第7章_角度调制与解调

1、1 概述概述 角度调制原理及特性角度调制原理及特性 调频电路调频电路 调相电路调相电路 鉴频电路鉴频电路 鉴相电路鉴相电路2 7.1 7.1 概概 述述 ut 高频振荡的振幅不变，而瞬时相位随高频振荡的振幅不变，而瞬时相位随调制信号调制信号按一定关系变化。按一定关系变化。 （简称调角）（简称调角）一、角度调制的定义与分类一、角度调制的定义与分类定义：定义：相位调制（简称调相）：相位调制（简称调相）： ut 高频振荡的振幅不变，而其高频振荡的振幅不变，而其瞬时角频率瞬时角频率随调制信号随调制信号 线性关系变化。线性关系变化。 FM频率调制（简称调频）：频率调制（简称调频）： ut 高频振荡的振幅

2、不变，而其高频振荡的振幅不变，而其瞬时相位瞬时相位随调制信号随调制信号 线性关系变化。线性关系变化。 PM二、角度调制的优点与用途二、角度调制的优点与用途优点：优点： 抗干扰能力强、抗干扰能力强、载波功率利用率高载波功率利用率高用途：用途：FM： 调频广播、广播电视、通信及遥控遥测等调频广播、广播电视、通信及遥控遥测等PM： 数字通信等数字通信等分分类：类：3二、二、 调角信号的时域特性调角信号的时域特性（一）调频信号（一）调频信号载波信号：载波信号： tUtuccmccos调制信号：调制信号： tu瞬时角频率：瞬时角频率： (t) = c+ kf u (t)rad / sV= c + (t)

3、瞬时相位：瞬时相位： tttt0d tttukt0fcd 相移相移则则FM信号为信号为角频移角频移 tdttuktUu0fccmFMcost c=tt4u (t) = U m cos t (t) = c+ kf U m cos t= c+ fm cos t tUktt sinmfctmt sinfc调频指数调频指数（最大相移）（最大相移）最大角频移最大角频移单频调制时单频调制时则则mffmUkUkmmff FMcmcfcossinutUtmtfmmffmfmfF5 u (t) = U m cos t (t) = c+ fm cos t)(ttm sinf tmtUtusincos)(fccmF

4、M调制信号调制信号瞬时角频率瞬时角频率调频波调频波相移相移最高最高最密最密特点：特点： 调制信号电平最高处调制信号电平最高处对应的瞬时正频移最大，对应的瞬时正频移最大，波形最波形最密集密集；调制信号电平最低处调制信号电平最低处对应的瞬时负频移最大，对应的瞬时负频移最大，波形最稀疏波形最稀疏。最低最低最稀最稀波形（等幅疏密波）：波形（等幅疏密波）：6（二）调相信号（二）调相信号载波信号：载波信号： tUtuccmccos调制信号：调制信号： tu故调相信号为故调相信号为rad / V瞬时相位：瞬时相位：相移相移 coscostpccmcmPMtuktUtUu cp=+tt k ut c=tt瞬时

5、角频率：瞬时角频率： =dttdt cp=+dutkdt c=+t角频移角频移7设设 u (t) = U m cos t ，单频调制时，单频调制时，则则 tUkttmcospc tmtsinpc tmtUucoscostpccmPM调相指数调相指数（最大相移）（最大相移）mp pmmppUkm mppmpmk Ucpcostmtcpmsint最大角频移最大角频移在振幅调制中，调幅指数在振幅调制中，调幅指数ma1，否则会产生过调幅失真。，否则会产生过调幅失真。而在角度调制中，无论是调频还是调相，调制指数均可大于而在角度调制中，无论是调频还是调相，调制指数均可大于1。需要说明：需要说明：8 u (

6、t) = U m cos ttmtcos)(pttsin)(pmc tmtUucoscostpccmPM调制信号调制信号瞬时角频率瞬时角频率调相波调相波相移相移波形（等幅疏密波）：波形（等幅疏密波）：特点：特点： 调制信号电平变化率（斜率）最大处调制信号电平变化率（斜率）最大处对应的瞬时正频移最对应的瞬时正频移最大，大，波形最波形最密集密集；调制信号电平变化率最小处调制信号电平变化率最小处对应的瞬时负对应的瞬时负频移最大，频移最大，波形最稀疏波形最稀疏。最大最大最密最密最小最小最稀最稀9（三）调频信号与调相信号的比较（三）调频信号与调相信号的比较调制信号调制信号u (t) = U m cos

7、t载波信号载波信号 uc(t) = Ucm cos c t调调 频频调相调相瞬时角频率瞬时角频率 (t) = c+ kf u (t) = c+ fm cos tttukd)(dpc = c pm sin t 瞬时相位瞬时相位tttukt0fcd)(tmt sinfc= ct + kp u (t)= ct + mpcos t 最大角频移最大角频移= kf U m= mf =kpU m = mp 最大相移最大相移 mp = kpU m mffmfUkmd )(cos)(0fccmFMttuktUtut sincosfccmtmtU )(cospccmPMtuktUtu coscospccmtmtU

8、 ( ) t fm pm表达式表达式10v调频信号与调相信号的调频信号与调相信号的相同之处相同之处在于在于: (1)(1) 二者都是等幅信号。二者都是等幅信号。 (2)(2) 二者的频率和相位都随调制信号而变化二者的频率和相位都随调制信号而变化, , 均产生频移均产生频移与相移，成为疏密波形。与相移，成为疏密波形。正频移最大处，即瞬时频率最高正频移最大处，即瞬时频率最高处，波形最密；负频移动最大处，即瞬时频率最低处，波处，波形最密；负频移动最大处，即瞬时频率最低处，波形最疏。形最疏。v调频信号与调相信号的调频信号与调相信号的区别区别在于在于:(1)(1) 二者的频率和相位随调制信号变化的规律不

9、一样，但二者的频率和相位随调制信号变化的规律不一样，但由于瞬时频率与瞬时相位是微积分关系，故二者是有紧密由于瞬时频率与瞬时相位是微积分关系，故二者是有紧密联系的。联系的。(3)(3) 二者的最大角频移二者的最大角频移 m均等于调制指数均等于调制指数m与调制信与调制信号频率号频率 的乘积。的乘积。11 从理论上讲，调频信号的最大角频移从理论上讲，调频信号的最大角频移 fm c，由于载频，由于载频 c很高，故很高，故 fm可以很大，即可以很大，即调制范围很大。由于相位以调制范围很大。由于相位以2为周期，因此为周期，因此调相信号的最大相移（调相指数）调相信号的最大相移（调相指数）mp 1时，时，BW

10、 2 m F = 2 fm ，称为，称为宽带调角信号宽带调角信号。当当 m 1时，时，BW 2 F ，其值近似为调制信号频率的，其值近似为调制信号频率的两倍，两倍，相当于调幅波的带宽相当于调幅波的带宽。这时，调角信号的频谱由载波分量和一对幅值相同，极这时，调角信号的频谱由载波分量和一对幅值相同，极性相反的上、下边频分量组成，称性相反的上、下边频分量组成，称窄带调角信号窄带调角信号。讨论：讨论：（2 2）作为调相波时，由于作为调相波时，由于 mp = = kpU m与与F无关无关。可见，。可见，BWPM=2(mp+1)F，在，在U m 不变条件下，不变条件下，BWPM 与与 F 成正成正比比的增

11、加。的增加。（1 1）作为调频信号时，作为调频信号时， 与与F成反比成反比。可见，可见，BWFM=2(mf+1)F，在，在U m不变条件下，不变条件下，增大增大F，BWFM 变化不大变化不大。fmfmfmfk UfmF 20BW = 2 (m + 1) Fmax当当 m 1时，时，BW 2 m F = 2 fm其中，其中， fm=mFmax PM信号信号的有效带宽与调制信号的频率成正比。如果的有效带宽与调制信号的频率成正比。如果按最高调制频率设计信道，则在调制频率低时有很大余量，按最高调制频率设计信道，则在调制频率低时有很大余量，系统频带利用不充分系统频带利用不充分，因此，因此在模拟通信系统中

12、，调频比调在模拟通信系统中，调频比调相应用更广相应用更广。v 对对有限频带的调制信号，有限频带的调制信号，即即F= FminFmax，则调角信，则调角信号的带宽为号的带宽为 21四、调角信号与调幅信号的比较四、调角信号与调幅信号的比较调角信号比之调幅信号的优缺点：调角信号比之调幅信号的优缺点： 调角信号功率等于未调制时的载波功率，与调制指数调角信号功率等于未调制时的载波功率，与调制指数m无关，因此不论无关，因此不论m为多大，发射机末级均可工作在最大为多大，发射机末级均可工作在最大功率状态，从而可提高发送设备的功率利用率。功率状态，从而可提高发送设备的功率利用率。 故故角度调制角度调制不宜在信道

13、拥挤、且频率范围不宽的短波波不宜在信道拥挤、且频率范围不宽的短波波段使用，而段使用，而适合在频率范围很宽的超高频或微波波段使用适合在频率范围很宽的超高频或微波波段使用。 优点：优点： （1）抗干扰能力强抗干扰能力强（2）功率利用率高功率利用率高 因为因为调角信号为等幅信号，其幅度不携带信息，故可调角信号为等幅信号，其幅度不携带信息，故可采用限幅电路消除干扰所引起的寄生调幅。采用限幅电路消除干扰所引起的寄生调幅。 缺点：缺点：有效带宽比调幅信号大得多，且有效带宽与有效带宽比调幅信号大得多，且有效带宽与m相关。相关。22振荡电路振荡电路LC 有源电路有源电路1. 直接调频直接调频用调制信号直接控制

14、载波振荡器频率，使其与调制信号成正比。用调制信号直接控制载波振荡器频率，使其与调制信号成正比。调频输出调频输出可控电抗元件可控电抗元件调制电压调制电压直接调频法直接调频法优点：频偏较大优点：频偏较大缺点：中心频率易不稳定缺点：中心频率易不稳定7.2.1 7.2.1 调频电路的实现方法与主要性能要求调频电路的实现方法与主要性能要求一、调频方法一、调频方法直接调频直接调频间接调频间接调频可控的电容元件：变容二极管、电抗管可控的电容元件：变容二极管、电抗管可控的电感元件：电抗管、具有铁氧体可控的电感元件：电抗管、具有铁氧体 磁芯的电感线圈磁芯的电感线圈7.2 调频电路调频电路232. 间接调频间接调

15、频载波振荡器载波振荡器Ucmcos ctu (t)积分器积分器 tttu0d)(调相器调相器FM（先对调制信号积分，后对载波进行调相）（先对调制信号积分，后对载波进行调相）间接调频法不在振荡器中进行，故间接调频法不在振荡器中进行，故优点：中心频率较稳定优点：中心频率较稳定缺点：不易获得大频偏缺点：不易获得大频偏 tfdttuktUtu0ccmFMcos tpccmdttuktUtu0)(cos)( 24二、调频电路的主要性能要求二、调频电路的主要性能要求（1）具有线性的调制特性，即具有线性的调制特性，即 tuktfcmffmUk（2）调制灵敏度要高，即调制灵敏度要高，即kf 要大要大（3）载波

16、的频率稳定度要高载波的频率稳定度要高（4）最大频偏与调制信号频率无关最大频偏与调制信号频率无关 （5）无寄生调幅无寄生调幅)VS/rad(mfmfUk257.2.2 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路一、变容二极管一、变容二极管urCjo特点特点: (1)必须工作在反向偏压必须工作在反向偏压符号符号:压控特性压控特性或或（电压控制可变电抗元件）（电压控制可变电抗元件）(2)结电容随外加的反向电压变化而变化结电容随外加的反向电压变化而变化Drj0j1UuCCur = 0 时的结电容时的结电容外加反向偏压外加反向偏压PN结势垒电压（导通电压）结势垒电压（导通电压）变容指数变容指数取值取值

17、1/3626二、工作原理二、工作原理1.1.电路组成电路组成互感耦合振荡器互感耦合振荡器变容二极管和变容二极管和它的偏置电路它的偏置电路+-ru tuVVuBCCr jcjc111CCCCCLt tuVQ)1 (rj0jDUuCC则实现线性调频。若满足变化随故振荡频率变化随从而变化随可见),()(,)()(,)(,)( pcjrtukttuttuCtuu低频旁低频旁路电容路电容加在加在Cj上的反向上的反向直流偏压直流偏压27,cos)(mtUtu设tUVtuVucos)(mQQrCjurVQurtC jtCjQ2.2.具体分析具体分析)1 (DQj0jQUVCC)cos1 (DmQj0UtUV

18、C)cos1 (QDmDQDj0VUtUUVUC)1 (Drj0jUuCC)cos1 (jQtmCQDmVUUm为电容调制度为电容调制度对应的结电容为对应的结电容为CjQ调制状态时变容二极管的结电容调制状态时变容二极管的结电容Cj载波状态载波状态时时 ，( )=0ut,QrVu 此时此时28瞬时振荡频率瞬时振荡频率:)cos1 (11)(jQ1j1tmCLCLt2c)cos1 ()(tmt最大频偏最大频偏cmm jQ11CLc未加调制信号时的载波频率：未加调制信号时的载波频率：即为调频振荡器的中心频率。即为调频振荡器的中心频率。讨论：讨论： 设设 =2cos1)(tmtc tmcc cos 即

19、实现线性调频即实现线性调频。（1 1）变容二极管作为振荡回路的总电容）变容二极管作为振荡回路的总电容29cos) 12(2! 21cos21 cos1 )(222tmtmtmtcc 当当m m很小可忽略三次方以上的高次项，则瞬时频率为：很小可忽略三次方以上的高次项，则瞬时频率为：.)cos)(22)(12(2! 31)cos)(12(2! 21cos21)cos1 (322 tmtmtmtm 中心角频率偏移项中心角频率偏移项二次谐波失真项二次谐波失真项可见可见 会导致如下影响：会导致如下影响：2线性调频所需项线性调频所需项1)1)中心频率会产生偏移，其偏移量为：中心频率会产生偏移，其偏移量为：

20、ccm 2) 12(8 2)2)调频波会产生非线性失真调频波会产生非线性失真, , 二次谐波失真最大偏移为二次谐波失真最大偏移为cm 22) 12(8 当当2 2cos1)( tmtc tmmtmcccc 2cos) 12(8) 12(8cos222 303)3)调频波的最大频偏为：调频波的最大频偏为：cmm 2 当调频电路要求的相对频偏较小时，当调频电路要求的相对频偏较小时，m m值就很小，此时对值就很小，此时对 的要求就不高。的要求就不高。2)104 . 1106 . 1 (1233cmffm例：调频广播的中心频率为例：调频广播的中心频率为 若要求最大频偏若要求最大频偏为为 , ,则则MH

21、zfc)10888(kHzfm75可见可见m m很小，则对应的中心频率偏移量和非线性失真就很小，很小，则对应的中心频率偏移量和非线性失真就很小，故故对对 的要求不高的要求不高2当调频电路要求的相对频偏较大时，对当调频电路要求的相对频偏较大时，对 的要求就严格些。的要求就严格些。2变容二极管直接接入振荡回路的缺点：调频电路的中心变容二极管直接接入振荡回路的缺点：调频电路的中心频率稳定度较差。频率稳定度较差。31（2）变容二极管部分接入振荡回路）变容二极管部分接入振荡回路jcjcCCCCCC 1)cos1(11)(111jQcjQcCtmCCCCLCLt )cos1/()cos1/(1tmCCtm

22、CCCjQcjQc 变容管部分接入回路所构成的调频电路，变容管部分接入回路所构成的调频电路，中心频率的中心频率的稳定提高了，但稳定提高了，但调制灵敏度和最大频偏都降低。调制灵敏度和最大频偏都降低。jQcjQcCtmCCCC )cos1(132三、电路实例三、电路实例bce(1)是电容三点式振荡电是电容三点式振荡电路，通过变容二极管的路，通过变容二极管的电容变化实现调频。电容变化实现调频。(2)高频扼流图高频扼流图 对对直流和调制信号短路，而直流和调制信号短路，而对载频开路。因而加在两对载频开路。因而加在两个变容二极管上的反向电个变容二极管上的反向电压是相同的。压是相同的。12ppLL、BrVt

23、uu )(+Ur_(3)本电路的特殊点是采用了两个本电路的特殊点是采用了两个变容二极管反向串联接入振荡回变容二极管反向串联接入振荡回路，路，对高频信号而言，使得每个对高频信号而言，使得每个变容二极管两端的高频电压减小变容二极管两端的高频电压减小一半，可减弱高频电压对变容二一半，可减弱高频电压对变容二极管总电容的影响。极管总电容的影响。33例例1：求求：其其中中容容已已知知变变容容二二极极管管的的结结电电路路的的交交流流等等效效电电路路如如图图变变容容二二极极管管直直接接调调频频电电.33.10,15,10,102cos2)(, 2,40,)(1,213uHLuHLVUVttupFCUVtuCC

24、DQjQDQjQj .,)2(.)1(minmaxBWfffm有有效效频频带带宽宽度度调调频频波波的的最最大大频频偏偏和和和和最最小小瞬瞬时时频频率率大大调调频频波波的的载载波波频频率率及及最最 34jCLLtf)(21)(21 调频波的瞬时频率为：调频波的瞬时频率为：pFtCtCUVtuCCjQjQDQjQj2323102cos2 . 01 10102cos21 )(1 MHzCLLfjQc035. 5104010)33.1015(21)(21)1(12621 载波频率载波频率解：解：MHzffc042. 6)2 . 01(max 最大瞬时频率最大瞬时频率MHzffc028. 4)2 . 0

25、1(min 最小瞬时频率最小瞬时频率MHzffcm007. 12 . 0)2( MHzFfFmBWmf016. 210210007. 1222)1(236 )102cos2 . 01()(2102cos2 . 01)(21)(321321tfCLLtCLLtfcjQj 35 在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，可以采用直接对晶体振荡器调频的方法。可以采用直接对晶体振荡器调频的方法。 7.2.3 晶体振荡器直接调频电路晶体振荡器直接调频电路 1晶体振荡器直接调频原理晶体振荡器直接调频原理其振荡频率为：其振荡频率为： )(210oLq

26、qCCCff j21LC1C1C11C 在电路中，当在电路中，当Cj变化时，变化时，CL变化，从而使晶体振荡器的振荡频变化，从而使晶体振荡器的振荡频率也发生变化，如果压控元件率也发生变化，如果压控元件Cj受调制电压受调制电压 控制，则控制，则Pierce Oscillator就成为一个就成为一个晶体调频振荡器。晶体调频振荡器。)(tu C2ClCjJTbce36注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，故只能工作于晶体的故只能工作于晶体的串联谐振频率串联谐振频率f q与并联谐振频率与并联谐振频率f p之间之间,101043量量级级 oqCC故故调频波的最大相对

27、频偏很小。调频波的最大相对频偏很小。qqqpmfccfff041)(21实现调频的最大频偏：实现调频的最大频偏：最大相对频偏最大相对频偏:041ccffqqm2. 实际电路举例实际电路举例37调相的实现方法调相的实现方法:矢量合成法调相矢量合成法调相可变移相法可变移相法调相调相可变时延法可变时延法调相调相一、一、 可变移相法可变移相法调相电路调相电路可控的移相网络可控的移相网络tUccmcos)(tu )(cos)(tkutUtuccmPM可控移相网络有多种实现电路，其中应用最广的是由可控移相网络有多种实现电路，其中应用最广的是由变容变容二极管二极管和电感组成的调谐回路。和电感组成的调谐回路。

28、)(tku 7.3 调相电路调相电路38载波载波输入输入一、变容二极管调相电路一、变容二极管调相电路)(1)(1)(03303tuCRtiCtutt 113333 CRCR即即当当113333 CRCR即即当当R3C3电路对调制信号构成积分电路电路对调制信号构成积分电路实际加到变容二极管上的调制电压实际加到变容二极管上的调制电压u u(t) (t) 为为 就构成间接调频。就构成间接调频。1.电路组成电路组成构成调相电路。构成调相电路。)(tuUuQr+u (t)392. 工作原理工作原理（1 1）当）当 时，时，0)(tuQrVu 变容二极管反向电压加大，变容二极管反向电压加大， 减小减小jC

29、附加相移在调制信号控制下变化，导致输出电压的相附加相移在调制信号控制下变化，导致输出电压的相位也随调制信号变化，从而实现调相。位也随调制信号变化，从而实现调相。变容二极管反向电压变容二极管反向电压谐振回路的谐振频率为谐振回路的谐振频率为:输出电压与输入电压同相输出电压与输入电压同相cjQLC1 c Z9090（2 2）当）当 时，时，0)( tu谐振回路的谐振频率为谐振回路的谐振频率为:cjLC 1 （3 3）当）当 时，时，0)( tu变容二极管反向电压减小，变容二极管反向电压减小， 增大增大jC谐振回路的谐振频率为谐振回路的谐振频率为:cjLC 1输出电压的相位为输出电压的相位为 tc输出

30、电压的相位为输出电压的相位为 tc403. 调相分析调相分析设输入载波信号设输入载波信号tUtuccmccos)(tUtumcos)(（1）变容二极管作为回路总电容，当）变容二极管作为回路总电容，当m很小时，很小时，回路的谐振频率为回路的谐振频率为)()cos21 ()(ttmtcc( )cos2ctmttItRUiccmccmscoscos1)cos()()(tZItucccm输出电压：输出电压： 调制信号调制信号+u (t)和)(cz分别是谐振回路在分别是谐振回路在 上呈现的上呈现的阻抗幅值和相移阻抗幅值和相移。c416rad当时，)()(2ttQc在失谐不大的条件下，在失谐不大的条件下，

31、 ttQc2arctan+u (t)tmQ cos ctQ )(2 ( )cos2ctmttmp cos coscos)()(cccmtmtZItup 实现线性调相的条件：实现线性调相的条件：)6(6 pmmrad tg()()22c o sc o s()ccpccttQQQ r m t m tt )(mQmp42对于要求大的相移，可采用对于要求大的相移，可采用多级单回路构成的变容二极管调相电路多级单回路构成的变容二极管调相电路。三级单回路变容二极管调相电路三级单回路变容二极管调相电路 nm 最大相移：最大相移：43二、二、 可变时延法可变时延法调相电路调相电路可控的时延网络可控的时延网络)(

32、tu )(cos)(tUtucmctUccmcos)(tku)(cos)(cos)(tuktUtUtucccmccm)(costumtUpcmc脉冲调相电路脉冲调相电路:能得到较大的相移，调制线性较好，但电路复杂。能得到较大的相移，调制线性较好，但电路复杂。 44三、三、 矢量合成法调相电路矢量合成法调相电路(1) 矢量合成法矢量合成法原理原理单音调制时，调相信号可表示为单音调制时，调相信号可表示为cosmcos)(uPMttUtpcm cosmsin)sin(cosmcos)cos(ttUttUpcmpcm radmp)12/( 当当 1cosmcos tp有有故故ttUtUtcpmcm s

33、incosmcos)(uPM ttpp cosmcosmsin 45(2) 矢量合成法矢量合成法实现模型实现模型ttUtUtcpmcm sincosmcos)(uPM 实现线性调相的条件：实现线性调相的条件：)12(12 pmmrad46四、四、 扩展线性频偏的方法扩展线性频偏的方法可先用倍频器将载波频率和最大频偏同时扩展可先用倍频器将载波频率和最大频偏同时扩展n n倍，然后倍，然后再用混频器将调频信号的载波频率改变为所需值。再用混频器将调频信号的载波频率改变为所需值。 调频振荡器调频振荡器 n倍频器倍频器 混频器混频器tmc cos tnnmc cos cn )1( tnmc cos 本地振

34、荡器本地振荡器47图所示为某调频设备的组成框图，已知间接调频电路输图所示为某调频设备的组成框图，已知间接调频电路输出的调频信号中心频率出的调频信号中心频率f fc1c1=100kHz=100kHz，最大频偏，最大频偏ffm1m1= = 97.64Hz97.64Hz，混频器的本振信号频率，混频器的本振信号频率f fL L=14.8MHz=14.8MHz，取下边，取下边频输出，试求输出调频信号频输出，试求输出调频信号uo (t)uo (t)的中心频率的中心频率fcfc和最大和最大频偏频偏fm fm 。 例例2解：解： fc2 = 443fc1 =48100kHz = 4.8 MHz fm2 = 4

35、43fm1 = 4897.64 Hz = 4.687 kHz fc3 = fL- fc2 = (14.8-4.8) MHz = 10 MHz fm3 = fm2 = 4.687kHz fc = 44fc3 =1610 MHz = 160 MHz fm = 44fm3 = 164.687 kHz=75 kHz 48主要要求：主要要求： 掌握鉴频的实现方法掌握鉴频的实现方法7.5 调角信号的解调调角信号的解调掌握相位鉴频器和比例鉴频器的工作原理掌握相位鉴频器和比例鉴频器的工作原理了解鉴频和鉴相电路的主要指标了解鉴频和鉴相电路的主要指标了解鉴相器的工作原理了解鉴相器的工作原理497.5.1 概述概述

36、 u.2、 ccc 从调相波中取出原调制信号。从调相波中取出原调制信号。从调频波中取出原调制信号。从调频波中取出原调制信号。鉴频器鉴频器FM输出与输入信号的输出与输入信号的瞬时瞬时频率偏移频率偏移成正比。成正比。鉴相器鉴相器 uPM输出与输入信号的输出与输入信号的瞬时瞬时相位偏移相位偏移成正比。成正比。 从频谱上看：从频谱上看：调角信号的解调也是频谱的非线性搬移的过程调角信号的解调也是频谱的非线性搬移的过程调频波的解调（鉴频）：调频波的解调（鉴频）：调相波的解调（鉴相）：调相波的解调（鉴相）：实现上述功能的电路实现上述功能的电路称为称为鉴频器。鉴频器。实现上述功能的电路实现上述功能的电路称为称

37、为鉴相器。鉴相器。50(1)(1)鉴频特性曲线鉴频特性曲线 0fuo(t)()()(ttuktcfc 或：或： )()(2)(tfftukftfcfc 由调频信号的特征：由调频信号的特征：)(2)(tuktff 所以：所以： 表明：表明：要实现无失真鉴频，要求鉴频器的输出电压要实现无失真鉴频，要求鉴频器的输出电压 与频偏与频偏 成线性关系。成线性关系。 )(tuo)(tf 一、鉴频器的主要质量指标一、鉴频器的主要质量指标 指鉴频器的输出电压指鉴频器的输出电压uo(t)与输入与输入FM信号瞬时频偏信号瞬时频偏(t)或或f(t)之间的关系曲线之间的关系曲线 .(S曲线）曲线）51 0fuo(t)B

38、m表明了鉴频特性曲线在原点（表明了鉴频特性曲线在原点（ ）处的斜率。处的斜率。0 f（3）鉴频线性范围：）鉴频线性范围：Bm 2fm （2）鉴频跨导）鉴频跨导(鉴频灵敏度鉴频灵敏度)0| foDfdduS定义：定义：（4）非线性失真：应尽可能小）非线性失真：应尽可能小SD值越大，鉴频曲线越陡，鉴频能力越强。值越大，鉴频曲线越陡，鉴频能力越强。鉴频特性曲线接近于直线的频率范围。鉴频特性曲线接近于直线的频率范围。52二、鉴相器的主要质量指标二、鉴相器的主要质量指标 （1）鉴相特性曲线：）鉴相特性曲线：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。（2）鉴相跨导：）鉴相跨导：（3）

39、鉴相线性范围：）鉴相线性范围：鉴相器的输出电压与输入信号的瞬时相位偏移的关系。鉴相器的输出电压与输入信号的瞬时相位偏移的关系。通常要求是线性关系。通常要求是线性关系。鉴相特性在原点处的斜率。鉴相特性在原点处的斜率。（4）非线性失真，应尽可能小。）非线性失真，应尽可能小。0|oduSd 定义：定义：53鉴相器可鉴相器可实现实现PM信号的解调信号的解调，但也广泛但也广泛用于解调用于解调FM信号，信号，以及以及锁锁相技术及频率合成技术相技术及频率合成技术中。中。 鉴相器是用来比较两个鉴相器是用来比较两个同频输入电压同频输入电压 和和 的相位，而输的相位，而输出电压出电压 是两个输入电压相位差的函数，

40、是两个输入电压相位差的函数， )(1tu)(2tu)(0tu即即)()()(21ttftuo )(tuO当当线性鉴相的情况下，输出电压线性鉴相的情况下，输出电压 与两个输入电压的瞬时相位差成正比。与两个输入电压的瞬时相位差成正比。 鉴相器鉴相器)()(11ttu )()(22ttu )(tuo)(: )(11tut )(: )(22tut 其中：其中：的瞬时相位。的瞬时相位。的瞬时相位。的瞬时相位。)()()(21ttktuo 即即7.5.2 鉴相器鉴相器鉴相器鉴相器模拟鉴相器模拟鉴相器数字鉴相器数字鉴相器叠加型叠加型门电路鉴相器门电路鉴相器乘积型乘积型54)(cos111ttUucm 设设2

41、2sinmcuUt 即即乘法器乘法器低通滤波器低通滤波器u2uo(t)u1(PM)(参考信号参考信号)一般来说，一般来说， 和和 为正交关系，为正交关系，1u2u一、乘积型鉴相器一、乘积型鉴相器)()(1tuktP 而而222sin( )mcuUtt 为了分析方便为了分析方便,假设假设2( ) 0t 55（一）（一） 和和 均为小信号均为小信号1u2u根据模拟乘法器的特性，其输出电流根据模拟乘法器的特性，其输出电流12121cos( )sinMMmmcciK u uK U Uttt12112111sin( )sin 2( )22MmmMmmcK U UtK U Utt（小于（小于26mV）uo

42、(t)乘法器乘法器低 通 滤低 通 滤波器波器u2u1经低通滤波器滤波，在负载经低通滤波器滤波，在负载 可得输出电压为可得输出电压为LR01211sin( )2MmmLuK U URt1211sin( )2MmmLK U URt 鉴相特性曲线鉴相特性曲线鉴相跨导：鉴相跨导：00eeduSdmax2e 11( )sin( )ttradt6)(1 当当LmmMRUUKS2121 max6erad 线性鉴相范围线性鉴相范围:-)(tuo)(1t ()e 6 6 56uo(t)乘法器乘法器低 通 滤低 通 滤波器波器u2u1（二）（二） 为小信号，为小信号，1u2u为大信号为大信号122MqiK u

43、thukT 210122ttukTqthcc2444sinsin3sin5235cccqthutttKT展开为傅氏级数展开为傅氏级数1144cos( )sinsin33MmccciK Utttt 111122sinsin 2MmMmcK UtK Utt 111122sin 2( )sin 4( )33MmcMmcK UttK Utt根据模拟乘法器的特性，其输出电流根据模拟乘法器的特性，其输出电流双曲线函数具有双曲线函数具有开关函数开关函数的形式的形式2(100)mUmV 2u是大信号是大信号,57经低通滤波器滤波，在负载经低通滤波器滤波，在负载 可得输出电压为可得输出电压为LR鉴相特性曲线鉴相

44、特性曲线鉴相跨导：鉴相跨导：max6erad max2e 线性鉴相范围线性鉴相范围:0112sin( )MmLuK URt 112sinMmLK URt 12MmLSK UR 58uo(t)乘法器乘法器低 通 滤低 通 滤波器波器u2u1（三）（三） 为大信号，为大信号，1u2u为大信号为大信号2444sinsin3sin5235cccqthutttK T展开为傅氏级数展开为傅氏级数乘法器输出电流乘法器输出电流01222qqiI thu thuKTKT11144cos( )cos3( )23ccqthuttttKT14cos5( )5ctt21022uKTqthuKTqthIi 0114444

45、coscos3(sinsin3)33ccccItttttt01012288sin 23( )sin 43( )33ccIttItt01012288sin 2( )sin 4( )33ccIttItt 01012288sinsin2cItItt01012288sin3( )sin 63( )(3 )(3 )cItItt59经低通滤波器滤波，在负载经低通滤波器滤波，在负载 可得输出电压为可得输出电压为LR鉴相跨导：鉴相跨导：00112288sin( )sin3( )(3 )LuI Rtt max2e 02LSI R 线性鉴相范围线性鉴相范围: 10122118sin 2121nLnI Rntn 可

46、见乘积型鉴相器应尽量采用可见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,这样可获得较这样可获得较宽的线性鉴相范围。宽的线性鉴相范围。)(2223)(21001tRIutL时，当)(22)(21001tRIutL时，当60二、门电路鉴相器二、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，易于集成化分类：分类：或门鉴相器或门鉴相器异或门鉴相器异或门鉴相器61（一）异或门鉴相器（一）异或门鉴相器 2、异或门的特点、异或门的特点:两个输入电平不两个输入电平不同时，输出为同时，输出为“1”，其余为，其余为“0”。 3、经低通滤波器滤波后，输出电压、经低通滤

47、波器滤波后，输出电压 与与 的关系为三角形，可表示为的关系为三角形，可表示为edue00eedmeedmedUUu/dmSU 2/eeiT e两信号延时为两信号延时为 ，它反映了两信号的相位差，它反映了两信号的相位差，信号信号 和和 两方波信号，两方波信号，1u2u1、其鉴相跨导为其鉴相跨导为62斜率鉴频器斜率鉴频器一、鉴频电路的分类一、鉴频电路的分类 频率频率幅度线幅度线性变换网络性变换网络包络检波器包络检波器utuFMtuFM-AMt7.6 鉴频电路鉴频电路调频波调频波FMAMFM u(1)调频调幅调频变换型调频调幅调频变换型相位鉴频器相位鉴频器比例鉴频器比例鉴频器63相移乘积型相移乘积型

48、在集成电路调频机中较多采用的相移乘积鉴频器在集成电路调频机中较多采用的相移乘积鉴频器。它是将输入。它是将输入FM信号经移相网络后生成与信号经移相网络后生成与FM信号电压正交的参考信号电压，它与信号电压正交的参考信号电压，它与输入的输入的FM信号电压同时加入相乘器，相乘器输出再经低通滤波器信号电压同时加入相乘器，相乘器输出再经低通滤波器滤波后，便可还原出原调制信号。滤波后，便可还原出原调制信号。 相乘器相乘器低通滤波器低通滤波器uFMu90o移相网络移相网络(2)64脉冲计数式脉冲计数式非线性变换网络非线性变换网络低通滤波器低通滤波器uFM调频脉调频脉冲序列冲序列u(3)调频脉冲序列中的平均分量

49、为调频脉冲序列中的平均分量为)()(uoAVtffUtTUcmm 脉幅脉幅脉宽脉宽(4) (4) 锁相环路鉴频锁相环路鉴频(零比较器）零比较器）65例例1 1：)(,2,/5)(102sin10cos3)(03tufkHzmVSVtttumDci求鉴频输出电压线性鉴频范围大于已知鉴频跨导鉴频器输入信号为分析：鉴频特性曲线为鉴频器的输出电压与输入信号的瞬时频率分析：鉴频特性曲线为鉴频器的输出电压与输入信号的瞬时频率偏移之间的关系，而鉴频跨导为鉴频特性曲线的斜率，所以有：偏移之间的关系，而鉴频跨导为鉴频特性曲线的斜率，所以有：)()(0tfStuD)(102cos50)102cos1010()10

50、1105()()(333330mVtttfStuD 102sin10cos3)(3tttuci 解解：tdttdt33102cos10210)()( tttf33102cos10102)()( 66例例2：的的表表达达式式写写出出原原调调制制信信号号的的表表达达式式写写出出输输入入信信号号鉴鉴频频跨跨导导求求输输出出信信号号为为图图，鉴鉴频频器器的的某某鉴鉴频频器器的的鉴鉴频频特特性性如如)()3()()2()1(:)(104cos1)(3tutuSVttuiDo 100)(kHzf -100)(tuo1-1解解: :(1) (1) 鉴频跨导：鉴频跨导：)/(01. 01001kHzVfUSm

51、omD (2)(2)(104cos100)()(3KHzStutfDo瞬时频率偏移： tccdttftfttfftf0)(22)()()( 瞬时相位：瞬时相位：瞬时频率：瞬时频率：ttfttfcc3333104sin502104sin10221010022 )(104sin502cos)(3VttfUtuccmi (3)(3)调制信号：调制信号：)(104cos)(3VtUtum670102cc上下对称包络检波上下对称包络检波三个并联调谐回路三个并联调谐回路组成的调频组成的调频-调幅调幅调频变换电路调频变换电路+-1Uc 02 二、双失谐回路斜率鉴频器二、双失谐回路斜率鉴频器（一）电路结构（一

52、）电路结构uo= uo1 uo201 68coscostmtUfccm )(t(1)(1)当输入调频波为当输入调频波为)(tuitmfcsintmtfsin)(（二）鉴频原理（二）鉴频原理则瞬时频率为则瞬时频率为 瞬时频移为瞬时频移为（2 2） u uo o = = u uo1o1 u uo2o2得到得到u uo o， 可见可见u uo o与瞬时频移成线性，实现鉴频。与瞬时频移成线性，实现鉴频。(5)(5)当输入调频信号的频率为当输入调频信号的频率为 时时，两个回路的电压振幅相等，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经两个检波器检波产生输出电压 和和 是相等的，故鉴频器输是相等的，故鉴频器输出电压出电压 。c001020uuu01u02u(3)(3)当输入调频信号的频率从当输入调频信号的频率从 向增大方向偏离时向增大方向偏离时， 回路电压大，而回路电压大，而 回路电压小，经检波后回路电压小，经检波后 ，则鉴频器输出电压，则鉴频器输出电压 。c22L C11LC001020uuu0102uu11LC(4)(4)当输入调频信号的频率从当输入调频信号的频率从 向减小方向偏离时向减小方向偏离时， 回路电压小，回路电压小，而而 回路电压大，经