第5章角度调制与解调电路3

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1、第第 5 章角度调制与解调电路章角度调制与解调电路5.3.1限幅鉴频实现方法概述限幅鉴频实现方法概述5.3调频波解调电路调频波解调电路5.3.2斜率鉴频电路斜率鉴频电路5.3.3相位鉴频电路相位鉴频电路5.3调频波解调电路调频波解调电路1概念概念频率检波频率检波(鉴频鉴频)：调频波的解调：调频波的解调相位检波相位检波(鉴相鉴相)：调相波的解调：调相波的解调2作用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。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解调鉴频鉴频。3特点特点限幅与鉴频一

2、般联用限幅与鉴频一般联用统称统称限幅鉴频器限幅鉴频器。在调频接收机中，因多种原因在调频接收机中，因多种原因(如频率特性不均、干扰如频率特性不均、干扰等等)会导致调频信号振幅发生变化。鉴频时，上述寄生调幅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。会反映在输出解调电压上，产生解调失真。解决办法解决办法在鉴频前加限幅器。在鉴频前加限幅器。5.3.1限幅鉴频实现方法概述限幅鉴频实现方法概述一、鉴频电路性能要求一、鉴频电路性能要求1功能功能 将输入调频信号的瞬时频率变换为相应解调输出电压。将输入调频信号的瞬时频率变换为相应解调输出电压。2鉴频特性鉴频特性 描述

3、描述 vO 随瞬时频偏随瞬时频偏(f -fc)的变的变化特性，化特性，如图如图 5-3-1 所示所示。图图 5-3-1鉴频特性鉴频特性3鉴频跨导鉴频跨导鉴频特性原点处的斜率鉴频特性原点处的斜率c)(cODffffvS-单位单位 V/Hz。SD 越大，鉴频器将输入瞬时频偏越大，鉴频器将输入瞬时频偏变换为输出解调电压的能力越强。变换为输出解调电压的能力越强。4对鉴频电路性能要求对鉴频电路性能要求 通频带大于调制信号的最高频率通频带大于调制信号的最高频率 max。在传输视频。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。信号时，还必须满足相位失真和瞬变失真的要求。大的鉴频跨导大的鉴频跨导 S

4、D 满足线性和非线性失真的要求。满足线性和非线性失真的要求。二、鉴频的实现方法二、鉴频的实现方法 利用反馈环路利用反馈环路(例如锁相环例如锁相环)实现鉴频实现鉴频 利用波形变换利用波形变换 将输入的调频信号进行特定的将输入的调频信号进行特定的波波形变换形变换，使变换后的波形含有反映瞬时频率变化的平均分，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。量。再通过检波、低通滤波器输出所需的解调电压。(1)斜率鉴频器斜率鉴频器 将输入调频波通过具有合适频率特性的将输入调频波通过具有合适频率特性的线性网络线性网络，使输出调频波的使输出调频波的振幅振幅按照瞬时频率

5、的规律变化按照瞬时频率的规律变化。通过通过包络检波器包络检波器输出反映振幅变化的解调电压。输出反映振幅变化的解调电压。图图 5-3-2斜率鉴频器的实现模型斜率鉴频器的实现模型图图 5-3-15单失谐回路斜率频器单失谐回路斜率频器(2)相位鉴频器相位鉴频器 将输入调频波通过具有合适频率特性的线性网络，使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输出调频波的附加相移相移按照瞬时频率的规律变化按照瞬时频率的规律变化。相位检波器相位检波器将它与输入调频波的瞬时相位进行比较，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。检出反映附加相移变化的解调电压。图图 5-

6、3-3相位鉴频器的实现模型相位鉴频器的实现模型(3)脉冲计数式鉴频器脉冲计数式鉴频器 调频波通过调频波通过非线性变换网络非线性变换网络变成变成调频等宽调频等宽脉冲序列。脉冲序列。由低通滤波器输出反映平均分量变化的解调电压。由低通滤波器输出反映平均分量变化的解调电压。图图 5-3-4脉冲计数式鉴频器的实现模型脉冲计数式鉴频器的实现模型四、振幅限幅器四、振幅限幅器 作用：将寄生作用：将寄生调幅调幅的调频信号变换为的调频信号变换为等幅等幅的调频信号。的调频信号。图图 5-3-12振幅限幅器的作用振幅限幅器的作用 典型电路典型电路三极管振幅限幅器三极管振幅限幅器差分对振幅限幅器差分对振幅限幅器1三极管

7、振幅限幅器三极管振幅限幅器(1)特性特性：丙类谐振放大器的放大特性。丙类谐振放大器的放大特性。(2)电路电路：工作在过压状态的谐振功率放大器。工作在过压状态的谐振功率放大器。图图 5-3-12振福限幅器的作用振福限幅器的作用5.3.2斜率鉴频电路斜率鉴频电路一、失谐回路斜率鉴频电路一、失谐回路斜率鉴频电路1电路组成电路组成 单失谐回路单失谐回路(谐振回路对谐振回路对输入调频波的载波失谐输入调频波的载波失谐)二极管包络检波器二极管包络检波器图图 5-3-15单失谐回路斜率鉴频器单失谐回路斜率鉴频器2工作原理工作原理 将载波角频率设在谐将载波角频率设在谐振特性曲线倾斜部分中接近振特性曲线倾斜部分中

8、接近直线段的中点直线段的中点(O 或或 O )。单失谐回路将输入的单失谐回路将输入的等幅等幅调频波调频波 vS(t)=Vsmcos(ct+Mfsin t)变换为幅度反映瞬时频率变化的变换为幅度反映瞬时频率变化的调幅调幅调频波。调频波。通过包络检波器完成鉴频功能。通过包络检波器完成鉴频功能。斜率鉴频器斜率鉴频器3扩大鉴频特性范围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特性范围，多采用双失谐回路构成平衡回路斜率鉴频器平衡回路斜率鉴频器。(1)电路电路图图 5-3-16双失谐回路斜率鉴频器双失谐回路

9、斜率鉴频器vO=vA V1-vA V2图图 5-3-16 中，上谐振回路调谐在中，上谐振回路调谐在 f01，下谐振回路调谐，下谐振回路调谐在在 f02，它们各自失谐在输入调频波载波频率，它们各自失谐在输入调频波载波频率 fc 的两侧，并且的两侧，并且与与 fc 间隔间隔 f 相等，即相等，即 f f01-fc=fc-f02。(2)鉴频特性鉴频特性设设 A1()、A2()：上、下两谐振回路的幅频特性上、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，则双失谐回路斜率鉴频器输出解调电压，则vO=vA V1-vA V2=Vsm dA1()-A2()可见，当可见，当 Vsm 和和 d 一

10、定时，一定时，vO 随随 的变化特性就是两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。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：上、下两包络检波器的检波电压传输系数(3)讨论讨论合成鉴频特性曲线的线性：合成鉴频特性曲线的线性：与与两失谐回路的幅频特性形状有关；两失谐回路的幅频特性形状有关；主要取决于主要取决于 f01 和和 f02 的位置。配的位置。配置恰当，补偿两曲线中的弯曲部分，可置恰当，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。获线性范围较大的鉴频特性曲线。图图 5-3-16双失谐回路斜率鉴频器双失谐回路斜率鉴频器 f 过大时

11、，会在过大时，会在 fc 附近出现弯曲；附近出现弯曲；f 过小时，线性段过小时，线性段范围不能扩展。范围不能扩展。可证，若可证，若 ，鉴频特性的线性范，鉴频特性的线性范围达到最大。为了实现线性鉴频，应限制围达到最大。为了实现线性鉴频，应限制 m BW0.7/4 。7.07.01.0423BWBWf 二、集成电路中采用的斜率鉴频器二、集成电路中采用的斜率鉴频器图图 5-3-17集成电路中广泛采用的集成电路中广泛采用的斜率鉴频电路斜率鉴频电路1电路电路L1C1C2：线性网络，：线性网络，作用：作用：f V 变换，输入调变换，输入调频调幅电压频调幅电压 v1(t)，v2(t)；T1T2：射随器；：射

12、随器；T3T4：三极管包络检：三极管包络检波器，输出解调波；波器，输出解调波；T5T6：差分放大器，：差分放大器，放大解调电压。放大解调电压。2原理原理图图 5-3-18鉴频特性曲线鉴频特性曲线 特性曲线特性曲线如图如图 5-3-18(a)所示。所示。1，L1C1并联谐振，并联谐振，v1m 最最大，大，v2m 最小。最小。2，L1C1C2串联谐振，串联谐振，v1m 最小，最小，v2m 最大。最大。合成鉴频特性曲线合成鉴频特性曲线如图如图 5-3-18(b)所示所示。vO=A(v1m-v2m)A：增益常数，取决于射随器、检：增益常数，取决于射随器、检波器、差分放大器。波器、差分放大器。可调元件可

13、调元件 L1、C1、C2。5.3.3相位鉴频电路相位鉴频电路作用作用：鉴相，用来检出两信号间的相位差，并输出与：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。相位差大小相对应的电压。实现电路实现电路叠加型叠加型乘积型乘积型模拟鉴相器模拟鉴相器数字鉴相器数字鉴相器由数字电路构成由数字电路构成一、乘积型鉴相器一、乘积型鉴相器1组成框图组成框图图图 5-3-19乘积型鉴相器乘积型鉴相器相乘器相乘器(例如双差分对平衡调制器例如双差分对平衡调制器)+低通滤波器。低通滤波器。图图 5-3-25乘积型相位鉴频电路乘积型相位鉴频电路T3 T9、D6：双差分对平衡双差分对平衡调制器、实现调制器

14、、实现乘积型相位鉴乘积型相位鉴频电路。频电路。2工作原理工作原理设两个输入信号分别为设两个输入信号分别为tVtv cos)(m11)sin()2cos()(2m2m2 -tVtVtv除除 90 固定相移外，它们之间的固定相移外，它们之间的相位差相位差为为 。则双差。则双差分对管输出差值电流分对管输出差值电流(见式见式 4-2-23)为为)2)(th)2)(thT2T10VtvVtvIi (5-3-19)(1)V2m 260 mV，上式简化为，上式简化为(见式见式 4-2-27)sin()3cos34cos4(2)()(22mT022T0 -tVttVItKtvVIi)2sin(sinsin)2

15、sin(2142)sin(3cos34cos)sin(422mT02mT02mT0 -tVVItVVIttttVVI通过低通滤波器，滤除通过低通滤波器，滤除 2 及其以上各次谐波项，取出及其以上各次谐波项，取出有用的平均分量，其值与有用的平均分量，其值与 sin 成正比。成正比。设双差分对管的直流负载电阻为设双差分对管的直流负载电阻为 RC，低通滤波器的传，低通滤波器的传输增益为输增益为 1，则鉴相器的鉴相特性为，则鉴相器的鉴相特性为(5-3-20)sinsind2mTC0OAVVRIv式中，式中，Ad 为为鉴相灵敏度鉴相灵敏度，单位为，单位为 V。sindOAv 图图 5-3-20乘积型鉴相

16、器的鉴相特性乘积型鉴相器的鉴相特性当当|/12 时时，sin ，vO 与与 成正比。故只能不失真地解成正比。故只能不失真地解调调|为小值的调相信号。为小值的调相信号。输入信号引入输入信号引入 90 的固定相移，目的固定相移，目的是获得正弦的鉴相特性，以保证的是获得正弦的鉴相特性，以保证 =0 时时 vO=0，且上、下奇对称。，且上、下奇对称。(2)当当 Vlm 和和 V2m 均大于均大于 260 mV近似表示为两个双向开关函数相乘，近似表示为两个双向开关函数相乘，即即T2T102)(th2)(thVtvVtvIi )2()(220 -tKtKIi 可画出两个开关波形相乘后的波形。可画出两个开关

17、波形相乘后的波形。通过低通滤波器，得到鉴相器的通过低通滤波器，得到鉴相器的输出电压为输出电压为 ，C0O2RIv为在为在|/2 内的一条通过原内的一条通过原点的直线，并向两侧周期性重复。点的直线，并向两侧周期性重复。3实现电路实现电路(1)电路电路图图 5-3-25乘积型相位鉴频电路乘积型相位鉴频电路T1：射随器，将一路信号：射随器，将一路信号 vS 分为大小两路：分为大小两路：大：接大：接 T7，作用：保证，作用：保证 T7、T8 为开关状态。为开关状态。小：经小：经频相转换网络频相转换网络接接 T3 T6，为相乘器，为相乘器小信号输入电压。小信号输入电压。T3 T9、D6：双差分对平衡调制

18、器，实现：双差分对平衡调制器，实现乘积型鉴相。乘积型鉴相。频相转频相转换网络换网络D1 D5：T2及 双 差 分 对及 双 差 分 对偏置电路。偏置电路。(2)频相转换网络频相转换网络 电路电路(a)(b)图图 5-3-26单谐振回路作为相频转换网络单谐振回路作为相频转换网络参见参见图图 5-3-26(a)。将输。将输入电压源入电压源 变换为电流源，变换为电流源，如图如图 5-3-26(b)所示，其中，所示，其中，。则该网络就是在激励下的单谐振回路。则该网络就是在激励下的单谐振回路。1V111jVCI 1I 输出电压输出电压 RCVRIVj1jj11112 在在 0 0 附近，网络的增益附近，

19、网络的增益 A A(j)可近似表示为可近似表示为RCRCVVAj1jj1j)j(10112 或或(5-3-25)arctan2)(1)(A210-，RCARCRCVVAj1jj1j)j(10112 或或(5-3-25)arctan2)(1)(A210-，RCA式中，定义为式中，定义为广义失谐量广义失谐量，其中，其中00e00e2)(-QQRCCLRLRQCCL)()(110e10 ，幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性曲线可根据曲线可根据式式(5-3-25)画出，画出，如图如图 5-3-26 所示所示。图图 5-3-26(3)鉴频特性鉴频特性 设频相转换网络谐振频率设频相转换网络谐振频率 0

20、c。电路中射随器电路中射随器 T1 和和 T2 的增益近似为的增益近似为 1 1，则，则 v1(t)的振幅的振幅 V1m 近似等于输入调频信近似等于输入调频信号号 vs(t)的振幅的振幅 Vsm ，v2(t)的振幅的振幅 V2m (1/10)A()Vsm。(A(A()为频相转移网络增益为频相转移网络增益)根据根据 vO Adsin ，在双差分对管单端输出时，鉴频器，在双差分对管单端输出时，鉴频器的输出解调电压为的输出解调电压为(5-3-27)AsmTC0A2mCT0Osin)(20sin2 AVVRIVRVIv 式中，式中，A=arctan(5-3-20)sinsind2mTC0OAVVRIv

21、根据上式画鉴频特性曲线，根据上式画鉴频特性曲线，如图如图 5-3-27 所示所示。图图 5-3-27鉴频特性曲线鉴频特性曲线图图 5-3-27 中，虚线是假设中，虚线是假设 A A()为恒值时画出的特性，而实线则是按为恒值时画出的特性，而实线则是按 A A()的变化进行修正后画出的实际特的变化进行修正后画出的实际特性。性。可见，当可见，当广义失谐量广义失谐量 向正、负向正、负方向增大时，由于方向增大时，由于 A A()下降，实际特下降，实际特性出现正、负两个峰值，而后便近似性出现正、负两个峰值，而后便近似按按 A A()的规律单调下降。的规律单调下降。若若 arctan 限制在限制在 /12

22、，即，即|0.27 时，时，由由可近似认为可近似认为，arctan2)(1)(A210-RCAA()A(0)=0C1R00eA222 -Q 若输入调频信号的瞬时角率若输入调频信号的瞬时角率 (t)c (t)，且，且 0=c，代入上式，则，代入上式，则 ceA)(2 tQ 因而，因而，由由式式(5-3-27)，可得，可得)()(12)(20)(20)(dce10smTC0A0smTC0OtAtQRCVVRIAVVRItv 式中，式中，鉴相灵敏度鉴相灵敏度。实现了线性鉴频。实现了线性鉴频。smTe1C0d01VVQRCRIA 二、叠加型鉴相器二、叠加型鉴相器图图 5-3-23叠加型鉴相器电路叠加型

23、鉴相器电路1原理电路原理电路由两个包络检波器叠加后由两个包络检波器叠加后组成的组成的叠加型鉴相器叠加型鉴相器。2工作原理工作原理加到上、下包络检波器的加到上、下包络检波器的输入信号电压分别为输入信号电压分别为vi1(t)=v1(t)+v2(t)，vi2(t)=v1(t)-v2(t)假设假设 v1(t)=V1mcos t，v2(t)=V2msin(t +)，则根据，则根据矢矢量叠加量叠加原理，原理，vi1(t)和和 vi2(t)可可分别表示为：分别表示为：vi1(t)=Vm+(t)cos t-1(t)vi2(t)=Vm-(t)cos t+2(t)其中，其中，sin2)(2m1m22m2m1mVV

24、VVtV sin2)(2m1m2m22m1mVVVVtV-可 见，合 成 电 压 的 振 幅可 见，合 成 电 压 的 振 幅Vm+(t)和和 Vm-(t)均与均与 有关有关，但它们之间的关系是非线性的。但它们之间的关系是非线性的。)sincosarctan()(2m1m2m1 VVVt)sincosarctan()(2m1m2m2 -VVVt 3 3解调电压输出解调电压输出 若若包络检波器的检波电压传输系数为包络检波器的检波电压传输系数为 d，则鉴相器的输，则鉴相器的输出电压为出电压为 )sin1()sin1()()(21212m22m1dmmdAV2AV1O -KKVVtVtVvvv )s

25、in1()sin1()()(21212m22m1dmmdAV2AV1O -KKVVtVtVvvv式中，式中，21m2m1m2m2m22m12m1m)/(1/22VVVVVVVVK 以以 Ksin 为变量，将上式用幂级数为变量，将上式用幂级数展开展开 -32!3)2)(1(!2)1(1)1(xnnnxnnnxxn)sin1()sin1(21212m22m1dO KKVVv-)sin(81sin32m22m1d -KKVV当当 Ksin 为小量时，为小量时，Ksin 的三次方及其以上各次的三次方及其以上各次方项可忽略，上式简化为方项可忽略，上式简化为(5-3-23)sin2m22m1dOKVVv呈

26、正弦鉴相特性。呈正弦鉴相特性。4实际电路实际电路(1)电路电路图图 5-3-28耦合回路叠加型相位鉴频器电路耦合回路叠加型相位鉴频器电路 频相转换网络：频相转换网络：L1C1 和和 L2C2，互感耦合双调谐回路。，互感耦合双调谐回路。C0 ：隔直电容，对输入信号频率呈短路。隔直电容，对输入信号频率呈短路。L3 ：高频扼流圈，高频阻抗很大，接近开路，而对平高频扼流圈，高频阻抗很大，接近开路，而对平均分量接近短路，为包络检波器提供通路。均分量接近短路，为包络检波器提供通路。图图 5-3-28耦合回路叠加型相位鉴频器电路耦合回路叠加型相位鉴频器电路(2)原理原理 两个输入信号叠加后加到包络检波器而构

27、成的两个输入信号叠加后加到包络检波器而构成的叠加型鉴叠加型鉴相器相器。1 路：调频信号路：调频信号 vS(t)经经 T、一次回路、一次回路 L1C1 上产生电压上产生电压v1(t)，通过互感耦合在二次回路，通过互感耦合在二次回路 L2C2 上产生电压上产生电压 v2(t)。2 路：路：v1(t)又通过又通过 C0 、高扼圈、高扼圈 L3 和滤波电容和滤波电容 C 通地，通地，形成闭合回路，在这个回路中，形成闭合回路，在这个回路中，v1(t)几乎全部加到几乎全部加到 L3 上。上。图图 5-3-28耦合回路叠加型相位鉴频器电路耦合回路叠加型相位鉴频器电路实际加到上、下包络检波器的输入电压分别为实

28、际加到上、下包络检波器的输入电压分别为 v1(t)+v2(t)/2 和和 v1(t)-v2(t)/2。符合。符合叠加型相位检波器对输入电叠加型相位检波器对输入电压的要求。压的要求。(3)幅频、相频特性幅频、相频特性可证，频相转换网络的幅频、相频特性可证，频相转换网络的幅频、相频特性 arctan2)(1)(A2-，A(5-3-32)00e0e)(2 -QrLrLQ，图图 5-3-29互感耦合回路互感耦合回路(4)解调电压解调电压 根据叠加型鉴相器的鉴相特性根据叠加型鉴相器的鉴相特性 sin2m22m1dOKVVv (5-3-23)解调电压为解调电压为A22m2m1dOsin)2/(KVVv 式中，式中，)(arctan)(411/1m2mA21m2m1m2m AVVVVVVK-，(5)鉴频特性曲线鉴频特性曲线 图图 5-3-30叠加型鉴频特性曲线叠加型鉴频特性曲线如图如图 5-3-30 所示所示 。虚虚线为线为 V2m 为恒值为恒值时的特性。时的特性。实实线是按线是按 V2m V1mA()修正修正后画出的实际特性。后画出的实际特性。