高频第8章调角信号的解调电路

1、第八章调角信号的解调电路 第一节第一节 概述概述一、调角信号的解调电路的功能一、调角信号的解调电路的功能 调角信号的解调电路的功能是从调角波中取出原调制信号。对于调角信号的解调电路的功能是从调角波中取出原调制信号。对于调相波的解调电路来说，是从调相波中取出原调制信号，即输出电调相波的解调电路来说，是从调相波中取出原调制信号，即输出电压与输入信号的瞬时相位偏移成正比，又称为鉴相器。对于调频波压与输入信号的瞬时相位偏移成正比，又称为鉴相器。对于调频波的解调电路来说，是从调频波中取出原调制信号，即输出电压与输的解调电路来说，是从调频波中取出原调制信号，即输出电压与输入信号的瞬时频率偏移成正比，又称为

2、鉴频器。入信号的瞬时频率偏移成正比，又称为鉴频器。 二、鉴相器的主要技术指标二、鉴相器的主要技术指标 鉴相器的主要指标是鉴相器的主要指标是(1)鉴相特性曲线，即鉴相器输出电压与鉴相特性曲线，即鉴相器输出电压与输入信号的瞬时相位偏移输入信号的瞬时相位偏移的关系。通常要求是线性关系。的关系。通常要求是线性关系。(2)鉴相跨导，鉴相器输出电压与输入信号的瞬时相位偏移鉴相跨导，鉴相器输出电压与输入信号的瞬时相位偏移的关系的比例系数。的关系的比例系数。(3)鉴相线性范围，通常应大于调相鉴相线性范围，通常应大于调相波最大相移的二倍。波最大相移的二倍。(4)非线性失真，应尽可能小。非线性失真，应尽可能小。概

3、述概述l鉴频器的主要技术指标鉴频器的主要技术指标 鉴频器的主要指标是鉴频器的主要指标是(1)鉴频特性曲线，即鉴频器输出电压与鉴频特性曲线，即鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频率偏移输入信号的瞬时频率偏移f的关系。通常要求是线性关系。的关系。通常要求是线性关系。(2)鉴频跨导，鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频率偏移的鉴频跨导，鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频率偏移的关系的比例系数。关系的比例系数。(3)鉴频线性范围，通常应大于调频波最大鉴频线性范围，通常应大于调频波最大频移的二倍。频移的二倍。(4)非线性失真，应尽可能小。非线性失真，应尽可能小。概述概述 第二节第二节 鉴相器鉴相器 鉴相电路通常可

4、分为模拟电路型和数字电路型两大类。而鉴相电路通常可分为模拟电路型和数字电路型两大类。而在集成电路系统中，常用的电路有乘积型鉴相和门电路鉴相。在集成电路系统中，常用的电路有乘积型鉴相和门电路鉴相。鉴相器除了用于解调调相波外，还可构成移相鉴频电路。特鉴相器除了用于解调调相波外，还可构成移相鉴频电路。特别是在锁相环路中作为主要组成部分得到了广泛的应用。别是在锁相环路中作为主要组成部分得到了广泛的应用。 l 乘积型鉴相电路乘积型鉴相电路 l 门电路鉴相器门电路鉴相器 乘积型鉴相电路乘积型鉴相电路 这种鉴相电路采用模拟乘法器作为非线性器件进行频率变换，这种鉴相电路采用模拟乘法器作为非线性器件进行频率变换

5、，然后通过低通滤波器取出原调制信号。其方框原理图如图所然后通过低通滤波器取出原调制信号。其方框原理图如图所示。图中示。图中u1是需解调的调相波，是需解调的调相波，u2是由是由u1变化来的或是系变化来的或是系统本身产生的与统本身产生的与u1有确定关系的参考信号。有确定关系的参考信号。乘积型鉴相方框图乘积型鉴相方框图 设设u1、u2为正交关系，即为正交关系，即 u1=U1mcosct+1(t) u2=U2msinct+2(t) 因为因为u2是参考信号，是参考信号，2(t)通常为通常为0或为常数。为了分析的简或为常数。为了分析的简单，取单，取2(t)=0。 根据根据U1m和和U2m的大小不同，鉴相电

6、路有三种工作情况：的大小不同，鉴相电路有三种工作情况：lu1和和u2均为小信号；均为小信号；lu1和和u2均为大信号；均为大信号；lu1为小信号，为小信号，u2为大信号为大信号. 1、u1和和u2均为小信号均为小信号 当当u1和和u2均小于均小于26mV时，根据模拟乘法器特性，其输出电流时，根据模拟乘法器特性，其输出电流为为 i=KMu1u2=KMU1mU2mcosc+1(t)sinct经低通滤波器，在负载经低通滤波器，在负载RL上可得输出电压为上可得输出电压为 uo=-KMU1mU2mRLsin1(t) 从鉴相特性曲线可以看出鉴相器的两个主要指标：从鉴相特性曲线可以看出鉴相器的两个主要指标：

7、 (1)鉴相跨导鉴相跨导，其定义为，其定义为 对于对于u1、u2均为小信号且均为小信号且e rad时的鉴相跨导为时的鉴相跨导为 00ddeeuS621SKMU1mU2mRL (2)线性鉴相范围线性鉴相范围 它表示不失真解调所允许输入信号的最大相位变化范围，它表示不失真解调所允许输入信号的最大相位变化范围，用用emax表示。表示。 emax= rad 6 应该说明的是，正弦形鉴相特性对使用者来说比较方便和直观。应该说明的是，正弦形鉴相特性对使用者来说比较方便和直观。因为因为e=0时时uo=0，而当，而当e在零点附近作正负变化时，在零点附近作正负变化时，uo也相应也相应地在零值附近作正负变化。若地

8、在零值附近作正负变化。若u1、u2之间无固定相位差之间无固定相位差/2，则鉴，则鉴相特性将是余弦形，在实际应用中，有时会感到不方便。相特性将是余弦形，在实际应用中，有时会感到不方便。 2、u1为小信号，为小信号，u2为大信号为大信号 在在u1为小信号，为小信号，u2为大信号条件下，乘法器的输出电流为大信号条件下，乘法器的输出电流i可可表示为表示为 i=KMu1thu2 按傅氏级数展开为按傅氏级数展开为 tttkTquthccc5sin543sin34sin422相乘后的输出电流为相乘后的输出电流为 )(4sin32)(2sin32 )(2sin2)(sin2 3sin34sin4)(cos 2

9、th11111111121ttUKttUKttUKtUKttttUKukTquKicmMcmMcmMmMcccmMM经低通滤波器取出输出电流的低频分量，在负载经低通滤波器取出输出电流的低频分量，在负载RL上得到输出电压为：上得到输出电压为：(t)sinURK211mLMou鉴相特性曲线仍是正弦形鉴相特性曲线仍是正弦形， 只是鉴相跨导为只是鉴相跨导为 1mLMURK2S3、u1和和u2均为大信号均为大信号 在在u1和和u2均为大信号的条件下，乘法器的输出电流均为大信号的条件下，乘法器的输出电流i可表可表示为示为212th2thukTqukTqKiMttttttttttKicccccccM5sin

10、543sin343sin34sin4 )(5cos54)(3cos34)(cos4111经低通滤波器取出低频分量，在负载经低通滤波器取出低频分量，在负载RL上建立电压为上建立电压为 11212121212)() 12sin() 12(18 )(5sin58)(3sin)3(8)(sin8nnLMLMotnnRKtttRKu对应于对应于-/21(t)/2区间，输出电压为区间，输出电压为)(RI21L0tS 两个输入信号均为大信号时，其鉴相特性为三角波形。在两个输入信号均为大信号时，其鉴相特性为三角波形。在-/21(t)/2区间，鉴相特性是线性的。区间，鉴相特性是线性的。线性鉴相范围为：线性鉴相范

11、围为： emax=/2 比正弦形鉴相特性的线性鉴相范围大。而鉴相跨导为比正弦形鉴相特性的线性鉴相范围大。而鉴相跨导为 L0RI2S 第三节第三节 鉴频器鉴频器 l 双失谐回路鉴频器双失谐回路鉴频器 l 相位鉴频器相位鉴频器 l 比例鉴频器比例鉴频器 l 相移乘法鉴频器相移乘法鉴频器 l 脉冲均值型鉴频器脉冲均值型鉴频器 调频信号的解调是从调频波调频信号的解调是从调频波 中恢复出中恢复出原调制信号原调制信号 过程，完成调频波解调过程的电路称为频率检波器过程，完成调频波解调过程的电路称为频率检波器 )(cosdttumtUuoFM )(tu 双失谐回路鉴频器双失谐回路鉴频器 双失谐回路鉴频器是由三

12、个调谐回路组成的调频双失谐回路鉴频器是由三个调谐回路组成的调频-调幅调调幅调频变换电路和上下对称的两个振幅检波器组成。频变换电路和上下对称的两个振幅检波器组成。初级回路谐初级回路谐振于调频信号的中心频率振于调频信号的中心频率c，其通带较宽。次级两个回路，其通带较宽。次级两个回路的谐振频率分别为的谐振频率分别为01、02，并使，并使01与与02与与c成对称成对称失谐。即失谐。即c-01=02-c。 双失谐鉴频器原理图双失谐鉴频器原理图 双失谐回路鉴频器双失谐回路鉴频器 双失谐回路鉴频器的特性双失谐回路鉴频器的特性 双失谐回路鉴频器双失谐回路鉴频器 图示左边是双失谐回路鉴频器的幅频特性，其中实线表

13、示第图示左边是双失谐回路鉴频器的幅频特性，其中实线表示第一个回路的幅频特性，虚线表示第二个回路的幅频特性，这一个回路的幅频特性，虚线表示第二个回路的幅频特性，这两个幅频特性对于两个幅频特性对于c是对称的。当输入调频信号的频率为是对称的。当输入调频信号的频率为c时，两个次级回路输出电压幅度相等，经检波后输出电时，两个次级回路输出电压幅度相等，经检波后输出电压压uo=uo1-uo2，故，故uo=0。当输入调频信号的频率由。当输入调频信号的频率由c向向升高的方向偏离时，升高的方向偏离时，L2C2回路输出电压大，而回路输出电压大，而L1C1回路输回路输出电压小，则经检波后出电压小，则经检波后uo1uo

14、2，则，则uo=uo1-uo2uo2，则，则uo=uo1-uo20。其总鉴频特性在图的右下边所示。其总鉴频特性在图的右下边所示。 双失谐回路鉴频器双失谐回路鉴频器 双失谐回路鉴频器的实用电路 双失谐回路鉴频器双失谐回路鉴频器 相位鉴频器相位鉴频器 相位鉴频器是利用双耦合回路的相位相位鉴频器是利用双耦合回路的相位-频率特性将调频波频率特性将调频波变成调幅调频波，通过振幅检波器实现鉴频的一种鉴频器。变成调幅调频波，通过振幅检波器实现鉴频的一种鉴频器。它常用于频偏在几百它常用于频偏在几百kHz以下的调频无线接收设备中。常用以下的调频无线接收设备中。常用的相位鉴频器根据其耦合方式可分为互感耦合和电容耦

15、合两的相位鉴频器根据其耦合方式可分为互感耦合和电容耦合两种鉴频器。由于其工作原理相同，所以下面仅讨论互感耦合种鉴频器。由于其工作原理相同，所以下面仅讨论互感耦合相位鉴频器。相位鉴频器。相位鉴频器相位鉴频器 一、一、 电路结构和基本原理电路结构和基本原理+ u3 -+u2-+u1-LcC2C1VD2VD1R1R2EcC4C3VTCcML2L1LcC2C1VD2VD1R1R2EcC4C3VTCcML2L1uFM+ u3 -+u2-+u1-另外，另外，u1经耦合电容经耦合电容CC在扼流圈在扼流圈LC上产生的电压上产生的电压u3=u1。 242131,RCVDRCVD2 包络检波器：包络检波器：组成平

16、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 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，次级双调谐耦合回路组成的移的初，次级双调谐耦合回路组成的移相网络，相网络，u1经移相网络生成经移相网络生成PM-FM波波u2，并使并使 |U1|=|U2|相位鉴频器相位鉴频器二、工作原理分析：二、工作原理分析：上下检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：1i111uij

17、L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 21121uuud 21221uuud VD1C3R1C4R2VD2221u221u13uu 1ou ou 2ouud1ud2相位鉴频器相位鉴频器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(222211222CLjrCuLMjCjiu LcC2C1VD2VD1R1R2EcC4C3VTCcML2L1i1

18、i2相位鉴频器相位鉴频器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 (/2)112102 2102 2juuMMujeLC rLC r 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(222211222CLjrCuLMjCjiu 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|ddddodd

19、ddoUkuKuUkuKu则有：则有：0)(2121 dddoooUUKuuu所以：所以：工作原理分析工作原理分析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/2，221u221u 1u1du2du 所以：所以：|Ud1|Ud2|0|)|(|21 dddoUUKu工作原理分析工作原理分析（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 0(90)112122122|juuMMujeLC ZLCZ 注意：式中注意：式中 为为次级回路阻抗。次级回路阻抗。)1(2222CLj

20、rZ 工作原理分析工作原理分析工作原理分析工作原理分析所以：所以：0(90)11212222|juuMMujeLZ CLZC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的相位差大于的相位差大于/2，且且所以有：所以有： |Ud1|Ud2| 0|)|(|21 dddoUUKu221u221u 1u1du2du （3）当）当f fo 时，时， 次级回路呈电容性。次级回路呈电容性。 0C1L22 221u221u 1u1du2duf fo221u221u 1u1du2duuoo工作原理分析工作原理分析工作原理分析工作原理分析根据上述分

21、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

22、用，为了抑制调频信号在传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，而限幅器要求输入放末级电路中加限幅器，而限幅器要求输入FM信号的电压信号的电压幅值较大，这就增加了调频接收机中所需的中放和限幅放大幅值较大，这就增加了调频接收机中所需的中放和限幅放大器的级数。而器的级数。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，且只要求前级且只要求前级中放提供零点几伏的中放提供零点几伏的FM信号电压就能正常工作，不需要另信号电压就能正常工作，不需要另加限幅放大器，这使

23、调频接收机的电路简化，加限幅放大器，这使调频接收机的电路简化，体积可能缩小，体积可能缩小，降低成本。降低成本。比例鉴频器比例鉴频器 （ratio discriminator）比例鉴频器比例鉴频器 一一 电路结构电路结构 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

24、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。 CD+u1 - -+u2 - -uFM+ uo- -LcCoVTVD2VD1C2C1R1R2CcEcC4C3L1L2MRLCLAB+u1 - -+u2 - -LcCoVTVD2VD1C2C1R1R2CcEcC4C3L1L2MRLCLEoCDuFMAB 比例鉴频器在输入端的频率比例鉴频器在输入端的频率相位变换电路与和互感相位鉴频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。器是相同的，右图为其等效电路。有：有： 1221212

25、2uuuuuudd0( 90)112122122|juuMMujeLC ZLC Z其中：其中：而而)1(2222CLjrZ 2221rCLarctg +uo1-+uo2-ud1ud2+E o- -+ uo - -+ u1 - -VD1C3R1C4R2VD2CLRLCo 221u 221u比例鉴频器比例鉴频器 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：|2211ddoddoUKuUKu212111()(|)22oooddduuuKUU而比例鉴频器的输出电压：而比例鉴频器的输出电压：11oRuu 22

26、Roouuu比例鉴频器比例鉴频器11Roouuu 212111()(| |)22ooddduuKUU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) 01 CL 由矢量图可得由矢量图可得|ud2|ud1|，即，即Ud2Ud1 0)(21d1d2do UUKuud1ud2u1-u1Ud1U

27、d2u221二二 工作原理工作原理比例鉴频器比例鉴频器（3）当）当f|ud2|，即，即Ud1Ud2 ud1ud2u1-u121u2Ud1Ud20)(21d1d2do UUKu比例鉴频器比例鉴频器 由此可见，比例鉴频器的鉴频特性曲线如图所示，由此可见，比例鉴频器的鉴频特性曲线如图所示，只要工作在鉴相特性的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线性鉴相区，就可以还原出原调制信号)(tu f=foffouo=0uo 0ffouo 021u2ud1ud2u1-u1Ud1Ud2ud1ud2u1-u1Ud1Ud2u221ud1ud2u1-u121u2Ud1Ud2fuof ofm- -fmf

28、(t)比例鉴频器比例鉴频器三、三、 自限幅原理自限幅原理 比例鉴频器的输出电压比例鉴频器的输出电压uo只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 1221211212112121比例鉴频

29、器比例鉴频器可见，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| 比例鉴频器比例鉴频器 自限幅特性分析自限幅特性分析 比例鉴频器不需要前置限幅器，它本身就具有抑制寄比例鉴频器不需要前置限幅器，它本身就具有抑制寄生调幅所产生的干扰的能力，在比例鉴频器中，由于生调幅所产生的干扰的能力，在比例鉴频器中，由于C0的电容量很大，因此电压的电容量很大，因此电压E0基本稳定不变，它只决定于基本稳定不变，它只决定于调频波的载波振幅，而与其频偏及寄生调幅都无关调频

30、波的载波振幅，而与其频偏及寄生调幅都无关. 当输当输入信号振幅由于干扰突然变大时，由于电压入信号振幅由于干扰突然变大时，由于电压E0基本恒定基本恒定可迫使信号振幅减小。反之亦然。因而很好地起到了稳幅可迫使信号振幅减小。反之亦然。因而很好地起到了稳幅的作用。的作用。 比例鉴频器比例鉴频器相移乘法鉴频器相移乘法鉴频器四、相移乘法鉴频器四、相移乘法鉴频器 相移乘法鉴频器的方框原理图。它是由进行调频相移乘法鉴频器的方框原理图。它是由进行调频调调相调频波形变换的移相器、实现相位比较的乘法器和低相调频波形变换的移相器、实现相位比较的乘法器和低通滤波器组成。通滤波器组成。相移乘法鉴频器方框图相移乘法鉴频器方

31、框图 移相网络及其特性移相网络及其特性 相移乘法鉴频器相移乘法鉴频器 目前广泛采用谐振回路作为移相器。图示是一个由电目前广泛采用谐振回路作为移相器。图示是一个由电容容C1和单调谐回路和单调谐回路LC2R组成的分压传输移相网络。设组成的分压传输移相网络。设输入电压为输入电压为 ，则输出电压为，则输出电压为 1U2U2U)j/1 ()(j)/1 (jj1j11)j/1 (j1j1121121212LCCRCLCRCLCRUU相移乘法鉴频器相移乘法鉴频器令令0=1/L(C1+C2), QL=R/(0L)=R0(C1+C2C2)，则在则在在在0附近变化时附近变化时 j1j)(2j1j110012RCUQRCUULi式中式中=2(-0)QL/0为广义失谐量。为广义失谐量。 相移乘法鉴频器相移乘法鉴频器移相网络传输的幅频特性移相网络传输的幅频特性K()和相频特性和相频特性()分别为分别为 K()= ()=211RCarctan2相移乘法鉴频器相移乘法鉴频器对于输入调频信号来说，其瞬时频率对于输入调频信号来说，其瞬时频率(t)=c+kfu(t)=c+。因为要求移相网络的因为要求移相网络的0=c，则，则()= cfLcLtukQQ)(2222输入为调频波时，经移相网络产生调相调频波的相