频谱变换合理使用电路

在通信系统中，角度及解调电路不同于频谱搬移电路。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，这种变换不是线形变换，而是非线形变换。因此，我们把角度调制及调角波的解调电路称为频谱非线形变换电路。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。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。６.７调角波的基本性质

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。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，瞬时相位为一般表达式为调相波和调频波调相——高频振荡瞬时相位的变化量与调制信号成正比。根据定义调相波的表达式为可见为比例系数；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

式中，为瞬间相位偏移，即相对于的偏移。的最大值称为最大相移，习惯上又称调频指数，用mf表示，即调频波的表达式为为比例系数；表示瞬时角频率相对于的偏移称为最大角偏移，简称频偏当时，可得调频波的瞬时相位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。在ＬＣ正弦波振荡器中，由于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，就可以实现直接调频。6.8直接调频电路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。6.８.1变容二极管调频电路变容二极管是利用pn结的结电容随反向电压（反偏）变化这一特性制成的一种电压控制的可控电抗器。将变容二极管接入ＬＣ振荡器的振荡回路，用调制电压去控制变容管的电容量，从而控制振荡器的振荡频率达到调频的目的。变容二极管结电容（势垒电容）可用下式表示变容管加上偏置电压和调制电压后，总的控制电压为由以上两式得变容管作为振荡回路的总电容下图为变容二极管接入振荡回路的交流等效电路。

设振荡频率近似等于振荡回路的振荡频率，且忽略加在变容管上的高频电压。则瞬时角频率为２.变容管部分接入振荡回路为了提高载波频率稳定度，往往采用变容管部分接入振荡回路的办法。振荡回路电容的变化量和调制信号的关系。有6.８.２晶体振荡器直接调频电路在某些实际情况下，为了满足中心频率稳定度较高的要求，有时采用石英晶体振荡器直接调频电路。晶体振荡器有两种：一种是工作在石英晶体的串联振荡频率上，晶体等效为一个短路元件，起着选频的作用；另一种是工作于晶体串联和并联谐振频率之间，晶体等效为一个高品质因数的电感元件，作为振荡元件之一。通常是利用变容二极管控制后一种晶体振荡器的振荡频率来实现调频。如果电容二极管与石英晶体串联，其等效电路和电抗特性如下图所示。

利用这个原理，用调制信号改变Ｃj的方法可以改变晶体振荡器的振荡频率，从而达到调频的目的。由于Ｃj与石英晶体串联，而fq和fp又靠得近，因而调频的频偏很小，相对频偏只能达到０.０１％左右。6.８.３电容话筒调频电路电容花筒在声波作用下，内部的金属薄膜产生振动，会引起薄膜与另一电极之间电容量的变化。如果把电容式话筒直接接到振荡器的谐振回路中，作为回路电抗就可构成调频电路。下图是电容式话筒调频发射机实例。6.８.４电抗管调频电路电抗管与变容管一样，也是一种电压控制的可控电抗器。受控源可以是电子管、晶体管和场效应管。下图为场效应管构成的电抗管原理图。在直接调频电路中，为了提高中心频率的稳定度必须采取一些措施。在这些措施中，即使对晶体管振荡器直接调频，其中心频率稳定度有不如不调频的晶体振荡器的频率稳定度高，而且起相对频移太小。若调制不在晶体振荡器进行，而是在其后的某一级放大器中进行，将调制信号积分以后对晶振送来的载波进行调相，对积分前的信号（即调制信号）而言，就可以得到调频波了，这就是间接调频。显然，这时中心频率稳定度就等于晶体振荡器的频率稳定度。６.９间接调频电路间接调频的关键电路是调相电路，下面仅介绍常用的变容二极管调相电路。将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调相电路。电路中，由于调制信号的作用使回路谐振频率改变，当载波通过这个回路时由于失谐而产生相移，从而获得调相。下图是单级谐振回路变容管调相电路。上图（a）中，变容管的电容Ｃj和电感Ｌ组成谐振回路，作为变容相移网络。Ｒ１和Ｒ２是谐振贿赂输入和输出端上的隔离电阻，Ｒ４是偏压电源与调制信号源之间的隔离电阻。三个０.００１μＦ电容对高频短路，而对调制信号开路。下图是采用三级单回路级联构成的电路。图中，每个回路都由变容管调相电路，而各变容管的电容均受同一调制信号调变。每个回路的Ｑ值可由电阻Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３调节，以使三个回路产生相等的相移。为了减少各回路的相互影响，各级回路之间都用１pＦ的小电容耦合。这样，电路总相移近似等于三级回路相移之和。因此，电路可在９０°范围内得到线形调相。6.10调频波的解调

调角波包括调频波和调相波。其中,调频波的解调称为频率检波,简称鉴频;完成鉴频功能的电路称为鉴频器;调相波的解调称为相位检波,简称鉴相,完成鉴相功能的电路称为鉴相器。它们的作用都是从已调波中检出反映在频率或相位变化上的调制信号,但是所采用的方法却不尽相同。

在调频波中,调制信息包含在高频振荡频率的变化量中。所以,调频波解调的任务,就是要求鉴频器输出信号与输入调频波瞬时频率的变化量成线形关系。换句话说,鉴频器的作用是从调频波中检出音频调制信号来。

对调频波的检波必须先将频率的变化,转变成与音频调制信号相应的幅度变化,见下图。或者变成占空系数不同的脉冲系列,再经过幅度检波或脉冲的整流,才能检出音频信号。鉴频器工作示意图

鉴频器的质量指标集中表现在鉴频特性上。它的输出电压的大小uΩ(t)与输入调频波的瞬时频率偏移之间的关系,称为鉴频特性,如图所示。鉴频特性曲线鉴频跨导gd

所谓鉴频跨导是指单位频偏所产生输出电压的大小,即鉴频特性的斜率,又称为鉴频灵敏度,用数学式表示为2.频带宽度B

从图看出,只有特性曲线中间一部分线性较好。通常2△fm为频带宽度B。一般要求B大于输入调频波频偏的两倍。3.非线性失真为了从调频信号中无失真地解调出调制信号,在fc附近鉴频器输出电压uΩ与瞬时频偏成比例,即在频带B内应为一条直线(鉴频跨导gd为常数)。否则输出电压就不能真实地还原出调制信号,产生非线性失真。4.抑制寄生调幅的能力对调频信号的寄生调幅应具有一定的抑制能力,除比例鉴频器外,一般都在鉴频器前加限幅器。斜率鉴频器

斜率鉴频器是利用并联LC回路幅频特性的倾斜部分将调频波变换成调幅调频波,它应用于鉴频范围较大的场合。最简单的斜率鉴频器由失谐单谐振回路和晶体二极管包络检波器组成,该电路的线性范围与灵敏度都是不理想的。因此,在要求较高的情况下,广泛应用双失谐回路斜率鉴频器,如图。双失谐回路斜率鉴频器

这个电路是由两个单失谐回路斜率鉴频器构成的。其中,第一个回路的谐振频率f1低于调频波的中心频率fc,第二个回路的谐振频率f2高于fc,并且把他们的输出相减。当这两个鉴频器的特性与参数相同,且fc-f1=f2-fc时就得到uΩ(f)的关系曲线,即鉴频特性曲线。显然

其鉴频特性的灵敏度线性范围都比单失谐回路的斜鉴频器大有改善。相位鉴频器

相位鉴频器是利用耦合电路的相频特性来实现将调频波变换为调幅调频波的，它是将调频信号的频率变化转换为两个电压之间的相位变化,再将这相位变化转换为对应的幅度变化,然后利用幅度检波器检出幅度的变化。这样,幅度的变化就反映了频率的变化。

常用的相位鉴频器有电感耦合相位鉴频器和电容耦合相位鉴频器两种。接加到高频扼流圈L3两端。同时L3又是二极管检波器的直流通路。电压通过互感M在L2、C2并联回路两端产生电压

,c点是电感L2的中点,L2上下两半线圈的电压各为。二极管VD1、VD2,两个电阻R,两只电容C3、C4构成两个对称的幅度检波器。这样,可将图(a)简化为图(b)所示的等效电路。

电感耦合相位鉴频器的原理图如图。初级回路L1C1、次级回路L2C2都调协到调频波的中心角频率ωc上,两个回路的耦合途径有二:一是通过互感M耦合,二是通过耦合电容C0耦合。因C0、C4容量取得较大,对高频可视为短路,故可直相位鉴频器原理图鉴频器的输出电压为

uΩ=uo1-uo2=Kd(UD1-UD2式中Kd为幅度检波器的电压传输系数。

由上式可知,鉴频器的输出音频电压uΩ不仅与加到二极管两端高频电压的幅值有关,还与、的大小及他们之间的相位有关。

比例鉴频器相位鉴频器中,输入信号的幅度变化必将导致输出波形的失真。发射机的调制特性或接收机的谐振曲线的不理想以及外界干扰和内部噪声的影响,使鉴频器输入端的调频信号引起寄生调幅。因此,相位鉴频器前必须加限幅器。为了有效限幅,往往要求限幅器输入端的电压在1v量级,这就需要限幅器以前有较大的放大量,即要求接收机的级数增加。比例鉴频器就是这种兼有鉴频和限幅功能的电路,如图所示。比例鉴频器及其等效电路将相位鉴频器和比例鉴频器比较，不同的地方只是幅度检波器部分，其区别是：①在f－g两端并接了一个大容量的电容Ｃ5，一般取为10μＦ，Ｃ5与（R3+R4）的时间常数约为0.1~0.2s。这样，在检波过程中，这个并联电路对15Hz以上变化的寄生调幅有惰性，使其两端的电压来不及跟着变化，而保持在某一恒定的电平上。②检波电阻中点和检波电容中点断开，输出电压取自d－e两端，而不是取自f－g两端。在负载电阻RL中，C4和C3放电电流的方向相反因而起到了差动输出的作用。图(a)中，CL数值的选取应对高频短路，对音频开路。③为了构成检波器的直流通路，VD1、VD2的连接方向相反，这样，电容C3、C4两端的电压uo1与uo2之和，而不是两者之差。

在UD1与UD2相同的条件下，比例鉴频器输出音频电压的幅度比相位鉴频器的音频电压幅度小一半。即鉴频跨导gd小一半；

和相位鉴频器比较，因为波形变换部分没有变。移相乘积鉴频器其鉴频原理为：先将调频波通过移相器变成相位变化，然后将相位变化变成相应的幅度变化，从而还原出音频信号来。

移相乘积鉴频器的基本原理如图。自中放级输出的信号一路直接送到乘法器()，另外一路经过移相器送到乘法器()。当调频波没有频率偏移，即等于中频频率时，和的相位差为90°,经过乘法器后输出的占空比为1的脉冲波,平均电流为一直流,即无输出。以此直流电平作为基准点或零点。当频率往高或低偏移时,和的相位差也在90°上下做相应变化。于是乘法器输出脉冲的占空比相应变化。这种变化，经过低通滤波器，整流出的平均值也随之变化，而这种变化正是音频调制波。移相乘积鉴频器方框图脉冲均值鉴频器

脉冲均值鉴频器就是利用调频波的过零信息。因为调频波的频率是随调制信号而变化的,所以,他们在相同的时间间隔内过零点的数目就会不相同。在频率高的地方过零点的数目就多,而在频率低的地方过零点的数目就少。利用这个特点,在每个过零点处形成一个等幅等宽的脉冲,那么,这个脉冲序列的平均分量就反应了频率的变化。用滤波器取出这个平均分量就是所需的调制信号。

调频波瞬时频率的变化,直接表现为调频信号通过零值时的点(简称过零点)的疏密变化。如果在从负变为正的过零点(简称正过零点)处形成一个振幅为U、宽度为τ的矩形脉冲,就可以将原始的脉冲波变换成一个重复频率受到调制的矩形脉冲序列,其重复频率的调制规律与调频波瞬时频率的调制规律相同,如图所示。如果在单位时间内对该矩形脉冲的个数计数,则所得的数目的变化规律就反映了调频波瞬时频率的变化规律。将调频波变换成重复频率受到调制的矩形脉冲序列锁相环鉴频器

锁相环鉴频器与跟相环鉴频器请参阅第8章、第9章。考虑鉴频器的归类,在这一节里只做简单介绍。这种鉴频器是应用了现代的锁相环技术,能够获得较好的性能。它最初用在高档调谐器中,随着集成电路的普及,也逐渐用在普通的调谐器中。跟相环鉴频器

跟相环鉴频器全名叫相位跟踪环鉴频器,简称PTL鉴频器。它结合了上述移相乘积鉴频器和锁相环鉴频器两者的特性,用移相器取代压控振荡器,组成一个锁相环路,如图所示。跟相环鉴频器6.11限幅器

对限幅器的要求是在消除寄生调幅时，不改变调频信号的频率变化规律。限幅器通常由非线性器件和谐振回路所组成。当带有寄生调幅的调频信号通过非线性器件后，便削去了幅度变化的部分。但此时波形产生了失真，即有新的频率成分出现。因此必须滤除不需要的频率部分，这是靠谐振回路来实现的。

根据限幅器的作用,它必须具有图所示的特性。图中曲线表示输出电压uo与输入电压ui的关系。在OA段输出电压随输入电压的增加而增加;A点以后,输入电压ui增加,输出电压uo保持一个恒定值。A点称为限幅门限,相应的输入电