解调混频电路十五okok

1、作业：作业：4-16、4-17、4-18; 5-1、5-84.8 调频波的解调调频波的解调4.8.1 4.8.1 限幅电路限幅电路4.8.2 4.8.2 斜率鉴频器斜率鉴频器4.8.3 4.8.3 相位鉴频器相位鉴频器第五章第五章 混频器混频器5.1 5.1 混频器的性能指标混频器的性能指标 5.2 5.2 混频器的实现模型混频器的实现模型4.5.3 4.5.3 调角波的频谱及频带宽度调角波的频谱及频带宽度二极管包络检波器二极管包络检波器的工作原理的工作原理 133dcLRR133coscoscddciLvRKVR效率效率二极管包络检波器的失真二极管包络检波器的失真1.频率失真频率失真 2.

2、非线性失真非线性失真 3. 惰性失真惰性失真 4.负峰切割失真负峰切割失真代入代入A的表达式求得不产的表达式求得不产生惰性失真的条件是生惰性失真的条件是2max1 aLamR Cm453防止负峰切割失真，要求防止负峰切割失真，要求 iaLL(1)iVVmRrR也就是也就是aLrmrR11 (440)22ciidLavvVRRII 00coscostv tVtVt dt故余弦波也可写成故余弦波也可写成 00ttt dt4.5.1 瞬时频率与瞬时相位瞬时频率与瞬时相位 cosvtVt若调制信号若调制信号调相波为调相波为 0000coscoscoscosPMppvtVtk VtVtmt 0000co

3、ssincossinfFMfk VvtVttVtmt 调频波为调频波为maxcosfffmffmkVtdtk Vmk V maxpppmppmk vtk Vmk V (4-81)mm调频和调相波都满足：调频和调相波都满足： 由于调频波和调相波的方程式相似，因此只要分析其中一由于调频波和调相波的方程式相似，因此只要分析其中一种的频谱，则对另一种也完全适用。种的频谱，则对另一种也完全适用。已调频信号已调频信号)sincos()(f0tmtVtvFM已调相信号已调相信号)coscos()(p0tmtVtvPM)sinsin(sin)sincos(cosf0f0tmttmtV其中其中tnmJmJtmn

4、2cos)(2)()sincos(1fn2f0ftnmJtmn) 12sin()(2)sinsin(012fnf)(fnmJ是以是以mf为宗数的为宗数的n阶第一类贝赛尔函数。阶第一类贝赛尔函数。一、频谱一、频谱调制信号调制信号tVtcos)(v4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 已调频信号已调频信号)sincos()(f0tmtVtvFM)sinsin(sin)sincos(cosf0f0tmttmtV已调频信号已调频信号)sincos()(f0tmtVtvFM一、频谱一、频谱)12(cos)12(cos)()2cos()2cos()(cos)(000f1n2001fn20f0tntnmJVt

5、ntnmJtmJVnn4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 )sinsin(sin)sincos(cosf0f0tmttmtV已调频信号已调频信号)sincos()(f0tmtVtvFM0100200300( )()()cos()cos() ()cos(2 )cos(2 ) ()cos(3 )cos(3 ) FMffffvtJmJ mttJmttJmtt 一、频谱一、频谱4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 1) 单音调制时，调频波的频谱不是调制信号频谱的简单搬移，单音调制时，调频波的频谱不是调制信号频谱的简单搬移，而是由载波和无数对边带分量所组成，而是由载波和无数对边带分量所组成， 它们的振幅由

6、对应的它们的振幅由对应的各阶贝塞尔函数值所确定。其中，奇次的上、下边带分量振各阶贝塞尔函数值所确定。其中，奇次的上、下边带分量振幅相等、极性相反；偶次的振幅相等、极性相同。幅相等、极性相反；偶次的振幅相等、极性相同。 0100200300( )()()cos()cos() ()cos(2 )cos(2 ) ()cos(3 )cos(3 ) FMffffvtJmJ mttJmttJmtt 一、频谱一、频谱 2) 单音调制时，调频波边带分量振幅由对应的各阶贝塞尔函单音调制时，调频波边带分量振幅由对应的各阶贝塞尔函数值所确定。数值所确定。高阶贝塞尔函数的振幅迅速下降，宗数高阶贝塞尔函数的振幅迅速下降

7、，宗数 mf 越越小，一般情况下，函数值也越小。因此，如忽略小于某值的小，一般情况下，函数值也越小。因此，如忽略小于某值的边频分量，边频分量，调频波的频带宽度是有限的调频波的频带宽度是有限的。调制指数调制指数mf越大，具有较大振幅的边频分量就越多，占的带越大，具有较大振幅的边频分量就越多，占的带宽就宽。宽就宽。这与调幅波不同，在单频信号调幅的情况下，边频这与调幅波不同，在单频信号调幅的情况下，边频数目与调制指数无关。数目与调制指数无关。4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 3)载波分量和各边带分量的振幅均随载波分量和各边带分量的振幅均随mf变化而变化。对于某些变化而变化。对于某些mf值，载频或某

8、边频振幅为零。籍此可以测定调制指数值，载频或某边频振幅为零。籍此可以测定调制指数mf 。4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 上式表明，当上式表明，当V一定时，不论一定时，不论mf为何值，调频波的平均为何值，调频波的平均功率恒为定值，并且等于未调制时的载波功率。换句话说，改功率恒为定值，并且等于未调制时的载波功率。换句话说，改变变mf仅会引起载波分量和各边带分量之间功率的重新分配，但仅会引起载波分量和各边带分量之间功率的重新分配，但不会引起总功率的改变。不会引起总功率的改变。 4) 调频波的平均功率等于各频谱分量平均功率之和。因此，调频波的平均功率等于各频谱分量平均功率之和。因此，在电阻在电阻R

9、上，调频波的平均功率应为上，调频波的平均功率应为 )(2)(2)(20f21n21f2n2f202fnnmJmJmJRVP fnf )(2)(2122020nmJmJRVRV2204.5.3 调角波的频谱及频带宽度 若若V=1，R=1，则，则P=1/2 虽然调频波的边频分量有无数多个，但是，对于任一给定虽然调频波的边频分量有无数多个，但是，对于任一给定的的mf值，高到一定次数的边频分量其振幅已经小到可以忽略，值，高到一定次数的边频分量其振幅已经小到可以忽略，以致滤除这些边频分量对调频波形不会产生显著的影响。以致滤除这些边频分量对调频波形不会产生显著的影响。二、带宽二、带宽 通常规定：凡是振幅小

10、于未调制载波振幅的通常规定：凡是振幅小于未调制载波振幅的1(或或10，根，根据不同要求而定据不同要求而定)的边频分量均可忽略不计，保留下来的频谱分的边频分量均可忽略不计，保留下来的频谱分量就确定了调频波的频带宽度。量就确定了调频波的频带宽度。 如果将小于调制载波振幅如果将小于调制载波振幅l0的边频分量略去不计，则频的边频分量略去不计，则频谱宽度谱宽度BW可由下列近似公式求出：可由下列近似公式求出：FmBW) 1(2f1 . 0在实际应用中也常区分为：在实际应用中也常区分为：)(22,10)1(2, 1)(2, 1为为最最大大频频偏偏称称为为宽宽带带调调频频, ,波波频频带带相相同同与与称称为为

11、窄窄带带调调频频, ,mmfFMffFMfFMfAMffFmBmFmBmFBm调频波和调相波的频谱结构以及频带宽度与调制指数有密切的调频波和调相波的频谱结构以及频带宽度与调制指数有密切的关系。共同的规律：关系。共同的规律：调制指数越大，应当考虑的边频分量的数调制指数越大，应当考虑的边频分量的数目就越多，无论对于调频还是调相均是如此。目就越多，无论对于调频还是调相均是如此。 但是，由于调频与调相与调制频率但是，由于调频与调相与调制频率F的关系不同，仅当的关系不同，仅当F变变化时，它们的频谱结构和频带宽度的关系就互不相同。化时，它们的频谱结构和频带宽度的关系就互不相同。4.5.3 调角波的频谱及频

12、带宽度 FmBW) 1(2f1 . 0调频调频调相调相VkmfffVkmppp 调频波：仅当调频波：仅当F变化时，变化时，在常用的宽带调频制中，频率在常用的宽带调频制中，频率分量随分量随mf变化而变化，但同时变化而变化，但同时带宽基本恒定。因此又把调频带宽基本恒定。因此又把调频叫做恒定带宽调制。叫做恒定带宽调制。调相波：仅当调相波：仅当F变化时，频率分量不变，但带宽变化。增加变化时，频率分量不变，但带宽变化。增加F时，带宽增加。对于时，带宽增加。对于Fmin Fmax而言，而言， Fmax决定总的带宽，决定总的带宽，低端频率分量的频谱利用率不高低端频率分量的频谱利用率不高 。因此，模拟通信系统

13、中调。因此，模拟通信系统中调频要比调相应用得广泛。频要比调相应用得广泛。4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 m pmmm f在下列情况下计算调频波的（1） ， ；（2） ， ；（3） ， ；75mfKHz75mfKHz75mfKHz0.1FKHz1FKHz10FKHzF变化了100倍， 变化很小，故FM又称为恒定带宽调制。解：（1）0.12(750.1)150BWKHz（2）0.12(751)152BWKHz（3）0.12(7510)170BWKHz0.1BW0.1BW例题0.010.0121ffFBWmmF忽忽略略幅幅度度小小于于的的分分量量补充：PM波的谱及带宽,其分析方法与FM相同。调相

14、信号带宽为sp21BmF 直接调频法：调制器与振荡器合二为一， 特点是频偏大，但中心频率稳定度不高。分类： 矢量合成法 间接调频法 可变移相法 可变延时法 特点是中心频率稳定度高，但频偏较小。调频电路调频电路4.6 直接调频电路直接调频电路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电抗元件(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。 4.6 4.6 直接调频电路直接调频电路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Vr之间存在着如下关系:04931 ()()jjrD

15、CCVV Cj: 结电容；结电容；Cj0: 零偏电容；零偏电容； Vr: 电容两端电压；电容两端电压；VD: 二极管垒势电位差，二极管垒势电位差，0.7 或或 0.3；: 二极管变容指数；二极管变容指数；4.6.1 LC正弦波振荡器直接调频电路静态工作点为静态工作点为 vr = =V VQ Q时时, ,变容二极管结电容为变容二极管结电容为001 ()jjQQDCCCVV 设在变容二极管上加的调制信号电压为设在变容二极管上加的调制信号电压为 v(t)=Vmcost,则则( )cos()rQv tVVt (4-94) 将式（将式（494）代入式（）代入式（493）,得得001111cos()(co

16、s)()jjQDjQQDDCCVVtVCVVtVVV (496) 10(cos)jQDCCVtVV 有有(495) 001 ()jQDCCVV 令令 定义变容管的调制指数调制指数 m（电容受电压影响变化的程度）（电容受电压影响变化的程度） QDVmVV 10(cos)jCCmt 有有1( ) tLC 2) 变容二极管直接调频性能分析变容二极管直接调频性能分析 Cj为为变容二极管变容二极管电容。电容。 作为回路总电容接入回路。由此可作为回路总电容接入回路。由此可知知, ,若变容管上加若变容管上加V V( (t t),),就会使得就会使得 随时间变化（时变电容）随时间变化（时变电容）, ,此时振荡

17、频率为此时振荡频率为C C 221jjC CCCCC 其其中中 2020202(, )(, )f tCCmkmfCCC 经过书上详细的推导和简化可得经过书上详细的推导和简化可得： 00012323(, )coscoscosf tf kmf k AAtAtAt (4-105)上式中第一项是直流项会引起频偏，第二项为线性调频项，第三、上式中第一项是直流项会引起频偏，第二项为线性调频项，第三、第四项为非线性失真项。适当减小第四项为非线性失真项。适当减小m可减小频偏和非线性失真，但要可减小频偏和非线性失真，但要保证第二项线性调频足够大一般取保证第二项线性调频足够大一般取m=0.5;如果变容指数如果变容

18、指数 因此部分接入变容因此部分接入变容管的变容指数应尽可能接近管的变容指数应尽可能接近1 102310=1A =A =A =0, A. ，有有而而(4-106)n 若 =2, 具有线性调频特性：4110( )cos ()cctmtn2, 这时,上式可以展开成幂级数22111222 2( )cos()cos!ctmtmt /2/201( )1(1cos)(1cos)jctLCmtmtLC为增加最大频移，变容管可以直接接入LC并联谐振电路，可计算谐振频率变容二极管直接调频电路举例变容二极管直接调频电路举例 （a）实际电路）实际电路;（b）等效电路）等效电路 1000 pF4.3 k10 k1 k1

19、2 H3AG80D10 pF15 pF15 pF输出12 H33 pFL1000 pF20 H1000 pF1000 pF12 V22CC1E12 H调制信号输入偏置电压33 pFL15 pF10 pF(a)(b)1000 pF 如上如上图所示的是变容二极管直接调频电路。（图所示的是变容二极管直接调频电路。（1 1）高频振荡电路）高频振荡电路采用电容三端式振荡电路。（采用电容三端式振荡电路。（2 2）调制信号通过高频扼流圈加到两个）调制信号通过高频扼流圈加到两个背靠背的变容二极管上，变容二极管经背靠背的变容二极管上，变容二极管经33pF33pF电容接入振荡回路，实现电容接入振荡回路，实现调频。

20、（调频。（3 3）改变偏置电压和电感）改变偏置电压和电感L L可以实现中心频率的调整。可以实现中心频率的调整。4.6.2 电抗管直接调频电路有源器件-晶体管或场效应管可等效成一个纯电抗，将这个等效电抗接入振荡电路内谐振回路的一部分就构成电抗管直接调频电路。22121214 1114 112 () ()gmgmZVVZVZZZZIg VgVZ 1214 1134 114 () ( )emmmZVZIg Zj CRgCRCg 等等效效容容值值214 115 ()gDSSDmgPPvIdIgdVVV将电抗管接入振荡电路，把调制信号加到栅极，则等效容抗被信号调制，从而达到调频的功能。为得到高稳定度调频

21、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。 还有一种稳频的简单方法是直接对晶体振荡器调频。n 图4-43为变容二极管对晶体振荡器直接调频电路。4.6.3 晶体振荡器直接调频电路4.7 间接调频电路根据调频波和调相波的关系，将调制信号先积分，然后调相得到调频波,这种用调相得到调频波的方法就是间接调频. 10costcpv tVtk Kvt dt 1cossincossincpcfVv tVtk KtVtmt cosvtVt将调制信号表达式 代入上式得1fpVmk K式中n调相器的实现q矢量合成法：窄带调频可分为三个矢量相加，又称阿姆斯特朗法：调制系数小（ /12以内）q可变移相法：

22、载波通过中心频率受调制电压控制的调谐回路，因载波失谐而相位线性受控。（或者载波通过移相网络，而移相网络的相位偏移受调制信号线性控制）：调制系数小（/6以内）q可变时延法：电路的时延受调制信号线性控制：调制系数大（0.8 ）一、矢量合成法调相电路 coscoscoscoscossinsincosomcpmcpmcpvtVtmtVtmtVtmt电路模型及矢量合成原理00()()2()1()ZeLjRZ jjQZ je1.变容管调相原理实现不失真调相：1.选用2的变容管2.限制mp fo 时，则有时，则有，这时，这时次级回路呈次级回路呈电感性。电感性。01 CL )90(|0221122112 ZC

23、uLMZCuLMju 注意：式中注意：式中 为为次级回路阻抗。次级回路阻抗。)1(2222CLjrZ 2221rCLarctg 为为Z2的相角。的相角。由矢量图，由矢量图，u2超前超前u1的相位小于的相位小于/2，且随且随0 相相位位差差f221u221u 1u1du2du 所以：所以：|Ud1|Ud2|0|)|(|21 dddoUUKu)1(222211222CLjrCuLMjCjiu （3）当）当f fo 时，时， 次级回路呈电容性。次级回路呈电容性。 0C1L22 所以：所以：)90(|022122112 CZuLMCZuLMju其中：其中：)1(2222CLjrZ 222|1|rCLa

24、rctg 相相位位差差f可见：可见：u2超前超前u1的相位差大于的相位差大于/2，且且所以有：所以有： |Ud1|Ud2| 0|)|(|21 dddoUUKu221u221u 1u1du2du221u221u 1u1du2duf fo221u221u 1u1du2duuoo根据上述分析，相位鉴频器具有下图所示的鉴频特性曲线。根据上述分析，相位鉴频器具有下图所示的鉴频特性曲线。f f oou 互感耦合回路相位鉴频器中的互感耦合回路相位鉴频器中的耦耦合双回路是一个频合双回路是一个频相变换器，相变换器，它它把把FM波波u1(t)变换成变换成PMFM波波u2(t) ，而，而FM波波u1(t)与与PMF

25、M波波u2(t)经叠加后变换成两个经叠加后变换成两个AMFM波波ud1(t)， ud2(t)经包络检波器后即经包络检波器后即可恢复原调制信号，可恢复原调制信号， 相位鉴频器不具有自限幅作用，为了抑制调频信号在传输过程中形成的相位鉴频器不具有自限幅作用，为了抑制调频信号在传输过程中形成的寄生干扰调幅的影响，一般需要在接受机中放末级电路中加限幅器，而限寄生干扰调幅的影响，一般需要在接受机中放末级电路中加限幅器，而限幅器要求输入幅器要求输入FM信号的电压幅值较大，约为信号的电压幅值较大，约为13VPP，这就增加了调频接，这就增加了调频接收机中所需的中放和限幅放大器的级数。收机中所需的中放和限幅放大器

26、的级数。比例鉴频器比例鉴频器 （ratio discriminator）EoCDuFM+ uo- -LcCoVTVD2VD1C2C1R1R2CcEcC4C3L1L2MRLCLAB比例鉴频器具有自限比例鉴频器具有自限幅的作用幅的作用，且只要求且只要求前级中放提供零点几前级中放提供零点几伏的伏的FM信号电压就能信号电压就能正常工作，不需要另正常工作，不需要另加限幅放大器，这使加限幅放大器，这使调频接收机的电路简调频接收机的电路简化，化，体积可能缩小，体积可能缩小，降低成本。降低成本。 比例鉴频器的输出电压比例鉴频器的输出电压uo只取决于输入只取决于输入FM波瞬时频率的变化，而与输入波瞬时频率的变化

27、，而与输入FM幅度变化的大小无关。幅度变化的大小无关。 3. 直接脉冲计数式鉴频 从某种意义上讲，信号从某种意义上讲，信号频率就是信号电压或电频率就是信号电压或电流波形单位时间内流波形单位时间内过零过零点点( (或零交点或零交点) )的次数的次数。对于脉冲或数字信号，对于脉冲或数字信号，信号频率就是信号信号频率就是信号脉冲脉冲的个数的个数。基于这种原理。基于这种原理的鉴频器称为的鉴频器称为零交点鉴零交点鉴频器或脉冲计数式鉴频频器或脉冲计数式鉴频器器。第5章 混频器 1. 混频器的变频作用混频器的变频作用 混频器是频谱的线性搬移电路，是一个三端口（六端）网络混频器是频谱的线性搬移电路，是一个三端

28、口（六端）网络本地振荡信号本地振荡信号 )(LLfu一个中频一个中频输出输出信号：信号：)(IIfuuc (fc)uL (fL)uI (fI)混频器混频器tuc (t)tuI (t)tuL (t)有两个有两个输入输入信号：信号： 高频调制波高频调制波 )(ccfufcfc+Ffc+Ffuc的频谱的频谱fcfLfuL的频谱的频谱fIfI+FfI+FfuI的频谱的频谱tuc (t)tuc (t)tuL (t)tuL (t)tuI (t)tuI (t)混频的频谱搬移过程混频的频谱搬移过程 uDSB= uc乘法器uL带通滤波器uII I= =L L- -c c L c I I= =L L- -C C2

29、 maxmax两个输入信号与输出信号之间的关系：两个输入信号与输出信号之间的关系： 的包络形状相同，频谱结构相同，只是填充频谱不同，即，其中心的包络形状相同，频谱结构相同，只是填充频谱不同，即，其中心频率：频率： su输输入入信信号号Iu与与输输出出信信号号cLIfff 其中其中 输输出出高高中中频频输输出出低低中中频频cLcLIfffff调幅调幅(DSB为例为例) u乘法器带通滤波器uDSBuo2max o检波检波 uDSB乘法器低通滤波器uou max混频器与振幅调制、检波的区别混频器与振幅调制、检波的区别 (1)变频损耗变频损耗(增益增益)5.1 混频器主要性能指标混频器主要性能指标 同

30、样可定义变频电压增益定义为变频器中频输出电压振幅VI与高频输入信号电压振幅Vs之比,即IvcsVAV120lg(); 10lg()IvcACssUPAdBAdBUP 通常用分贝数表示变频增益,有定义变频功率损耗为中频输出功率PI与输入射频信号功率Ps之比,即IACsPAP二极管混频器产生变频损耗的因素：1)失配损耗； 2)混频器的管芯损耗； 3)非线性电导净变频损耗；(2)噪声系数噪声系数: 3) 动态范围 混频器正常工作时的微波输入功率范围。4) 混频器输入P1dB和输出P1dB 定义偏离线性1dB为混频器的1dB压缩点。输出P1dB输入P1dB5) 双音三阶互调与线性度7)隔离度指混频器各

31、个端口之间的隔离程度。8)镜像抑制度镜像干扰信号是与有用信号对称分布在本振信号的两侧的。混频后镜像干扰信号也会被搬移到与有用信号相同的频带内，造成干扰。6) 工作频率范围指每个端口的工作频率范围。9)本振激励功率混频器需要的合适的本振激励功率。10)端口电压驻波比(VSWR)端口电压驻波比是衡量各端口的匹配性能的参数。 混频器是频谱的线性搬移电路，完成频谱线性搬移功能的关混频器是频谱的线性搬移电路，完成频谱线性搬移功能的关键是获得两个输入信号的乘积项，可用双极晶体管、场效应管、键是获得两个输入信号的乘积项，可用双极晶体管、场效应管、模拟乘法器、二极管等器件实现。模拟乘法器、二极管等器件实现。

32、5.2 混频器的实现模型混频器的实现模型cossssvVtcosLLLvVt 本振信号本振信号:设输入信号：设输入信号：2max I I= = L L- - s svLvs 非线形非线形 元件元件 带通滤带通滤 波器波器乘法器乘法器 带通滤带通滤 波器波器那么两信号的乘积项为：那么两信号的乘积项为： coscos1cos()cos()2ImsLcLmsLLsLsvK VVttK VVttLvLL- sL+ svIvss则带通滤波器的中心频率为则带通滤波器的中心频率为 cLI ,带宽带宽 max2 B经带通滤波器的输出为：经带通滤波器的输出为：1cos()cos2ImsLLsIIvK V VtVtvIvsvL若实现高本振下混频，若实现高本振下混频， 非线性器件特性采用级数展开，其中平方项中有乘积项产生中频。非线性器件特性采用级数展开，其中平方项中有乘积项产生中频。图 5-7 晶体三极管混频器基本组态5.3 有源混频电路有源混频电路5.3.1 双极晶体管混频器双极晶体管混频器晶体三极管混频器原理电路如图5-7(a)所示。由晶体三极管频谱线