通信电子线路7PPT课件

1、主要内容主要内容7.1 7.1 概述概述7.2 7.2 调频方法的概述调频方法的概述7.3 7.3 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路7.4 7.4 石英晶体振荡器直接调频石英晶体振荡器直接调频7.5 7.5 调相电路调相电路7.6 7.6 数字频率调制与相位调制数字频率调制与相位调制第1页/共64页教学要求教学要求 掌握掌握调角信号的定义、表示式、波形、频谱等调角信号的定义、表示式、波形、频谱等基本特征。基本特征。 掌握掌握典型的角度调制电路的结构、工作原理、典型的角度调制电路的结构、工作原理、分析方法和性能特点。分析方法和性能特点。 了解了解数字角度调制的典型调制方式及其实现方数

2、字角度调制的典型调制方式及其实现方法。法。第2页/共64页任意正弦波信号：任意正弦波信号：u uc c( (t t) ) = U Ucmcmcos(cos( 0 0 t +t + o o )= )= U Ucmcmcos(cos( ( (t t) )如果利用调制信号如果利用调制信号u u ( (t t)= )= U U m m cos cos t t 去控制三个参量中的某个，去控制三个参量中的某个，产生调制的作用产生调制的作用: :AM: AM: )cos1 ()(tmUtUacmcmFM :FM :)()(0tuktfPM: PM: )()(0tukttp角度调制角度调制 属于频谱属于频谱线

3、性搬移电路线性搬移电路，调制信号调制信号寄生于已调信号的振幅变化中。寄生于已调信号的振幅变化中。属于频谱的属于频谱的非线性搬移电路非线性搬移电路，已调波为等幅已调波为等幅波，调制信息寄生于已调波的频率和相位变波，调制信息寄生于已调波的频率和相位变化中。化中。 7.1 概述概述 ( (t t)= )= c c t +t + o o 为总相角为总相角 U Ucmcm为振幅为振幅 c c为角频率为角频率 o o为初始相角为初始相角其中：其中：第3页/共64页FM，PM从已调波中检取出原调制信号的过程称为从已调波中检取出原调制信号的过程称为解调解调(AM)(AM)振幅解调振幅解调检波检波 (FM)(F

4、M)频率解调频率解调鉴频鉴频 (detection)(detection) (frequency discrimination) (frequency discrimination)(PM)(PM)相位解调相位解调鉴相鉴相(phase detection) (phase detection) vAMfff第4页/共64页1. 1. 调角电路定义及分类调角电路定义及分类定义：定义：模拟频率调制和相位调制合称为模拟角度调制模拟频率调制和相位调制合称为模拟角度调制( (简简称调角称调角) )。高频振荡振幅不变，其角度随着调制信号。高频振荡振幅不变，其角度随着调制信号u u ( (t t) )以一定关

5、系变化。以一定关系变化。)()(0tuktf频率调制频率调制：高频振荡的振幅保持不变，瞬时角频率随：高频振荡的振幅保持不变，瞬时角频率随 调制信号成线性变化调制信号成线性变化 FMFM分类：分类：)()(0tukttp 相位调制相位调制：高频振荡的振幅保持不变，瞬时相位随调：高频振荡的振幅保持不变，瞬时相位随调 制信号成线性变化制信号成线性变化 PMPM第5页/共64页注意：注意：（1 1）因为相位是频率的积分，故频率的变化必将引起相位的变）因为相位是频率的积分，故频率的变化必将引起相位的变化，反之亦然。化，反之亦然。 调频信号与调相信号在调频信号与调相信号在时域特性、时域特性、 频谱频谱宽度

6、、宽度、 调制与解调的原理、实现方法调制与解调的原理、实现方法等方面都有密切的联等方面都有密切的联系。系。（2 2）模拟角度调制与解调属于）模拟角度调制与解调属于非线性频率变换非线性频率变换，比属于线性频，比属于线性频率变换的模拟振幅调制与解调在原理和电路实现上都要困率变换的模拟振幅调制与解调在原理和电路实现上都要困难一些。难一些。 （3 3）由于角度调制信号在）由于角度调制信号在抗干扰抗干扰方面比振幅调制信号要好得多，方面比振幅调制信号要好得多，因此虽然要占用更多的带宽，但仍得到了广泛的应用。因此虽然要占用更多的带宽，但仍得到了广泛的应用。 （4 4）在模拟通信方面）在模拟通信方面, , 调

7、频制比调相制更加优越调频制比调相制更加优越，故大都采用，故大都采用调频制。所以调频制。所以本章以模拟调频电路为主题本章以模拟调频电路为主题，但由于调频信，但由于调频信号与调相信号的内在联系，调频可以用调相电路间接实现，号与调相信号的内在联系，调频可以用调相电路间接实现，因此实际上也介绍了一些调相电路。因此实际上也介绍了一些调相电路。第6页/共64页进行角度调制进行角度调制 (FM(FM或或PM)PM)后后 ，其已调波的角，其已调波的角频率将是时间的函数，即频率将是时间的函数，即 ( (t t) )。可用右图所示可用右图所示的旋转矢量表示。的旋转矢量表示。t t= = t t (t)(t)o)t

8、( t t =0=0实轴实轴设旋转矢量的长度为设旋转矢量的长度为U Ucmcm( (t t) )，且当，且当t t = 0= 0时，初相角为时，初相角为 o o；t t = = t t 时刻，矢量与实轴之间时刻，矢量与实轴之间的瞬时相角为的瞬时相角为 (t (t) )，显然有：，显然有： 关关系系瞬瞬时时频频率率与与瞬瞬时时相相角角的的todtttdttdt0)()()()(而该矢量在实轴上的投影：而该矢量在实轴上的投影：)(cos)(tUtucmc2. 2. 调角信号的分析与特点调角信号的分析与特点设高频载波信号为设高频载波信号为 ： )(cos)cos()(0tUtUtucmocmcu u

9、c c( (t t) )第7页/共64页 调制信号：调制信号： tUtumcos)(（1 1）调频）调频FMFM：由于：由于已调波频率随调制信号线形变化已调波频率随调制信号线形变化，则有：，则有：)()()(ttuktofo 其中：其中：: : 载波角频率，载波角频率，FMFM波的中心频率波的中心频率. . o ： 调频灵敏度，调频灵敏度， fk)()(tutkf 单位调制信号振幅引起的频率偏移单位调制信号振幅引起的频率偏移 . . )()(tuktF, ,瞬时频率偏移瞬时频率偏移（简称（简称频偏频偏）, ,寄载了调制信息，表示瞬时频率相对于载波频率的偏移寄载了调制信息，表示瞬时频率相对于载波

10、频率的偏移 . .最大频偏最大频偏 mFFmUktukmax| )(|另外，由瞬时频率与所对应的瞬时相位的关系，若设另外，由瞬时频率与所对应的瞬时相位的关系，若设 0 o 则有：则有： tttoFoFttdttuktdttukdttt0000)()()()()( )(t：瞬时相位偏移，瞬时相位偏移， tUkdttuktmFtFsin)()(0设：载波：设：载波：tUtuocmccos)( 最大相位偏移：最大相位偏移： mFmUktmax| )( tFoFMdttuktUtUtu0)(cos)(cos)( 令令 m mf f = = m m ，称为，称为FMFM波的波的调频指数调频指数，则调频信

11、号的数学表达式：，则调频信号的数学表达式： 所以有：所以有： tmtUtUktUdttuktUtufomFotFoFMsincossincos)(cos)(0注意：与注意：与AMAM波不同，波不同，m m f f 一般可大于一般可大于1 1，且，且m m f f 越大，抗干扰性能越好，越大，抗干扰性能越好， 但频带越宽。但频带越宽。对单一频率调制的对单一频率调制的FMFM波，由于：波，由于： tUtumcos)(第8页/共64页已调波的相位随调制信号线形变化已调波的相位随调制信号线形变化，有：，有：)()()(tttukttopo 0 0t t ：载波的相位角载波的相位角 pk：调相灵敏度，

12、)()(tutkp ，单位调制信号振幅引起的相位偏移。 )()(tuktp ：瞬时相位偏移瞬时相位偏移，即，即 )(t 相对于相对于 to 的偏移量的偏移量。(2) (2) 调相（调相（PMPM） 最大相位偏移：最大相位偏移： pmppmmUktukmax| )(（调相指数调相指数）另外，由瞬时相位与所对应的瞬时频率之间的关系，可得：另外，由瞬时相位与所对应的瞬时频率之间的关系，可得： )()()()(tdttdukdttdtopo dttduktp)()( ； PMPM波波瞬时频偏。瞬时频偏。 最大频偏最大频偏: : mppmUkdttdukmax|)(|PMPM波的表达式为：波的表达式为：

13、 )(costuktUupoPM 对于单一频率调制信号对于单一频率调制信号 tUtumcos)(的的PMPM波：波： coscoscoscostmtUtUktUupompoPM第9页/共64页载波：载波： 调制信号：调制信号： )cos()(oootUtu tUtumcos)( FM FM波波 PMPM波波 (a)(a)瞬时频率：瞬时频率： )()(tuktFo dttduktpo)()( (3) (3) 调频信号与调相信号的比较调频信号与调相信号的比较(b)(b)瞬时相位：瞬时相位： otFodttuktt 0)()(opotuktt )()(c)(c)最大频偏：最大频偏：mFFmUktuk

14、max| )(|mppmUkdttdukmax|)(|(d)(d)最大相位：最大相位： mFtFmfUkdttukmmax0|)(|mppmpUktukmmax| )(|(e) (e) 表达式表达式: : sincossincos)(cos)(cos)(0ofoomfootfoFMtmtUtUktUdttuktUtUtucoscoscoscos)(cos)(cos)(opoompoopoPMtmtUtUktUtuktUtUtu第10页/共64页讨论：讨论：(a) (a) 一般调角信号的表达式：一般调角信号的表达式：sincos)(ootmtUtu m mp p m m m m m mf f (

15、b) FM(b) FM波：波： mfmUkmffUkm(c) PM(c) PM波：波： mpmUkmppUkm调频波的波形调频波的波形第11页/共64页第12页/共64页调频与调相信号的调频与调相信号的相同点：相同点： 二者都是等幅信号。二者都是等幅信号。 二者的频率和相位都随调制信号而变化，均产生频偏与相偏，成二者的频率和相位都随调制信号而变化，均产生频偏与相偏，成为疏密波形。正频偏最大处，即瞬时频率最高处，波形最密；负频为疏密波形。正频偏最大处，即瞬时频率最高处，波形最密；负频偏最大处，即瞬时频率最低处，波形最疏。偏最大处，即瞬时频率最低处，波形最疏。调频与调相信号的调频与调相信号的区别区

16、别: : 二者的频率和相位随调制信号变化的规律不一样二者的频率和相位随调制信号变化的规律不一样, , 但由于频率与相位是微积分关系但由于频率与相位是微积分关系, , 故故二者是有密切联系的。二者是有密切联系的。eg:eg: 对于调频信号来说，调制信号电平最高处对应的瞬时正频偏最大，波形最密；对于调对于调频信号来说，调制信号电平最高处对应的瞬时正频偏最大，波形最密；对于调相信号来说，调制信号电平变化率（斜率）最大处对应的瞬时正频偏最大，波形最密。相信号来说，调制信号电平变化率（斜率）最大处对应的瞬时正频偏最大，波形最密。 从表从表7-17-1中可以看出，调频信号的调频指数中可以看出，调频信号的调

17、频指数MMf f与调制频率有关与调制频率有关, , 最大频偏与调制频率无关，最大频偏与调制频率无关，而调相信号的最大频偏与调制频率有关，调相指数而调相信号的最大频偏与调制频率有关，调相指数MMp p与调制频率无关。与调制频率无关。 从理论上讲，调频信号的最大角频偏从理论上讲，调频信号的最大角频偏 m m c c，由于载频，由于载频 c c很高，故很高，故 m m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22为周期，因此调相信号的最大相偏为周期，因此调相信号的最大相偏( (调相指数调相指数) )MMp p ，故调，故调制范围很小。制范围很小。第13页/共64页表表7

18、-1 7-1 单频调频信号与单频调相信号参数比较单频调频信号与单频调相信号参数比较 第14页/共64页若用若用m m代替代替m mf f 或或 m mp p ，把，把 FM FM 和和 PMPM信号用统一的调角信号来表示，且令信号用统一的调角信号来表示，且令 0 0=0=0，则单位频率调制的调角信号可表示为则单位频率调制的调角信号可表示为 ：sincos)(tmtUtuo 展开成以下级数：展开成以下级数： 1204202cos)(2)(4cos)(22cos)(2)()sincos(nntnmJmJtmJtmJmJtm3. 3. 调角信号的频谱与带宽调角信号的频谱与带宽 012531)12si

19、n()(25sin)(23sin)(2sin)(2)sinsin(nntnmJtmJtmJtmJtm式中：式中：J Jn n( (m m) ) 称为第一类称为第一类Bessel functionBessel function，当，当m m，n n一定时，一定时， J Jn n( (m m) ) 为定系数，为定系数，其其值可以由曲线和函数表查出值可以由曲线和函数表查出。SoSo： 01212sin)12sin()(2cos2cos)(2)()(nononnottnmJUttnmJmJUtu 利用三角函数积化和差公式：利用三角函数积化和差公式： )cos(21)cos(21sinsin)cos(2

20、1)cos(21coscos 第15页/共64页So So 上式可表示为：上式可表示为： nontnmJUtu)cos()()( FM/PM FM/PM 信号的频谱由载频信号的频谱由载频 o 和无限对上，下边频分量和无限对上，下边频分量 )( no 组成组成. . 0 0分量：分量： UmJo)(，其大小决定于，其大小决定于m m ：调制指数调制指数 上、下边频分量上、下边频分量 0 0n n ：UmJn)(，与，与m m和和n n的大小有关。的大小有关。 o o- - FM / PMFM / PM的频谱的频谱 o o+ + o o o o+2+2 o o+3+3 o o+4+4 o o-2

21、-2 o o-3 -3 o o-4 -4 o o 调制信号调制信号u u 载波载波u uo o一般有一般有 : :值值越越大大所所占占频频带带越越宽宽一一定定时时当当不不计计高高次次边边频频分分量量可可以以忽忽略略一一定定时时当当mmJmnmJnmnn,)(:, 0)(:由第一类由第一类Bessel functionBessel function的性质：的性质： )()1()(mJmJnnn 所以有所以有 : :为奇数为偶数nmJmJnmJmJnnnn),()(),()(各边频分量与载频分量之间的频率间距为各边频分量与载频分量之间的频率间距为n n ，且当，且当n n为偶数时，上下边为偶数时，

22、上下边频分量符号相同，而当频分量符号相同，而当n n为奇数时，上下边频分量符号相反。为奇数时，上下边频分量符号相反。 第16页/共64页凡是振幅小于未调载波振幅的凡是振幅小于未调载波振幅的10%15%10%15%的边频分量可以的边频分量可以忽略不计。忽略不计。 15. 010. 0| )(| mJn 实际上实际上可以把调角信号认为是有限带宽的信号可以把调角信号认为是有限带宽的信号，这取决于实际应用中允许解调这取决于实际应用中允许解调后信号的失真程度。后信号的失真程度。 工程上有两种不同的准则：工程上有两种不同的准则： (1) (1) 比较精确的准则：比较精确的准则：FMFM信号的带宽包括幅度大

23、于未调载波振幅信号的带宽包括幅度大于未调载波振幅1%1%以上的边频分以上的边频分量，即量，即 01. 0| )(| fnmJ如果在满足上述条件下的最高边频的次数为如果在满足上述条件下的最高边频的次数为n n maxmax，则，则FMFM信号的带宽为信号的带宽为 B BFMFM=2n=2nmaxmax 或或 B BFMFM=2n=2nmaxmaxF F，其中其中 2 F(2) (2) 常用的工程准则：常用的工程准则： 由由Bessel functionBessel function可得可得 B BFMFM=2(m=2(mf f+1)F+1)F在实际应用中也常区分为：在实际应用中也常区分为：)(2

24、2,10)1(2, 1)( ,2, 1为为最最大大频频偏偏称称为为宽宽带带调调频频波波频频带带相相同同与与称称为为窄窄带带调调频频mmfFMffFMfFMfffFmBmFmBmAMFBm 调频信号的带宽调频信号的带宽 对有限频带的调制信号，即对有限频带的调制信号，即F=F= F F minminFF maxmax， 调角信号的频带为：调角信号的频带为： maxmaxmax,2,10)1(2,12,1mFffBmFmBmFBmmm时时时时时时可以看出调相制的信号带宽随调制信号频率的升高而增加，而调频波则不变，有时可以看出调相制的信号带宽随调制信号频率的升高而增加，而调频波则不变，有时把调频制叫做

25、把调频制叫做恒定带宽调制恒定带宽调制。第17页/共64页1. 1.对调频电路的要求：对调频电路的要求： (1)(1)具有线性的调制作用具有线性的调制作用 (2)(2)具有较高的调制灵活度，即单位调制电压所产生的频偏要大具有较高的调制灵活度，即单位调制电压所产生的频偏要大 (3)(3)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 (4)(4)未调制的载波频率应具有一定的频率稳定度未调制的载波频率应具有一定的频率稳定度 (5)(5)无寄生调幅或者寄生调幅尽可能小无寄生调幅或者寄生调幅尽可能小2. 2. 调频方法分类调频方法分类 实现频率调制的方式一般有两种实现频率调制的方式一般有两种: :

26、 直接调频直接调频 间接调频间接调频7.2 7.2 调频方法概述调频方法概述第18页/共64页3. 3. 直接调频直接调频根据调频信号的根据调频信号的瞬时频率随调制信号成线性变化瞬时频率随调制信号成线性变化这一基本特这一基本特性，可以将调制信号作为压控振荡器的控制电压，使其产生性，可以将调制信号作为压控振荡器的控制电压，使其产生的振荡频率随调制信号规律而变化，压控振荡器的中心频率的振荡频率随调制信号规律而变化，压控振荡器的中心频率即为载波频率。即为载波频率。显然，这是实现调频的最直接方法，故称为显然，这是实现调频的最直接方法，故称为直接调频直接调频。优点：易于得到较大的频偏优点：易于得到较大的

27、频偏缺点：频率稳定度低缺点：频率稳定度低第19页/共64页由相位与频率之间的关系：由相位与频率之间的关系： )/( ,)()()( ,)()(0sraddttdtraddtttt 在同一调制信号在同一调制信号 )(tu 的控制下，形成的的控制下，形成的FMFM波和波和PMPM波的表达式为：波的表达式为：)(cos)()(cos)(0tuktUtudttuktUtupoPMtfoFM 以上的过程为以上的过程为直接调频直接调频或或直接调相。直接调相。 )(tu 调调频频器器 tFoFMdttuktUtu0)(cos)( FMdirect,)(tu 调调相相器器)(costuktUupoPM PMd

28、irect,第20页/共64页4. 4. 间接调频间接调频若先对调制信号若先对调制信号u u ( (t t) )进行积分进行积分, , 得到得到u u1 1( (t t)=)=t t0 0u u ( (t t)d)dt t, , 然后将然后将u u1 1( (t t) )作作为调制信号对载频信号进行调相，也可实现调频。为调制信号对载频信号进行调相，也可实现调频。因此将调制信号积分后调相，是实现调频的另外一种方式，称为因此将调制信号积分后调相，是实现调频的另外一种方式，称为间接调频间接调频。或者说，间接调频是借用调相的方式来实现调频。或者说，间接调频是借用调相的方式来实现调频。优点：频率稳定度高

29、。优点：频率稳定度高。第21页/共64页微微分分调调频频(1) (1) 把把u u ( (t t) )先积分后，再经过调相器，也可得到对先积分后，再经过调相器，也可得到对u u ( (t t) )而言的调频波，也称为而言的调频波，也称为间间接调频接调频。（。（indirect frequency modulationindirect frequency modulation）)(tu tdttu0)(积积分分调调相相 tpoFMdttuktUu0)(cos )(tu )(costuktUupoPM )(tudtd (2) (2) 把把u u ( (t t) )先为微分后，再经过调频器，可得到先

30、为微分后，再经过调频器，可得到间接调相间接调相。（。（indirect Phase modulationindirect Phase modulation）第22页/共64页5. 5. 调相原理调相原理相位调制的相位调制的基本原理：基本原理：使角频率为使角频率为 c c的高频载波的高频载波u uc c( (t t) )通过一个通过一个可可控相移网络控相移网络, , 此网络产生的相移此网络产生的相移 受调制电压受调制电压u u ( (t t) )控制控制, , 满足满足 = =k kp pu u ( (t t) )的关系的关系, , 则网络输出调相信号。则网络输出调相信号。 调相信号可写成调相信

31、号可写成: : u uPMPM= =U Ucmcmcoscos c ct t+k+kp pu u ( (t t) ) = =U Ucmcmcoscos)(tuktcpc=Ucmcosc(t -) 其中：其中：)()(tuktuwkdcpcpwk是一比例系数。是一比例系数。 第23页/共64页将调相信号表示为一个可控时延信号，时延将调相信号表示为一个可控时延信号，时延 与调制电压与调制电压u u ( (t t) )成成正比。可见，时延与相移本质上是一样的。正比。可见，时延与相移本质上是一样的。所以所以, , 将将可控相移网络可控相移网络改为改为可控时延网络可控时延网络，也可实现调相。，也可实现调

32、相。第24页/共64页6. 6. 调频制与调相制分析调频制与调相制分析 调频制调频制指传送的调角信号中指传送的调角信号中, , 瞬时频偏与调制电压成正比；瞬时频偏与调制电压成正比；调调相制相制是指传送的调角信号中是指传送的调角信号中, , 瞬时相偏与调制电压成正比。虽然瞬时相偏与调制电压成正比。虽然调频信号可以由调相方式间接实现调频信号可以由调相方式间接实现, , 调相信号也可以由调频方式调相信号也可以由调频方式间接实现，但是两种调制体制的性能是不一样的。间接实现，但是两种调制体制的性能是不一样的。 抗干扰性抗干扰性是衡量调制体制性能的一个重要指标。假定接收机是衡量调制体制性能的一个重要指标。

33、假定接收机解调器输入的已调波信号信噪比相同解调器输入的已调波信号信噪比相同, , 哪一种调制体制解调器输哪一种调制体制解调器输出信噪比高，解调失真小，则说明哪一种调制体制抗干扰性好。出信噪比高，解调失真小，则说明哪一种调制体制抗干扰性好。显然：对调幅制的主要干扰是振幅噪声，对调频制与调相制的主显然：对调幅制的主要干扰是振幅噪声，对调频制与调相制的主要干扰是频率噪声和相位噪声。要干扰是频率噪声和相位噪声。 第25页/共64页 研究表明：在单频干扰情况下研究表明：在单频干扰情况下, , 调幅制、调频制与调相制对调幅制、调频制与调相制对应的已调波信号的电压信噪比的比值应的已调波信号的电压信噪比的比值

34、大约等于大约等于各自调制指数各自调制指数m ma a、m mf f与与m mp p的比值。的比值。 即调制指数越大即调制指数越大, , 对应的已调波信号的电压信噪比越大，抗对应的已调波信号的电压信噪比越大，抗干扰性越好。调幅制的干扰性越好。调幅制的m ma a11，故抗干扰性差。，故抗干扰性差。 对于调频制与调相制来说，调制指数可以大于对于调频制与调相制来说，调制指数可以大于1 1，故抗干扰，故抗干扰性可以比调幅制好，性可以比调幅制好， 当然当然, , 这是用增加带宽的代价来换取的。这是用增加带宽的代价来换取的。 第26页/共64页综上：综上： 调角制的抗干扰性可以比调幅制好；调角制的抗干扰性

35、可以比调幅制好； 调频制在带宽利用和抗干扰性方面又比调相制好调频制在带宽利用和抗干扰性方面又比调相制好, , 所以在模拟通信系统中广泛采用所以在模拟通信系统中广泛采用调频制调频制而很少用调相制。而很少用调相制。第27页/共64页0(1)jjRDCCuU1. 1. 变容二极管特性变容二极管特性 扩散电容扩散电容(diffusion capacitance)(diffusion capacitance)正向偏置正向偏置，电容效应比较小。，电容效应比较小。 势垒电容势垒电容(barrier capacitance)(barrier capacitance)反向偏置反向偏置 ，势垒区呈现的电容效应。，

36、势垒区呈现的电容效应。 利用状态利用状态7.3 7.3 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路 ( (Varactor diode direct FMVaractor diode direct FM) ) PN PN结反偏时，结电容会随外加反向偏压而变化，专用的变容二极管是经过特殊工艺处结反偏时，结电容会随外加反向偏压而变化，专用的变容二极管是经过特殊工艺处理（控制半导体的掺杂浓度和掺杂的分布），使势垒电容能灵敏地随反向偏置电压的变理（控制半导体的掺杂浓度和掺杂的分布），使势垒电容能灵敏地随反向偏置电压的变化而呈现较大变化的压控变容元件。化而呈现较大变化的压控变容元件。结电容结电容C C

37、j j与反偏电压与反偏电压u uR R的关系：的关系：C Cj j0 0：u uR R=0=0时的电容值（零偏置电容）时的电容值（零偏置电容）u uR R ：反向偏置电压，：反向偏置电压，U UD D：PNPN结势垒电位差结势垒电位差 V3 .0:GeV7 .0:Si ：结电容变化指数，通常：结电容变化指数，通常 =1/21/3=1/21/3， 经特殊工艺制成的超突变结电容经特殊工艺制成的超突变结电容 =15=15看出：看出：C Cj j与与u uR R之间是非线性关系，即之间是非线性关系，即变容二极管属于变容二极管属于非线性电容非线性电容，这种非线性电容基，这种非线性电容基本上不消耗能量，产

38、生的噪声量级也较小，是较理想的高效率，低噪声非线性电容。本上不消耗能量，产生的噪声量级也较小，是较理想的高效率，低噪声非线性电容。PNPN结具有电容效应结具有电容效应 第28页/共64页设在变容二极管上加设在变容二极管上加一个静态工作电压一个静态工作电压U Uo o和和一个单频调制信号一个单频调制信号 tUtu cos)(，则结反偏电压：，则结反偏电压： tUUtuUtuooR cos)()(而结电容：而结电容： 其中：其中： 01jjQoDCCUU为：为：静态工作点的结电容静态工作点的结电容。 oDUUUm为：为：结电容调制深度的调制指数结电容调制深度的调制指数。CjuRUQuRtC jtC

39、jQtmCtUUUUUCtUUUUUUCUtUUCUtUUCCjQDDjDDDjDjDjjcos1cos11cos1cos1cos10000000000第29页/共64页L1C12. 2. 变容二极管直接调频的原理电路变容二极管直接调频的原理电路 LCLC正弦波振荡器正弦波振荡器变容二极管变容二极管及其偏置电路及其偏置电路变容二极管变容二极管是振荡回路的一个组成部是振荡回路的一个组成部分。分。加在变容二极管的反向电压：加在变容二极管的反向电压：)()(tuVtuVVuQBcc式中式中: :V VQ Q：加在变容二极管的直流偏置电压：加在变容二极管的直流偏置电压；u u ( (t t) )：调制

40、信号电压。：调制信号电压。第30页/共64页 结电容随调制电压变化关系结电容随调制电压变化关系变容二极管结电容变容二极管结电容C Cj j将在将在u ur r( (t t) )的控制下随时间变化。的控制下随时间变化。则振荡器的振荡频率要随则振荡器的振荡频率要随 u u ( (t t) )变化。变化。只要电路参数选取合适，只要电路参数选取合适，就可以实现线性调频。就可以实现线性调频。tUtumcos)(tUVtumQcos)(调制信号：调制信号：反向电压：反向电压：第31页/共64页电路分析电路分析（1 1）在反向电压）在反向电压 u ur r( (t t) )作用下，变容二极管的电容值作用下，

41、变容二极管的电容值C Cj j0( )1jjDCCu tUDQjjQUVCC10tmCVUtUUVUCVtUVCCjQQDmDQDjdmQjjcos1cos1cos100)/(QDmVUUm 变容二极管的结电容表示式变容二极管的结电容表示式载波状态时变容二极管的结电容载波状态时变容二极管的结电容C CjQjQ( )0,( )Qutu tV载波状态时，载波状态时，则，则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C Cj j为电容调制度。为电容调制度。 第32页/共64页 振荡回路的等效电路振荡回路的等效电路当振荡回路中的当振荡回路中的 C C1 1未接入，未接入，C Cc c较大较

42、大时，即回路的总电容仅是变容二极管的时，即回路的总电容仅是变容二极管的结电容，等效回路如图所示。可调变容二极管上的高频电压很小，忽略其结电容，等效回路如图所示。可调变容二极管上的高频电压很小，忽略其对变容二极管电容量变化的影响。对变容二极管电容量变化的影响。瞬时振荡频率瞬时振荡频率为为211)cos1 ()cos1 (111)(tmtmCLCLtcjQjjQcCL1/10)(tu式中：为时的载波频率。（2 2）变容二极管作为回路总电容实现调频）变容二极管作为回路总电容实现调频第33页/共64页实现线性调频的条件实现线性调频的条件222)(1cos1)cos1 ()(QDcQDmccVUtutV

43、UUtmt结论：当结论：当 =2=2时，能实现线性调频。时，能实现线性调频。 当当 2 2时，会产生什么影响？时，会产生什么影响？3222112222221cos1coscoscos22!3!mtmtmtmt 通常通常 ，可以忽略三次方以上各项，则：，可以忽略三次方以上各项，则：1m22222( )(1cos)12 21coscos11cos1cos222!8 228 2ccctmtmtmtmmtmt 2cos1tm0costm 由于由于 可以在可以在 处展开成泰勒级数，得处展开成泰勒级数，得第34页/共64页结论：结论：当变容二极管作为回路总电容时，当变容二极管作为回路总电容时， 2 2调频

44、波会产生调频波会产生中心频率偏离中心频率偏离和和非线性失真非线性失真，会产生如下影响：，会产生如下影响：调频波的中心频率会产生偏移。其偏移量为调频波的中心频率会产生偏移。其偏移量为ccm2128cm22128cm2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 值很小，电路对值很小，电路对 的要求不严格。的要求不严格。 例如，调频广播例如，调频广播f fc c=88108MHz=88108MHz，要求最大频偏，要求最大频偏 f fm m=75KHz=75KHz。)104 . 1106 . 1 (133m很小，对应中心频率偏移量和非线性失真量很小。故对很小，对应中心频率偏

45、移量和非线性失真量很小。故对的要求不严格。的要求不严格。显然，显然，当调频电路的相对频偏较大时，对当调频电路的相对频偏较大时，对 =2 的要求就应严格些。的要求就应严格些。 调频波的最大频偏调频波的最大频偏调频波会产生非线性失真。其二次谐波失真最大频偏调频波会产生非线性失真。其二次谐波失真最大频偏 变容二极管全部接入时（变容二极管全部接入时（ =2=2，C Cj j作为回路总电容）调频电路的特点作为回路总电容）调频电路的特点: :DQcfUVk优点优点：调频灵敏度高调频灵敏度高, ,频偏很大频偏很大DQmcUVU缺点缺点：中心频率稳定度不好：中心频率稳定度不好jQcLC1变容二极管作为回路总电

46、容实现调频时，由于变容二极管的结电容随温度、变容二极管作为回路总电容实现调频时，由于变容二极管的结电容随温度、偏置电压的不稳会引起结电容变化。因此其中心频率稳定度差。偏置电压的不稳会引起结电容变化。因此其中心频率稳定度差。第35页/共64页（3 3）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变容二极管部分接入的等效回路如图所示。回路总电容变容二极管部分接入的等效回路如图所示。回路总电容 为为C11/(1cos)/(1cos)cjcjQcjcjQC CC CmtCCCCCCCmt相应的调频特性方程为：相应的调频特性方程为：jQcjQcCtmCCCCLCLt)cos1 (11)(111

47、1(1cos)cjQcjQC CCCmtCC Cc c与与C Cj j是同数量级是同数量级的小电容的小电容结论：变容二极管部分接入使得频率稳定度更高，但最大频偏要减小。结论：变容二极管部分接入使得频率稳定度更高，但最大频偏要减小。第36页/共64页（1 1）8MHz8MHz变容二极管调频振荡电路变容二极管调频振荡电路3. 3. 应用举例应用举例变容二极管的变容二极管的直流偏压直流偏压由由R R1 1，R R2 2和电位器和电位器WW组成分压电路供给。组成分压电路供给。调制信号调制信号通过通过C C1 1和高频扼流图和高频扼流图ZLZL1 1加到变容二极管上。加在变容二极管加到变容二极管上。加在

48、变容二极管上电压为直流偏置电压与调制信号电压之和。上电压为直流偏置电压与调制信号电压之和。 偏置电压为偏置电压为-4V-4V时，时，C Cj j=100pF=100pF； 而偏置电压由（而偏置电压由（0-80-8）V V变化时，变化时，C Cj j为（为（2306023060）pFpF。第37页/共64页电路为电容三点式振荡电路，振荡频率为电路为电容三点式振荡电路，振荡频率为CLfc121jCCCCCCC1111111165987电路中心频率为电路中心频率为8MHz8MHz，最大线性频偏为，最大线性频偏为200kHz200kHz。其中其中第38页/共64页（2）某通信机中的变容二极管调频电路）

49、某通信机中的变容二极管调频电路高频扼流圈高频扼流圈L Lp3p3，L Lp4p4对直流和调制信号短路对直流和调制信号短路，而，而对载频开路对载频开路。因而：加在两。因而：加在两个变容二极管上的反向电压是相同的。个变容二极管上的反向电压是相同的。上图所示是上图所示是电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路，通过变容二极管的电容变化实现调频。，通过变容二极管的电容变化实现调频。本电路的特殊点是采用了两个变容二极管，并且本电路的特殊点是采用了两个变容二极管，并且同极性相对接同极性相对接的方式接入振的方式接入振荡回路。由于回路中两个二极管代替一个二极管，使得每个变容二极管两端的荡回路。由于回路中两个二极管

50、代替一个二极管，使得每个变容二极管两端的高频电压减小。这样就高频电压减小。这样就减小了高频电压对变容二极管总电容的影响减小了高频电压对变容二极管总电容的影响。第39页/共64页4. 4. 变容二极管直接调频电路的优缺点变容二极管直接调频电路的优缺点优点：优点：电路简单，工作频率高，易于获得大的频偏。在频偏小电路简单，工作频率高，易于获得大的频偏。在频偏小时，非线性失真很小。所需调制信号功率很小。时，非线性失真很小。所需调制信号功率很小。缺点：缺点：中心频率稳定度不高。频偏较大时，非线性失真较大。中心频率稳定度不高。频偏较大时，非线性失真较大。第40页/共64页在要求调频波中心频率稳定度较高，而

51、频偏较小的场合，可以采用直接对晶体振荡器调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。频的方法。 1 1晶体振荡器直接调频原理晶体振荡器直接调频原理并联型并联型Pierce OscillatorPierce Oscillator，其振荡频率为：，其振荡频率为： )(210oLgqCCCff 式中：式中：C Cg g为晶体的动态电容，为晶体的动态电容，C C o o：晶体的静态电容，：晶体的静态电容， j21LC1C1C11C ， f f q q：晶体的串联谐振频率：晶体的串联谐振频率。在电路中，当在电路中，当C Cj j变化时，变化时，C CL L变化

52、，从而使晶体振荡器的振荡频率也发生变变化，从而使晶体振荡器的振荡频率也发生变化，如果压控元件化，如果压控元件C Cj j受调制电压受调制电压 控制，则控制，则Pierce OscillatorPierce Oscillator就成为一个就成为一个晶晶体调频振荡器。体调频振荡器。)(tu 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串联谐振故只能工作于晶体的串联谐振频率频率f f q q与并联谐振频率与并联谐振频率f f p p之间之间，而，而f f q q与与 f f p p之间的频率变化范围只有之间的频率变化范围只有431010 oqpfff

53、量级，再加上量级，再加上C Cj j的串联，晶体的的串联，晶体的可调振荡频率更窄可调振荡频率更窄。 C C2 2C Cl lC Cj jJ JT T例如：载频为例如：载频为40MHz40MHz的晶体调频振荡器，能获得最大频偏只有的晶体调频振荡器，能获得最大频偏只有7.5KHz7.5KHz，所，所以采用晶体调频振荡器虽然可以获得较高的频率稳定度，但以采用晶体调频振荡器虽然可以获得较高的频率稳定度，但缺点是最大频偏缺点是最大频偏很小很小，实际中需要采用扩大频偏的措施。，实际中需要采用扩大频偏的措施。扩大频偏的方法有两种：扩大频偏的方法有两种：晶体支路中串接小电感；晶体支路中串接小电感； 利用利用

54、型网络进行阻抗变换来扩展晶体呈现感性的工作频率范型网络进行阻抗变换来扩展晶体呈现感性的工作频率范围。围。 7.4 7.4 晶体振荡器直接调频电路晶体振荡器直接调频电路 第41页/共64页2. 晶体调频振荡器的实际电路 C1C2CjLJT采用串接小电感L的方法来扩大调频的频偏，变容二极管的反向偏压由EC经稳压管VDZ稳压后经RZ2=2.4k和W1=47k电位器分压后，经R=10K电阻加至变容管正极。改变47K电位器W1的活动端可以调整变容管的Uo从而改变Cj ，把调频器的中心频率调至规定值。调制信号u(t) 经电位器W2加于变容管VD，改变4.7K电位器W2的活动头，可以调整加在变容二极管上的调

55、制信号电压幅值，从而获得要求的频偏。-Uo+C5u(t)W1W2VDJTCLRb1Rb2C1C2ReC3ECRz2Rz1VDzRC4+- -第42页/共64页高稳定度高稳定度载波振荡载波振荡器器相位相位调制器调制器积分积分 电路电路多级倍频多级倍频和混频器和混频器宽带宽带 )(tuFM)(tu dttu)( 窄带窄带)(tuFM3. 间接调频电路间接调频电路 但最大频偏小的缺点可以通过多级倍频器后获得符合要求的调频频偏，另外采用混频器变换频率可以得到符合要求的调频波工作范围。采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个稳定的载频信号进行调相，这样一来就可得中心频率稳定度高的调频信号。在间接

56、调频时，要获得线性调频必需以线性调相为基础。但在实现线性调相时，要求最大瞬时相位偏移 om30，因而线性调相的范围很窄，因此转换成的调频波的最大频偏 mf 很小，即：m f0时时，变容二极管反向电压加大，结电容减小，变容二极管反向电压加大，结电容减小，L与与Cj组成谐组成谐振回路的谐振频率增大。其相频特性如图振回路的谐振频率增大。其相频特性如图曲线曲线所示。对输入为所示。对输入为 c的载的载频信号，输出电压有一个频信号，输出电压有一个正的附加相移正的附加相移。 当当 u(t)0时时，变容二极管反向电压减小，结电容加大，变容二极管反向电压减小，结电容加大，L与与 Cj组成谐组成谐振回路的谐振频率

57、减小，其相频特性如图振回路的谐振频率减小，其相频特性如图曲线曲线所示，对输入为所示，对输入为c的载的载频信号，输出电压有一个频信号，输出电压有一个负的附加相移负的附加相移 。 附加相移附加相移在在 u(t)的控制下变化，这样输出电压的相位也随的控制下变化，这样输出电压的相位也随 u(t)变化变化，从而实现调相。，从而实现调相。调相过程调相过程谐振频率变化产生附加相移第46页/共64页R1R2R3R4C1C2C3C4CjL载波输入载波输入 )(tu高稳定度高稳定度 振荡器振荡器 调相器调相器 积分器积分器)(tu )(tuFM )(tu电路分析电路分析 如果忽略二次方以上各项，可得回路的谐振频率

58、为 ： 将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调相电路。 CjLUQ=9V载波输入载波输入调相波调相波 输出输出cos21cos11)(o2ojtmtmLCt 回路的频率偏移为： tmtt cos2)()(oo 在高在高Q值及谐振回路失谐不大的情况下，并联值及谐振回路失谐不大的情况下，并联LC谐振谐振回路电压和电流间的相位关系为：回路电压和电流间的相位关系为：)(2arctan)(o tQt Oo幅频特性幅频特性2 2 /6 -/6 当/6（或30o）时，tano)(2)( tQt 可得:tmQt cos)( 表明：单级LC谐振回路在满足 /6的条件下，回路输出电压的相移是

59、与输入调制电压u(t)成线性关系的。实现了线性调相。输出电压：u(t)=IcmZ(c) cos(ct+mpcost)So：幅度会发生变化从而产生寄生调幅，要求c很小。另外要求/6。（用多级来实现更大的调相指数）调相波调相波 输出输出载波输入载波输入第47页/共64页实用变容二极管调相电路实用变容二极管调相电路 由晶体管组成单LC回路调谐放大电路，电感L、电容C1、C2与变容管Cj组成并联谐振回路； ttud)(载波输入载波输入 uFM(t) C3、C4、C5为耦合电容；LZ为高频扼流圈，以防高频载波被调制信号源旁路; R5、R6对电源EC分压后为变容二极管提供静态偏置电压UQ。 放大的载波信号

60、经C3耦合输入，调制信号经C5耦合输入，调相信号经C4耦合输出。 如果将调制电压u(t)先积分后再输入，那么从C4耦合输出的信号就是对调制电压u(t)的间接调频波。 R5R1R3R4R3CbC1CjC3C2C4C5LLZECR6Ce+UQ-第48页/共64页 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实例电路实例电路第49页/共64页(2) 可变延时法 载波信号通过一可控延时网络，延时时间受调制信号控制，即=kdu(t) 则输出信号为 u(t)=Ucosc(t-)=Ucosct-kdcu(t) 为调相信号。 可变时延法调相电路方框图第50页/共64页可变时延法调相电路方框图u(t)0时的