第7章角度調(diào)制與解調(diào)高頻電子線路曾興雯課件

第7章角度調(diào)制與解調(diào)7.1角度調(diào)制信號分析7.2調(diào)頻器與調(diào)頻方法7.3調(diào)頻電路7.4鑒頻器與鑒頻方法7.5鑒頻電路1概述在無線通信中，頻率調(diào)制和相位調(diào)制是又一類重要的調(diào)制方式。1、頻率調(diào)制又稱調(diào)頻(FM)——模擬信號調(diào)制，它是使高頻振蕩信號的頻率按調(diào)制信號的規(guī)律變化(瞬時頻率變化的大小與調(diào)制信號成線性關(guān)系)，而振幅保持恒定的一種調(diào)制方式。調(diào)頻信號的解調(diào)稱為鑒頻或頻率檢波。而數(shù)字信號頻率調(diào)制稱為頻移鍵控（FSK)2、相位調(diào)制又稱調(diào)相(PM)——模擬信號調(diào)制，它的相位按調(diào)制信號的規(guī)律變化，振幅保持不變。調(diào)相信號的解調(diào)稱為鑒相或相位檢波。

類似的，數(shù)字信號相位調(diào)制稱為相位鍵控（PSK)23、角度調(diào)制的特點：調(diào)頻和調(diào)相統(tǒng)稱為角(度)調(diào)(制)，角度調(diào)制屬于頻譜的非線性變換，即已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)不再保持原調(diào)制信號頻譜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且調(diào)制后的信號帶寬通常比原調(diào)制信號帶寬大得多，因此角度調(diào)制信號的頻帶利用率不高，但其抗干擾和噪聲的能力較強。另外，角度調(diào)制的分析方法和模型等都與頻譜線性搬移電路不同。34、調(diào)頻與調(diào)相的關(guān)系

調(diào)頻波和調(diào)相波都表現(xiàn)為高頻載波瞬時相位隨調(diào)制信號的變化而變化，只是變化的規(guī)律不同而已。由于頻率與相位間存在微分與積分的關(guān)系，調(diào)頻與調(diào)相之間也存在著密切的關(guān)系，即調(diào)頻必調(diào)相，調(diào)相必調(diào)頻。同樣，鑒頻和鑒相也可相互利用，即可以用鑒頻的方法實現(xiàn)鑒相，也可以用鑒相的方法實現(xiàn)鑒頻。一般來說，在模擬通信中，調(diào)頻比調(diào)相應(yīng)用廣泛，而在數(shù)字通信中，調(diào)相比調(diào)頻應(yīng)用普遍。本章只者重討論模擬調(diào)頻。47.1角度調(diào)制信號分析

一、調(diào)頻信號的時域分析1、調(diào)頻信號的表達式與波形設(shè)調(diào)制信號為單一頻率信號uΩ(t)=UΩcosΩt，未調(diào)載波電壓為uC=UCcosωct，則根據(jù)頻率調(diào)制的定義，調(diào)頻信號的瞬時角頻率為：它是在ωc的基礎(chǔ)上，增加了與uΩ(t)成正比的頻率偏移。式中kf為比例常數(shù)。rad/s·V最大角頻偏瞬時角頻率偏移5

調(diào)頻信號的瞬時相位φ(t)是瞬時角頻率ω(t)對時間的積分，即：式中，φ0為信號的起始相位。為了分析方便，不妨設(shè)φ0=0，則：瞬時相偏調(diào)頻指數(shù)FM波的表示式為6調(diào)頻信號的瞬時頻率與調(diào)制信號成線性關(guān)系，而瞬時相位與調(diào)制信號的積分成線性關(guān)系。7圖7―1調(diào)頻波波形uC=UCcosωctuΩ(t)=UΩcosΩt82、調(diào)頻信號的基本參數(shù)

在調(diào)頻信號中，有三個頻率參數(shù)：

(1)載波角頻率ωc：是沒有受調(diào)時的載波角頻率。

(2)調(diào)制信號角頻率Ω：它反映了受調(diào)制的信號的瞬時頻率變化的快慢。

(3)最大角頻偏Δωm：是相對于載頻的最大角頻偏，與之對應(yīng)的頻偏Δfm=Δωm/2π，也反映了瞬時頻率擺動的幅度。

在頻率調(diào)制中，最大角頻偏Δωm是衡量信號頻率受調(diào)制的程度的重要參數(shù)，也是衡量調(diào)頻信號質(zhì)量的重要參數(shù)。9圖7-2調(diào)頻波Δfm、mf與F的關(guān)系(4)調(diào)頻波的調(diào)制指數(shù)mf：mf=Δωm/Ω=Δfm/F。調(diào)頻指數(shù)實際上是最大的相位偏移，它與調(diào)制信號的振幅成正比，與調(diào)制頻率成反比，它等于最大頻偏除以調(diào)制頻率。調(diào)頻波的幾個參數(shù)之間的關(guān)系如圖7-2所示。101．調(diào)頻波的展開式式Jn(mf)是宗數(shù)為mf的n階第一類貝塞爾函數(shù),它可以用無窮級數(shù)進行計算:是周期為2π/Ω的周期性時間函數(shù),可以將它展開為傅氏級數(shù),其基波角頻率為Ω,即是mf的函數(shù)二、調(diào)頻信號的頻域分析11

因而，調(diào)頻波的級數(shù)展開式為:122．調(diào)頻波的頻譜結(jié)構(gòu)和特點

uFM(t)=UC［J0(mf)cosωct+J1(mf)cos(ωc+Ω)t-J1(mf)cos(ωc-Ω)t+J2(mf)cos(ωc+2Ω)t+J2(mf)cos(ωc-2Ω)t+J3(mf)cos(ωc+3Ω)t-J3(mf)cos(ωc-3Ω)t+…］單一頻率調(diào)頻波是由許多頻率分量組成的，而不像振幅調(diào)制那樣，單一低頻調(diào)制時只產(chǎn)生兩個邊頻(AM、DSB)，因此調(diào)頻屬于非線性變換。Jn(mf)=J-n(mf),n為偶數(shù)Jn(mf)=－J-n(mf),n為奇數(shù)1312345678910111213mfJn(mf)1.00.80.60.40.20–0.2–0.4n=0n=1n=2n=3

mf一定，并不是n越大，Jn(mf)越小，mf〈1時才成立。對于mf大于1的情況，有些邊頻分量會增大，但隨n增大時，總趨勢使邊頻分量振幅減小。mf越大，具有較大振幅的邊頻分量就越多；且有些邊頻分量振幅超過載頻分量振幅。當mf為某些值時，載頻分量可能為零，mf為其它某些值時，某些邊頻分量振幅可能為零。

圖7-3第一類貝塞爾函數(shù)曲線除J0(mf)外，在mf=0的其他各階函數(shù)值均為0，這意味著，當沒有角度調(diào)制時，除了載波外，不含其他頻率分量。14mfJ0(mf)J1(mf)J2(mf)J3(mf)J4(mf)J5(mf)J6(mf)0.500.940.240.031.000.770.440.110.022.000.220.580.350.130.0315圖7―4單頻調(diào)制時FM波的振幅譜（a）Ω為常數(shù);（b）Δωm為常數(shù)

通過改變Δωm來改變mf時，Δωm

越大，mf就越大，有影響的邊頻數(shù)目就越多，但邊頻間隔不變小，因此頻譜被展寬。

通過改變F來改變mf時，F(xiàn)越小，mf就越大，邊頻數(shù)目就越多，但邊頻間隔也變小，因此頻譜并沒展寬。這說明信號帶寬幾乎不受調(diào)制頻率的影響。mf相同時，頻譜的結(jié)構(gòu)相同16

3、調(diào)頻信號的帶寬從原理上講，調(diào)頻波包含無窮多頻率分量，其帶寬是沒有意義的。但從工程上看，幅度較大的邊頻分量是不多的。(1)確定帶寬的準則通常選取有影響邊頻分量的的準則是：信號的頻帶寬度應(yīng)包括幅度大于未調(diào)載波1%以上的邊頻分量，即|Jn(mf)|≥0.01不過，在要求不高的場合，此標準也可定為5%甚至10%。對于不同的mf值，有用邊頻的數(shù)目(2n)可查貝塞爾函數(shù)表。滿足|Jn(mf)|≥0.01的n/mf與mf的關(guān)系曲線如圖7-6所示。17圖7-6|Ｊn(mf)|≥0.01時的n/mf曲線當mf很大時，n/mf趨近于1。18(2)寬帶調(diào)頻與窄帶調(diào)頻及帶寬

由圖可見，當mf很大時，n/mf趨近于1。寬帶調(diào)頻(WBFM)：是指調(diào)頻時其調(diào)制指數(shù)mf>>1的調(diào)頻。因此寬帶調(diào)頻時，應(yīng)將n=mf的邊頻包括在頻帶內(nèi)，此時帶寬為：

Bs=2nF=2mfF=2Δfm

窄帶調(diào)頻(NBFM)：是指調(diào)頻時其調(diào)制指數(shù)mf很小的調(diào)頻，如mf<0.5。窄頻帶調(diào)頻，此時

Bs=2F

(3)卡森帶寬：對于一般情況，調(diào)頻波的帶寬可以取為：

Bs=2(mf+1)F=2(Δfm+F)對于復(fù)雜信號的調(diào)頻，帶寬的表示為：Bs=2(m+1)Fmax=2(Δfmmax+Fmax)19三、調(diào)頻波的功率調(diào)頻信號uFM(t)在電阻RL上消耗的平均功率為由于余弦項的正交性，總和的均方值等于各項均方值的總和，根據(jù)貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)有：FM20調(diào)頻波的平均功率與未調(diào)載波的平均功率相等。當調(diào)制指數(shù)mf由零增加時，已調(diào)制的載波功率下降，而分散給其他邊頻分量。這就是說，調(diào)頻的過程就是進行功率的重新分配，而總功率不變，即調(diào)頻器可以看作是一個功率分配器。21四、調(diào)頻波與調(diào)相波的比較

1、調(diào)相波

調(diào)相波是其瞬時相位以未調(diào)載波相位φc為中心按調(diào)制信號規(guī)律變化的等幅高頻振蕩。

φ(t)=ωct+Δφ(t)=ωct+kpuΩ(t)=ωct+ΔφmcosΩt

=ωct+mpcosΩt

從而得到調(diào)相信號為uPM(t)=UCcos(ωct+mpcosΩt)與調(diào)頻信號相比：mp=kpUΩmf=kfUΩ/ΩΔφ(t)：瞬時相偏kp：調(diào)相靈敏度Δφm：最大相位偏移mp：調(diào)相指數(shù)(mp=Δφm)如uΩ(t)=UΩcosΩt,并令φ0=0,則其瞬時相位為22

調(diào)相波的瞬時頻率為:調(diào)相波的最大頻偏，它不僅與調(diào)制信號的幅度成正比，而且還與調(diào)制信號頻率成正比(這與FM不同)，PM波的頻譜及帶寬,其分析方法與FM相同。調(diào)相信號帶寬為：Bs=2(mp+1)F由于mp與F無關(guān)，調(diào)制頻率變化時，Bs隨之變化。如果按最高調(diào)制頻率設(shè)計信道，則在調(diào)制頻率低時有很大的余量，系統(tǒng)利用不充分。因此在模擬通信中調(diào)相方式用的很少。2324圖7―7調(diào)相波波形uC=UCcosωctuΩ(t)=UΩcosΩtΔφ(t)=kpuΩ(t)=kpUΩcosΩtuPM(t)=UCcos(ωct+mpcosΩt)φ(t)=ωct+Δφ(t)=ωct+mpcosΩt25從圖中可見，F(xiàn)M信號與PM信號相比只是有了一個相位的延時，若不知道原始調(diào)制信號，從單頻調(diào)制信號的波形上無法分辨是FM波還是PM波。若先對調(diào)制信號積分，再調(diào)相，則輸出信號為調(diào)頻波；若先對調(diào)制信號微分，再調(diào)頻，則輸出信號為調(diào)相波。圖7―9調(diào)頻與調(diào)相的關(guān)系雖然都是調(diào)角，但調(diào)頻是由調(diào)制信號線性地控制高頻載波的頻率。調(diào)頻信號的瞬時頻率與調(diào)制信號成線性關(guān)系，而瞬時相位與調(diào)制信號的積分成線性關(guān)系。而調(diào)相由調(diào)制信號線性地控制高頻載波的相位。調(diào)相信號的瞬時相位與調(diào)制信號成線性關(guān)系，而瞬時頻率與調(diào)制信號的微分成線性關(guān)系。262、調(diào)頻波與調(diào)相波的比較

27[例]已知u(t)=5cos(2103t)V，調(diào)角信號表達式為uo(t)=10cos[(2106t)+10cos(2103t)]V試判斷該調(diào)角信號是調(diào)頻信號還是調(diào)相信號，并求調(diào)制指數(shù)、最大頻偏、載波頻率和載波振幅。[解]=2106t+10cos(2103t)附加相位正比于調(diào)制信號，故為調(diào)相信號。調(diào)相指數(shù)mp=10rad載波頻率fc

=106(Hz)fm=mpF最大頻偏振幅Um

=10V=10103=10kHz28[例]一組頻率為3003000Hz的余弦調(diào)制信號，振幅相同，調(diào)頻時最大頻偏為

75kHz，調(diào)相時最大相移為

2rad，試求調(diào)制信號頻率范圍內(nèi)：(1)調(diào)頻時mf的變化范圍;(2)調(diào)相時fm的范圍;[解](1)調(diào)頻時，fm與調(diào)制頻率無關(guān)，恒為75kHz。故29(2)調(diào)相時，mP與調(diào)制頻率無關(guān)，恒為2rad

。故301.在調(diào)頻器中，調(diào)制信號幅度UΩ減小時，已調(diào)波的最大頻偏Δωm也隨著減小。

2.調(diào)頻波中的總功率與未調(diào)載頻功率是相等的

3.調(diào)頻波中，頻偏越大，頻帶也越寬。

4.調(diào)頻波的調(diào)頻指數(shù)與調(diào)制信號幅度成正比，與調(diào)制信號頻率成反比。5.調(diào)相波的調(diào)相指數(shù)與調(diào)制信號頻率無關(guān)，與調(diào)制信號幅度有關(guān)。317.2調(diào)頻器與調(diào)頻方法一、調(diào)頻器

調(diào)頻器：實現(xiàn)調(diào)頻的電路稱為調(diào)頻器(頻率調(diào)制器)或調(diào)頻電路。

調(diào)頻特性：輸出信號的頻偏（?ω

(t)）隨輸入信號（隨調(diào)制電壓）的變化規(guī)律，可用曲線表示。一般而言，調(diào)頻特性如圖7-10所示，其要求如下:（1）調(diào)制特性線性度要好。（2）最大頻偏要滿足要求。

（3）調(diào)制靈敏度要高。

（4）載波性能要好。u?u’?o?f?f2?f1廣義：調(diào)制器＋高頻振蕩器32二、調(diào)頻方法

1．直接調(diào)頻法這種方法一般是用調(diào)制電壓直接控制振蕩器的振蕩頻率，使振蕩頻率f(t)按調(diào)制電壓的規(guī)律變化。若被控制的是LC振蕩器，則只需控制振蕩回路的某個元件(L或C)，使其參數(shù)隨調(diào)制電壓變化，就可達到直接調(diào)頻的目的。（一般控制變?nèi)荻O管）

特點：A振蕩器與調(diào)制器合二為一；B在實現(xiàn)線性調(diào)頻的要求下，可以獲得較大的頻偏；C電路相對簡單。D頻率穩(wěn)定度差。電壓控制的可變電容元件若控制的是張馳振蕩器（控制電容的充放電速度）輸出為非正弦波。如方波三角波（載波不一定為正弦波）332．間接調(diào)頻法

基本思想是：先將調(diào)制信號積分，然后對載波進行調(diào)相。（阿姆斯特朗法）

若先對調(diào)制信號uΩ(t)進行積分,得到u1(t)=∫t0uΩ(t)dt,然后將u1(t)作為調(diào)制信號對載頻信號進行調(diào)相,則由式可得到:u(t)=Uccos［ωct+kpu1(t)］=Uccos[ωct+kp∫t0uΩ(t)dt]對于uΩ(t)來說,上式是一個調(diào)頻信號表達式。因此,將調(diào)制信號積分后調(diào)相,是實現(xiàn)調(diào)頻的另外一種方式,稱為間接調(diào)頻?；蛘哒f,間接調(diào)頻是借用調(diào)相的方式來實現(xiàn)調(diào)頻。34實現(xiàn)間接調(diào)頻的關(guān)鍵是如何進行相位調(diào)制。通常，實現(xiàn)相位調(diào)制的方法有如下三種:

（1）矢量合成法。這種方法主要針對的是窄帶的調(diào)頻或調(diào)相信號。

對于單音調(diào)相信號

uPM=Ucos(ωct+mpcosΩt)=Ucosωctcos(mpcosΩt)-Usin(mpcosΩt)sinωct

當mp≤π/12時，上式近似為：

uPM≈Ucosωct-UmpcosΩtsinωct說明在調(diào)相指數(shù)很小時，調(diào)相波可以由兩個信號合成。當x很小時cosx≈1,sinx≈x35在NBPM中，乘法器載波的相位要移相90度圖7-9矢量合成法調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻積分電路uPM≈Ucosωct-UmpcosΩtsinωct36

(2)可變移相法可變移相法就是利用調(diào)制信號控制移相網(wǎng)絡(luò)或諧振回路的電抗或電阻元件來實現(xiàn)調(diào)相?？煽叵嘁凭W(wǎng)絡(luò)的種類很多。最常用的是LC并聯(lián)諧振回路。

例如，用調(diào)制信號uΩ(t)=UΩcosΩt去控制一個并聯(lián)諧振回路的電容，uΩ(t)=0時諧振頻率f0等于載波頻率fc使的這種方法也只能用于窄帶調(diào)制。另外，從幅頻特性知道，電壓幅度也隨調(diào)制信號變化，因此會產(chǎn)生寄生調(diào)幅。晶體振蕩器可控相移網(wǎng)絡(luò)uΩ=0uΩ=-UΩuΩ=UΩ37(3)可變延時法

可變延時法是將載波信號通過一可控延時網(wǎng)絡(luò)，延時時間τ受調(diào)制信號控制，即

τ=kduΩ(t)則輸出信號為

u=Ucosωc(t-τ)=Ucos［ωct-kdωcuΩ(t)］由此可知，輸出信號已變成調(diào)相信號了。383、擴大調(diào)頻器線性頻偏的方法最大頻偏Δfm與調(diào)制線性是調(diào)頻器的兩個互相矛盾的指標。當要求絕對頻偏一定，而載波頻率較低時，可先在較高的fc上進行調(diào)制，然后通過混頻將載頻降下來，而頻偏的絕對數(shù)值保持不變。對于直接調(diào)頻電路,調(diào)制特性的非線性隨最大相對頻偏Δfm/fc的增大而增大。

當難以制成高頻調(diào)頻器時，可以先在較低的載波頻率上實現(xiàn)調(diào)頻，然后通過倍頻（所有頻率都提高，包括頻率偏移），再混頻的方法來擴大頻偏。u?u’?o?f?f2?f1397.3調(diào)頻電路一、直接調(diào)頻電路1、變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路(1)變?nèi)荻O管調(diào)頻原理變?nèi)荻O管結(jié)電容Cj與在其兩端所加反偏電壓u之間存在著如下關(guān)系:C0：零偏置時的結(jié)電容uφ：PN結(jié)的勢壘電壓（導(dǎo)通電壓）u：加到變?nèi)荻O管上的電壓γ：結(jié)電容變化指數(shù)（取決于PN結(jié)工藝結(jié)構(gòu)）取值1/3～6。40圖7-10變?nèi)莨艿腃j～u曲線緩變型突變型超突變型41

靜態(tài)工作點為UQ時，變?nèi)荻O管結(jié)電容為

設(shè)在變?nèi)荻O管上加的調(diào)制信號電壓為uΩ(t)=UΩcosΩt，則：是調(diào)制信號為零時的靜態(tài)電容稱為電容調(diào)制度,它表示結(jié)電容受調(diào)制信號調(diào)變的程度UΩ增加,則Cj增加，調(diào)制深度越深42（2)變?nèi)荻O管直接調(diào)頻性能分析下面分兩種情況討論。1）Cj為回路總電容。圖7-11變?nèi)莨茏鳛榛芈房傠娙萑拷尤牖芈氛袷幓芈返暮喕哳l電路u—調(diào)制信號UQ—使二極管反偏Cc—隔直，防止UQ通過L短路Lc—高扼圈，對高頻開路，對

u短路，使其加在Cj上Cb—高頻旁路電感三點式振蕩器43若變?nèi)莨苌霞觰Ω(t)，就會使得Cj隨時間變化（時變電容），此時振蕩頻率為：式中為不加調(diào)制信號的振蕩頻率。若γ=2,則得

4445一般情況下，≠2，可以展開成冪級數(shù)：忽略高次項，上式可近似為：中心頻率，有偏移;m越大，偏移越大線性調(diào)頻項二次諧波項。由調(diào)制特性非線性引起。

m越大，失真越大當m足夠小時，可忽略中心頻率的偏離和諧波失真項，則46最大頻偏調(diào)頻靈敏度

可見：將變?nèi)荻O管全部接入振蕩回路來構(gòu)成直接

調(diào)頻電路時，為減小非線性失真和中心頻率的偏離，

應(yīng)設(shè)法使變?nèi)荻O管工作在γ=2的區(qū)域，若γ≠2，

則應(yīng)限制調(diào)制信號的大小。為減小γ≠2所引起的非線性，以及因溫度、偏置電壓等對CjQ的影響所造成的調(diào)頻波中心頻率的不穩(wěn)定，在實際應(yīng)用中，常采用變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路方式。最大頻偏與振幅的比值u?u’?o?f?f2?f147

（2）Cj作為回路部分電容接入回路。在實際應(yīng)用中，通?！?，Cj作為回路總電容將會使調(diào)頻特性出現(xiàn)非線性，輸出信號的頻率穩(wěn)定度也將下降。因此，通常利用對變?nèi)荻O管串聯(lián)或并聯(lián)電容的方法來調(diào)整回路總電容C與電壓u之間的特性。圖7-15部分接入的振蕩回路

變?nèi)莨懿糠纸尤牖芈返囊话汶娐房珊喕癁閳D7-15，這樣，回路的總電容為：48

振蕩頻率為式中p為大于1的數(shù)49可以看出，當Cj部分接入時，其最大頻偏為：因此，瞬時頻偏為：上式說明，最大頻偏是全接入的1/p。其控制靈敏度減少了p倍。全接入時50因此：部分接入時，最大頻偏比全接入時小了p倍，而且p越大，頻偏越小。（調(diào)制信號的控制能力減弱，致使頻偏變小，）但同時整個回路受溫度影響也減小，中心頻率的穩(wěn)定度將提高，寄生調(diào)制也將減小，非線性也會減小。總之：

采用變?nèi)荻O管LC振蕩器實現(xiàn)直接調(diào)頻時，電路相對簡單，但由于晶體管以及變?nèi)荻O管的非線性作用，以及它們的參數(shù)易受環(huán)境溫度等影響，因此中心頻率穩(wěn)定度不是很高，具有高次諧波失真，同時還會帶來寄生調(diào)幅，嚴重時可能會產(chǎn)生間歇振蕩等。51圖7-17變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路舉例（a）實際電路;（b）等效電路振蕩回路電容經(jīng)12μH電感加至兩管負端對高頻而言,兩變?nèi)莨苁谴?lián)的,總變?nèi)莨茈娙軨j’=Cj/2。這樣加到每個變?nèi)莨艿母哳l電壓就降低一半，從而可以減弱高頻電壓對電容的影響；同時，采用反向串聯(lián)組態(tài)，在高頻信號的任意半周期內(nèi)，一個變?nèi)莨艿募纳娙菰龃?，另一個則減小，二者相互抵消，能減弱寄生調(diào)制。52※2.晶體振蕩器直接調(diào)頻電路為得到高穩(wěn)定度調(diào)頻信號,須采取穩(wěn)頻措施,如增加自動頻率微調(diào)電路或鎖相環(huán)路。還有一種穩(wěn)頻的簡單方法是直接對晶體振蕩器調(diào)頻。

圖7―21晶體振蕩器直接調(diào)頻電路（a）實際電路;（b）交流等效電路(b)(a)C1C2Cj53這個電路是并聯(lián)型皮爾斯晶體振蕩器，通過變?nèi)荻O管，使電路的振蕩頻率在串聯(lián)和并聯(lián)頻率之間改變?？偛⒙?lián)電容為：晶體的接入系數(shù)為：振蕩頻率為：

采用晶體振蕩器直接調(diào)頻，穩(wěn)定度高，當頻偏非常小，實際應(yīng)用時一般需要擴大頻偏。(7-38)(7-39)(7-40)54二、間接調(diào)頻電路間接調(diào)頻的關(guān)鍵是調(diào)相?；芈穮?shù)移相電路

圖7-23是一個變?nèi)荻O管調(diào)相電路。它將受調(diào)制信號控制的變?nèi)莨茏鳛檎袷幓芈返囊粋€元件。Lc1、Lc2為高頻扼流圈，分別防止高頻信號進入直流電源及調(diào)制信號源中。

圖7-23單回路變?nèi)莨苷{(diào)相器

55設(shè)輸入調(diào)制信號為UΩcosΩt,則其瞬時頻偏(此處為回路諧振頻率的偏移)為：并聯(lián)諧振電路的電壓、電流間相移為：

上式說明，回路產(chǎn)生的相移按調(diào)制信號的規(guī)律變化，若調(diào)制信號先積分后在加入，則輸出信號的頻率將隨積分前調(diào)制信號的規(guī)律變化。567.4鑒頻器與鑒頻方法一、鑒頻器的性能指標1、概念

角調(diào)波的解調(diào)就是從角調(diào)波中恢復(fù)出原調(diào)制信號的過程。頻率檢波器(鑒頻器)：調(diào)頻波的解調(diào)電路稱為頻率檢波器或鑒頻器（FD），為了消除干擾，通常鑒頻器中包含限幅器。相位檢波器(鑒相器)：調(diào)相波的解調(diào)電路稱為相位檢波器或鑒相器（PD）。57圖7-26鑒頻器及鑒頻特性2、鑒頻器的主要參數(shù)鑒頻器：是一個將輸入調(diào)頻波的瞬時頻率f（或頻偏Δf)變換為相應(yīng)的解調(diào)輸出電壓uo的變換器。理想鑒頻特性曲線應(yīng)是一條直線，但實際上往往有彎曲，呈S形，如下圖所示。581）鑒頻器的中心頻率f0鑒頻器的中心頻率f0對應(yīng)于鑒頻特性曲線原點處的頻率。通常，由于鑒頻器在中頻放大器之后，故中心頻率中頻頻率相同。2）鑒頻帶寬Bm鑒頻帶寬Bm:是指鑒頻器能夠不失真地解調(diào)所允許輸入信號頻率變化的最大范圍。在圖7-28中：若ΔfA=fA-fc=fc-fB，則Bm=2ΔfA593）鑒頻器的線性度鑒頻器的線性度：是指鑒頻特性曲線在鑒頻帶寬內(nèi)的線性特性。4）鑒頻跨導(dǎo)SD鑒頻跨導(dǎo)SD:是指鑒頻器在載頻處的斜率，它表示單位頻偏所能產(chǎn)生的解調(diào)輸出電壓。鑒頻跨導(dǎo)又叫做鑒頻靈敏度。用公式表示為：

鑒頻跨導(dǎo)也可以理解為將輸入頻率轉(zhuǎn)換為輸出電壓的能力或效率，因此又稱為鑒頻效率。60鑒頻方法鑒頻方法的分類

(1)直接鑒頻法：是直接從調(diào)頻信號的頻率中提取原來調(diào)制信號的方法。主要有脈沖計數(shù)鑒頻法。

(2)間接鑒頻法：就是先對調(diào)頻信號進行變換或處理，再從變換后的信號中提取原調(diào)制信號的鑒頻方法。又可分為振幅鑒頻法和相位鑒頻法兩大類。

61直接脈沖計數(shù)式鑒頻法

調(diào)頻信號的信息寄托在已調(diào)波的頻率上。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間內(nèi)過零點(或零交點)的次數(shù)。對于脈沖或數(shù)字信號，信號頻率就是信號脈沖的個數(shù)?；谶@種原理的鑒頻器稱為零交點鑒頻器或脈沖計數(shù)式鑒頻器。二、直接鑒頻62圖7-27直接脈沖計數(shù)式鑒頻器631、振幅鑒頻法調(diào)頻波振幅恒定，故無法直接用包絡(luò)檢波器解調(diào)。鑒于二極管峰值包絡(luò)檢波器線路簡單、性能好，能否把包絡(luò)檢波器用于調(diào)頻解調(diào)器中呢？顯然，若能將等幅的調(diào)頻信號變換成振幅也隨瞬時頻率變化、既調(diào)頻又調(diào)幅的FM―AM波，就可以通過包絡(luò)檢波器解調(diào)此調(diào)頻信號。用此原理構(gòu)成的鑒頻器稱為振幅鑒頻器。其工作原理如圖7-29所示。三、間接鑒頻64(a)振幅鑒頻器框圖；(b)變換電路特性圖7-28振幅鑒頻器原理65(1)直接時域微分法原理：設(shè)調(diào)制信號為uΩ=f(t)，調(diào)頻波為：對此式直接微分可得

由上式可以看出：電壓u的振幅與瞬時頻率成正比，故上式為一個FM-AM波。然后利用包絡(luò)檢波器從此FM-AM波提取出原調(diào)制信號即可。66圖7-30微分鑒頻原理由上面的分析可以看出，直接時域微分法鑒頻器由兩大部分組成，即微分器和包絡(luò)檢波器。

直接時域微分法鑒頻器的特點：原理簡單，但由于器件的非線性等原因，其鑒頻線性范圍是相當有限的。

67(2)斜率鑒頻法

概述：鑒頻器的微分器的作用也可以用其他網(wǎng)絡(luò)來完成,只要在所需頻率范圍內(nèi)具有線性幅頻特性即可。如低通、高通、帶通網(wǎng)絡(luò)等。使用得最多的是帶通網(wǎng)絡(luò)。

1)單失諧回路斜率鑒頻法68圖7-32單回路斜率鑒頻器利用調(diào)諧回路幅頻特性傾斜部分對FM波解調(diào)的，因此成為斜率鑒頻法。另外由于是利用調(diào)諧回路的失(離)諧狀態(tài)，所以又稱為失(離)諧回路法。不足：線性度較差，線性范圍較小。改進：采用雙失諧斜率鑒頻器。利用幅頻特性曲線的線性區(qū)進行頻率-幅度變換692)雙離諧平衡鑒頻器雙失諧鑒頻器電路如圖7-33所示，有三個調(diào)諧回路，它們的諧振頻率分別滿足：且：

原理：雙離諧平衡鑒頻器的輸出是取兩個帶通響應(yīng)之差，即該鑒頻器的傳輸特性或鑒頻特性，如圖7-35中的實線所示。其中虛線為兩回路的諧振曲線。從圖看出，它可獲得較好的線性響應(yīng)，失真較小，靈敏度也高于單回路鑒頻器。

不足：不容易調(diào)整70圖7―33雙離諧平衡鑒頻器平衡包絡(luò)檢波器f02f03fcUofcffΔf(t)t0A3

(f)A2

(f)(b)(c)(d)BmUo隨頻率f的變化特性就是將兩個失諧回路的幅頻特性相減后的合成特性，這個特性正好是一個“S”形鑒頻特性。71合成鑒頻特性曲線形狀除了與兩回路的幅頻特性曲線形狀有關(guān)外，主要取決于f02、f03配置。若配置恰當，兩回路幅頻特性曲線中的彎曲部分就可相互補償，合成一條線性范圍較大的鑒頻特性曲線。否則，間隔過大合成的鑒頻特性曲線會在fc附近出現(xiàn)彎曲，過小則線性范圍不能有效擴展。f02f03722、相位鑒頻法調(diào)相原理——首先通過移相網(wǎng)絡(luò)將調(diào)頻信號轉(zhuǎn)化為調(diào)頻-調(diào)相信號，使相位的變化與瞬時頻率的變化成正比；再將調(diào)頻信號和調(diào)頻-調(diào)相信號送入相位檢波器（即鑒相器），檢測出兩信號的相位差，從而將調(diào)制信號恢復(fù)出來。圖7-36相位鑒頻法的原理框圖73

相位鑒頻法的關(guān)鍵是相位檢波器。相位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—電壓變換作用的部件或電路。

設(shè)輸入鑒相器的兩個信號分別為(有90度的固定相差)：上述兩個信號同時作用于鑒相器，鑒相器的輸出電壓uo是瞬時相位差的函數(shù)，即：

通常u1為調(diào)相波，u2為參考信號。在相位鑒頻時,u1常為輸入調(diào)頻波,u2是u1經(jīng)過移相網(wǎng)絡(luò)后的信號。與調(diào)幅信號的解調(diào)類似，也有乘積型和疊加型兩類。741)乘積型相位鑒頻法

利用乘積型鑒相器實現(xiàn)鑒頻的方法稱為乘積型相位鑒頻法或積分(Quadrature)鑒頻法。在乘積型相位鑒頻器中，線性相移網(wǎng)絡(luò)通常是單諧振回路(或耦合回路)，而相位檢波器為乘積型鑒相器，如圖7-37所示。圖7-37乘積型相位鑒頻法產(chǎn)生附加相移，變成FM-PM波完成鑒相75設(shè)：，其中：f0和Q0分別為諧振回路的諧振頻率和品質(zhì)因素，f0=fc。設(shè)乘法器的乘積因子為K，則經(jīng)過相乘器和低通濾波器后的輸出電壓為：由上式可知：乘積型相位鑒頻器的鑒頻特性呈正弦形。當時，，可見，鑒頻器輸出與輸入信號的頻偏成正比。Δ76

特別需要說明的是：由于鑒頻器是頻譜的非線性變換，所以不能簡單用乘法器來實現(xiàn)，因此上述電路模型是有局限的：即只有在頻偏較小時才成立。2)疊加型相位鑒頻法A、工作原理

利用疊加型鑒相器實現(xiàn)鑒頻的方法稱為疊加型相位鑒頻法。對于疊加型鑒相器，就是先將us和us’相加，把兩者的相位差的變化轉(zhuǎn)換為合成信號的振幅變化，然后用包絡(luò)檢波器檢出其振幅變化，從而達到鑒相的目的。77其中：78或可以看出，鑒相特性為正弦形。在相偏比較小時，近似為線性關(guān)系。但由于其中具有直流分量，因此可用平衡電路，如圖7-39。79圖7-39平衡式疊加型相位鑒頻器框圖平衡式疊加型相位鑒頻器

803、直接脈沖計數(shù)式鑒頻法

調(diào)頻信號的信息寄托在已調(diào)波的頻率上。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間內(nèi)過零點(或零交點)的次數(shù)。對于脈沖或數(shù)字信號，信號頻率就是信號脈沖的個數(shù)。基于這種原理的鑒頻器稱為零交點鑒頻器或脈沖計數(shù)式鑒頻器。81圖7-40直接脈沖計數(shù)式鑒頻器827.5鑒頻電路一、疊加型相位鑒頻電路

1、互感耦合相位鑒頻器互感耦合相位鑒頻器又稱福斯特―西利(Foster―Seeley)鑒頻器，圖7-41是其典型電路。相移網(wǎng)絡(luò)為耦合回路。83圖7-41互感耦合相位鑒頻器調(diào)頻信號u1通過C0的耦合，加到扼流圈L3上，通過互感耦合回路的耦合，得到與輸入調(diào)頻信號u1同頻但有附加相移的調(diào)頻-調(diào)相信號u284(1)頻率—相位變換頻率—相位變換是由圖7-42(a)所示的互感耦合回路完成的。由圖7-42(b)的等效電路可知，初級回路電感L1中的電流為(其中Zf為次級映射電阻)：圖7-42互感耦合回路85

考慮初、次級回路均為高Q回路，r1也可忽略。這樣，上式可近似為初級電流在次級回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為感應(yīng)電動勢在次級回路形成的電流為86ξ=2QΔf/f0，則上式變?yōu)樯鲜街蠥＝kQ為耦合因子，為次級回路的阻抗角。87圖7-43頻率—相位變換電路的相頻特性上式表明：U2與U1之間的幅度和相位關(guān)系都隨輸入信號的頻率（廣義失諧）變化，變化關(guān)系如下圖所示。88由上圖可以看出，在一定的頻率范圍內(nèi)，與間相差與頻率之間具有線性關(guān)系，因而互感耦合回路可做線性相移網(wǎng)絡(luò)，其中的固定相差是由互感形成的。

應(yīng)當注意，與鑒相器不同，由于由耦合回路產(chǎn)生，而相移網(wǎng)絡(luò)由諧振回路近似形成的，因此，的幅度隨頻率變化，但在回路通帶之內(nèi)，幅度基本不變。89(2)相位—幅度變換根據(jù)圖中規(guī)定的與的極性，圖7-41電路可簡化為圖7-44。這樣，在兩個檢波二極管上的高頻電壓分別為：90圖7-44圖7-41的簡化電路91合成矢量的幅度隨與間的相位差而變化(FM―PM―AM信號)，如圖7―42所示。①f=f0=fc時，與的振幅相等，即UD1=UD2;②f>f0=fc時，UD1>UD2，隨著f的增加，兩者差值將加大；③f<f0=fc時，UD1<UD2,隨著f的減小，兩者差值也將加大。圖7―45不同頻率時的與矢量圖92(3)檢波輸出設(shè)兩個包絡(luò)檢波器的檢波系數(shù)分別為Kd1，Kd2(通常Kd1=Kd12=Kd)，則兩個包絡(luò)檢波器的輸出分別為uo1=Kd1UD1，uo2=Kd2UD2。鑒頻器的輸出電壓為：93圖7-46鑒頻特性曲線94通過對鑒頻器進行定量分析可知，其輸出電壓為：上式稱為鑒頻方程，表示鑒頻器的輸出特性。式中Ic1以為前面限幅級輸出電流，Re為初級回路本身的諧振電阻，是A和的函數(shù)，見圖7-47所示。95圖7-47以A為參變量的Φ（ξ）~ξ曲線特點（1）是ξ的奇函數(shù)（2）A增加時，Φmax值增大，且與縱軸距離增大。當A>1時，約在ξ=A處出現(xiàn)最大值。這時，對應(yīng)的峰值帶寬Bm=kf0。（3）A較小時，耦合很弱，但鑒品頻跨導(dǎo)高。反之，A較大時，耦合很強，但鑒品頻跨導(dǎo)小。（4）A>3后，線性變壞，因此一般取A在1.5~3.96圖7-48SD～A曲線A=kQ97二、比例鑒頻器——輸出與兩個電容之比成正比1、電路結(jié)構(gòu)比例鑒頻器是一種類似于疊加型相位鑒頻器，而又具有自限幅(軟限幅)能力的鑒頻器，其基本電路如圖7-50(a)所示。它與互感耦合相位鑒頻器電路的區(qū)別有以下三個方面：

(1)包絡(luò)檢波器的兩個二極管順接；

(2)在電阻(R1+R2)兩端并接一個大電容C，容量約在10μF數(shù)量級。時間常數(shù)(R1+R2)C很大，約0.1～0.25s，遠大于低頻信號的周期。

(3)接地點和輸出點改變。98圖7-50比例鑒頻器電路及特性992.工作原理圖7-46(b)是圖(a)的簡化等效電路，電壓、電流如圖所示。由電路理論可得

i1(R1+RL)-i2RL=uc1(7-67)

i2(R2+RL)-i1RL=uc2(7-68)

uo=(i2-i1)RL(7-69)當R1=R2=R時，可得(7-70)(7-71)100由上式可見，在電路參數(shù)相同的條件下，輸入調(diào)頻信號也相等，比例鑒頻器的輸出電壓與互感耦合或電容耦合相位鑒頻器相比要小一半。根據(jù)(7-71)式有：當f=fc時，UD1=UD2，i1=i2，但以相反方向流過負載RL，所以輸出電壓為零；當f>fc時，UD1>UD2，i1>i2，輸出電壓為負；當f<fc時，UD1<UD2，i1<i2，輸出電壓為正。說明：其鑒頻特性如圖7-50(c)所示，它與互感耦合或電容耦合相位鑒頻器的鑒頻特性的極性相反，這在自動頻率控制系統(tǒng)中要特別注意。當然，通過改變兩個二極管連接的方向或耦合線圈的繞向(同名端)，可以使鑒頻特性反向。101另一方面，輸出電壓也可由下式導(dǎo)出：(7-72)其中：E0=Uc1+Uc2，為電容C兩端的電壓。上式說明，比例鑒頻器輸出電壓取決于兩個檢波電容上電壓的比值，故稱為比例鑒頻器。1027.6調(diào)頻收發(fā)信機及附屬電路一、調(diào)頻發(fā)射機

圖7-58是一種調(diào)頻發(fā)射機的框圖。其載頻fc=88～108MHz，輸入調(diào)制信號頻率為50Hz～15kHz，最大頻偏為75kHz。由圖可知，調(diào)頻方式為間接調(diào)頻。由高穩(wěn)定度晶體振蕩器產(chǎn)生fc1=200kHz的初始載波信號送入調(diào)相器，由經(jīng)預(yù)加重和積分的調(diào)制信號對其調(diào)相。調(diào)相輸出的最大頻偏為25Hz，調(diào)制指數(shù)mf<0.5。103圖7-58調(diào)頻發(fā)射機框圖104二、調(diào)頻接收機

圖7-59為廣播調(diào)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路外，其