第6章 频谱变换电路

1、第第6 6章章 频谱变换电路频谱变换电路6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 模拟乘法器模拟乘法器6.3 6.3 普通幅度调制及解调电路普通幅度调制及解调电路6.3.1 幅度调制幅度调制6.3.2 普通调幅波的产生电路普通调幅波的产生电路6.3.3 普通调幅波的解调电路普通调幅波的解调电路6.4 抑制载波调幅波的产生和解调电路抑制载波调幅波的产生和解调电路6.4.1 抑制载波调幅波的产生电路抑制载波调幅波的产生电路6.4.2 DSB/SC AM波解调电路波解调电路6.5 混频电路混频电路6.6 倍频器倍频器6.7 调角波的基本性质调角波的基本性质6.7.1 瞬时相位和瞬时频率的概念瞬时相位和

2、瞬时频率的概念6.7.2 调角波和调频波调角波和调频波6.8 直接调频电路直接调频电路6.8.1 变容二极管调频电路变容二极管调频电路6.8.2 晶体振荡器直接调频电路晶体振荡器直接调频电路6.8.3 电容话筒调频电路电容话筒调频电路6.8.4 电抗管调频电路电抗管调频电路6.9 间接调频电路间接调频电路6.10 调频波的解调调频波的解调6.10.1 斜率鉴频器斜率鉴频器6.10.2 相位鉴频器相位鉴频器6.10.3 比例鉴频器比例鉴频器6.10.4 移相乘积鉴频器移相乘积鉴频器6.10.5 脉冲均值鉴频器脉冲均值鉴频器*6.10.6 锁相环鉴频器锁相环鉴频器* 6.10.7 跟相环鉴频器跟相

3、环鉴频器6.11 限幅器限幅器6.11.1 晶体二极管限幅器晶体二极管限幅器6.11.2 晶体三极管限幅器晶体三极管限幅器6.1 6.1 概概 述述1.1.什么叫频谱变换电路？什么叫频谱变换电路？ 具备将输入信号频谱进行频谱变换，以获取具有所需具备将输入信号频谱进行频谱变换，以获取具有所需频谱的输出信号这种功能的电路就叫做频谱变换电路。频谱的输出信号这种功能的电路就叫做频谱变换电路。 例如，倍频就是将频率较低的信号通过倍频变换成频例如，倍频就是将频率较低的信号通过倍频变换成频率较高的信号。又如，调幅波就是将频率很低的音频信号率较高的信号。又如，调幅波就是将频率很低的音频信号或视频信号调制到高频

4、的幅度上去。再如，检波电路就是或视频信号调制到高频的幅度上去。再如，检波电路就是将载有音频信号或视频信号还原成音频信号或视频信号。将载有音频信号或视频信号还原成音频信号或视频信号。频谱变换电路频谱变换电路频谱搬移电路频谱搬移电路频谱非线性频谱非线性变换电路变换电路调幅及解调电路调幅及解调电路混频电路混频电路倍频电路倍频电路普通调幅及解调电路普通调幅及解调电路单边带调幅解调电路单边带调幅解调电路双边带调幅解调电路双边带调幅解调电路调频电路调频电路调频波的解调调频波的解调电路限幅器电路限幅器直接调直接调频电路频电路间接调间接调频电路频电路变容二极管调频电路变容二极管调频电路晶体管振荡器直接调频电路

5、晶体管振荡器直接调频电路电容话筒调频电路电容话筒调频电路电抗管调频电路电抗管调频电路斜率鉴频器斜率鉴频器 相位鉴频器相位鉴频器 比例鉴频器比例鉴频器 移相乘积鉴频器移相乘积鉴频器 脉冲均值鉴频器脉冲均值鉴频器 锁相环鉴频器锁相环鉴频器 跟相环鉴频器跟相环鉴频器2.分类分类6.2 6.2 模拟乘法器模拟乘法器 本节主要介绍变跨导式模拟乘法器。变跨导式模拟乘本节主要介绍变跨导式模拟乘法器。变跨导式模拟乘法器是以恒流源式差动放大电路为基础，并采用变换跨导法器是以恒流源式差动放大电路为基础，并采用变换跨导的原理而形成的，其的原理而形成的，其符号见下图。符号见下图。一般表达式为：一般表达式为：21iio

6、ukuu 6.3.1 6.3.1 幅度调制幅度调制 用调制信号去控制高频振荡器的幅度，使其幅度的变用调制信号去控制高频振荡器的幅度，使其幅度的变化量随调制信号成正比的变化，这一过程叫做化量随调制信号成正比的变化，这一过程叫做调制调制。经过。经过幅度调制后的高频振荡称为幅度调制波幅度调制后的高频振荡称为幅度调制波(简称调幅波简称调幅波)。根根据频谱结构的不同据频谱结构的不同可分为普通调幅可分为普通调幅(AM)波，抑制载波的双波，抑制载波的双边带调幅边带调幅(DSB/SC AM)波和抑制载波的单边带调幅波和抑制载波的单边带调幅(SSB/SC AM)波。波。6.3 6.3 普通调幅波的产生和解调电路

7、普通调幅波的产生和解调电路 设调制信号为设调制信号为u(t)，其，其0)( tu，载波为：，载波为： tUtuccmccos 根据调幅的定义，已调高频振荡的幅度变化量应和调制根据调幅的定义，已调高频振荡的幅度变化量应和调制信号成正比，则其包络函数信号成正比，则其包络函数U(t)为为)| )(|)(1 ()()(maxtutumUtukUtUacmacm则已调波为：则已调波为：ttutumUttUtucacmcAMcos| )(|)(1 )cos()()(max式中式中cmaaUtukmmax| )(|为调幅系数（或调制指数），它表示为调幅系数（或调制指数），它表示 1.幅度调制的特性幅度调制的

8、特性调幅波幅度的最大变化量与载波振幅之比，一般调幅波幅度的最大变化量与载波振幅之比，一般0ma1。载波信号的频谱函数为载波信号的频谱函数为Uc()，则，则)()()(ccmccmcUUU6.3.2则则uAM(t)的频谱函数为的频谱函数为)()(2)()()(cccmacccmAMUUUmUU其对应的波形和频谱函数如图所示。其对应的波形和频谱函数如图所示。6.3.3调幅信号及其频谱调幅信号及其频谱 高于高于c的频率分量称为上边带，低于的频率分量称为上边带，低于c的频率分量称的频率分量称为下边带。普通调幅波有上下两个边带，它是一个集中在为下边带。普通调幅波有上下两个边带，它是一个集中在c附近的频带

9、信号，所占带宽为最高调制频率的两倍，即附近的频带信号，所占带宽为最高调制频率的两倍，即 BAM=2m 由式由式6.3.3可见，载波分量的振幅与调制信号无关，只有可见，载波分量的振幅与调制信号无关，只有边带幅度随调制信号的变化而改变。边带幅度随调制信号的变化而改变。 普通幅度调制波功率利用率很低，为了克服这个缺点普通幅度调制波功率利用率很低，为了克服这个缺点,可以只发射边带而不发射载波。这叫做抑制载波的双边带可以只发射边带而不发射载波。这叫做抑制载波的双边带调幅调幅(DSB/SC AM)。 其时域表达式为其时域表达式为uDSB(t)=u(t)cosct6.3.4其频谱变换为其频谱变换为)()(2

10、1)(ccDSBUUU6.3.5 显然，利用模拟乘法器很容易实现抑制载波的双边带调显然，利用模拟乘法器很容易实现抑制载波的双边带调幅波。其电路模型、波形和频谱示如图所示。幅波。其电路模型、波形和频谱示如图所示。DSB/BC DSB/BC 的电路模型、信号波形及频谱图的电路模型、信号波形及频谱图 2.DSB/SC AM的特点的特点 信号的幅度仍然是随调制信号而变化，但与普通信号的幅度仍然是随调制信号而变化，但与普通AM波不同，它的包络不再能反映调制信号的形状，可是仍然波不同，它的包络不再能反映调制信号的形状，可是仍然保持着保持着AM波所具有的频谱搬移特性。波所具有的频谱搬移特性。 在调制信号正半

11、周区间的载波相位与调制信号负半周在调制信号正半周区间的载波相位与调制信号负半周的载波相位反相。即高频振荡的相位在的载波相位反相。即高频振荡的相位在u(t)=0的瞬间有的瞬间有180的突变。的突变。 信号所占频谱带宽仍为信号所占频谱带宽仍为BDSB=2m。 为了既节省发射功率，又减小频带，可以只发射一个为了既节省发射功率，又减小频带，可以只发射一个边带，因为任何一个边带都反映了调制信号全部信息。边带，因为任何一个边带都反映了调制信号全部信息。 这种传输一个边带的调制方式称为抑制载波的单边带调这种传输一个边带的调制方式称为抑制载波的单边带调幅（幅（SSB/SC AM），其频谱如图所示。），其频谱如

12、图所示。SSB/SC AM信号的频谱图信号的频谱图6.3.2 6.3.2 普通调幅波的产生电路普通调幅波的产生电路 在无线电发射机中，按功率电平的高低，普通调幅电在无线电发射机中，按功率电平的高低，普通调幅电路可分为高电平调制电路和低电平调制电路两大类。前者路可分为高电平调制电路和低电平调制电路两大类。前者属于发射机的最后一级，直接产生发射机输出功率要求的属于发射机的最后一级，直接产生发射机输出功率要求的已调波；后者属于发射机前级产生小功率的已调波，再经已调波；后者属于发射机前级产生小功率的已调波，再经过线性功率放大达到所需的发射机功率电平。过线性功率放大达到所需的发射机功率电平。 现设载波电

13、压为现设载波电压为 uc(t)=Ucmcosct 调制电压为调制电压为 u=Ec+Umcost 上两式相乘得到普通振幅调制信号上两式相乘得到普通振幅调制信号6.3.66.3.7 式中，式中，ma称为调幅系数称为调幅系数(或调制指数或调制指数)，它表示调幅波的幅，它表示调幅波的幅度的最大变化量与载波振幅之比，即幅度变化量的最大值。度的最大变化量与载波振幅之比，即幅度变化量的最大值。显然显然0ma1，否则已调波会产生失真。，否则已调波会产生失真。 根据根据6.3.8式，我们可以采用乘法电路实现它。式，我们可以采用乘法电路实现它。ttmUttUEKUtUtUEKtucascmccmccmmcscos

14、cos1 coscos coscos)(6.3.86.3.3 6.3.3 普通调幅波的解调电路普通调幅波的解调电路 解调是调制的逆过程。幅度调幅波的解调简称检波，其解调是调制的逆过程。幅度调幅波的解调简称检波，其作用是从幅度调制波中不失真地检出调制信号来。从频谱上作用是从幅度调制波中不失真地检出调制信号来。从频谱上看，就是将幅度调制波的边带信号不失真地搬到零频附近。看，就是将幅度调制波的边带信号不失真地搬到零频附近。因此幅度调制波的解调电路也属于频谱搬移电路。需要用乘因此幅度调制波的解调电路也属于频谱搬移电路。需要用乘法器来实现这种频谱搬移作用，其电路模型如图所示。法器来实现这种频谱搬移作用，

15、其电路模型如图所示。 普通调幅波检波器常采用晶体三极管检波，二极管检波普通调幅波检波器常采用晶体三极管检波，二极管检波和模拟乘法器解调。目前应用较多的是后两种。和模拟乘法器解调。目前应用较多的是后两种。幅度调制波解调电路模型幅度调制波解调电路模型 1.二极管串联型大信号检波器二极管串联型大信号检波器 如图所示，检波器电路由三部分组成：如图所示，检波器电路由三部分组成：信号输入电信号输入电路，一般是中放末级输出电路；路，一般是中放末级输出电路；检波二极管，利用单向导检波二极管，利用单向导电性进行检波；电性进行检波；检波器负载电路，即低通滤波器。这种滤检波器负载电路，即低通滤波器。这种滤波器一般要

16、求输入信号大于波器一般要求输入信号大于0.5V，因此也称大信号检波器。，因此也称大信号检波器。检波器等效电路检波器等效电路 幅度调制中频信号经过检波二极管后得到的是如图所示幅度调制中频信号经过检波二极管后得到的是如图所示的波形。再经过低通滤波器后，滤除高次谐波，得到所需的的波形。再经过低通滤波器后，滤除高次谐波，得到所需的调制信号。其物理解释如下：调制信号。其物理解释如下： 经过检波二极管后的输经过检波二极管后的输出波形是幅度被调制的尖顶出波形是幅度被调制的尖顶余弦脉冲，由于低通滤波器余弦脉冲，由于低通滤波器是由滤波电容是由滤波电容C和负载电阻和负载电阻R组成，充电时间常数由组成，充电时间常数

17、由RDC决定决定(RD为二极管的正为二极管的正向电阻向电阻)，其时间常数小而，其时间常数小而放电时间常数放电时间常数RC大。故调大。故调制包络可以保留下来，然后经过隔直流耦合电容制包络可以保留下来，然后经过隔直流耦合电容Cc，隔除了，隔除了直流分量。所以输出信号只有调制的包络信号。实现了幅度直流分量。所以输出信号只有调制的包络信号。实现了幅度检波过程的波形检波过程的波形调制的目的。调制的目的。 2.2.普通调幅波的同步解调普通调幅波的同步解调 用模拟乘法器也可以完成对普通调幅波的同步解调。如用模拟乘法器也可以完成对普通调幅波的同步解调。如图所示。图所示。普通调幅波的解调电路普通调幅波的解调电路

18、 当放大限幅器放大增益足够大时，当放大限幅器放大增益足够大时，u uy y(t)(t)接近频率为接近频率为c c的方波。经过傅立叶级数展开可得的方波。经过傅立叶级数展开可得)cos(210tnaaucnny)cos( )cos(2)cos1 ( )()(10ttnaatmUAtuuAtucncnasMyxMo当当n=1时时ttmUAtmUAtttmUAtucasMasMccasMo2cos)cos1 (2)cos1 (4 )cos(4)cos()cos1 ()(1用低通滤波器和隔直流耦合电容就可检出所需的信号。用低通滤波器和隔直流耦合电容就可检出所需的信号。故故6.4.1 6.4.1 抑制载波

19、调幅波的产生电路抑制载波调幅波的产生电路 设载波电压为设载波电压为 uc(t)=Ucmcosct 调制电压为调制电压为 u(t)=Umcost 经过模拟乘法器电路后，输出电压为抑制载波双边带振经过模拟乘法器电路后，输出电压为抑制载波双边带振幅调制信号，即幅调制信号，即6.4 6.4 抑制载波调幅波的产生和解调电路抑制载波调幅波的产生和解调电路6.4.16.4.26.4.3coscos21 coscos)()()(ttUKUttUKUtutKutuccmcmcmcmco其原理图见下图。其原理图见下图。DSB/SC AMDSB/SC AM波产生电路波产生电路6.4.2 DSB/SC AM6.4.2

20、 DSB/SC AM波的解调电路波的解调电路 要从抑制载波的双边带调幅波检出调制信号要从抑制载波的双边带调幅波检出调制信号u(t)来，来，从频谱上看，它是将幅度调制波的边带信号不失真地搬到零从频谱上看，它是将幅度调制波的边带信号不失真地搬到零频附近。因此频附近。因此AM波的解调电路波的解调电路(包括抑制载波的双边带调幅包括抑制载波的双边带调幅波的解调在内波的解调在内)也属于频谱搬移电路。需要用乘法器来实现也属于频谱搬移电路。需要用乘法器来实现这种频谱搬移作用，其电路模型如图所示。这种频谱搬移作用，其电路模型如图所示。DSB同步检波原理图同步检波原理图ttKutUtucDSBcos)()()(

21、DSB/SC AM波的电压波的电压u(t)可表示为可表示为6.4.46.4.5若若)cos()()()(ttKututucDSB, 本机载波本机载波)cos()(tUtuccmc两者相乘有两者相乘有2cos1 2)( coscos)()()()(ttuKUttUtKutututuccmccmccDSBp 式式6.4.5中第一项包含了所需的调制信号，第二项则是载中第一项包含了所需的调制信号，第二项则是载频为频为2c的双边带调制信号，用低通滤波器将它滤除，即可的双边带调制信号，用低通滤波器将它滤除，即可得到所需调制信号。得到所需调制信号。 用同步检波器可实现对用同步检波器可实现对DSB/SC AM

22、波进行解调。波进行解调。 同步检波一个关键问题是本机载波的恢复。本机载波产同步检波一个关键问题是本机载波的恢复。本机载波产生的方法有两种。一是在发送端输出的双边带信号中，不是生的方法有两种。一是在发送端输出的双边带信号中，不是将载波分量完全抑制掉，而是保留一个小的载波分量，称为将载波分量完全抑制掉，而是保留一个小的载波分量，称为导频，它的作用就是在接收端恢复载波。接收端只要用一个导频，它的作用就是在接收端恢复载波。接收端只要用一个窄带滤波器取出载波分量。这种情况与普通调幅波很类似，窄带滤波器取出载波分量。这种情况与普通调幅波很类似，只是载波分量比较小而已。另一种方法是发射机的载波和接只是载波分

23、量比较小而已。另一种方法是发射机的载波和接收机本振载波都用频率稳定度很高的频率合成器，使两者的收机本振载波都用频率稳定度很高的频率合成器，使两者的频率保持不变。频率保持不变。 在保持调制类型和调制参数不变的情况下，将输入已调在保持调制类型和调制参数不变的情况下，将输入已调波的载频波的载频c变为中频变为中频I的过程称为混频。即的过程称为混频。即 I=L-s 实际上从频谱而言，混频的作用是不失真地将输入已调实际上从频谱而言，混频的作用是不失真地将输入已调信号的频谱从信号的频谱从s搬移到搬移到I位置上。因此，混频电路也是一位置上。因此，混频电路也是一种频谱搬移电路。种频谱搬移电路。 以普通调幅波为例

24、说明上述的混频过程。输入信号为以普通调幅波为例说明上述的混频过程。输入信号为6.5 6.5 混频电路混频电路6.5.1ttumUtusasmscos)(1 )( 本地振荡信号为本地振荡信号为 uL(t)=ULmcosLt 当当Ls时，乘法器的输出为时，乘法器的输出为)cos()cos(1 2 coscos)(1 tttumUUttUtumUusLsLaLmsmLLmsasmp 式中式中L-s=I为所需的中频分量；为所需的中频分量；L+s则是无用则是无用分量。可以从中心频率为分量。可以从中心频率为I的带通滤波器滤除无用分量取出的带通滤波器滤除无用分量取出有用分量有用分量I，即实现了混频作用。其电

25、路模型和频谱如图，即实现了混频作用。其电路模型和频谱如图所示。所示。混频电路模型及频谱混频电路模型及频谱 实际的混频器有晶体二极管平衡和环路混频电路，晶体实际的混频器有晶体二极管平衡和环路混频电路，晶体三极管混频电路和模拟乘法器混频电路。由于模拟乘法器构三极管混频电路和模拟乘法器混频电路。由于模拟乘法器构成的混频器其输出电压中不包含信号频率分量，从而降低了成的混频器其输出电压中不包含信号频率分量，从而降低了 如果输出频率如果输出频率fo为输入频率整数值为输入频率整数值 ，即，即fo=nfs（n=1，2，3，），则这种频率变换电路称为倍频器。当），则这种频率变换电路称为倍频器。当n=2时，即时，

26、即fo=2fs时称为二倍频器。时称为二倍频器。 用模拟乘法器实现二倍频器的原理方框图如图用模拟乘法器实现二倍频器的原理方框图如图6.24所示。所示。若若us（t）=smcosst，则模拟乘法器的输出电压为，则模拟乘法器的输出电压为6.66.6 倍频器倍频器 t)cos2(1U2KtcosKUtKu(t)us2sms22sm2so二倍频器原理方框图二倍频器原理方框图在通信系统中，角度及解调电路不同于频谱搬移电路。它在通信系统中，角度及解调电路不同于频谱搬移电路。它是用低频信号去调制高频振荡的相角，或是从已调波中解出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

27、变换不是线形变换，而是调制信号所进行的频谱变换，这种变换不是线形变换，而是非线形变换。因此，非线形变换。因此，我们把角度调制及调角波的解调电路称我们把角度调制及调角波的解调电路称为频谱非线形变换电路为频谱非线形变换电路。调频（）调频（）：如果高频振荡器的频率变化量和调制信号：如果高频振荡器的频率变化量和调制信号成成正正比，则称调频。比，则称调频。调相（）调相（）：如果高频振荡器的相位变化量和调制信号：如果高频振荡器的相位变化量和调制信号成成正正比，则称调相。由于频率的变化和相位的变化都表现为比，则称调相。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，将总相角的变化，因此，将调频和调相统

28、称为调角调频和调相统称为调角。. .调角波的基本性质调角波的基本性质 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。6.7.1 6.7.1 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一般表达式为一般表达式为 00cost dtAtatm6.7.2 6.7.2 调相波和调

29、频波调相波和调频波 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。根据定义调相波的表达式为根据定义调相波的表达式为(t)uktUupccmPMcos(t)t(t)ukt(t)pcpc tp maxtppk可见可见为比例系数；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)()( 式中，为瞬间相位偏移，即相式中，为瞬间相位偏移，即相对于的偏移。的最大值称为最大相移，习惯上对于的偏移

30、。的最大值称为最大相移，习惯上又称调频指数，用又称调频指数，用m mf f表示，即表示，即调频波的表达式为调频波的表达式为)()(cos0tuktt)dt (uktUufftfccmFMfkf fftmax maxtukff为比例系数；为比例系数；表示瞬时角频率相对于的偏移表示瞬时角频率相对于的偏移称为最大角偏移，简称频偏称为最大角偏移，简称频偏当当00时，时， 可得调频波的瞬时相位可得调频波的瞬时相位(t)tt)dt (ukt(t)fctfc0t)dt (uk(t)tff0tc(t)fmax0td)t (ukmtff直接调频就是用调制信号去控制高频振荡器的振荡频率，直接调频就是用调制信号去控

31、制高频振荡器的振荡频率，使它不失真地反映调制信号的变化规律使它不失真地反映调制信号的变化规律。因此，凡是能直接。因此，凡是能直接影响振荡频率的元件或参数，只要用调制信号去控制，使振影响振荡频率的元件或参数，只要用调制信号去控制，使振荡频率的变化量能随调制信号而线形变化，都可以完成直接荡频率的变化量能随调制信号而线形变化，都可以完成直接调频的任务。调频的任务。在正弦波振荡器中，由于其振荡频率主要取决于振荡在正弦波振荡器中，由于其振荡频率主要取决于振荡回路的电感量和电容量，所以在振荡回路中接入可控电抗回路的电感量和电容量，所以在振荡回路中接入可控电抗器，就可以实现直接调频。器，就可以实现直接调频。

32、6.8 6.8 直接调频电路直接调频电路可控电抗器的种类很多，有声波控制的电容式话筒或驻极可控电抗器的种类很多，有声波控制的电容式话筒或驻极体话筒，有电压控制的变容二极管和电抗管，还有电流控制体话筒，有电压控制的变容二极管和电抗管，还有电流控制的可变电感等。只要将可控电抗器接入振荡器的振荡回的可变电感等。只要将可控电抗器接入振荡器的振荡回路，就能利用振荡器产生调频波。路，就能利用振荡器产生调频波。6.6.1.1变容二极管调频电路变容二极管调频电路变容二极管是利用变容二极管是利用pnpn结的结电容随反向电压（反偏）变化结的结电容随反向电压（反偏）变化这一特性制成的一种电压控制的可控电抗器这一特性

33、制成的一种电压控制的可控电抗器。将变容二极管。将变容二极管接入振荡器的振荡回路，用调制电压去控制变容管的电接入振荡器的振荡回路，用调制电压去控制变容管的电容量，从而控制振荡器的振荡频率达到调频的目的。容量，从而控制振荡器的振荡频率达到调频的目的。变容二极管结电容（势垒电容）可用下式表示变容二极管结电容（势垒电容）可用下式表示)1 (0DjjVuCC变容管加上偏置电压和调制电压后，总的控制电压为变容管加上偏置电压和调制电压后，总的控制电压为tUV(T)UVumQQcos由以上两式得由以上两式得t)m(C )VVtU()VV(C)VtUV(CVu(CCcjQQDmDQjDmQjDjjcos1cos

34、11 cos1)1000 变容管作为振荡回路的总电容变容管作为振荡回路的总电容 下图为变容二极管接入振荡回路的交流等效电路。下图为变容二极管接入振荡回路的交流等效电路。22)1 ()(1 (1)(xVVtuLCxcQDcj设振荡频率近似等于振荡回路的振荡频率，且忽略加在变设振荡频率近似等于振荡回路的振荡频率，且忽略加在变容管上的高频电压。则瞬时角频率为容管上的高频电压。则瞬时角频率为. .变容管部分接入振荡回路变容管部分接入振荡回路 为了提高载波频率稳定度，往往采用变容管部分接入振为了提高载波频率稳定度，往往采用变容管部分接入振荡回路的办法。荡回路的办法。振荡回路电容的变化量和调制信号的关系。

35、有振荡回路电容的变化量和调制信号的关系。有tttKftfc3cos2coscos)(3210jQQjQCCCpCCpK22226.6. .晶体振荡器直接调频电路晶体振荡器直接调频电路在某些实际情况下，为了满足中心频率稳定度较高的要在某些实际情况下，为了满足中心频率稳定度较高的要求，有时采用石英晶体振荡器直接调频电路。求，有时采用石英晶体振荡器直接调频电路。 晶体振荡器有两种：一种是工作在石英晶体的串联振荡频晶体振荡器有两种：一种是工作在石英晶体的串联振荡频率上，晶体等效为一个短路元件，起着选频的作用；另一种率上，晶体等效为一个短路元件，起着选频的作用；另一种是工作于晶体串联和并联谐振频率之间，

36、晶体等效为一个高是工作于晶体串联和并联谐振频率之间，晶体等效为一个高品质因数的电感元件，作为振荡元件之一。品质因数的电感元件，作为振荡元件之一。通常是利用变容二极管控制后一种晶体振荡器的振荡频率通常是利用变容二极管控制后一种晶体振荡器的振荡频率来实现调频来实现调频。如果电容二极管与石英晶体串联，其等效电路和电抗特性如果电容二极管与石英晶体串联，其等效电路和电抗特性如下图所示。如下图所示。 利用这个原理，用调制信号改变利用这个原理，用调制信号改变j j的方法可以改变晶体振的方法可以改变晶体振荡器的振荡频率，从而达到调频的目的。由于荡器的振荡频率，从而达到调频的目的。由于j j与石英晶体与石英晶体

37、串联，而串联，而f fq q和和f fp p又靠得近，因而调频的频偏又靠得近，因而调频的频偏 很小，相对很小，相对频偏只能达到频偏只能达到. .左右。左右。cff 6.6. .电容话筒调频电路电容话筒调频电路电容花筒在声波作用下，内部的金属薄膜产生振动，会引电容花筒在声波作用下，内部的金属薄膜产生振动，会引起薄膜与另一电极之间电容量的变化。如果把电容式话筒直起薄膜与另一电极之间电容量的变化。如果把电容式话筒直接接到振荡器的谐振回路中，作为回路电抗就可构成调频电接接到振荡器的谐振回路中，作为回路电抗就可构成调频电路。路。下图是电容式话筒调频发射机实例。下图是电容式话筒调频发射机实例。6.6. .

38、电抗管调频电路电抗管调频电路电抗管与变容管一样，也是一种电压控制的可控电抗器。电抗管与变容管一样，也是一种电压控制的可控电抗器。受控源可以是电子管、晶体管和场效应管。受控源可以是电子管、晶体管和场效应管。下图为场效应管下图为场效应管构成的电抗管原理图。构成的电抗管原理图。在直接调频电路中，为了提高中心频率的稳定度必须采取在直接调频电路中，为了提高中心频率的稳定度必须采取一些措施。在这些措施中，即使对晶体管振荡器直接调频，一些措施。在这些措施中，即使对晶体管振荡器直接调频，其中心频率稳定度有不如不调频的晶体振荡器的频率稳定度其中心频率稳定度有不如不调频的晶体振荡器的频率稳定度高，而且起相对频移太

39、小。若调制不在晶体振荡器进行，而高，而且起相对频移太小。若调制不在晶体振荡器进行，而是在其后的某一级放大器中进行，将调制信号积分以后对晶是在其后的某一级放大器中进行，将调制信号积分以后对晶振送来的载波进行调相，对积分前的信号（即调制信号）而振送来的载波进行调相，对积分前的信号（即调制信号）而言，就可以得到调频波了，这就是言，就可以得到调频波了，这就是间接调频间接调频。显然，这时。显然，这时中中心频率稳定度就等于晶体振荡器的频率稳定度心频率稳定度就等于晶体振荡器的频率稳定度。. .间接调频电路间接调频电路间接调频的关键电路是调相电路间接调频的关键电路是调相电路，下面仅介绍常用的变容，下面仅介绍常

40、用的变容二极管调相电路。二极管调相电路。将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变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。电路中，由于调制信号的作用使回路谐容二极管调相电路。电路中，由于调制信号的作用使回路谐振频率改变，当载波通过这个回路时由于失谐而产生相移，振频率改变，当载波通过这个回路时由于失谐而产生相移，从而获得调相。从而获得调相。下图是单级谐振回路变容管调相电路。下图是单级谐振回路变容管调相电路。 上图（上图（a a）中，变容管的电容）中，变容管的电容j j和电感组成谐振回路，和电感组成谐振回路，作为变容相移网络。作为变容相移网络。和和是谐振贿赂输入

41、和输出端上的是谐振贿赂输入和输出端上的隔离电阻，隔离电阻，是偏压电源与调制信号源之间的隔离电阻。是偏压电源与调制信号源之间的隔离电阻。三个三个. .电容对高频短路，而对调制信号开路。电容对高频短路，而对调制信号开路。下图是采用三级单回路级联构成的电路。下图是采用三级单回路级联构成的电路。图中，每个回路都由变容管调相电路，而各变容管的电容图中，每个回路都由变容管调相电路，而各变容管的电容均受同一调制信号调变。每个回路的值可由电阻均受同一调制信号调变。每个回路的值可由电阻、调节，以使三个回路产生相等的相移。为了减少调节，以使三个回路产生相等的相移。为了减少各回路的相互影响，各级回路之间都用各回路的

42、相互影响，各级回路之间都用p p的小电容耦的小电容耦合。这样，电路总相移近似等于三级回路相移之和。因此，合。这样，电路总相移近似等于三级回路相移之和。因此，电路可在电路可在范围内得到线形调相。范围内得到线形调相。6.10 6.10 调频波的解调调频波的解调 调角波包括调频波和调相波调角波包括调频波和调相波。其中。其中,调频波的解调称为频调频波的解调称为频率检波率检波,简称鉴频简称鉴频;完成鉴频功能的电路称为鉴频器完成鉴频功能的电路称为鉴频器;调相波调相波的解调称为相位检波的解调称为相位检波,简称鉴相简称鉴相,完成鉴相功能的电路称为鉴完成鉴相功能的电路称为鉴相器。它们的作用都是从已调波中检出反映

43、在频率或相位相器。它们的作用都是从已调波中检出反映在频率或相位变化上的调制信号变化上的调制信号,但是所采用的方法却不尽相同。但是所采用的方法却不尽相同。 在调频波中在调频波中,调制信息包含在高频振荡频率的变化量中。调制信息包含在高频振荡频率的变化量中。所以所以,调频波解调的任务调频波解调的任务,就是要求鉴频器输出信号与输入调就是要求鉴频器输出信号与输入调频波瞬时频率的变化量成线形关系。换句话说频波瞬时频率的变化量成线形关系。换句话说,鉴频器的作鉴频器的作用是从调频波中检出音频调制信号来。用是从调频波中检出音频调制信号来。 对调频波的检波必须先将频率的变化对调频波的检波必须先将频率的变化, ,转

44、变成与音频调转变成与音频调制信号相应的幅度变化制信号相应的幅度变化, ,见下图。或者变成占空系数不同的见下图。或者变成占空系数不同的脉冲系列脉冲系列, ,再经过幅度检波或脉冲的整流再经过幅度检波或脉冲的整流, ,才能检出音频信才能检出音频信号。号。鉴频器工作示意图鉴频器工作示意图 鉴频器的质量指标集中表现在鉴频特性上。它的输出电鉴频器的质量指标集中表现在鉴频特性上。它的输出电压的大小压的大小u(t)与输入调频波的瞬时频率偏移之间的关系与输入调频波的瞬时频率偏移之间的关系,称称为鉴频特性为鉴频特性,如图所示。如图所示。鉴频特性曲线鉴频特性曲线 鉴频跨导鉴频跨导gd 所谓鉴频跨导是指单位频偏所产生

45、输出电压的大小所谓鉴频跨导是指单位频偏所产生输出电压的大小,即即鉴鉴 频特性的斜率频特性的斜率,又称为鉴频灵敏度又称为鉴频灵敏度,用数学式表示为用数学式表示为cffddfdug2. 频带宽度频带宽度B 从图看出从图看出,只有特性曲线中间一部分线性较好。通常只有特性曲线中间一部分线性较好。通常2fm为频带宽度为频带宽度B。一般要求。一般要求B大于输入调频波频偏的两大于输入调频波频偏的两倍。倍。3. 非线性失真非线性失真 为了从调频信号中无失真地解调出调制信号为了从调频信号中无失真地解调出调制信号,在在fc附近鉴频附近鉴频器输出电压器输出电压u与瞬时频偏成比例与瞬时频偏成比例,即在频带即在频带B内

46、应为一条直内应为一条直线线(鉴频跨导鉴频跨导gd为常数为常数)。否则输出电压就不能真实地还原出。否则输出电压就不能真实地还原出调制信号调制信号,产生非线性失真。产生非线性失真。4. 抑制寄生调幅的能力抑制寄生调幅的能力 对调频信号的寄生调幅应具有一定的抑制能力对调频信号的寄生调幅应具有一定的抑制能力,除比例鉴除比例鉴频器外频器外,一般都在鉴频器前加限幅器。一般都在鉴频器前加限幅器。6.10.1 6.10.1 斜率鉴频器斜率鉴频器 斜率鉴频器是利用并联斜率鉴频器是利用并联LC回路幅频特性的倾斜部分将调回路幅频特性的倾斜部分将调频波变换成调幅调频波频波变换成调幅调频波,它应用于鉴频范围较大的场合。

47、最它应用于鉴频范围较大的场合。最简单的斜率鉴频器由失谐单谐振回路和晶体二极管包络检简单的斜率鉴频器由失谐单谐振回路和晶体二极管包络检波器组成波器组成,该电路的线性范围与灵敏度都是不理想的。因此该电路的线性范围与灵敏度都是不理想的。因此,在要求较高的情况下在要求较高的情况下,广泛应用双失谐回路斜率鉴频器广泛应用双失谐回路斜率鉴频器,如如图。图。双失谐回路斜率鉴频器双失谐回路斜率鉴频器 这个电路是由两个单失谐回路斜率鉴频器构成的。其中这个电路是由两个单失谐回路斜率鉴频器构成的。其中,第第一个回路的谐振频率一个回路的谐振频率f1低于调频波的中心频率低于调频波的中心频率fc,第二个回路的第二个回路的谐

48、振频率谐振频率f2高于高于fc,并且把他们的输出相减。当这两个鉴频器的并且把他们的输出相减。当这两个鉴频器的特性与参数相同特性与参数相同,且且fc-f1=f2-fc时就得到时就得到u(f)的关系曲线的关系曲线,即鉴频即鉴频特性曲线。显然特性曲线。显然 )()()(21fufufuoo 其鉴频特性的灵敏度线性范围都比单失谐回路的斜鉴其鉴频特性的灵敏度线性范围都比单失谐回路的斜鉴频器大有改善。频器大有改善。6.10.2 6.10.2 相位鉴频器相位鉴频器 相位鉴频器是利用耦合电路的相频特性来实现将调频波变相位鉴频器是利用耦合电路的相频特性来实现将调频波变换为调幅调频波的，它是将调频信号的频率变化转

49、换为两个换为调幅调频波的，它是将调频信号的频率变化转换为两个电压之间的相位变化电压之间的相位变化,再将这相位变化转换为对应的幅度变再将这相位变化转换为对应的幅度变化化,然后利用幅度检波器检出幅度的变化。这样然后利用幅度检波器检出幅度的变化。这样,幅度的变化幅度的变化就反映了频率的变化。就反映了频率的变化。 常用的相位鉴频器有电感耦合相位鉴频器和电容耦合相位常用的相位鉴频器有电感耦合相位鉴频器和电容耦合相位鉴频器两种。鉴频器两种。接加到高频扼流圈接加到高频扼流圈L3两端。同时两端。同时L3又是二极管检波器的直流又是二极管检波器的直流通路。电压通路。电压 通过互感通过互感M在在L2、C2并联回路两

50、端产生电压并联回路两端产生电压 ,c点是电感点是电感L2的中点的中点,L2上下两半线圈的电压各为。上下两半线圈的电压各为。二极管二极管VD1、VD2,两个电阻两个电阻R,两只电容两只电容C3、C4构成两个对称构成两个对称的的 幅度检波器。这样幅度检波器。这样,可将图可将图 (a)简化为图简化为图 (b)所示的等效电所示的等效电路。路。1U2U22U 电感耦合相位鉴频器的原理图如图。初级回路电感耦合相位鉴频器的原理图如图。初级回路L1C1、次级次级回路回路L2C2都调协到调频波的中心角频率都调协到调频波的中心角频率c上上,两个回路的耦两个回路的耦合途径有二合途径有二:一是通过互感一是通过互感M耦

51、合耦合,二是通过耦合电容二是通过耦合电容C0耦耦合。因合。因C0、C4容量取得较大容量取得较大,对高频可视为短路对高频可视为短路,故可直故可直相位鉴频器原理图相位鉴频器原理图鉴频器的输出电压为鉴频器的输出电压为 u=uo1-uo2=Kd(UD1-UD2) (6.10.5)式中式中Kd为幅度检波器的电压传输系数。为幅度检波器的电压传输系数。 由上式可知由上式可知,鉴频器的输出音频电压鉴频器的输出音频电压u不仅与加到二极管不仅与加到二极管两端高频电压的幅值有关两端高频电压的幅值有关,还与还与 、 的大小及他们之间的大小及他们之间的相位有关。的相位有关。1U2U 6.10.3 6.10.3 比例鉴频

52、器比例鉴频器相位鉴频器中相位鉴频器中, ,输入信号的幅度变化必将导致输出波形的输入信号的幅度变化必将导致输出波形的失真。发射机的调制特性或接收机的谐振曲线的不理想以失真。发射机的调制特性或接收机的谐振曲线的不理想以及外界干扰和内部噪声的影响及外界干扰和内部噪声的影响, ,使鉴频器输入端的调频信号使鉴频器输入端的调频信号引起寄生调幅。因此引起寄生调幅。因此, ,相位鉴频器前必须加限幅器。为了有相位鉴频器前必须加限幅器。为了有效限幅效限幅, ,往往要求限幅器输入端的电压在往往要求限幅器输入端的电压在1v1v量级量级, ,这就需要这就需要限幅器以前有较大的放大量限幅器以前有较大的放大量, ,即要求接

53、收机的级数增加。比即要求接收机的级数增加。比例鉴频器就是这种兼有鉴频和限幅功能的电路例鉴频器就是这种兼有鉴频和限幅功能的电路, ,如图所示。如图所示。比例鉴频器及其等效电路比例鉴频器及其等效电路将相位鉴频器和比例鉴频器比较，不同的地方只是幅度检波将相位鉴频器和比例鉴频器比较，不同的地方只是幅度检波器部分，其区别是：器部分，其区别是：在在fg两端并接了一个大容量的电容两端并接了一个大容量的电容5，一般取为，一般取为10，5与（与（R3+R4）的时间常数约为）的时间常数约为0.10.2s。这样，。这样，在检波过程中，这个并联电路对在检波过程中，这个并联电路对15Hz以上变化的寄生调幅以上变化的寄生

54、调幅有惰性，使其两端的电压来不及跟着变化，而保持在某一恒有惰性，使其两端的电压来不及跟着变化，而保持在某一恒定的电平上。定的电平上。检波电阻中点和检波电容中点断开，输出电压取自检波电阻中点和检波电容中点断开，输出电压取自de两端，而不是取自两端，而不是取自fg两端。在负载电阻两端。在负载电阻RL中，中，C4和和C3放放电电流的方向相反因而起到了差动输出的作用。图电电流的方向相反因而起到了差动输出的作用。图 (a)中，中，CL数值的选取应对高频短路，对音频开路。数值的选取应对高频短路，对音频开路。 为了构成检波器的直流通路，为了构成检波器的直流通路，VD1、VD2的连接方向相的连接方向相反，这样

55、，电容反，这样，电容C3、C4两端的电压两端的电压uo1与与uo2之和，而不是两之和，而不是两者之差。者之差。 在在UD1与与UD2相同的条件下，比例鉴频器输出音频电压的相同的条件下，比例鉴频器输出音频电压的幅度比相位鉴频器的音频电压幅度小一半。即鉴频跨导幅度比相位鉴频器的音频电压幅度小一半。即鉴频跨导gd小一半；小一半； 和相位鉴频器比较，因为波形变换部分没有变。和相位鉴频器比较，因为波形变换部分没有变。6.10.4 移相乘积鉴频器 其鉴频原理为：先将调频波通过移相器变成相位变化，其鉴频原理为：先将调频波通过移相器变成相位变化，然后将相位变化变成相应的幅度变化，从而还原出音频信然后将相位变化

56、变成相应的幅度变化，从而还原出音频信号来号来。 移相乘积鉴频器的基本原理移相乘积鉴频器的基本原理如图如图。自中放级输出的信号。自中放级输出的信号一路直接送到乘法器一路直接送到乘法器( )，另外一路经过移相器送到乘法器，另外一路经过移相器送到乘法器( )。当调频波没有频率偏移，即等于中频频率时，。当调频波没有频率偏移，即等于中频频率时， 和和 的相位差为的相位差为90,经过乘法器后输出的占空比为经过乘法器后输出的占空比为1的脉冲波的脉冲波,平均电流为一直流平均电流为一直流,即无输出。以此直流电平作为基准点或即无输出。以此直流电平作为基准点或1U2U1U2U零点。当频率往高或低偏移时零点。当频率往

57、高或低偏移时, 和和 的相位差也在的相位差也在90上上下做相应变化。于是乘法器输出脉冲的占空比相应变化。下做相应变化。于是乘法器输出脉冲的占空比相应变化。这种变化，经过低通滤波器，整流出的平均值也随之变这种变化，经过低通滤波器，整流出的平均值也随之变化，而这种变化正是音频调制波。化，而这种变化正是音频调制波。1U2U移相乘积鉴频器方框图移相乘积鉴频器方框图6.10.5 6.10.5 脉冲均值鉴频器脉冲均值鉴频器 脉冲均值鉴频器就是利用调频波的过零信息脉冲均值鉴频器就是利用调频波的过零信息。因为调频。因为调频波的频率是随调制信号而变化的波的频率是随调制信号而变化的, ,所以所以, ,他们在相同的

58、时间他们在相同的时间间隔内过零点的数目就会不相同。在频率高的地方过零点间隔内过零点的数目就会不相同。在频率高的地方过零点的数目就多的数目就多, ,而在频率低的地方过零点的数目就少。利用而在频率低的地方过零点的数目就少。利用这个特点这个特点, ,在每个过零点处形成一个等幅等宽的脉冲在每个过零点处形成一个等幅等宽的脉冲, ,那么那么, ,这个脉冲序列的平均分量就反应了频率的变化。用滤波器这个脉冲序列的平均分量就反应了频率的变化。用滤波器取出这个平均分量就是所需的调制信号。取出这个平均分量就是所需的调制信号。 调频波瞬时频率的变化调频波瞬时频率的变化, ,直接表现为调频信号通过零值时直接表现为调频信

59、号通过零值时的点的点( (简称过零点简称过零点) )的疏密变化。如果在从负变为正的过零的疏密变化。如果在从负变为正的过零点点( (简称正过零点简称正过零点) )处形成一个振幅为处形成一个振幅为U U、宽度为、宽度为的矩形脉的矩形脉冲冲, ,就可以将原始的脉冲波变换成一个重复频率受到调制的就可以将原始的脉冲波变换成一个重复频率受到调制的矩形脉冲序列矩形脉冲序列, ,其重复频率的调制规律与调频波瞬时频率的其重复频率的调制规律与调频波瞬时频率的调制规律相同调制规律相同, ,如图所示。如果在单位时间内对该矩形如图所示。如果在单位时间内对该矩形脉冲的个数计数脉冲的个数计数, ,则所得的数目的变化规律就反

60、映了调频波则所得的数目的变化规律就反映了调频波瞬时频率的变化规律。瞬时频率的变化规律。将调频波变换成重复频率受到调制的矩形脉冲序列将调频波变换成重复频率受到调制的矩形脉冲序列* *6.10.6 6.10.6 锁相环鉴频器锁相环鉴频器 锁相环鉴频器与跟相环鉴频器请参阅锁相环鉴频器与跟相环鉴频器请参阅第第8 8章、章、第第9 9章章。考。考虑虑鉴频器的归类鉴频器的归类, ,在这一节里只做简单介绍。在这一节里只做简单介绍。 这种鉴频器是应用了现代的锁相环技术这种鉴频器是应用了现代的锁相环技术, ,能够获得较好能够获得较好的性能。它最初用在高档调谐器中的性能。它最初用在高档调谐器中, ,随着集成电路的