《高频电子线路》第二版-教学课件-第7章角度调制与解调电路

第7章角度调制与解调电路

教学基本要求1.掌握调角信号的定义、表示式、波形、频谱等基本特征。2.掌握典型的角度调制与解调电路的结构、工作原理、分析方法和性能特点。3.了解数字角度调制的典型调制与解调方式及其实现方法。第7章角度调制与解调电路

教学基本要求1本章教学内容7.1概述7.2频率调制电路7.3相位调制电路7.4集成调频发射机7.5调相信号解调电路(鉴相器)7.6调频信号解调电路(鉴频器)7.7数字角度调制与解调《高频电子线路》第二版-教学课件-第7章角度调制与解调电路2概述7.1.1角度调制的定义、特点与用途

1.角度调制的定义载波振荡的振幅不变，而其总瞬时相角随调制信号uΩ(t)按一定关系变化。

角度调制分为相位调制和频率调制。(1)相位调制的定义载波振荡的振幅不变，而其瞬时相位随调制信号uΩ(t)线性关系变化。这样的已调波称为调相波，常用PM表示。(2)频率调制的定义载波振荡的振幅不变，而其瞬时频率随调制信号uΩ(t)线性关系变化。这样的已调波称为调频波，常用FM表示。概述32.角度调制的特点具有抗干扰能力强和较高的载波功率利用系数等优点；

但占有更宽的传送频带。3.角度调制的用途频率调制主要应用于调频广播、广播电视、通信及遥测遥控等；相位调制主要用于数字通信系统中的移相键控。《高频电子线路》第二版-教学课件-第7章角度调制与解调电路47.1.2调角波的数学表示式、瞬时频率和瞬时相位高频振荡信号的一般表示式为式中,Um为高频振荡的振幅,θ(t)为高频振荡的总瞬时相角。在未调制状态,即调制信号uΩ(t)=0。高频振荡信号是载波信号,称为载波状态。设高频载波信号的角频率为ωc,初始相位为0,其数学表示式为

1.调相波

根据定义，高频振荡的振幅Um不变，而瞬时相位隨调制信号uΩ(t)线性关系变化。即式中，KP为比例常数，单位是弧度／伏(rad／V)。7.1.2调角波的数学表示式、瞬时频率和瞬时相位5调相波的一般数学表示式为调相波的瞬时角频率为

2.调频波根据定义，高频振荡的振幅Um不变，而瞬时角频率与隨调制信号uΩ(t)线性关系变化。即式中，Kf为比例常数，单位是弧度／秒·伏(rad／s·V)。调频波的瞬时相位为则调频波的一般数学表示式为调相波的一般数学表示式为67.1.3调角波的调制指数和最大频移

调相波与调频波的比较调相波调频波数学表示式瞬时相位瞬时角频率最大相移最大频移7.1.3调角波的调制指数和最大频移

7

1.调制指数调角波调制指数的定义：

调角波的最大相移称为调制指数。

(1)调相波的调相指数，

(2)调频波的调频指数。

例如,调制信号为uΩ(t)=UΩmcosΩt,载波信号为uc(t)=Ucmcosωct，则调相波的数学表示式为式中，mP为调相波的调制指数，其值为1.调制指数8

而调频波的数学表示式为式中，mf为调频波的调制指数，其值为

9

2.最大频移

调相波的最大频移

为

调频波的最大频移为

3.结论①调相波的调制指数mP与调制信号频率Ω无关，最大频移与调制信号频率成正比。②调频波的调制指数mf与调制信号频率Ω成反比，最大频移与调制信号频率无关。③调相波和调频波的最大频移均等于调制指数m与调制信号频率Ω的乘积。2.最大频移10

三个频率参数的说明单频调制时，调频波和调相波均包含有截然不同的三个频率参数。

(1)载波角频率ωc，它表示调制信号为零时的信号角频率，即调角波的中心角频率；

(2)最大角频移Δωm，它表示调制信号变化时，瞬时角频率偏离中心角频率的最大值；

(3)调制信号角频率Ω，它表示调角波的瞬时角频率从最大值ωc+Δωm到最小值ωc-Δωm之间往返变化的角频率。因为频率的变化总是伴随着相位的变化，因此Ω也表示瞬时相位在其最大值和最小值之间变化的角频率。

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7.1.4调角波的波形

7.1.4调角波的波形12例7.1.1调制信号为三角波时，画出相对应的调相波和调频波的波形,并比较调相波和调频波的波形差别。解：例7.1.1调制信号为三角波时，画出相对应的13

7.1.5调角波的频谱和频谱宽度

单频调制时，调频波和调相波的表达式是相似的，因此，它们具有相同的频谱。下面仅讨论调频波的频谱。设调制信号，载波信号uc(t)=Ucmcosωct，则调频波的表示式为进行三角变换式中，和均可直接展开成傅里叶级数其中n均取正整数。是以为参数的n阶第一类贝塞尔函数。

7.1.5调角波的频谱和频谱宽度14图第一类贝塞尔函数曲线

其数值可查表或查图所示曲线。

利用三角变换式《高频电子线路》第二版-教学课件-第7章角度调制与解调电路15由调频波的数学表示式从上式可以看出，由单音频调制的调频波，其频谱特点①调频波的频谱不是调制信号的频谱的简单搬移，而是由载波分量和无数对边频分量所组成。②奇数项的上、下边频分量振幅相等，极性相反；偶数项的上、下边频分量振幅相等，极性相同。

从上式可以看出，由单音频调制的调频波，其频谱具有以下特点①调频波的频谱不是调制信号的频谱的简单搬移，而是由载波分量和无数对边频分量所组成。②奇数项的上、下边频分量振幅相等，极性相反；偶数项的上、下边频分量振幅相等，极性相同。+…载频

第一对边频

第二对边频

第三对边频

第四对边频

由调频波的数学表示式+…载频第一对边频16③载波分量和各边频分量的振幅均与mf有关。mf越大，有效边频分量越多。这与调幅波是不同的，单频调制下，调幅波的边频数目与调制指数ma无关。④对于某些mf值，载波或某边频振幅为零。贝塞尔函数值可用下列无穷级数近似计算

调角波的频谱包含有无限多对边频分量，理论上它的频谱宽度是无限大。在实际应用中，在工程应用上,应该怎样思考和近似估算?

作为信息传输,传输一路信号的频谱宽度是无限大,显然是不适用的。希望其频谱宽度为有限值。③载波分量和各边频分量的振幅均与mf有关。mf越17

为什么可近似认为调角波的频谱宽度是有限的?因为当m(mf或mP)一定时，随着边频对数n的增加，Jn(m)的数值虽有起伏，但总的趋势是减小的。特别当n＞m时，Jn(m)的数值很小。并且，其值随着n的增加而迅速下降。因此，在忽略振幅很小的边频分量时，可认为调角波占有的有效频谱宽度是有限的。

工程上的近似，通常规定，凡是振幅小于未调制载波振幅10%(或1%，根据不同要求而定)的边频分量均可忽略不计，保留下来的频谱分量就确定了调角波的频谱宽度。(1)在高质量通信系统中，常以忽略小于1%未调制载波振幅的边频分量来决定频谱宽度。其确定方法是可查表。若满足关系式|Jn(m，|Jn+1(m)|＜则频谱宽度为B=2nF

(F为调制信号频率)

为什么可近似认为调角波的频谱宽度是有限的?18《高频电子线路》第二版-教学课件-第7章角度调制与解调电路19(2)在中等质量通信系统中，以忽略小于10%未调制载波振幅的边频分量来决定频谱宽度。当n＞m+1时，Jn(m)恒小于。因此频谱宽度为

BCR=2(m+1)F

(计算通式)

在一些特定条件下，计算式还可以简化，当调制指数m＞＞1时，BCR≈2mF；当调制指数m＜＜1时，BCR≈2F。应该注意的是：调频波计算用调频指数mf；调相波计算用调相指数mP。对于调频波

对于调相波

(2)在中等质量通信系统中，以忽略小于10%未调20例调角波,试计算说明：(1)调角波的载波频率；(2)调角波的调制信号频率F；(3)最大相移m；(4)最大频偏；(5)信号频谱宽BCR；(6)能否确定是调频波还是调相波?解：(1)载波频率；(2)调制信号频率；(3)最大相移10rad；(4)最大频偏；(5)信号频谱宽度；

(6)由于不知道调制信号的类型，不能确定是调频波还是调相波。如果调制信号为正弦波，则为调频波。如果调制信号为余弦波，则为调相波。例调角波21例已知某调频电路单位调制电压产生频偏为1kHz，调频电路的输出载波电压，调制信号电压

。试求：(1)调频指数

(2)最大频偏；

(3)有效频带宽度；(4)调频波的数学表示式。解：(1)调频指数

式中，的单位是rad/(s·V)，而的单位是Hz/V。它们都是单位调制电压产生的频率偏移，只不过是单位调制电压产生的角频率偏移。在分析计算时应该特别注意是用还是用，它们的单位是不同的。由题意知,则例已知某调频电路单位调制电压产生频偏为1kH22

(2)最大频偏

(3)有效频带宽度

(4)调频波的数学表示式

注意：以上例题只是单频调制信号的有关计算。在实际应用中，调制信号不是单频而是多频的复杂信号。实践表明，大多数多频调频信号占有的有效频谱宽度仍可用单频调制时的公式计算,但调制信号频率F用调制信号中的最高频率Fmax代替,Δfm用最大频偏(Δfm)max代替。例如,在调频广播系统中,按国家标准规定(Δfm)max=75kHz,调制信号F为50Hz～15kHz,计算可得(2)最大频偏23例已知某调频电路的调制灵敏度，调制信号电压，输出载波信号电压。试写出输出调频波的数学表示式最大频率偏移和BCR。解(1)因为，对的调制信号对的调制信号

则调频波数学表示式为

例已知某调频电路的调制灵敏度24

(2)最大频率偏移因为t=0时,则(3)BCR例已知某调频电路要求最大频偏，调制信号，电路输出载波信号电压，试写出调频波的数学表示式及BCR。解：因为(2)最大频率偏移25所以对于V的调制信号对于V的调制信号《高频电子线路》第二版-教学课件-第7章角度调制与解调电路26

7.1.6角度调制电路的功能

1.相位调制电路的功能

将输入的调制信号和载波信号通过电路变换成高频调相波。若输入调制信号为时，且输出高频载波信号为，其输出调相波的数学表达式为调相波的频谱宽度决定于的大小。调相电路的功能可以用输入信号与输出信号的频谱表示图7.1.4调相电路功能的频谱表示

7.1.6角度调制电路的功能27

2.频率调制电路的功能

将输入的调制信号和载波信号通过电路变换成高频调频波。若输入调制信号为,且输出高频载波信号为，其输出调频波的数学表示式为调频波的频谱宽度决定于的大小。调频电路的功能也可以用输入与输出频谱表示图7.1.5调频电路功能的频谱表示2.频率调制电路的功能28

7.1.7调角信号的解调电路的功能

1.调相波解调电路的功能

从调相波中取出原调制信号，也称为鉴相器。

当输入调相波时，其输出电压。因为，输入调相波的频谱为、、、，经鉴相器解调输出频谱为。7.1.7调角信号的解调电路的功能29

2.调频波解调电路的功能

从调频波中取出原调制信号，也称鉴频器。当输入调频波时，解调输出电压。因为，输入调频波的频谱为、、、，经鉴频器解调输出频谱为。2.调频波解调电路的功能30

7.2频率调制电路

7.2.1调频电路的分类与要求

1.调频电路的分类因为频率调制不是频谱线性搬移过程，调频电路就不能采用乘法器和线性滤波器来构成。

直接调频电路调频电路的分类间接调频电路(1)直接调频

利用调制信号直接控制载波振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号变化规律。用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的可变电抗元件的电抗值，就能够实现直接调频。

7.2频率调制电路31图7.2.1可变电抗调频示意图

可变电抗元件可以采用变容二极管或电抗管电路。目前，最常用的是变容二极管。若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制电压去控制决定振荡频率的积分电容的充放电电流，从而控制振荡频率。

直接调频的优点是易于得到比较大的频偏，但其中心频率稳定度不易做得很高。

《高频电子线路》第二版-教学课件-第7章角度调制与解调电路32(2)间接调频

先将调制信号积分,然后通过调相的方法间接实现调频。图间接调频原理方框图若将调制信号先通过积分器得，然后再通过调相器进行调相，即可得到调制信号为的调相波，即实际上u(t)是调制信号为uΩ(t)的调频波。

(2)间接调频33

2.调频电路的要求对于调频电路的性能指标，一般有以下几方面的要求：①具有线性的调制特性。即已调波的瞬时频率与调制信号成线性关系变化。②具有较高的调制灵敏度。即单位调制电压所产生的振荡频率偏移要大。③最大频率偏移Δfm与调制信号频率无关。④未调制的载波频率(即已调波的中心频率)应具有一定的频率稳定度。⑤无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。《高频电子线路》第二版-教学课件-第7章角度调制与解调电路34

7.2.2变容二极管直接调频电路

1.变容二极管的特性变容二极管的反向电压与其结电容呈非线性关系。其结电容Cj与反向偏置电压ur之间有如下关系：式中，为PN结的势垒电压，为时的结电容；为电容变化系数。将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会明显地随调制电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。7.2.2变容二极管直接调频电路35

2.基本原理变容二极管是振荡回路的一个组成部分，加在变容二极管上的反向电压为式中，VQ=VCC-VB是加在变容二极管上的直流偏置电压；uΩ(t)为调制信号电压。设图变容二极管调频电路则反向电压为只要适当选取变容二极管的特性及工作状态，可以使振荡频率的变化与调制信号近似成线性关系，从而实现调频。

变容二极管偏置电路

正弦波振荡电路

高频扼流圈2.基本原理变容二极管偏置电路正弦波振荡电路高频36

3.电路分析

加在变容二极管上的控制电压为相应的变容二极管结电容变化规律为当调制信号电压uΩ(t)=0时，即为载波状态。此时ur(t)=VQ

，对应的变容二极管结电容为CjQ3.电路分析37当调制信号电压uΩ(t)=UΩmcosΩt时，对应的变容二极管的结电容与载波状态时变容二极管的结电容的关系是

令m=UΩm／(UD+VQ)为电容调制度，则可得上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关系。当调制信号电压uΩ(t)=UΩmcosΩt时，对38

(1)变容二极管作为振荡回路的总电容设C1未接入，Cc较大，即回路的总电容仅是变容二极管的结电容。

并认为加在变容二极管上的高频电压很小，可忽略其对变容二极管电容量变化的影响，则瞬时振荡角频率为因为未加调制信号时的载波频率，所以(1)变容二极管作为振荡回路的总电容39根据线性调频的要求，当变容二极管的结电容作为回路总电容时，实现线性调频的条件是变容二极管的电容变化系数γ=2。即

结论：当变容二极管的结电容作为回路总电容时，实现线性调频的条件是变容二极管的电容变化系数γ=2。

若变容二极管的电容变化系数γ≠2,会产生什么不良后果呢?根据线性调频的要求，当变容二极管的结电容作为回路40

若变容二极管的电容变化系数γ不等于2，设uΩ(t)=UΩmcosΩt,则

对于，可以在mcosΩt=0处展开成为泰勒级数，得

通常m＜1，上列级数是收敛的。因此，可以忽略三次方项以上的各项，则若变容二极管的电容变化系数γ不等于2，41从上式可知，输出调频波会产生非线性失真和中心频率偏移。其结果如下：①调频波的最大角频率偏移《高频电子线路》第二版-教学课件-第7章角度调制与解调电路42

②调频波会产生二次谐波失真，其二次谐波失真的最大角频率偏移调频波的二次谐波失真系数为

③调频波会产生中心频率偏移，其偏离值为中心角频率的相对偏离值为若要调频的频偏大就需增大m，这样中心频率偏移量和非线性失真量也会增大。②调频波会产生二次谐波失真，其二次谐波失真43需注意的是：

在某些应用中，要求的相对频偏较小，而所需要的m也就较小，因此，这时即使γ不等于2，二次谐波失真和中心频率偏移也不大。例如在调频广播发射机中，中心频率fc=88～108MHz，要求的最大频偏Δfm=75kHz，若所用变容二极管的γ=1，由可得m=1.6×10-3～1.4×10-3，这时对应的和都很小。由此可见，在相对频偏较小的情况下，对变容二极管γ值的要求并不严格。需注意的是：44

(2)变容二极管部分接入振荡回路变容二极管在温度变化或反向偏压VQ不稳时会引起结电容的变化，引起中心频率较大变化。为了减小中心频率不稳，提高中心频率稳定度，通常采用部分接入的办法来改善性能。变容二极管部分接入振荡回路的等效电路如图所示。

振荡回路总电容C∑加调制信号uΩ(t)=UΩmcosΩt后，(2)变容二极管部分接入振荡回路45相应的调频特性方程为调频特性取决于回路的总电容，而可以看成一个等效的变容二极管，随调制电压的变化规律不仅决定于变容二极管的结电容随调制电压的变化规律，而且还与和的大小有关。因为变容二极管部分接入振荡回路，其中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，但其最大频偏要减小。相应的调频特性方程为463.实际电路举例(1)变容二极管调频电路

高频扼流圈

电容三点式振荡电路高频扼流圈

3.实际电路举例电容三点式振荡电路高频扼流圈47

电路说明：是某通信机中的变容二极管调频电路。它是一个电容三点式振荡器，两个串联的变容二极管经电容C5接入谐振回路，调整电感L的电感量和变容二极管的偏置电压VB可使振荡器的中心频率在50MHz到100MHz范围内变化。

调制电压uΩ(t)通过高频扼流圈LP2加到变容二极管的负极上实现调频。由于是低频信号，高频扼流圈LP1和LP2相当于短路,加在两个变容二极管上的调制电压是相同的。采用两个变容二极管背靠背串接

的方式，由两个变容二极管代替一个变容二极管。对高频振荡电压来说，每一个变

容二极管只有原来高频振荡电压的一半，这样就能减小高频振荡电压对变容二极管总电容的影响。

电路说明：48(2)MC1648集成压控振荡器直接调频图7.2.7MC1648集成振荡器直接调频电路图是由MC1648集成压控振荡器外接变容二极管与电感组成的并联谐振回路构成的变容二极管直接调频电路。其中两个变容二极管的接法也是采用背靠背串联连接的形式,特点与前面讨论的变容二极管直接调频电路是相同的。(2)MC1648集成压控振荡器直接调频49

变容二极管直接调频电路的优缺点变容二极管直接调频电路的优点是电路简单，工作频率高，易于获得较大的频偏，而且在频偏较小的情况下，非线性失真可以很小。因为变容二极管是电压控制器件，所需调制信号的功率很小。这种电路的缺点是偏置电压漂移和温度变化等会改变变容二极管的结电容，即调频振荡器的中心频率稳定度不高，而在频偏较大时，非线性失真较大。

采用简单的直接调频振荡器难于实现高稳定度的要求。目前，稳定中心频率的办法有：①对石英晶体振荡器进行直接调频；②采用自动频率微调电路；③利用锁相环路稳频。

50

7.2.3晶体振荡器直接调频

在某些对中心频率稳定度要求很高的场合，可以采用直接对石英晶体振荡器进行调频。例如，在88MHz～108MHz波段的调频电台，为了减小邻近电台的相互干扰，通常规定各电台调频信号中心频率的绝对稳定度不劣于±2kHz，也就是在整个波段，其相对频率稳定度不劣于10-5数量级。

晶体振荡器直接调频电路通常是将变容二极管接入并联型晶体振荡器的回路中实现调频。变容二极管接入振荡回路有两种形式①与石英晶体串联；

②与石英晶体并联。

变容二极管与石英晶体串联的连接方式应用得比较广泛，其作用是改变振荡支路中的电抗，以实现调频。7.2.3晶体振荡器直接调频51

图石英晶体振荡器直接调频电路图是一个晶体振荡器直接调频电路，其中变容二极管与晶体串联连接，C4、C5、C6、C7对高频短路，L为高频扼流圈。从高频等效电路来看，它是一个典型的电容三点式振荡电路。晶体振荡器的振荡频率只能在fq与fP之间变化。因为晶体的并联谐振频率与串联谐振频率相差很小，其调频的频偏不可能大。《高频电子线路》第二版-教学课件-第7章角度调制与解调电路52晶体的并联谐振频率与串联谐振频率之差为所以调频波的最大频偏为最大相对频偏为的值一般为10-3～10-4数量级，因此最大相对频偏很难超过10-3。晶体的并联谐振频率与串联谐振频率之差为53相位调制电路

7.3.1调相电路的分类与要求

可变移相法调相；

调相的方法可变时延法调相；

矢量合成法调相。

对调相电路的要求

①具有线性调制特性；

②未调制的载波频率的频率稳定度要高；

③有较高的调制灵敏度（即KP要大）；④寄生调幅要尽可能小。相位调制电路54

7.3.2可变相移法调相电路

1.基本原理

图7.3.1可变相移法调相电路实现模型

将载波振荡信号电压通过一个受调制信号电压控制的相移网络，即可以实现调相。可控相移网络是受调制信号电压控制在上产生相移,且呈线性关系,即，则输岀电压为7.3.2可变相移法调相电路55

2.变容二极管调相电路

这是单回路变容二极管调相电路,它是利用由电感L和变容二极管组成的谐振回路的谐振频率隨变容二极管结电容变化而变化来实现调相的。谐振频率受调制信号控制。

载波信号经相移网络,得到载频为的受调制信号控制的调相波输出。

等效谐振回路可控相移网络载波信号输入调制信号输入调制信号控制的相移网络2.变容二极管调相电路等效谐振回路可控相移网络载波信56

3.调相过程(1)当调制电压uΩ(t)=0时，9V直流电压给变容二极管提供反向直流偏压VQ=9V。对应结电容CjQ,谐振回路谐振频率为对应相频特性如②所示。由于输入信号为载波电压,经过相移网络时,对应相频特性如②所示,对载波频率相移为0。输出电压与输入载波相位相同。

3.调相过程57(2)当调制电压uΩ(t)>0时,变容二极管的反向电压增大,结电容减小,谐振回路谐振频率增大,对应相频特性如①所示,对载波频率相移为。输出电压的相位为。(3)当调制电压uΩ(t)<0时,变容二极管的反向电压减小,结电容增大,谐振回路谐振频率减小,对应相频特性如③所示,对载波频率相移为。输出电压的相位为。(2)当调制电压uΩ(t)>0时,变容二极58

4.电路分析

设输入载波信号为uc(t)=Ucmcosωct，调制信号为uΩ(t)=UΩmcosΩt。由电路得到高频等效电路,其中电流源输出电压即回路电压u(t)可得出式中，Z(ωc)和分别是谐振回路在ω=ωc上呈现的阻抗幅值和相移。在失谐不很大的条件下，

可表示为4.电路分析59当时，可近似认为，故可得(1)当调制电压uΩ(t)=0时，谐振回路谐振频率,(2)当调制电压为uΩ(t)=UΩmcosΩt时，变容二极管作为回路总电容实现直接调频,在m较小的条件下,谐振回路谐振频率式中，

且有，得当时，可近似认为，故可得60

输出电压为几点说明：①要实现线性调相，除了变容二极管的电容调制度m较小外，mP应限制在(π/6)rad以下，也就是最大相移为(π/6)rad。②因为Z(ωc)也受调制信号uΩ(t)的控制，这样等幅的频率恒定的载波信号通过谐振频率受调制信号调变的谐振回路，其输出电压将是一个幅度受调制信号控制的调相波。若Δω(t)很小，其幅度调制会很小。③在实际应用中，通常需要较大的调相指数mP，为了增大mP，可以采用多级单回路构成的变容二极管调相电路。输出电压为615.典型电路图三级单回路变容二极管调相电路

三级单回路变容二极管调相电路特点：

①三级单回路的每一个回路均有一个变容二极管以实现调相。

②三个变容二极管的电容量变化均受同一调制信号控制。

③为了保证三个回路产生相等的相移，每个回路的Q值都可用可变电阻(22kΩ)调节。5.典型电路62路④级间采用小电容(1pF)作为耦合电容，因其耦合弱，可认为级与级之间的相互影响较小，总相移是三级相移之和。⑤这种电路能在90°范围内得到线性调制。

电路的限制条件由于调制信号是通过电阻R1和C(三个电容C1并联)分压加到每一个变容二极管上,此电路对调制信号的输入电路参数值有特定的要求。因为是调相电路,故电路应选取的条件。

当输入电路满足,满足积分电路条件,加在变容二极管的电压是调制信号经积分后的电压,调制电路为间接调频。路④级间采用小电容(1pF)作为耦合电容，因其耦63

7.3.3可变时延法调相电路

1.基本原理

图可变时延调相电路方框图将载波振荡电压通过一个受调制信号电压控制的时延网络，时延网络的输出电压为式中，，则

式中，，uo(t)是调相波。7.3.3可变时延法调相电路64

2.脉冲调相电路图脉冲调相电路方框图脉冲调相电路是一种对脉冲波进行可控时延的调相电路。其组成方框原理图如图所示。在调制信号电压uΩ(t)=0时，对应各点的波形如图所示。主振器是由晶体振荡器产生的载波振荡信号如图(a)所示，经脉冲成形电路(放大、限幅、微分)取出正的等幅等宽的窄脉冲序列如图(b)所示。2.脉冲调相电路65(1)在调制信号电压uΩ(t)=0时图7.3.7uΩ(t)=0时各点波形

锯齿波与VB叠加固定180°相移的正弦载波

Tc/2的等间隔方波载波振荡信号等幅等宽的窄脉冲

的锯齿波

时间滞后Tc/2的窄脉冲序列

(1)在调制信号电压uΩ(t)=0时锯齿波与VB叠加66

(2)当加入调制信号后，因门限电压不变，故脉冲产生器的输出脉冲相对于uΩ(t)=0时的输出脉冲产生可变延时τ，如图所示。当锯齿波是理想线性变化时，可变延时为式中,τm=kUΩm为最大延时，k是锯齿电压的变化率的倒数。

负号表示uΩ(t)为正值时,τ为负值,表示超前；uΩ(t)为负值时，

τ为正值，表示滞后。因为输出脉冲的延时是受调制图

uΩ(t)≠0时的可变延时波形

信号控制，所以用带通滤波器取出的基波分量相位也受调制信号控制，即输出为调相波。(2)当加入调制信号后，因门限电压不变，故脉67为了实现不失真调相，τm不能大于Tc/2，考虑到锯齿波的回扫时间，最大延时所以脉冲调相的调相波的最大相移mP可达

脉冲调相电路可得到较大的相移，而且调制线性较好，只是电路复杂些。用脉冲调相实现间接调频所获得的调频波的线性较好，在调频广播发射机和电视伴音发射机中得到广泛的应用。《高频电子线路》第二版-教学课件-第7章角度调制与解调电路687.3.4矢量合成法调相电路1.基本原理设调制信号为uΩ(t)，则相应的调相波的数学表示式为若最大相移很小，在满足则有,可得可见，最大相移不大于π/12(rad)时,调相波可以由两个信号进行矢量合成而成。7.3.4矢量合成法调相电路69

2.实现方法由载波信号电压和双边带电压之和实现图矢量合成实现调相2.实现方法707.3.5间接调频及扩展最大频偏的方法1.间接调频原理若将调制信号先通过积分器得，然后再通过调相器进行调相，即可得到调制信号为的调相波，即

实际上u(t)是调制信号为uΩ(t)的调频波。7.3.5间接调频及扩展最大频偏的方法71

2.三级单回路变容二极管间接调频电路

图三级单回路变容二极管间接调频电路图是一个三级单回路变容二极管间接调频电路。

关键是调制信号加到变容二极管上是经过了R1(470kΩ)和C(3个并联)的积分电路,然后再调相。

因为电路在调制信号频率100Hz～15kHz范围内,满足积分电路条件,是间接调频电路。

2.三级单回路变容二极管间接调频电路723.直接调频与间接调频的特点和最大频偏最大频偏是频率调制电路的主要技术指标，在实际调频系统中，对中心频率稳定度和最大频偏都有具体的要求。对于最大频偏的要求较大和中心频率稳定度要求高的调频，单一的直接调频或间接调频电路是不能达到的。

3.直接调频与间接调频的特点和最大频偏73

4.扩展最大频偏的方法

(1)采用倍频器进行倍频扩展最大频偏的原理例如调频信号,瞬时频率为,经n倍频后瞬时频率为调频波通过n次倍频后,最大频偏增大n倍,调制信号频率不变,但是载波频率也增大n倍。显然最大频偏达到要求时，载波频率不一定符合要求。通常可以增加混频器，利用本振频率与输入信号频率的相加或相减的作用调节载波频率达到要求值。4.扩展最大频偏的方法74

(2)调频广播发射机扩大最大频偏的方法

图7.3.11调频广播发射机组成原理图载波频率为fc=90MHz,最大频偏为

Δfm=75kHz的调频信号。(2)调频广播发射机扩大最大频偏的方法75

(3)直接调频电路扩大最大频偏的另一方法对于直接调频电路,其相对最大频偏Δfm/fc受调频特性的非线性限制,是一有限值。在相对频偏保持不变条件下,提高载频fc可以提高最大频偏Δfm。如果能够制成很高频率的直接调频电路(器件、电路结构和工艺上要求高)以保证最大频偏的要求，过高的载频可以通过混频器完成载频向下搬移。这种方法比倍频和混频联合应用的方法简单，但必须有能在很高频率进行直接调频的调频电路。

一般来说，直接调频和间接调频都可以用倍频器和混频器来实现扩展最大频偏。

76频

7.4集成调频发射机

7.4.1MC2831集成调频发射机图MC2831内部组成及应用电路载波频率取3倍频

频7.4集成调频发射机载波频77

7.4.2MC2833集成调频发射机图MC2833内部组成及外接应用电路载波频率取3倍频7.4.2MC2833集成调频发射机载波频率取3倍频78

7.5调相信号解调电路(鉴相器)

7.5.1调相信号解调电路的分类与要求

鉴相电路通常可分为模拟电路型和数字电路型两大类。

集成电路系统中，常用的电路有乘积型鉴相和门电路鉴相。鉴相器主要用于解调调相波、锁相环路中的鉴相,还可构成移相鉴频电路。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输入信号的瞬时相位偏移的关系。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的关系的比例系数。(3)鉴相线性范围，通常应大于调相波最大相移的二倍。(4)非线性失真，应尽可能小。

7.5调相信号解调电路(鉴相器)79

7.5.2乘积型鉴相器

乘积型鉴相电路采用模拟乘法器作为非线性器件进行频率变换，然后通过低通滤波器取出原调制信号。图乘积型鉴相方框图电路中u1是需解调的调相波，u2是由u1变化来的或是系统本身产生的与u1有确定关系的参考信号。根据电路的要求,通常选u1、u2为正交关系，即

u2是参考信号，通常为0或为常数。为了分析的简单，取

=0。即7.5.2乘积型鉴相器80

1.u1和u2均为小信号的乘积型鉴相器当u1和u2均小于26mV时，根据模拟乘法器特性，其输出电流为经低通滤波器滤除高频成分

，在负载RL上可得输出电压为式中，

是u1与u2两信号的瞬时相位差。通常可用

表示。可画出uo与的关系曲线，如图所示。称其为鉴相器的鉴相特性曲线。这是一个周期性的正弦曲线。1.u1和u2均为小信号的乘积型鉴相器81鉴相器的两个主要指标：

(1)鉴相跨导，其定义为的单位为V/rad，通常希望大一些。对于u1、u2均为小信号且图7.5.2小信号正交乘积鉴相特性曲线时的鉴相跨导为(2)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，用表示。由于,,鉴相特性近于直线，即

鉴相器的两个主要指标：82

2.u1为小信号,u2为大信号的乘积型鉴相器设

当u2的振幅大于100mV时，此时可认为是大信号状态。在u1为小信号,u2为大信号条件下，乘法器的输出电流可表示为因为u2是大信号，双曲正切函数具有开关函数的形式，即傅氏级数展开为

2.u1为小信号,u2为大信号的乘积型鉴相器83相乘后的输出电流为经低通滤波器取出输出电流的低频分量，在负载RL上得到输出电压为鉴相特性曲线仍是正弦形,只是鉴相跨导和线性鉴相范围为

相乘后的输出电流为84

3.u1和u2均为大信号的乘积型鉴相器设在u1和u2均大于100mV的大信号的条件下，乘法器的输出电流可表示为

u1是大信号，双曲正切函数也具有开关函数的形式，即傅氏级数展开为3.u1和u2均为大信号的乘积型鉴相器85相乘后的输出电流为经低通滤波器取出低频分量，在负载RL上建立电压为相乘后的输出电流为86对应于-π/2≤

≤π/2区间对应于π/2≤

≤π区间

图7.5.3鉴相特性曲线对应于-π/2≤≤π/2区间对应于π/287

结论：①两个输入信号均为大信号时，其鉴相特性为三角波形。

②在-π/2≤

≤π/2区间，鉴相特性是线性的。

③线性鉴相范围为比正弦形鉴相特性的线性鉴相范围大。④鉴相跨导为

乘积型鉴相器应尽量采用大信号工作状态，这样可获得较宽的线性鉴相范围。结论：88

7.5.3门电路鉴相器门电路鉴相器的电路简单，线性鉴相范围大、易于集成化，得到较为广泛的应用。常用的有或门鉴相器和异或门鉴相器。

1.异或门鉴相器它是由异或门电路和低通滤波器组成。输入给鉴相器的两个信号u1(t)和u2(t)均为周期为Ti的方波信号,u1(t)与u2(t)之间的延时为τe,它反映两信号之间的相位差

。异或门输出信号

的波形如图所示。

输入相同为“0”输入不同为“1”

7.5.3门电路鉴相器89

经低通滤波器得到的平均分量与的关系。

异或门鉴相器的输出与

的关系为三角形曲线，并可表示为其鉴相跨导为经低通滤波器得到的平均90

7.6调频信号解调电路(鉴频器)

7.6.1调频信号解调电路的分类与要求

调频-调幅调频变换型

调频解调电路分为相移乘法鉴频型

脉冲均值型

(1)调频-调幅调频变换型。这种类型是先通过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波，然后用振幅检波器进行振幅检波。例如双失谐回路鉴频器、相位鉴频器和比例鉴频器等。(2)相移乘法鉴频型。这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系，然后将调相调频波与原调频波进行相位比较(鉴相)，通过低通滤波器取出解调信号。因为相位比较器通常用乘法器组成，所以称为相移乘法鉴频。7.6调频信号解调电路(鉴频器)91(3)脉冲均值型。这种类型是将调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频信号瞬时频率相等的单极性等幅脉冲序列，然后通过低通滤波器取出脉冲序列的平均值，这就恢复出与瞬时频率变化成正比的信号。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输入信号的瞬时频率偏移Δf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关系的比例系数。(3)鉴频线性范围，通常应大于调频波最大频移的二倍。(4)非线性失真，应尽可能小。(3)脉冲均值型。这种类型是将调频信号通92

7.6.2双失谐回路鉴频器它是由三个调谐回路组成的调频-调幅调频变换电路和上下对称的两个振幅检波器组成。

图双失谐鉴频器原理图一次侧回路谐振于调频信号的中心频率，其通带较宽。二次侧两个回路的谐振频率分别为

、

,并使与与成对称失谐。即

7.6.2双失谐回路鉴频器93(1)(2)(3)调频波瞬时频率变化鉴频特性负斜率调频波瞬时鉴频特性94

某微波通信机采用的双失谐回路鉴频器的实际电路

谐振频率是35MHz和40MHz。调频信号经两个共基放大器分别加到上、下两个回路上，而两个回路的连接点与检波电容一起接地。由于接地点改变，输出电压改从检波器电阻中间取出，它是由检波电流I1和I2决定的,uo决定于两个检波电流之差。某微波通信机采用的双失谐回路鉴频器的实际电路957.6.3相位鉴频器

1.相位鉴频器构成的基本原理相位鉴频器是利用双耦合回路的相位-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。它常用于频偏在几百kHz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合两种鉴频器

关键问题：

1.什么样的双耦合回路能实现将调频波变换成调幅调频波?2.调幅调频波是怎样产生的?

7.6.3相位鉴频器96于2.互感耦合相位鉴频器的工作原理

电路特点：

①两个调谐回路均调谐于中心频率；为等幅调频波；②两个耦合支路,通过M耦合在二次侧得,由于耦合回路的相位-频率特性,与的相位差随频率变化；

通过电容Cc耦合在高频扼流圈L3上建立参考电压；与的矢量和为调幅调频波,即和都为调幅调频波；③有两个对称的振幅检波器,输出电压为两检波电压之差。于2.互感耦合相位鉴频器的工作原理97

鉴频原理：

由于是等幅调频波，和之间的相位关系却随着频率变化而变化。正是利用了与的相位差随频率变化,实现了调频-调幅调频变换。经振幅检波器可实现鉴频。

振幅检波器是由二极管D1、D2和低通滤波器RC3、RC4组成。振幅检波器的输入电压鉴频器的输出是取两振幅检波输出电压之差，即

式中,Kd为电压传输系数,UD1和UD2是和的振幅。

都是调幅-调频波鉴频原理：都是调幅98

3.互感耦合相位鉴频器的鉴频特性的定性分析分析的简化假设：一次回路的品质因数较高，一次、二次回路的互感耦合比较弱。不必考虑初级本身的损耗电阻和从二次侧引入到一次侧的损耗电阻对初级回路电流的影响。

由等效电路可知

回路电流在回路中感应电动势在的方向和同名端如图所示的条件下得3.互感耦合相位鉴频器的鉴频特性的定性分析99回路电压可由等效电路求出式中，X2=ωL2-1/(ωC2)，是回路总电抗，其值随频率不同可能为正，也可能为负，还可能为零。(1)当输入信号频率f=fc时，X2=0。于是

表明，回路电压比回路电压滞后π/2，则电压矢量图如图7.6.6(a)所示。回路电压可由等效电路求出100因为鉴频器的输出电压uo与UD1-UD2成正比，由矢量图知UD1=UD2，则鉴频器的输出电压为(2)当输入信号频率f>fc时，X2>0，这时L2C2回路总阻抗为式中，|Z2|是的模，θ是的相角，其值为

得因为鉴频器的输出电压uo与UD1-UD2成101表明，L2C2回路电压比L1C1回路电压滞后，对应的矢量图如图7.6.6(b)所示。从图中可知UD1<UD2，则鉴频器的输出电压为f与fc差值越大,UD1比UD2小得越多,输出电压负得越大。(3)当输入信号频率f<fc时，X2<0，这时L2C2回路总阻抗为式中，|Z2|是的模，θ是的相角，其值为

表明，L2C2回路电压比L1C1回路102得

表明，L2C2路电压比L1C1回路电压滞后(π/2-|θ|)，对应的矢量图如图7.6.6(c)所示。从图中可知UD1>UD2，则鉴频器的输出电压f与fc差值越大,UD1比UD2大得越多,输出电压正得越大。综合上述三点分析可得鉴频器输出电压uo与频率f的关系曲线如图所示。

得103

图鉴频特性曲线在f=fc

点，uo=0，随着失谐的加大，UD1与UD2幅度的差值增大，uo的绝对值加大。当f>fc时,uo为负。当f<fc时，uo为正。当频率偏离超过fm1和fm2两点时，曲线弯曲，这是由于失谐严重，和幅度都变小，合成电压也减小，鉴频特性曲线下降。

104和的波形说明从图矢量合成结果看岀：在f=fc载波状态时,和的振幅相等；f>fc时,的振幅隨频率增大而减小,的振幅隨频率增大而增大；f<fc时,的振幅隨频率增大而增大,的振幅隨频率增大而减小。因而在输入为等幅调频波时,和的波形为调幅调频波,如图所示。

图和的波形图和的波形说明105

4.相位鉴频器的鉴频特性对于实际电路，应该考虑回路损耗和耦合强弱的影响。设一次、二次回路的谐振频率都为fc，且品质因数QL和谐振电阻RP都相同，一般来说，一次回路是接在晶体管的集电极电路中，可用图所示等效电路表示。根据耦合回路分析方法，可求得式中，称为回路广义失谐,,

。

耦合因数

耦合系数

4.相位鉴频器的鉴频特性耦合因数耦合系数106可得

它们的幅值相应为可得107因此鉴频器的输出电压

η<1的鉴频特性的非线性较严重且线性范围小,而η～3时，线性范围增大，鉴频跨导减小。在η>3范围内鉴频特性的非线性又严重起来，为了确保鉴频特性曲线的线性好，通常η取～3。当η≥1时,对应于曲线最大值的广义失谐量ξm近似等于η。所以鉴频特性曲线两个最大值之间的宽度(鉴频宽度)为

Bm=2Δfmax=kfc

因此鉴频器的输出电压108

7.6.4比例鉴频器相位鉴频器前通常是需加一级限幅放大，以消除寄生调幅。对于要求不太高的设备，例如调频广播接收机中，常采用一种兼有抑制寄生调幅能力的鉴频器，这就是比例鉴频器。

1.比例鉴频器的基本电路及工作原理

它与相位鉴频器在调频-调幅调频波变换部分相同，但检波器部分有较大变化，主要差别是图比例鉴频器的基本电路7.6.4比例鉴频器109①在a′b′两端并接一个大电容Co，其电容量约为10μF，由于Co和(R+R)组成电路的时间常数很大,通常约为～0.2)秒左右,这样在检波过程中,对于15Hz以上的寄生调幅变化，电容Co上的电压UDC基本保持不变。②两个二极管中一个与相位鉴频器接法方向相反。这样除了保证两个二极管的直流通路外，还使得两个检波器的输出电压变成极性相同。因此，a′b′两端就是两个检波电压之和，即。

③把两个检波电容C3和C4的连接点d与两个电阻连接点e分开，鉴频器的输出电压uo从d、e两点取出。因为波形变换电路与相位鉴频器相同，所以电压与的关系相同，即①在a′b′两端并接一个大电容Co，其电容量约110两个检波器的输入电压和为检波器输出为因为,鉴频器的输出电压uo为可见比例鉴频器的输出也取决于两个检波器输入电压之差，但输出电压值为相位鉴频器的一半。两个检波器的输入电压和为111

2.比例鉴频器抑制寄生调幅的原理比例鉴频器的输出电压为

因为UDC不变，所以uo的大小取决于||与||的比值，而不取决于它本身的大小。在调频信号的瞬时频率变化时,||与||一个增大,一个减小,其比值随频率变化而变化,这就实现了鉴频作用。2.比例鉴频器抑制寄生调幅的原理112但是，当输入调频信号的幅度发生变化时,||与||同时增大或同时减小，但其比值可保持不变，这样比例鉴频器输出电压uo就不随输入调频信号的振幅变化而变化，起到抑制寄生调幅作用。

从电路的动态工作中定性进行说明抑制寄生调幅的作用

由于电容器C0的作用，两端电压UDC保持不变，相当于给两个检波二极管加一个固定的直流偏压。当输入调频信号的振幅增大时，和增大，则||和||都增大，检波电流I增大。但是，当输入调频信号的幅度发生变化时,||与113因为UDC不变，则检波器的等效负载电阻R减小，使得检波器的导通角θ增大，从而使检波器的电压传输系数Kd=cosθ减小。另外，由于等效R减小，使得检波器的等效输入电阻Ridd=R/2减小，使二次与一次回路的品质因数QL2和QL1减小，又使前面放大器的负载电导增大,使电压增益减小。二者的综合作用能起到自动调整输出电压不受输入振幅变化的影响。同理，输入调频信号的振幅减小时，其过程与上相反，也能达到自动调整的作用。《高频电子线路》第二版-教学课件-第7章角度调制与解调电路114

7.6.5相移乘法鉴频器

1.相移乘法鉴频器的组成与要求图相移乘法鉴频器方框图它是将输入的调频波经移相器变换为调相调频波,并将输入调频波和调相调频波送给乘法器进行鉴相(两信号的瞬时相位比较),然后经低通滤波器取岀输入调频波的原调制信号。相移乘法鉴频需理解两个关键点：

(1)用乘法器实现鉴相,要求具有正弦鉴相特性,则要求乘法器的两个输入信号在载波