鉴频器与鉴频方法

1、7.4 鉴频器与鉴频方法调角波的解调就是从调角波中恢复出原调制信号的过程。调角波的解调就是从调角波中恢复出原调制信号的过程。调频波的解调电路称为频率检波器或鉴频器调频波的解调电路称为频率检波器或鉴频器(FD)，调相波的，调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器解调电路称为相位检波器或鉴相器(PD)。7.4.1 鉴频器鉴频是把调频信号的频率鉴频是把调频信号的频率 (t)= C+(t)与载波频率与载波频率 C比较，得到频差比较，得到频差(t)，从而实现频率检波。，从而实现频率检波。 鉴频器的工作原理是先将频率变化的调频波转换成与音频鉴频器的工作原理是先将频率变化的调频波转换成与音频信号相应的幅度变化

2、的调频信号相应的幅度变化的调频-调幅波，再经过幅度检波，检调幅波，再经过幅度检波，检出音频信号。出音频信号。描述鉴频方法的质量好坏的指标主要有：描述鉴频方法的质量好坏的指标主要有：鉴频特性：表示为输出电压鉴频特性：表示为输出电压uo与瞬时频率与瞬时频率f 或频偏或频偏f 之间之间的关系曲线，称为鉴频特性曲线。在线性解调的理想情况的关系曲线，称为鉴频特性曲线。在线性解调的理想情况下，此曲线为一直线，但实际往往有弯曲，呈下，此曲线为一直线，但实际往往有弯曲，呈“S”形，简形，简称称“S”曲线。曲线。2. 鉴频器的主要技术指标 鉴频跨导鉴频跨导SD：鉴频特性在载频处的斜率，表示的是单位频：鉴频特性在

3、载频处的斜率，表示的是单位频偏所能产生的解调输出电压。鉴频跨导又叫鉴频灵敏度，偏所能产生的解调输出电压。鉴频跨导又叫鉴频灵敏度，用公式表示为：用公式表示为：0ooDddddc ffffufuS 鉴频跨导也可以理解为鉴频器将输入频率转换为输出电鉴频跨导也可以理解为鉴频器将输入频率转换为输出电压的能力或效率，因此，鉴频跨导又可以称为鉴频效率。压的能力或效率，因此，鉴频跨导又可以称为鉴频效率。 鉴频范围鉴频范围Bm：通常用峰值带宽：通常用峰值带宽Bm来近似衡量鉴频特性线性区宽度，来近似衡量鉴频特性线性区宽度，它指的是鉴频特性曲线左右两个它指的是鉴频特性曲线左右两个最大值最大值uomax间对应的频率间

4、隔。间对应的频率间隔。在这个范围内，要求应该有比较在这个范围内，要求应该有比较好的线性。因此要想解调失真小，好的线性。因此要想解调失真小，应满足：应满足：Bm2fm。从从FMFM波中还原调制信号的方法很多，概括起来可分为直波中还原调制信号的方法很多，概括起来可分为直接鉴频法和间接鉴频法两种。接鉴频法和间接鉴频法两种。 直接鉴频法直接鉴频法，就是直接从调频信号的频率中提取原来调，就是直接从调频信号的频率中提取原来调制信号的方法。制信号的方法。 间接鉴频法间接鉴频法，就是对调频信号进行不同的变换或处理从，就是对调频信号进行不同的变换或处理从而间接地恢复原来调制信号的方法。而间接地恢复原来调制信号的

5、方法。7.4.2 鉴频方法就鉴频器的工作原理而言，其各种实现方法都是将输入就鉴频器的工作原理而言，其各种实现方法都是将输入调频波进行特定的波形变换，使变换后的波形包含反映瞬时调频波进行特定的波形变换，使变换后的波形包含反映瞬时频率变化的平均分量，然后通过低通滤波器取出所需解调电频率变化的平均分量，然后通过低通滤波器取出所需解调电压。根据波形变换的不同特点，鉴频方法可归纳为振幅鉴频压。根据波形变换的不同特点，鉴频方法可归纳为振幅鉴频法和相位鉴频法两种。法和相位鉴频法两种。振幅鉴频法是将等幅的调频信号变换成振幅也随瞬时频振幅鉴频法是将等幅的调频信号变换成振幅也随瞬时频率变化、既调频又调幅的率变化、

6、既调频又调幅的FM-AM波，再通过包络检波器解波，再通过包络检波器解调此调频信号。变换电路应该是具有线性频率调此调频信号。变换电路应该是具有线性频率电压转换特电压转换特性的线性网络，称为频率性的线性网络，称为频率振幅变换网络。振幅变换网络。1. 振幅鉴频法实现频率实现频率- -振幅变换的方法有以下几种。振幅变换的方法有以下几种。设调制信号为设调制信号为u=f(t)，调频波为，调频波为 td)(fktcosU)t (u0fcFM td)(fktsin)t (fkUt)t (uu0fcfcFMdd 1) 直接时域微分法 电压电压u的振幅与瞬时频率的振幅与瞬时频率(t)=c+kff(t)成正比。由于

7、成正比。由于c远远大于频偏，包络不会出现负值。经包络检波后可得到原调制大于频偏，包络不会出现负值。经包络检波后可得到原调制信号。这种鉴频器由微分网络和包络检波器两部分组成。信号。这种鉴频器由微分网络和包络检波器两部分组成。2) 斜率鉴频法利用调谐回路幅频特性倾斜部分对利用调谐回路幅频特性倾斜部分对FM波解调的方法波解调的方法称为斜率鉴频。由于在斜率鉴频电路中，利用的是调谐称为斜率鉴频。由于在斜率鉴频电路中，利用的是调谐回路的失谐状态，因此又称失谐回路法。回路的失谐状态，因此又称失谐回路法。单失谐回路斜率鉴频器双失谐斜率鉴频器相位鉴频法是将等幅的调频信号变成相位也随瞬时频率相位鉴频法是将等幅的调

8、频信号变成相位也随瞬时频率变化的、既调频又调相的变化的、既调频又调相的FM-PM波，再把它和原来输入的波，再把它和原来输入的调频信号一起加到鉴相器上，通过鉴相器解调此调频信号。调频信号一起加到鉴相器上，通过鉴相器解调此调频信号。2. 相位鉴频法相位鉴频法的关键是相位检波器。相位检波器或鉴相器相位鉴频法的关键是相位检波器。相位检波器或鉴相器就是用来检出两个信号之间的相位差，完成相位差就是用来检出两个信号之间的相位差，完成相位差- -电压变电压变换作用的部件或电路。换作用的部件或电路。设输入鉴相器的两个信号分别为设输入鉴相器的两个信号分别为 )t (tsinU)t (tcosUu2c22c222

9、)t (tcosUu1c11 在线性鉴相时，在线性鉴相时，uo与输入相位差与输入相位差 e(t)= 2(t) 1(t)成正成正比。在鉴相时，比。在鉴相时，u1常为输入调相波，其中常为输入调相波，其中 1(t)为反映调相为反映调相波的相位随调制信号规律变化的时间函数，波的相位随调制信号规律变化的时间函数，u2为参考信号。为参考信号。在相位鉴频时，在相位鉴频时，u1常为输入调频波，常为输入调频波，u2是是u1通过移相网络通过移相网络后的信号。后的信号。相位检波器有叠加型和乘积型之分，相应的相位鉴频相位检波器有叠加型和乘积型之分，相应的相位鉴频器分别称为叠加型相位鉴频器和乘积型相位鉴频器。器分别称为

10、叠加型相位鉴频器和乘积型相位鉴频器。把它们同时加于鉴相器，鉴相器的输出电压把它们同时加于鉴相器，鉴相器的输出电压uo是瞬时是瞬时相位差的函数，即相位差的函数，即 )t ()t (fu12o 利用乘积型鉴相器实现鉴频的方法称为乘积型相位鉴频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鉴频法。在乘积型相位鉴频器中，线性相移网络通法或积分鉴频法。在乘积型相位鉴频器中，线性相移网络通常是单谐振回路或耦合回路，而相位检波器为乘积型鉴相器。常是单谐振回路或耦合回路，而相位检波器为乘积型鉴相器。1) 乘积型相位鉴频法)f / fQ2arctan(200 其中其中输入调频信号输入调频信号 us=U

11、1cos(ct+mfsint)，经移相网络移相后的信号为经移相网络移相后的信号为 us=U2cos(ct+mfsint+ )，产生附加相移产生附加相移变成变成FM-PMFM-PM波波完成鉴相完成鉴相设乘法器的乘积因子为设乘法器的乘积因子为K，则经过相乘器后的输出电压为：，则经过相乘器后的输出电压为： 0021offQ2arctansin2UKUu可见鉴频器输出与输入信号的频偏成正比。可见鉴频器输出与输入信号的频偏成正比。这种电路既可以实现鉴频，也可以实现鉴相。通常情况这种电路既可以实现鉴频，也可以实现鉴相。通常情况下，其中的乘法器采用集成模拟乘法器或下，其中的乘法器采用集成模拟乘法器或( (双

12、双) )平衡调制器实平衡调制器实现。当两输入信号幅度都很大时，由于乘法器内部的限幅作现。当两输入信号幅度都很大时，由于乘法器内部的限幅作用，鉴相特性趋近于三角形。用，鉴相特性趋近于三角形。002100ffQUKUu1ff 时，时，当当 2cos2tsin2mt2cos2UKUuukfc21ss再经过低通滤波器后的输出电压为：再经过低通滤波器后的输出电压为：利用叠加型鉴相器实现鉴频的方法称为叠加型相位鉴频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。对于叠加型鉴相器，就是先将法。对于叠加型鉴相器，就是先将u1和和u2相加，把两者的相相加，把两者的相位差的变化转换为合成信号的振幅变化，即变成

13、位差的变化转换为合成信号的振幅变化，即变成FM-PM-AM信号，然后用包络检波器检出其振幅变化，从而达到鉴信号，然后用包络检波器检出其振幅变化，从而达到鉴相的目的。相的目的。 当当U1和和U2相差很大时，如相差很大时，如U2U1或或U1U2，采用与同，采用与同步检波器相同的分析方法可得，鉴相器输出为步检波器相同的分析方法可得，鉴相器输出为upd=kdU(t)， tsinUU1U)t (UtsinUU1U)t (Ue121e212 或或2) 叠加型相位鉴频法 tUcostsincosUsinUtcossinUcosUtcossintsincosUtsinsintcoscosUtcosUtcosU

14、uucc2211c22112c2c21c1c1ccss22211 sinUU1UsinUU2UU1UsinU2UUUsinU2UUUcosUsinUsinUcosUU121122121UU21222121212221222122112211 sinUU1UsinUU2UU1UsinU2UUUsinU2UUUcosUsinUsinUcosUU212212212UU21222121212221221222112211，则：，则：设：设： 12为了抵消直流项，扩大线性鉴频范围，它通常采用平衡为了抵消直流项，扩大线性鉴频范围，它通常采用平衡式电路，差动输出。具有线性的频相转换特性的变换电路一式电路，差

15、动输出。具有线性的频相转换特性的变换电路一般由耦合回路来实现，因此也称为耦合回路相位鉴频法。耦般由耦合回路来实现，因此也称为耦合回路相位鉴频法。耦合回路的初、次级电压间的相位差随输入调频信号瞬时频率合回路的初、次级电压间的相位差随输入调频信号瞬时频率变化。变化。 sinU2ksinUU1UksinUU1Uku2d121d121do 调频信号的信息寄托在已调波的频率上。信号频率就是调频信号的信息寄托在已调波的频率上。信号频率就是信号电压或电流波形单位时间内过零点的次数。对于脉冲或信号电压或电流波形单位时间内过零点的次数。对于脉冲或数字信号，信号频率就是信号脉冲的个数。基于这种原理的数字信号，信号

16、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频器或脉冲计数式鉴频器。鉴频器称为零交点鉴频器或脉冲计数式鉴频器。 它是先将输入调频信号通过具有合适特性的非线性变换它是先将输入调频信号通过具有合适特性的非线性变换网络网络( (频率频率- -电压变换电压变换) )，使它变换为调频脉冲序列。由于该脉，使它变换为调频脉冲序列。由于该脉冲序列含有反映瞬时频率变化的平均分量，因而，将该调频冲序列含有反映瞬时频率变化的平均分量，因而，将该调频脉冲序列直接计数就可得到反映瞬时频率变化的解调电压，脉冲序列直接计数就可得到反映瞬时频率变化的解调电压，或者通过低通滤波器的平滑而得到反映瞬时频率变化的平均或

17、者通过低通滤波器的平滑而得到反映瞬时频率变化的平均分量的输出解调电压。分量的输出解调电压。3. 直接脉冲计数式鉴频法特点：特点：线性度高，最大频偏大，便于集成，加分频器后可以提线性度高，最大频偏大，便于集成，加分频器后可以提高工作频率。高工作频率。7.5 鉴频电路7.5.1 叠加型相位鉴频电路1. 互感耦合相位鉴频器互感耦合相位鉴频器的工作原理可分为移相网络的频互感耦合相位鉴频器的工作原理可分为移相网络的频率率相位变换，加法器的相位相位变换，加法器的相位幅度变换和包络检波器的幅度变换和包络检波器的差动检波三个过程。差动检波三个过程。LjUZLjrUIf 111 112ULMIMjE 1) 频率

18、相位变换 CLjrULMCLjrEI1 1122 CLjrU LM CjICjU1 11122ffarctan2Qarctan 与之间的幅值和相位关系都将随输入信号的频率变与之间的幅值和相位关系都将随输入信号的频率变化。与化。与 之间的相位差为。之间的相位差为。2U1U /22U1U 当当f = f0 = fc 时，次级回路谐振，与之间的相位差为时，次级回路谐振，与之间的相位差为 /2/2；当；当 f f0 = fc 时，次级回路呈感性，与之间的相位时，次级回路呈感性，与之间的相位差为差为0 0/2/2；当；当 f f0=fc时，时，UD1UD2，随着，随着 f 的增加，两者差值将加大；的增加

19、，两者差值将加大； f f0=fc时，时，UD1 f0时时，u00；当；当f f0时，时，u03后，线性变坏，因此后，线性变坏，因此一般取一般取A在在1.5 3。鉴频跨导鉴频跨导SD与耦合因数与耦合因数A有关，而有关，而A=KQ，故存在两种情况：，故存在两种情况：Cm为两回路间的耦合电容，其值很小，一般只有几个皮为两回路间的耦合电容，其值很小，一般只有几个皮法至十几个皮法。除耦合回路外，其它部分均与互感耦合相位法至十几个皮法。除耦合回路外，其它部分均与互感耦合相位鉴频器相同。因此，它们有着相同的工作原理。鉴频器相同。因此，它们有着相同的工作原理。2. 电容耦合相位鉴频器CC)C4C)(CC(C

20、kmCCmmmm2 耦耦合合系系数数： jRZe2 1为：为：设次级回路的并联阻抗设次级回路的并联阻抗1m2UZCjU24121 j1UAjj1UkQjUj1CQCjUj1RCjU111m1em2 121210 此式与互感耦合电路完全相同，因此，其鉴频特性与互此式与互感耦合电路完全相同，因此，其鉴频特性与互感耦合相位鉴频器相同。感耦合相位鉴频器相同。 为抑制寄生调幅的影响，相位鉴频器前必须使用限为抑制寄生调幅的影响，相位鉴频器前必须使用限幅器。但限幅器要求较大的输入信号，这必将导致鉴频幅器。但限幅器要求较大的输入信号，这必将导致鉴频器前中放、限幅数的增加。比例鉴频器具有自动限幅作器前中放、限幅

21、数的增加。比例鉴频器具有自动限幅作用，不仅可以减少前面放大器的级数，而且可以避免使用，不仅可以减少前面放大器的级数，而且可以避免使用硬限幅器，因此，比例鉴频器在调频广播接收机及电用硬限幅器，因此，比例鉴频器在调频广播接收机及电视接收机中得到了广泛的应用。视接收机中得到了广泛的应用。7.5.2 比例鉴频器比例鉴频器是一种类似于叠加型相位鉴频器，而又具比例鉴频器是一种类似于叠加型相位鉴频器，而又具有自限幅能力的鉴频器。有自限幅能力的鉴频器。1. 电路两二极管顺接两二极管顺接负载并联大电容，负载并联大电容，相当一个恒压源相当一个恒压源输出点改变输出点改变LLc1c2o21RRR2uuuRRR 时时，当当)UU(K21)uu(21uRRD1D2dc1c2oL ，则则：若若2. 工作原理 L120c2L1L22c1L2L11RiiuuRiRR