通信电路原理 第10章mhy2

1第十章角度调制与解调§10-1调角信号及其频谱[1]§10-2变容管直接调频[1]§10-3其他类型直接调频[3]§10-4调相法(间接调频)[2]§10-5调角信号解调概述[1]§10-6失谐回路鉴频器[1]§10-7集成差动峰值鉴频器[2]§10-8正交鉴频器[1]§10-9锁相调频与鉴频[1]§10-10限幅器[2]2mf0()c()ostctKvvtVtdtf00(())()ttctdttdttKvtmfmax()Kvt最大角频偏mfmax()2fKvt最大频偏(t)=C+Kfv(t)§10-11、调频波：瞬时频率按调制信号的规律变化3•调频波的调制指数通常大于1，称为宽带调频。调制指数与频偏成正比，与调制频率成反比。fmmmaxmaxmaxmax()2fKvtfmFF调频指数Fmax为调制信号带宽(或最高频率）4调频波的主要性质•瞬时频率按调制信号的规律变化•瞬时相位按调制信号的时间积分值规律变化•调频波的幅度为常数'f0m'()cos()tctKvttvtVdpms))((cocttvtKVvFMPM5设调制信号v(t)=Vmcost(t)=C+KfVmcostC的偏移量Δm最大角频率偏移Δm与无关最大频率偏移Δfm=Δm/(2π)=KfVm/(2π)单音：6KfVm=Ct+———sint瞬时相位最大相偏，与成反比调频指数表达式：v(t)=Vmcos(Ct+mfsint)tdttt00)()(00令：mf调频波是载波振幅始终保持不变的疏密波7pms))((cocttvtKVvp()()cdvttKdtppmax()Kvt2、调相波瞬时相位调制信号pppmax()mKvt瞬时频率最大相偏调相指数调相波表达式(t)=Ct+KPv(t)8(t)=Ct+KPV(t)设调制信号：v(t)=Vmcost=Ct+KPVmcostmP最大相偏，与无关调相指数(t)=CmPsintΔm与成正比v(t)=Vmcos(Ct+mPcost)单音：92.调角信号的频谱FM、PM波的数学表示式是相似的，统一写成调角波表示式，只考虑单音情况)sincos()(tmtVtvcm利用三角函数展开和贝塞尔函数理论分析（略）10不不)(时时时时时时单音调制11分析已调信号的频谱结构主要看它的谱线成分、谱线幅度以及它的带宽。1)调角波的频谱不是调制信号频谱的简单搬移，而是由载波分量和无数对边频分量组成。边频与载波分量相隔都是调制频率的整数倍。mm2)载波分量和各边频分量的振幅都与有关，已调波具有较大振幅的边频分量就越多，或有效边频数越多。越大，3）趋势：越远离载频，边频分量越小。4)对某些m值，载波或一些边频分量的振幅为零。调频波的频谱结构有以下特点：12三、调角信号的频谱宽度1)窄带调制m1,m很小，近似：cos(sin)1mtsin(sin)sinmtmt窄带调角信号的频谱与AM波频谱相似。（略）2)宽带调制m1频谱是无限宽的，但当边频幅度小于载频的10%时（有的规定为1%），可近似忽略这些边频。因此，实际调角信号所占的有效频谱宽度是有限的。当m1时，m+1以上各阶频谱的幅度均小于未调载波幅度10%，因而忽略。132F有效频谱宽度为：2(1)2()HzmBWmFfF以上讨论的是单音调制情况。实际上，调制信号中包括很多频率分量，设最高频率Fmax，则fmaxmax2(1)2()FMmBWmFfF14单音情况下，FM与PM的比较：当增加时,调频:fff2(1)mFMKVmBWmF变化不大减小，；调相:ppPMp2(1)ΩmmKVBWmFF不，与正比例增加.变FMPM()2(1)BWmF、但但15FM与AM调制方式的比较：1.抗干扰、噪声能力：FM可通过限幅、预加重与去加重技术提高抗噪声性能；可采用高发射效率的丙类功放。FM抗干扰与噪声能力优于调幅波.2.信号频谱及带宽、频带利用率：设调制信号的带宽为F，调制指数为m(m1)FBW2=AMFM2(1)BWmFmf越大，调频波占用的有效频带也越宽，因此，其抗干扰性能是以增加信道有效带宽为代价的。同时，因处理更高频率，FM对器件、电路要求更高。16实现频率调制的方法与电路•实现方法：直接调频、间接调频、锁相调频1、直接调频•直接调频就是直接使振荡器的频率随调制信号成线性关系变化。例如，在一个由LC回路决定振荡频率的振荡器中，将一个可变电抗元件接入回路，使可变电抗元件的电抗值随调制电压而变化。即可使振荡器的振荡频率随调制信号而变化。如：变容二极管直接调频电路•优点：易于得到比较大的频偏•缺点：中心频率的稳定度不易做得很高17间接调频—用调相实现调频2、间接调频•利用调频波与调相波之间的关系：•先将调制信号进行积分处理，再进行调相而得到调频波，其方框如下图所示•优点：载波中心频率稳定度较好（振荡器没有直接受调）。])(cos[)(00dvKtVtvftFccmFM])(cos[)(01tvKtVtvfpccmPM缺点：受调相线性限制，频偏小。18§10-2变容管直接调频[1]一、变容二极管特性(图10-2p311)•变容管是利用半导体PN结的势垒电容随反向电压变化制成的一种二极管•变容管PN结必须反向偏置19•V为变容管两端加的电压，V=0时变容管的等效电容为•变容指数为，它是一个取决于PN结的结构和杂质分布情况的系数–缓变结变容管，其=1/3；–突变结变容管，其=1/2；–超突变结变容管，其=2。0(1)CCV0VC0C0C为势垒电位差，硅管约为0.7V，锗管约为0.2V20二、变容二极管作为振荡回路总电容•变容二极管作为振荡回路总电容的调频原理分析：振荡器的振荡频率由该回路决定。为变容二极管的电容)1(0VCCcBcosmVVVtcCcLCf21Q12cfLCfc为不加调制信号时的振荡频率，也即振荡器的中心频率。回路的谐振频率也即振荡器的振荡频率为21(a)Cj为总电容(b)Cj为部分电容22三、变容二极管的调频电路•变容二极管的调频电路组成：LC振荡器（一般三点式）＋变容管控制电路•变容管控制电路：偏置电压（反偏）电路、将调制信号有效加至变容管上的电路•变容管控制电路原则：不影响振荡器的正常工作。振荡信号也不影响控制电路•电路中常常采用高频扼流圈及隔直电容、滤波电容23例90MHz调频电路2490MHz调频电路的高频等效电路25背靠背变容二极管调频电路100K输出26电路中几个电感的作用：振荡回路中的电感与C3、C2、C5、D1、D2构成选频网络决定频率，并为晶体管提供直流通路；：高频扼流圈，与一起为晶体管提供直流偏置通路，对高频开路，降低对振荡回路的影响；：高频扼流圈，为变容管提供直流偏置，在振荡频率点上开路；：高频扼流圈，为两个变容管提供直流通路，为调制信号提供通路，在振荡频率点上开路，阻断调制信号源及偏置电阻对振荡回路的影响，阻断振荡信号对调制信号源的影响；：高频扼流圈，和C7、C8共同构成电源滤波，阻断电源干扰对振荡回路的影响，同时阻断振荡信号进入电源L3pL1pL321,,RRR3R4pL2pL27背靠背变容二极管调制电路的特点电路特点：•两个变容二极管同极性对接，称为背靠背联接。•对振荡信号，两只变容管是串联的，每个变容管上所加有的振荡电压仅为谐振回路两端电压的一半。•背靠背联接可改善寄生调幅。当加于变容管两端振荡电压幅度较大时，变容管可能工作于导通状态，这将降低回路的Q值。产生寄生调幅。•对从B-B’端加入的直流偏置电压和调制电压两只变容管相当于并联。两管所处的偏置点和受调状态是相同的。•总电容变化范围减小，频偏减小，线性好。L1D2D3C5CA'A2C1D2D'BB28例：画出变容管直流通路、调制通路、调频电路的高频等效电路。29例3（a）高频等效电路(b)变容管的直流通路（c）变容管的调制信号通路30调频波的解调就是从调频信号中恢复出原调制信号。输入调频信号的瞬时频率变换为相应的解调输出电压（或电流）。通常把调频波的解调称鉴频，把调频波的解调电路称为鉴频器。§10-5调角信号解调[1]31调频波的解调方法•解调方法5、锁相鉴频－利用锁相环路实现解调（性能最好）。1、脉冲计数式鉴频－利用调频波的过零信息实现解调。3、乘积型正交鉴频－频相转换＋乘积型鉴相器。即调频波通过一线性网络使频率变化规律变成附加的相位变化，然后鉴相。－－集成电路中广泛使用的方法。4、叠加型正交鉴频－频相转换＋叠加型鉴相器采用耦合回路实现频相转换，再矢量相加变为调幅─调频波，然后进行幅度检波。(略）2、斜率鉴频－调频波通过一线性网络使频率变化规律转移到幅度变化上，输出一调频-调幅波，然后进行包络检波。321、脉冲计数式鉴频器•脉冲计数式鉴频－－利用调频波的过零信息实现解调•调频波的频率是随调制信号变化的，在相同的时间间隔内过零点的数目将不同。当瞬时频率高时，过零点的数目就多，瞬时频率低时，过零点的数目就少。利用调频波的这个特点，可以实现解调。（1）.延时法形成脉冲计数式鉴频电路（2）.单稳态触发器形成脉冲式电路33单稳态触发器形成脉冲式电路●框图放大限幅微分整流单稳低通滤波调频波输入低频输出u(t)u1u2u3u4uΩ●调频脉冲序列的形成调频波经限幅放大后微分，得到双极性尖脉冲，经半波整流去掉正极性（或负极性）脉冲，整流后的脉冲触发单稳态电路，得到等幅等宽的调频脉冲序列。34●波形35脉冲计数式鉴频器（续）•每个过零点形成一个脉冲，并将每个脉冲展宽成相同的脉冲宽度。•脉冲序列通过低通滤波器，取出其平均分量。或脉冲序列送入一个脉冲计数器计数，计数值也就反映了调制信号的大小。•优点是线性范围大，易集成，但其工作频率不能太高，一般不超10MHz。原因是调频脉冲序列中两个相邻脉冲不能重叠•可用数字方式实现36斜率鉴频器原理框图§10-6失谐回路鉴频器[1]37调频波如何变换为调频－调幅波•由傅立叶变换的微分特性得20()()cdvtvtAdt传递函数的幅频特性为线性、相频特性为恒值的线性网络是一个理想的微分网络。)(])([jFjdttdvFcc11()cos(sin)mcfvtVtmt201()[cos(sin)]mcfdvtAVtmtdt0101[(cos)]sin(sin)[(cos)]cos(sin)2mcmcfmcmcfAVttmtAVttmt这是一个调幅－调频波，其幅度随瞬时频率变化，而调频波的瞬时频率变化规律与原调频信号相同，只是初始相位增加了。238单失谐回路的微分特性•单失谐回路具有微分特性FMiDv频-幅转换网络包络检波附近c10：回路谐振频率：输入调频波的载频c幅频特性近似为线性，具有微分功能。39斜率鉴频器电路•单失谐回路＋包络检波器构成的斜率鉴频器。（1）图中、、构成谐振回路，对调频波失谐，实现调频波到调幅─调频波的变换。（2）D、、构成二极管峰值包络检波器，完成幅度检波。单失谐回路斜率鉴频器电路1R1L1C2R2C单失谐回路鉴频器电路简单，但线性范围很小。40图10-20p32441§10-8正交鉴频器（鉴相器乘积型）•构成：频相转换网络＋乘积型鉴相器•工作原理–调频波延时或移相，使其相位变化规律与调制信号变化规律基本相同，调频波调频－调相波–相位检波（两信号相乘）－－将调频信号与其延时（或移相）后的信号相乘。•这种方案多用于集成电路鉴频器中0t42正交鉴频器中的延时或相移网络延时网络（频相转换网络）幅频与相频特性)(110CCL回路调谐在输入调频波的中心频率上即1v在