高频电子线路第7章

1、第第7章章 角度调制与解调角度调制与解调 7.1 调角波的性质调角波的性质 7.2 调频器与调频方法调频器与调频方法 7.3 调频电路调频电路 7.4 鉴频器与鉴频方法鉴频器与鉴频方法 7.5 鉴频电路鉴频电路 7.6 调频收发信机及特殊电路调频收发信机及特殊电路 在通信系统中，角度及解调电路不同于频谱线性搬移电在通信系统中，角度及解调电路不同于频谱线性搬移电路。它是用低频信号去调制高频振荡的相角，或是从已调波路。它是用低频信号去调制高频振荡的相角，或是从已调波中解出调制信号所进行的频谱变换，这种变换不是线性变换，中解出调制信号所进行的频谱变换，这种变换不是线性变换，而是非线性变换。因此，我们

2、把角度调制及调角波的解调电而是非线性变换。因此，我们把角度调制及调角波的解调电路称为路称为频谱非线性变换电路频谱非线性变换电路。 调频（）调频（）：如果高频振荡器的：如果高频振荡器的频率变化量频率变化量和调制信和调制信号号成正比成正比，则称调频。，则称调频。 调相（）调相（）：如果高频振荡器的：如果高频振荡器的相位变化量相位变化量和调制信和调制信号号成正比成正比，则称调相。，则称调相。7.17.1调角波的性质调角波的性质 由于频率的变化和相位的变化都表现为总相由于频率的变化和相位的变化都表现为总相角的变化，因此，角的变化，因此，将调频和调相统称为调角将调频和调相统称为调角。 因为相位是频率的积

3、分因为相位是频率的积分, , 故频率的变化必将故频率的变化必将引起相位的变化引起相位的变化, , 反之亦然反之亦然, , 所以调频信号与调所以调频信号与调相信号在时域特性、频谱宽度、调制与解调的原相信号在时域特性、频谱宽度、调制与解调的原理和实现方法等方面都有密切的联系。理和实现方法等方面都有密切的联系。 角度调制与解调属于非线性频率变换角度调制与解调属于非线性频率变换, , 比属比属于线性频率变换的振幅调制与解调在原理和电路于线性频率变换的振幅调制与解调在原理和电路实现上都要困难一些。实现上都要困难一些。 在模拟通信方面在模拟通信方面, , 调频制比调相制更加优越调频制比调相制更加优越, ,

4、 故大都采用调频制。故大都采用调频制。 所以所以, , 本章在介绍电路时本章在介绍电路时, , 以调频电路、以调频电路、 鉴频鉴频( (频率解调频率解调) )电路为主题电路为主题, , 但由但由于调频信号与调相信号的内在联系于调频信号与调相信号的内在联系, , 调频可以用调频可以用调相电路间接实现调相电路间接实现, , 鉴频也可以用鉴相鉴频也可以用鉴相( (相位解调相位解调, , 也称相位检波也称相位检波) )电路间接实现电路间接实现, , 所以实际上也介绍所以实际上也介绍了一些调相与鉴相电路。了一些调相与鉴相电路。 式中，式中，Am为简谐振荡的幅度，为简谐振荡的幅度， 为简谐振荡的总相角为简

5、谐振荡的总相角 式中式中 为瞬时角频率，为瞬时角频率， 为初始相位。为初始相位。7.1.1 7.1.1 瞬时相位和瞬时频率的概念瞬时相位和瞬时频率的概念 对于简谐振荡可以写成一般形式对于简谐振荡可以写成一般形式(t)Aa(t)mcos t dt(t)dt t dttt00)(t0如果如果 是随时间变化的，瞬时相位为是随时间变化的，瞬时相位为 00t dttt)(t 7.1.2 7.1.2 调频波调频波 设调制信号为单一频率信号设调制信号为单一频率信号u(t)=Ucost,未调载波电压未调载波电压为为uC=UCcosct, 则根据频率调制的定义则根据频率调制的定义,调频信号的瞬时角频调频信号的瞬

6、时角频率为率为( )( )( )cosccfcmttk utt(7.1.1) 它是在它是在c的基础上的基础上,增加了与增加了与u(t)成正比的频率偏移。式中成正比的频率偏移。式中kf为比例常数。调频信号的瞬时相位为比例常数。调频信号的瞬时相位(t)是瞬时角频率是瞬时角频率(t)对时对时间的积分间的积分,即即00( )( )ttd (7.1.2) 式中式中, 为信号的起始角频率。为了分析方便为信号的起始角频率。为了分析方便,不妨设不妨设 则上式则上式 变为变为0000( )( )sinsin( )tmccfctdtttmtt （7.1.3） 式中，式中， 为调频指数。为调频指数。FM波的表示式为

7、波的表示式为mfm)sincos(cos0tmtU(t)dtuktUufcctfccFM（7.1.4） 7.1.3 7.1.3 调相波调相波 调相调相高频振荡瞬时相位的变化量与调制信号成正比。高频振荡瞬时相位的变化量与调制信号成正比。根据定义瞬时相位随调制信号线性地变化，即根据定义瞬时相位随调制信号线性地变化，即(t)t(t)ukt(t)pcpc tp maxtppk为比例系数；为比例系数；为瞬时相位偏移；为瞬时相位偏移；称为最大相移，或称调制指数，以称为最大相移，或称调制指数，以mp表示表示瞬时角频率为：瞬时角频率为：)()()()(tdttdukdttdtpcpc于是于是dttduktpp

8、)()(（7.1.5） 调相波是其瞬时相位以未调载波相位调相波是其瞬时相位以未调载波相位c为中心按调制为中心按调制信号规律变化的等幅高频振荡。如信号规律变化的等幅高频振荡。如u(t)=Ucost, 并令并令0=0, 则其瞬时相位为则其瞬时相位为 (t)=ct+(t)=ct+kpu(t) =ct+mcost=ct+mpcost （7.1.6） 从而得到调相信号表达式为从而得到调相信号表达式为 )coscos(costmtU(t)uktUupccpccPM （7.1.7） 7.1.4 7.1.4 调频波的频谱结构和特点调频波的频谱结构和特点 将将FM表达式进一步展开表达式进一步展开,有有 uFM(

9、t)=UCJ0(mf)cosct+J1(mf)cos(c+)t -J1(mf)cos(c-)t+J2(mf)cos(c+2)t +J2(mf)cos(c-2)t+J3(mf)cos(c+3)t -J3(mf)cos(c-3)t+ （7.1.8） 0123456789101112 0.4 0.200.20.40.60.81.0Jn(mf)J0J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10mf 单频调制时单频调制时FM波的振幅谱波的振幅谱（a）为常数为常数;（b）m为常数为常数 cmf1cmf1mf2ccmf2cmf5cmf10Qcmf15mf5cmf10mf20cc(a)(b)结论（结论（1）载频分

10、量上下有）载频分量上下有无数个边频分量；无数个边频分量；（2）调制系数）调制系数mf越大，具越大，具有较大振幅的边频分量就有较大振幅的边频分量就越多；越多；（3）对某些调制系数）对某些调制系数mf ，载频或某些边频振幅为零；载频或某些边频振幅为零；（4）调频前后平均功率没）调频前后平均功率没有发生变化。有发生变化。 7.1.3 7.1.3 调频波的信号带宽调频波的信号带宽 通常采用的准则是通常采用的准则是,信号的频带宽度应包括信号的频带宽度应包括幅度大于未调载波幅度大于未调载波1%以上的边频分量以上的边频分量,即即 |Jn(mf)| 0.01 对于一般情况对于一般情况,带宽为带宽为 BW= 2

11、(mf+1)F = 2(fm+F) （7.1.9） 对于宽带调制，对于宽带调制， fmF，即即mf 1，有有 BW = 2 fm （7.1.10） 对于窄带调制，对于窄带调制， mf fc时，回时，回路两端电压大；当路两端电压大；当f fc时，回路两端电压时，回路两端电压小。这种利用调谐回路幅频特性的倾斜部小。这种利用调谐回路幅频特性的倾斜部分对分对FM波解调的方法称为斜率鉴频。波解调的方法称为斜率鉴频。 单回路斜率鉴频器单回路斜率鉴频器uFMuiUouFMtuit0Uot00(a )Ui0工作区(线性区)fcf0fUit f (t) fmt(b )0 单调谐回路的谐振曲线，其倾斜部单调谐回路

12、的谐振曲线，其倾斜部分的线性度是较差的。为了扩大线性范分的线性度是较差的。为了扩大线性范围，实际上采用三调谐回路的围，实际上采用三调谐回路的双离谐平双离谐平衡鉴频器衡鉴频器。其输出是取两个带通响应之。其输出是取两个带通响应之差差,即该鉴频器的传输特性或鉴频特性即该鉴频器的传输特性或鉴频特性,如如下图中的实线所示。其中虚线为两回路下图中的实线所示。其中虚线为两回路的谐振曲线。从图看出的谐振曲线。从图看出,它可获得较好的它可获得较好的线性响应线性响应,失真较小失真较小,灵敏度也高于单回路灵敏度也高于单回路鉴频器。鉴频器。 双离谐平衡鉴频器双离谐平衡鉴频器 uFMf01 fcu1u2Uo1Uo2Uo

13、(a)ff03fcf02tf (t)(b)f02f03双离谐鉴频器的鉴频特性双离谐鉴频器的鉴频特性Bm0UofAf 各点波形t0uFM(a)t0Uo1tUo2(b)(c)tUo(d)00 2. 相位鉴频法相位鉴频法 相位鉴频法的原理框图如下图所示。图中的变相位鉴频法的原理框图如下图所示。图中的变换电路具有线性的频率换电路具有线性的频率相位转换特性，它可以将相位转换特性，它可以将等幅的调频信号变成相位也随瞬时频率变化的、既等幅的调频信号变成相位也随瞬时频率变化的、既调频又调相的调频又调相的FMPM波。波。然后将此然后将此FMPM波与波与原原FM波进行相位比较检出两个信号之间的相位差，波进行相位比

14、较检出两个信号之间的相位差，最后由鉴相器完成相位差最后由鉴相器完成相位差电压变换即可得到电压变换即可得到解调输出。解调输出。 相位鉴频法的原理框图相位鉴频法的原理框图 变换电路鉴相器uFMuFM-PMuo 相位鉴频法的关键是相位检波器。相位鉴频法的关键是相位检波器。相位相位检波器或鉴相器就是用来检出两个信号之间的检波器或鉴相器就是用来检出两个信号之间的相位差，完成相位差相位差，完成相位差电压变换作用的部件或电压变换作用的部件或电路。设输入鉴相器的两个信号分别为电路。设输入鉴相器的两个信号分别为(7.4.4) (7.4.5) 同时加于鉴相器，鉴相器的输出电压同时加于鉴相器，鉴相器的输出电压uo是

15、瞬时是瞬时相位差的函数，即相位差的函数，即21( )( )ouftt(7.4.6)(cos111ttUuc)(sin)(2cos22222ttUttUucc 1) 叠加型相位鉴频法叠加型相位鉴频法 利用叠加型鉴相器实现鉴频的方法利用叠加型鉴相器实现鉴频的方法称为叠加型相位鉴频法。对于叠加型鉴称为叠加型相位鉴频法。对于叠加型鉴相器，就是先将相器，就是先将u1和和u2(式式(7.4.4)和和(7.4.5)相加，把两者的相位差的变化转换为合相加，把两者的相位差的变化转换为合成信号的振幅变化，然后用包络检波器成信号的振幅变化，然后用包络检波器检出其振幅变化，从而达到鉴相的目的。检出其振幅变化，从而达到

16、鉴相的目的。 平衡式叠加型相位鉴频器框图平衡式叠加型相位鉴频器框图 包 络检波器包 络检波器/2usurusuruD1uD2uo1uo2uo 2 ) 乘积型相位鉴频法乘积型相位鉴频法 利用乘积型鉴相器实现鉴频的方法称为利用乘积型鉴相器实现鉴频的方法称为乘积型相位鉴频法或积分乘积型相位鉴频法或积分(Quadrature)鉴频法。鉴频法。在乘积型相位鉴频器中，线性相移网络通常是在乘积型相位鉴频器中，线性相移网络通常是单谐振回路单谐振回路(或耦合回路或耦合回路)，而相位检波器为乘，而相位检波器为乘积型鉴相器，如图所示。积型鉴相器，如图所示。 乘积型相位鉴频法乘积型相位鉴频法 us移相网络us低通滤波

17、uoK移相网络如图移相网络如图 (a)所示，其传输函数为所示，其传输函数为211111()()11111()jCjQLCRLH jjj CjCRLu1CLRu2(a )0f0f2(b )C1移相网络相频特性移相网络相频特性 其中其中可见，可见，u1与与u2(实际上是实际上是ur与与us)之间的相位差为之间的相位差为20200011,(1)2,()cRfQQQLfL CC1112arctan2cos(sin)cos(sin)cfcfuUtmtuUtmt 相频特性曲线见图相频特性曲线见图 (b)。若设若设 当当f/f01时，上式可写为时，上式可写为22cos()sin22ooooQ fQ ffuU

18、UUQfff可见，鉴频器的输出与输入调频信号的频偏成正比。可见，鉴频器的输出与输入调频信号的频偏成正比。 在上面电路中，调整在上面电路中，调整L、C和和C1均可改变回路谐振频率，均可改变回路谐振频率，只要满足只要满足 011()cL CC经过相乘器和低通滤波器后的输出电压为经过相乘器和低通滤波器后的输出电压为22cos()sin22ooooQ fQ ffuUUUQfff(7.4.7) 3. 直接脉冲计数式鉴频法直接脉冲计数式鉴频法 调频信号的信息寄托在已调波的频率上。调频信号的信息寄托在已调波的频率上。从某种意义上讲，信号频率就是信号电压或电从某种意义上讲，信号频率就是信号电压或电流波形单位时

19、间内过零点流波形单位时间内过零点(或零交点或零交点)的次数。的次数。对于脉冲或数字信号，信号频率就是信号脉冲对于脉冲或数字信号，信号频率就是信号脉冲的个数。基于这种原理的鉴频器称为零交点鉴的个数。基于这种原理的鉴频器称为零交点鉴频器或脉冲计数式鉴频器。频器或脉冲计数式鉴频器。 直接脉冲计数式鉴频器直接脉冲计数式鉴频器 限幅放大微分uFMu1半波整流u2单稳u3低通滤波u4uo(a)(b)uFMtu1tu2tu3tu4tuot直接脉冲计数式鉴频器直接脉冲计数式鉴频器 由上面的分析可见，滤波后的输出电压滤波后的输出电压与调频信号的瞬时频率成正比。与调频信号的瞬时频率成正比。 优点：线性好，频带宽，

20、最大频偏大，优点：线性好，频带宽，最大频偏大，便于集成。便于集成。 7.5.1 正交鉴频器正交鉴频器 |正交鉴频原理正交鉴频原理 正交鉴频器实际上是一种乘积型相位鉴频器，它由正交鉴频器实际上是一种乘积型相位鉴频器，它由移相网络、乘法器和低通滤波器三部分组成。调频信号一移相网络、乘法器和低通滤波器三部分组成。调频信号一路直接加至乘法器，另一路经相移网络移相后路直接加至乘法器，另一路经相移网络移相后(参考信号参考信号)加至乘法器。由于调频信号和参考信号同频正交，因此，加至乘法器。由于调频信号和参考信号同频正交，因此，称之为正交鉴频器。称之为正交鉴频器。7.5 鉴频电路鉴频电路 | 集成正交鉴频器集

21、成正交鉴频器 下 图 是 某 电 视 机 伴 音 集 成 电 路 ， 它 包 括 限 幅 中 放下 图 是 某 电 视 机 伴 音 集 成 电 路 ， 它 包 括 限 幅 中 放(V1 ,V2;V4、V5;V7、8为三级差分对放大器，为三级差分对放大器，V3、V6和和V9为三为三个射极跟随器个射极跟随器)、内部稳压、内部稳压(VD1VD5、V10)和鉴频电路三部分。和鉴频电路三部分。 集成正交鉴频器集成正交鉴频器 V1V2V4V3R1R5V5V6V7V8R7V9V1010111312R2R3R4R6R8R9R101VD1LCR115R12V12V13R1423C14R13V11V16V14V1

22、5V17V18R15VD6R16678R1714限幅中放内部稳压调频检波VD2VD3VD4VD5RV19 7.5.2 限幅电路限幅电路 所谓限幅器，就是把输入幅度变化的信号变换为恒所谓限幅器，就是把输入幅度变化的信号变换为恒定的信号的变换电路。在鉴频器中采用限幅器，其目的在定的信号的变换电路。在鉴频器中采用限幅器，其目的在于将具有寄生调幅的调频波变换为等幅的调频波。于将具有寄生调幅的调频波变换为等幅的调频波。 限幅器分为瞬时限幅器和振幅限幅器两种。脉冲记数限幅器分为瞬时限幅器和振幅限幅器两种。脉冲记数式鉴频器中的限幅器属于瞬时限幅器，其作用是把输入的式鉴频器中的限幅器属于瞬时限幅器，其作用是把

23、输入的调频波变为等幅的调频方波。振幅限幅器的实现电路很多，调频波变为等幅的调频方波。振幅限幅器的实现电路很多，但若在瞬时限幅器后面接上带通滤波器，然后取出等幅调但若在瞬时限幅器后面接上带通滤波器，然后取出等幅调频方波中的基波分量，这样就构成了振幅限幅器。频方波中的基波分量，这样就构成了振幅限幅器。 限幅器及其特性曲线限幅器及其特性曲线 非线性器 件滤波器usuo(a)(b)UsmUp0Uom7.5.3 差分峰值斜率鉴频器差分峰值斜率鉴频器 差分峰值斜率鉴频器是一种在集成电路中常用的振差分峰值斜率鉴频器是一种在集成电路中常用的振幅鉴频器。图幅鉴频器。图(a)是一个在电视接收机伴音信号处理电路是一

24、个在电视接收机伴音信号处理电路(如如D7176AP ,TA7243P)等集成电路中采用的差分峰值斜等集成电路中采用的差分峰值斜率鉴频器。率鉴频器。 C3V5V6RcI0uiV1V3V2V4EcL19u110u20f02f0f01U2U1U1、U2fuo0f02f0f01f(a )(b )(c )C4C1C2差分峰值斜率鉴频器差分峰值斜率鉴频器 移相网络接在集成电路的移相网络接在集成电路的9、10脚之间。设从脚之间。设从9脚向右脚向右看的移相电路的谐振频率为看的移相电路的谐振频率为f01，从从10脚向左看的移相电路的脚向左看的移相电路的谐振频率为谐振频率为f02，则则 0111021121212

25、()fLCfL CC7.6 调频收发信机及特殊电路调频收发信机及特殊电路 （1）调频发射机）调频发射机 下图是一种调频发射机的框图。其载频下图是一种调频发射机的框图。其载频fc=88108MHz,输入调制信号频率为输入调制信号频率为50Hz15kHz，最大频偏为最大频偏为75kHz。由图可知，调频方式为间接调频。由图可知，调频方式为间接调频。 由高稳定度晶体振荡器产生由高稳定度晶体振荡器产生fc1=200kHz的初始载波信的初始载波信号送入调相器，由经预加重和积分的调制信号对其调相。号送入调相器，由经预加重和积分的调制信号对其调相。调相输出的最大频偏为调相输出的最大频偏为25Hz，调制指数调制

26、指数mf0.5。7.6.1 调频发射机与接收机调频发射机与接收机 调频发射机框图调频发射机框图 载 波振荡器调相器多级倍频器 1混频器多级倍频器 2功 率放大器积分器预 加重电路200 kHzN1 64fc1 200 kHzf1m 25 kHz12.8 MHz1.8 2.3 MHzfc 88 108 MHzfm 75 kHz频率可变本振N2 48fL 11 10.5 MHzu(t)间接调频器（2） 调频接收机调频接收机 下图为广播调频接收机典型方框图。为了获得较好的下图为广播调频接收机典型方框图。为了获得较好的接收机灵敏度和选择性，除限幅级、鉴频器及几个附加电接收机灵敏度和选择性，除限幅级、鉴

27、频器及几个附加电路外，其主要方框均与路外，其主要方框均与AM超外差接收机相同。调频广播基超外差接收机相同。调频广播基本参数与发射机相同。本参数与发射机相同。 混频器射频放大88 108 MHz本振中频放大限幅器鉴频器自动频率控制电路静噪电路去加重电路和音频放大电路输出 调频接收机方框图调频接收机方框图（3）调频立体声广播）调频立体声广播 图中给出了调频立体声广播的系统图。左声道信号图中给出了调频立体声广播的系统图。左声道信号(L)和右声道信号和右声道信号(R)经各自的预加重在矩阵电路中形成和信号经各自的预加重在矩阵电路中形成和信号(L+R)和差信号和差信号(L-R)。和信号和信号(L+R)照原

28、样成为主信道信号，照原样成为主信道信号，差信号差信号(L-R)经平衡调制器对副载波进行抑制载波的调幅，经平衡调制器对副载波进行抑制载波的调幅，成为副信道信号。成为副信道信号。预加重预加重LR矩阵电路L R平 衡调制器主信道信号L R副 信道信号副载波振荡器二分频38 kHzFM发射机导频信号（4） 调频立体声接收机调频立体声接收机 调频立体声接收机的框图如图所示，在鉴频器之前与调频立体声接收机的框图如图所示，在鉴频器之前与单声道调频接收机的组成相同。单声道调频接收机的组成相同。 混频器高频放大本振中频放大鉴频器立体声解调器低 放与功放低 放与功放左声道扬声器右声道扬声器 立体声解调器工作方式立

29、体声解调器工作方式 (a)开关方式；开关方式；(b)矩阵方式矩阵方式 复合信号放大器导频信号检出开关信号发生电路开关电路19 kHz38 kHzLR(a)复合信号放大器低 通滤波器同步信号发生电路带 通滤波器副信号解调电路矩阵电路LR(b)7.6.2 特殊电路特殊电路 预加重及去加重电路预加重及去加重电路 理论证明，对于输入白噪声，调幅制的输出噪声频谱理论证明，对于输入白噪声，调幅制的输出噪声频谱呈矩形，在整个调制频率范围内，所有噪声都一样大。调呈矩形，在整个调制频率范围内，所有噪声都一样大。调频制的噪声频谱频制的噪声频谱(电压谱电压谱)呈三角形，见图呈三角形，见图 (b)，随着调制频随着调制频率的增高，噪声也增大。调制频率范围愈宽，输出的噪声率的增高，噪声也增大。调制频率范围愈宽，输出的噪声也愈大。也愈大。 0Sno()0U()(a)(b)调频解调器的输出噪声