频率调制与解调

1、第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调1第第7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调7.1 7.1 调频信号分析调频信号分析 7.2 7.2 调频器与调频方法调频器与调频方法7.3 7.3 调频电路调频电路7.4 7.4 鉴频器与鉴频方法鉴频器与鉴频方法 7.5 7.5 鉴频电路鉴频电路 7.6 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 7.7 调频多重广播调频多重广播第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调2本章计划学时：10学时主要教学内容： 本章将重点讨论调频和调相信号的数学表示、频谱分析和调频信号的参数计算，以及实现调频和调相的电路等；还要重点介绍调频信

2、号的解调，讨论直接调频和间接调频的方法和实现电路的结构特点、原理分析和参数计算等。教学目的： 让学生从理论和实践中了解调角信号的特点以及实现调频、调相和解调的方法和电路形式；并能对各种电路加以正确的分析和参数计算。能够设计出实用的电路。第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调3调频（Frenquency Modulation,简称FM）：由调制信号线性地控制高频载波的频率。调相（Phase Modulation,简称PM）：由调制信号线性地控制高频载波的相位。调频和调相的特点： 抗干扰能力强、失真小、但所占的频带宽度要比调幅信号宽。第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调47.1

3、7.1 调频信号分析调频信号分析7.1.1 调频信号的参数与波形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, 根据频率调制的定义,调频信号的瞬时角频率为：( )( )( )cosccfcmttk utt 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，称为调制灵敏度，单位为Hz/V，或rad/S/V。则调频信号的瞬时相位(t)是瞬时角频率(t)对时间的积分。即：00( )( )ttd (7-1)(7-2)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调5 式中,0为信号的起始角频率。为了分析方便,不妨设0=0,则

4、式(7-2)变为:(7-3)则FM波的表示式为：称称为为调调频频指指数数。式式中中fmm ( )cos( )cossinFMCcfCcfutUtkut dtUtmt 000( )()()()sinsin( )ttcftmcfccfctdkudtkudtttmttt (7-4)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调62mmfmk Uf 或从分析可以知道FM波的特点：（1）调频信号的瞬时频率与调制信号成线性关系，而瞬时相位与调制信号的积分成线性关系。（2）最大频偏 与调制信号的振幅成正比，表示受调制信号的控制程度。FM信号瞬时频率最大变化量为2fm（3）调频指数mfmmffmF 调频指数实

5、际上是最大的相位偏移，它与调制信号的振幅成正比，与调制频率成反比，它等于最大频偏除以调制频率。 图7-1是调频波的波形，图72 调频波fm、mf与F的关系 第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调7t0t0u(a)(b)t0(t)(c)cmt0(d)IFM(t)t(t)024Tc2Tcmf(t)c(e) 图7-1是调频波的波形Ffmmf0fmmf图72 调频波fm、mf与F的关系fm第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调8 7.1.2 调频波的频谱调频波的频谱 1调频波的展开式sincossintjmtjCfcCFMfceeUtmtUu eRsin()fjmtjntnfneJme

6、 20( 1) ()2()!()!fnnmnfmmJmmnm 它它展展开开为为傅傅立立叶叶级级数数。是是周周期期性性函函数数，可可以以将将式式中中的的tjmfe sin 式中Jn(mf)是宗数为mf的n阶第一类贝塞尔函数,它可以用无穷级数进行计算:(7-5)(7-6)因为：第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调9它随mf变化的曲线如图73所示,并具有以下特性:0123456789101112 0.4 Jn(mf)J0J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10mf图73 第一类贝塞尔函数曲线 为为奇奇数数时时为为偶偶数数时时nmJnmJmJfnfnf

7、n)()()(第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调10.)4cos()4)cos()3cos()2)cos()2cos()2)cos()cos()cos(cos)()cos()()(43210)(sin ttmJUttmJUttmJUttmJUtmJUtnmJUemJUeeUuccfCccfCccfCccfCcfCcfnnnCtnjfnnnCtjmtjCFMcfc eReR因此，调频波的级数展开式为：(7-7)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调112调频波的频谱结构和特点（1）单一频率调制的调频信号是由载波分量和无穷多对对称于载频两侧的边频率分量组成的，每个变频分量的间隔

8、为调制频率或F。因此调频是非线性频谱的搬移。（2）载波分量和每对边频分量的振幅由对应的各阶贝塞尔函数来确定，mf不同，它们的振幅也发生变化，在某些mf值时，可能会使某些频率分量振幅为零。（3）偶数的边频分量符号相同。如将这对边频分量相加，则可合成为一DSB信号，且相位与载波相同。奇数的边频分量符号相反。如将一对奇频分量相加，则合成矢量与载波垂直，是正交窄带调频NBFM。见图7-5。（4）当mf越大，具有较大振幅的边频分量数目就越多。图7-4说明了通过改变调和m而改变mf对频谱的影响。第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调12cmf 1cmf 1mf 2ccmf 2cmf 5cmf 10

9、Qcmf 15mf 5cmf 10mf 20cc(a)(b)图74 单频调制时FM波的振幅谱（a）为常数;（b）m为常数 通过改变F来改变mf时，F越小，mf就越大，边频数目就越多，但边频间隔也变小，因此频谱并没展宽。这说明信号带宽几乎不受调制频率的影响。 通过改变m来改变mf时， m 越大，mf就越大，边频数目就越多，但边频间隔不变小，因此频谱被展宽。第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调130载波0载波合成矢量0合成矢量(a) AM情 况(b) NBFM情况mfsin t图75 调频信号的矢量表示 第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调147.1.3 调频波的信号带宽调频波

10、的信号带宽 虽然FM波有无穷多个边频分量，但对于一给定的mf，高到一定次数的边频分量的振幅已经小的可以忽略不记，因此通常采用的准则是：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 (7-8) 由图7-6可见,当mf很大时,n/mf趋近于1。因此当mf1时,即为宽带调制时，应将n=mf的边频包括在频带内,此时带宽为：Bs=2nF=2mfF=2fm (7-9) 当mf很小时,如mfCjC1,C2,C3是耦合电容9V第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调61QmQECRQUmQtmQtmffQffQECRUmtCRUdtCRuutUu4300043

11、4343coscos2122sincos 当调制信号为：积分后：则：(7-50)(7-51)(7-52)(7-53)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调627.3.3 扩大频偏的方法扩大频偏的方法 从前面分析知道，直接调频时，绝对频偏和中心频率成正比，因此可以通过在高频端调制来获的比较大的频偏。但这时相对频偏没有发生变化，由变容指数、静态电压和调制信号振幅来决定。如果要增大相对频偏来提高绝对频偏，会使非线性失真更加严重。要想载波频率一定，而且又要获的大频偏时，那么就必须采取扩大频偏的措施。1.倍频方法通过倍频器后，瞬时频率增大到原来的n倍，即：tnntntmcmc cos)cos()

12、( 显然这种方法是绝对频偏和载波频率都增大了增大，但相对频偏不变。第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调632.混频方法通过混频器后，瞬时频率为：ttmLc cos)()( 显然这种方法改变了相对频偏，但绝对频偏不便。因此可以先在高频端调制，然后再通过多级混频，把相对频偏提高低，即把载波频率减低，这样就可以在比较低的载波频率下获的比较大的绝对频偏。3.倍频和混频结合使用。 担当难以制成高频调制器时，可在比较低的频率下调制，然后在通过倍频，把中心频率和绝对频偏都提高，然后在利用混频器降低中心频率，增大相对频偏。第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调647.4 7.4 鉴频器与鉴频

13、方法鉴频器与鉴频方法 7.4.1 鉴频器鉴频器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（Frenquency Discriminator,简称FD）。调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器（Phase Discriminator ,简称PD）。鉴频器实际是一个频率电压变换器。对于一个频率解调电路，主要性能参数是它的鉴频跨导。如图7-28所示。它反映了输出低频调制信号与输入已调信号频率或偏频之间的关系，我们把这种关系叫做鉴频器的鉴频特性。第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调65变换器fuofBuomaxuofcfAf(a)(b)图728

14、鉴频器及鉴频特性 对于鉴频特性，有以下几个重要参数：（1）峰-峰带宽Bm Bm指的是鉴频特性曲线中左右两个输出电压最大值间对应的频率间隔。在这个范围内，要求应该有比较好的线性。因此要想解调失真小，应满足：mmfB 2 (a)(b)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调66（2）鉴频跨导 对鉴频器的另外一个要求,就是鉴频跨导要大。所谓鉴频跨导D,就是鉴频特性在载频处的斜率,它表示的是单位频偏所能产生的解调输出电压。鉴频跨导又叫鉴频灵敏度,用公式表示为：)/(0HzVfddudfduSfoffoDc (7-54)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调677.4.2 鉴频方法鉴频方法

15、一般有直接鉴频和间接鉴频方法。 直接鉴频：从调频信号中直接恢复出调制信号。如脉冲计数式。 间接鉴频：先对FM信号进行变换和处理，从而间接恢复出调制信号，如波形变换法、锁相环解调PLLDM、调频负反馈解调FM-EBDM、正交鉴频等。1.振幅鉴频法振幅鉴频法 若能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FMAM波,就可以通过包络检波器解调此调频信号。用此原理构成的鉴频器称为振幅鉴频器。所以只要具有在FM信号频率范围内具有频率-电压变换作用的网络都可以获得FM-AM波。其工作原理如图729所示。 第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调68图729 振幅鉴频器原理(a)振幅鉴

16、频器框图；(b)变换电路特性 (1) 直接时域微分法 设调制信号为u=f(t),则调频波为:00( )cos( )( )si( ) n( )cftFMcftFMcfutUtkfddututkUktfdtfd 对此式直接微分可得 到一个FM-AM波： (7-55)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调69 显然微分后的电压振幅与瞬时频率成正比。经包络检波器就可以解调出原来的调制信号。图7-30和图7-31分别为微分鉴频原理和一个简单的实际鉴频电路。ui(t)EcCuc(t)ii(t)RCcEcRoCouououFMu微分电路包络检波uououFMuFMu微分电路包络检波图730 微分鉴频

17、电路 图729 微分鉴频原理第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调70（2）斜率鉴频法 单失谐回路斜率鉴频器uF MuiUouF Mtuit0Uot00( a)Ui0工作区(线性区)fcf0fUitf ( t )fmt( b)0图731 单回路斜率鉴频器uFMuiUouFMtuit0Uot00(a )Ui0工作区(线性区)fcf0fUit f (t ) fmt(b )0uF MuiUouF Mtuit0Uot00( a)Ui0工 作 区 (线 性 区 )fcf0fUitf ( t )fmt( b)0(a)(b)uFMuiUouFMtuit0Uot00(a)Ui0工 作 区 ( 线 性

18、区 )fcf0fUitf ( t)fmt(b)0uF MuiUouF Mtuit0Uot00( a)Ui0工 作 区 (线 性 区 )fcf0fUitf ( t )fmt( b)0第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调71 图7-31是一个单失谐回路斜率鉴频器。并联谐振回路的谐振频率f0大于FM信号的中心频率。显然，对输入信号是失谐的，在2fm范围内，并联谐振回路的幅频特性近似为直线（见图7-31(b)。当输入信号频率变化时，回路两端的电压振幅将与频率成正比，实现了FM-AM变换。通过后面的包络检波器，便可恢复出原来的调制信号。 由于谐振特性曲线近似直线的范围非常窄，因此只适用用窄带小

19、频偏的FM信号的解调。双失谐斜率鉴频器一个双失谐斜率鉴频电路如图7-32 所示。第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调72uFMf01 fcu1u2Uo1Uo2Uo(a)ff03fcf02t f (t)(b)f02f03图732 双失谐平衡鉴频器 、是两个并联谐振回路平衡包络检波器f02f03fcUofcfff(t)t0A3 ( f )A2 ( f )(b)(c)(d)Bm第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调73设电感抽头在中心。则U=U1=U2，因此：)()()()()()(3232322121fAfAUfAfAUkfAUkfAUkUUUdddooo 显然，输出正比与两个谐

20、振回路的幅频特性之差，这个特性正好是一个“S”形鉴频特性，如图7-32（c），而且线性范围要比单失谐鉴频范围宽的多，灵敏度也高。 值得注意的是，三个谐振回路的谐振频率要选择合适，一旦谐振特性差别比较大，或者 f02和 f03相距比较远，则会产生教大失真。可以证明，如选择：(7-56)7 .07 .003021 .0423BBffffcc 则双失谐鉴频特性的线性范围达到最大。图733 图是732(a)电路的各点波形。(7-57)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调74t0uFM(a)t0Uo1tUo2(b)(c)tUo(d)00 图733 图732(a)电路的各点波形第第 7 7章章

21、频率调制与解调频率调制与解调752. 相位鉴频法相位鉴频法 相位鉴频法的原理框图如图734所示。图中的变换电路具有线性的频率相位转换特性，它可以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FMPM波。然后在通过鉴相电路恢复出调制信号。变换电路鉴相器uFMuFM-PMuo图734 相位鉴频法的原理框图 第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调76 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：11122222cos( )cos( )sin( )2cccuUttuUttUtt

22、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：21( )( )ouftt (7-58)(7-59)(7-60)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调77（1）乘积型相位鉴频法 利用乘积型鉴相器实现鉴频的方法称为乘积型相位鉴频法或积分(Quadrature)鉴频法。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735所示。 us移相网络us低通滤波uoK 图735 乘积型相位鉴频法 产生附加相移，变成FM-PM波完成鉴相第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调78 设移相网络为单谐振回路，乘法器的乘积因子为K，而且：

23、 则经过相乘器后为：1220cos(sin)cossin22cossinarctan()2scfscfcfuUtmtuUtmtQ fUtmtf 12cos 22sincos222sscfKU UKu utmt (7-61)(7-62)(7-63)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调79 0210211021212sin22arctansin2sin20ffQUKUffQUKUffQUKUUKUuffo 再经低通滤波器后的输出电压为：(7-64)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调80（2）叠加型相位鉴频法 利用叠加型鉴相器实现鉴频的方法称为叠加型相位鉴频法。对于叠加型鉴相器

24、，就是先将us和us(式(761)和(762)相加，把两者的相位差的变化转换为合成信号的振幅变化，即变成FM-PM-AM信号，然后用包络检波器检出其振幅变化，从而达到鉴频的目的。设：2=1- ，则：)cos(sin)cossin(cos)sincos()cossinsincos()sinsincos(cos)2cos()cos(221122112221112211 tUtUUtUUttUttUtUtUuucccccccccss(7-65)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调811221221122112222221212121212222211111221212211122222(c

25、ossin)(sincos)2sin()2sin12sin1sin2sin12sin1sinUUUUUUUUUUUU UUUU UUUUUUUUUUUUU UUUUUUUUU (7-66)(7-67) 可以看出，鉴相特性为正弦形。在相偏比较小时，近似为线性关系。但由于其中具有直流分量，因此可用平衡电路，如图7-36。其中：或：第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调82图736 平衡式叠加型相位鉴频器框图 22111121sin1sin2sinodddUUuk Uk UUUk U 输出为:(7-68)包 络检波器包 络检波器 /2usurusuruD1uD2uo1uo2uo移相网络sus

26、u 第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调833. 直接脉冲计数式鉴频法 调频信号的信息寄托在已调波的频率上。从某种意义上讲，信号频率就是信号电压或电流波形单位时间内过零点(或零交点)的次数。对于脉冲或数字信号，信号频率就是信号脉冲的个数。基于这种原理的鉴频器称为零交点鉴频器或脉冲计数式鉴频器。如图737 所示。 在输入信号的每个由正到负的过零点时都产生一个幅度U和宽度TW都一定的脉冲，则一个周期内的平均电压为：fUTuffUTfUTUtTTUWocWWWav )()(经过低通滤波器后：(7-69)(7-70)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调84限幅放大微分uFMu1半波

27、整流u2单稳u3低通滤波u4uo(a)(b)uFMtu1tu2tu3tu4tuot图737 直接脉冲计数式鉴频器 特点：线性度高最大频偏大便于集成，加分频器后可以提高工作频率WT T tU第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调857.5 鉴频电路鉴频电路7.5.1 叠加型相位鉴频电路叠加型相位鉴频电路 1.互感耦合相位鉴频器 互感耦合相位鉴频器又称福斯特西利(FosterSeeley)鉴频器，图7-38是其典型电路。相移网络为耦合回路。 图738 互感耦合相位鉴频器 C1L1U1uiEcCoML2.2U2.2U2.C2U2.U1.L3RLRLCCuo1uo2uo放大变换网络平衡叠加型鉴

28、相器VD2VD10102Cfff CC第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调86（1） 频率相位变换频率相位变换是由图739(a)所示的互感耦合回路完成的。.LU1I1rC.rCLU2.(a)rCLU2.E2.I2.(b) 由图739(b)的等效电路可知，当初级和次级参数完全相同，而且忽略损耗电阻r时，次级回路的互感电动势为：图739 互感耦合回路第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调871121111212221222201121200011112121212UUMEj Mj MUrj Lj LLj CjMUUErLCrjLj QCjkQUjAUAU efffj Qj QQf

29、ff 02arctanarctanQ ff (7-71)(7-72)(7-73)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调88图740 频率相位变换电路的相频特性0/2 /2/2f0ff/2(a)(b) 2 0f第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调89（2） 相位幅度变换 根据图中规定的 与 的极性，图738电路可简化为图741。这样，在两个检波二极管上的高频电压分别为2U1U2U2.2U2.U1.UD1.UD2.2U2.2U2.U1.(7-74) 图741 图738的简化电路 22212211UUUUUUDD第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调902U1U2DU1DU

30、 合成矢量的幅度随 与 间的相位差而变化(FMPM AM信号)，如图742所示。 f=f0=fc时，时， 与与 的振幅相等，即的振幅相等，即UD1=UD2; ff0=fc时，时，UD1UD2，随着，随着f 的增加，两者差值将加大；的增加，两者差值将加大； ff0=fc时，时，UD13后，线性变坏，因此一般取A在1.53.第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调96SD0123ASD/(SD)lim01234A0.51.0(a)(b) 图745 SDA曲线(a)Q不变而 k改变引起A变化时(b) Q改变而k不变引起A变化时第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调972. 电容耦合相位

31、鉴频器 图746(a)是电容耦合相位鉴频器的基本电路。两个回路相互屏蔽。图中Cm为两回路间的耦合电容，其值很小，一般只有几个皮法至十几个皮法。 图746 电容耦合相位鉴频器 耦合回路部分单独示于图746(b)，其等效电路示于图746(c)。U1.C1L1L2C2CmU2.LcVD1VD2C3C4R1R2UoC1L1L2CmBC2ACL4CCmL4(a)(b)(c)mCCC第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调98根据耦合电路理论可求出此电路的耦合系数为 (7-80)次级回路的并联阻抗Z2为 由于Cm很小，满足1/(Cm)p2Z2, p=1/2。分析可得,次级回路的电压为： jRZe 1

32、22()(4 )mmCCmmmCCkCCC CC jUAjjUkQjUjCQCjUjRCjCUjZUZPCjCjZPUZPUmemmmm 11121222121110112122221222(7-81)该结果与互感耦合相位鉴频电路结果相同。第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调997.5.2 比例鉴频器比例鉴频器 1.电路 比例鉴频器是一种类似于叠加型相位鉴频器，而又具有自限幅(软限幅)能力的鉴频器，其基本电路如图747(a)所示。它与互感耦合相位鉴频器电路的区别在于： (1)两个二极管顺接； (2)在电阻(R1+R2)两端并接一个大电容C，容量约在10F数量级。时间常数(R1+R2)

33、C很大，约0.10.25s，远大于低频信号的周期。 (3)接地点和输出点改变。第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调100图747(a) 比例鉴频器电路两二极管顺接负载并联大电容，相当一个恒压源.U1ML2LcVD1RLOC1C2DR1R2CEoABCLUo( a )2U2.U1.2U2.VD1uD 1uD 2uc 1uc 2ORLC1CLC2R2R1i1i2D2U2.2U2.U1.0fUo( b )( c )VD2VD2VD1VD2比例鉴频输出点改变第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调101 2. 工作原理 图746(b)是图(a)的简化等效电路，电压、电流如图所示。当R1

34、=R2=R 时，可得：)(212222212120100100122121DDdCCCCDDUUKuuuUEUUEUUUUUUU (7-82).U1ML2LcVD1RLOC1C2DR1R2CEoABCLUo( a )2U2.U1.2U2.VD1uD1uD2uc1uc2ORLC1CLC2R2R1i1i2D2U2.2U2.U1.0fUo( b )( c )VD2VD2VD1VD2比例鉴频图747 (b) 比例鉴频器等效电路; (c) 比例鉴频器鉴频特性可以看出：.U1ML2LcVD 1RLOC1C2DR1R2CEoABCLUo(a )2U2.U1.2U2.VD 1uD1uD2uc1uc2ORLC1

35、CLC2R2R1i1i2D2U2.2U2.U1.0 fUo(b )(c)VD 2VD 2VD 1VD 2比例鉴频(a)(b)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调1020010022102122122()CCCCdDDEuuEuuuuuKUU 将（7-83）两式相加得：(7-83)(7-84)输出电压： 可见，在电路参数相同、输入调频幅度相等时，比例鉴频器的输出电压比互感耦合和电容耦合相位鉴频器要减半，即鉴频灵敏度减半。 第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调1031U22U1DU2DU22U1U1U22U2DU2DU1DU1DU(a)(c)(b)减减小小，两两差差值值也也增增

36、大大。，随随着着频频率率，时时，当当增增加加，两两差差值值增增大大。，随随着着频频率率，时时，当当，时时，当当fUUfffUUffUUffDDDDDD210210210222 因此实现了频率相位幅度的变换，最后可通过平衡包络检波器解调出原来的调制信号。图7-47(c)是它的鉴频特性。用向量表示为：图748 比例鉴频器二极管电压随频率的变化第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调10421210212101212012011211222DDDDCCCCCCCCCCUUUUEuuuuEuuuuEuuu 3.自限幅原理因为输出电压可写成： 可以看出，输出电压只与两个检波电容电压的比值有关，故称

37、为比例鉴频器。 当输入频率变化时，uc1和uc2向相反的方向变化，使输出改变也随输入信号频率改变。但当输入信号幅度发生变化时，它们向同向改变，但比值几乎不变，因此起到了自限幅作用。(7-85)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调105 另一方面，因为电容C很大，故E0基本恒定，且作为两个二极管的固定负偏压。当输入信号增大时，导通角增大，电流基波分量增大，使输入电阻减低，回路Q值减小，导致回路电压和相位都下降，达到稳幅的目的。因此要求： (1)回路的无载Q0值要足够高，以便当检波器输入电阻Ri随输入电压幅度变化时，能引起回路Qe明显的变化。 (2)要保证时常数(R1+R2)C大于寄生调

38、幅干扰的几个周期。 比例鉴频器存在着过抑制与阻塞现象，采取措施如图7-49 第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调106RREo图749 减小过抑制及阻塞的措施 第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调1077.5.3 正交鉴频器正交鉴频器 1.正交鉴频原理 正交鉴频器实际上是一种乘积型相位鉴频器，它由移相网络、乘法器和低通滤波器三部分组成。调频信号一路直接加至乘法器，另一路经相移网络移相后(参考信号)加至乘法器。由于调频信号和参考信号同频正交，因此，称之为正交鉴频器。见图7-35 若输入信号很大，则乘法器仍然可等效为开关形式，这时的鉴频器称为符合门鉴频器。例如：)2cos(co

39、s21 tUutUucscs如如果果设设：第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调108则乘法器输出电流为：00222tanh()tanh()()()ssoccTTuuiII Kt KtVV )2( tKc)(tKc )2( tKc)(tKc ioio图7-50 两个开关波形相乘后的波形0( )a 0( )b 平均值随而变化(7-86)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调109V1V2V4V3R1R5V5V6V7V8R7V9V1010111312R2R3R4R6R8R9R101VD1LCR115R12V12V13R1423C14R13V11V16V14V15V17V18R15V

40、D6R16678R1714限 幅 中 放内 部 稳 压调 频 检 波VD2VD3VD4VD5RV19 图751 集成正交鉴频器 相乘电路V14、V15非移相输入V12、V18和V17、V3移相后输入L、R、C、C1移相网络2.集成正交鉴频器 图751是某电视机伴音集成电路第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调110移相网络如图752(a)所示，其传输函数为u1CLR u2(a)0f0f2(b)C1 图752 移相网络及其相频特性 u1CLR u2(a)0f0f2(b)C1 1111111000010001()111112111(),2j Cj C RH jj Cj CjRCCj LRL

41、j C Rj C Rj C Rjj QjQRQRCCQLLCC 其中：，(7-87)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调111可见，u1与u2之间的相位差为相频特性曲线见图752(b)。若设：当f / f01时，上式可写为可见，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均可使回路谐振频率等于载波频率。改变R可改变Q，从而改变鉴频特性。 )2sincos()sincos(2211 tmtUutmtUufcfc02arctanarctanffQ 0cos()sin22ofuUUUUQf (7-88)(7-89)(7-90)(7-91)第第 7 7章章 频率调制

42、与解调频率调制与解调1127.5.4 其它鉴频电路其它鉴频电路 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753(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。 第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调113C3V5V6RcI0uiV1V3V2V4EcL19u110u20f02f0f01U2U1U1、U2fuo0f02f0f01f(a)(b)(c)C4C1C2 图753 差分峰值斜率鉴频器 V1、V2射随器；V3、C3和V4、C4为两个包络检波器；V5、C6为差动放大器。移相网络，u

43、1为FM信号，u2为FM-AM信号C3V5V6RcI0uiV1V3V2V4EcL19u110u20f02f0f01U2U1U1、U2fuo0f02f0f01f(a )(b )(c )C4C1C2第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调11421112122112110111021121()111(1)1212()j LjL CCj CZj CLCCj Lj CfLCfL CC (7-92)(7-93)(7-94)因此，该网络有两个谐振频率从电路的移相网络，得到网络阻抗为： 当信号频率为f01时，u1最大，u2最小，当偏离f01时，u2增大，u1减小。当信号频率为f02时，u2最大，u1最

44、小，当偏离f02时，u1增大，u2减小。经检波和放大后，输出电压正比于U1-U2。因此它是一个双失谐斜率鉴频器。特性如图7-53(b)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调1152.晶体鉴频器 晶体鉴频器的原理电路如图754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。uFM(t)R1R2C1CR3C2VD1VD2u图754 晶体鉴频器原理电路第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调1160fqXqfcXcXqf0UcUqfqf0fcf(a )(b )f

45、0图755 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 0fqXqfcXcXqf0UcUqfqf0fcf(a )(b )f0 在晶体的fq和f0之间，电容C的容抗变化不大，因此C与晶体电抗的分压比由晶体电抗随频率的变化而决定。电容电压UC和晶体电压Uq随频率的变化如图7-55所示。第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调117Uo0fqf0fcf图756 晶体鉴频器的鉴频特性经过平衡包络检波器后 u=UC Uq因此得到图7-56的鉴频特性晶体鉴频器的特点是： 结构简单、调整容易、灵敏度高、但频率范围很窄，适合窄带解调，在宽带工作时需要扩展频带。第第 7 7章章 频率调

46、制与解调频率调制与解调1187.5.5 限幅电路限幅电路 把输入幅度变化的信号变成等幅输出的电路叫限幅器。 振幅限幅器的性能可由图757(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。 非线性器 件滤波器usuo(a)(b)UsmUp0Uom图757 限幅器及其特性曲线限幅电平第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调1191.二极管限幅器2121max1min2(),(),()0LDiDoiLDiDoDoDDREUuEUuuRREUuEUuEUuEUR 当时，二极管截止，当

47、二极管导通，输出被限幅在由于二极管导通电阻不为 ，所以，限幅区内输出随输入增大还会略有增大。图758 二极管限幅器及其波形LR第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调1201.三极管限幅器 当输入信号幅度很小时，电路是一放大器。 当输入信号幅度很大时，则在正半周时进入饱和区，负半周时进入截止区。这样就可以起到限幅的作用，抑制寄生调幅的影响。图758 三极管限幅器及其波形第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调1213.差分对限幅器 当输入信号比较小时，电路工作在线性区，相当于一个小信号放大器；但当信号比较大时，电路相当一个电流开关，集电极电流被限制在静态电流0和 I0=icmax。

48、起到限幅作用。图759 差分对限幅器及其波形第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调1227.6 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 特殊电路特殊电路 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760(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。 0Sno()0U ()(a )(b )图760- 调频解调器的输出噪声频谱 (a)功率谱；(b)电压谱 第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调123 语音、音乐信号的大部分

49、能量都集中在比较低的频率部分，所以，调频后，使的高频信号分量部分的信噪比大幅度降低。所以要在调制前，人为地改变调制信号，使其高频分量得到加强。在接收端，再设法降低高频分量，恢复原来的调制信号。这就叫预加重和去加重。 由于调频噪声频谱呈三角形，或者说与成线性关系，因此要求预加重网络的特性为： H(j)=j 这正是微分电路的频率特性，因此采用微分器做预加重电路，就等于用PM代替了FM，这对带宽利用很不经济。 因此可设计一个电路，使其在低频段不加重，而在高频段在预加重。图7-61是一个典型的预加重电路及其特性。第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调124 R1CR2012|H (j)/dB(

50、a )H (j) k1 j/11 j/2k(1 j/1)(b )（1）预加重电路图761 预加重网络及其特性(a)预加重网络；(b)频率响应 (a)21111111 . 22175RRkHzCRfSCR (b)R1CR2012|H (j)/dB(a)H (j) k1j/11j/2k(1j/1)(b)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调125 221112121212111221212122121212(1)()(1)()1(1)(1)1(1)(1)(1)RRjCRHjRRRjCRRjCRRjCRRjCRRjCR RRR RRRjCRRjRkjRRj 显然，在低频时，输出受频率影响很小

51、；但在高频端，输出随频率增高而增大。达到了预加重的目的。它的频率响应如图761(b)所示。 预加重网络的传输函数为：(7-95)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调126（2）去加重电路R1C(a )H (j)11 j/101|H (j)|/dB(b )图762 去加重网络及其特性(a)(b)111111111111)( jCRjCjRCjjH 去加重电路电路的传输函数为： 因此，在低频段，频率几乎不影响输出幅度，而在高频段，幅度随频率增高而下降，达到了去加重的目的。(7-96)第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调127 采用预、去加重网络后，对信号不会产生变化，但对信噪比

52、却得到较大的改善，如图763所示。Sno()去加重前去加重后(a)08160.11 /dB10(b)m10图763 预、去加重网络对信噪比的改善第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调1282.静噪电路 门限效应输入信噪比低于一定值时，鉴频器的输出信噪比将急剧减小，有用信号被湮没。在保证正常接收时所能允许的最低输入信噪比叫门限值，低于门限值引发的效应叫门限效应。 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

53、端的噪声就会急剧增加。因此需要采用静噪电路来解决这个问题。 第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调129鉴频低放静噪鉴频低放静噪图764 静噪电路接入方式第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调13050带 通滤波器5 kHz静噪0.16.2 k0.01100 k16 k1 k2.2100 k510 k112.2510 k14LM389音量鉴频器输 出100 k1 k15131210 k1612 V17 5100图765 静噪电路举例第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解调1317.6.2 调频发射机调频发射机 图766是一种调频发射机的框图。其载频fc=88108MHz,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。然后经过两级倍频和混频，得到覆盖88108MHz的调频信号。 调频信号带宽较宽，调制指数比较大，因此调频制具有优良的抗噪性能。但应工作在VHF段，国家规定为fc=88108MHz。第第 7 7章章 频率调制与解调频率调制与解