高频电子线路第7章

第7章角度调制与解调

7.1调角波的性质7.2调频器与调频方法7.3调频电路7.4鉴频器与鉴频方法7.5鉴频电路7.6调频收发信机及特殊电路高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第1页!

在通信系统中，角度及解调电路不同于频谱线性搬移电路。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调制信号所进行的频谱变换，这种变换不是线性变换，而是非线性变换。因此，我们把角度调制及调角波的解调电路称为频谱非线性变换电路。

调频（ＦＭ）：如果高频振荡器的频率变化量和调制信号成正比，则称调频。

调相（ＰＭ）：如果高频振荡器的相位变化量和调制信号成正比，则称调相。7.1调角波的性质高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第2页!

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，将调频和调相统称为调角。

因为相位是频率的积分,故频率的变化必将引起相位的变化,反之亦然,所以调频信号与调相信号在时域特性、频谱宽度、调制与解调的原理和实现方法等方面都有密切的联系。

角度调制与解调属于非线性频率变换,比属于线性频率变换的振幅调制与解调在原理和电路实现上都要困难一些。

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第3页!在模拟通信方面,调频制比调相制更加优越,故大都采用调频制。所以,本章在介绍电路时,以调频电路、鉴频(频率解调)电路为主题,但由于调频信号与调相信号的内在联系,调频可以用调相电路间接实现,鉴频也可以用鉴相(相位解调,也称相位检波)电路间接实现,所以实际上也介绍了一些调相与鉴相电路。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第4页!

7.1.2调频波

设调制信号为单一频率信号uΩ(t)=UΩcosΩt,未调载波电压为uC=UCcosωct,则根据频率调制的定义,调频信号的瞬时角频率为(7.1.1)

它是在ωc的基础上,增加了与uΩ(t)成正比的频率偏移。式中kf为比例常数。调频信号的瞬时相位φ(t)是瞬时角频率ω(t)对时间的积分,即(7.1.2)

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第5页!高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第6页!调相波是其瞬时相位以未调载波相位φc为中心按调制信号规律变化的等幅高频振荡。如uΩ(t)=UΩcosΩt,并令φ0=0,则其瞬时相位为

φ(t)=ωct+Δφ(t)=ωct+kpuΩ(t)=ωct+ΔφmcosΩt=ωct+mpcosΩt（7.1.6）

从而得到调相信号表达式为

（7.1.7）高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第7页!

单频调制时FM波的振幅谱（a）Ω为常数;（b）Δωm为常数

结论（1）载频分量上下有无数个边频分量；（2）调制系数mf越大，具有较大振幅的边频分量就越多；（3）对某些调制系数mf，载频或某些边频振幅为零；（4）调频前后平均功率没有发生变化。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第8页!7.1.4调频波与调相波的比较

调频与调相的关系

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第9页!

7.2调频器与调频方法

7.2.1调频器对于下图的调频特性的要求如下:（1）调制特性线性要好；（2）调制灵敏度要高；（3）最大频偏与调制频率无关；

（3）载波性能要好。

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第10页!1.直接调频方法

直接调频就是用调制信号去控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。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。

7.2.2调频方法

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第11页!2．间接调频法

先将调制信号积分，然后再对载波调相，这样得到的调频波的中心频率的稳定度很高。据间接调频的含义，其电路原理模型为：积分器调相器一正弦波振荡器单音调制时：其其输出的调频波为：高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第12页!

矢量合成法高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第13页!

将载波信号通过一可控延时网络,延时时间τ受调制信号控制,即

则输出信号为

由此可知,输出信号已变成调相信号了。(3)可变时延法高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第14页!变容管的Cj～u曲线其结电容Cj与在其两端所加反偏电压u之间存在着如下关系:结电容(7.3.1)高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第15页!

将式（7.3.3）代入式（7.3.1）,得(7.3.4)将该变容二极管接入振荡回路，将会引起电容的变化，进而引起回路谐振频率的变化，从而实现调频。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第16页!（1）Cj为回路总电容。下图为一变容二极管直接调频电路,Cj作为回路总电容接入回路。图（b）是图（a）振荡回路的简化高频电路。由此可知,若变容管上加uΩ(t),就会使得Cj随时间变化（时变电容）,此时振荡频率为（7.3.5）高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第17页!由此可知,若变容管上加uΩ(t),就会使得Cj随时间变化（时变电容）,如图(a)所示,此时振荡频率振荡频率随时间变化的曲线如图(b)所示。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第18页!忽略高次项,上式可近似为二次谐波失真系数可用下式求出:(b)一般情况下,γ≠2,

这时,式（7―25）可以展开成幂级数高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第19页!（2）部分接入变容二极管直接调频变容二极管直接调频电路（a）实际电路;（b）等效电路

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第20页!下图就是变容管部分接入回路的情况。这样,回路的总电容为部分接入的振荡回路高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第21页!从式中可以看出,当Cj部分接入时,其最大频偏为高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第22页!

2.晶体振荡器直接调频电路

变容二极管（对LC振荡器）直接调频电路的中心频率稳定度较差。为得到高稳定度调频信号，须采取稳频措施，如增加自动频率微调电路或锁相环路（第8章）。还有一种稳频的简单方法是直接对晶体振荡器调频。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第23页!

晶体振荡器直接调频电路（a）实际电路;（b）交流等效电路

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第24页!单回路变容管调相器

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第25页!

结论：回路产生的相移按输入调制信号的规律变化。若调制信号在积分后输入，则输出调相波的相移与被积分的调制信号呈线性关系，其频率与积分前的信号也呈线性关系。由于回路相移特性线性范围不大，因此这种电路得到的频偏不大。必须采取扩大频偏的措施。除了用倍频方法增大频偏外，还应改进调相电路本身。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第26页!7.4鉴频器与鉴频方法

7.4.1鉴频器

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（FD）,调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器（PD）。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第27页!

对鉴频器的另外一个要求,就是鉴频跨导要大。所谓鉴频跨导ＳD,就是鉴频特性在载频处的斜率,它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,用公式表示为（7.4.1）

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第28页!(a)振幅鉴频器框图；(b)变换电路特性

振幅鉴频器原理

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第29页!

微分鉴频原理高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第30页!

2）斜率鉴频法利用单调谐电路可以完成鉴频。利用单调谐回路幅频特性的倾斜部分，谐振频率f0高于FM的载波频率fc。当f>fc时，回路两端电压大；当f<fc时，回路两端电压小。这种利用调谐回路幅频特性的倾斜部分对FM波解调的方法称为斜率鉴频。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第31页!

单调谐回路的谐振曲线，其倾斜部分的线性度是较差的。为了扩大线性范围，实际上采用三调谐回路的双离谐平衡鉴频器。其输出是取两个带通响应之差,即该鉴频器的传输特性或鉴频特性,如下图中的实线所示。其中虚线为两回路的谐振曲线。从图看出,它可获得较好的线性响应,失真较小,灵敏度也高于单回路鉴频器。

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第32页!双离谐鉴频器的鉴频特性高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第33页!2.相位鉴频法

相位鉴频法的原理框图如下图所示。图中的变换电路具有线性的频率—相位转换特性，它可以将等幅的调频信号变成相位也随瞬时频率变化的、既调频又调相的FM―PM波。然后将此FM―PM波与原FM波进行相位比较检出两个信号之间的相位差，最后由鉴相器完成相位差———电压变换即可得到解调输出。

相位鉴频法的原理框图

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第34页!

1)叠加型相位鉴频法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u1和u2(式(7.4.4)和(7.4.5))相加，把两者的相位差的变化转换为合成信号的振幅变化，然后用包络检波器检出其振幅变化，从而达到鉴相的目的。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第35页!2)乘积型相位鉴频法

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(Quadrature)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，如图所示。

乘积型相位鉴频法

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第36页!其中可见，u1与u2(实际上是ur与us)之间的相位差为相频特性曲线见图(b)。若设高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第37页!经过相乘器和低通滤波器后的输出电压为(7.4.7)高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第38页!

直接脉冲计数式鉴频器

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第39页!7.5.1正交鉴频器

正交鉴频原理

正交鉴频器实际上是一种乘积型相位鉴频器，它由移相网络、乘法器和低通滤波器三部分组成。调频信号一路直接加至乘法器，另一路经相移网络移相后(参考信号)加至乘法器。由于调频信号和参考信号同频正交，因此，称之为正交鉴频器。7.5鉴频电路

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第40页!集成正交鉴频器高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第41页!限幅器及其特性曲线高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第42页!

移相网络接在集成电路的9、10脚之间。设从9脚向右看的移相电路的谐振频率为f01，从10脚向左看的移相电路的谐振频率为f02，则高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第43页!调频发射机框图高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第44页!（3）调频立体声广播

图中给出了调频立体声广播的系统图。左声道信号(L)和右声道信号(R)经各自的预加重在矩阵电路中形成和信号(L+R)和差信号(L-R)。和信号(L+R)照原样成为主信道信号，差信号(L-R)经平衡调制器对副载波进行抑制载波的调幅，成为副信道信号。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第45页!

立体声解调器工作方式(a)开关方式；(b)矩阵方式高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第46页!预加重网络及其特性(a)预加重网络；(b)频率响应高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第47页!采用预、去加重网络后，对信号不会产生变化，但对信噪比却得到较大的改善，如图所示。预、去加重网络对信噪比的改善高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第48页!静噪电路高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第49页!

式中，Am为简谐振荡的幅度，为简谐振荡的总相角

式中为瞬时角频率，为初始相位。7.1.1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如果是随时间变化的，瞬时相位为高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第50页!式中,

为信号的起始角频率。为了分析方便,不妨设则上式变为（7.1.3）

式中，为调频指数。FM波的表示式为（7.1.4）

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第51页!7.1.3调相波

调相——高频振荡瞬时相位的变化量与调制信号成正比。根据定义瞬时相位随调制信号线性地变化，即为比例系数；为瞬时相位偏移；称为最大相移，或称调制指数，以mp表示瞬时角频率为：于是（7.1.5）高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第52页!7.1.4调频波的频谱结构和特点将FM表达式进一步展开,有

uFM(t)=UC［J0(mf)cosωct+J1(mf)cos(ωc+Ω)t-J1(mf)cos(ωc-Ω)t+J2(mf)cos(ωc+2Ω)t+J2(mf)cos(ωc-2Ω)t+J3(mf)cos(ωc+3Ω)t-J3(mf)cos(ωc-3Ω)t+…］（7.1.8）

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第53页!

7.1.3调频波的信号带宽通常采用的准则是,信号的频带宽度应包括幅度大于未调载波1%以上的边频分量,即|Jn(mf)|≥0.01

对于一般情况,带宽为

BW=2(mf+1)F=2(Δfm+F)（7.1.9）

对于宽带调制，Δfm>>F，即mf>>1，有

BW=2Δfm（7.1.10）

对于窄带调制，mf<<1，有

BW=2F

（7.1.11）高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第54页!调频波与调相波的比较表

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第55页!调频特性曲线

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第56页!

若被控制的是LC振荡器,由于在ＬＣ正弦波振荡器中，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器，使其参数随调制电压变化,就可达到直接调频的目的。

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，还有电流控制的可变电感等。只要将可控电抗器接入ＬＣ振荡器的振荡回路，就能利用ＬＣ振荡器产生调频波。

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第57页!实现间接调频的关键是如何进行相位调制。通常,实现相位调制的方法有如下三种:(1)矢量合成法。这种方法主要针对的是窄带的调频或调相信号。对于单音调相信号

uPM=Ucos(ωct+mpcosΩt)=Ucosωctcos(mpcosΩt)-sin(mpcosΩt)sinωct

当mp≤π/12时,上式近似为

uPM≈Ucosωct–UmpcosΩtsinωct（7.2.1）上式表明，在调相指数较小时，调相波可以由两个信号合成得到(载波信号与双边带调制信号），即矢量合成法。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第58页!

将载波信号通过一可控移相网络,移相受调制信号控制则输出信号为

由此可知,输出信号已变成调相信号了。(2)可变移相法正弦波振荡器可控相移网络高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第59页!7.3调频电路7.3.1直接调频电路1.变容二极管直接调频电路

变容二极管变容二极管是利用半导体PN结的结电容随外加反向电压而变化这一特性制成的半导体二极管。它是一种电压控制可变电抗元件。电路符号等效电路高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第60页!

静态工作点为EQ时,变容二极管结电容为（7.3.2）

设在变容二极管上加的调制信号电压为

uΩ(t)=UΩcosΩt,则（7.3.3）高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第61页!变容二极管调频电路根据变容管接入到振荡电路中的特点，把变容二极管调频电路分为:①作为全部回路电容的直接调频电路②作为部分回路电容的直接调频电路高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第62页!变容管作为回路总电容全部接入回路

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第63页!对于式:(a)若γ=2,则得其中实现了线性调频,振荡频率随时间变化的曲线如图(c)所示。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第64页!

调频灵敏度可以通过调制特性求出。根据调频灵敏度的定义,有

Cj作为回路总电容的电路中，CQ

直接决定中心频率。由于CQ随温度、电源电压的变化而变化，会直接造成振荡频率稳定度的下降。因此，这种电路很少用，只在宽带调频中采用。最大角频率偏移：高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第65页!Cj与固定电容串、并联后的特性因为在实际应用中,通常γ≠2,Cj作为回路总电容将会使调频特性出现非线性,输出信号的频率稳定度也将下降。因此,通常利用对变容二极管串联或并联电容的方法来调整回路总电容C与电压u之间的特性。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第66页!振荡频率为式中高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第67页!变容二极管部分接入电路的优点：（1）减小Cj对频率变化的影响；（2）可以减小加在变容管上的高频电压，以减弱其产生的寄生调制。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第68页!

下图（a）为变容二极管对晶体振荡器直接调频电路，图（b）为其交流等效电路。由图可知，此电路为并联型晶振皮尔斯电路(p123)，其稳定度高于密勒电路(p125)。其中，变容二极管相当于晶体振荡器中的微调电容，它与C1、C2的串联等效电容作为石英谐振器的负载电容CL。此电路的振荡频率为（7.3.12）

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第69页!

7.3.2间接调频电路

如果对调制信号先积分，再去调相，得到的是调频信号。因此，调相电路是间接调频的关键电路。常用的调相方法有两种：一是谐振频率受调制电压的控制而变化，当载频振荡通过它时，相移发生变化；二是改变相移网络参数。下图是一个变容二极管调相电路。它将受调制信号控制的变容管作为振荡回路的一个元件。Lc1、Lc2为高频扼流圈,分别防止高频信号进入直流电源及调制信号源中。

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第70页!

当Δφ＜π/6时,tanφ≈φ,上式简化为设输入调制信号为UΩcosΩt，其瞬时频偏(此处为回路谐振频率的偏移)为（7.3.14）

当Δφ＜π/6时,tanφ≈φ,上式简化为（7.3.15）

高Q并联振荡电路的电压、电流间相移为（7.3.13）

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第71页!三级回路级联的移相器

这是一个三级回路级联的移相器。三级相移叠加起来，从而增大频偏。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第72页!

鉴频器及鉴频特性

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第73页!7.4.2鉴频方法

1.振幅鉴频法调频波振幅恒定,故无法直接用包络检波器解调。鉴于二极管峰值包络检波器线路简单、性能好，能否把包络检波器用于调频解调器中呢？显然，若能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FM―AM波，就可以通过包络检波器解调此调频信号。用此原理构成的鉴频器称为振幅鉴频器。其工作原理如下图所示。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第74页!

1）直接时域微分法设调制信号为uΩ=f(t)，调频波为（7.4.2）

（7.4.3）

对此式直接微分可得

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第75页!微分鉴频电路

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第76页!

单回路斜率鉴频器高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第77页!

双离谐平衡鉴频器

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第78页!

各点波形高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第79页!

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—电压变换作用的部件或电路。设输入鉴相器的两个信号分别为(7.4.4)

(7.4.5)

同时加于鉴相器，鉴相器的输出电压uo是瞬时相位差的函数，即(7.4.6)高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第80页!平衡式叠加型相位鉴频器框图

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第81页!移相网络如图(a)所示，其传输函数为移相网络相频特性

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第82页!当Δf/f0<<1时，上式可写为可见，鉴频器的输出与输入调频信号的频偏成正比。在上面电路中，调整L、C和C1均可改变回路谐振频率，只要满足高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第83页!3.直接脉冲计数式鉴频法

调频信号的信息寄托在已调波的频率上。从某种意义上讲，信号频率就是信号电压或电流波形单位时间内过零点(或零交点)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。基于这种原理的鉴频器称为零交点鉴频器或脉冲计数式鉴频器。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第84页!直接脉冲计数式鉴频器

由上面的分析可见，滤波后的输出电压与调频信号的瞬时频率成正比。

优点：线性好，频带宽，最大频偏大，便于集成。

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第85页!集成正交鉴频器

下图是某电视机伴音集成电路，它包括限幅中放(V1,V2;V4、V5;V7、Ｖ8为三级差分对放大器，V3、V6和V9为三个射极跟随器)、内部稳压(VD1～VD5、V10)和鉴频电路三部分。

高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第86页!7.5.2限幅电路

所谓限幅器，就是把输入幅度变化的信号变换为恒定的信号的变换电路。在鉴频器中采用限幅器，其目的在于将具有寄生调幅的调频波变换为等幅的调频波。

限幅器分为瞬时限幅器和振幅限幅器两种。脉冲记数式鉴频器中的限幅器属于瞬时限幅器，其作用是把输入的调频波变为等幅的调频方波。振幅限幅器的实现电路很多，但若在瞬时限幅器后面接上带通滤波器，然后取出等幅调频方波中的基波分量，这样就构成了振幅限幅器。高频电子线路第7章共95页，您现在浏览的是第87页!7.5.3差分峰