第5章角度调制与解调电路3

第5章角度调制与解调电路5.3.1限幅鉴频实现方法概述5.3调频波解调电路5.3.2斜率鉴频电路5.3.3相位鉴频电路5.3调频波解调电路1．概念频率检波(鉴频)：调频波的解调相位检波(鉴相)：调相波的解调2．作用从已调波中检出反映在频率或相位变化上的调制信号。鉴频鉴相采用的方法不尽相同，本章重点讨论调频波的解调——鉴频。3．特点限幅与鉴频一般联用——统称限幅鉴频器。在调频接收机中，因多种原因(如频率特性不均、干扰等)会导致调频信号振幅发生变化。鉴频时，上述寄生调幅会反映在输出解调电压上，产生解调失真。解决办法——在鉴频前加限幅器。5.3.1限幅鉴频实现方法概述一、鉴频电路性能要求1．功能将输入调频信号的瞬时频率变换为相应解调输出电压。2．鉴频特性描述vO随瞬时频偏(f-fc)的变化特性，如图5-3-1所示。图5-3-1鉴频特性3．鉴频跨导鉴频特性原点处的斜率c)(cODffffvS-单位V/Hz。SD越大，鉴频器将输入瞬时频偏变换为输出解调电压的能力越强。4．对鉴频电路性能要求①通频带大于调制信号的最高频率max。在传输视频信号时，还必须满足相位失真和瞬变失真的要求。②大的鉴频跨导SD③满足线性和非线性失真的要求。二、鉴频的实现方法①利用反馈环路(例如锁相环)实现鉴频②利用波形变换——将输入的调频信号进行特定的波形变换，使变换后的波形含有反映瞬时频率变化的平均分量。再通过检波、低通滤波器输出所需的解调电压。(1)斜率鉴频器①将输入调频波通过具有合适频率特性的线性网络，使输出调频波的振幅按照瞬时频率的规律变化。②通过包络检波器输出反映振幅变化的解调电压。图5-3-2斜率鉴频器的实现模型图5-3-15单失谐回路斜率频器(2)相位鉴频器①将输入调频波通过具有合适频率特性的线性网络，使输出调频波的附加相移按照瞬时频率的规律变化。②相位检波器将它与输入调频波的瞬时相位进行比较，检出反映附加相移变化的解调电压。图5-3-3相位鉴频器的实现模型(3)脉冲计数式鉴频器①调频波通过非线性变换网络变成调频等宽脉冲序列。②由低通滤波器输出反映平均分量变化的解调电压。图5-3-4脉冲计数式鉴频器的实现模型四、振幅限幅器作用：将寄生调幅的调频信号变换为等幅的调频信号。图5-3-12振幅限幅器的作用典型电路三极管振幅限幅器差分对振幅限幅器1．三极管振幅限幅器(1)特性：丙类谐振放大器的放大特性。(2)电路：工作在过压状态的谐振功率放大器。图5-3-12振福限幅器的作用5.3.2斜率鉴频电路一、失谐回路斜率鉴频电路1．电路组成①单失谐回路(谐振回路对输入调频波的载波失谐)②二极管包络检波器图5-3-15单失谐回路斜率鉴频器2．工作原理①将载波角频率设在谐振特性曲线倾斜部分中接近直线段的中点(O或O)。②单失谐回路将输入的等幅调频波vS(t)=Vsmcos(ct+Mfsint)变换为幅度反映瞬时频率变化的调幅调频波。③通过包络检波器完成鉴频功能。斜率鉴频器3．扩大鉴频特性范围单失谐回路鉴频器：谐振曲线线性范围小，为扩大鉴频特性范围，多采用双失谐回路构成平衡回路斜率鉴频器。(1)电路图5-3-16双失谐回路斜率鉴频器vO=vAV1-vAV2图5-3-16中，上谐振回路调谐在f01，下谐振回路调谐在f02，它们各自失谐在输入调频波载波频率fc的两侧，并且与fc间隔f相等，即ff01-fc=fc-f02。(2)鉴频特性设A1()、A2()：上、下两谐振回路的幅频特性vO：双失谐回路斜率鉴频器输出解调电压，则vO=vAV1-vAV2=Vsmd[A1()-A2()]可见，当Vsm和d一定时，vO随的变化特性就是两个失谐回路的幅频特性相减后的合成特性。d：上、下两包络检波器的检波电压传输系数(3)讨论合成鉴频特性曲线的线性：①与两失谐回路的幅频特性形状有关；②主要取决于f01和f02的位置。配置恰当，补偿两曲线中的弯曲部分，可获线性范围较大的鉴频特性曲线。图5-3-16双失谐回路斜率鉴频器f过大时，会在fc附近出现弯曲；f过小时，线性段范围不能扩展。可证，若，鉴频特性的线性范围达到最大。为了实现线性鉴频，应限制mBW0.7/4。7.07.01.0π423BWBWf二、集成电路中采用的斜率鉴频器图5-3-17集成电路中广泛采用的斜率鉴频电路1．电路L1C1C2：线性网络，作用：f–V变换，输入调频调幅电压v1(t)，v2(t)；T1T2：射随器；T3T4：三极管包络检波器，输出解调波；T5T6：差分放大器，放大解调电压。2．原理图5-3-18鉴频特性曲线特性曲线如图5-3-18(a)所示。①1，L1C1并联谐振，v1m最大，v2m最小。②2，L1C1C2串联谐振，v1m最小，v2m最大。③合成鉴频特性曲线如图5-3-18(b)所示。vO=A(v1m-v2m)A：增益常数，取决于射随器、检波器、差分放大器。④可调元件L1、C1、C2。5.3.3相位鉴频电路作用：鉴相，用来检出两信号间的相位差，并输出与相位差大小相对应的电压。实现电路叠加型乘积型模拟鉴相器数字鉴相器—由数字电路构成一、乘积型鉴相器1．组成框图图5-3-19乘积型鉴相器相乘器(例如双差分对平衡调制器)+低通滤波器。图5-3-25乘积型相位鉴频电路T3~T9、D6：双差分对平衡调制器、实现乘积型相位鉴频电路。2．工作原理设两个输入信号分别为tVtvcos)(m11)sin()2cos()(2m2m2-tVtVtv除90固定相移外，它们之间的相位差为。则双差分对管输出差值电流(见式4-2-23)为)2)((th)2)((thT2T10VtvVtvIi(5-3-19)(1)V2m26mV，V1m260mV，上式简化为(见式4-2-27))sin()3cos34cos4(2)()(22mT022T0-tVttVItKtvVIi])2sin([sin]]sin)2[sin(214{2])sin(3[cos34cos)sin(4{22mT02mT02mT0--tVVItVVIttttVVI通过低通滤波器，滤除2及其以上各次谐波项，取出有用的平均分量，其值与sin成正比。设双差分对管的直流负载电阻为RC，低通滤波器的传输增益为1，则鉴相器的鉴相特性为(5-3-20)sinsind2mTC0OAVVRIv式中，Ad为鉴相灵敏度，单位为V。ΔsindOAv图5-3-20乘积型鉴相器的鉴相特性当||/12时，sin，vO与成正比。故只能不失真地解调||为小值的调相信号。输入信号引入90的固定相移，目的是获得正弦的鉴相特性，以保证=0时vO=0，且上、下奇对称。(2)当Vlm和V2m均大于260mV近似表示为两个双向开关函数相乘，即T2T102)(th2)(thVtvVtvIi)2()(220-tKtKIi可画出两个开关波形相乘后的波形。通过低通滤波器，得到鉴相器的输出电压为，C0O2RIv为在||/2内的一条通过原点的直线，并向两侧周期性重复。3．实现电路(1)电路图5-3-25乘积型相位鉴频电路T1：射随器，将一路信号vS分为大小两路：大：接T7，作用：保证T7、T8为开关状态。小：经频相转换网络接T3~T6，为相乘器小信号输入电压。T3~T9、D6：双差分对平衡调制器，实现乘积型鉴相。频相转换网络D1~D5：T2及双差分对偏置电路。(2)频相转换网络①电路(a)(b)图5-3-26单谐振回路作为相频转换网络参见图5-3-26(a)。将输入电压源变换为电流源，如图5-3-26(b)所示，其中，。则该网络就是在激励下的单谐振回路。1V111jVCI1I②输出电压ξRCVξRIVj1jj11112在0附近，网络的增益A(j)可近似表示为ξRCξRCVVAj1jj1j)j(10112或(5-3-25)arctan2)(1)(A210-，ξRCAξRCξRCVVAj1jj1j)j(10112或(5-3-25)arctan2)(1)(A210-，ξRCA式中，定义为广义失谐量，其中00e00e2)(--QQRCCLRLRQCCL)()(110e10，③幅频特性和相频特性曲线可根据式(5-3-25)画出，如图5-3-26所示。图5-3-26(3)鉴频特性设频相转换网络谐振频率0c。电路中射随器T1和T2的增益近似为1，则v1(t)的振幅V1m近似等于输入调频信号vs(t)的振幅Vsm，v2(t)的振幅V2m(1/10)A()Vsm。(A()为频相转移网络增益)根据vOAdsin，在双差分对管单端输出时，鉴频器的输出解调电压为(5-3-27)AsmTC0A2mCT0OΔsin)(20Δsin2AVVRIVRVIv式中，A=arctan(5-3-20)sinsind2mTC0OAVVRIv根据上式画鉴频特性曲线，如图5-3-27所示。图5-3-27鉴频特性曲线图5-3-27中，虚线是假设A()为恒值时画出的特性，而实线则是按A()的变化进行修正后画出的实际特性。可见，当广义失谐量向正、负方向增大时，由于A()下降，实际特性出现正、负两个峰值，而后便近似按A()的规律单调下降。若arctan限制在/12，即||0.27时，由可近似认为，，　　arctan2)(1)(A210-ξRCAA()A(0)=0C1R00eA222---Q若输入调频信号的瞬时角率(t)c(t)，且0=c，代入上式，则ceA)(2tQ因而，由式(5-3-27)，可得)(Δ)](12)[((20)(20)(dce10smTC0A0smTC0OtAtQRCVVRIAVVRItv式中，鉴相灵敏度。实现了线性鉴频。smTe1C0d0π1VVQRCRIA二、叠加型鉴相器图5-3-23叠加型鉴相器电路1．原理电路由两个包络检波器叠加后组成的叠加型鉴相器。2．工作原理加到上、下包络检波器的输入信号电压分别为vi1(t)=v1(t)+v2(t)，vi2(t)=v1(t)-v2(t)假设v1(t)=V1mcost，v2(t)=V2msin(t+)，则根据矢量叠加原理，vi1(t)和vi2(t)可分别表示为：vi1(t)=Vm+(t)cos[t-1(t)]vi2(t)=Vm-(t)cos[t+2(t)]其中，Δsin2)(2m1m22m2m1mVVVVtVΔsin2)(2m1m2m22m1mVVVVtV--可见，合成电压的振幅Vm+(t)和Vm-(t)均与有关，但它们之间的关系是非线性的。)sincosarctan()(2m1m2m1VVVt)sincosarctan()(2m1m2m2-VVVt3．解调电压输出若包络检波器的检波电压传输系数为d，则鉴相器的输出电压为])sin1()sin1[()()(21212m22m1dmmdAV2AV1O-----KKVVtVtVvvv])sin1()sin1[()()(21212m22m1dmmdAV2AV1O-----KKVVtVtVvvv式中，21m2m1m2m2m22m12m1m)/(1/22VVVVVVVVK以Ksin为变量，将上式用幂级数展开---32!3)2)(1(!2)1(1)1(xnnnxnnnxxn])Δsin1()Δsin1[(21212m22m1dO