第九章角度解调电路

9.1概述9.2鉴相器9.3鉴频器第9章角度解调电路☺掌握典型调角信号解调电路的功能、结构、工作原理、分析方法和性能特点。☺了解数字调角信号解调方式及其实现电路。教学基本要求1.解调电路的功能调角信号解调电路：从调角波中取出原调制信号。调相波的解调电路：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。调频波的解调电路：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，又称为鉴频器。9.1概述输入调相波:输出电压:输入调频波：输出电压：(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Δφ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Δφ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。2.鉴相器的主要技术指标3.鉴频器的主要技术指标(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。9.2鉴相器☺

通常可分为模拟电路型和数字电路型两大类。☺

在集成电路系统中，常用的有：模拟乘法器构成的乘积型鉴相数字门电路构成的门电路鉴相1.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。一般来说u1和u2为正交关系，以取得正弦形鉴相特性。例如：u1：是输入的需解调的调相波。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。乘法器低通滤波器u1u2ku1u2uo(1)u1为小信号，u2为小信号当u1和u2均小于26mV时，根据模拟乘法器的特性，输出电流：经低通滤波器滤波，在负载RL可得输出电压为：（2）线性鉴相范围：鉴相特性曲线：1(t)是u1和u2的相位差，通常用e(t)来表示。uo和e(t)呈正弦关系。小信号正交乘积鉴相特性（1）鉴相跨导Sφ当：时，单位：当：时，，即：乘法器的输出电流i为：双曲正切函数具有开关函数的形式将其按傅氏级数展开：

(2)u1为小信号，u2为大信号相乘后的乘法器的输出电流为：低通滤波后在负载上得到输出电压为：

鉴相特性曲线（1）鉴相跨导：（2）线性鉴相范围：小信号正交乘积鉴相特性呈正弦关系当时，乘法器的输出电流

i为：

(3)u1为大信号，u2为大信号开关函数形式展开为傅氏级数u2为大信号，展开：乘法器的输出电流为：鉴相特性曲线经低通滤波器滤波，在负载上得到输出电压：呈三角波关系一次和三次叠加一次、三次和五次叠加一次、三次、五次和七次叠加A鉴相曲线为：B鉴相跨导：C线性鉴相范围：分析：乘积型鉴相器应尽量采用大信号工作状态，这样可以获得较宽的线性鉴相范围。2.门电路鉴相器特点：电路简单、线性鉴相范围大，易于集成化。分类：分为或门鉴相器和异或门鉴相器。异或门鉴相器及波形经低通滤波器滤波后，输出电压ud(e)与e的关系为三角形，可表示为：其鉴相跨导为：低通滤波器滤波相当于取平均值，即输出电压ud为u'd的均值。9.3鉴频器

☺

由于调频波是等幅波，其解调的过程不是线性频谱搬移。因而不能像调幅那样用非线性器件+低通滤波器组成。而是要先通过变换电路对等幅调频波进行变换，然后再经振幅检波、鉴相器或低通滤波实现。

☺鉴频电路可分为调频-调幅调频变换型、相移乘法型和脉冲均值型三类。（1）调频-调幅变换型：将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。（2）相移乘积型：将等幅调频波经移相电路变换成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率变化成线性关系，然后将调相调频波与原调频波经乘法器鉴相，由低通滤波器输出。（3）脉冲均值型：将调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频波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实现鉴频。最简单的频—幅变换电路就是并联谐振回路，其工作特点：FM信号工作在并联谐振回路的失谐区，即（fp>f0

），当FM波电流流过回路时，由于瞬时频率随调制信号而变化，对于不同的瞬时频偏，失谐回路阻抗不同，回路输出电压u1的振幅将随瞬时频偏△f(t)的变化而变化，即可完成FM→AM变换。

f

ofp利用失调回路中幅频特性曲线的倾斜部分来实现鉴频，解调后失真较大，是一种原始类型的鉴频器，现在已很少采用，但它对理解振幅鉴频器对FM波的解调有很直观的意义。fpius(fo)例：单失谐回路振幅鉴频器1.双失谐回路鉴频器由三个并联调谐回路组成的调频-调幅调频变换电路和上下对称的振幅检波器组成。

双失谐回路鉴频器u2u1uFMf01f02初级回路调谐于调频波的中心频率ωc，通带较宽。次级两个回路分别调谐于ωo1和ωo2

，并使ωo1和ωo2与ωc成对称失谐，即ωc-ωo1=ωo2-ωc。两个回路的幅频特性可近似认为对ωc是对称的。输入FM信号特性曲线当输入调频信号的频率为ωc时，两个回路的电压振幅相等，经两个检波器检波产生输出电压uo1和uo2是相等的，故鉴频器输出电压uo=uo1-uo2=0。当输入调频信号的频率从ωc向增大方向偏离时，L2C2回路电压大，而L1C1回路电压小，经检波后uo1<uo2

，则鉴频器输出电压uo=uo1-uo2<0。当输入调频信号的频率从ωc向减小方向偏离时，L2C2回路电压小，而L1C1回路电压大。经检波后uo1>uo2

，则鉴频器输出电压uo=uo1-uo2>0。f01f02双失谐回路鉴频器u2u1uFM当输入调频信号的频率为ωc时，两个回路的电压振幅相等，经两个检波器检波产生输出电压uo1和uo2是相等的，故鉴频器输出电压uo=uo1-uo2=0。当输入调频信号的频率从ωc向增大方向偏离时，L2C2回路电压大，而L1C1回路电压小，经检波后uo1<uo2

，则鉴频器输出电压uo=uo1-uo2<0。当输入调频信号的频率从ωc向减小方向偏离时，L2C2回路电压小，而L1C1回路电压大。经检波后uo1>uo2

，则鉴频器输出电压uo=uo1-uo2>0。双失谐回路鉴频特性输入FM信号特性曲线+结论：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。实用电路举例

双失谐回路鉴频器的实用电路☻两个失谐回路分别调谐于35MHz和40MHz。它们是共基放大器的负载回路。☻输入调频波ui从两放大器发射极输入，经共基放大，在负载回路产生输出电压，经检波器产生检波电流I1和I2。在负载上得到电压为(I1-I2)RL。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，再通过振幅检波器实现鉴频的一种鉴频器。

互感耦合鉴频器电容耦合鉴频器二者原理相同，仅以互感耦合为例。用途：频偏在几百KHz以下的调频无线接收设备中。2.相位鉴频器uFM(一)电路结构和基本原理

（1）移相网络：互感为M的初、次级双调谐耦合回路组成的移相网络，u1经移相网络生成次级电压u2，并使|U1|=|U2|。+u3

-另外，u1经耦合电容CC在扼流圈LC上产生的电压u3=u1，故其等效电路如右下图所示。VD1C3R1C4R2VD2（2）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差为:+u2-+u1-LcC2C1VD2VD1R1R2EcC4C3VTCcML2L1ud1ud2互感耦合相位鉴频器两个调谐回路L1C1和L2C2均调谐于输入调频波的中心频率ωc。(二)工作原理分析：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，则初级回路中流过L1的电流近似为：而次级回路中产生的感应电动势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i2为：所以：次级回路两端电压u2为：VD1C3R1C4R2VD2ud1ud2LcC2C1VD2VD1R1R2EcC4C3VTCcML2L1i1i2初级回路品质因数较高，可忽略L1的损耗电阻；初、次级互感耦合较弱，可忽略次级损耗对初级的影响。+u1-+u2-（1）当输入FM波瞬时频率f等于调频波中心频率f

c，即f=f

c时，次级回路谐振。即：

则有：即有：u2滞后u1相位差π/2，由矢量图可得：

|Ud1|=|Ud2|若设检波器的传输系数为：Kd1=Kd2=Kd。则有：所以：讨论:（2）当瞬时频率f>fc时，则有，这时次级回路呈电感性。

注意： 为次级回路阻抗。为Z2的相角。由矢量图，u2滞后u1的相位大于π/2，且随f↑，相位差→π

所以：|Ud1|<|Ud2|

（3）当f<fc时， 次级回路呈电容性。

所以：其中：可见：u2滞后u1的相位差小于π/2，且所以有：|Ud1|>|Ud2|鉴频特性曲线互感耦合回路电路（1）对于实际电路，定性分析中的两点假设是不完全符合的。（2）实际的互感耦合回路电路如图。根据耦合回路的分析可得：(三)相位鉴频器的鉴频特性(定量)为广义失谐为耦合因数为耦合系数为一般失谐初、次级回路电压方程可写为式中Z11为初级回路的自阻抗，即Z11=r1+jX11=r(1+j),Z22为次级回路的自阻抗，即Z22=r2+jX22=r(1+j)。解上列方程组可分别求出初级和次级回路电流的表示式：

+

L1

r2

L2

M

1I&

C2

1V&

–

2I&

r1

C1

利用戴维南定理，I=V1·(jC)，U1I1·(jL)

+

L1

r2

L2

M

1I

C2

1V

–

2I

r1

C1

互感耦合回路电路鉴频特性是与(ξ,η)有关。右图是一组(ξ,η)曲线，它只表示了ξ>0的一半，另一半是ξ<0的与其相似，只是为正值。（4）鉴频器的的输出电压☺η=1.5~3时，线性范围增大，但鉴频跨导比η=1要小。（5）结论☺η=1时，鉴频特性的非线性较严重，且线性范围小。☺η>3时，非线性严重。☺当η≥1时，对应曲线的η近似等于ξm。而鉴频特性的两个最大值的宽度可认为是鉴频宽度Bm。由于ξm=QL2Δfmax/fc，η=KQL

，则Bm=2Δfmax=Kfc

，即鉴频宽度与耦合系数K有关。uFM+u3-+u2-+u1-LcC2C1VD2VD1R1R2EcC4C3VTCcML2L1互感耦合相位鉴频器工作原理总结其功能是把从前级中放并经限幅后送来的等幅FM波解调出原调制信号。它由放大器、移相网络和包络检波器组成。1)互感双调谐回路组成的移相网络。u1通过移相网络后生成调相-调频(PM-FM)波u2，并使|u2||u1|。移相网络使u1和u2在fc上形成固定的/2相移；当u1的瞬时频率变化在fc的基础上线性变化时，u2和u1的相位差也在/2的基础上线性变化。2)二极管两端的合成信号ud1和ud2都是AM-FM波。AM变化是随u1和u2的相位差而变化，相位差就包含调制信号信息。因此包络检波的结果就是调制信号。3.比例鉴频器主要特点：是本身兼有抑制寄生调幅的能力。在调频广播和电视接收中得到广泛应用。原理电路：比例鉴频器原理电路(2)在a'b'两端并接一个大电容C0，其电容量约为10μF。由于C0和(R+R)组成电路时间常数很大，通常约为(0.1~0.2)秒左右。对于15Hz以上的寄生调幅变化，电容器C0上的电压Udc不变。(1)调频-调幅调频波形变换电路与相位鉴频器相同。比例鉴频器原理电路(2)在a‘b’两端并接一个大电容C0，其电容量约为10μF。由于C0和(R+R)组成电路时间常数很大，通常约为(0.1~0.2)秒左右。对于15Hz以上的寄生调幅变化，电容器C0上的电压Udc不变。(3)两二极管中一个与相位鉴频器接法相反。使Ua'b'为两检波电压之和，即：(4)鉴频器输出电压取自电容C3、C4的接点d和电阻的接点e之间。(1)调频-调幅调频波形变换电路与相位鉴频器相同。基本原理:(1)Uab与U1的关系与相位鉴频器相同(2)UD1

、UD2与检波电压Uc3，Uc4的关系：检波输出电压：

不变基本原理:(3)鉴频器输出电压：取决于两检波器输入电压之差，为相位鉴频器的一半。抑制寄生调幅的原理:（1）比例鉴频器的输出电压的另一种表示形式（2）当输入信号的频率变化时，|UD1|与|UD2|的变化是一个增大，另一个减小，|UD1|/|UD2|变化，则U0随频率变化而变，起到鉴频作用。（3）当输入信号振幅变化时，|UD1|与|UD2|随振幅增大同时增大，随振幅减小同时减小，其比值不变。也就是说，振幅变化对鉴频输出没有影响。抑制寄生调幅的原理:（另一种解释）1）若FM存在幅度调制，假设Ui的幅度增加，U1增加，Uab增加，因此Ud1和Ud2增加，检波电流I增加。Ui2）由于Udc恒定，检波电流I增加，意味着直流等效电阻R要减小，则二极管等效的输入电阻Rid也将减小。3）Rid是并联在次级回路中，所以次级回路QL减小，反射到初级也相当于QL减小，即初级Rp减小，回路增益减小，所以U1要