高頻電子線路第7章

1、第第7章章 角度調制與解調角度調制與解調 7.1 調角波的性質調角波的性質 7.2 調頻器與調頻方法調頻器與調頻方法 7.3 調頻電路調頻電路 7.4 鑒頻器與鑒頻方法鑒頻器與鑒頻方法 7.5 鑒頻電路鑒頻電路 7.6 調頻收發(fā)信機及特殊電路調頻收發(fā)信機及特殊電路 在通信系統中，角度及解調電路不同于頻譜線性搬移電在通信系統中，角度及解調電路不同于頻譜線性搬移電路。它是用低頻信號去調制高頻振蕩的相角，或是從已調波路。它是用低頻信號去調制高頻振蕩的相角，或是從已調波中解出調制信號所進行的頻譜變換，這種變換不是線性變換，中解出調制信號所進行的頻譜變換，這種變換不是線性變換，而是非線性變換。因此，我們

2、把角度調制及調角波的解調電而是非線性變換。因此，我們把角度調制及調角波的解調電路稱為路稱為頻譜非線性變換電路頻譜非線性變換電路。 調頻（）調頻（）：如果高頻振蕩器的：如果高頻振蕩器的頻率變化量頻率變化量和調制信和調制信號號成正比成正比，則稱調頻。，則稱調頻。 調相（）調相（）：如果高頻振蕩器的：如果高頻振蕩器的相位變化量相位變化量和調制信和調制信號號成正比成正比，則稱調相。，則稱調相。7.17.1調角波的性質調角波的性質 由于頻率的變化和相位的變化都表現為總相由于頻率的變化和相位的變化都表現為總相角的變化，因此，角的變化，因此，將調頻和調相統稱為調角將調頻和調相統稱為調角。 因為相位是頻率的積

3、分因為相位是頻率的積分, , 故頻率的變化必將故頻率的變化必將引起相位的變化引起相位的變化, , 反之亦然反之亦然, , 所以調頻信號與調所以調頻信號與調相信號在時域特性、頻譜寬度、調制與解調的原相信號在時域特性、頻譜寬度、調制與解調的原理和實現方法等方面都有密切的聯系。理和實現方法等方面都有密切的聯系。 角度調制與解調屬于非線性頻率變換角度調制與解調屬于非線性頻率變換, , 比屬比屬于線性頻率變換的振幅調制與解調在原理和電路于線性頻率變換的振幅調制與解調在原理和電路實現上都要困難一些。實現上都要困難一些。 在模擬通信方面在模擬通信方面, , 調頻制比調相制更加優(yōu)越調頻制比調相制更加優(yōu)越, ,

4、 故大都采用調頻制。故大都采用調頻制。 所以所以, , 本章在介紹電路時本章在介紹電路時, , 以調頻電路、以調頻電路、 鑒頻鑒頻( (頻率解調頻率解調) )電路為主題電路為主題, , 但由但由于調頻信號與調相信號的內在聯系于調頻信號與調相信號的內在聯系, , 調頻可以用調頻可以用調相電路間接實現調相電路間接實現, , 鑒頻也可以用鑒相鑒頻也可以用鑒相( (相位解調相位解調, , 也稱相位檢波也稱相位檢波) )電路間接實現電路間接實現, , 所以實際上也介紹所以實際上也介紹了一些調相與鑒相電路。了一些調相與鑒相電路。 式中，式中，Am為簡諧振蕩的幅度，為簡諧振蕩的幅度， 為簡諧振蕩的總相角為簡

5、諧振蕩的總相角 式中式中 為瞬時角頻率，為瞬時角頻率， 為初始相位。為初始相位。7.1.1 7.1.1 瞬時相位和瞬時頻率的概念瞬時相位和瞬時頻率的概念 對于簡諧振蕩可以寫成一般形式對于簡諧振蕩可以寫成一般形式(t)Aa(t)mcos t dt(t)dt t dttt00)(t0如果如果 是隨時間變化的，瞬時相位為是隨時間變化的，瞬時相位為 00t dttt)(t 7.1.2 7.1.2 調頻波調頻波 設調制信號為單一頻率信號設調制信號為單一頻率信號u(t)=Ucost,未調載波電壓未調載波電壓為為uC=UCcosct, 則根據頻率調制的定義則根據頻率調制的定義,調頻信號的瞬時角頻調頻信號的瞬

6、時角頻率為率為( )( )( )cosccfcmttk utt(7.1.1) 它是在它是在c的基礎上的基礎上,增加了與增加了與u(t)成正比的頻率偏移。式中成正比的頻率偏移。式中kf為比例常數。調頻信號的瞬時相位為比例常數。調頻信號的瞬時相位(t)是瞬時角頻率是瞬時角頻率(t)對時對時間的積分間的積分,即即00( )( )ttd (7.1.2) 式中式中, 為信號的起始角頻率。為了分析方便為信號的起始角頻率。為了分析方便,不妨設不妨設 則上式則上式 變?yōu)樽優(yōu)?000( )( )sinsin( )tmccfctdtttmtt （7.1.3） 式中，式中， 為調頻指數。為調頻指數。FM波的表示式為

7、波的表示式為mfm)sincos(cos0tmtU(t)dtuktUufcctfccFM（7.1.4） 7.1.3 7.1.3 調相波調相波 調相調相高頻振蕩瞬時相位的變化量與調制信號成正比。高頻振蕩瞬時相位的變化量與調制信號成正比。根據定義瞬時相位隨調制信號線性地變化，即根據定義瞬時相位隨調制信號線性地變化，即(t)t(t)ukt(t)pcpc tp maxtppk為比例系數；為比例系數；為瞬時相位偏移；為瞬時相位偏移；稱為最大相移，或稱調制指數，以稱為最大相移，或稱調制指數，以mp表示表示瞬時角頻率為：瞬時角頻率為：)()()()(tdttdukdttdtpcpc于是于是dttduktpp

8、)()(（7.1.5） 調相波是其瞬時相位以未調載波相位調相波是其瞬時相位以未調載波相位c為中心按調制為中心按調制信號規(guī)律變化的等幅高頻振蕩。如信號規(guī)律變化的等幅高頻振蕩。如u(t)=Ucost, 并令并令0=0, 則其瞬時相位為則其瞬時相位為 (t)=ct+(t)=ct+kpu(t) =ct+mcost=ct+mpcost （7.1.6） 從而得到調相信號表達式為從而得到調相信號表達式為 )coscos(costmtU(t)uktUupccpccPM （7.1.7） 7.1.4 7.1.4 調頻波的頻譜結構和特點調頻波的頻譜結構和特點 將將FM表達式進一步展開表達式進一步展開,有有 uFM(

9、t)=UCJ0(mf)cosct+J1(mf)cos(c+)t -J1(mf)cos(c-)t+J2(mf)cos(c+2)t +J2(mf)cos(c-2)t+J3(mf)cos(c+3)t -J3(mf)cos(c-3)t+ （7.1.8） 0123456789101112 0.4 0.200.20.40.60.81.0Jn(mf)J0J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10mf 單頻調制時單頻調制時FM波的振幅譜波的振幅譜（a）為常數為常數;（b）m為常數為常數 cmf1cmf1mf2ccmf2cmf5cmf10Qcmf15mf5cmf10mf20cc(a)(b)結論（結論（1）載頻分

10、量上下有）載頻分量上下有無數個邊頻分量；無數個邊頻分量；（2）調制系數）調制系數mf越大，具越大，具有較大振幅的邊頻分量就有較大振幅的邊頻分量就越多；越多；（3）對某些調制系數）對某些調制系數mf ，載頻或某些邊頻振幅為零；載頻或某些邊頻振幅為零；（4）調頻前后平均功率沒）調頻前后平均功率沒有發(fā)生變化。有發(fā)生變化。 7.1.3 7.1.3 調頻波的信號帶寬調頻波的信號帶寬 通常采用的準則是通常采用的準則是,信號的頻帶寬度應包括信號的頻帶寬度應包括幅度大于未調載波幅度大于未調載波1%以上的邊頻分量以上的邊頻分量,即即 |Jn(mf)| 0.01 對于一般情況對于一般情況,帶寬為帶寬為 BW= 2

11、(mf+1)F = 2(fm+F) （7.1.9） 對于寬帶調制，對于寬帶調制， fmF，即即mf 1，有有 BW = 2 fm （7.1.10） 對于窄帶調制，對于窄帶調制， mf fc時，回時，回路兩端電壓大；當路兩端電壓大；當f fc時，回路兩端電壓時，回路兩端電壓小。這種利用調諧回路幅頻特性的傾斜部小。這種利用調諧回路幅頻特性的傾斜部分對分對FM波解調的方法稱為斜率鑒頻。波解調的方法稱為斜率鑒頻。 單回路斜率鑒頻器單回路斜率鑒頻器uFMuiUouFMtuit0Uot00(a )Ui0工作區(qū)(線性區(qū))fcf0fUit f (t) fmt(b )0 單調諧回路的諧振曲線，其傾斜部單調諧回路

12、的諧振曲線，其傾斜部分的線性度是較差的。為了擴大線性范分的線性度是較差的。為了擴大線性范圍，實際上采用三調諧回路的圍，實際上采用三調諧回路的雙離諧平雙離諧平衡鑒頻器衡鑒頻器。其輸出是取兩個帶通響應之。其輸出是取兩個帶通響應之差差,即該鑒頻器的傳輸特性或鑒頻特性即該鑒頻器的傳輸特性或鑒頻特性,如如下圖中的實線所示。其中虛線為兩回路下圖中的實線所示。其中虛線為兩回路的諧振曲線。從圖看出的諧振曲線。從圖看出,它可獲得較好的它可獲得較好的線性響應線性響應,失真較小失真較小,靈敏度也高于單回路靈敏度也高于單回路鑒頻器。鑒頻器。 雙離諧平衡鑒頻器雙離諧平衡鑒頻器 uFMf01 fcu1u2Uo1Uo2Uo

13、(a)ff03fcf02tf (t)(b)f02f03雙離諧鑒頻器的鑒頻特性雙離諧鑒頻器的鑒頻特性Bm0UofAf 各點波形t0uFM(a)t0Uo1tUo2(b)(c)tUo(d)00 2. 相位鑒頻法相位鑒頻法 相位鑒頻法的原理框圖如下圖所示。圖中的變相位鑒頻法的原理框圖如下圖所示。圖中的變換電路具有線性的頻率換電路具有線性的頻率相位轉換特性，它可以將相位轉換特性，它可以將等幅的調頻信號變成相位也隨瞬時頻率變化的、既等幅的調頻信號變成相位也隨瞬時頻率變化的、既調頻又調相的調頻又調相的FMPM波。波。然后將此然后將此FMPM波與波與原原FM波進行相位比較檢出兩個信號之間的相位差，波進行相位比

14、較檢出兩個信號之間的相位差，最后由鑒相器完成相位差最后由鑒相器完成相位差電壓變換即可得到電壓變換即可得到解調輸出。解調輸出。 相位鑒頻法的原理框圖相位鑒頻法的原理框圖 變換電路鑒相器uFMuFM-PMuo 相位鑒頻法的關鍵是相位檢波器。相位鑒頻法的關鍵是相位檢波器。相位相位檢波器或鑒相器就是用來檢出兩個信號之間的檢波器或鑒相器就是用來檢出兩個信號之間的相位差，完成相位差相位差，完成相位差電壓變換作用的部件或電壓變換作用的部件或電路。設輸入鑒相器的兩個信號分別為電路。設輸入鑒相器的兩個信號分別為(7.4.4) (7.4.5) 同時加于鑒相器，鑒相器的輸出電壓同時加于鑒相器，鑒相器的輸出電壓uo是

15、瞬時是瞬時相位差的函數，即相位差的函數，即21( )( )ouftt(7.4.6)(cos111ttUuc)(sin)(2cos22222ttUttUucc 1) 疊加型相位鑒頻法疊加型相位鑒頻法 利用疊加型鑒相器實現鑒頻的方法利用疊加型鑒相器實現鑒頻的方法稱為疊加型相位鑒頻法。對于疊加型鑒稱為疊加型相位鑒頻法。對于疊加型鑒相器，就是先將相器，就是先將u1和和u2(式式(7.4.4)和和(7.4.5)相加，把兩者的相位差的變化轉換為合相加，把兩者的相位差的變化轉換為合成信號的振幅變化，然后用包絡檢波器成信號的振幅變化，然后用包絡檢波器檢出其振幅變化，從而達到鑒相的目的。檢出其振幅變化，從而達到

16、鑒相的目的。 平衡式疊加型相位鑒頻器框圖平衡式疊加型相位鑒頻器框圖 包 絡檢波器包 絡檢波器/2usurusuruD1uD2uo1uo2uo 2 ) 乘積型相位鑒頻法乘積型相位鑒頻法 利用乘積型鑒相器實現鑒頻的方法稱為利用乘積型鑒相器實現鑒頻的方法稱為乘積型相位鑒頻法或積分乘積型相位鑒頻法或積分(Quadrature)鑒頻法。鑒頻法。在乘積型相位鑒頻器中，線性相移網絡通常是在乘積型相位鑒頻器中，線性相移網絡通常是單諧振回路單諧振回路(或耦合回路或耦合回路)，而相位檢波器為乘，而相位檢波器為乘積型鑒相器，如圖所示。積型鑒相器，如圖所示。 乘積型相位鑒頻法乘積型相位鑒頻法 us移相網絡us低通濾波

17、uoK移相網絡如圖移相網絡如圖 (a)所示，其傳輸函數為所示，其傳輸函數為211111()()11111()jCjQLCRLH jjj CjCRLu1CLRu2(a )0f0f2(b )C1移相網絡相頻特性移相網絡相頻特性 其中其中可見，可見，u1與與u2(實際上是實際上是ur與與us)之間的相位差為之間的相位差為20200011,(1)2,()cRfQQQLfL CC1112arctan2cos(sin)cos(sin)cfcfuUtmtuUtmt 相頻特性曲線見圖相頻特性曲線見圖 (b)。若設若設 當當f/f01時，上式可寫為時，上式可寫為22cos()sin22ooooQ fQ ffuU

18、UUQfff可見，鑒頻器的輸出與輸入調頻信號的頻偏成正比?？梢?，鑒頻器的輸出與輸入調頻信號的頻偏成正比。 在上面電路中，調整在上面電路中，調整L、C和和C1均可改變回路諧振頻率，均可改變回路諧振頻率，只要滿足只要滿足 011()cL CC經過相乘器和低通濾波器后的輸出電壓為經過相乘器和低通濾波器后的輸出電壓為22cos()sin22ooooQ fQ ffuUUUQfff(7.4.7) 3. 直接脈沖計數式鑒頻法直接脈沖計數式鑒頻法 調頻信號的信息寄托在已調波的頻率上。調頻信號的信息寄托在已調波的頻率上。從某種意義上講，信號頻率就是信號電壓或電從某種意義上講，信號頻率就是信號電壓或電流波形單位時

19、間內過零點流波形單位時間內過零點(或零交點或零交點)的次數。的次數。對于脈沖或數字信號，信號頻率就是信號脈沖對于脈沖或數字信號，信號頻率就是信號脈沖的個數?；谶@種原理的鑒頻器稱為零交點鑒的個數?；谶@種原理的鑒頻器稱為零交點鑒頻器或脈沖計數式鑒頻器。頻器或脈沖計數式鑒頻器。 直接脈沖計數式鑒頻器直接脈沖計數式鑒頻器 限幅放大微分uFMu1半波整流u2單穩(wěn)u3低通濾波u4uo(a)(b)uFMtu1tu2tu3tu4tuot直接脈沖計數式鑒頻器直接脈沖計數式鑒頻器 由上面的分析可見，濾波后的輸出電壓濾波后的輸出電壓與調頻信號的瞬時頻率成正比。與調頻信號的瞬時頻率成正比。 優(yōu)點：線性好，頻帶寬，

20、最大頻偏大，優(yōu)點：線性好，頻帶寬，最大頻偏大，便于集成。便于集成。 7.5.1 正交鑒頻器正交鑒頻器 |正交鑒頻原理正交鑒頻原理 正交鑒頻器實際上是一種乘積型相位鑒頻器，它由正交鑒頻器實際上是一種乘積型相位鑒頻器，它由移相網絡、乘法器和低通濾波器三部分組成。調頻信號一移相網絡、乘法器和低通濾波器三部分組成。調頻信號一路直接加至乘法器，另一路經相移網絡移相后路直接加至乘法器，另一路經相移網絡移相后(參考信號參考信號)加至乘法器。由于調頻信號和參考信號同頻正交，因此，加至乘法器。由于調頻信號和參考信號同頻正交，因此，稱之為正交鑒頻器。稱之為正交鑒頻器。7.5 鑒頻電路鑒頻電路 | 集成正交鑒頻器集

21、成正交鑒頻器 下 圖 是 某 電 視 機 伴 音 集 成 電 路 ， 它 包 括 限 幅 中 放下 圖 是 某 電 視 機 伴 音 集 成 電 路 ， 它 包 括 限 幅 中 放(V1 ,V2;V4、V5;V7、8為三級差分對放大器，為三級差分對放大器，V3、V6和和V9為三為三個射極跟隨器個射極跟隨器)、內部穩(wěn)壓、內部穩(wěn)壓(VD1VD5、V10)和鑒頻電路三部分。和鑒頻電路三部分。 集成正交鑒頻器集成正交鑒頻器 V1V2V4V3R1R5V5V6V7V8R7V9V1010111312R2R3R4R6R8R9R101VD1LCR115R12V12V13R1423C14R13V11V16V14V1

22、5V17V18R15VD6R16678R1714限幅中放內部穩(wěn)壓調頻檢波VD2VD3VD4VD5RV19 7.5.2 限幅電路限幅電路 所謂限幅器，就是把輸入幅度變化的信號變換為恒所謂限幅器，就是把輸入幅度變化的信號變換為恒定的信號的變換電路。在鑒頻器中采用限幅器，其目的在定的信號的變換電路。在鑒頻器中采用限幅器，其目的在于將具有寄生調幅的調頻波變換為等幅的調頻波。于將具有寄生調幅的調頻波變換為等幅的調頻波。 限幅器分為瞬時限幅器和振幅限幅器兩種。脈沖記數限幅器分為瞬時限幅器和振幅限幅器兩種。脈沖記數式鑒頻器中的限幅器屬于瞬時限幅器，其作用是把輸入的式鑒頻器中的限幅器屬于瞬時限幅器，其作用是把

23、輸入的調頻波變?yōu)榈确恼{頻方波。振幅限幅器的實現電路很多，調頻波變?yōu)榈确恼{頻方波。振幅限幅器的實現電路很多，但若在瞬時限幅器后面接上帶通濾波器，然后取出等幅調但若在瞬時限幅器后面接上帶通濾波器，然后取出等幅調頻方波中的基波分量，這樣就構成了振幅限幅器。頻方波中的基波分量，這樣就構成了振幅限幅器。 限幅器及其特性曲線限幅器及其特性曲線 非線性器 件濾波器usuo(a)(b)UsmUp0Uom7.5.3 差分峰值斜率鑒頻器差分峰值斜率鑒頻器 差分峰值斜率鑒頻器是一種在集成電路中常用的振差分峰值斜率鑒頻器是一種在集成電路中常用的振幅鑒頻器。圖幅鑒頻器。圖(a)是一個在電視接收機伴音信號處理電路是一

24、個在電視接收機伴音信號處理電路(如如D7176AP ,TA7243P)等集成電路中采用的差分峰值斜等集成電路中采用的差分峰值斜率鑒頻器。率鑒頻器。 C3V5V6RcI0uiV1V3V2V4EcL19u110u20f02f0f01U2U1U1、U2fuo0f02f0f01f(a )(b )(c )C4C1C2差分峰值斜率鑒頻器差分峰值斜率鑒頻器 移相網絡接在集成電路的移相網絡接在集成電路的9、10腳之間。設從腳之間。設從9腳向右腳向右看的移相電路的諧振頻率為看的移相電路的諧振頻率為f01，從從10腳向左看的移相電路的腳向左看的移相電路的諧振頻率為諧振頻率為f02，則則 0111021121212

25、()fLCfL CC7.6 調頻收發(fā)信機及特殊電路調頻收發(fā)信機及特殊電路 （1）調頻發(fā)射機）調頻發(fā)射機 下圖是一種調頻發(fā)射機的框圖。其載頻下圖是一種調頻發(fā)射機的框圖。其載頻fc=88108MHz,輸入調制信號頻率為輸入調制信號頻率為50Hz15kHz，最大頻偏為最大頻偏為75kHz。由圖可知，調頻方式為間接調頻。由圖可知，調頻方式為間接調頻。 由高穩(wěn)定度晶體振蕩器產生由高穩(wěn)定度晶體振蕩器產生fc1=200kHz的初始載波信的初始載波信號送入調相器，由經預加重和積分的調制信號對其調相。號送入調相器，由經預加重和積分的調制信號對其調相。調相輸出的最大頻偏為調相輸出的最大頻偏為25Hz，調制指數調制

26、指數mf0.5。7.6.1 調頻發(fā)射機與接收機調頻發(fā)射機與接收機 調頻發(fā)射機框圖調頻發(fā)射機框圖 載 波振蕩器調相器多級倍頻器 1混頻器多級倍頻器 2功 率放大器積分器預 加重電路200 kHzN1 64fc1 200 kHzf1m 25 kHz12.8 MHz1.8 2.3 MHzfc 88 108 MHzfm 75 kHz頻率可變本振N2 48fL 11 10.5 MHzu(t)間接調頻器（2） 調頻接收機調頻接收機 下圖為廣播調頻接收機典型方框圖。為了獲得較好的下圖為廣播調頻接收機典型方框圖。為了獲得較好的接收機靈敏度和選擇性，除限幅級、鑒頻器及幾個附加電接收機靈敏度和選擇性，除限幅級、鑒

27、頻器及幾個附加電路外，其主要方框均與路外，其主要方框均與AM超外差接收機相同。調頻廣播基超外差接收機相同。調頻廣播基本參數與發(fā)射機相同。本參數與發(fā)射機相同。 混頻器射頻放大88 108 MHz本振中頻放大限幅器鑒頻器自動頻率控制電路靜噪電路去加重電路和音頻放大電路輸出 調頻接收機方框圖調頻接收機方框圖（3）調頻立體聲廣播）調頻立體聲廣播 圖中給出了調頻立體聲廣播的系統圖。左聲道信號圖中給出了調頻立體聲廣播的系統圖。左聲道信號(L)和右聲道信號和右聲道信號(R)經各自的預加重在矩陣電路中形成和信號經各自的預加重在矩陣電路中形成和信號(L+R)和差信號和差信號(L-R)。和信號和信號(L+R)照原

28、樣成為主信道信號，照原樣成為主信道信號，差信號差信號(L-R)經平衡調制器對副載波進行抑制載波的調幅，經平衡調制器對副載波進行抑制載波的調幅，成為副信道信號。成為副信道信號。預加重預加重LR矩陣電路L R平 衡調制器主信道信號L R副 信道信號副載波振蕩器二分頻38 kHzFM發(fā)射機導頻信號（4） 調頻立體聲接收機調頻立體聲接收機 調頻立體聲接收機的框圖如圖所示，在鑒頻器之前與調頻立體聲接收機的框圖如圖所示，在鑒頻器之前與單聲道調頻接收機的組成相同。單聲道調頻接收機的組成相同。 混頻器高頻放大本振中頻放大鑒頻器立體聲解調器低 放與功放低 放與功放左聲道揚聲器右聲道揚聲器 立體聲解調器工作方式立

29、體聲解調器工作方式 (a)開關方式；開關方式；(b)矩陣方式矩陣方式 復合信號放大器導頻信號檢出開關信號發(fā)生電路開關電路19 kHz38 kHzLR(a)復合信號放大器低 通濾波器同步信號發(fā)生電路帶 通濾波器副信號解調電路矩陣電路LR(b)7.6.2 特殊電路特殊電路 預加重及去加重電路預加重及去加重電路 理論證明，對于輸入白噪聲，調幅制的輸出噪聲頻譜理論證明，對于輸入白噪聲，調幅制的輸出噪聲頻譜呈矩形，在整個調制頻率范圍內，所有噪聲都一樣大。調呈矩形，在整個調制頻率范圍內，所有噪聲都一樣大。調頻制的噪聲頻譜頻制的噪聲頻譜(電壓譜電壓譜)呈三角形，見圖呈三角形，見圖 (b)，隨著調制頻隨著調制頻率的增高，噪聲也增大。調制頻率范圍愈寬，輸出的噪聲率的增高，噪聲也增大。調制頻率范圍愈寬，輸出的噪聲也愈大。也愈大。 0Sno()0U()(a)(b)調頻解調器的輸出噪聲