高频电子线路课程设计--鉴频器设计

高频电子线路课程设计说明书 学院名称： 计算机与信息工程学院 班级名称： 通信 14 学生姓名： 学 号： 题 目： 鉴频器设计 指导教师 姓 名： 起止日期： 高频电子线路课程设计任务书 学 院 计算机与信息工程学院 专 业 通信工程 课程名称 高频电子线路 题 目 鉴频器设计 完成期限 自 2017 年 6 月 12 日至 2017 年 6 月 25 日共 2 周 内 容 及 任 务 一、项目的目的 通过查阅相关资料，设计一个鉴频器系统，达到对调频信号的解调的功能，同时满足非线性失真小，噪声门限低要求。从而提升对于高频电子线路的知识，培养动手操作，团队协作能力。 二、项目任务的主要内容和要求 相关器件特性及功能； 计及验证实验双失谐斜率鉴频器电路； 三、项目设计思路 学习双失谐斜率鉴频电路 基本工作原理 ； 时进行验证； 四、具体成果形式和要求 进 度 安 排 起止日期 工作内容 阅相关资料，明确设计任务 建仿真电路，完成电路设计 善电路系统，撰写设计报告 主 要 参 考 资 料 高频电子线路 M人民邮电出版社 , 2013. 高频电子技术 M北京理工大学出版社 , 2008. 高频电路原理与分析 M西安电子科技大学出 版社 , 2017. 高频电子线路（第五版） M高等教育出版社 , 2009. 指导教师 意见 （签字）： 年 月 日 系（教研室）主任意见 （签字）： 年 月 日 1 第一部分：正文部分 一、选题背景 高频电子线路本身就是各种无线通信系统的核心，在信号的产生、发射、传输及接收过程中，都具有及其重要作用。随着信息时代的发展，信息技术日新月异，高频电子技术显得更为重要。各种无线通信都需要更新新的技术，新的器件，高频电子线路课程为这些新的技术，新的器件打下更好的基础。因此通过该设计能够提升对鉴频器电路具体实现原理及工作过程的掌握。鉴频器是使输出电压和输入信号频率相对应的电路。按用途可分为两类。第一类用于调频信号的解调，常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等。对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。 第二类用于频率误差测量，如用在自动频率控制环路中产生误差信号的鉴频器。对这类电路的零点漂移限制较严，对非线性失真和噪声门限则要求不高。 实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类，第一类是调频 调幅调频变换型。这种类型是先通过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波，然后用振幅检波器进行振幅检波。第二类是相移乘法鉴频型。这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系，然后将调相调频波与原调频波进行相位比较，通过低通滤波器取出解调信号。因为相 位比较器通常用乘法器组成，所以称为相移乘法鉴频。第三类是脉冲均值型。这种类型是把调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频信号瞬时频率相同的单极性等幅脉冲序列，然后通过低通滤波器取出脉冲序列的平均值，这就恢复出与瞬时频率变化成正比的信号。 众所周知 ,调制解调方面，鉴频器有着至关重要的作用，通过分析及计算并实现鉴频器电路可以作为信号解调系统的组成部分，从而提高设计者鉴频器电路系统的设计能力。 二、方案论证 调频信号解调又称为频率检波，是从调频波中取出原调制信号，即输出电压与输入信号的瞬时频率偏移成正比，又称为 鉴频器，简称鉴频。它是把调频信号的频率 )()( 与载波频率c比较，得到频差 )()( ，从而实现频率检波。 2 本设计主要的特性参数有：中频带宽 35频带宽 40频带宽 30用实现鉴频器电路方式有脉冲鉴频器、斜率鉴频器和相位鉴频器。这里逐一展开讨论。 冲鉴频器 冲鉴频器工作原理 脉冲计数式鉴频器 的 电路模型如图 2示 。 图 2 冲计数式鉴频器 调频信号瞬时频率的变化，直接表现为单位时间内调频信号过零值点 (简称过零点 )的疏密变化，如图 2示。调频信号每周期，有两个过零点，由负变为正的过零点称为 正过零点 ，如 01、 03、 05 等，由正变为负的过零点称为 “ 负过零点 ” ， 02、 04、 06 等。如果在调频信号的每一个正过零点处由电路产生一个振幅为 宽度为 的单极性矩形脉冲，这样就把调频信号转换成了重复频率与调频信号的瞬时频率相同的单向矩形脉冲序列。这时单位时间内矩形脉冲的数目就反映了调频波的瞬时频率，该脉冲序列振 幅的平均值能直接反映单位时间内矩形脉冲的数目。脉冲个数越多，平均分量越大，脉冲个数越少，平均分量越小。因此实际应用时，不需要对脉冲直接计数，而只需用一个低通滤波器取出这一反映单位时间内脉冲个数的平均分量，就能实现鉴频。 图 2频信号变换成单向矩形脉冲序列 u FM u 1 u 2 u 3 u 4限幅放大 微 分 半波整流 单 稳 低通滤波 u 0 20 30 40 50 60 70 8脉冲序列U 调频信号通过变换电路得到一个矩形脉冲序列，并让这一脉冲序列通过传输系数为 低通滤波器进行滤波，则滤波后的输出电压 0 式中， 示一个周期内脉冲振幅的平均值； 是脉冲宽度； 脉冲振幅；低通滤波器的传输系数； f 是重复频率，也就是调频信号的瞬时频率； T 是重复周期。 由 上 式可知，滤波后输出电压与调制信号的瞬时频率 冲计数式鉴频器的优点是线性好，频带宽，易于集成化 ， 一般能工作在 10右，是一种应用较广泛的鉴频器。 冲鉴频器主要特性及优缺点 脉冲鉴频器一般工作在 10一种应用较为广泛的鉴频器。脉冲计数鉴频器的优点是线性好、频带宽、易于集成化。 率鉴频器 率鉴频器工作原理 斜率鉴频器 是 利用频幅转换网络将调频信号转换成调频 后再经过检波电路取出原调制信号，这种方法称为斜率鉴频，因为在线性解调范围内，解调信号电压与调频信号瞬时频率之间的比值和频幅转换网络特性曲线的斜率成正比。斜率鉴频 的 电路模型如图 2 图 2率鉴频器模型 在斜率鉴频电路中，频幅转换网络通常采用 波电路通常采用差分检波电路或二极管包络检波电路。 (1)单失谐回路斜率鉴频器 单失谐回路斜率鉴频器电路原理如图 2中虚线左边采用简单的并联失谐回路，实际上它起着时域微分器的作用；右边是二极管包络检波器，通过它检出调制信号电压。 u s ( t ) 线性网络（频率- 包络检波器 u o ( t )4 图 2失谐回路鉴频原理电路 当输入调频信号为 时，通过起着频幅变换作用的时域微分器 (并联失谐回路 )后，其输出为 )s i ns i n ()co s( )s i s (10102 式中，微分器频率特性 ，后通过二极管包络检波器，得到需要的调制信号。 所谓单失谐回路，是指该并联回路对输入调频波的中心频率是失谐的。在应用时，为了获得线性鉴频特性，总是使输入调频波c ，工作在联回路幅频特性曲线上接近于直线段线性部分的中点上，见图 2-5(a)中 点。这样，单失谐回路就可将输入的等幅调频波变换成幅度按频率变化的调频波后通过二极管包络检波器，得到需要的调制信号 ，如图 2-5(b)所示。 图 2失谐回路斜率鉴频器 C 3C 4C 5R 1R 2 5 由于单失谐回路的幅频特性曲线倾斜部分的线性很差，所以这种鉴频器的非线性失真严重，其线性鉴频范围很窄。为了扩展线性范围，可采用双失谐回路鉴频器。 (2)双失谐回路斜率鉴频器 斜率鉴频由两个谐振回路和包络检波组成，输入回路谐振于已调波的载波频率，次级回路的两个谐振回路分别谐振于，双失谐鉴频器的输出是取两个包络检波之差。适用于较大频偏情况，目前主要应用于要求失真很小的微波多路通信接收机中。实际工作时，为了保证工作的线性范围，应调整 01 、 02 使于 01 - 02大于调频波最大频偏 m 的两倍，且 01 ， 02 关于 0 对称。双失谐斜率鉴频器电路结构图如图 2 图 2失谐斜率鉴频器电路结构图 率鉴频器主要特性及优缺点 斜率鉴频器可以解决元器件的非线性原因引起的线性范围小的问题， 此电路失真较小，工作频带宽，灵敏度较高。 双失谐鉴频器的输出是取两个带通响应之差，即该鉴频器的传输特性或鉴频特性，可获得较好的线性响应，失真较小，灵敏度也高于回路鉴频器。这种电路适用于解调大频偏的调频信号。但采用这种电路时，三个回路要调整好，并须尽量对称，否则会引起较大的失真。不易调整是该电路的一个缺点。 频器 位 鉴频器 工作 原理 相位鉴频器有乘积型相位鉴频器和叠加型相位鉴频器两种。鉴相器有多种实现电路。大体上可以归纳为数字鉴相器和模拟鉴相器两大类。数字鉴相器由数字6 电路构成。模拟鉴相器广泛用于相位鉴频器中，这类鉴相器又可分为乘积型和叠加型两种鉴相器。采用乘积型鉴相器构成相位鉴频器的称为乘积型相位鉴频器，采用叠加型鉴相器构成相位鉴频器的称为叠加型相位鉴频器 ， 电路模型如图 2 图 2位鉴频器模型 它由两部分组成：第一部分先将输入等幅调频波通过线性网络（频率 行变换，使调频波的瞬时频率变化转换为附加相移的变化，即进行 二部分利用相位检波器检出所需要的调制信号。相位鉴频器的关键是找到一个线性的频率 面将从这方面讨论，然后讨论乘积型相位检波器。 (1)频率 频率 谐振回路、耦合回路或其它 2-8(a)所示为电路中常采用的频相转换网络。这个电路是由一个电容 谐振回路 图 2率 网络 对于实现频率 求移相特性曲线在 ，并且在 1 附近特性曲线近似为直线。只有当输入调幅的瞬时频率偏移最大值 m 比较小时，变换网络才可不失真地完成频率 相位变换。 02 (2)乘积型相位鉴频器 乘积型相位鉴频器实现模型方框图如图 2示。不难看出，在频率 乘器和低通滤波器构成），便可构成乘积型相位鉴频器。还可看出，只需将鉴相特性公式中的 用 上 式代替，即可U ( ) 0 ( )A ( ) ,A ( )2( a ) ( b )u s ( t ) 线性网络（频率位） 相位检波器 u o ( t )7 获得相应的鉴频特性公式，这里不再讨论。 图 2积型相位鉴频器实现模型 位鉴频器主要特性及优缺点 相位鉴频器是模拟调频信号解调的一种最基本的解调电路，它具有鉴频灵敏度高，解调线性好等优点。缺点是在实际中由于元器件的非线性原因，其线性范围很小。 较 结果 通过对上述鉴频器电路分析，将相位鉴频器、脉冲鉴频器和斜率鉴频器三个方案进行对比，斜率鉴频器电路由于具有线性范围大，失真小，工作带宽高，灵敏度高等特点，而双失谐斜率鉴频器对比单失谐斜率鉴频器，工作带宽更高，线性度更好，更能够满足设计的主要特性需求。所以经过对比和对方案的可行性进行分析，本设计采用双失谐斜率鉴频器方案。 三、过程论述 要器件的选择 双失谐回路鉴频器中回路 5 设电容 C=10 f = 2 其中 = 1， L=两个相同的电感代替，均为 振回路 B 中， 联回路中，电容为可变电容，设电感为 谐振频率为 30，可变电容值为 选择 5p 可变电容，将其调到所需电容值 路 0感也为 算得可变电容值为 5可变电容，将其调到电容值为 他参数均可自行设置，其中三极管的上拉电阻不宜太大，否则易造成波形失真，本电路中选择 510的电相位检波器u s ( t ) 线性网络（频率- - 相位） 相乘器u o ( t )低通滤波器8 阻。 失谐斜率鉴频器电路基本结构 图 3是由三个调谐回路组成的调频 级回路谐振于调频信号的中心频率，其通带较宽。次级两个回路的谐振频率分别为 01 、 02 ，使 01 、 02 与 c成对称失谐 ， 即 。 图 3失谐鉴频器原理图 图 3双失谐回路鉴频器的幅频特性，其中实线表示第一个回路的幅频特性，虚线表示第二个回路的幅频特性，这两个幅频特性对于 c 是对称的。当输入调频信号的频率为 c 时，两个次级回路输出电压幅度相等，经检波后输出电压为 002010 图 3失谐回路鉴频器的特性 当输入调频信号的频率由 c 向升高的方向偏离时， 路输出电压大，而 路输出电压小，则经检波后 0201 ，则 002010 当输入调频波信号的频率由 c 向降低方向偏离时， 路输出电压大， 路输出o u ou o c V 29 电压小，经检波后 0201 ，则 002010 失谐斜率鉴频器电路设计实现 图 3某微波通信机采用的双失谐回路鉴频器的实际电路，它的谐振频率是 350频信号经两个共基放大器分别加到上、下两个回路上，而两个回路的连接点与检波电容一起接地。这与前面电路不同。由于接地点改变，输出电压 从检波器电阻中间取出，它是由检波电流 1I 和 2I 决定的。因为检波二极管 2 的方向是相反的，所以 定于两个检波电流之差。 图 3失谐回路鉴频器的实用电路 四、结果分析 双失谐斜率鉴频器的输入调频波的波形如图 4 、1 8 4入调频波的波形 输入端的调频波经过模块一后，调频波变换为调频 输出波形如图4调频信号为等幅的调频波，波形仅有疏密之别，经过变换电路后波形振幅不等，形成包络。 图 4频 在经过模块二，即二极管包络检波器检波后，输出所需的原调制信号，得到的仿真波形如图 4 图 4失谐回路鉴频器输出的原调制信号波形图 将原输入的调频波与经双失谐回路鉴频器鉴频之后输出的原调制信号进行对比，其仿真波形如图 4 11 图 4通过图 4以看出原信号经过双失谐斜率鉴频器解调可以将原信号在调制后的波形解调出来，从而完成鉴频器解调的功能 。 在仿真过程中若改变调制信号幅度，则鉴频器输出信号幅度亦会随之变大，但信号幅度过大时，输出将会出现失真。当改变调制信号的频率，鉴频器输出频率也随之变化。 五、结论 通过此次课程设计，学习了 几种 鉴频器基本原理，掌握了几种鉴频器实现的方法，如 ： 斜率鉴频器，脉冲计数鉴频器，相位鉴频器的基本工作原理，掌握鉴频器电路主要特性参数，对比脉冲计数鉴频器、相位鉴频器、斜率鉴频器等电路优缺点，最终选择双失谐斜率鉴频器来完成此次课程设计。并通过仿真实现了一个基于双失谐斜率鉴频器的电路。主要的收获有以下 两点。 第一 ,本次课程设计首先对高频电路原理与分析课程得到了复习与应用