频率调制与解调-2

第7章频率调制与解调第7章频率调制与解调7.1调频信号分析7.2调频器与调频方法7.3调频电路7.4鉴频器与鉴频方法7.5鉴频电路7.6调频收发信机及特殊电路7.7调频多重广播第7章频率调制与解调7.2调频器与调频方法7.2.1调频器•实现调频的电路或部件称为调频器(频率调制器)或调频电路。•对调频器的要求有调制性能和载波性能：（1）调制特性线性要好。（2）调制灵敏度要高。（3）载波性能要好。（4）最大频偏要满足要求，并且在保证线性度的条件下要尽可能地大一些，以提高线性范围。第7章频率调制与解调图7―10调频特性曲线U0f第7章频率调制与解调7.2.2调频方法1．直接调频法•一般是用调制电压直接控制振荡器的振荡频率,使振荡频率f(t)按调制电压的规律变化。•若被控制的是LC振荡器,则只需控制振荡回路的某个元件(L或C),使其参数随调制电压变化,就可达到直接调频的目的。•优点是在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏，其主要缺点是频率稳定度差。第7章频率调制与解调•间接调频时，调制器与振荡器是分开的，载波振荡器可以具有较高的频率稳定度和准确度，但较为复杂。•实现间接调频的关键是如何进行相位调制。通常,实现相位调制的方法有如下三种:(1）矢量合成法。针对的是窄带的调频或调相信号。对于单音调相信号：uPM=Ucos(ωct+mpcosΩt)=Ucosωctcos(mpcosΩt)-Usin(mpcosΩt)sinωct当mp≤π/12时,上式近似为uPM≈Ucosωct-UmpcosΩtsinωct（7―20）2．间接调频法第7章频率调制与解调图7―11矢量合成法调f(t)放大器∑＋－cosctAMf(t)放大器∑＋－cosctPMsinct/2(a)(b)f(t)∑＋－cosctFMsinct/2(c)－＋第7章频率调制与解调(2）可变移相法。•利用调制信号控制移相网络或谐振回路的电抗或电阻件来实现调相。(3）可变延时法。•将载波信号通过一可控延时网络,延时时间τ受调制信号控制,即τ=kduΩ(t)则输出信号为u=Ucosωc(t-τ)=Ucos［ωct-kdωcuΩ(t)］输出信号已变成调相信号了。第7章频率调制与解调3.扩大调频器线性频偏的方法•对于直接调频电路,调制特性的非线性随最大相对频偏Δfm/fc的增大而增大。•当最大相对频偏Δfm/fc限定时,对于特定的fc,Δfm也就被限定了,其值与调制频率的大小无关。•如果在较高的载波频率上实现调频，则在相对频偏一定的条件下，可以获得较大的绝对频偏。•采用间接调频时，受到非线性限制的不是相对频偏也不是绝对频偏、而是最大相偏。第7章频率调制与解调7.3调频电路7.3.1直接调频电路1.变容二极管直接调频电路1)变容二极管调频原理其结电容Cj与在其两端所加反偏电压u之间存在着如下关系:0(1)jCCuu（7―21）第7章频率调制与解调图7―12变容管的Cj～u曲线0Cj＝2＝1/3＝1/2u/V(a)0Cj/pFu/V(b)2060402468第7章频率调制与解调静态工作点为EQ时,变容二极管结电容为0(1)jQQCCCEu（7―22）设在变容二极管上加的调制信号电压为uΩ(t)=UΩcosΩt,则()cosQQuEutEUt（7―23）第7章频率调制与解调将式（7―23）代入式（7―21）,得000cos(1)co1(1)(s1cos()())(1cos)QjQQQQQQQCCEUtuCuECEuUtEuuEUtuuECEtum(7―24)第7章频率调制与解调2)变容二极管直接调频性能分析（1）Cj为回路总电容。•图7―13为一变容二极管直接调频电路,Cj作为回路总电容接入回路。图7-13（b）是图7―13（a）振荡回路的简化高频电路。由此可知,若变容管上加uΩ(t),就会使得Cj随时间变化（时变电容）,如图7―14(a)所示,此时振荡频率为/2/211()(1cos)(1cos)cjQtmtmtLCLC（7―25）第7章频率调制与解调图7―13变容管作为回路总电容全部接入回路Rb2Rb1ReEcCcLCcVD＋－uEQCbLcCjL(a)(b)Cc/2/211()(1cos)(1cos)cjQtmtmtLCLC第7章频率调制与解调在上式中,若γ=2,则得：()(1cos)()cctmtt（7―26）一般情况下,γ≠2,将式（7―25）可以展开成幂级数222221()[1cos(1)cos]22!22()(1)cos(1)cos282282coscos2ccoccccmmtmtmttmtmtttm忽略高次项：振荡频率随时间变化的曲线如图7―14(b)所示。/2/211()(1cos)(1cos)cjQtmtmtLCLC第7章频率调制与解调图7―14变容管线性调频原理oCjCQtuoCjt(a)off0tCoft(b)off0toft(c)uEQCQEQ第7章频率调制与解调调频灵敏度可以通过调制特性或式（7―27）求出。根据调频灵敏度的定义,有222mcccffQQmkSUUEuE（7―29）二次谐波失真系数可用下式求出:221(1)42mfmKm(7―28)第7章频率调制与解调图7―15加在变容管上的电压0Cj直流偏置点高频电压低频调制信号u第7章频率调制与解调特点•Cj作为回路总电容的直接调频电路中，输出频偏大，调制灵敏度高。•调频振荡器的中心频率由CQ直接决定，而CQ随温度、电源电压的变化而变化，会造成振荡频率稳定度下降。•荡回路的高频电压完全作用于变容管上，使变容管的结电容受到直流偏置电压、调制电压和振荡高频电压的共同控制。变容管的电容值应由每个高频周期内的平均电容来确定。会产生寄生电容。第7章频率调制与解调图7―16变容管等效电容随高频电压振幅和偏压的变化(a）Ｃj随U1变化曲线;（b）Cj随EＱ变化曲线Cj/pF353025201510500.50.71.01.52.0U1/VCj/pF40251574321.522.54EQ/V2.5568910203035678910U1＝1.5V1V0.5V(a)(b)EQ＝2V2.6V2.7V3V3.3V3.5V4V4.5V5V6V第7章频率调制与解调（2）Cj作为回路部分电容接入回路。•在实际应用中,通常γ≠2,Cj作为回路总电容将会使调频特性出现非线性,输出信号的频率稳定度也将下降。•通常利用对变容二极管串联或并联电容的方法来调整回路总电容C与电压u之间的特性。第7章频率调制与解调•图7―17就是变容管部分接入回路的情况。这样,回路的总电容为221122212(1co(1cos)(1cos)s)jQjQQQCCCCmtCCCCCCCCCCCmtmCt（7―30）图7―17部分接入的振荡回路LC1C2Cj第7章频率调制与解调振荡频率为221222221()(1coscos)coscos222ccccctAmtAmtAAmAmtmt式中21212222111221()231(1)18421(1)(1)cQQCCLCCCApAppppppppp第7章频率调制与解调11221221()coscos2220.52ccQmcQAAftmfmAtmtCCfAmfmfpCppCm部分接入适合频偏较小的情况，瞬时频通常最大频偏为移：：从式（7―32）可以看出,当Cj部分接入时,其最大频偏为（7―33）第7章频率调制与解调图7―18Cj与固定电容串、并联后的特性C/pF7060502010510.10.5125u/V①②③C1CjC2第7章频率调制与解调图7―16（a）实际电路;（b）等效电路1000pF4.3k10k1k12H3AG80D10pF15pF15pF输出12H33pFL1000pF20H1000pF1000pF－12V2×2CC1E12H调制信号输入偏置电压33pFL15pF10pF(a)(b)1000pF第7章频率调制与解调2.晶体振荡器直接调频电路•变容二极管（对LC振荡器）直接调频电路的中心频率稳定度较差。•为得到高稳定度调频信号,须采取稳频措施,如增加自动频率微调电路或锁相环路。稳频的简单方法是直接对晶体振荡器调频。第7章频率调制与解调图7―20（a）实际电路;（b）交流等效电路调制信号R3CjR4R2C2C1R5C3R1R6输出EcC2CjC1(a)(b)第7章频率调制与解调图7―20（a）为变容二极管对晶体振荡器直接调频电路,图（b）为其交流等效电路。•此电路为并联型晶振皮尔斯电路,其稳定度高于密勒电路。其中,变容二极管相当于晶体振荡器中的微调电容,它与C1、C2的串联等效电容作为石英谐振器的负载电容CL。此电路的振荡频率为10[1]2()qqLCffCC（7―34）第7章频率调制与解调CeEc(a)C1C2C3(b)C1VCEB＋－C2Ub.gmUb.′C3CqLqrqC011231111110(1)2eLLqqqLoqLoXCCCCCCCppffCCCCC其中：皮尔斯振荡器的工作频率应由C1、C2、C3及晶体构成的回路决定,第7章频率调制与解调3.张弛振荡器直接调频电路•调制信号控制恒流源发生器,当调制信号为零时,恒流源输出电流为I;当有调制电压时,输出电流为I+ΔI(t),ΔI(t)与调制信号成正比。图7―21三角波调频方框图恒流源发生器反相器调制电压积分器电压比较器－IIabus调频三角波uTI压控开关第7章频率调制与解调图7―22电压比较器的迟滞特性和输入、输出波形uT(a)UminUmaxus0U1U20uTU2U1t0usUmaxUmint(b)恒流源发生器反相器调制电压积分器电压比较器－IIabus调频三角波uTI压控开关第7章频率调制与解调7.3.2间接调频电路1、回路参数移相电路•图7―24是一个变容二极管调相电路。将受调制信号控制的变容管作为振荡回路的一个元件。Lc1、Lc2为高频扼流圈,分别防止高频信号进入直流电源及调制信号源中。高Q并联振荡电路的电压、电流间相移为2arctan()ofQf（7―35）第7章频率调制与解调图7―24单回路变容管调相器高频振荡输入Rb2Rb1Lc1VReCeLC1CVDR2R1EcC3Lc2C2调相信号输出调制信号输入第7章频率调制与解调当Δφ＜π/6时,tanφ≈φ,上式简化为设输入调制信号为UΩcosΩt,其瞬时频偏(此处为回路谐振频率的偏移)为02fQf（7―36）1cos2cosofmftpQmtp当Δφ＜π/6时,tanφ≈φ,上式简化为（7―37）2arctan()ofQf（7―35）第7章频率调制与解调2、RC网络移相电路第7章频率调制与解调图7―25三级回路级联的移相器接下级放大管4703pF22k1pF0.00222k0.00222k1pF0.00247ku47k8V5pF第7章频率调制与解调3、可变时延法调相电路第7章频率调制与解调比较器输出的脉冲就是时延受已积分的调制信号电压调变的调相脉冲，它和载波脉冲之间的时延差为:0()dAFdkutkn；为锯齿波电压变化的斜率。由此产生的相位偏移为：