高频电子线路第7章 频率调制与解调

第7章频率调制与解调

调频信号分析

调频器与调频方法

调频电路

鉴频器与鉴频方法

鉴频电路

调频收发信机及特殊电路1/14/20231一、调频信号分析角度调制：包括频率调制(FM)和相位调制(PM)。角度调制和解调过程属于频谱的非线性搬移，分析方法和模型也与频谱的线性搬移电路不同。FM：高频信号的频率按调制信号的规律变化，FM信号的解调称为鉴频或频率检波。PM：高频信号的相位按调制信号的规律变化，PM信号的解调称为鉴相或相位检波。FM与PM关系：由于频率和相位之间存在微分和积分的的关系。因此在实际实现的过程中，调频可以用调相的方法实现；同样调相也可以用调频的方法来实现。本章的重点是调频和鉴频。1/14/202321、调频信号的时域分析1/14/20233调频波波形：1/14/20234调频波的三个基本参数：Δfm、kf和mf(1)峰值频偏Δfm:反映频率受调制的程度，是衡量调频质量的重要指标。瞬时角频偏：Δω(t)=kfUΩcosΩt，峰值频偏：Δfm=kfUΩ/2π；瞬时频率的变化范围：fc－Δfm～fc+Δfm；瞬时频率的最大变化值：2Δfm；(2)调频灵敏度kf：反映调制信号对瞬时角频率控制能力。kf=Δωm/UΩ

(3)调频指数mf：单音调制信号引起的最大瞬时相位偏移量。mf

=Δωm/Ω=Δfm/F=Δφm=kf

UΩ/ΩΔφm：峰值相偏。

mf可以小于1，也可以大于1。1/14/202351/14/202362.调频信号的频域分析通过分析下面复周期函数的傅立叶级数展开，可以了解调频波的频谱特点。Jn(mf)：宗数为mf的n阶一类贝塞尔(Bessel)函数，可以用无穷级数进行计算：调频波的级数展开式为：1/14/20237Bessel函数的特点:(1)mf

=0：J0(mf)=1，其它各阶Bessel函数为0。这意味着当没有调制信号时，uFM只包含载波分量。(2)所有Bessel函数都是正、负交替变化的非周期函数，而且在mf的某些值上，函数为0。1/14/20238单频调制时FM波的频谱：左列Ω为常数；右列Δωm为常数1/14/20239调频波的频谱结构和特点:

(1)有无穷多个频率分量：在以fc为中心、以F为间隔对称分布，各分量的幅值取决于Bessel函数；(2)载频分量不总是最大，有时为0；(3)功率大部分集中在载频附近；(4)频谱结构与mf的关系

F一定：Δfm↑→mf↑→频谱就会展宽；Δfm一定：F↓→mf↑→频谱宽度基本不变。FM和PM有相似的频谱结构，都包含有无穷多个边频分量，因此都属于非线性调制。(5)窄带调频(NBFM)：虽与AM波的频谱相同，但有原则区别1/14/202310调频波的信号带宽：虽然从理论上讲，调频波带宽为无穷大，但由于FM信号的能量主要集中在fc附近，因此在工程实践中通常忽略其它振幅很小的边频分量。FM信号带宽(Carson公式)：Bs=2(mf+1)F=2(Δfm+F)(1)mf

<<1：属于窄带调频(NBFM)，Bs=2F；(2)mf

>>1：属于宽带调频(WBFM)，Bs=2Δfm。举例：调频广播。Δfm＝75kHz，Fmax=15kHz，Bs=180kHz>>2Fmax=30kHz。适用频段：由于FM信号的带宽较宽，因此FM只用于超短波和频率更高的波段。1/14/2023113、调频波的功率：设负载阻抗为RL说明：调频波的平均功率和未调载波的平均功率相等。因此调频器可以理解为功率分配器，它的功能是将载波功率分配给每个边频分量，而分配的原则与调频指数mf有关。4、调频波和调相波的比较

1/14/202312调频和调相的相互转化：

积分调相微分调频PM的频谱：分析方法与FM相同。特点：由于mp和F无关，所以Bs与F成正比。如果按照最高调制信号频率Fmax设计信道，则调制信号频率较低时，系统频带利用率利用的不充分。因此在模拟通信中，很少采用调相方式。1/14/202313调频波与调相波的比较表：1/14/2023145、小结(角度调制的特点)(1)角度调制是非线性调制：即便是单音调制，在角度调制信号中包含无穷多个边频分量；(2)FM的频谱结构与mf密切相关：mf越大，频带越宽，同时调频的抗干扰能力也越强；在实际选择调频指数时要兼顾带宽和抗干扰能力。宽带调频：如调频广播、电视伴音，信号质量要求高，mf值选得大；

窄带调频：一般通信，信道带宽较窄，mf值选得小。(3)角度调制的设备利用率高：原因是角度调制的平均功率和最大功率相等；(4)调频制的抗干扰能力：是通过限幅器去掉寄生调幅来实现的。而干扰引起的频偏可以忽略。1/14/202315二、调频器与调频方法1、调频器：实现调频的电路或部件称为调频器。调频特性：用瞬时频偏Δf～uΩ的关系曲线来表示(1)调制特性线性要好；(2)调制灵敏度要高，调制特性曲线在原点处的斜率就是调制灵敏度；(3)载波性能要好。1/14/2023162、调频方法:直接法和间接法。(1)直接法：用调制信号直接去控制高频振荡器的频率。包括：变容二极管直接调频、电抗管直接调频。变容二极管调频器：用调制信号去控制振荡器的变容二极管的结电容，是最常用的调频方法，本章要重点讲这种调频电路。电抗管调频：用电子管、晶体管或场效应管作为振荡器的等效可控电抗，在调制信号控制下实现调频，目前这种调频方法已很少使用。(2)间接法：对调制信号先积分，再调相可以实现调频。间接法的关键是如何调相，调相方法包括：矢量合成法、可变移相法和可变延时法。1/14/202317间接调频中的调相方法：(1)矢量合成法：针对窄带调相。(2)可变移相法：用调制信号去控制移相网络或者谐振回路的电抗元件或电阻元件来实现调相。应用最广的是变容二极管调相电路。(3)可变延时法：将载波经过一个可控延时网络，可实现调相。延时时间受调制信号控制。3.扩大调频器线性频偏的方法直接在较高的频率上调频；在较低的载频上调频，通过倍频和混频提高线性频偏。1/14/202318综合举例：P318习题7-1。已知角调波试确定：(1)最大频偏；(2)最大相偏；(3)信号带宽；(4)此信号在单位电阻上的功率；(5)能否确定这是FM波还是PM波；(6)计算调制电压。(1)(2)(3)F=1000Hz，,解：瞬时相偏瞬时频偏

(4)1/14/202319(5)不能分辨出FM波和PM波。(6)假设调制灵敏度k=1。若是FM波，则若是PM波，则1/14/202320三、调频电路

1、变容二极管直接调频：二极管反向偏置时，势垒电容随外加反向偏置电压而变化。变容二极管的结电容：

C0：零偏置电压时的结电容值；uφ：PN结的导通电压；u：反向偏置电压的绝对值；γ：结电容变化指数。1/14/2023212、变容二极管直接调频电路性能分析(1)Cj作为回路总电容1/14/202322振荡频率：

1/14/202323理想情况(γ=2)：实现线性调频，就是瞬时频率与调制信号为线性关系，调频特性为直线。1/14/202324理想情况(

γ≠2)：瞬时振荡频率中包含调制信号的高次谐波，因此瞬时角频率与调制信号是非线性关系，所以称为非线性调频。将角频率按泰勒级数展开，并忽略三次以上的高次项：1/14/202325非理想情况(

γ≠2)小结：(a)中心频率漂移：产生原因是由于Cj～u曲线不是直线，导致电容的平均值不等于CQ，从而引起中心频率偏移；(b)峰值角频偏：它是调频电路重要参数，通常越大越好；(c)二次谐波失真：振荡频率二次谐波的存在意味着非线性调频，即调频特性不是直线，发生弯曲，非线性失真的程度可以用二次谐波失真系数来描述(d)调频灵敏度：1/14/202326变容二极管作为回路总电容直接调频电路的特点：优点：输出频偏大，调制灵敏度高。缺点:(a)中心频率稳定度下降：因为CQ随温度、电源电压变化；(b)由于高频振荡电压完全作用于变容二极管，所以还会带来以下后果：一是寄生调频，就是频率不按调制信号变化的调制；二是高频电压过大时导致变容二极管导通，引起寄生调幅。因此这种调频电路主要应用在宽带调频系统中。1/14/202327(2)变容二极管部分接入振荡频率：按级数展开并忽略高次谐波。1/14/202328部分接入的特点：(a)峰值频偏Δfm减小，调频灵敏度kf下降；(b)改善调制特性线性和中心频率稳定度。但这是以牺牲频偏为代价的；(c)减少寄生调制。 说明：对于宽带调频，为了得到线性调频信号，取γ>2。1/14/2023293.变容二极管直接调频电路的改进

LC变容二极管直接调频电路的缺陷：中心频率稳定度较差。稳频措施：直接对晶体振荡器调频。工作原理：这是并联型晶振皮尔斯电路,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。缺点：f1只能在fq~f0之间变化，因此这种调频电路的峰值频偏比较小。1/14/2023304.间接调频电路：关键是调相，介绍变容二极管调相电路。并联谐振回路：是一个受调制信号控制的移相回路。1/14/202331三级回路级联的移相器：线性相移限制了单个回路的最大相移，不超过30°，可以采用扩展线性相移。若三级单回路级联组成的调相电路，每级相偏为30°，三级可达90°相移，因而增大了频偏。各级间耦合电容为1pF，故互相影响很小。1/14/202332综合举例(习题7-6)：调频振荡器回路的电容为变容二极管，其压控特性为Cj=Cj0/(1+2u)1/2，u为变容二极管反向电压的绝对值。反向偏压EQ=4V，振荡中心频率为10MHz，调制电压为uΩ(t)=cosΩtＶ。(1)求线性调制灵敏度和二次谐波失真系数；(2)当要求Kf2<1%时，求允许的最大频偏值。解:(1)先计算变容二极管等效电容和瞬时频率1/14/2023331/14/202334四、鉴频器与鉴频方法1、鉴频器：调频波的解调电路称为频率检波器或鉴频器(FD)。调频接收机和调幅接收机一样采用超外差式的，鉴频在中频频率上进行。鉴频特性：鉴频器输出电压与瞬时频率的关系曲线。实际的鉴频特性为“S”型曲线。线性鉴频区域用峰值带宽Bm描述：Bm=fA−fB1/14/202335鉴频器性能指标：(1)鉴频器中心频率：鉴频特性曲线中心处的频率，接收机中，中心频率对应中频频率fIF；(2)鉴频跨导(或鉴频灵敏度或鉴频效率)：鉴频跨导要大；(3)鉴频带宽(又叫峰值带宽)Bm：Bm>2Δfm；(4)线性度：鉴频特性接近线性的程度，线性度好，失真小；(5)抗噪声能力(输入信噪比门限)与门限效应：调频制的抗噪声性能是以鉴频器输入的高信噪比为条件的，如果鉴频器输入信噪比低于某个门限值，输出信噪比急剧下降，这种现象称为门限效应。1/14/2023362、鉴频方法：分为两大类，包括直接鉴频和间接鉴频。直接鉴频法：直接从调频信号频率中提取原来的调制信号。脉冲计数式鉴频法就属于此类，目前用在高级收音机电路中。1/14/202337振幅鉴频器实现方法:(a)时域微分法：用微分电路来实现频率-振幅变换器。其缺点是有效鉴频范围比较窄。频-幅变换器包络检波器间接鉴频法：对调频信号先进行适当的变换，然后间接地恢复出原来的调制信号。间接鉴频包括振幅鉴频和相位鉴频。这类方法广泛使用，是本节的重点内容。(1)振幅鉴频法：原理是先将FM信号通过频率-振幅变换器变成AM-FM信号，然后用包络检波器解调出调制信号。1/14/202338(b)斜率鉴频法(或失谐回路法)：利用处于失谐状态的谐振回路的幅频特性的线性部分实现频率-振幅转换。因此这种方法称为斜率鉴频。常用的有单失谐回路和双失谐回路。1/14/202339(2)相位鉴频器:

原理是将FM信号经过频率-相位变换，变为FM-PM信号，然后用鉴相器恢复出调制信号。这种方法广泛使用，也是鉴频电路重点讲授的内容。1/14/202340相位鉴频器实现方法：乘积型相位鉴频器和叠加型相位鉴频器。(a)乘积型相位鉴频器(正交鉴频器)线性移相网络：由单调谐回路或双调谐回路来实现。鉴相器：用乘法器和低通滤波器实现，两个输入信号相互正交。1/14/202341(b)叠加型相位鉴频器线性移相网络：同上。鉴相器：用加法器和包络检波器实现。1/14/202342平衡叠加型相位鉴频器：是叠加型相位鉴频器的改进形式。移相网络：采用耦合回路实现。耦合回路可以是互感耦合，也可以是电容耦合。鉴相器：称为平衡叠加鉴相器，如下图所示。平衡叠加型相位鉴频器：是在实际应用中常用的鉴频器。我们重点讲这一部分鉴频电路。1/14/202343五、鉴频电路我们要讨论的鉴频电路都属于平衡叠加型相位鉴频器，包括互感耦合(电容耦合)相位鉴频器、比例鉴频器。1、互感耦合相位鉴频器(Foster-Seeley鉴频器)U1是经C0直通的FM信号；U2是经耦合回路移相的FM-PM信号。1/14/202344工作原理：分频率/相位、相位/幅度变换，包络检波三过程。(1)移相网络：频率/相位变换说明：U2近似看作是等幅的调频调相波。1/14/202345频率-相位变换电路的相频特性：1/14/202346(2)加法器：相位/幅度变换由简化电路可得两个检波二极管上的高频电压：两个二极管上的高频电压UD1和UD2形成FM-PM-AM波。下面通过矢量合成说明信号转换过程。1/14/202347（3）差动包络检波设两个包络检波器的传输系数为Kd。1/14/202348（4）定量分析定量分析鉴频特性可以得到如下结果：1/14/202349鉴频器的主要性能指标：耦合相位鉴频器的鉴频特性与耦合因子A(A=kQ)密切相关。为了得到较好的鉴频特性，耦合回路通常工作在临界耦合和过耦合状态，即A≥１。(a)峰值鉴频带宽:Bm=kf0(b)鉴频跨导:

鉴频器的性能调整：通常通过改变k和Q来调整鉴频性能。1/14/2023502、电容耦合相位鉴频器耦合电容CM：几十pF~几十pF。1/14/2023513、比例鉴频器：是互感耦合相位鉴频器的改进电路，具有自限幅能力(软限幅)，因此在调频广播接收机和电视接收机中的鉴频电路主要采用比例鉴频器。(1)电路特点：与互感耦合相位鉴频器相比。(a).两个二极管顺接；(b).增加了一个电容C(10μF的电解电容)：时间常数远大于低频信号周期，因此可以近似认为C上的电压为恒定值Eo；(c).接地点和输出点改变。1/14/202352(2)工作原理1/14/202353鉴频特性：与电感耦合相位鉴频器的鉴频特性相比，比例鉴频器的鉴频特性(a)极性相反；(b)鉴频灵敏度减半。鉴频器输出的另一种形式：比例鉴频器的含义：鉴频输出电压只与两个检波电容电压的比值uc1/uc2有关。比例鉴频器的条件：(a)C足够大，保证Eo为恒定值；(b)RL>>R1，R2，保证得到上面的鉴频特性。1/14/202354(3)比例鉴频器的限幅原理自限幅的原因：由于大电解电容C。利用大电容的储能作用，保持Eo基本不变，来抑制输入信号的变化。自限幅条件：(a)谐振回路的空载品质因数要高；(b)(R1+R2)C要大于寄生调幅干扰的几个周期。两种特殊现象：(a)过抑制：输入幅度增大，输出反而下降，引起解调失真；(b)阻塞：当输入信号瞬时幅度下降时，因Eo的作用使检波二极管截止，导致接收机收不到信号。解决办法：在检波二极管后面串接一个电阻，使部分反偏电压随输入信号变化。1/14/2023553.乘积型相位鉴频器(正交鉴频器)：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，二者同频正交，因此，又叫正交鉴频器。乘法器由差分对电路实现，便于集成；移相网络由LCR并联谐振回路实现。1/14/2023564.其它鉴频电路：介绍两种实用的斜率型振幅鉴频器。(1).差分峰值斜率鉴频器：集成电路中常用的振幅鉴频器。V1、V2为射极跟随器；V3、V4为包络检波器；V5、V6组成差分对放大器；L1C1C2为频率/幅度变换网络。1/14/202357(2).晶体斜率鉴频器：电容C与晶体串联形成频率-幅度变换网络；VD1、R1、C1和VD2、R2、C2为两个二极管包络检波器，为了保证电路平衡，VD1与VD2性能相同，R1=R2，C1=C2。优点是结构简单，调整容易，鉴频灵敏度高，在窄带调频接收机中得到日益广泛的应用；缺点是线性鉴频范围窄：原因是线性鉴频范围限制在晶体的fq和f0之间。1/14/202358综合举例：已知某鉴频器原理框图和移相网络特性如图所示。如果包络检波器为二极管包络检波器，忽略二极管压降。(1).求输出电压表达式；(2).说明鉴频特性以及包络检波器中RC电路的选择原则。1/14/2023591/14/202360由上式可以看出，该鉴频电路的鉴频特性为正弦型，而且包含有直流分量，采用平衡电路可以消除直流分量。1/14/202361六、调频收发信机及特殊电路1、调频收发信机 由于调频信号的带宽较宽，因此调频收发信机必须工作在VHF频段以上。下图是fc=88~108MHz调频发射机示意图。1/14/202362fc=88~108MHz调频接收机方框图：1/14/202363(1)限幅电路:一般鉴频器没有自限幅(软限幅)的能力，需要在中放级采用硬限幅电路。硬限幅器特点：要求输入信号电压较大，大约1-3V，即中放增益要大，在调频收音机和电视机中通常采用比例鉴频器。硬限幅的分类：瞬时限幅器和振幅限幅器。(a)瞬时限幅器：将输入的调频波变为等幅的调频方波，脉冲计数式鉴频器中的限幅器属于这一类；(b)振幅限幅器：通过非线性器件的限幅作用和带通滤波器得到等幅的调频波。下图是一个振幅限幅器原理图。2.特殊电路：限幅电路、预加重/去加重电路、静噪电路。1/14/202364(2)预加重和去加重

下图(a)和图(b)分别是鉴频输出的噪声功率谱和噪声电压谱。噪声谱特点：鉴频器输出噪声功率(或噪声电压)随着频率的增加而增大。后果：高频端的信噪比降低，严重时有用信号会淹没在噪声里。解决办法：采取预加重/去加重措施可以改善鉴频器输出端的信噪比。1/14/202365预加重/去加重工作原理