射频通信电路- 调制与解调电路

第九章调制与解调电路调幅－平衡调制与相干解调、包络检波调频－直接调频与间接调频、鉴频电路其他－载波提取、正交信号形成12/9/20221第九章内容目录9·1调制与解调器平衡调制器、相干解调器9·2载波提取9·3正交信号形成电路9·4调幅波的包络检波电路包络检波电路、同步检波9·5调频电路直接调频电路、间接调频电路9·6鉴频电路斜率鉴频·正交鉴频·FSK双滤波器解调·锁相鉴频12/9/202229·0调制与解调调制方式频谱特点带宽调制方式解调方式模拟调制调幅AM线性搬移2FmaxC类功放调幅包络检波DSB乘法器＋滤波器相干解调SSBFmax调角FM非线性搬移2(mf+1)F直接调频间接调频斜率鉴频正交鉴频锁相鉴频PM数字调制ASK线性搬移2Fmax乘法器＋滤波器相干解调PSKFSK非线性搬移直接调频同FM12/9/202239·1调制与解调器一、二极管平衡调幅电路采用二极管实现调幅电路时，输入信号可以是较小的信号或较大的信号两种情况。信号小时二极管的特性可以用幂级数展开逼近信号大时二极管的特性要用开关函数描述由于采用小信号鼓励方式在产生w±W的同时，会产生w±2W的频率分量，很难通过滤波的方法去除，故多数情况下都采用开关函数的工作方式，我们也就以开关函数分析方法来分析二极管调制器的工作原理。12/9/202249·1调制与解调器1、平衡调制器电路12/9/202259·1调制与解调器2、双平衡调制器和平衡调制器相比，有用频率分量幅度加倍，且无W频率分量12/9/202269·1调制与解调器二、相干解调从频率上看，振幅解调是把已调波的边带搬回到低频，也属于线性频谱搬移，所以实现的根本方法还是在时域上将两个信号相乘，并通过滤波器滤出所需要的信号。从调幅信号中解调出调制信号的过程也称为检波.设输入的DSB信号和参考信号分别为：12/9/202279·1调制与解调器乘法器输出为：经滤波器后得到：从上式可以看出，假设要从输出中得到调制信号cosWt，就必须要求Dw=0，j=0=>参考信号必须与发端载波同频同相。假设接收信号为单边带信号，也可以得出完全相同的结论。12/9/202289·2包络检波电路调幅信号解调的方法可以分为两大类：相干解调和非相干解调。相干解调是用与发端载波完全同频同相的本地参考信号去和接收到的信号相乘，以实现频谱搬移；非相干解调那么是利用所接收到的信号中的载波分量和边频分量共同作用到非线性器件上所形成的合频和差频效果，实现频谱的向下搬移作用。相干解调适用于所有的调幅信号；非相干解调那么只能用于AM信号。12/9/202299·2包络检波电路对检波器的要求通常有：检波效率：无源检波器Kd小于1，越大越好。检波失真：用解调输出中的高次谐波分量之和与基波分量的比值表示。其值越小越好。检波器输入电阻：检波器输入端的中频电压与中频电流之比。其值越大越好。12/9/2022109·2包络检波电路包络检波电路的构成

非线性器件＋低通滤波器二极管RC滤波设输入信号〔普通调幅波AM信号〕RC滤波器的取值原那么一般为：RC>>1/wc，以保证电容C对高频载波近似短路，滤除输出信号的高频局部；RC<1/Wmax，保证低频调制信号可以通过RC低通滤波器。12/9/2022119·2包络检波电路小信号二极管平方律检波加到二极管上的电压vi小于0.2V时，如图电路工作在平方律检波特性方式下。为保证二极管导通，需要加偏置电压VQ。输出电压很小，分析时忽略其反响效应。12/9/2022129·2包络检波电路在仅考虑二极管的伏安特性幂级数展开式中的二次以下项作用时，其输出的直流分量和低频基波分量的大小均与输入中频信号的幅度的平方成正比。=>有失真；可用于检测中频信号的功率。输入信号vi(t)是一普通调幅波AM信号:低频局部包含哪些频率分量？12/9/2022139·2包络检波电路大信号二极管峰值包络检波电路如图。由于二极管的单向导电性，载波一周期内电容C上充电速度远远大于放电速度，电容电压维持在载波电压峰值附近，并随载波电压幅度缓慢变化。12/9/2022149·2包络检波电路

把二极管用折线特性逼近，并考虑到平均直流偏压Vo对二极管构成的负偏压，可以得到：12/9/2022159·2包络检波电路由以上分析可得，其性能指标为：检波系数：输入电阻：12/9/2022169·2包络检波电路检波失真:检波器因参数设置不合理，可能产生两种失真：惰性失真和底边切割失真。12/9/2022179·2包络检波电路检波失真——惰性失真〔对角切割失真〕RLC太大，放电速率跟不上包络变化速率所致。不失真＝>最低放电速率大于包络变化速率分析可得不失真条件:12/9/2022189·2包络检波电路检波失真——底边切割失真〔负峰切割失真〕输出端对W频率分量的交直流负载阻抗不同，Cc上的直流压降导致二极管负端有一个不变的直流电压，输入小于该电压时二极管将不导通。=>底边切割失真。直流偏压：不失真要求：频率响应要求：考虑上下限频率的影响，要求：12/9/2022199·2包络检波电路二极管并联检波器当高频信号源处于直流高电位时，应用并联检波器.

R上的输出电压含有载波频率分量，必须再经过低通滤波才能得到解调信号。其输入阻抗为Ri=R/312/9/2022209·2包络检波电路叠加型同步检波器叠加型同步检波器是在参考信号与输入信号相加，所得到的合向量的幅度与调制信号近似成正比关系的根底上，利用包络检波器检出其幅度信息来实现解调的。12/9/2022219·2包络检波电路对于DSB信号有：当Vrm>Vsm时，v为一普通调幅波，可以用包络检波器正确解调。对于SSB信号，有：12/9/2022229·2包络检波电路从式中可以看出，当Vsm/Vrm<<1时，其幅度表达式与普通调幅波相同，可以用包络检波器进行解调。12/9/2022239·2包络检波电路利用平衡检波电路可以有效地抵消W的偶次谐波分量，改善非线性失真。图〔b〕是由并联检波器构成的平衡检波器，输出必须要加低通滤波器，才能得到解调信号。12/9/2022249·3数字调制与解调1、QPSK调制的根本原理框图12/9/2022259·3数字调制与解调2、QPSK解调的根本原理框图12/9/2022269·3数字调制与解调数字调制的实现方法以8PSK信号为例，其中横轴为I分量(Coswct)，纵轴为Q分量(Sinwct)，星座图上各信号点由I、Q分量的线性组合得到。8PSK的星座图12/9/2022279·3数字调制与解调利用如图两个模拟乘法器来实现该8PSK信号12/9/2022289·3数字调制与解调可以得出以下关系式：vB2-IvB1-IvB0-IvB2-QvB1-QvB0-Q0o111x-1-145o11—111-190ox-1-1111135o-11-111-1180o-111x-1-1225o-11-1-11-1270ox-1-1-111315o11-1-11-1I路信号幅度I路信号符号I路信号载波Q路信号幅度Q路信号符号Q路信号载波12/9/202229载波提取在相干解调过程中，一个关键技术就是如何获得相干信号，即载波信号。9·4载波提取与正交信号形成常用的产生载波信号的方法1、发端发送局部载波，经滤波放大得到。2、锁相环路跟踪输入载波频率变化得到。3、运算产生再把2wc送到二分频器，可以得到载频信号。12/9/2022309·4载波提取与正交信号形成平方环BPSK信号的解调取出其中频率为2wc的分量，再通过2分频就可以得到符合要求的载波。12/9/2022319·4载波提取与正交信号形成对输入信号进行4次方的非线性处理的目的，同样也是要消除调制信息。12/9/2022329·4载波提取与正交信号形成如何实现平方运算？平方环中的平方运算也可以采用倍频器。最简单的倍频器就是类似电源电路中的全波整流电路。12/9/202233考斯塔斯环9·4载波提取与正交信号形成利用相乘运算代替平方环中的平方运算，得到的误差控制电压v6与a(t)无关。该系统在提取载波的同时，进行了解调。12/9/202234正交信号形成9·4载波提取与正交信号形成移相法只有当1/RC＝w0，才能保证两路输出信号的幅度相等。电路结构简单，但工作频带窄。12/9/2022359·4载波提取与正交信号形成12/9/2022369·4载波提取与正交信号形成数字分频法：4分频法2分频法12/9/2022379·5调频电路一、调频电路的根本技术要求〔1〕调制灵敏度：单位电压引起的频率偏移量〔2〕调制特性线性度〔3〕载波频率稳定度12/9/2022389·5调频电路（4）最大频偏Dfm

小频偏调频：广播电视用大频偏调频：卫星通信用（5）调制电路的频率响应二、调频方法(1)直接调频：频偏大，中心频率不稳定。变容二极管调频；电抗管调频；张弛振荡器调频。(2)间接调频：调制信号积分后以调相的方式实现调频。中心频率稳定，频偏小。变容二极管调相；可变时延法调相12/9/2022399·5调频电路三、直接调频电路1、变容二极管直接调频电路大频偏直接调频电路：变容二极管作为回路的总电容接入回路。图中，L1为高频扼流圈，它对高频近似开路；C2为高频滤波电容，它对高频接近短路，而对调制频率容抗近似开路。它们的作用是有效地将vW和VQ加到变容管上，且防止控制电路对振荡回路性能的影响。C1为耦合电容，起隔直作用。12/9/2022409·5调频电路变容二极管两端的反向偏压：设调制信号为：变容二极管结电容：12/9/2022419·5调频电路其中：设wosc=w0，那么在vW作用下的瞬时角频率为：此式称为调制特性方程，其中静态(vW=0)振荡频率为：12/9/2022429·5调频电路讨论：〔1〕假设选用n＝2的超突变结变容管，那么可实现不失真的线性调频。〔2〕假设选用n≠2的变容管，导致：非线性失真、中心频率偏移。假设M比较小，忽略调制特性方程的幂级数展开式中的3次方及其以上各项，可得：12/9/2022439·5调频电路最大频偏：调制灵敏度：瞬时角频率：12/9/2022449·5调频电路调制失真：调制信号的二次谐波分量所引起的频偏与基波引起的最大频偏之间的比值。载频漂移：直流分量引起的调制后载频频率偏移。讨论——用变容二极管作回路总电容优点：频偏大，调制灵敏度高。缺点：变容管静态结电容CjQ容易受外接干扰，会直接引起振荡器中心频率wc的变化。可以看出，当n=2时，无调制失真，也无载频漂移。12/9/2022459·5调频电路2、小频偏变容二极管直接调频电路对于要求载波频率稳定度很高的应用场合，一般采用变容二极管局部接入的电路形式。12/9/2022469·5调频电路将上式展开为幂级数，只考虑二次方以下的项，那么有：其中:12/9/2022479·5调频电路最大频偏:中心频率偏移:调制失真:调制灵敏度：12/9/2022489·5调频电路讨论：〔1〕局部接入减小了Dfc和kf2的值，但也减小了Dwm。〔2〕要得到线性调频，必须要使用n>2的晶体管。〔3〕Cj变化范围一定时，

C1主要影响高频区的频率覆盖；

C2主要影响低频区的频率覆盖

=>适中选取C1，C2，在所需的频率范围内可得到

较好的调制特性。12/9/2022499·5调频电路12/9/2022509·5调频电路3、晶体振荡器直接调频电路利用晶体振荡器进行直接调频，可以得到很高的中心频率稳定度。但由于晶体的感性区很窄，可得到的最大频偏较小，一般Dfm/fm为10－3~10-4。晶体调频振荡器电路如图：变容二极管与晶体串联，交流等效电路为：12/9/2022519·5调频电路等效谐振回路为：相当于局部接入的调频电路中C1＝0，C2＝Cq的情况，有结论：12/9/2022529·5调频电路另一种晶体调频振荡器电路如图，在晶体和变容二极管的支路中串入电感，以扩大线性频偏区域。12/9/2022539·5调频电路4、张驰振荡器直接调频用音频调制信号控制射极电流I0从晶体管集电极可得调频方波，电容两端得调频三角波主要问题：如何获取正弦波滤波法非线性网络变换12/9/2022549·5调频电路四、间接调频电路1、矢量合成法对于单音调制的调相信号，有：考虑到Mp<p/12时，窄带调相有：可得：间接调频是通过调相的方法来实现调频。有三种实现调相的方法：矢量合成法、可变相移法和可变时延法。12/9/2022559·5调频电路2、可变相移法用变容二极管实现对回路谐振频率进行控制，从而实现对输入信号相位的控制。iC在谐振回路上的响应电压vo的幅度由Z(wc)决定，相移由jZ(wc)决定。在相移小于30o时，有：12/9/2022569·5调频电路对于变容管全部接入回路的调频电路，其回路的中心频率为：相移为：讨论：〔1〕会产生寄生调幅＝>jZ(wc)<p/6＝>最大相偏mp受限。〔2〕多级级联扩大相偏；为减小各级之间的影响，采用小电容耦合。12/9/2022579·5调频电路单级调相电路三级调相电路12/9/2022589·5调频电路3、可变时延法如果时延随调制信号线性变化，那么如图电路可实现线性调相。12/9/2022599·5调频电路输入载频脉冲触发锯齿波发生器，再与受调制信号控制变化的门限电平相比较，vW越大，门限电平就越高，导致延时就会越长，相移也就越大。

可知远远大于p/6。脉冲调相各局部波形如右图所示12/9/2022609·5调频电路五、间接调频的频偏扩展1、间接调频与直接调频的性能差异任何一种调相电路，能够提供的最大线性相移MP均受调相特性非线性的限制，值都比较小；作为间接调频电路时，输出调频波的最大调频指数同样会受到调相特性非线性的限制，最大值只能到达调相时最大线性相移MP。12/9/2022619·5调频电路调相电路一定时，Mf就被限定了。W一定时，VWm亦即相应的Dwm也就被限定了，与载波频率wc无关。结论：两种电路受到调制特性非线性限制的参数不同。间接调频：最大绝对频偏Dwm

直接调频：最大相对频偏Dwm/wc调频电路中，VWm亦即相应的Dwm的增大受调频特性非线性的限制，但其值与载波频率wc成正比。间接调频的最大mp在调制信号vW的最低频率分量下得到。〔积分导致W出现在分母上〕＝>计算时以最低调制频率为准。12/9/2022629·5调频电路(1)直接调频相对频偏Dwm/wc受限；间接调频调相指数mp受限(2)扩展频偏的方法：a、用混频器将载波频率降低到规定值，从而扩展最大相对频偏；b、用倍频器将信号的频率和最大频偏同时改变，从而扩展最大绝对频偏。直接调频先在较高频率下调频，再混频到较低的频率下；间接调频先在较低的频率下调相，再倍频到高频下.讨论：12/9/2022639·5调频电路间接调频的频偏扩展调频播送发射机扩展频偏方法12/9/2022649·5调频电路例：一调频发射机，采用矢量合成法调相电路，要求产生载波频率为100MHz，最大频偏为75kHz的调频波，请画出其实现框图。〔调制信号频率范围100～15000Hz〕

由此求出所需的倍频次数一般倍频器是2、3、4倍较多，故首选4倍频器级联实现，所需倍频次数为：故需5级4倍频器。又由于故应再级联一级3倍频器，求出调相器处最大频偏为：解：在最低调制频率100Hz下不失真＝>mp=p/12，

有最大频偏:载波那么被倍到307.2MHz，再和207.2MHz本振混频，可得到：fc=100MHz,Dfm=75kHz的调频波。12/9/2022659·5调频电路实际中混频一般在较低的频率处便于实现，故在三级4倍频器，一级三倍频器后混频。f01=19.2MHz混到f01=100MHz/16=6.25MHz,然后在两次4倍频即可。可以用如图方案实现所需的发射机：12/9/2022669·6鉴频电路鉴频即对调频波的解调，将调频波的频率变化规律〔也即调制信号〕变换为输出电压。鉴频器的主要性能指标鉴频器的中心频率鉴频特性线性度鉴频灵敏度线性鉴频范围鉴频的主要方法斜率鉴频 正交鉴频脉冲计数式鉴频 锁相鉴频12/9/2022679·6鉴频电路〔2〕相位鉴频器〔PhaseDiscrimina