高频电子第六章

1、第第 6 章章 角度调制和解调角度调制和解调 （angle modulation and demodulation ）任意正弦波信号：任意正弦波信号： )()()(tCOSUtCOSUtuomooomo 其中：其中： oot) t ( , 总相角，总相角，omU振幅，振幅， o 角频率，角频率， o 为初相角为初相角 如果利用调制信号如果利用调制信号 tCOSUtu )(去控制三个参量中的某个，去控制三个参量中的某个， 可产生调制的作用可产生调制的作用:amphitude modulation AM: )cos1()(tmUtUomom frequency modulation FM :)()

2、(tuktfc phase modulation PM: )()(tukttpo 角度调制角度调制 AM调制方式中调制方式中 AM DSB 属于频谱属于频谱线性搬移电路线性搬移电路,调制信号寄生于已调调制信号寄生于已调信号的振幅变化中信号的振幅变化中FMPM 调制方式中：调制方式中：属于频谱的非线性搬移电路属于频谱的非线性搬移电路,已调波为等幅波已调波为等幅波,调调制信息寄生于已调波的频率和相位变化中制信息寄生于已调波的频率和相位变化中 SSB 6.1 概述概述FM，PM从已调波中检取出原调制信号的过程称为解调从已调波中检取出原调制信号的过程称为解调(AM)振幅解调振幅解调检波检波 (FM)频

3、率解调频率解调鉴频鉴频 detection (frequency discrimination)(PM)相位解调相位解调检相检相(phase detection) vAM当进行角度调制当进行角度调制 （FM或或PM）后）后 ,其已调波的角频率将是时间的函数其已调波的角频率将是时间的函数即即 。可用右图所示的旋转。可用右图所示的旋转矢量表示矢量表示 (t)t= t(t)o )t( t =0实轴实轴设旋转矢量的长度为设旋转矢量的长度为omU, 且当且当t=0时，时， 初相角为初相角为 ，t= t时刻，时刻， o 矢量与实轴之间的瞬时相角为矢量与实轴之间的瞬时相角为 )(t ，显然有：，显然有： 关

4、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)(tUtuomo 6.2 调角信号的分析调角信号的分析 一一.调角信号的分析与特点调角信号的分析与特点1.瞬时频率和瞬时相位（瞬时频率和瞬时相位（ instantaneous frequency and phase）如果设高频载波信号为如果设高频载波信号为 ： )(cos)cos()(tUtUtuomooomo 调制信号：调制信号： tUtu cos)(（1）调频）调频FM：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

5、：，则有：)()()(ttuktofo 其中：其中：: 载波角频率，载波角频率，FM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频率的偏移 .最大频偏最大频偏 UktukFFmmax| )(| 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： tttoFoFttdttu

6、ktdttukdttt0000)()()()()( 其中：其中： )t( ：瞬时相位偏移，瞬时相位偏移， tUkdttuktFtF sin)()(0 2. 调频信号与调相信号的数学表示：调频信号与调相信号的数学表示：设：载波：设：载波：tUtuoomo cos)( 最大相位偏移：最大相位偏移： UktFmmax| )( tFoFMdttuktUtUtu0)(cos)(cos)( 一般令一般令 mfm ，称为，称为FM波的调频指数，于是一般调频信号的波的调频指数，于是一般调频信号的 数学表达式：数学表达式： 所以有：所以有： tmtUtUktUdttuktUtufoFotFoFM sincoss

7、incos)(cos)(0 注意：与注意：与AM波不同，波不同，m f 一般可大于一般可大于1，且且m f 越大，抗干扰性能越大，抗干扰性能 越好，但频带越宽。越好，但频带越宽。 对于单一频率调制的对于单一频率调制的FM波，由于波，由于 tUtu cos)(由于由于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，则有：，则有：)()()(tttukttopo 其中：其中： to ：为：为载波的相位角载波的相位角。 pk：调相灵敏度调相灵敏度， )()(tutkp ，单位调制信号振幅引起的相位偏移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，

8、即 )(t 相对于相对于 to 的偏移量。的偏移量。2相位调制：相位调制：最大相位移：最大相位移： pppmmUktuk max| )( （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 式中：式中： dttduktp)()( ； PM波波瞬时频偏瞬时频偏最大频偏最大频偏: Ukdttdukppmmax|)(| PM波的表达式为：波的表达式为： )(costuktUupoPM 对于单一频率调制信号对于单一频率调制信号 tUtu cos)(的的PM波：波： coscosco

9、scostmtUtUktUupopoPM 如果设载波：如果设载波： )cos()(oootUtu ， 调制信号：调制信号： tUtu cos)( FM波波 PM波波(1) 瞬时频率：瞬时频率： )()(tuktFo dttduktpo)()( 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(2)瞬时相位：瞬时相位： otFodttuktt 0)()(opotuktt )()(3)最大频偏最大频偏 UktukFFmmax| )(| Ukdttdukppmmax|)(| (4)最大相位：最大相位： UkdttukmFtFmfmax0|)(| Uktukmppmpmax| )(| (5) 表

10、达式表达式: sincossincos)(cos)(cos)(0ofoofootfoFMtmtUtUktUdttuktUtUtu coscoscoscos)(cos)(cos)(opoopoopoPMtmtUtUktUtuktUtUtu 讨论：（讨论：（1）一般调角信号的表达式：）一般调角信号的表达式：sincos)(ootmtUtu mp mmmf（2）FM波：波： Ukfm Ukmff（3）PM波：波： Ukpm Ukmpp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，有时把调频制叫做恒定带宽调制。频波则不变，

11、有时把调频制叫做恒定带宽调制。（3）调频波的波形）调频波的波形如果用如果用m代替代替mf 或或 mp ，把，把 FM 和和 PM信号用统一的调角信号来表示信号用统一的调角信号来表示且令且令 0 o ，则单位频率调制的调角信号的表示式可统一，则单位频率调制的调角信号的表示式可统一 表达成为：表达成为： sincos)(tmtUtuo （利用三角公式：（利用三角公式： )sinsincoscos)cos( 可展开成以下级数：可展开成以下级数： 1204202cos)(2)(4cos)(22cos)(2)()sincos(nntnmJmJtmJtmJmJtm6.2.3调角信号的频谱与带宽调角信号的频

12、谱与带宽 012531)12cos()(25sin)(23sin)(2)(2)sinsin(nntnmJtmJtmJmJtm式中：式中： )(mJn称为第一类称为第一类Bessel function，当，当m，n一定时，一定时， )(mJn为定系数，其值可以由曲线和函数表查出。所以：为定系数，其值可以由曲线和函数表查出。所以： 01212sin) 12sin()(2cos2cos)(2)()(nononnottnmJUttnmJmJUtu 又利用三角函数积化和差公式：又利用三角函数积化和差公式： )cos(21)cos(21sinsin)cos(21)cos(21coscos 所以上式最终可表

13、示为：所以上式最终可表示为： nontnmJUtu)cos()()( 讨论：在单一频率信号调制下，调角信号频谱具有的特点：讨论：在单一频率信号调制下，调角信号频谱具有的特点： 1 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. 其中：其中： o 分量：分量： UmJo)(，其大小决定于，其大小决定于m : 上上,下边频分量下边频分量 )( no UmJn)(,与与m和和n的大小有关。的大小有关。o- -FM / PM的频谱的频谱o+oo+2o+3o+4o- -2o- -3o- -4o调制信号调制信号u载波载波uo一般有一般

14、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)(: 2由第一类由第一类Bessel function的性质：的性质： )()1()(mJmJnnn 所以有所以有 : 为为奇奇数数为为偶偶数数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 ，且当，且当n为偶数时，上下为偶数时，上下边频分量符号相同，而当边频分量符号相同，而当n=奇数时，上下边频分量符号相反。奇数时，上下边频分量符号相反。 凡是振幅小于未调载

15、波振幅的凡是振幅小于未调载波振幅的10%15%的边的边频分量可以忽略不计。频分量可以忽略不计。 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，这取决于实际这取决于实际应用中允许解调后信号的失真程度。应用中允许解调后信号的失真程度。 工程上有两种不同的准则：工程上有两种不同的准则： (1) 比较精确的准则：比较精确的准则：FM信号的带宽包括幅度大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%以上的边频分量，即以上的边频分量，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

16、的最高边频的次数为n max，则，则FM信号的带宽信号的带宽为为 BFM=2nmax 或或 BFM=2nmaxF，其中其中 2 F利用利用B e s s e l function可得近似公式可得近似公式: FmmBffFM) 1( 2 (2) 常用的工程准则：常用的工程准则： 由由Bessel function可得可得 BFM=2(mf+1)F在实际应用中也常区分为：在实际应用中也常区分为： )(22,10)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mmfFMffFMfFMfffFmBmFmBmAMFBm2调频信号的带宽

17、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 minF max， 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6.3 调频电路调频电路 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FM波和波和PM波的表达式为：波的表达式为：)(cos)()(cos)(0tuktUtudttuktUtupoPMtfoFM 以上的过程为直接调频或直接调相以上

18、的过程为直接调频或直接调相 )(tu 调调频频器器 tFoFMdttuktUtu0)(cos)( FM,direct)(tu 调调相相器器)(costuktUupoPM PM,direct6.3 调频电路调频电路 6.3.1实现调频、调相的方法实现调频、调相的方法 (2) 把把 )(tu 先微分后再调频，可以得间接调相（先微分后再调频，可以得间接调相（indirect PM） 微微分分调调频频(1)如果把如果把 )(tu 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 )(tu 而言的调频波，也称为间接调频。（而言的调频波，也称为间接调频。（indirect freque

19、ncy modulation）)(tu tdttu0)(积积分分调调相相 tpoFMdttuktUu0)(cos )(tu )(costuktUupoPM )(tudtd VCO的特点：的特点：瞬时频率随外加控制信号的变化而变化瞬时频率随外加控制信号的变化而变化。 )(tu VCO )(cos)(dttuktUtufoFM 式中：式中：U为振荡信号的振幅，为振荡信号的振幅， o :当当 0)( tu时的振荡频率，时的振荡频率，k f为为:VCO控制灵敏度。控制灵敏度。 6.3.2 压控振荡器直接调频电路压控振荡器直接调频电路 用调制信号电压控制振荡回路的参数，如回路电容用调制信号电压控制振荡回

20、路的参数，如回路电容C或回路电或回路电感感L，并使振荡频率，并使振荡频率正比于所加调制信号电压，即可实现调频。正比于所加调制信号电压，即可实现调频。 在直接调频法中常采用压控振荡器（在直接调频法中常采用压控振荡器（Voltage Control Oscillator）作为频率调制器来产生调频信号。作为频率调制器来产生调频信号。VCO中最常用的压控元件：中最常用的压控元件：变容二极管变容二极管 由晶体管和场效应管组成的电抗电路。由晶体管和场效应管组成的电抗电路。 压控振荡器直接调频压控振荡器直接调频：优点：可获得较大频偏：优点：可获得较大频偏.缺点：中心频率稳定性缺点：中心频率稳定性差，常采用自

21、动频率微调（差，常采用自动频率微调（automatic frequency control ，AFC）电）电路来克服载频偏移。路来克服载频偏移。通常有：通常有： ，压控振荡器的输出信号即为调频信号。压控振荡器的输出信号即为调频信号。)()(ftukto )1(DRoUuCCj 1. 变容二极管变容二极管 扩散电容扩散电容(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)反向偏置反向偏置 ，势垒区呈现的电容效应。，势垒区呈现的电容效应。 所以所以为利用为利用PN结的电容，结的电容，PN结应

22、工作在反向偏置状态结应工作在反向偏置状态.6.3.3 变容二极管直接调频变容二极管直接调频电路电路 （Varactor diode direct FM） PN结反向偏置时，结电容会随外加反向偏压而变化，而专用的变容二结反向偏置时，结电容会随外加反向偏压而变化，而专用的变容二极管，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化而呈现较大变化的压控变容元件。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。结电容结电容C j与反偏电压与反偏电压uR的关系：的关系：式中式中Co

23、： 0 Ru时的电容值（零偏置电容）时的电容值（零偏置电容）:Ru反向偏置电压，反向偏置电压，UD：PN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，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 可以看出可以看出C j与与uR之间是非线性关系，即之间是非线性关系，即变容二极管属于非线性电变容二极管属于非线性电容，这种非线性电容基本上不消耗能量，产生的噪声量级也较小，是容，这种非线性电容基本上不消耗能量，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。较理想的高效率，低噪声非线性电容。P

24、N结具有电容效应结具有电容效应 tmCtmUUCtUUUUUUCUtUUCUtUUCCjQDooDDoDDoDoj cos1cos11cos1cos1)cos(10000设在变容二极管上加一个静态工作电压设在变容二极管上加一个静态工作电压Uo和一个单频调制信号和一个单频调制信号 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： DojQUUCC 10为静态工作点的结电容。为静态工作点的结电容。 oDUUUm 表示结电容调制深度的调制指数。表示结电容调制深度的调制指数。 CjuRUQuRtC jtCjQ 为了突出调频性

25、能的分析，下图只画出了它的高频交流等效为了突出调频性能的分析，下图只画出了它的高频交流等效电路，没有画出直流馈电电路，电路，没有画出直流馈电电路， 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 图中；图中；C3为高频偶合电容，为高频偶合电容，C4为偶合隔直电容，为偶合隔直电容，LB为高频扼流为高频扼流圈，阻止高频电流经过调制信号源被旁路，右图为振荡器交流等效圈，阻止高频电流经过调制信号源被旁路，右图为振荡器交流等效电路，电路，C j与振荡器回路并联，与振荡器回路并联，R1，R2为为C j的偏置电路，为的偏置电路，为C j提供静提供静态直流偏压态直流偏压 221RRREUCo

26、，而二极管的反偏电压为：，而二极管的反偏电压为： )(tuUuoR +uR-LCjC1C2VTLCjC1C2VTLDC3C4ECR2+u- -R1+Uo- -DooffoDooooUUktUktUUUtmt 其其中中,coscoscos1)(则则由上电路可知，振荡频率为：由上电路可知，振荡频率为： LC1 ;而而 2121CCCCCCj 为了简化电路分析，如果设为了简化电路分析，如果设： 2121CCCCCj ，则有则有 jCC 所以：有所以：有 2)cos1(1)cos1(11 tmLCtmLCLCjQjQj 其中：其中： jQoLC1 为未加调制信号为未加调制信号（ 0)( tu）时的振荡

27、频率时的振荡频率， 3 调频性能分析调频性能分析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：1 设设 =2即满足线性调频即满足线性调频。 2 当当2 则则 2cos1)( tmto LC1C2CjVT+uR-（利用级数展开忽略高次项，（利用级数展开忽略高次项， )x!2)1n(nnx1)x1(2n tcosm)12(2!21tcosm21)t(22o )( t 可近似为：可近似为： t2costcos)(t2cosm)12(8tcosm2m)12(81)t(m2m0020020 是由是由C jV d的非线性而引起的。虽然的非线性而引起的。虽然 om 0（2） 02 mm ：

28、与调频频率有关的最大频偏，虽然与调频频率有关的最大频偏，虽然 mom （3） omm 22)12(8 ：由于由于CjuR的非线性作用，使频偏中增加的非线性作用，使频偏中增加了了的谐波分量（的谐波分量（2）而引起的附加频偏，会造成调频接收时的非线性）而引起的附加频偏，会造成调频接收时的非线性失真，应尽量减少这种失真。失真，应尽量减少这种失真。其中：（其中：（1） oom 2)12(8 ：为中心频率的偏移量为中心频率的偏移量另外，定义调频灵敏度另外，定义调频灵敏度： DoooDomfUUUUUUUmUS 2220调调制制信信号号振振幅幅最最大大角角频频偏偏4. 实用变容管二极调频电路实用变容管二极

29、调频电路 （1）L1，C1、C2串联，串联，C3和和反向串联的两个变容二极管，反向串联的两个变容二极管，三个支路并联组成电容反馈三个支路并联组成电容反馈三点式振荡电路。三点式振荡电路。 (2) 直流偏置电压直流偏置电压-UQ同时加同时加在两个变容二极管的正极，调在两个变容二极管的正极，调制信号制信号 经经L4扼流圈加在二扼流圈加在二极管负极上，二个二极管的动极管负极上，二个二极管的动态偏置为态偏置为： )(tu )()(tuUtuQd （3）两个变容二极管串联后的总电容）两个变容二极管串联后的总电容 2CCjj C j与与C3串联后接入振荡回路，对振荡回路来说是部串联后接入振荡回路，对振荡回路

30、来说是部分接入，与单二极管直接接入比较，在分接入，与单二极管直接接入比较，在 相同的相同的情况下，情况下，m值降低。值降低。 mf （4）两变容二极管反向串联，对高频信号而言，加到）两变容二极管反向串联，对高频信号而言，加到 两管的高频电压降低一半，可减弱高频电压对结电压两管的高频电压降低一半，可减弱高频电压对结电压 的影响，另外在高频电压的任一半周内，一个变容管的影响，另外在高频电压的任一半周内，一个变容管 寄生电容增大，而另一个减少，使结电容的变化不对寄生电容增大，而另一个减少，使结电容的变化不对 称性相互抵消，从而消弱寄生调制。称性相互抵消，从而消弱寄生调制。 C1C2L1C3Cj1Cj

31、2C1C3Cj1Cj2uR1R2LeReC2L1CbC4C5C6C7L2L3+- -VT- -UQECL4ud 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。用直接对晶体振荡器调频的方法。 6.3.4 晶体振荡器直接调频晶体振荡器直接调频电路电路 1晶体振荡器直接调频原理晶体振荡器直接调频原理右图为并联型右图为并联型Pierce Oscillator，其振荡频率为：其振荡频率为： )(210oLgqCCCff 式中：式中：Cg为晶体的动态电容，为晶体的动态电容，C o：晶体的静态电容，：晶体的静态电

32、容， j21LC1C1C11C ， f 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Cj变化时，变化时，CL变化，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Cj受调制电压受调制电压 控制，则控制，则Pierce Oscillator就成为一就成为一个个晶体调频振荡器。晶体调频振荡器。)(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 q与并联谐振频率与并联谐振频率f p之间之间，而，而f q与与 f p之间的频

33、率变化范围只有之间的频率变化范围只有431010 oqpfff量级，再加上量级，再加上Cj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。 C2ClCjJT例如载频为例如载频为40MHZ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7.5KHZ，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； 利用利用型网络

34、进行阻抗变换来扩展晶体呈现感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。性的工作频率范围。 2 晶体调频振荡器的实际电路晶体调频振荡器的实际电路 C1C2CjLJT 采用串接小电感采用串接小电感L的方法来扩大调频的频偏，变容二极管的反向偏的方法来扩大调频的频偏，变容二极管的反向偏压由压由EC经稳压管经稳压管VDZ稳压后经稳压后经RZ2=2.4k和和W1=47k电位器分压后，经电位器分压后，经R=10K电阻加至变容管正极。改变电阻加至变容管正极。改变47K电位器电位器W1的活动端可以调整的活动端可以调整变容管的变容管的Uo从而改变从而改变Cj ，把调频器的中心频率调至规定值。调制信，把

35、调频器的中心频率调至规定值。调制信号号 经电位器经电位器W2加于变容管加于变容管VD，改变，改变4.7K电位器电位器W2的活动头，的活动头，可以调整加在变容二极管上的调制信号电压幅值，从而获得要求的频可以调整加在变容二极管上的调制信号电压幅值，从而获得要求的频偏。偏。)(tu -Uo+C5u(t)W1W2VDJTCLRb1Rb2C1C2ReC3ECRz2Rz1VDzRC4+- -1. 间接调频法间接调频法 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)(tuFM6.

36、3.4 间接调频间接调频电路电路 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，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。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。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。在间接调频时，要获得线性调频必需以线性调相为基础。在间接调频时，要获得线性调频必需以线性调相为基础。

37、但在实现线性但在实现线性调相时，要求最大瞬时相位偏移调相时，要求最大瞬时相位偏移 om30 ，因而线性调相的范围很窄，因而线性调相的范围很窄，因此转换成的调频波的最大频偏因此转换成的调频波的最大频偏 mf 很小，即：很小，即：m f1，这是间接调频，这是间接调频法的主要缺点法的主要缺点.间接调频法就是利用调相方法来实现调频。间接调频法就是利用调相方法来实现调频。 R1R2R3R4C1C2C3C4CjL载波输入载波输入 )(tu间接调频的关键电路是间接调频的关键电路是调相器调相器.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 )(tu2. 变容二极管调相电路变

38、容二极管调相电路 如果忽略二次方以上各项，可得回如果忽略二次方以上各项，可得回路的谐振频率为路的谐振频率为 ： 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。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：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谐谐振回路电压和电流间的相位关系为：振回路电压和电流间的相位关系为：)(2arctan)(o t

39、Qt Oo幅频特性幅频特性 2 2 /6 -/6 当当 /6（或（或30o）时，）时，tan o)(2)( tQt 可得可得:tmQt cos)( 表明表明: :单级单级LC谐振回路在满足谐振回路在满足 Ur，或，或U rUs时，时，12 输出电压输出电压Uo (t)的大小决定于小的输入信号，且的大小决定于小的输入信号，且线性范围为线性范围为uFM 一一 电路结构和基本原理电路结构和基本原理3. 互感耦合相位鉴频器互感耦合相位鉴频器 由二个部分组成：由二个部分组成：1,移相网络：移相网络：互感为互感为M的初，次级双调谐耦合的初，次级双调谐耦合回路组成的移相网络，回路组成的移相网络，u1经移相网

40、络生成经移相网络生成PM-FM波波u2，并使并使 |U1|=|U2|+ u3 -另外，另外，u1经耦合电容经耦合电容CC在扼在扼流圈流圈LC上产生的电压上产生的电压u3=u1，故其等效电路如右下图所示。故其等效电路如右下图所示。VD1C3R1C4R2VD2221u221u13uu 242131,RCVDRCVD2 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：21ooouuu 1ou ou 2ou+u2-+u1-LcC2C1VD2VD1R1R2EcC4C3VTCcML2L1ud1ud2二二 工作原理分析：工作原理分析：上下检

41、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，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，次级回路电流级回路电流 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：)1(222211222CLjrCuLMjC

42、jiu VD1C3R1C4R2VD2221u221u13uu 1ou ou 2ouud1ud221121uuud 21221uuud LcC2C1VD2VD1R1R2EcC4C3VTCcML2L1i1i2二二 工作原理分析：工作原理分析：讨论讨论:（1）当输入）当输入FM波瞬时频率波瞬时频率f 等于调频波中心频率等于调频波中心频率f o，即，即f= f o时，次级回路谐振。时，次级回路谐振。即：即：0122 CLoo 02201122011290 rCuLMrCuLMju 则有：则有：即有：即有：u2 超前超前u1 相位差相位差/2，由矢量图，由矢量图可得：可得：|Ud1|=|Ud2|)1(2

43、22211222CLjrCuLMjCjiu 1u221u221u 1du2du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：二二 工作原理分析：工作原理分析：)1(222211222CLjrCuLMjCjiu （2）当瞬时频率）当瞬时频率f fo 时，则有时，则有，这时，这时次级回路呈次级回路呈电感性。电感性。01 CL )90(|0221122112 ZCuLMZCuLMju 注意：式中注意：式中 为为次级回路阻抗。次级回路阻抗。)1(2222CLj

44、rZ 2221rCLarctg 为为Z2的相角。的相角。由矢量图，由矢量图，u2超前超前u1的相位小于的相位小于/2，且随且随0 相相位位差差f221u221u 1u1du2du 所以：所以：|Ud1|Ud2|0|)|(|21 dddoUUKu二二 工作原理分析：工作原理分析：)1(222211222CLjrCuLMjCjiu （3）当）当f fo 时，时， 次级回路呈电容性。次级回路呈电容性。 0C1L22 所以：所以：)90(|022122112 CZuLMCZuLMju其中：其中：)1(2222CLjrZ 222|1|rCLarctg 相相位位差差f可见：可见：u2超前超前u1的相位差大

45、于的相位差大于/2，且且所以有：所以有： |Ud1|Ud2| 0|)|(|21 dddoUUKu221u221u 1u1du2du二二 工作原理分析：工作原理分析：221u221u 1u1du2duf fo221u221u 1u1du2duuoo根据上述分析，相位鉴频器具有下图所示的鉴频特性曲线。根据上述分析，相位鉴频器具有下图所示的鉴频特性曲线。f f oou 互感耦合回路相位鉴频器中的互感耦合回路相位鉴频器中的耦合耦合双回路是一个频双回路是一个频相变换器，它把相变换器，它把FM波波u1(t)变换成变换成PMFM波波u2(t) ，而而FM波波u1(t)与与PMFM波波u2(t)经叠经叠加后变

46、换成两个加后变换成两个AMFM波波ud1(t)， ud2(t)经包络检波器后即可恢复原调制经包络检波器后即可恢复原调制信号，信号， 其过程为：其过程为：)(tuFMAMFMPMFM 检检波波叠叠加加耦耦合合双双回回路路波波波波波波 相位鉴频器不具有自限幅作用，为了抑制调频信号在传输过程中形成的相位鉴频器不具有自限幅作用，为了抑制调频信号在传输过程中形成的寄生干扰调幅的影响，一般需要在接受机中放末级电路中加限幅器，而限寄生干扰调幅的影响，一般需要在接受机中放末级电路中加限幅器，而限幅器要求输入幅器要求输入FM信号的电压幅值较大，约为信号的电压幅值较大，约为13VPP，这就增加了调频接，这就增加了

47、调频接收机中所需的中放和限幅放大器的级数。而收机中所需的中放和限幅放大器的级数。而比例鉴频器具有自限幅的作用比例鉴频器具有自限幅的作用，且只要求前级中放提供零点几伏的且只要求前级中放提供零点几伏的FM信号电压就能正常工作，不需要另加信号电压就能正常工作，不需要另加限幅放大器，这使调频接收机的电路简化，限幅放大器，这使调频接收机的电路简化，体积可能缩小，降低成本。体积可能缩小，降低成本。 一一 电路结构电路结构6.4.4 比例鉴频器比例鉴频器 （ratio discriminator） 比例鉴频器与相位鉴频器比例鉴频器与相位鉴频器在电路结构上相差很小，其在电路结构上相差很小，其主要区别在：主要区

48、别在： （1）在两类鉴频器中）在两类鉴频器中D2的极的极性连接相反性连接相反 （2）在）在A，B端并联一个端并联一个大电容大电容C0，C0与（与（R1+R2）组成较大的时间常数（约为组成较大的时间常数（约为0.10.25s）。这样在检）。这样在检波过程中波过程中A，B两端电压基两端电压基本不变，等于本不变，等于E o（3）比例鉴频器输出电压不是在比例鉴频器输出电压不是在A，B端，而是在中点端，而是在中点C，D端引出。端引出。 EoCD+u1 - -+u2 - -uFM+ uo- -LcCoVTVD2VD1C2C1R1R2CcEcC4C3L1L2MRLCLAB 比例鉴频器在输入端的频率比例鉴频器

49、在输入端的频率相位变换电路与和互感相位鉴频器相位变换电路与和互感相位鉴频器是相同的，右图为其等效电路。是相同的，右图为其等效电路。有：有： 12212122uuuuuudd 022112211290|ZCuLMZCuLMju其中：其中：二二 工作原理工作原理而而)1(2222CLjrZ 2221rCLarctg 如果设两个二极管检波器的传输系数为如果设两个二极管检波器的传输系数为Kd1=Kd2=Kd，则两检波管，则两检波管的输出电压为：的输出电压为： |2211ddoddoUKuUKu11Roouuu |)|(|21)(212112dddooUUKuu 而比例鉴频器的输出电压：而比例鉴频器的输

50、出电压：+uo1-+uo2-ud1ud2+E o- -+ uo - -+ u1 - -VD1C3R1C4R2VD2CLRLCo 221u 221u二二 工作原理工作原理11Roouuu |)|(|21)(212112dddooUUKuu 讨论：（讨论：（1）当）当时，时，0ff 001 cLoo)2(exp22o1122o112 jrCuLMrCuLMju 由矢量图可得由矢量图可得|ud1|=|ud2|，即，即Ud1=Ud2 21u2ud1ud2u1-u1Ud1Ud20)(21d1d2do UUKu（2）当）当f fo时，则有时，则有 ，u2与与ul的相位差为的相位差为- -/2- -(t)

51、01 CL 由矢量图可得由矢量图可得|ud2|ud1|，即，即Ud2Ud1 0)(21d1d2do UUKuud1ud2u1-u1Ud1Ud2u221（3）当）当f|ud2|，即，即Ud1Ud2 ud1ud2u1-u121u2Ud1Ud20)(21d1d2do UUKu 由此可见，比例鉴频器的鉴频特性曲线如右图所示，由此可见，比例鉴频器的鉴频特性曲线如右图所示，只要工作在鉴相特性只要工作在鉴相特性的线性鉴相区，就可以还原出原调制信号的线性鉴相区，就可以还原出原调制信号)(tu 三三 自限幅原理自限幅原理f=foffouo=0uo 0ffouo 0 比例鉴频器的输出电压比例鉴频器的输出电压uo只

52、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 12121212)(21)(21ooooooooouuuuuuuuu oooooooooooooEuuuuuuEuuuuE 122121121211212121u2ud1ud2u1-u1Ud1Ud2ud1ud2u1-u1Ud1Ud2u221ud1ud2u1-u121u

53、2Ud1Ud2fuof ofm- -fmf(t)可见，可见， 几几乎乎不不变变不不变变波波振振幅幅当当ooooodduuuuuuuFM 212121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： odduuuf21| 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通滤波器低通滤波器三部分组成三部分组成)(tuFM)(tur)(tuo)(tuo 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）

54、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。 )(tuFM)(tuFM)(tur)(tuFM)(tur二二 正交鉴频器的性能分析正交鉴频器的性能分析sincos)(tmtUtufoFM 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，但对各相移，但对各边频分量（边频分量（）则产生相位迟延）则产生相位迟延，即，即 )(tur no 6.4.5 移相乘积鉴频器移相乘积鉴频器设输入设输入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)(tuFM)(sinsin)(sin2c

55、os)( tmtUtmtUtuforforr 所以：相乘器的输出电压所以：相乘器的输出电压 为：为：)(tuo sin)(sin2sin21)sin)(sinsin21sincos)(sinsin)()(tmtmtkUUttmkUUtmttmtkUUtukutufforfrfoforrFMo 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 22cos2sin2sinsinyxyxyx )21cos(2sin2sin21 tmkUUufro所以有：所以有： 又因为又因为 通常通常 ，所以，所以1 22sin ) 1( ,)2(cos21)2(cos

56、21)21(cossin21 ffrfromtkUtmkUUtmkUUu 可见，可见，正交鉴频器的输出电压正交鉴频器的输出电压Uo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。 一一 调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，

57、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

58、输出输出 信号信号+噪声噪声+干扰干扰)()(tutunFM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，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，本课程在此只引用有关结论。杂化，本课程在此只引用有关结论。 6.5 调频制的抗干扰性及特殊电路调频制的抗干扰性

59、及特殊电路 BFMBFM /2P n oPs 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

60、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。)(tu 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噪比之间的关系理论上可以推出理论上可以推出： )PP)(1m(m3PPnisif2fnoso 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Pn if