第7章频率调制与解调(改)

1、高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 第第7章章 频率调制与解调频率调制与解调 7.1 调频信号分析调频信号分析 7.2 调频器与调频方法调频器与调频方法 7.3 调频电路调频电路 7.4 鉴频器与鉴频方法鉴频器与鉴频方法 7.5 鉴频电路鉴频电路 7.6 调频收发信机及特殊电路调频收发信机及特殊电路 7.7 调频多重广播调频多重广播 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 7.1 调频信号分析调频信号分析 ( )( )( )cos ccfcm ttk utt 7.1.1 调频信号的参数与波形 设调制信号为单一频率信号u(t)=Ucost,未调 载波电压为uC=UCcosct,则根据

2、频率调制的定义,调频信 号的瞬时角频率为 它是在c的基础上,增加了与u(t)成正比的频率偏移。式中kf 为比例常数。调频信号的瞬时相位(t)是瞬时角频率(t)对 时间的积分,即 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 式中,0为信号的起始角频率。为了分析方便,不妨 设0=0,则式（72）变为 0 0 ( )( ) t td （72） 0 ( )( )sinsin( ) t m ccfc tdtttmtt 式中， 为调频指数。FM波的表示式为 m f m sin ( )cos(sin)Re f e jmt jt FMCcfC utUtmtU ee 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调

3、图71 调频波波形 t0 t0 u (a) (b) t0 (t) (c) c m t0 (d) IFM(t) t (t) 0 2 4 Tc2Tc mf (t) c (e) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图72 调频波fm、mf与F的关系 F fm mf 0 fm mf 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 7.1.2 调频波的频谱 1调频波的展开式 因为式（74）中的 是周期为2/的周期 性时间函数,可以将它展开为傅氏级数,其基波角频率为 ,即 sin f jmt e sin () f jmt jn t nf n eJme （75） 式中Jn(mf)是宗数为mf的n阶第一类

4、贝塞尔函数, 它可以用无穷级数进行计算: 2 0 ( 1) () 2 () !()! fnnm nf m m Jm m nm （76） 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 它随mf变化的曲线如图73所示,并具有以下特性: Jn(mf)=J-n(mf), n为偶数 Jn(mf)=-J-n(mf), n为奇数 因而,调频波的级数展开式为 () ( )Re() ()cos() c jt n t FMCnf n Cnfc n utUJme UJmnt （77） 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图73 第一类贝塞尔函数曲线 0123456789101112 0.4 0.2 0 0.2

5、 0.4 0.6 0.8 1.0 Jn(mf) J0 J1 J2 J3 J4J5 J6 J7J8J9J10 mf 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 2调频波的频谱结构和特点 将上式进一步展开,有 uFM(t)=UCJ0(mf)cosct+J1(mf)cos(c+)t -J1(mf)cos(c-)t+J2(mf)cos(c+2)t +J2(mf)cos(c-2)t+J3(mf)cos(c+3)t -J3(mf)cos(c-3)t+ （78） 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图74 单频调制时FM波的振幅谱 （a）为常数;（b）m为常数 c m f 1 c m f 1 m f

6、 2 c c m f 2 c m f 5 c m f 10 Q c m f 15 m f 5 c m f 10 m f 20 c c (a )(b ) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图75 调频信号的矢量表示 0载波 0载波 合成矢量 0 合成矢量 (a) AM情况 (b) NBFM情况 mfsin t 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图76 |n(mf)|0.01时的n/mf曲线 mf n/mf 0 1 2 3 4 48121620 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 以载波fc为中心，由无穷多对以调制频率F为间隔的边频分 量组成，各分量幅值取决于Besse

7、l函数，且以fc对称分布。 载波分量并不总是最大，有时为零。 FM信号的功率大部分集中在载频附近。 频谱结构与mf有密切关系。 在F一定时，fm mf 有影响的边频数量增加 频谱展宽 在fm 一定时，F mf 有影响的边频数量增加 主要频谱宽度基本不变。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 7.1.3 调频波的信号带宽 通常采用的准则是,信号的频带宽度应包括幅度大 于未调载波1%以上的边频分量,即 |Jn(mf)| 0.01 由图可见,当mf很大时,n/mf趋近于1。因此当mf1时, 应将n=mf的边频包括在频带内,此时带宽为 Bs=2nF=2mfF=2fm （79） 当mf很小时,如

8、mf0.5,为窄频带调频,此时 Bs=2F （710） 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 对于一般情况,带宽为 Bs=2(mf+1)F=2(fm+F) （711） 更准确的调频波带宽计算公式为 2(1) sff BmmF（712） 当调制信号不是单一频率时,由于调频是非线性 过 程,其频谱要复杂得多。比如有F1、F2两个调制频率, 则根据式(7-7)可写出 1122 (sinsin) 212 ( )Re ()cos() ff c j mt mt jt FMC Cnfc nk utU ee UJmnkt 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 7.1.4 调频波的功率 调频信号uF

9、M(t)在电阻RL上消耗的平均功率为 2 22 2 2 ( ) 1 () 2 ()1 1 2 FM AM L FMcnf n L nf n FMcc L ut P R PUJm R Jm PUP R 由于余弦项的正交性,总和的均方值等于各项 均方值的总和,由式（77）可得 （713） （714） （715） 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 7.1.5 调频波与调相波的比较 1调相波 调相波是其瞬时相位以未调载波相位c为中心按调 制信号规律变化的等幅高频振荡。如u(t)=Ucost,并 令0=0,则其瞬时相位为 (t)=ct+(t)=ct+kpu(t) =ct+mcost=ct+mp

10、cost （716） 从而得到调相信号为 uPM(t)=UCcos(ct+mpcost) （717） 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 调相波的瞬时频率为 ( )( )sinsin cpcm d ttmtt dt （718） 图78 调相波fm、mp与F的关系 F fm mp 0 fm mp 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图77 调相波波形 t0 t0 u (a) (b) (c) t0 (f ) iPM(t) t PM(t) 0 c (g) ic (t) t0 (d) (t) t0 (e) (t) t c 0 m 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 至于PM波的

11、频谱及带宽,其分析方法与FM相同。 调相信号带宽为 Bs=2(mp+1)F (719) 图79 调频与调相的关系 FM 积分调相 u (a) PM 微分调频 u (b) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 2调频波与调相波的比较 调频波与调相波的比较见表71。 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 （cn）分量,在多频调制时还会出现交叉调制 （cn1k2+）分量。 （2）调频的频谱结构与mf密切相关。mf大,频带宽。 （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。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 表71 调频

12、波与调相波的比较表 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 例1调角波 )(2000cos10102cos(10)( 8 Vtttu 试计算说明（1）调角波的载波频率；（2）调制信号频率； （3）最大频偏；（4）最大相移；（5）频谱宽度；（6） 在单位电阻上的损耗功率；（7）能否确定是调频波还是调 相波。 例2已知某调频电路的调制灵敏度 VkHzk f /3 载波信号调制信号)(102cos3)( 8 Vttuc )(106cos3102cos2)( 33 Vtttu 试写出输出调频波的数学表达式。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 例3已知调制信号 6),(102cos5)(

13、3 pf mmVttu （1）对应的调频波与调相波的有效频谱宽度 （2）若不变，F增大一倍，两种已调波的有效频谱宽 度如何变化 （3）若F不变，增大一倍，两种已调波的有效频谱宽度 如何变化 （4）若F和都增大一倍，两种已调波的有效频谱宽度 又如何变化 U U U 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 7.2 调频器与调频方法调频器与调频方法 7.2.1 调频器 对于图710的调频特性的要求如下: （1）调制特性线性要好。 （2）调制灵敏度要高。 （3）载波性能要好。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图710 调频特性曲线 U 0 f 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调

14、 7.2.2 调频方法 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。 常用的方法是采用变容二极管实现直接调频，由 于电路简单、性能良好，已成为目前最广泛的调频电 路之一。 在直接调频法中，振荡器与调制器合二为一，其 优点是在实现线性调频的要求下，可获得较大频偏， 其主要缺点是频率稳定度差。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 2间接调频法 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

15、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 uPM=Ucos(ct+mpcost) =Ucosctcos(mpcost)-Usin(mpcost)sinct 当mp/12时,上式近似为 uPMUcosct-Umpcostsinct （720） 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图711 矢量合成法调 f (t) 放大器 cos ct AM f (t) 放大器 cos ct PM sin ct /2 (a)(b) f (t) cos ct FM sin ct /2 (c) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 (2）可变移相法。可变移相

16、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。 (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=Ucosc(t-)=Ucosct-kdcu(t) 由此可知,输出信号已变成调相信号了。 高频电路原理与分析 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。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 7.3 调频电路调频电路 0 (1)

17、j C C u u （721） 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: 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图712 变容管的Cju曲线 0 Cj 2 1/3 1/2 u/V (a) 0 Cj/pF u/V (b) 20 60 40 2468 高频电路原理与分析 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) jQ Q C CC E u （722） 设在变容二极管上加的调制信号电压为 u(t)=Ucost,则 ( )cos QQ uEutEUt （723） 高

18、频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 将式（723）代入式（721）,得 0 0 cos (1) 1 (1cos) (1) (1cos) j Q Q Q Q C C EUt u C EU t Eu u Cmt (724) 高频电路原理与分析 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713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713（a）振荡回路的简化高频电路。 由此可知,若变容管上加u(t),就会使得Cj随时间变 化（时变电容）,如图714(a)所示,此时振荡频率为 /2/2 11 ( )(1cos)(1

19、cos) c jQ tmtmt LCLC （725） 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图713 变容管作为回路总电容全部接入回路 Rb2Rb1 Re Ec Cc L Cc VD u EQ Cb Lc Cj L (a) (b) Cc 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图714 变容管线性调频原理 o Cj CQ t u o Cj t (a) o f f0 t C o f t (b) o f f0 t o f t (c) u EQ CQ EQ 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 振荡频率随时间变化的曲线如图714(b)所示。 在上式中,若=2,则得 ( )(1cos)

20、 ( ) c c tmt t （726） 一般情况下,2,这时,式（725）可以展开成幂级数 22 1 ( )1cos(1)cos 22! 2 2 c tmtmt 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 忽略高次项,上式可近似为 2 2 2 ( )(1)cos 8 22 (1)cos2 8 2 coscos2 ccc c ccmm tmmt mt tt (727) 二次谐波失真系数可用下式求出: 2 2 1 (1) 4 2 m f m Km (728) 高频电路原理与分析 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（727）求出。 根据调频灵敏度的定义,有 222 mccc f

21、f QQ m kS UUEuE （729） 高频电路原理与分析 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。因此,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。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图715 Cj与固定电容串、并联后的特性 C/pF 70 60 50 20 10 5 1 0.10.5125 u/V C1 Cj C2 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图716 变容二极管直接调频电路举例 （a）实际电路;（b）等

22、效电路 1000 pF 4.3 k 10 k 1 k 12 H 3AG80D 10 pF 15 pF 15 pF 输出 12 H 33 pF L 1000 pF 20 H 1000 pF1000 pF 12 V 22CC1E 12 H 调制信号输入 偏置电压 33 pF L 15 pF 10 pF (a) (b) 1000 pF 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 将图716（b）的振荡回路简化为图717,这就是 变容管部分接入回路的情况。这样,回路的总电容为 2 1 2 2 1 2(1 cos) j j Q Q C C CC CC C C C CmtC （730） 图717 部分接入

23、的振荡回路 LC1 C2 Cj 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 振荡频率为 22 12 22 22 1 ( )(1coscos) coscos2 22 c cccc tAmtA mt AA mAmtmt 式中 2 1 2 1 22 2 2 1 1122 1 () 2 31(1)1 8421 (1)(1) c Q Q C C L C CC A p A pppp ppp pp 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 1 2 1 2 1 2 Q Q mcc C p C C p C fAmfmf p 从式（732）可以看出,当Cj部分接入时,其最大频偏为 （733） 变容管部分接入回路

24、方式适用于要求频偏较小的情况， 有利于提高中心频率稳定度，可减少寄生调制。 注意：变容管应避免在低压区工作。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图718 加在变容管上的电压 0 Cj 直流偏置点 高频电压 低频调制信号 u 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图719变容管等效电容随高频电压振幅和偏压的变化 (a）j随U1变化曲线;（b）Cj随E变化曲线 Cj/pF 35 30 25 20 15 10 5 0 0.5 0.7 1.01.52.0 U1/V Cj/pF 40 25 15 7 4 3 2 1.522.54 EQ/V 2.5 5 6 8 9 10 20 30 356

25、 7 8 9 10 U11.5V 1V 0.5V (a)(b) EQ2 V 2.6 V 2.7 V 3 V 3.3 V 3.5 V 4 V 4.5 V 5 V 6 V 高频电路原理与分析 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（第8章讨 论）。还有一种稳频的简单方法是直接对晶体振荡器 调频。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图720（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。由图可知,此电路 为并联型晶振

26、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 1 0 1 2() q q L C ff CC （734） Cq：晶体的动态电容 Co：晶体的静电容 CL：C1、C2、Cj的串联电容值 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图720 晶体振荡器直接调频电路 （a）实际电路;（b）交流等效电路 调 制 信 号 R3 Cj R4 R2 C2 C1R5 C3 R1 R6 输 出 Ec C2 Cj C1 (a) (b) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 3. 张弛振荡器直

27、接调频电路 图721是一种调频三角波产生器的方框图。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+I(t),I(t)与调 制信号成正比。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图721 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 I I a b us 调 频 三角波 uT I 压控开关 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图722 电压比较器的迟滞特性和输入、输出波形 uT (a) Umin Umax us 0U1U2 0 uT U2 U1 t 0 us Umax Umin t (b) 高频电路原

28、理与分析 第7章 频率调制与解调 图723 三角波变为正弦波变换特性 Um uo Um uT uT t t uo 0 0 0 UT 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 电压比较器输出的是调频方波电压。如要得到正 弦调频信号,可在其输出端加波形变换电路或滤波器。 图7-23便是由三角波变为正弦波的变换器特性。它是 一个非线性网络,其传输特性为 sin 2 T om T u uU U 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 7.3.2 间接调频电路 图724是一个变容二极管调相电路。它将受调制 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

29、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 2 arctan() o f Q f （735） 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图724 单回路变容管调相器 高频 振荡 输入 Rb2 Rb1 Lc1 V Re Ce L C1 C V D R2 R1 Ec C3 Lc2 C2 调相信号 输 出 调制信号 输 入 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 当/6时,tan,上式简化为 设输入调制信号为Ucost,其瞬时频偏(此处为回 路谐振频率的偏移)为 0 2 f Q f （736） 1 cos 2 cos o fmft p Q mt p 当/6时,tan,上式简

30、化为 （737） 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图725 三级回路级联的移相器 接下级放大管 470 3 pF 22 k 1 pF 0.002 22 k 0.002 22 k 1 pF 0.002 47 k u 47 k 8 V 5 pF 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 例变容二极管直接调频电路的交流等效电路如图所示， 变容二极管的结电容 uE tu C C Q jQ j )( 1 其中 )(33.10),(15),(10 2(V),t102cos2)(u(pF),04C 21 3 jQ uHLuHLVuE t Q 试求： （1）调频波的载波频率，以及最大瞬时频率、最

31、小瞬时频率 （2）调频波的最大频偏，有效频谱宽度。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 变容管调频器的仿真变容管调频器的仿真 Pspice example/exam8.sch 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 变换器 f uo fB uomax uo fcfAf (a)(b) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 0c oo Dff f dudu S dfd f （738） 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 uFM 变换电路包络检波 u uo (b) 0 u c (a) 高

32、频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 0 0 ( )cos( ) ( ) ( )sin( ) t FMcf t FM cfcf utUtkfd ut uUk f ttkfd dt （739） （740） 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图728 微分鉴频原理 uFM 包络检波 u uo d dt 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 ui(t) Ec C uc(t) ii(t) R Cc Ec RoCo uo 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 高频电路原理与分析 第7章 频率

33、调制与解调 uFM f01 fc u1 u2 Uo1 Uo2 Uo (a) f f03fcf02 t f (t) (b) f02 f03 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 t0 uFM (a) t 0 Uo1 t Uo2 (b) (c) t Uo (d) 0 0 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 Bm 0 Uo fA f 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 变换电路鉴相器 uFM uFM-PMuo 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 111 22222 cos( ) cos( )sin( ) 2 c cc uUtt uUttUtt (741) (742) 2

34、1 ( )( ) o uftt (743) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 us 移相网络 us 低通滤波 uo K 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 ecm cm tUtu tUtu sin)( cos)( 22 11 ecmmemm cecmm tUKUUKU ttUKUuKui 2sin 2 1 sin 2 1 cossin 2121 2121 eLmmo RUKUusin 2 1 21 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 emmL ceccecmmL cLLavo UUKR tdttdtUUKR tduuKRRiu sin 2 sinsin 1 1 21

35、2 02 21 0 21 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 tdiRRiu cLLavo 0 1 22 e emmL cccmmLo UUKR tdtdtdUUKRu e e 21 2 02 21 2 1 232 e emmL cccmmLo UUKR tdtdtdUUKRu e e 21 20 2 21 2 1 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 0 12 0 2 sin(arctan) 2 o KQ f uUU f (744) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 111 22222 cos( ) cos( )sin( ) 2 c cc uUtt uUttUtt 2

36、 112 1 1 221 2 (1sin( ) (1sin( ) e e U UtUU U U UtUU U 21 ( )( )( ) e ttt 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 包 络 检波器 包 络 检波器 /2 us ur us ur uD1 uD2 uo1 uo2 uo 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 限幅放大微分 uFMu1 半波整流 u2 单稳 u3 低通滤波 u4uo (a) (b) uFMt u1t u2t u3t u4t uot 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 102sin10sin3)( 3 0

37、 tttuFM ttttttv OOFM 3 102sin10)()()()(中知由 t dt td t 33 102cos10210 )( )( t t tf 34 102cos10 2 )( )( ttfStu DO 3 102cos50)()( 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 7.5 鉴频电路鉴频电路 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 返回比例鉴频器 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 1 1 11f U I rj LZ (745) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 . L U1 I1 r C . r C L U2 . (a) r C L U2 .

38、 E2 . I2 . (b) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 1 1 1 211 1 U I j L M Ej M IU L 2E 2I 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 21 2 1 2222 22 1 22 221 22 2 11 ()() 11 1 () EMU I L rjLrjL CC MU UIj j CC L rjL C (748) 1 2 21 2 1 1 jAAU UUe j 0 12 0 2, 1 A=kQ, Q= fM Qk fL L Cr 令耦合系数 耦合因子 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 0 /2 /2 /2 f0f f /2 (a

39、)(b) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 2U 1U 2 11 2 21 2 2 D D U UU U UU (751) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 2 U2 . 2 U2 . U1 . UD1 . UD2 . 2 U2 . 2 U2 . U1 . 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 2U 1U 2DU 1DU 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 12DD UU 2 U2 . 2 U2 . UD1 . U1 . UD2 . (a) f fc 2 U2 . UD1 . UD2 . 2 U2 . U1 . 0 2 U2 . UD1 . UD2 . U1

40、. 2 U2 . 0 0 (b) f fc(c) f fc 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 1212 () ooodDD uuuK UU (752) 0 0 0 ,0 ,0 ,0 c c c ffu ffu ffu 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 Uo 0 (f0) f (t) f (f) Uo t (a) (b) f0 U f (或2 ) f fa f f0 (c) 0 t 0 Uo 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图744 SDA曲线 SD 0 123 A SD/(SD)lim 01234A 0.5 1.0 (a)(b) 高频电路原理与分析 第7章 频率

41、调制与解调 2()(4 ) mm mm CC k CCC CC (753) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图745 电容耦合相位鉴频器 U1 . C1 L1 L2 C2 Cm U2 . Lc VD1 VD2 C3 C4 R1 R2 Uo C1L1 L2 CmB C2 A CL4C Cm L 4 (a) (b) (c) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 2 21 2 1 11 24 e m R Z j UjC Z U 1 0 2111 111 212111 e mm Q RAUC UjCUjCUjkQUj jjjj 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 高频电路原理

42、与分析 第7章 频率调制与解调 21 2121 2 11 ()() 22 cc o L occdDD uu u RR uuuK UU 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 . U1 M L2 Lc VD1 RL O C1 C2 D R1 R2 CEo A B CL Uo (a) 2 U2 . U1 . 2 U2 . VD1 uD1 uD2 uc1 uc2 O RL C1 CL C2 R2 R1 i1 i2 D 2 U2 . 2 U2 . U1 . 0 f Uo (b) (c) VD2 VD2 VD1 VD2 比例鉴频 高频电路原理与分析 第7章

43、 频率调制与解调 1 21212 21 1 21 2 1 1111 () 2222 1 c ccccc occoo c occ c u uuuuu uuuEE u Euu u (761) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 R R Eo 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 2 1 1 1 11 () () 11 1 11 () jC jQLC RL H j j j C jC RL (762) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图748 集成正交鉴频器 V1 V2V4 V3 R1R5

44、 V5 V6 V7V8 R7 V9 V10 10 11 13 12 R2R3R4R6R8 R9 R10 1 VD1 LC R11 5 R12 V12V13 R14 2 3 C1 4 R13 V11 V16 V14V15 V17 V18 R15 VD6 R16 6 7 8 R17 14 限幅中放内部稳压调频检波 VD2 VD3 VD4 VD5 R V19 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 其中， 可见，u1与u2(实际上是ur与us)之间的相位差为 2 0 2 000 1 1 ,(1)2, () c Rf QQQ LfL CC 11 12 arctan 2 cos(sin) cos(s

45、in) cf cf uUtmt uUtmt 相频特性曲线见图749(b)。若设 (764) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 当f/f01时，上式可写为 22 cos()sin2 2 o ooo Q fQ ff uUUUQ fff (765) 可见，鉴频器的输出与输入调频信号的频偏成正比。 在上面电路中，调整L、C和C1均可改变回路谐振频 率，只要满足 0 1 1 () c L CC (766) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 u1CLRu2 (a) 0 f0 f 2 (b) C1 图749 移相网络机器相频特性 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 7.5.4 其

46、它鉴频电路 1.差分峰值斜率鉴频器 差分峰值斜率鉴频器是一种在集成电路中常用的 振幅鉴频器。图750(a)是一个在电视接收机伴音信号 处理电路(如D7176AP ,TA7243P)等集成电路中采用的 差分峰值斜率鉴频器。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图750 差分峰值斜率鉴频器 C3 V 5 V 6 Rc I0 ui V 1 V 3 V 2 V4 Ec L1 9 u1 10 u2 0 f02f0f01 U2U1 U1、U2 f uo 0 f02f0f01f (a) (b) (c) C4 C1 C2 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 移相网络接在集成电路的、10脚之间。

47、设从 脚向右看的移相电路的谐振频率为f01，从10脚向左看 的移相电路的谐振频率为f02，则 01 11 02 112 1 2 1 2() f LC f L CC (767) (768) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 2.晶体鉴频器 晶体鉴频器的原理电路如图751所示。电容C与 晶体串联后接到调频信号源。VD1、R1 ,C1和VD2、R2、 C2为两个二极管包络检波器。为了保证电路平衡，通 常VD1与VD2性能相同，R1=R2,C1=C2。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图751 晶体鉴频器原理电路 uFM(t) R1 R2 C1 C R3 C2 V D1 V D2

48、 u 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图752 电容晶体分压器 (a)电抗曲线；(b)电容、晶体两端电压变化曲线 0 fq Xq fc Xc Xq f 0 UcUq fqf0fc f (a)(b) f0 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图753 晶体鉴频器的鉴频特性 Uo 0 fqf0fc f 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 7.5.5 限幅电路 振幅限幅器的性能可由图754(b)所示的限幅特 性曲线表示。图中，Up表示限幅器进入限幅状态的 最小输入信号电压，称为门限电压。对限幅器的要 求主要是在限幅区内要有平坦的限幅特性，门限电 压要尽量小。 高频电路原理

49、与分析 第7章 频率调制与解调 图754 限幅器及其特性曲线 非线性 器 件 滤波器 usuo (a)(b) UsmUp 0 Uom 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 7.6 调频收发信机及特殊电路调频收发信机及特殊电路 7.6.1 调频发射机 图755是一种调频发射机的框图。其载频fc=88 108MHz,输入调制信号频率为50Hz15kHz，最大频偏为 75kHz。由图可知，调频方式为间接调频。由高稳定度晶 体振荡器产生fc1=200kHz的初始载波信号送入调相器，由 经预加重和积分的调制信号对其调相。调相输出的最大频 偏为25Hz，调制指数mf0.5。 高频电路原理与分析 第7

50、章 频率调制与解调 图755 调频发射机框图 载 波 振荡器 调相器 多级 倍频器1 混频器 多级 倍频器2 功 率 放大器 积分器 预 加 重电路 200 kHzN1 64 fc1 200 kHz f1m 25 kHz 12.8 MHz 1.8 2.3 MHz fc 88 108 MHz fm 75 kHz 频率可 变本振 N2 48 fL 11 10.5 MHz u(t) 间接调频器 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 7.6.2 调频接收机 图756为广播调频接收机典型方框图。为了获得 较好的接收机灵敏度和选择性，除限幅级、鉴频器及 几个附加电路外，其主要方框均与AM超外差接收机

51、相 同。调频广播基本参数与发射机相同。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图756 调频接收机方框图 混频器射频放大 88 108 MHz 本振 中频放大限幅器鉴频器 自动频率控制电路 静噪电路 去加重电路和 音频放大电路 输出 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 7.6.3 特殊电路 1.预加重及去加重电路 理论证明，对于输入白噪声，调幅制的输出噪声 频谱呈矩形，在整个调制频率范围内，所有噪声都一 样大。调频制的噪声频谱(电压谱)呈三角形，见图 757(b)，随着调制频率的增高，噪声也增大。调制频 率范围愈宽，输出的噪声也愈大。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调

52、图757 调频解调器的输出噪声频谱 (a)功率谱；(b)电压谱 0 Sno() 0 U() (a)(b) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 由于调频噪声频谱呈三角形，或者说与成线性关 系，使我们联想到将信号作相应的处理，即要求预加 重网络的特性为 H(j)=j 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图758 预加重网络及其特性 (a)预加重网络；(b)频率响应 R1 C R2 0 12 |H(j)/dB (a) H(j) k 1j/1 1j/2 k(1j/1) (b) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 去加重网络及其频响曲线如图759所示。从图看 出，当2时，预加重和

53、去加重网络总的频率传递函数 近似为一常数，这正是使信号不失真所需要的条件。 图759 去加重网络及其特性 R1 C (a) H(j) 1 1j/1 0 1 |H(j)|/dB (b) 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 采用预、去加重网络后，对信号不会产生变化， 但对信噪比却得到较大的改善，如图760所示。 图760预、去加重网络对信噪比的改善 Sno() 去加 重前 去加重后 (a) 0 8 16 0.11 /dB 10 (b) m 1 0 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 2. 静噪电路 由于在调频接收中存在门限效应，因此在系统设 计时要尽可能地降低门限值。为了获得较高的

54、输出信 噪比，在鉴频器的输入端的输入信噪比要在门限值之 上。但在调频通信和调频广播中，经常会遇到无信号 或弱信号的情况，这时输入信噪比就低于门限值，输 出端的噪声就会急剧增加。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图761 静噪电路举例 50 带 通 滤波器 5 kHz 静噪 0.1 6.2 k 0.01 100 k 16 k 1 k 2.2 100 k 510 k 11 2.2 510 k 14 LM389 音量 鉴频器 输 出 100 k 1 k 15 13 12 10 k 16 12 V 17 18 0.1 2.7 0.05 100 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 图

55、762 静噪电路接入方式 鉴频低放 静噪 鉴频低放 静噪 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 附： 集成调频、 鉴频电路芯片介绍 1.MC2833调频电路调频电路 Motorola公司生产的MC2831A和MC2833都是单片集成FM 低功率发射器电路, 适用于无绳电话和其它调频通信设备, 两 者差别不大。 现仅介绍MC2833的电路原理和应用。 下图是MC2833内部结构和由它组成的调频发射机电路 MC2833内部包括话筒放大器、 射频压控振荡器、 缓冲器、 两个辅助晶体管放大器等几个主要部分, 需要外接晶体、 LC 选频网络以及少量电阻、 电容和电感。 高频电路原理与分析 第7章

56、频率调制与解调 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 MC2833内部包括话筒放大器、射频压控振荡器、缓冲器、 两个辅助晶体管放大器等几个主要部分, 需要外接晶体、 LC选 频网络以及少量电阻、电容和电感。 MC2833的电源电压范围较宽, 为28 V90V。当电源电压 为40 V, 载频为166 MHz时, 最大频偏可达10kHz, 调制灵敏度可 达15HzmV。输出最大功率为10mW(50 负载)。 话筒产生的音频信号从脚输入, 经放大后去控制可变电 抗元件。可变电抗元件的直流偏压由片内参考电压VREF经电 阻分压后提供。由片内振荡电路、可变电抗元件、外接晶体和 15、16脚两个外接

57、电容组成的晶振直接调频电路(Pierce电路)产 生载频为165667MHz的调频信号。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 与晶体串联的33F电感用于扩展最大线性频偏。缓冲器通 过14脚外接三倍频网络将调频信号载频提高到497 MHz, 同时 也将最大线性频偏扩展为原来的三倍, 然后从13脚返回片内, 经 两级放大后从脚输出。 MC2833输出的调频信号可以直接用天线发射, 也可以接其 它集成功放电路后再发射出去。 高频电路原理与分析 第7章 频率调制与解调 2. MC3361B FM解调电路解调电路 从80年代以来, Motorola公司陆续推出了FM中频电路系 列MC335733593361B33713372和FM接收电路系列 MC33623363。 它们都采用二次混频, 即将输入调频信号的 载