频率调制与解调-2

1、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 调频器调频器 实现调频的电路或部件称为实现调频的电路或部件称为调频器调频器(频率调制器频率调制器)或调或调频电路。频电路。 对调频器的要求有调制性能和载波性能：对调频器的要求有调制性能和载波性能：（1）调制

2、特性）调制特性线性线性要好。要好。 （2）调制）调制灵敏度灵敏度要高。要高。 （3）载波载波性能要好。性能要好。（4）最大频偏最大频偏要满足要求，并且在保证线性度的条件要满足要求，并且在保证线性度的条件下要尽可能地大一些，以提高线性范围。下要尽可能地大一些，以提高线性范围。第7章 频率调制与解调 图710 调频特性曲线 U0f第7章 频率调制与解调 7.2.2 调频方法 1直接调频法直接调频法 一般是用调制电压一般是用调制电压直接控制直接控制振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率,使振荡频率使振荡频率f(t)按调制电压的规律变化。按调制电压的规律变化。 若被控制的是若被控制的是LC振荡器振荡器,则只

3、需控制振荡回路则只需控制振荡回路的某个元件的某个元件(L或或C),使其使其参数随调制电压变化参数随调制电压变化,就可达到直接调频的目的。就可达到直接调频的目的。 优点是在实现线性调频的要求下，可以获得较优点是在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏，其主要大的频偏，其主要缺点是缺点是频率稳定度差。频率稳定度差。第7章 频率调制与解调 间接调频时，调制器与振荡器是分开的，载波振荡器可以间接调频时，调制器与振荡器是分开的，载波振荡器可以具有具有较高的频率稳定度和准确度较高的频率稳定度和准确度，但较为复杂。，但较为复杂。 实现间接调频的关键是如何进行实现间接调频的关键是如何进行相位调制相位调制。通

4、常。通常,实现相位实现相位调制的方法有如下三种调制的方法有如下三种: (1）矢量合成法。）矢量合成法。 针对的是针对的是窄带的窄带的调频或调相信号。对于单音调相信号：调频或调相信号。对于单音调相信号： uPM=Ucos(ct + mpcost) =Ucosctcos(mpcost) - Usin(mpcost)sinct 当当mp/12时时,上式近似为上式近似为 uPMUcosct-Umpcostsinct （720）2间接调频法间接调频法第7章 频率调制与解调 图711 矢量合成法调 f (t)放大器cos ctAMf (t)放大器cos ctPMsin ct/2(a)(b)f (t)cos

5、 ctFMsin ct/2(c)第7章 频率调制与解调 (2）可变移相法。）可变移相法。 利用调制信号控制移相网络或谐振回路的利用调制信号控制移相网络或谐振回路的电抗或电阻电抗或电阻件来件来实现调相。实现调相。 (3）可变延时法。）可变延时法。 将载波信号通过一将载波信号通过一可控延时网络可控延时网络, 延时时间延时时间受调制信号控受调制信号控制制,即即 =kdu(t) 则输出信号为则输出信号为 u=Ucosc(t-)=Ucosct-kdcu(t) 输出信号已变成调相信号了。输出信号已变成调相信号了。 第7章 频率调制与解调 3.扩大调频器线性频偏的方法 对于直接调频电路对于直接调频电路,调制

6、特性的调制特性的非线性非线性随最大相对随最大相对频偏频偏fm/fc的增大而增大。的增大而增大。 当当最大相对频偏最大相对频偏fm/fc限定限定时时,对于特定的对于特定的fc, fm也也就被限定了就被限定了,其值与调制频率的大小无关。其值与调制频率的大小无关。 如果在如果在较高的载波频率较高的载波频率上实现调频，则在相对频上实现调频，则在相对频偏一定的条件下，可以获得较大的绝对频偏。偏一定的条件下，可以获得较大的绝对频偏。 采用间接调频时，受到采用间接调频时，受到非线性限制非线性限制的不是相的不是相对频偏也不是绝对频偏、而是最大相偏。对频偏也不是绝对频偏、而是最大相偏。第7章 频率调制与解调 7

7、.3 调频电路调频电路 7.3.1 7.3.1 直接调频电路直接调频电路 1.变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路 1) 变容二极管调频原理变容二极管调频原理 其其结电容结电容Cj与在其两端所加与在其两端所加反偏电压反偏电压u之之间存在着如下关系间存在着如下关系:0(1)jCCuu（721） 第7章 频率调制与解调 图712 变容管的Cju曲线 0Cj21/31/2u/V(a)0Cj/pFu/V(b)2060402468第7章 频率调制与解调 静态工作点为静态工作点为EQ时时,变容二极管结电容为变容二极管结电容为0(1)jQQCCCEu（722） 设在变容二极管上加的设在变容二极管上加

8、的调制信号电压调制信号电压为为 u(t)=Ucost,则则( )cosQQuEutEUt（723） 第7章 频率调制与解调 将式（723）代入式（721）,得000cos(1)co1(1)(s1cos()()(1cos)QjQQQQQQQCCEUtuCuECEuUtEuuEUtuuECEtum(724) 第7章 频率调制与解调 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 （1）Cj为回路为回路总电容总电容。 图图713为一变容二极管直接调频电路为一变容二极管直接调频电路,Cj作为回路总电作为回路总电容接入回路。图容接入回路。图7-13（b）是图）是图713（a）振荡回路的）振荡

9、回路的简化高频电路。简化高频电路。 由此可知由此可知,若变容管上加若变容管上加u(t),就会使得就会使得Cj随时间变随时间变化（化（时变电容时变电容）,如图如图714(a)所示所示,此时振荡频率为此时振荡频率为/2/211( )(1cos)(1cos)cjQtmtmtLCLC（725）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 Rb2Rb1ReEcCcLCcVDuEQCbLcCjL(a)(b)Cc/2/211( )(1cos)(1cos)cjQtmtmtLCLC第7章 频率调制与解调 在上式中在上式中,若若=2,则得：则得：( )(1cos)( )cctmtt （726

10、）一般情况下一般情况下,2, 将式（将式（725）可以）可以展开成幂级数展开成幂级数222221( )1cos(1)cos22! 2 2( )(1)cos(1)cos28 228 2coscos2ccoccccmmtmtmttmtmtttm 忽略高次项： 振荡频率随时间变化的曲线如图振荡频率随时间变化的曲线如图714(b)所示。所示。/2/211( )(1cos)(1cos)cjQtmtmtLCLC第7章 频率调制与解调 图714 变容管线性调频原理oCjCQtu oCjt(a)off0tCoft(b)off0toft(c)uEQCQEQ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（

11、调频灵敏度可以通过调制特性或式（727）求出。）求出。根据调频灵敏度的定义根据调频灵敏度的定义,有有222mcccffQQmkSUUEuE （729） 二次谐波失真系数可用下式求出二次谐波失真系数可用下式求出:221(1)4 2mfmKm (728) 第7章 频率调制与解调 图715 加在变容管上的电压0Cj直流偏置点高频电压低频调制信号u第7章 频率调制与解调 特点特点 Cj作为回路总电容的直接调频电路中，输出频偏大，作为回路总电容的直接调频电路中，输出频偏大，调调制灵敏度高制灵敏度高。 调频振荡器的中心频率由调频振荡器的中心频率由CQ直接决定，而直接决定，而CQ随温度、随温度、电源电压的变

12、化而变化，会造成电源电压的变化而变化，会造成振荡频率稳定度下降振荡频率稳定度下降。 荡回路的高频电压完全作用于变容管上，使变容管的结荡回路的高频电压完全作用于变容管上，使变容管的结电容受到直流偏置电压、调制电压和振荡高频电压的共电容受到直流偏置电压、调制电压和振荡高频电压的共同控制。变容管的电容值应由每个高频周期内的同控制。变容管的电容值应由每个高频周期内的平均电平均电容容来确定。会产生寄生电容。来确定。会产生寄生电容。第7章 频率调制与解调 图716 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/pF353025201510500.5 0.7

13、 1.01.52.0U1/VCj/pF40251574321.522.54EQ/V2.55689102030356 7 8 9 10U11.5V1V0.5V(a)(b)EQ2 V2.6 V2.7 V3 V3.3 V3.5 V4 V4.5 V5 V6 V第7章 频率调制与解调 （2）Cj作为回路部分电容接入回路。作为回路部分电容接入回路。 在实际应用中在实际应用中,通常通常2, Cj作为回路总电容将会使调频作为回路总电容将会使调频特性出现非线性特性出现非线性,输出信号的频率稳定度也将下降。输出信号的频率稳定度也将下降。 通常利用对变容二极管通常利用对变容二极管串联或并串联或并联联电容的方法来调整

14、电容的方法来调整回路总电容回路总电容C与电压与电压u之间的特性。之间的特性。 第7章 频率调制与解调 图图717就是变容管部分接入回路的情况。这样就是变容管部分接入回路的情况。这样,回路回路的总电容为的总电容为221122212(1co(1cos)(1cos)s)jQjQQQC CC CmtCCCCCCCC CCCmtmCt（730） 图717 部分接入的振荡回路 LC1C2Cj第7章 频率调制与解调 振荡频率为 221222221( )(1coscos)coscos222ccccctAmtA mtAAmAmtmt 式中 21212222111221()231(1)18421(1)(1)cQQ

15、C CL CCCApAppppppp pp 第7章 频率调制与解调 11221221( )coscos2 220.5 2ccQmcQAAf tmfmAtmtCCfAmfmfpCppCm 部分接入适合频偏较小的情况，瞬时频通常最大频偏为移：从式（从式（732）可以看出）可以看出,当当Cj部分接入时部分接入时,其最大频偏为其最大频偏为（733） 第7章 频率调制与解调 图718 Cj与固定电容串、并联后的特性 C/pF7060502010510.10.5125u/VC1CjC2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）等效电路 1000 pF4.3 k10

16、 k1 k12 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第7章 频率调制与解调 2. 晶体振荡器直接调频电路晶体振荡器直接调频电路 变容二极管（对变容二极管（对LC振荡器）直接调频电路的中心振荡器）直接调频电路的中心频率频率稳定度较差稳定度较差。 为得到高稳定度调频信号为得到高稳定度调频信号,须采取稳频措施须采取稳频措施,如增加如增加自动频率微调电路或锁相环路。稳频的简单方法自动频率微调电路或锁相环路。稳频的简单

17、方法是直接对是直接对晶体振荡器调频晶体振荡器调频。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R3CjR4R2C2C1R5C3R1R6输出EcC2CjC1(a)(b)第7章 频率调制与解调 图图720（a）为变容二极管对晶体振荡器直接调）为变容二极管对晶体振荡器直接调频电路频电路,图（图（b）为其交流等效电路。）为其交流等效电路。 此电路为此电路为并联型晶振皮尔斯电路并联型晶振皮尔斯电路,其稳定度高于密勒电其稳定度高于密勒电路。其中路。其中,变容二极管相当于晶体振荡器中的变容二极管相当于晶体振荡器中的微调电容微调电容,它与它与C1、C2的

18、串联等效电容作为石英谐振器的负载电的串联等效电容作为石英谐振器的负载电容容CL。此电路的振荡频率为此电路的振荡频率为1012()qqLCffCC（734） 第7章 频率调制与解调 CeEc(a)C1C2C3(b)C1VCEBC2Ub.gmUb.C3CqLqrqC011231111110 (1)2eLLqqqLoqLoXCCCCCCCppffCCCCC 其中：皮尔斯振荡器的工作频率应由皮尔斯振荡器的工作频率应由C1、C2、C3及晶体构成的回路决定及晶体构成的回路决定,第7章 频率调制与解调 3. 张弛振荡器直接调频电路张弛振荡器直接调频电路 调制信号控制恒流源发生器调制信号控制恒流源发生器,当调

19、制信号为零时当调制信号为零时,恒流源恒流源输出电流为输出电流为I;当有调制电压时当有调制电压时,输出电流为输出电流为I+I(t),I(t)与调制信与调制信号成正比。号成正比。 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IIabus调 频三角波uTI压控开关第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)UminUmaxus0U1U20uTU2U1t0usUmaxUmint(b)恒流源发生器反相器调制电压积分器电压比较器IIabus调 频三角波uTI压控开关第7章 频率调制与解调 7.3.2 7.3.2 间接调频电路间接调频电路1、回路参数移相电路、回路参数移相电路 图图724是一个变容二极管调相电路。将受调制信号控制是一个变容二极管调相电路。将受调制信号控制的变容管作为振荡回路的一个元件。的变容管作为振荡回路的一个元件。Lc1、Lc2为高频扼流为高频扼流圈圈