高频电子线路第7章.ppt

第7章角度调制与解调 7 1角度调制信号分析7 2调频方法7 3变容二极管调频电路7 4其他直接调频电路7 5间接调频电路7 6调频信号的解调7 7相位鉴频器电路 7 1角度调制信号分析 7 1 1调频信号分析 调制信号 载波信号 调频信号的瞬时角频率 其中 1 调频信号的表达式与波形 调频信号的瞬时相位 其中 单频调制情况下的调频信号表达式 调制信号为一般信号 即时的调频信号表达式 单频调制情况下的调频波波形 载波 调制信号 瞬时频率 瞬时相位 波形 调频信号的瞬时频率与调制信号呈线性关系 调频信号的瞬时相位与调制信号的积分呈线性关系 调频信号单位时间内的波形数与调制信号呈线性关系 即调制信号的大小反映到调频信号的波形上就是其波形的疏密程度 调频波中各参数的意义 最大频偏 调制指数与调制信号频率的关系 调频波的傅立叶展开表示 单频调制信号的调频波可以分解为无穷多个间隔为调制信号频率的余弦波的叠加调频波除了载波频率外 还有无穷多个旁频分量 其幅度由调制指数的第一类Bessel函数决定 2 调频信号的频谱 贝塞尔函数的性质 调频波频谱结构 理论上包含无穷多个边频分量各边频分量之间的距离是调制信号频率 F各频率分量的幅度由贝塞尔函数决定 Jn mf 奇次旁频分量的相位相反 J 2n 1 mf J2n 1 mf 包含载波频率分量其幅度小于1 与调制指数有关 J0 mf 调频波频谱结构特点 调频波的频谱结构与调制指数mf关系密切 mf愈大 则具有一定幅度的边频数目愈多 这是调频波频谱的主要特点与标准调幅情况不同 调频波的调制指数可大于1 而且通常应用于大于1的情况对于某些特殊的mf值 载频分量或某次边频分量的幅度可以为零 例如 当mf 2 40 5 52 8 65时 没有载频分量频率调制不是将信号的频谱在频率轴上平移 而是将信号各频率分量进行非线性变换 mf较小时的调频信号频谱 mf较小时 调频信号由三个频率分量构成 载波频率 载波频率与调制信号频率的和频和差频 这种调频称为窄带调频 窄带调频与标准幅度调制的区别 3 调频信号的带宽 调频波所占的带宽 理论上说是无穷宽的 因为它包含有无穷多个频率分量 但实际上 在调制指数一定时 超过某一阶数的贝塞尔函数的值已经相当小 其影响可以忽略 这时则可认为调频波所具有的频带宽度是近似有限的 因此有 mf 1时 称为窄带调频 NBFM 带宽为 mf 1时 称为宽带调频 WBFM 带宽为 调频信号带宽公式 卡森公式 双音调频信号的频谱 当调制信号中含有F1 F2两个频率分量时 FM信号中不但有 c c n 1 c k 2分量 还会有 c n 1 k 2的组合分量 根据分析和经验 当多频调制信号调频时 仍可以用卡森公式来计算FM信号带宽 其中 fm应该用峰值频偏 F和mf用最大调制频率Fmax和对应的mf 4 调频信号的功率 从时域来看 从频域来看 结论 调频波的平均功率与未调载波平均功率相等 当mf由零增加时 已调制的载频功率下降 而分散给其它边频分量 也就是说调制的过程只是进行功率的重新分配 而总功率不变 调频器可以理解为一个功率分配器 它将载波功率分配给每个边频分量 而分配的原则与调频指数mf有关 从Jn mf 曲线可看出 适当选择mf值 可使任一特定频率分量 包括载频及任意边频 达到所要求的那样小 例如mf 2 405时 J0 mf 0 在这种情况下 所有功率都在边频中 7 1 2调相信号分析 调制信号 载波信号 调相波的瞬时相位 其中 调相波 调相波的瞬时频率 调相波的最大频偏 当调制信号为一般信号 即时 调相波的表达式为 调相波带宽 调相波带宽与调制信号频率有关调相波频带宽度在调制信号频率的高端和低端相差很大 所以对频带的利用是不经济的 调相信号的波形图 最大频谱 调制指数与调制信号频率的关系 调频与调相的关系 7 1 3调频信号与调相信号的比较 例 由调制指数得到频谱结构 一个FM调制器的最大频偏为10kHz 调制信号频率为10kHz 载波频率为500kHz 幅度为10V 求最小带宽近似值 幅值 0 1 输出频谱结构图 解 例 由频谱结构确定调制指数 调频波的幅度为1V 频谱结构如下所示 试给出调频波的各参数 载波频率 调制信号频率 带宽及调制指数 在本节结束前 要强调几点 1 角度调制是非线性调制 在单频调制时会出现 c n 分量 在多频调制时还会出现交叉调制 c n 1 k 2 分量 2 调频的频谱结构与mf密切相关 mf大 频带宽 但通常mf大 调频的抗干扰能力也强 因此 mf值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑 对于高质量通信 如调频广播 电视伴音 由于信号强 主要考虑质量 采用宽带调频 mf值选得大 对于一般通信 要考虑接收微弱信号 带宽窄些 噪声影响小 常选用mf较小的调频方式 3 与AM制相比 角调方式的设备利用率高 因其平均功率与最大功率一样 调频制抗干扰性能好 因为它可以利用限幅器去掉寄生调幅 同时 由干扰引起的频偏 fn通常远小于 fm 7 2 1调频方法调频波产生的方法主要有两种 一种是直接调频法 另一种是间接调频法 1 直接调频法这种方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 在直接调频法中 振荡器与调制器合二为一 这种方法的主要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 在许多场合须对载频采取稳频措施或者对晶体振荡器进行直接调频 2 间接调频法这种方法是先将调制信号积分 然后对载波进行调相 如图7 9 a 所示 这种方法也称为阿姆斯特朗 Armstrong 法 间接调频时 调制器与振荡器是分开的 对振荡器影响小 频率稳定度高 但设备较复杂 先将调制信号进行积分处理 再进行调相而得到调频波 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 这种方法主要针对的是窄带的调频或调相信号 对于单音调相信号当mp 12时 上式近似为uPM Ucos ct Umpcos tsin ct 2 可变移相法 可变移相法就是利用调制信号控制移相网络或谐振回路的电抗或电阻元件来实现调相 用这种方法得到的调相波的最大不失真相移mp受谐振回路或相移网络相频特性非线性的限制 一般都在30 以下 为了增大mp 可以采用级联调相电路 3 可变延时法 将载波信号通过一可控延时网络 延时时间 受调制信号控制 即 kdu t 则输出信号为u Ucos c t Ucos ct kd cu t 由此可知 输出信号已变成调相信号了 3 扩大调频器线性频偏的方法最大频偏 fm和调制线性是调频器的两个相互矛盾的指标 如何扩展最大线性频偏是调频器设计的一个关键问题 对于直接调频电路 调制特性的非线性随最大相对频偏 fm fc的增大而增大 当最大相对频偏 fm fc限定时 对于特定的fc fm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 当要求绝对频偏一定 且载波频率较低时 可以在较高的载波频率上实现调频 然后通过混频将载频降下来 而频偏的绝对数值保持不变 3 扩大调频器线性频偏的方法最大频偏 fm和调制线性是调频器的两个相互矛盾的指标 如何扩展最大线性频偏是调频器设计的一个关键问题 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 一般采用先在较低的载波频率上实现调频 然后再通过倍频和混频的方法得到所需的载波频率的最大线性频偏 但当难以制成高频调频器时 可以先在较低的载波频率上实现调频 然后通过倍频将所有频率提高 频偏也提高了相应的倍数 绝对频偏增大了 最后 通过混频将所有频率降低同一绝对数值 使载波频率达到规定值 这种方法产生的宽带调频 WBFM 信号的相位噪声随倍频值的增加而增加 例 在一窄带调频中 晶体振荡器载波频率为200kHz 调制信号频率为100Hz 为了保证线性调频 矢量叠加调相器的调制指数mP取0 144rad 如果发射机要求75kHz的频偏 如何实现载波为90MHz的调频广播 解 一个解决方案 倍频加变频 Armstrong间接调频 72倍频 晶体振荡器 带通滤波器 72倍频 带通滤波器 功率放大器 7 2 2调频电路的调频特性调频器的调制特性称为调频特性 所谓调频 就是输出已调信号的频率 或频偏 随输入信号规律变化 调频特性可以用f t 或 f t 与U 之间的关系曲线表示 称为调频特性曲线 如图所示 对于调频特性的要求如下 1 调制特性线性要好 图7 10曲线的线性度要高 线性范围要大 fm要大 以保证 f t 与u 之间在较宽范围内呈线性关系 2 调制灵敏度要高 调制特性曲线在原点处的斜率就是调频灵敏度kf kf越大 同样的u 值产生的 fm越大 3 载波性能要好 调频的瞬时频率就是以载频fc为中心而变化的 因此 为了防止产生较大的失真 载波频率fc要稳定 此外 载波振荡的幅度要保持恒定 寄生调幅要小 7 3变容二极管直接调频电路 变容二极管调频原理 7 3变容二极管直接调频电路 7 3 1变容二极管 变容管是利用PN结来实现的PN结的电容包括势垒电容和扩散电容两部分变容管利用的是势垒电容 所以PN结是反向偏置的记V 0时变容管的等效电容为C0 为变容指数 它是一个取决于PN结结构和杂质分布情况的系数缓变结变容管 1 3突变结变容管 1 2超突变结变容管 2u 称为接触电位差硅管约为0 7V 锗管约为0 2V 变容二极管在振荡回路中 加在二极管上的电压包括三部分直流偏置电压 UQ调制信号电压 u t 回路振荡电压 vosc t 通常 回路振荡电压幅度较小 可以认为变容管所呈现的电容主要由偏置电压和调制电压决定假定调制信号为单频余弦信号 则加于变容管两端的电压为 电容随调制电压而变化 UQ作用下变容管呈现的电容 称为电容调制度 振荡频率随调制电压而变化 调频灵敏度 调制特性 为了减小非线性失真 应选用超突变结变容管 出现了与调制信号的谐波分量成比例的频率变化 调制特性为线性 1 变容管作为回路总电容接入 7 3 2变容二极管直接调频电路 图变容管线性调频原理 2 变容管作为回路部分电容接入回路在实际应用中 通常 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 Cj与固定电容串 并联后的特性 总之 并联电容可较大地调整Cj值小的区域内的C u特性 串联电容可有效地调整Cj值大的区域内的C u特性 如果原变容管 2 则可以通过串 并联电容的方法 使C u特性在一定偏压范围内接近 2的特性 从而实现线性调频 变容管串 并联电容后 总的C u曲线斜率要下降 因此频偏下降 某变容管调频器的实际电路 图中12 H的电感为高频扼流圈 对高频相当于开路 1000pF电容为高频滤波电容 振荡回路由10pF 15pF 33pF电容 可调电感及变容二极管组成 其交流等效电路如图 b 所示 这是一个电容反馈三点式振荡器线路 两个变容管为反向串联组态 直流偏置同时加至两管正端 调制信号经12 H电感 相当于短路 加至两管负端 所以对直流及调制信号来说 两个变容管是并联的 对高频而言 两个变容管是串联的 总变容管电容 这样 加到每个变容管的高频电压就降低一半 从而可以减弱高频电压对电容的影响 同时 采用反向串联组态 在高频信号的任意半周期内 一个变容管的寄生电容 即前述平均电容 增大 另一个则减小 二者相互抵消 能减弱寄生调制 变容二极管直接调频电路举例 a 实际电路 b 等效电路 加在变容管上的电压 当偏压值较小时 若变容管上高频电压过大 还会使变容管正向导通 正向导通的二极管会改变回路阻抗和Q值 引起寄生调幅 也会引起中心频率不稳 一般应避免在低偏压区工作 7 6调频信号的解调7 6 1鉴频器的性能指标角调波的解调就是从角调波中恢复出原调制信号的过程 调频波的解调电路称为频率检波器或鉴频器 FD 调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器 PD 通常将此变换器的变换特性称为鉴频特性 简称 S 曲线 如图所示 1 鉴频器中心频率2 鉴频器中心带宽 3 线性度4 鉴频跨导 又叫鉴频灵敏度 7 6 2直接鉴频就是直接从调频信号的频率中提取原来调制信号的方法 主要是脉冲计数式鉴频法 7 6 3间接鉴频法就是对调频信号进行不同的变换或处理从而间接地恢复原来调制信号的方法 如波形变换法 锁相环解调 PLLDM 法及调频负反馈解调 FM FBDM 法 正交鉴频法等 根据波形变换的不同特点 鉴频方法可归纳为振幅鉴频法和相位鉴频法两种 1 振幅鉴频法将等幅的调频信号变换成振幅也随瞬时频率变化 既调频又调幅的FM AM波 就可以通过包络检波器解调此调频信号 构成的鉴频器称为振幅鉴频器 a 振幅鉴频器框图 b 变换电路特性振幅鉴频器原理 1 直接时域微分法设调制信号为u f t 调频波为对此式直接微分可得电压u的振幅与瞬时频率 t c kff t 成正比 因此是一个FM AM波 由于 c远大于频偏 包络不会出现负值 2 斜率鉴频器这种利用调谐回路幅频特性倾斜部分对FM波解调的方法称为斜率鉴频 由于在斜率鉴频电路中 利用的是调谐回路的失 离 谐状态 因此又称失 离 谐回路法 图7 30单回路斜率鉴频器 但是 单调谐回路的谐振曲线 其倾斜部分的线性度是较差的 为了扩大线性范围 实际上采用的多是三调谐回路的双离谐平衡鉴频器 如图7 32 a 三个回路的谐振频率分别为f01 fc f02 fc f03 fc 且f02 fc fc f03 输出负载为差动连接 鉴频器输出电压为Uo Uo1 Uo2 Uo波形见图7 33 d 当f fc时 上 下支路输出相等 总输出电压Uo 0 图7 33各点波形 从图看出 它可获得较好的线性响应 失真较小 灵敏度也高于单回路鉴频器 这种电路适用于解调大频偏调频信号 但采用这种电路时 三个回路要调整好 并须尽量对称 否则会引起较大失真 不易调整是该电路的一个缺点 2 相位鉴频法将等幅的调频信号变成相位也随瞬时频率变化的 既调频又调相的FM PM波 把此FM PM波和原来输入的调频信号一起加到鉴相器上 就可以通过鉴相器解调此调频信号 这种鉴频方法称为相位鉴频法 相位鉴频法的关键是相位检波器 相位检波器或鉴相器就是用来检出两个信号之间的相位差 完成相位差 电压变换作用的部件或电路 设输入鉴相器的两个信号分别为 相位鉴频法的原理框图 与调幅信号的同步检波器类似 相位检波器也有叠加型和乘积型之分 相应的相位鉴频器分别称为叠加型相位鉴频器和乘积型相位鉴频器 把它们同时加于鉴相器 鉴相器的输出电压uo是瞬时相位差的函数 即在鉴相时 u1常为输入调相波 其中 1 t 为反映调相波的相位随调制信号规律变化的时间函数 u2为参考信号 在相位鉴频时 u1常为输入调频波 u2是u1通过移相网络后的信号 1 乘积型相位鉴频器在乘积型相位鉴频器中 线性相移网络通常是单谐振回路 或耦合回路 而相位检波器为乘积型鉴相器 如图