通信电子线路第6章 模拟角度调制与解调电路[精]_图文

第6章 模拟角度调制与解调电路
6.1 概述 6.2 角度调制与解调原理 6.3调频电路 6.4 鉴频电路 6.5角度调制和解调电路的实用电路举例 6.6 集成调频、鉴频电路芯片介绍

6.1 概 述
回顾问题:(第5章 调幅系统概念)
1. “调制”与“解调”的过程如何实现? 2. “调制”与“解调”的方式有哪些? 3. “调制”对应的波形特征?
4.调制器、解调器在无线电收发系统中的位置?
2

1. “调制”与“解调”的过程:

低频人信号
高频飞信机号 ((载载波体) )

控制
调装 载飞波机的的参参数数((如如幅度、 制载
频重率量、、相速位度)等)

载已有调人波的飞机
解卸
调载
低频信人号 还原
3

2. 调制的方式:

低频信号

控制



高频信号

载波的参数



(载波)

幅度 频率 相位

相角

已调波 幅度调制(简称“调幅”,AM)

频率调制(简称“调频”,FM) 角度调制
相位调制(简称“调相”,PM4 )

2.解调的方式:

低频信号

控制



高频信号

载波的参数



(载波) 幅度 频率 相位

调调幅幅波波调调频频波波调调相相波波



低频信号



检波 鉴频 鉴相
5

调频波及其数学表达式
定义
? ? F:M (t)?c? K fu ? (t)??c???(t)
载波信号的瞬时频率随调制信号线性变化。 Kf——调频系数,是一个由调频电路决定的常数。 瞬时相位
? ? ? ? ? (t)?(t)d? tc t? K f u ? (t)dt
调频信号的数学表达式
? ? u F(t M )? U m co c t? sK f[u ? (t)d ]t

相关参数
角频率的最大偏移(最大频偏)
?? ?? |?(t)|m ? a K f x |u ? (t)|max
调频指数(最大相移)
? ? m f? |?(t)|m? a K x f| u ? (t)d|m t ax

2.调相信号

1.定义
? ? P:M (t)?c t? K p u ? (t)??ct???(t)
载波信号的瞬时相位随调制信号线性变化。

Kp——调相系数,取决于调相电路。

瞬时频率

?(t)?d?d(t)t??c?K pdd ? u (t)t

? 调相信号的数学表达式 u P(t M )? U m co c t? sK p [u ? (t)]

2.参数

角频率的最大偏移(最大频偏)
调相指数(最大? 相?移?|? )?(t)|m? ax K p|dd ? u (tt)|max
? m p? |?(t)|m? aK x p|u ? (t)|max

讨论:调频信号与调相信号的比较

?? 如果设载波: u o(t)? U co s(o t?o)

调制信号: u ? (t)?U ? co ? ts

FM波

PM波

(1) 瞬时频率:

(5) uFM (t

)表?达U式co: s? ?((tt))??o?kF u ? (t)
(2) 瞬时相位:

uPM(? t)(?t)U?? coo? s?k(tp)dd u ?(tt)

???? ? ? ????UUU?m cccooo?sss[[[km ???((f34? U (ooof))tttt?)? 最 最???m ? ?大 大mk? k?o fk m f频 相?tfUF ? ?s0偏 位t|?ik uu kn: :? F F ?s?(i|(t0 tn?) ttu 0t|)?m ? u?d(? tt?t? ()??td a ok )?]d?F ? x U toto|m ]? ]oax? ????U U Umccc? ? ?m ooo? (ktm sssp)p???? [[[? U ?oook ? ? ? tttpo ? ???t|?d ? m m kkk d ? ppu ? p (pU uu ttc)? ? k?|(om (ptct)s|)? ? a ? ou?? x k ? st? o ?p (?U tto?)? ]?? |om ?]aox]

mf

? kfU? ?

?kF

U? ?

mp ?kpU ?? kpU?
11

调频与调相的关系——总结

1. 调制指数

调频时

mf

???f
?

?kfU?m ?

与调制信号振幅 成正比,频率成 反比。

载调波相信时号:mp ?kpU?m 与调制信号频率无关。

2. 最大频率偏移——频偏

FM

??f ?kfU?m

与调制信号的幅度成 正比,与其频率无关

? PM ?p?m p? ?kpU ? m ?
12

FM与PM的共同点 频偏(即最大频率偏移)? ? 与调制指数m 之间都满足:
??=m?
13

表6-1 调频信号和调相信号比较(单音调制)

调频信号

调相信号

瞬时频率 瞬时相位

?(t)??c?K fu ? (t)

?(t)??c?Kpddu ?(tt)

? ?(t)??ct?K f u? (t)dt ?(t)??ct?K pu ? (t)

最大频偏 最大相移 数学表达式

???KfU? m

??
mf ? ?

??
mp?KpU?m? ?

? U m cocts ?m [fsi? n t] U m co?cs t? [m pco ? ts ]

u? (t)

单音调制时的调频和调相信号波形
uc (t )

t

t

? (t)
t

?(t)

?(t)

?c

?c

t

t

uFM(t)

uPM(t)

t

t

6.2.2调角信号的频谱
讨论单音调制的情况
? u F(t M )? U m co c t? s m fs [? it] n
? ? ? U m [c c t ? c o m f o s s ? t i ) s ? s n ( c t i ? s n m f i s n ? t i )n
1.窄带调频(NBFM):mf<<1 ? ? ?scionm m sf(fs(siin ? n ?tt))? ?m 1f sin ?t
? ? u F ( t ) M ? U m cc o t? U m s si c t?m n fs? i tn
? ? ? 1
? U m co c t? 2 s m fU m [cc? o ? ) t s ? c (o c? ? s ) t] (

2.宽带调频(WBFM):mf >>1
? ? u F ( t ) ? M U m [c c t ? c m o f s o ? t s ) i ? s s n c t ( i ? s n m f i s ? n t ) in
其中, co m fss? i(tn )? J 0 (m f)? 2 J 2 (m f)c2 o ? ts ? 2 J 4 (m f)c4 o ? t? s?
sm f i s n ? t i ) ? 2 n J ( 1 ( m f ) s ? t i ? 2 J n 3 ( m f ) s 3 ? i t ? ? n 这里,Jn(mf)是以mf为参数的n阶第一类贝塞尔函数,其 值有曲线和函数表可查。

由图可见: ①阶数n或数值mf越大,Jn(mf)的变化范围越小; ②Jn(mf)随mf的增大作正负交替变化; ③mf在某些数值上,Jn(mf)为0,例如 mf=2.40,5.52, 8.65,11.79时,J0(mf)为0。
图6-6 贝塞尔函数曲线

贝塞尔函数具有下列性质:

? ①

Jn(mf)????-JJ-n-(nm (m f)f, ), nn为 为偶 奇数 数 ②

?
Jn2(mf ) ?1
n?? ?

? ? 因此,调频波的数学表达式可表示为 u F ( t ) ? M U m [c c t ? c m o f s o ? t s ) i ? s s n c t ( i ? s n m f i s ? n t ) in

J 0 ( m f ) ? 2 J 2 ( m f ) c 2 ? o t ? 2 J 4 s ( m f ) c 4 ? o t ? ? s
2 J 1 ( m f) s? it? n 2 J 3 ( m f) s3 i ? t n ? ?
? ? U m J 0 (m f)co c ts ? ? ? U m J 1 (m f)[c c? o ? )ts ? c(o c? s ? )t(] ? ? ? U m J 2 (m f)[c c? o 2 ? )s t? c ( o c? s 2 ? ( )t]? ?
?
? ? u F(M t)?U m Jn(m f)coc? sn (? )t n ? ? ?

可以看出单频调角信号频谱具有以下几个特点:
1.由载频和无穷多组上、下边频组成,这些频率分量满足 ?c?n?
振幅为:Jn(mf )Ucm (n=0, 1, 2, …)。U c m 是调角信号振幅
当n为偶数时, 两边频分量振幅相同,相位相同;当n为奇数时, 两
边频分量振幅相同, 相位相反。

2.M确定后,各边频分量振幅值不是随n单调变化,且有时候为零.因 为各阶贝塞尔函数随M增大变化的规律均是衰减振荡,而各边频 分量振幅值与对应阶贝塞尔函数成正比。

3.随着M值的增大, 具有较大振幅的边频分量数目增加, 载频分量 振幅呈衰减振荡趋势, 在个别地方(如M =2.405、5.520时), 载频分量为零。

4.若调角信号振幅不变,不任M值怎样变化,总功率不变,且等于载

波功率PC .但载频与各边频分量的功率将重新分配.对于任何M值

,均有:

? ? P M?U 2R c 2 m L J0 2(M )?2J1 2(M )?2J2 2(M )?2J3 2(M )?2J4 2(M )??????

? ?U 2R c 2 m Ln? ? ??Jn 2(M )

6.2.3调角信号的带宽

根据调角信号的频谱特点可以看到, 虽然理论上它的频带无限宽,

但具有较大振幅的频率分量还是集中在载频附近, 且上下边频在振

幅上是对称的。

单音调制调频波的频谱具有以下特点: 1.窄带调频(NBFM):mf<<1

? ? ?scionm m sf(fs(siin ? n ?tt))? ?m 1f sin ?t

? ? u F ( t ) M ? U m cc o t? U m s si c t?m n fs? i tn

? ? ? 1
? U m co c t? 2 s m fU m [cc? o ? ) t s ? c (o c? ? s ) t] (

窄带 FM的频谱

带宽: BW?2F

宽带调频信号 ①调频信号的频谱不是调制信号频谱的线性搬移,而是由载频和无 数对边频分量组成。
②各分量的幅度由相应的贝塞尔函数值决定,当mf为某些特定值时,
可使载频或某些边频幅度为0 。
③各分量之间的间隔均为Ω,其中n为奇数的上、下边频分量极性 相反,n为偶数的上、下边频分量极性相同。
?
? ? 有效频带宽度: u F(M t)?U m Jn(m f)coc? sn (? )t n ? ? ?
理论上:边频分量有无穷多对 ,频谱无限宽。 实际不上计:。n↑→Jn(mf) ↓,当n大到一定数值后,更高次的边频可忽略 工程上规定,振幅小于未调制载波振幅10%的边频分量可忽略不计。
因此,调频波的有效频带宽度.
带宽: B=2(mf+1)F=2(Δf+F)

调角信号频谱与调制信号的关系
对于FM波 当mf>>1时,B=2(mf+1)F≈2Δf,由于Δf与F无关,所 以B近似与F无关。因此,FM被称为恒定带宽调制。
对于PM波 当mp>>1时,B≈2Δf,此时Δf =KpUΩmΩ,与Ω成正 比,即PM信号的带宽随调制信号频率而近似线性变化。 因此,在模拟调制时,除利用调相来获得FM信号外, 很少采用PM调制。

调角波的功率

?
? 单音调制时,u (t)?U m Jn(m )co ?cs?n (? )t,因此,

调角波的平均功率

n ?? ?

Pav?12URm L2 [J02(m)? 2 J 1 2 ( m ) ? 2 J 2 2 ( m ) ? ? ? ? ? ? ? ? 2 J n 2 ( m ) ? ? ? ? ]

利用贝塞尔函数的性质,则调角波的平均功率为

Pav

?

1 2

Um2 RL

因此,调制的过程是一个信号功率重新分配的过程。

6.2.4 调角信号的调制原理
1、调频原理 实现频率调制的方式一般有两种:一是直接调频, 二是间接
调频。 (1)直接调频
调制信号直接控制决定振荡器振荡频率的某个参数,使 振荡器瞬时频率随调制信号大小线性变化。
直接调频的电路基础是一个振荡器电路。其优点是能够 获得较大的频偏,缺点是频率稳定度较低。

(2)间接调频

间接调频就是利用调相来实现调频,其框图为

积分器

相位调制器

倍频器

载波
? 先对调制信号 u ? (进t )行积分,得到 u1(t)?,然0tu后?(将?)d?
u1(t)作为调制信号对载频信号进行调相。
? ? ?? t
? u ( t ) ? U c m c o s [c t ? k p u 1 ( t ) ] ? U c m c o s [c t ? k p 0 u ? ( ) d ]
间接调频的振荡器和调制器是分开的,因此可以获得较高的频率 稳定度。但受线性调制的限制,相移、最大频偏都较小,通常 不能满足要求,因此需加倍频器,以扩展频偏。

2.调相原理

实现相位调制的基本原理是使角频率为 ? c 的高频载波 u c (通t ) 过一个
可控相移网络, 此网络产生的相移 ? ?受调制电压 控制, 满足
的关??系?。kpu?(t)

正弦波振 uc 可控相移 uPM

荡器

网络

u
? ? u P M ? U c m c o s [c t? k p u ? ( t) ]? U c m c o s {c [ t? k p u ? ( t) ] } ? c

? ? ? U c m c o s[c(t?)]

?? ? kpu ? (t) ? c

6.2.5 调角信号的解调原理

1.鉴相原理

采用乘积鉴相是最常用的方法。若调相信号为:

? ? u P M ? U c m c o s [c t? ?(t)]

??(t)?kpu?(t)

同步信号与载u r波? 信U m 号co 相s(差? c πt? /? 22 ,)? 为? :U rm sin ? ct
则: uo?kuP M ur??kU cm U rmcos[?ct???(t)]sin?ct

?kU c2 m U rmsin??(t)?sin[2?ct???(t)]}

用低通滤波器
取 频出分量u :0中的低

u01?kUc2 mUrmsin??(t)?kUc2 mUrm??(t)

?kUcmU 2rmkpu?(t)?u?(t)

(??(t)??)
6

正交乘积鉴相原理图
2.鉴频原理
由于随调制信号u ? ( t ) 成线性变化的瞬时角频率与相位是微分关系
而相位与电压又是三角函数关系, 因此要从调频信号中直接提取
与 u ? ( t ) 成正比的电压信号很困难。
通常采用两种间接方法:

①先将调频信号通过频幅转换网络变成调频—调幅信号 然后利用包络检波的方式取出调制信号。 ②先将调频信号通过频相转换网络变成调频—调相信号
然后利用鉴相方式取出调制信号。
①调频-调幅信号
②调频-调相信号

6.3 调频电路

6.3.1 调频电路的性能指标

1.调频线性特性

调制特性是描述瞬时频率偏移Δf(t)随调制电压uΩ(t)变 化的特性,要求它在特定调制电压范围内是线性的。

2.调频灵敏度

?f fc ? f (u? )

单位调制信号电压变化所产生的

?f (t)

频率偏移,用S表示。 在线性调频范围内,S相当于Kf。

0 u? (t)

d? d?f(t)
S?du??du?(t)|u?(t)?0

3.最大线性调制频偏(简称最大线性频偏)
实际电路的调频特性从整体上看是非线性的, 其中线性部分能够实
现的最大频偏称为最大线性频偏。由公式: Mf ??fm/Fmax 及 B W ? 2 ( M f? 1 ) F m a x ? 2 ( ? fm ? F m a x )得 : 最 大 频 偏 与 调 频 指
数和带宽都有密切关系: 当UΩm一定,在调制信号频率范围内,△fm应保持不变。 例:调频广播系统的要求是75kHz,调频电视伴音系统的要求是 50 kHz。
4.载波频率稳定性 调频广播系统要求载频漂移不超过±2kHz,调频电视伴 音系统要求载频漂移不超过±500Hz。
频率稳定度=?f /时间间隔 fc

6.3.2 直接调频电路

1.变容二极管调频电路

(1).变容二极管(回顾第四章4.5节 压控振荡器)

利用PN结的势垒电容随反偏压大小而变化的特性而制

成的一种半导体二极管,它是一种电压控制可变电抗元件。

(2).结电容与反向电压u的关系

Cj

?

Cj0

(1?u / Uo )n

其中,C

——u=0时的结电容,
j0

—U —o PN结的势垒电位差,

n——变容指数,取决于

PN结的工艺结构。

由于变容二极管接在振荡器回路中,其结电容成为回路 电容的一部分。

?(t)? 1 ?

1

LCj

LCjQ

(1?mcos?t)n

当调制电压uΩ加在变容二极管上 →使加在变容二极管上的反向电压受uΩ控制; →从而使得变容二极管的结电容Cd受uΩ控制; →则回路总电容C也要受uΩ控制; →最后使得振荡器的振荡频率受uΩ控制,即瞬时频率随 uΩ的变化而变化。

变容二极管作为振荡回路总电容

存在问题:
叠加在变容二极管两端的高频电压不仅影响振荡频率随 调制电压的变化规律,而且还影响振荡幅度和频率稳定度等 性能。

变容管部分接入振荡回路(小频偏)
实际应用中,常采用如右图所示的电路:
其中:
C2的作用: ①使变容二极管部分接入振荡回路, 提高中心频率的稳定性; ②由于C2的分压,加到变容二极管上的高频振荡电压也 相应减小。 问题:电容C1可不可以不加,为什么要加C1? 因为高频电路中存在分布电容,加大C1提高稳定性,但 频偏减小。

变容二极管调频原理电路
分析思路: ①变容二极管上需加固定偏压及uΩ; ②变容二极管是高频振荡电路的一部分。 C2 —— 对音频和直流容抗大,可看作开路。 ZL—— 对音频和直流容抗忽略不计,可看作短路。

音频时等效电路 高频时等效电路

2.晶振变容二极管调频电路
用调制信号控制变容二极管的结电容,以引起晶体等效电 抗的变化,从而使振荡频率受调制信号控制。

晶振的频率控制范围很窄, 仅在串联谐振频率
之间f p, 所以晶振调频电路的最大相对频偏 左右, 最大线性频偏 也就很小。? f m

f 与s 并联谐振频率
只能?达fm 到/ f0c .01%

晶体振荡器调频,可以获得较高的中心频率稳定度,但 相对频偏很小(10-4量级)。
因此,利用晶体振荡器直接调频产生FM信号时必须扩 展频偏,方法有两种:
①利用倍频和混频器分别扩展绝对频偏和相对频偏; ②在晶体支路中串联一个小电感,使晶体的串联谐振频 率从fs降低到fs1,扩展fs到fp之间的范围。

3.扩展直接调频电路最大线性频偏的方法
如要求进一步扩展最大线性频偏, 可以采用倍频和混频的方法。
?? ?? 设调频电路产生的单频调频信号的瞬时角频率为: 1 ? c ? k f U ? m c o s ? t? c ? ? m c o s ? t
经过n倍频电路之后, 瞬时角频率变成 :
? 2?n ? c? n ? ? m co s? t
n倍频电路可将调频信号的载频和最大频偏同时扩大为原来的n倍, 但最大相对频偏仍保持不变。
将瞬时角频率为? 2 的调频信号与固定角频率为 ?3?(n?1)?c 的
高频正弦信号进行混频, 则差频为:
???? ? 4 ?3 ?2 ?c? n ? m c o s ? t
混频能使调频信号最大频偏保持不变, 最大相对频偏发生变化。

如果将直接调频电路的中心频率提高为原来的n倍, 保持最大相对

频偏不变, 则能够直接得到瞬时角频率为 省去倍频电路。

的?调2 频信号, 这样可以

直接调频 电路

n倍频电路
正弦波振 荡器

混频电路

6.3.3 间接调频电路
1.变容二极管相移网络
根据并联LC回路阻抗的幅频特性和相频特性, 将输入视为电流信 号, 输出视为电压信号, 我们来讨论以下三种不同的情况。
(1则)称若回LC路回处路于中谐心振角状频态率,恒输定出为载,波输信入号载的波频的率角不频变率,相? c移= 为? 0零,。 (2幅)单若频LC调回频路电中流心信角号频,率瞬仍时恒角定频为偏?为0 ,输, 入则是回载路频处于? 失c =谐? 状0 的态等,
如下图(a)所示。

由于 ? 附0 近的幅频特性曲线较平坦,故阻抗的幅值变化不大.若令
输入电流振幅恒定为I,输出电压最大变化量为 ?Um??ZmI
? 0附近的相频特性曲
线较陡峭附近的相频特 性曲线较陡峭,故产生
的相移变化 ? ?很大,
最 输大出变电化压量的为相位?与??输m 入
电流的相位有一个最大
相移为 ? ?的? m相位差

(3)与情况(2)相反,若输入是角频率恒定为 ?的c 载波信号, LC回路

的中心角频率 ?发( 生t ) 变化, 满足

?(t)? ? ,0 且?? =? m c ,o s如? t图(b)

所?示c , ? 0

显然, 回路也处于失谐状态,不过是由于回路阻抗特性曲线的左右 平移而产生的.这时输出电压的振幅变化与相位变化与情况(2)完全 相似,从上图 (b)可以很清楚地看到。 变容二极管相移网络属于第(3)种情况。现在来分析这种情况下
输出信号的相移表达式 ? ? (t ) 。
输入载波角频? 率(?t)c ? =? ? 0c,?所?? 以(瞬t)时?角n 2频m ? 率0 差co 为s:?t
对LC并联谐振回路的分析得知, 当失谐不大时, 回路输出电压与输
入 当 有电|近Δ流似φ(的式t)相| ≤位?? π差(/t可6)? 时近? ,似arc表ta ? 示n ? ? ( 为tC )g? ? ? ? ?1 a L rc ? ta ? n a2 rQ cte a? n? ? 2Q 0 (te)?? ? ?? 0 (2 t)Q e?? ? 0 (t)

? ? ( t)? n m Q e c o s ? t? ? M p c o s ? t
变容二极管相移网络能够实现线性调相,但受回路相频特性非线性的 限制,必须满足 M P ≤ π/6, 调制范围很窄, 属窄带调相.为了增 大调相指数,可以采用多个相移网络级联方式, 各级之间用小电容 耦合,
上图是三级单回路变容二极管相移网络, 可产生的最大相偏为π/2 。其中22 kΩ可调电阻用于调节各回路的 值, 使三个回路产生相 同的相移。

2.扩展简接调频电路最大线性频偏的方法
为了扩展间接调频电路的最大线性频偏, 同样可以采用倍频和混 频的方法。 下面是采用倍频和混频相结合扩展频偏方法的电路原理框图。

6.4鉴频电路
6.4.1鉴频电路的主要性能指标 1.鉴频线性特性:鉴频电路输出低频解调电压与输入调频信号瞬时
频偏的关系称为鉴频特性, 理想的鉴频特性应是线性的。实际电 路的非线性失真应该尽量减小。
2.鉴频线性范围:输入调频信号的瞬时频率是在载频(ωc)附近变化,
故鉴频特性曲线位于载频附近, 其中线性部分大小称为鉴频线性 范围。 3. 鉴频灵敏度:单位频偏所产生输出电压 的大小 4.鉴频频带宽度B B>2△f

6.4.2 LC回路的频幅和频相转换特性
? 实现鉴频的方法: 1.将调频波通过频率-幅度变换网络变成幅度随瞬时频
率变化的调幅调频波,再经包络检波器检出调制信号。
2.将调频波通过频率-相位变换网络变成调频调相波, 然后通过相位检波器检出调制信号。

1. LC并联回路的频相转换特性
调频信号通过参数恒定的LC回路后, 其振幅和相位都发生了变化。 考虑到正交乘积鉴相的需要, 为了获得90°的固定相移, 可以在 LC并联回路输入端串联一个小电容 , 整个频相转换网络可看作 是一个分压网络。

? 网络电压 ? ??? ? 传输函数

H ()?jC 1 /g ? 1 ? j2 Q e ? /0

0 ?L ( C 1 ? C 1 ): Q e? g ? 1 0 L

若 ? ? (t ) =0,即输入信号角频率为 ? 0 ,
H (?)?1?jj? 2 C Q 1 e? /g ? ? /?0 ?j?C 1/g?
则?? (t ) ? ? 此时网络相当于一个90°相移器。
2

网络的相移函数为:

??(t)? ? 2? a rc ta n2 Q e ? ?0 ? (t)? ? 2? ?1 (t) ?1(t)?arctan2Qe??0?(t)



? ?1 (t )

?

?
6

时,输出信号的相位为:

? ? ? ? ? ?? ? o ( t)?i(t)?(t)?c t? M fs int? 2 ? 2 Q e k fu c? (t)

由上,输出信号产生了90°固定相移,而且产生了一个与调制信号 成正u ?比( t )的瞬时相移, 所以称此网络为90°频相转换网络。输出是一
个调频—调相信号。

2.LC并联回路的频幅转换特性

a.斜率鉴频器的理论模型

uFM

d

u1 包络检波 uo

dt

b.单失谐回路斜率鉴频器

(1)电路形式与工作原理 uFM 调频调幅变换器实际上是

u1

C RL uo

一个以LC回路为负载的调 谐放大器,但回路失谐;

调频调幅变换器

包络检波器

波形变换原理:

利用谐振回路对不同频率呈现不同阻抗的传输特性。

鉴频特性分析
①鉴频灵敏度的大 小与变换器幅频特性f0 处的斜率成正比——斜 率鉴频器;
②变换器幅频特性 线性范围较窄,若要增 大,就要降低LC回路的Q值,但又使 鉴频灵敏度降低;
③对输入信号寄生调幅没有抑制 作用。

3.LC频幅、频相转换特性分析中应注意的几个问题
LC频幅、频相转换网络是线性网络, 对调频信号的频谱结构不 会产生变化, 但由于其中每个频率分量的振幅受到不同程度的衰 减, 相位产生不同大小的偏移, 所以输出调频信号的振幅不再是恒 定的, 相位也发生了变化。换言之, 调频信号的频谱既没有产生线 性搬移, 更没有发生非线性变换, 而仅仅是其中各个频率分量的振 幅和相位发生了不同的变化而已。
在实际调频通信接收系统中, 鉴频电路输入调频信号的最大 相对频偏并不很大。 例如广播电视伴音系统为:50 kHz/6.5MHz≈0.77%,
调频广播系统为:75 kHz/10.7 MHz≈0.70%。 其中6.5 MHz、10.7 MHz分别是相应系统的中频。

6.4.3 斜率鉴频电路
利用频幅转换网络将调频信号转换成调频—调幅信号, 然后再 经过检波电路取出原调制信号, 这种方法称为斜率鉴频, 1.差分峰值鉴频电路

前图是差分峰值鉴频电路原理图。这种电路便于集 成, 仅LC回路元件需外接,
为了扩大线性转换范围, 提高鉴频灵敏度, 在图中L1C1并 联回路上又添加了一个电容C2, 一起组成了频幅转换网络。 检波部分由差分峰值包络检波器组成。
考虑到V1、V2基极输入电阻非常大, 故输入调频信号us 在负载上产生的电压u1的振幅U1m主要由电抗曲线X1+X2决 定。 当ω=ω2时, L1C1C2处于串联谐振, 等效阻抗最小, 故 U1m最小;当ω =ω 1时, L1C1C2处于并联谐振, 等效阻抗最大, 故U1m最大。
从V2基极朝左看时,由于源电阻Rs很小,近似短路,故 C2上电压u2的振幅U2m主要由电抗曲线X1∥X2决定。当ω=ω2时 , L1C1C2处于并联谐振, 故U2m最大; 当ω=ω1时, L1C1C2等效 容抗很小, 故U2m很小。

U1m、U2m随ω变化的曲线如下图(a)所示。

调频信号us经L1C1C2网络转换成两个不同的调频—调幅
信号u1和u2。
? uo与调频信号瞬时频偏Δω(t)之间满足关系式:
uo(t)?Sd??(t)
? S d是差分峰值鉴频电路鉴频灵敏度。
? 在ω =(ω1+ω2)/2附近,此鉴频特性线性较好, 且鉴 频灵敏度比单个LC并联回路有所提高。

2.参差调谐鉴频器(双失谐回路斜率鉴频器) (1)电路
初级LC回路调谐在输入调频信号的中心频率fc上,次级上下两个 回路分别调谐在f1和f2上。设f1>fc,f2<fc,且f1-fc=fc-f2=△fc。 (2)鉴频工作原理 载波状态Uo1=Uo2,Uo=0; f > fc时,Uo1>Uo2,Uo为正值; f < fc时,Uo1<Uo2,Uo为负值。

(3)优缺点
①优点 鉴频灵敏度较高,其输出电压比单失谐回路斜率鉴频器 的输出大一倍。 ②缺点 要求上下两个回路严格对称,三个回路要分别调谐到三 个不同的准确频率上,给实际调整增加了困难。

6.4.4相位鉴频器

相位鉴频器由两部分组成:①将调频信号的瞬时频率变 化变换到附加相移上的频相转换网络;②检出附加相移变化

的相位检波器。

相位检波器又称鉴相器,有乘积型和叠加型两种实现电

路。

FM信号 频相 FM-PM信号 变换

包络

输出

检波器

叠加型鉴相器

FM信号 频相 FM-PM信号 变换

低通

输出

滤波器

乘积型鉴相器

双差分正交移相式鉴频电路如下图所示的90°频相转换网络和双差 分乘积鉴相器组成, 1.电路
调频信号经V1射随后, 一路是大信号u1从V7单端输入, 另一路是 小信号u4经C1、L、C和R组成的90°频相转换网络后得到调频— 调相信号u5,再经V2射随后得到u2, 从V3、V6的基极双端输 入,V4,V5的基极是固定偏置。

在u1、 u2满足线性输入条件下, 乘法器输出为:

?? ? ? ??? ? ? ?? u 3 ? k u 1 u 2 ? ? k U 2 1 U 2 s i n ( ? 1 ) ? s i n ? ? ? 2 c t ? 2 k 0 t u ( ) d ? 1 ? ? ?
? k为乘法器增益。 其中低频分量为:

uo

?kU1U2 2

sin??1

当|Δφ1|≤π/6时:

? ? ?? ? ? u o? k U 2 1 U 2 1? k U 1 U c 2 Q e

? k k fU 1 U 2 Q eu ?
c

从以上可以看出, 产生一个与调频信号有90°固定相移

的调频—调相信号的目的是使乘法器输出的低频分量与

正弦函数成线性关系,以便从中取出与瞬时角频偏 ? ? (t )

成正比的电压分量。

6.4.5 限幅电路
已调波信号在发送、传输和接收过程中, 不可避免地要受 到各种干扰。有些干扰会使已调波信号的振幅发生变化, 产 生寄生调幅。调幅信号上叠加的寄生调幅很难消除。由于调 频信号原本是等幅信号, 故可以先用限幅电路把叠加的寄生 调幅消除, 使其重新成为等幅信号,然后再进行鉴频。
1.限幅目的
调频信号若采用斜率鉴频, 需要把调频信号转换成调频— 调幅信号,显然,寄生调幅会叠加在调频—调幅信号的振幅上, 因此在振幅检波时会产生失真。若采用相位鉴频,仅在调频 信号振幅U1、U2恒定的情况下,鉴频后的信号uo才与原调制 信号uΩ成线性关系,所以寄生调幅对U1,U2的影响也会使uo 产生失真。

2.电路

(a)

(b)

在图(a)中,V1和V2一正一反地并接在谐振电路二端.如果信号足够大 谐振电路电压高,则二个二极管在正负半周交替导通,起限幅作用.

在图(b)是一个带有偏压的二极管限幅电路,当谐振电路的交流电压幅 值超过二极管的反向偏压时,二个二极管交替导通.在集电极电压正半 周,V2导通,负半周V1导通.当二极管导通时,起限幅作用.这种电路的 限幅电压较高,约为Ed/2。

6.4.6 加重电路与静噪电路
? 1.预加重、去加重电路 ? 分析表明,在鉴频电路输出端,噪声功率谱密度与频率平方成正
比,即大部分噪声功率分布在高频段,而话音、音乐等信号能量 大部分却处于低频段,两者正好相反。为了改善信噪比,可以在 鉴频电路输出端采用具有低通性质的网络滤除高频段噪声。 但 是这样一来, 信号的高频部分也同时受到衰减,产生了失真。 ? 预加重:发射时预先“加重”调制信号的高频分量(a)。 ? 去加重:接收时去除解调信号中“加重”了的高频分量(b)。

2.静噪电路
? 当调频接收机没有信号输入或信噪比很小时,由于鉴频器 对输入信噪比有门限要求(即门限效应),故此时鉴频器 输出的噪声很大,所以应将后面的音频功放关闭。当有信 号输入,且信噪比较大时,鉴频器输出噪声明显下降,此 时再将音频功放开启。实现以上功能的电路就是静噪电路 。通常采用在鉴频器之前或之后用低通滤波器提取信号或 噪声的平均电平,并根据其电平大小来控制音频功放的关 闭和开启。

6.5 角度调制和解调电路的实用电路举例
? 1.无线调频话筒电路
电路分为振荡,倍频,功率放大三级.电路中V1、C2~C6、R2、R3及L1组 成电容三点式振荡器,其振荡频率主要由C3,C4和L1的参数决定,其振荡 频率为44~54MHz,该信号从L1的中心抽头处输出,再经过C7耦合至V2 放大,由C8和L2选出44~54MHz的二倍频信号,即88~108MHz,此信号 由C9耦合至V3进行功率放大,V3由3只3DG12三极管并联组成,可扩 大输出功率。

6.5.2 调频型无线耳机发射电路
电路分为振荡和信号放大部分.L1,C2~C5,V1等组成改进型电容三点 式振荡器,采用该改进型的电容三点式振荡器,频率稳定性好. 振荡器 的频率主要由L1和C2决定,通过微调L1,可以覆盖88~108MHz范围。 音频信号经R6,C11耦合至V1的基极,V1的e,b极间电容随音频电压 的变化而引起振荡频率的变化,实现频率调制。

6.5.3晶振式调频发射机电路
电路中J,VD1,L1,C3~C5,V组成晶体振荡电路.由于石英晶体J的 频率稳定性好,受温度影响也较小,所以广泛用于无绳电话及AV调 制器中.V1是29~36MHz晶体振荡三极管,发射极输出含有丰富 的谐波成分,经V2放大后,在集电极由C7,L2构成谐振于88~ 108MHZ的网络选出3倍频信号(即87~108MHZ的信号最强),再 经V3放大,L3,C9选频后得到较理想的调频频段信号。

6.6 集成调频、鉴频电路芯片介绍
6.6.1 MC2833调频电路
MC2833内部包括话筒放 大器,射频压控振荡器,缓冲 器,两个辅助晶体管放大器 等几个主要部分, 需要外接 晶体,LC选频网络以及少量 电阻,电容和电感.它电源电 压范围较宽, 为2.8~9.0 V. 当电源电压为4.0 V,载频为 16.6MHz时,最大频偏可达 10 kHz,调制灵敏度可达 15Hz/mV,输出最大功率 为10mW(50 Ω负载).话筒 产生的音频信号从⑤脚输 入, 经放大后去控制可变电 抗元件。

6.6.2 MC3361B FM解调电路
? 采用二次混频, 将输入调频信号的载频先变换到10.7MHz的第一 中频,然后降到455kHz的第二中频,再进行鉴频.该FM中频电路系 列芯片比FM接收电路系列芯片缺少射频放大和第一混频电路,而 FM接收电路系列芯片则相当于一个完整的单片接收机,两个系列 均采用双差分正交移相式鉴频方式。

? 从⑥脚输入第一中频为10.7 MHz的调频信号,与10.245MHz的晶 振进行第二次混频, 产生的455 kHz调频信号从③脚外接的带通 滤波器FL1取出, 然后由⑤脚进入限幅放大器。 ⑧脚外接的LC并 联网络和片内的10 pF小电容组成90°频相转换网络。相位鉴频器 解调出音频分量由片内放大器放大后, 从⑨脚输出,其中一路由 外接R3、C7组成的去加重电路送往音频功放,另一路进入⑩脚内 的放大器。
? MC3361B采用了噪声型静噪电路,由V19~V30组成的反相放大器、 V31~V35组成的静噪触发器和10、11、12、14脚外接元件构成。 10、11脚内接反相放大器,与外接元件R4、 R5、 R6、 C9和C10组 成了带通滤波器。其中小电容C9阻止音频分量通过,小电容C10对 高频分量提供负反馈通路,从而衰减了高频分量。所以,带通滤
波器取出的是位于音频以上一个频率区间内的纯噪声分量。

本章总结
? 理解: 调角波的一般表达式、波形、频谱特点等 调频波产生、解调的方法,及基本原理 评价调频、鉴频电路的主要性能指标。

? 计算: 调角波带宽、功率,频偏、调制指数

? 分析:相位鉴频器实现鉴频的过程(矢量图,

鉴频特性曲线)

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调制方式(FM、AM)的比较

1. 抗干扰性能 2. 频带宽度

问题:为什么目前广播电视采用宽带调 频,而一般移动通信设备采用窄带调频?
问题:若广播要提高声音质量(音质), 采用哪种调制方式较好?为什么?

3. 发射功率和耗电量 问题:相同载波功率的条件下,调频发射 机所需的功率要比调幅发射机小,为什么?

4. 强信号堵塞现象 问题:若发生强信号堵塞现象,对调幅波有什么影响?
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