第8章角度调制与解调.pptx

8.1 角度调制信号分析 调频信号与调相信号 1.调频信号 为了便于理解，首先假设调制信号为单一频率的余弦信号 u(t)=Umcost 载波 uC(t)=UCmcos(Ct+)第1页/共197页 调频是用调制信号去控制载波的频率变化。载波频率的变化为 (t)=kfu(t)=kfUmcost=mcost (8.11)式中，kf为调频比例常数，单位为rad/(sV),m叫最大频偏 m=kfUm (8.12)调频信号的瞬时角频率 (t)=C+(t)=C+kfu(t)(8.1 3)第2页/共197页 它的相位(8.14)(8.15)叫做调频指数，时域调频信号的表示可以写成uFM(t)=Um0cos(Ct+mfsint+0)(8.16)第3页/共197页 它的振幅是恒定的。调频信号的基本参量是振幅Um0、载波中心频率C、最大频偏m和调频指数mf。调频比例常数kf是由调频电路决定的一个常数。在时域，调频信号的波形如图8.1所示。最大频偏m、调频指数mf与调制信号的角频率及调制信号振幅Um的关系如图8.2所示。第4页/共197页图8.1调频信号波形第5页/共197页图8.2调频信号m、mf与Um、的关系第6页/共197页 2.调相信号 调相信号是用调制信号控制载波的相位变化。载波的相位变化量 (t)=kpu(t)=kpUmcost=mpcost (8.17)式中 mp=kpU (8.18)叫做调相指数，单位为rad。kp是调相比例常数，单位是rad/V。调相信号的相位 (t)=Ct+mpcost+0 (8.19)第7页/共197页 调相信号的时域表示式可以写成 uPM(t)=Um0cos(Ct+mpcost+0)(8.110)其振幅恒定。它的瞬时角频率(8.111)(8.112)第8页/共197页 这种调相信号的时域波形如图8.3所示。图8.4示出了调相信号的mp、m与、Um的关系曲线。当调制信号为非正弦波时，可以用一个通用的形式表示 u(t)=Umf(t)Um为 调 制 信 号 的 幅 度，f(t)是 它 的 归 一 化 的 通 用 表 示 式，|f(t)|1。因此，调制信号为任意函数的调频信号可以写成第9页/共197页图8.3调频信号波形第10页/共197页 相应的调相信号 第11页/共197页图8.4调相信号m、mp与Um、的关系第12页/共197页调角信号的频谱 1.单频调制的窄带调频信号的频谱 根据调制指数m(mf与mp的通用表示符号)的大小，调角信号可分成两类。满足(8.113)条件的调角信号叫窄带调角信号。不满足这个条件的调角信号叫宽带调角信号。第13页/共197页 根 据 窄 带 调 角 信 号 的 定 义，可 引 用 三 角 函 数 的 近 似 关 系。当/6时，sin，cos1。因此，单一频率调制的窄带调频信号的表示式可近似为(8.114)第14页/共197页图8.5窄带调频信号的频谱第15页/共197页 根据此式，单频调制的窄带调频信号的频谱可以用图8.5表示。信号的带宽B=2，与AM调幅波信号的带宽相同。它与AM调幅信号的不同可通过矢量图加以说明。图8.6(a)示出了用载波矢量 与边带矢量 和 合成得到AM调幅波 的过程。由图可见，它仅仅是幅度大小的改变，而无相位的改变。图8.6(b)示出了用载波矢量 与边带矢量 和 合成得到调频信号的过程。由图可见，合成矢量 在相位变化的同时，振幅也在改变。其相位变化的正切第16页/共197页图8.6调制信号矢量图(a)uAM信号矢量图；(b)uFM信号矢量图第17页/共197页 相应振幅的相对变化小于11%。随着mf的减小，振幅的变化越小，相位的变化也就越接近于mfsint。当(t)/6时第18页/共197页 2.宽带调频信号的频谱 利用三角函数展开式，可将单一频率调制的调频信号表示式展开(8.115)其中，cos(mfsint)和sin(mfsint)可以进一步展开成以贝塞尔函数为系数的三角函数级数(8.116)第19页/共197页 贝塞尔函数具有如下的性质：第1：n为奇数时,n为偶数时,第2：当调频指数mf很小时第3：对任意mf值，各阶贝塞尔函数的平方和恒等于1，即第20页/共197页图8.7前8阶贝塞尔函数曲线第21页/共197页图8.7前8阶贝塞尔函数曲线第22页/共197页 根据上述的性质，将式(8.116)、式(8.117)代入式(8.115)，再利用三角函数的积化和差公式，可以导出(8.119)第23页/共197页 把小于未调制的载波幅度Um0的百分之一的各边频分量忽略不计来确定调频信号的带宽，也就是按(8.120)的条件确定n的最大值nmax，则误差要求为0.01的调频信号的带宽若把小于未调制载波幅度十分之一的边频分量忽略不计的来确定带宽，即按满足第24页/共197页 的条件确定n的最大值nmax，则误差要求为0.1的调频信号的带宽 目前，广泛应用的调频信号带宽的计算公式是(8.121)上述三种带宽计算方法，调频指数mf与nmax(或L)的数值关系列于表8.1中，相应的曲线如图8.8所示。由图、表可见，卡森带宽与误差为0.1确定的带宽基本一致。第25页/共197页表8.1mf与nmax的数值关系第26页/共197页图8.8带宽计算nmax(或L)与(mf)的关系曲线第27页/共197页 在mf1时，卡森带宽为所以，调频信号的带宽可根据mf的大小，分别按照式(8.121)、式(8.122)、式(8.123)确定。mf=3的调频信号的频谱如图8.9所示。第28页/共197页图8.9mf=3调频信号的频谱第29页/共197页 3.多频调制的调频信号频谱 首先讨论调制信号为双频余弦信号的情况，即则调频信号(8.124)第30页/共197页其中，(t)=mf1sin1t+mf2sin2t，即用复信号表示(8.125)(8.126)(8.127)(8.128)第31页/共197页 将式(8.127)、式(8.128)代入式(8.126)得 由此可得双频调制的调频信号展开式(8.129)(8.130)第32页/共197页图8.10双频调制mf1=1、mf2=1.5上边带频率分量分布图第33页/共197页 当调制信号为多个频率的正弦波之和，即时，调频信号的复信号表示式为(8.131)卡森公式是单频调制情况下的带宽近似计算公式。多频调制情况下，信号带宽的计算采用修正的卡森公式。为此，引入一个新的参量频偏比峰值最大角频偏调制信号的最高角频率第34页/共197页 多频调制的调频信号带宽近似等于当DFM2时(8.132)(8.133)它与调制信号的频率无关。从这个角度讲，频率调制又称为恒定带宽调制。调频信号的带宽主要由调制信号的幅度决定，随着调制信号带宽的增加，调频信号的带宽变化不大。正因为这一特点，调频体制比调相体制获得了更广泛的应用。第35页/共197页 4.调相信号的频谱 采用调频信号的分析方法，同样可以得到调相信号的频谱，它与调频信号频谱的差异仅仅是各边频分量的相移不同。带宽的计算仍可采用卡森公式。由于调相信号的最大频偏正比于调制信号的频率，所以调相信号的带宽应按最高调制频率确定。实际工作中，最高调制频率工作的时间少，大部分情况都处于调制信号频带的中间部分，所以相位调制不能充分利用频带。正因为这一点，调相体制的应用不如调频体制广泛。第36页/共197页调角信号的功率分布 根据帕塞瓦尔公式，调角波的平均功率Pav等于各个频率成分的平均功率之和。因此，在单位电阻上，调角信号所消耗的功率根据贝塞尔函数性质的第3条可知所以调角信号的平均功率(8.134)第37页/共197页 它仅与调角信号的振幅有关，而与调制指数m无关。调角信号各个频率分量的功率分配情况是随着调制指数m的不同而改变的。当m=0时J0(m)=1，而其他阶次的贝塞尔函数Jn(m)均为零。所以，这种情况只有载波功率，而无边带功率。当m0时，J0(m)1，Jn(m)0。第38页/共197页8.2 调相信号产生方法 矢量合成法 这是一种窄带调相信号产生方法。若调相信号 uPM(t)=Um0cosCt+kpu(t)=Um0cos Ct+mpf(t)(8.21)根据窄带调角信号的定义，(8.21)式可近似表示为 uPM(t)Um0cosCt-Um0kp u(t)sinCt (8.22)第39页/共197页 由此可见，窄带调相信号可近似由一个载波信号(Um0cosCt)和一个双边带信号(Um0kpu(t)sinCt)叠加而成。如果用矢量图表示，载波信号矢量与双边带信号矢量是正交的。双边带信号矢量的长度是按照kpu(t)的规律变化的。窄带调相信号矢量就是两个正交矢量的和，这种方法如图8.11所示。图8.11(a)是实现电路框图；图8.11(b)示出了单一频率调制的调相信号的矢量合成图。根据框图，输出电压(8.23)第40页/共197页图8.11矢量合成法(a)电路框图；(b)矢量合成图第41页/共197页 输出电压的幅值不是恒定的，存在着起伏，称这种起伏为寄生调幅。输出电压的相位变化与调制信号之间不是线性关系，而是反正切的关系。这种非线性关系，使相位的变化产生非线性失真。调相指数mp越小，寄生调幅越小，相位失真也越小。所以这种方法是一种近似方法，而且仅仅适用于产生窄带调相信号。为了获得宽带调相信号，往往把这种方法得到的窄带调相信号通过倍频器，扩展成宽带调相信号，如图8.12所示。倍频器的输出(8.24)第42页/共197页 信号的载频与频偏都被扩展了n倍。倍频后的调相信号与倍频前的调相信号相比，它的相对频偏(m/C)没有变化，而绝对频偏(m)增大了n倍，信号的带宽也相应展宽了n倍。图8.12用倍频方法扩展带宽第43页/共197页可变相移法 相移法的框图如图8.13所示。石英晶体振荡器产生一个频率稳定度较高的载波电流信号 ，并把它通过一个相移可控的网络。这个网络的阻抗 ，它的相移受调制信号u(t)控制，而且与控制电压u(t)之间呈线性关系。即()=kpu(t)=mpf(t)。当相位(t)的变化速率远远地小于载频C时，相移网络的输出电压就可近似地等于稳态情况下的输出电压第44页/共197页图8.13相移法第45页/共197页 可控相移网络的种类很多。最常用的是LC并联谐振回路(如图8.14所示)。回路的电容(也可以是电感)的数值受调制信号u(t)的控制k为比例常数。回路的谐振频率(8.26)第46页/共197页图8.14压控电容构成的LC并联谐振回路第47页/共197页 其中，是控制电压为零时回路的谐振频率，称其为静态回路谐振频率。当ku(t)C0时，引用 的关系，可得(8.27)(8.28)由式(8.28)可见，并联谐振回路谐振角频率相对变化量与调制信号成线性关系。LC并联回路的阻抗第48页/共197页 Z()和()分别是回路阻抗的模和相角。当调制信号的频率小于回路的谐振频率时，也就是说回路电容的变化速度非常慢时，相对于载波，每个周期或几个周期之内可近似认为并联回路的元件数值不变。这样载波电流iC在回路两端建立的电压就近似等于稳态电压(8.28)第49页/共197页 设计使输入载波电流的频率C等于静态回路谐振频率or。回路对其呈现的阻抗为Z(C)，相移为(C)。输入载波的角频率不变，而回路谐振角频率0变化，因此Z(C)和(C)也变化。它们的变化关系可用图8.15说明，图中01,02,03是0变化的三个取值。在窄带工作条件下 可近似认为(8.29)(8.210)第50页/共197页 Qe为回路的有载品质因数。在|(C)|/6时 tan(C)(C)因此回路的相移 由于0or，可认为(8.211)第51页/共197页其中，输出电压显然这就是一个调相信号。这种调相信号的产生方法仅限于0(t)or的窄带情况，是窄带调相信号的产生方法。第52页/共197页图8.15可控相移网络阻抗相位变化关系第53页/共197页可变时延法 可变时延法的实现框图如图8.16所示。由晶体振荡器产生的载波电压uC(t)通过一个延迟时间可控的延时网络，延时网络的输出电压为(8.212)图8.16可变时延法第54页/共197页 如果延迟时间(t)受调制电压u(t)控制，并使之与调制信号成线性关系，即最大的延迟时间max=kdUm。考虑到超前、滞后的变化，max应该限制的范围是第55页/共197页8.3 调频信号产生方法 直接调频法 直接调频法可分为两种：一种是模拟调频微分方程法，另一种是似稳态调频方法。1.模拟调频积分方程法 已知调频信号(8.31)第56页/共197页将它对时间t微分(8.33)经过整理可得(8.34)第57页/共197页 (8.34)式是二阶、线性、齐次时变微分方程。它的两个特解是它的通解是调频信号(8.35)第58页/共197页 式中，Um0和0是两个积分常数，分别由uFM(0)和uFM(0)决定。式(8.34)被称为调频微分方程。与调频微分方程相应的积分方程是(8.36)可以用模拟计算机模拟调频积分方程，具体框图如图8.17所示。该模拟电路由两个积分器、两个乘法器和一个倒相器组成。输入电压u=U0+ku(t)。U0为直流电压,k为比例常数,u(t)=Umf(t)。经过环路闭合后的输出第59页/共197页 k1为积分器增益，kM为乘法器增益。取k1kMu(t)=(t)，则上式就与(8.36)式完全相同。环路的输出电压就是一个理想的调频信号。这种产生调频信号的方法叫模拟调频积分方程法。用这种方法产生的调频信号的角频率是受输入电压u控制的(8.37)第60页/共197页 最大频偏m=kk1kMUm。两个积分器的积分常数决定了调频信号的幅度Um0和初始相角0。只有在积分常数不变的条件下，闭合环路的输出才是理想的调频信号，否则就会产生频率的畸变和寄生调幅。第61页/共197页图8.17模拟调频积分方程电路框图第62页/共197页 2.似稳态调频 当mC、I1,从而(8.52)场效应管的漏极电流与栅源电压Ugs之间关系等于(8.53)gm是场效应管的跨导。设计使远小于场效应管的输入阻抗，且Z1Z2，则(8.54)(8.55)则第100页/共197页(8.56)(8.57)第101页/共197页表8.2在各种情况下的等效电抗表第102页/共197页电抗管调频电路 图8.30所示的是一种集成的电抗管调频电路。图中V1、V2和V3、V4分别构成两个差分放大器，V1、V2差分放大器通过变压器耦合构成差分振荡器电路。V3、V4与电容C、电阻r构成电抗管电路。V5、V6是V3、V4差分放大器的恒流源。差分振荡器的交流等效电路如图8.31所示。电抗管的等效电路如图8.32所示。V3管的集电极电流设计使电阻r远小于V3管的输入电阻，则电阻r两端的电压第103页/共197页图8.30电抗管调频电路第104页/共197页 iC(t)是流过电容C支路的电流。小信号条件下，iC3中的交流分量其中，则AB两端等效的电容第105页/共197页图8.31图8.30电路的交流等效电路第106页/共197页图8.32图8.30电路电抗管等效电路第107页/共197页 根据电路图可知，当晶体管的1时CAB并接于振荡回路两端，其电路与图8.18(a)所示电路完全一样，是一个典型的似稳态调频电路。V1管的集电极输出回路调谐在载波中心频率上，带宽足够时，输出电压就是调频信号。第108页/共197页8.6 由调频非正弦波信号产生调频正弦波信号电路由调频非正弦波信号获取调频正弦波信号的原理 调频正弦波信号名称的来源是根据调频信号表示式(8.61)第109页/共197页 对于变量，调频信号是个余弦信号，如图8.33(a)所示。所谓调频非正弦波信号就是对变量而言是非正弦波，如图8.33(b)所示是方波信号，称其为调频方波信号；如图8.33(c)所示是三角波信号，称其为调频三角波信号。第110页/共197页图8.33各种调频波(a)调频正弦波；(b)调频方波；(c)调频三角波第111页/共197页 调频非正弦波信号是的周期信号，可以用傅氏级数展开(8.62)式(8.62)说明，调频非正弦波信号由调频正弦波信号的各次谐波的和组成。各次谐波都是调频正弦波，载波中心频率分别为nC，最大频偏分别是nm。它们的频谱分布可用图8.34表示。其中，基波分量带宽为B1,二次谐波的带宽为B2=2B1,三次谐波的带宽为B3=3B1，依次类推。第112页/共197页图8.34调频非正弦波各次谐波带宽示意图第113页/共197页 采用滤波的方法可以从其中取出调频正弦波信号。由图可见，采用滤波法得到调频正弦波的基波信号，不失真的条件是基波与二次谐波的频谱不应重叠，即必须满足(8.63)图8.35给出了由调频非正弦波获取调频正弦波信号的电路框图。第114页/共197页图8.35由调频非正弦波信号形成调频正弦波信号框图第115页/共197页调频三角波信号产生电路 图8.36示出了调频三角波信号产生电路的框图。以电流方式输入，输入电流i(t)一路加到压控开关的端子a，另一路通过倒相器加到压控开关的另一个端子b。压控开关的公共刀受电压比较器的输出电压控制。当开关掷于端子a时，输入电流i(t)被送入积分器，对电容C充电，形成输出三角波电压的上升段。第116页/共197页图8.36调频三角波信号产生电路框图第117页/共197页 当三角波电压上升至电平+E时，电压比较器输出状态发生翻转，控制压控开关公共刀c掷向端子b，负的输入电流(-i(t)被送入积分器，电容C反向充电，形成输出三角波的下降段。当三角波电压下降至-E时，电压比较器的输出状态再次发生翻转，压控开关的公共刀c又掷回到端子a,从而又回到初始状态。如此周而复始，形成三角波电压。输入电流越大，积分器充电(或放电)速度越快，三角波周期越小；反之，输入电流越小，充电(或放电)速度越慢，三角波周期越长。若使输入电流随调制信号线性变化，则输出三角波频率也会随调制信号变化，从而得到调频三角波信号。图中各点的波形如图8.37所示。通过带通滤波器就可获得调频正弦波。第118页/共197页图8.37图8.36各点波形第119页/共197页 图8.38示出了某集成调频三角波信号产生电路。V1是电压-电流变换电路，输入调制信号电压u(t)=Umf(t)通过V1转换成电流i(t)=I0+Ku(t)。V2和V3是压控开关。V4、V5是倒相器。C是积分电容。C两端获得的调频三角波电压经V6、V7两级射极跟随器，由V7的射极输出。V8、V9是电压比较器，V10、V11是比较器的恒流源。电压比较器的输出经V12、V13、V14组成的缓冲器，其输出u2(t)加到压控开关上，作为开关的控制电压。第120页/共197页图8.38调频三角波发生器电路第121页/共197页 压控开关V2管基极外加电压为EB,V3管基极输入电压为压控电压u2(t)。当u2EB时，V2导通，V3截止，V4、V5导通。假设晶体管的1,则V2的集电极电流iC2=i(t)，iC4=iC2。V4、V5为比例恒流源由于V3截止，所以V5的集电极电流iC5流向积分电容C，给它充电，积分电容两端的电压uC上升。第122页/共197页 若电容C的充电为线性充电，则积分电容两端电压与充电电流的关系近似为已知i(t)=I0+ku(t),所以(8.67)对载波中心频率第123页/共197页 在TC/2期间，uC的峰峰幅度2UC=RC8IK，因此可得 则载波中心频率(8.68)第124页/共197页8.7 间接调频电路 图8.39(a)是用移相法构成的调频电路。图8.39用移相法实现调频电路(a)电路图；(b)相移网络的等效电路第125页/共197页 当变容二极管的结电容的调制度 时，回路的谐振频率其中，当/6，且载波中心频率C=or时(8.71)第126页/共197页 图 8.40是 某 调 频 发 射 机 的 框 图。调 制 信 号 频 率 范 围 是10015000Hz。用矢量合成法形成载波中心频率等于100kHz的调频正弦波信号。间接调频是mf受限制。矢量合成法限定mf/6。由于调频信号的mf与调制信号的频率成反比，所以应按照调制信号的最低频率去限定最大频偏值。100Hz限定最大fm52Hz。该矢量合成电路输出信号的最大频偏为24.415Hz，小于限定值。第127页/共197页图8.40调频广播发射机框图第128页/共197页8.8 调角信号的解调方法 调相信号的解调方法 调相信号的解调叫做相位检波，简称鉴相。它是将调相信号的相位Ct+mpf(t)与载波的相位Ct相减，取出它们的相位差mpf(t)，从而实现相位检波。在无线电技术领域中，经常需要把两个信号的相位进行比较，以判断它们相位相关的程度或利用它们的相位差(又称相位误差)去实现控制。在相位控制系统中(简称锁相系统)，鉴相器是必不可少的部件，所以相位检波应用非常广泛。第129页/共197页 相位检波可以用图8.41所示的框图描述。输入信号u1的相位1,输入信号u2的相位2,在相位相减电路中相减得到相位差e=1-2；再经放大器放大，输出电压uo=ke。因此，又可以把相位检波电路看成是相位/电压变换器。输入的是相位信号，输出的是电压。第130页/共197页图8.41相位检波器框图第131页/共197页 1.模拟的相位检波方法 相位的减法运算，在时域就是信号的相乘运算，所以相位检波也有两种形式：一种是乘积型相位检波，另一种是叠加型相位检波，如图8.42所示。它们的框图与同步检波的两种形式没什么区别，原理也基本相同，但具体的应用条件有所不同。在此仅就不同之处加以说明。第132页/共197页图8.42模拟相位检波框图(a)乘积型；(b)叠加型第133页/共197页 (1)乘积型相位检波(乘积型鉴相)。为了能够正确地鉴别两个输入信号相位的超前和滞后关系，两个输入信号必须有/2的固定相差。即输入信号 us=Usmsin(st+1)本地信号 u1=U1mcos(st+2)则图8.42(a)所示乘积型鉴相电路的输出电压(8.81)第134页/共197页 它是e的奇函数。e0时，uo0,说明us超前u1;e0时，uo0，说明us滞后u1。输出电压uo与e的关系曲线叫鉴相特性。乘积型鉴相的鉴相特性曲线为正弦形鉴相特性，如图8.43所示。在|e|/6时(8.82)在此范围内，uo与e的关系可近似为线性关系，对应的e变化范围称为线性鉴相范围。乘积型鉴相的线性鉴相范围是/6(或为/3)。第135页/共197页图8.43鉴相特性第136页/共197页 此外，为了衡量输出电压uo对误差相位e的灵敏程度，还要定义一个参量叫鉴相灵敏度或鉴相跨导，用Sp表示。它的定义是(8.83)乘积型鉴相的第137页/共197页 (2)叠加型鉴相。同样，为了正确判别两个信号的相位超前与滞后，输入的两个信号间要有固定的/2相差。为了减少失真，输入的两个信号的大小应相差较大，即必须满足usu1或u1us的条件。若us(t)=Usmsin(st+1),u1(t)=U1mcos(st+2)，且 u1musm，则仿照第5.5节叠加型同步检波的原理可导出(8.84)由于D=Usm/U1m1，所以(8.85)第138页/共197页 2.数字相位检波方法 数字相位检波是利用数字技术实现两个信号的相位比较。周期性信号相位信息是寄载在过零点的位置上的，所以对两个信号过零点的位置进行检测和比较，就可实现相位检波。为了准确提取过零点的信息，首先要把输入信号变换成方波信号，之后再送到数字相位检波电路中进行比相。最简单的数字鉴相方法是用数字逻辑门完成的，用它构成的相位检波电路如图8.44所示。第139页/共197页图8.44异或门比相器第140页/共197页图8.45异或门比相器输出与相位的关系第141页/共197页 由此可画出输出电压uo(t)与e的关系曲线，如图8.46所示。由图可知，鉴相特性为三角波，线性鉴相范围和最大鉴相范围都为，鉴相灵敏度(8.86)图8.46异或门比相器鉴相特性第142页/共197页调频信号的解调方法 调频信号解调又称为频率检波，简称鉴频。它是把调频信号的频率(t)=C+(t)与载波频率C比较，得到频差(t)=mf(t)，从而实现频率检波。在无线电技术中，经常遇到把两个信号的频率进行比较，以判断两个信号频率的异同，或用它们的频率差实现频率的控制。在频率控制系统中，频率检波电路是必不可少的部件。频率检波框图可以用图8.47表示。第143页/共197页图8.47频率检波框图第144页/共197页 利用线性网络变换方法实现频率检波又有两种形式：(1)将调频信号通过一个幅频特性为线性的线性网络，使它变成调频/调幅信号，其振幅的变化正比于频率的变化；之后再用包络检波的方法取出调制信号。这种方法实现的框图如图8.48(a)所示。图8.48(b)是线性变换网络幅频特性H()和相频特性()。由于这种网络可以把频率的变化转化为振幅的变化，所以称它为频率-振幅变换网络。第145页/共197页图8.48斜率鉴频框图及频率振幅转换(a)框图；(b)频率振幅转换第146页/共197页 输入的调频信号 线性变换网络的幅频特性(8.87)k0为幅频特性的斜率。在满足似稳态的条件下，线性变换网络的输出可近似认为是稳态响应，其表示式为(8.88)第147页/共197页 由此可见，这种方法的实质是将调频信号进行微分变换，使其频率的变化转换到振幅上来，如图8.49所示。实际应用中微分网络的带宽必须大于调频信号的带宽，才能保证不失真的解调。简单的RC微分网络往往很难做到。第148页/共197页图8.49用微分网络构成的频率检波框图第149页/共197页 (2)把调频信号通过线性相频特性网络，使其变换成调频/调相信号；附加的相位变化正比于频率变化，之后通过相位检波方法实现频率检波，把这种方法叫做相位鉴频法。它的实现框图如图8.50(a)所示。图8.50(b)是线性变换网络的相频特性()和幅频特性H()。由于这种网络可以实现频率-相位的转换，所以把它叫做频相转换网络。在似稳态条件下，线性变换网络的输出可认为是稳态输出，所以(8.810)若相位检波电路具有线性鉴相特性时，输出电压(8.811)第150页/共197页图8.50相位鉴频框图及频率相位转换(a)原理框图；(b)相频特性和幅频特性第151页/共197页 描述各种鉴频方法质量好坏的指标主要有：鉴频特性、鉴频范围、鉴频灵敏度(或鉴频跨导)。鉴频特性是输出电压uo与输入信号频差之间的关系曲线。鉴频范围同样可分成线性鉴频范围和最大鉴频范围。鉴频特性线性越好，线性鉴频范围越宽，这种鉴频方法越好。鉴频灵敏度Sf是描述输出电压uo对频差的灵敏程度。它的定义是(8.812)第152页/共197页8.9 斜率鉴频电路 限幅电路 限幅电路可分为两类：一类称为硬限幅电路，另一类称为软限幅电路或动态限幅电路。1.硬限幅电路 硬限幅电路的理想限幅特性如图8.51所示。它的表示式为(8.91)第153页/共197页 理想硬限幅器具有放大和限幅的双重功能。放大量为无穷大，限幅是瞬时完成的。这种理想限幅特性很难实现。实际的硬限幅电路的限幅特性如图8.52所示。为了使这种限幅器能近似成理想硬限幅器，通常在限幅前把输入信号幅度放大到足够高的电平值，这样图8.52就具有与图8.51近似的限幅效果。由于这种限幅器能瞬时地把超过限幅电平的部分限幅掉，故称为硬限幅器或瞬时限幅器。第154页/共197页图8.51理想限幅特性第155页/共197页图8.52实际硬限幅特性第156页/共197页 常 用 的 硬 限 幅 器 是 二 极 管 限 幅 电 路，如 图 8.53(a)所 示，图8.53(b)是这种限幅器的限幅特性。图8.53双二极管硬限幅器第157页/共197页 2.软限幅电路 图8.54所示的差分放大器是一个软限幅电路。当输入电压幅度远大于热电压UT(三极管常温下为26mV)时，差分放大器工作在开关状态，集电极电流iC2是一个调频方波。V2管集电极负载为LC并联谐振回路，当它调谐于载波中心频率，带宽大于调频信号带宽时，滤除其他谐波分量，在回路两端得到的就是一个幅度恒定的调频正弦波信号。由于这种方法是通过差分放大器大信号状态工作而实现限幅的，所以称它为软限幅或动态限幅，也有的称它为振幅限幅。第158页/共197页图8.54差分振幅限幅器第159页/共197页集成斜率鉴频器 集成斜率鉴频器电路如图8.55所示。图8.55集成斜率鉴频器第160页/共197页图中输入信号Rs为信源内阻。L1、C1、C2构成线性幅频特性网络。网络的输入信号是u1，输出信号是u2。V1、V2分别构成射极跟随器，以隔离后续电路对线性变换网络的影响。V3晶体管的发射结与电容C3和V5的输入电阻构成峰值包络检波器。V4的发射结与电容C4和V6的输入电阻构成另一个峰值包络检波器。V5、V6构成一级差分放大器。鉴频后的输出电压取自V6的集电极。第161页/共197页 L1C1C2网络是如何完成变换作用的呢?可用图8.56说明。网络输入端AB呈现的阻抗图8.56线性幅频特性网络变换过程第162页/共197页图8.56线性幅频特性网络变换过程第163页/共197页 当输入信号的角频率 时，并联回路呈现感性。若其感抗等于C2所呈现的容抗时，形成串联谐振，串联谐振频率(8.93)第164页/共197页图8.57用LC并联回路做线性幅频特性网络第165页/共197页8.10 相位鉴频器 乘积型相位鉴频器 图8.58是集成的乘积型鉴频器电路。输入信号 经过一级射随器V1，在电阻R1和R2上分压取出电压u1。C1和C、R、L并联回路共同组成频相转换网络。网络的输入电压是u1,输出电压是u2。u2经V2和R4、R5构成的射极输出器，输出电压为u4。V3、V4和V5、V6及V7、V8、V9构成一个三差分乘法器电路。第166页/共197页图8.58乘积型鉴频器第167页/共197页 频相转换网络的工作原理如图8.59所示。窄带工作条件下，频相转换网络的传输系数(8.101)第168页/共197页图8.59频相转换网络的工作原理(a)网络电路；(b)Zi曲线；(c)r曲线第169页/共197页图8.60频相转换第170页/共197页 当取输入信号的载波中心频率C=s时，变换网络的输出电压(8.102)(8.103)第171页/共197页(8.104)(8.105)在r()/6时将式(8.104)、式(8.105)代入式(8.103)可得(8.106)第172页/共197页图8.61乘积型鉴频器鉴频特性第173页/共197页叠加型相位鉴频器 叠加型相位鉴频器电路形式很多，图8.62(a)所示的是电感耦合叠加型相位鉴频器。图中，输入电压晶体管V和集电极调谐回路构成动态限幅器。L1C1并联回路两端得到的是幅度恒定的调频正弦波电压第174页/共197页 L2C2与L1C1组成互感耦合双调谐回路，设计为等频、等Q，即C1=C2=C，L1=L2=L，初级回路的损耗电阻r1和次级回路的损耗电阻r2相等，用r表示。L1与L2之间的互感系数等于M。互感耦合双调谐回路在此起到频相转换网络作用，所以次级回路两端的电压u2就是一个调频/调相信号。u1通过耦合电容C0把上端接在次级电感L2的中点A；u1的下端通过滤波电容交流接地，也等效接在输出端的C点。L3是高频扼流圈，所以又可认为u1加在L3两端，有uABu1。因此，图8.62中第175页/共197页 二极管VD1与RLC组成一个峰值包络检波器，输入电压为uDB，输出电压为uo1。二极管VD2和RLC组成另一个峰值包络检波器，输入电压是uEB，输出电压是uo2。鉴频器总的输出电压uo=uo1-uo2。两个峰值包络检波器构成的是平衡式叠加型相位检波器电路，其等效电路如图8.62(b)所示。第176页/共197页图8.62互感耦合回路相位鉴频器(a)原理电路；(b)等效电路第177页/共197页图8.62互感耦合回路相位鉴频器(a)原理电路；(b)等效电路第178页/共197页 下面首先分析双调谐回路是如何完成频相转换功能的。把双调谐回路的电路再单独画在图8.63(a)上。图8.63互感耦合回路频相转换原理第179页/共197页图8.63互感耦合回路频相转换原理第180页/共197页 初级回路的电流(8.109)(8.1010)第181页/共197页 由此可得互感耦合双调谐回路的电压传输系数幅频特性相频特性(8.1012)(8.1013)(8.1014)第182页/共197页图8.64矢量图说明叠加型鉴频器工作原理(a)=0;(b)0;(c)0第183页/共197页 根据第5.6节的分析，可导出输出电压uo的表示式为(8.1016)(8.1017)(8.1018)(8.1019)第184页/共197页图8.65叠加型鉴频器鉴频特性第185页/共197页 从式(8.1016)可见，当高次方项不可忽略时，就会产生非线性失真。为了减小非线性失真，这种鉴频器只能用于窄带调频信号的解调。上述分析在窄带条件下才能成立，也就是说,鉴频特性仅仅在原点附近才是准确的，偏离原点越远，准确度越小。互感耦合双调谐回路次级反射到初级的阻抗ZC的影响，只有在窄带，高Qe，弱耦合(M很小)的前提下才可以忽略。当耦合加强，工作频率范围展宽时，ZC的影响必须考虑。考虑ZC的影响后鉴频特性的导出，请读者参看有关的书籍。第186页/共197页比例鉴频器 上面介绍的鉴频器输出电压都正比于输入信号的幅度，因此实际应用中都必须配有限幅电路，以保证输入信号幅度的稳定。比例鉴频器具有限幅作用，因此前级可以不用限幅电路。图8.66示出的是一个比例鉴频器电路，与图8.62比较可知，它们的频相转换网络相同，不同的是VD2的极性相反，输出端的电路不同。第187页/共197页 图中C3、C4、R1、R2组成一个桥路，输出电压从桥的两个中点取出。C6是一个大容量的电容，通常都在几十F的量级。时常数(R1+R2)C6很大，一般在0.10.2s以上，远大于低频调制信号的周期。因此，可近似认为C6两端的电压基本不变，保持恒定，其值设为E。由图可见 E=uAB=uC3+uC4=uR1+uR2第188页/共197页图8.66比例鉴频器第189页/共197页 由于R1=R2=R，因此电阻上的电压uR=E/2。输出电压(8.1020)第190页/共197页8.11 脉冲计数式鉴频器 上面介绍的斜率鉴频器和相位鉴频器都适用于窄带调频信号的解调，下面介绍一种适于宽带调频信号解调的方法，叫脉冲计数式鉴频。调频信号的频率信息寄载在已调波过零点的位置上，可利用单位时间内过零点的数目来检测频率的高低。因此首先将调频信号放大、限幅变成调频方波。其次微分，取出过零点的脉冲。第191页/共197页 再用过零点脉冲触发方波产生器，产生出等宽度的脉冲序列信号。由于脉冲序列信号时间分布是随频率的高低而疏密不同的，因此通过低通滤波器就可取出调制信号。这种方法的框图如图8.67(a)所示，相应的各点波形如图8.67(b)所示。第192页/共197页图8.67脉冲计数式鉴频器及各点波形图第193页/共197页图8.67脉冲计数式鉴频器及各点波形图第194页/共197页 设调频信号的频率f(t)=fC+f(t)，相应的周期 等宽度脉冲序列信号的均值其中，A是脉冲幅度，是脉冲宽度。由此可见，输出电压与频率成线性关系。为了保证相邻两个脉冲不重叠，它的宽度不宜过大，必须限制小于最小周期Tmin，即第195页/共197页 反之，若脉冲形成电路产生的最小脉冲宽度为min，则该脉冲计数式鉴频器能够鉴频的最高瞬时频率fmax必须满足第196页/共197页感谢您的观看！第197页/共197页