为宗数fJ ()nMFMmcfmccos(sin)Jcos()nfVtMtVMn t2）频域分析）频域分析调频的实质调频

5、的实质频谱的非线性搬移频谱的非线性搬移第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路9单频调制时单频调制时FMFM波的幅度谱波的幅度谱（a a）为常数为常数; ;（b b）m m为常数为常数图中忽略了幅度较小的边频分量图中忽略了幅度较小的边频分量cmf1cmf1mf2ccmf2cmf5cmf10Qcmf15mf5cmf10mf20cc(a)(b)第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路103）能量分析）能量分析说明说明： 调频波平均功率恒等于载波功率。调频波平均功率恒等于载波功率。若若 变化，仅仅变化，仅仅是各个分量的能量发生变化，而保持总的平均功率不变。是各个分量的能量

6、发生变化，而保持总的平均功率不变。fM2nfnJ()M1（载波功率载波功率）22cmn2nvLcmaLf2J()VRPVMR2ii）频带宽度）频带宽度Mf1时为时为宽带调频宽带调频, CRfm2BWM Ff 2卡森带宽卡森带宽:CRfBWMF2(1)LFBW2忽略振幅小于忽略振幅小于: 的边频分量的边频分量mVL:有效的上（或下有效的上（或下)边频分量数目边频分量数目第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路11 调幅调幅 用用 控制高频振荡幅度控制高频振荡幅度 检波检波 瞬时振幅瞬时振幅 调频调频 用用 控制高频频率控制高频频率 鉴频鉴频 瞬时频率瞬时频率 调相调相 用用 控制高

7、频相位控制高频相位 鉴相鉴相 瞬时相位瞬时相位( )( )( )VtVkttmcmf频谱线性变换频谱线性变换 振幅调制、解调、混频振幅调制、解调、混频 频谱变换频谱变换频谱非线性变换频谱非线性变换 调频、调相、解调调频、调相、解调 )()()(tvtvktfc)()()(tvtvkttpc第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路12二二 调频电路调频电路1 1 调频方法调频方法u直接调频法直接调频法 一般是用调制电压直接控制振荡器的振荡频一般是用调制电压直接控制振荡器的振荡频率，使振荡频率率，使振荡频率f(t)f(t)按调制电压的规律变化。若被控制的是按调制电压的规律变化。若被控

8、制的是LCLC振荡器，则只需控制振荡回路的某个元件振荡器，则只需控制振荡回路的某个元件(L(L或或C)C)，使其参，使其参数随调制电压变化，就可达到直接调频的目的。数随调制电压变化，就可达到直接调频的目的。u间接调频法间接调频法 基本思想是先将调制信号积分，然后对载波基本思想是先将调制信号积分，然后对载波进行调相。进行调相。FM积分调相u(a)PM微分调频u(b)第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路13中心频率稳定中心频率稳定线性调制好线性调制好( )( )tt调制灵敏度调制灵敏度 最大角频偏最大角频偏mmfmmFm(rad/S V)(Hz/V)kVfSV 或 mf mmF

9、m(ra d/SV )(H z/V )kVfSV 或 2 调频电路的性能参数调频电路的性能参数U0f第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路143 直接调频电路直接调频电路Cj变容二极管工作时应在变容二极管工作时应在其两端加其两端加反偏电压反偏电压1) 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路i 变容二级管的特性变容二级管的特性其中其中 为外加电压为外加电压VB:PN结内建电位差结内建电位差Cj(0): 时的结电容时的结电容0n：变容二级管的变容指数：变容二级管的变容指数nBjjVvCC)/1 ()0()(vVvQ第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路15 静

10、态工作点静态工作点为为VQ时，时，变容二极管结电容变容二极管结电容为为设在变容二极管上加的调制信号电压为设在变容二极管上加的调制信号电压为v v( (t t)=)=V Vmmcoscostt，则：则： 称为称为电容调制度电容调制度，表示，表示结电容受调制结电容受调制信号调变的程度信号调变的程度。njQjxCC)1 ( nBQjjQVUCC)/1 ()0(其中其中 为静态工作点上的结电容为静态工作点上的结电容BQVUvx归一化调制信号电压，归一化调制信号电压，|x|1|x|1tmtVUvxBQmcoscos)/(BQmVVVm第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路16等效回路等效

11、回路ii 变容管全部接入振荡回路变容管全部接入振荡回路2jjQ11( )(1cos)ntmtLCLC2c(1cos)nmt实现理想直接调频的条件：实现理想直接调频的条件：n=2最大角频偏最大角频偏mC m致命的缺点：致命的缺点：中心频率不稳定中心频率不稳定(绝对满足绝对满足n=2很难很难)第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路17Cj不串也不并不串也不并 Cj串串C2Cj并并C1Cj串串C2并并C1iii 变容二极管部分变容二极管部分接入直接调频接入直接调频vf串并后调制的线性改善，但牺牲了调制灵敏度串并后调制的线性改善，但牺牲了调制灵敏度实际实际n n22，应取，应取n n2

12、 2减低减低P P倍，中心频率稳定度提高倍，中心频率稳定度提高P P倍倍pmncm2第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路18变容二级管直接调频电路举例变容二级管直接调频电路举例电路分析电路分析直流供电直流供电振荡回路振荡回路第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路192) 张驰振荡电路实现直接调频张驰振荡电路实现直接调频cftMt/sin)sin()(2tMtKVtvfcmFM调频方波调频方波ccccK5cos543cos34cos4)(2令令)sin55cos(54)sin33cos(34)sincos(4)(tMtVtMtVtMtVtvfcmfcmfcmFM

13、（1）（2）（3）（2 2）式代入（）式代入（3 3）式得调频方波的傅氏级数展开式：）式得调频方波的傅氏级数展开式：第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路20调相方法：调相方法：矢量法、移相法、时延法矢量法、移相法、时延法4 间接调频电路间接调频电路若用若用 信号实现调相，实际上对信号实现调相，实际上对 而言而言就是调频，称为间接调频。就是调频，称为间接调频。0dtt 1 1）矢量法）矢量法)coscos()(tMtVtvpcmo)cossin(sin)coscos(costMtVtMtVpcmpcm12/pM当当ttMVtVtvcpmcmosincoscos)(第5章 角度调

14、制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路212）移相法）移相法原理原理实现条件实现条件6变容二级管调相电路变容二级管调相电路m若要提高若要提高 ，必须采用，必须采用多级移相网络级联多级移相网络级联2C( )(1cos)ntmt第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路22多级变容二级管调相电路多级变容二级管调相电路（以三级为例）（以三级为例）PMcmcecos(3cos)VtnmQtv电路特点电路特点载波信号由外电路晶振提供，载波信号由外电路晶振提供，中心频率稳定中心频率稳定Cj是是移相网络元件移相网络元件Cj受受 信号控制的信号控制的( )vt第5章 角度调制与解调电路非线性电子

15、线路非线性电子线路23当当 受调制信号控制受调制信号控制3）时延法：）时延法：)(cos)(tVtvcmo)coscos()(cos)(tMtVtvktVtVpcmdccmo延时网络输出电压延时网络输出电压tVktvkmddcos)(4 4） 直接调频与间接调频的性能差别直接调频与间接调频的性能差别u受到调制特性非线性限制的参数不同受到调制特性非线性限制的参数不同 直接调频：最大相对频偏直接调频：最大相对频偏 f fm m/ /f fc c 间接调频：最大绝对频偏间接调频：最大绝对频偏 f fm mu直接调频：载频稳定度直接调频：载频稳定度差差 频偏频偏大大 间接调频：载频稳定度间接调频：载频

16、稳定度好好 频偏频偏小小线性相移大，应用广泛。线性相移大，应用广泛。第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路24一、一、扩大频偏的基本概念扩大频偏的基本概念1.倍频可以扩大绝对频偏，保持相对频偏不变倍频可以扩大绝对频偏，保持相对频偏不变2.混频保持绝对频偏不变，提高相对频偏混频保持绝对频偏不变，提高相对频偏二、二、扩大频偏的方法扩大频偏的方法1.采用倍频的方法采用倍频的方法2.既倍频又混频的方法既倍频又混频的方法5） 扩大频偏的方法扩大频偏的方法第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路25直接调频直接调频正弦波直接调频正弦波直接调频电抗管直接调频电抗管直接调频变容二

17、极管直接调频变容二极管直接调频非正弦波直接调频：非正弦波直接调频：最后必须转换成正弦波调频最后必须转换成正弦波调频间接调频间接调频矢量法矢量法移相法移相法时延法时延法单级变容器二极管间接调频单级变容器二极管间接调频多级变容器二极管间接调频多级变容器二极管间接调频12 0.86第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路26三三 调频波解调电路调频波解调电路 u 调角波解调就是从调角波中恢复出原调制信号的过程。调角波解调就是从调角波中恢复出原调制信号的过程。u 频率检波器频率检波器( (鉴频器鉴频器) )：调频波的解调电路称为频率检波：调频波的解调电路称为频率检波器或鉴频器（器或鉴频器

18、（FDFD），为了消除干扰，通常鉴频器中包含限），为了消除干扰，通常鉴频器中包含限幅器。幅器。u 相位检波器相位检波器( (鉴相器鉴相器) )：调相波的解调电路称为相位检波：调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器（器或鉴相器（PDPD）。）。1 相关概念相关概念第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路27图 鉴频器及鉴频特性 变换器fuofBuomaxuofcfAf(a)(b) 1 鉴频特性鉴频特性(曲线曲线)：是：是指鉴频器的输出电压指鉴频器的输出电压u0与输入电压瞬与输入电压瞬时频率时频率f或频偏之间的关系曲线或频偏之间的关系曲线。 理想鉴频特性曲线应是一条直线，但实际上往往

19、有弯曲，理想鉴频特性曲线应是一条直线，但实际上往往有弯曲，呈呈S形，如下图所示。形，如下图所示。2 鉴频器的主要参数鉴频器的主要参数第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路282 鉴频器的中心频率鉴频器的中心频率f0鉴频器的中心频率鉴频器的中心频率f0调对应于鉴频特性曲线原点处的频率。调对应于鉴频特性曲线原点处的频率。通常，由于鉴频器在中频放大器之后，故中心频率与中通常，由于鉴频器在中频放大器之后，故中心频率与中频频率相同。频频率相同。3 鉴频带宽鉴频带宽Bm 鉴频带宽鉴频带宽Bm:是是指鉴频器能够不失真地解调所允许输入指鉴频器能够不失真地解调所允许输入信号频率变化的最大范围信号

20、频率变化的最大范围。 在上图中：若在上图中：若fA=fA-fc=fc-fB，则，则Bm= 2fA第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路294 鉴频器的线性度（非线性失真系数鉴频器的线性度（非线性失真系数THD） 鉴频器的线性度：是指鉴频特性曲线在鉴频带宽内的鉴频器的线性度：是指鉴频特性曲线在鉴频带宽内的线性特性。线性特性。5 鉴频跨导鉴频跨导SD 鉴频跨导鉴频跨导SD :是指鉴频器在载频处的斜率，它表示单是指鉴频器在载频处的斜率，它表示单位频偏所能产生的解调输出电压。位频偏所能产生的解调输出电压。鉴频跨导又叫做鉴频灵鉴频跨导又叫做鉴频灵敏度敏度。用公式表示为：。用公式表示为：0

21、cooDfffduduSdfd f （7-42） 鉴频跨导也可以理解为将输入频率转换为输出电压的鉴频跨导也可以理解为将输入频率转换为输出电压的能力或效率，因此又称为鉴频效率能力或效率，因此又称为鉴频效率。第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路303 鉴频方法鉴频方法2 )2 )鉴频方法的分类鉴频方法的分类直接鉴频法直接鉴频法：是直接：是直接从调频信号的频率中提取原来调制信号从调频信号的频率中提取原来调制信号的方法的方法。主要有。主要有脉冲计数鉴频脉冲计数鉴频法。法。间接鉴频法间接鉴频法：就是先对调频信号进行就是先对调频信号进行变换或处理变换或处理，再从变换，再从变换后的信号中提

22、取原调制信号的鉴频方法后的信号中提取原调制信号的鉴频方法。又可分为。又可分为振幅鉴频振幅鉴频法法和和相位鉴频法相位鉴频法两大类。两大类。1 ) 1 ) 如何实现鉴频如何实现鉴频? ?振幅鉴频法振幅鉴频法斜率鉴频器斜率鉴频器相位鉴频法相位鉴频法相位鉴频器相位鉴频器第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路313 )3 )脉冲计数鉴频法实现框图脉冲计数鉴频法实现框图第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路32目的：目的：寻找能实现将调频信号的振幅变为按瞬时频率变化寻找能实现将调频信号的振幅变为按瞬时频率变化的线性系统。的线性系统。 寻找能实现将调频信号的寻找能实现将调频信

23、号的附加相移附加相移变为按瞬时频率变为按瞬时频率变化的线性系统。变化的线性系统。4 ) 调频信号通过线性系统的分析调频信号通过线性系统的分析答案：答案：理想微分系统理想微分系统能实现将调频信号的振幅变为按瞬时能实现将调频信号的振幅变为按瞬时频率变化。频率变化。 理想延时系统理想延时系统能实现将调频信号的附加相移变为按能实现将调频信号的附加相移变为按瞬时频率变化。瞬时频率变化。实际网络：实际网络：满足准静态条件即可满足准静态条件即可。振幅鉴频法振幅鉴频法斜率鉴频器斜率鉴频器 相位鉴频法相位鉴频法相位鉴频器相位鉴频器第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路335 ) 振幅限幅器振幅限幅器实现：实现：三极管振幅限幅器三极管振幅限幅器 工作在过压状态的谐振功率放大器。工作在过压状态的谐振功率放大器。 差分对振幅限幅器差分对振幅限幅器第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路344 斜率鉴频器电路斜率鉴频器电路1） 单失谐回路斜率鉴频器单失谐回路斜率鉴频器鉴频原理：鉴频原理： FMAM-FM包络检波包络检波特点特点： 是失谐在是失谐在LC回路回路幅频特性幅频特性 上升沿或下降沿线性段上升沿或下降沿线性段的中点。的中点。0CC,第5章 角度调制与解调电路非线性电子线路非线性电子线路352）双失谐回路）双失谐回路斜率鉴频器斜率鉴频器第5章 角度调制与解调电路非线性