通信电子电路8.2

1、 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。 )t (v VCO dt)t(vktcosV)t(vfoFM 通常有：通常有： )()(tkvto ，式中：，式中：V为振荡信号的振幅，为振荡信号的振幅， o :当当 0)( tv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。 83调频信号的产生调频信号的产生 由于调频后的由于调频后的FM波中含有许多新的频率分量，因此波中含有许多新的频率分量，因此调频信号的产生调频信号的产生必须利用非线性电路进行频率的变换必须利用非线性电路进行频率的变换，但与频谱的线性搬移电路是有区别，但与

2、频谱的线性搬移电路是有区别的。的。调频信号产生的方法：直接调频法（调频信号产生的方法：直接调频法（direct FM system） 间接调频法（间接调频法（indirect FM system） 一，一， 直接调频法直接调频法 利用压控振荡器（利用压控振荡器（Voltage Control Oscillator）作为频率调制器来产）作为频率调制器来产生调频（生调频（FM）信号）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。 直接调频法：优点：可获得较大频偏直接调频法：优点：可获得较大频偏.缺点：中心

3、频率稳定性差，常采用缺点：中心频率稳定性差，常采用自动频率微调（自动频率微调（automatic frequency control ，AFC）电路来克服载频偏移。）电路来克服载频偏移。利用调相方法实现调频。利用调相方法实现调频。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 ) t (vFM)t (v dt)t(v 窄带窄带) t (vFM二间接调频法：二间接调频法：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

4、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号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。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。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

5、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. )Vv1(oCjCDR 一一 PN结具有电容效应：结具有电容效应：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 ，势垒区空间电荷呈现的电容效应。，势垒区空间电荷呈现的电容效应。 所以所以为利用为利用PN结的电容，结的电容，PN结应工作在反向偏置状态结应工作在反向偏置状态.84变容二极管直接调频（变容二极管直接调频（Varactor diode

6、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。变容二极管的结电容变容二极管的结电容C j与反向电压与反向电压VR存在如下关系：存在如下关系：式中式中Co： 0 Rv时的电容值（零偏置电容）时的电容值（零偏置电容）:vR反向偏置电压，反向偏置电压，V

7、D：PN结势垒电位差。结势垒电位差。 VGeVSi3 .0:7 .0: ：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v R之间是非线性关系，即之间是非线性关系，即变容二极管属于非线性电容，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，是较理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。想的高效率，低噪声非线性电容。 tcosm1Ctcosm1VV1CtcosVVV1VVVCVtcosVV1C)VtcosVVo(1

8、CCjQDo0oDDoD0Do0D0j 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V o和一个单频调制信号和一个单频调制信号 tcosV)t(v ，则结反偏电压：，则结反偏电压： C j QC jV RVO) t (v tcosVV)t(vV)t(vooR 而结电容：而结电容： 其中：其中： Do0jQVV1CC 为静态工作点的结电容。为静态工作点的结电容。 oDVVVm 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。 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，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

9、，没有画出直流馈电电路， 二，变容二极管直接调频性能分析二，变容二极管直接调频性能分析1 变容二极管直接调频原理电路变容二极管直接调频原理电路图中；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为高频扼流圈，阻止高为高频扼流圈，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电路，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，C j与振荡器与振荡器回路并联，回路并联，R1，R2为为C j的偏置电路，为的偏置电路，为C j提供静态直流偏压提供静态直流偏压 221ccoRRRVV ，而二极管的反偏电压为：，而二极管的反偏电压为： )t(vVvoR

10、+ vR-) t (v + Vo-DooffoDooooVvk, tcosvktcosVvvtcosm1)t( 其其中中则则由上电路可知，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)( tv）时的振荡频率时的振荡频率， 2 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=

11、2即满足线性调频即满足线性调频。 2 当当2 则则 2cos1)( tmto （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 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 ：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

12、 （3） omm 22)12(8 ：由于由于C jV d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。另外，定义调频灵敏度另外，定义调频灵敏度： DoooD0omfVV2VVVV2Vm2VS 调调制制信信号号振振幅幅最最大大角角频频偏偏三，变容管调频器的实际电路三，变容管调频器的实际电路（1）L1，C1、C2串联，串联，C3和反向串联的两个变和反向串联的两个变容二极管，三个支路并容二极管，三个支路并联组成电容反馈三点式联

13、组成电容反馈三点式振荡电路。振荡电路。 (2) 直流偏置电压直流偏置电压- -V Vo o同同时加在两个变容二极管时加在两个变容二极管的正极，调制信号的正极，调制信号 ) t (v 经经L4 负极上，二个二极管的负极上，二个二极管的动态偏置为动态偏置为： 扼流圈加在二极管扼流圈加在二极管)t (vv)t (v0d （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，对振荡回路串联后接入振荡回路，对振荡回路来说是部分接入，与单二极管直接接入比较，来说是部分接入，与单二极管直接接入比较，在在 相同的情况下，相同的情况下，m值降低。值降低。

14、mf （4）两变容二极管反向串联，对高频信号而言，）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，可减弱高频电加到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，一个变容管寄生电容增大，而另一个减周内，一个变容管寄生电容增大，而另一个减 少，使结电容的变化不少，使结电容的变化不对称性相互抵消，从而对称性相互抵消，从而 消弱寄生调制。消弱寄生调制。 )t (v 一，晶体振荡器直接调频一，晶体振荡器直接调频 在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，可以采用直在要求调频波中心频率稳定度较高，

15、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。接对晶体振荡器调频的方法。 85其它直接调频电路其它直接调频电路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C j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

16、元件化，如果压控元件C j受调制电压受调制电压 控制，则控制，则Pierce Oscillator就成为一个就成为一个晶体调频振荡器。晶体调频振荡器。)(tv 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C 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。 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

17、晶体调频振荡器，能获得最大频偏只有7.5KHZ，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，但缺点是最大缺点是最大频偏很小频偏很小，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 ) t (v 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

18、偏压由的方法来扩大调频的频偏，变容二极管的反向偏压由VCC经稳压管经稳压管2CZ14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电电阻加至变容管正极。改变阻加至变容管正极。改变47K电位器电位器W1的活动端可以调整变容管的的活动端可以调整变容管的Vo从而从而改变改变C j ，把调频器的中心频率调至规定值。调制信号，把调频器的中心频率调至规定值。调制信号 经经4.7K电位器电位器W2加于变容管，改变加于变容管，改变4.7K电位器电位器W2的活动头，可以调整加在变容二极管上的活动头，可以调整加在变容二极管上的调制信号电压幅值，从而获得要求的频偏。的调制

19、信号电压幅值，从而获得要求的频偏。)(tv 直接调频：优点：可以直接调频：优点：可以获得较大的频偏获得较大的频偏。缺点：。缺点：中心频率稳定中心频率稳定性差，性差，常采用常采用AFC电路来克服频率的偏稳。电路来克服频率的偏稳。而下图为间接调频的原理电路而下图为间接调频的原理电路,其关键电路是其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)t (v )t (vFM )t(v 85 间接调频（间接调频（indirect FM） 其基本电路是一个高频放大其基本电路是一个高频放大器，基级输入高频载波信号，集器，基级输入高频载波信号，集电极电流为高频载波电流电极电流

20、为高频载波电流io (t)经经过由过由L，C和和C j组成的谐振回路。组成的谐振回路。在高在高Q值及小失谐条件下，并联值及小失谐条件下，并联谐振回路电压谐振回路电压v与电流与电流iO之间的之间的相移关系为：相移关系为： )2(offQarctg io下图为一个利用变容二极管移相的下图为一个利用变容二极管移相的单回路移相器。单回路移相器。+V-) t (v ) t (vFM) t (vo02ffQ 式中：式中： 6 )2(offQarctg f LCf 210并联回路谐振频率并联回路谐振频率(当当时的回路谐振频率时的回路谐振频率)。0)( tvfo ；信号频率；信号频率 与回路谐振频率与回路谐振

21、频率 f0 之差。之差。Q：回路的品质因数。：回路的品质因数。0sfff sf6| 一般当一般当 时，则有：时，则有：jjjCCCCCC 如果设如果设CCj，则，则2)cos1(11 tmLCLCjQj 所以回路的谐振频率：所以回路的谐振频率：tmftffom cos2cos 而回路频率的频偏移为而回路频率的频偏移为:tcosmQ 所以：所以：)t (v dt)t (v 若将若将 先经积分器积分，则加在变容管上的调制电压为先经积分器积分，则加在变容管上的调制电压为 ，则单回路输出的调相电压的相移为：，则单回路输出的调相电压的相移为： dt)t(vmQ )dt)t(vmQtcos(V)t(voF

22、M 故可输出调频信号为：故可输出调频信号为：注意：其中注意：其中m为可变电容的调制度：为可变电容的调制度：oDVVVm 调频信号的解调是从调频波调频信号的解调是从调频波 中恢复出原调制中恢复出原调制信号信号 的过程，完成调频波解调过程的电路称为频率检波器的过程，完成调频波解调过程的电路称为频率检波器鉴频器鉴频器（frequencydis） )(cosdttvmtVvoFM ) t (v 常用的鉴频器有：常用的鉴频器有：振幅鉴频器（斜率鉴频器，振幅鉴频器（斜率鉴频器，slope discrimination） 功能：功能：FM波波FMAM波波包络检波器包络检波器调制信号调制信号相位鉴频器（相位鉴

23、频器，相位鉴频器（相位鉴频器，phaseshift discrimination） 功能：功能：FM波波PFFM波波相位检波相位检波输出调制信号输出调制信号比率鉴频器（比率鉴频器（ratio discrimination）：在相位鉴频器的基础上适当改进，）：在相位鉴频器的基础上适当改进，具有一定的限幅作用，可省去限幅器具有一定的限幅作用，可省去限幅器正交鉴频器（正交鉴频器（guadrature discrimination）：利用相乘器实现频率解调。）：利用相乘器实现频率解调。二二 鉴频特性：鉴频特性： 鉴频特性可以由鉴频特性可以由鉴频特性曲线鉴频特性曲线来全面描述。来全面描述。 87调频信号

24、的解调（调频信号的解调（FMdemoludation）鉴频特性曲线：鉴频特性曲线：反映了鉴频器输出电压反映了鉴频器输出电压 与输入信号电压与输入信号电压 的频的频偏偏之间的关系曲线。之间的关系曲线。ov)t(vFMf 一一 概述概述 鉴频器鉴频器)t (vvo ）或或 (f)t(vFMB max)t (vvo f )()()(ttvktofo 或：或： )()(2)(tfftvkftfofo 表明：表明：要实现无失真鉴频，要求鉴频器的输出电压要实现无失真鉴频，要求鉴频器的输出电压 与频偏与频偏 成线性关系，上图为典型鉴频特性曲线。成线性关系，上图为典型鉴频特性曲线。 )()(tvtvo )(t

25、f （1）定义：鉴频跨导）定义：鉴频跨导 表明了鉴频特性曲线在原点（表明了鉴频特性曲线在原点（）处的斜率，反映了鉴频灵敏度。）处的斜率，反映了鉴频灵敏度。显然希望显然希望SD值应尽可能的大值应尽可能的大。 0| foDfddvS0 f由调频信号的特征：由调频信号的特征：)(2)(tvktff 所以：所以：对鉴频特性曲线的主要要求：对鉴频特性曲线的主要要求：（2）鉴频器的峰值频带宽度）鉴频器的峰值频带宽度B max ，要求要求B max 应大于输入应大于输入FM波最大频偏波最大频偏摆动范围摆动范围。 mf 2f fo鉴频特性曲线：鉴频特性曲线：鉴相器是用来比较两个鉴相器是用来比较两个同频输入电压

26、同频输入电压 和和 的相位，而输出电压的相位，而输出电压是两个输入电压相位差的函数，是两个输入电压相位差的函数， )t (v1)t (v2)t(v0即即)()()(21ttftvo )t(vO当当线性鉴相的情况下，输出电压线性鉴相的情况下，输出电压 与与两个输入电压的瞬时相位差成正比。两个输入电压的瞬时相位差成正比。 鉴相器鉴相器)t()t(v11 )t()t(v22 )(tvo 鉴相器可实现鉴相器可实现PM信号的解调，但信号的解调，但也广泛用于解调也广泛用于解调FM信号信号，以及，以及锁相锁相技术及频率合成技术技术及频率合成技术中。如在以后介绍的中。如在以后介绍的相移鉴频器相移鉴频器和和正交

27、鉴频器正交鉴频器都有具都有具体应用。体应用。 鉴相器的实现方法：鉴相器的实现方法： 乘积型鉴相器乘积型鉴相器 叠加型鉴相器叠加型鉴相器三三 相位检波器（鉴相器相位检波器（鉴相器phase detector）)(: )(11tvt )(: )(22tvt 其中：其中：的瞬时相位。的瞬时相位。的瞬时相位。的瞬时相位。)()()(21ttktvo 即即2) t (t2cos)2) t (cos(VkV212tcosV)t (tcoskV) t (v) t (kv) t (vorsorosrs,o 则相乘器的输出信号则相乘器的输出信号 为：为：)t (vo1 乘积型鉴相器（乘积型鉴相器（product

28、 phase detector）下图为乘积型鉴相器的组成框图。下图为乘积型鉴相器的组成框图。 设：鉴相器输入设：鉴相器输入PM信号。信号。 )(cos)(ttVtvoss 即：即：)()(tvktP 而而)t (vr)t(vs而另一输入信号而另一输入信号 为为 的的同频正交载波同频正交载波。)2tcos(V)t (vorr 即：即：其中其中k为相乘器的乘积因子。为相乘器的乘积因子。经低通滤波器后，输出电压经低通滤波器后，输出电压为：为：)(tvo)(sin212)(cos21)(tVkVtVkVtvrsrso 可见：乘积型鉴相器具有可见：乘积型鉴相器具有正弦形鉴相特性正弦形鉴相特性相乘器相乘器

29、低通滤波器低通滤波器)t(vr) t (vs)t (v,0) t (v012|)t(| )()(sintt 另外，如果满足另外，如果满足 ，则有，则有 。)t(vK)t(vkVKV21)t(VkV21)t(vPPrsrso 所以所以-) t (vo)t ( )(tvo)(t 即输出电压即输出电压 与与 成线性关系，可实现线性鉴相。成线性关系，可实现线性鉴相。 注意：注意：乘积型鉴相器在电路结构上与同乘积型鉴相器在电路结构上与同步检波器是相同的，即只要输入调相信步检波器是相同的，即只要输入调相信号号 与与 的载波正交，同步检的载波正交，同步检波器就变成了乘积型鉴相器。波器就变成了乘积型鉴相器。

30、) t (vs) t (vr)t (vo)t (vo下图为叠加型鉴相器原理框图，以下采用平衡型鉴相器为例进行分析：下图为叠加型鉴相器原理框图，以下采用平衡型鉴相器为例进行分析： 2叠加型鉴相器（叠加型鉴相器（superposition phase detector）相加器相加器包络检波器包络检波器相加器相加器相加器相加器 包络包络检波器检波器 包络包络检波器检波器相加器相加器)t(vr)t (vs ) t (vs ) t (vr)t (v1d)t (v2d)(tvs)t(tsinV)t(voss )t(vk)t(p )t (vs设输入调相波设输入调相波 为：为：2sin)( tVtvorr而同频正交载波信号为：而同频正交载波信号为： )()()()(21tvtvvtvtvvsdsrd 则：则：利用矢量图可得合成电压振幅利用矢量图可得合成电压振幅) t (vs ) t ( vs ) t (vr) t (v1d) t (v2d )t (vo)(tvs)t (v1d) t (v2d)t