《高频电子线路》-第6章

6.1调角信号的基本特性6.1.1瞬时频率和瞬时相位余弦信号u(t)=Umcos[φ(t)]可用一个长度为Um，与实轴之间夹角为φ(t)的旋转矢量来表示，如图6-1所示。φ(t)称为余弦信号的瞬时相位，矢量按逆时针方向旋转，旋转的角速度为ω(t)，称为余弦信号的瞬时角频率，旋转矢量在实轴的投影即为余弦信号u(t)=Umcos[φ(t)]，瞬时相位φ(t)与瞬时角频率ω(t)之间的关系如下：（1）φ(t)等于旋转矢量在t时间内所旋转过的角度与初始相位之和，即下一页返回6.1调角信号的基本特性6.1.2调频波和调相波的数学表达式1．调频信号频率调制（简称调频，FM），即使载波的瞬时频率随调制信号线性变化，载波振幅不变，“瞬时频率”变化的大小与调制信号振幅强度呈线性关系，变化的周期由调制信号频率决定，设单频调制信号为上一页下一页返回6.1调角信号的基本特性上一页下一页返回6.1调角信号的基本特性上一页下一页返回6.1调角信号的基本特性2．调相信号相位调制（简称调相，PM），即使载波的瞬时相位随调制信号线性变化，载波振幅不变，瞬时相位变化的大小与调制信号振幅强度呈线性关系，变化的周期由调制信号频率决定3．调频信号与调相信号的比较调频信号和调相信号的有关表达式如表6-1所示，由调频信号和调相信号的有关表达式可见：上一页下一页返回6.1调角信号的基本特性6.1.3调角信号的频谱分析1．调角信号的频谱由式(6-7)和式(6-10)可以看出，在单频调制时，调频信号与调相信号的数学表达式相似，仅瞬时相偏分别随正弦函数或余弦函数变化，相位相差π/2，都表现为载波的瞬时相位受到调变，无本质区别，故统称为角度调制。两者的频谱结构相似，分析时可将调制指数mf和mp

用m代替，写成统一的调角信号表达式，即上一页下一页返回6.1调角信号的基本特性2．调角信号的带宽根据对调角信号的频谱分析可知，调角信号的边频分量有无限对，频带宽度为无限宽。对于一定的m，随着n的增大，Jn(m)的大小虽有起伏，但总的趋势是减小的。具有较大振幅的边频分量都集中在载频附近，且上下边频是对称的，离开载频较远的边频分量振幅都较小，即使舍去这些边频分量，也不会使调角信号产生明显的失真，因此调角信号的有效频带宽度是有限的。上一页下一页返回6.1调角信号的基本特性3．调角信号的功率调角信号的平均功率为调角信号的平均功率即为未经调制的载波功率，与调制指数m无关，调频时，只是导致能量从载频向边频分量转移，总能量不变，如何分配与调制指数m有关，故改变m的值将使载频与各边频分量的功率重新分配，但无论m多大，发射机末级均可工作于最大功率状态，提高了发送设备的利用率。4．调角信号的特点由于调角信号为等幅信号，其振幅不携带信息，因此可采用限幅电路消除干扰所引起的寄生调幅。上一页下一页返回6.1调角信号的基本特性与振幅调制相比，角度调制具有抗干扰能力强和设备利用率高的优点。但调角信号的有效带宽比调幅信号大，且有效带宽与调制指数m的大小有密切关系，调角信号频带利用率低，不宜在信道拥挤且频率范围不宽的短波波段使用，而适用于频率范围很宽的超高频或微波波段使用。上一页返回6.2调频和调相电路6.2.1直接调频和间接调频1．实现方法实现频率调制的方式一般有两种：一是直接调频；二是间接调频。2．主要技术指标1）调频特性的线性度调频电路输出电压的频率偏移Δf与调制信号uΩ的关系称为调频特性，如图6-9所示。为了不失真地传递信息，调频时要求调频波的频率偏移Δf与调制信号uΩ成正比，理想调频特性应该是线性的，但实际应用中会有非线性失真，要求在一定的调制电压范围内Δf与调制信号uΩ成近似线性关系。上一页下一页返回6.2调频和调相电路2）载波频率的稳定度调频信号的中心频率就是未调制时的载波频率fc，调频信号的频率在fc的基础上按照与调制信号成正比的规律变化，只有保持中心频率的高稳定度，才能保证接收电路能够正常接收；否则就有可能使调频信号的频谱落到接收机的通带范围以外，导致不能正常通信且会造成对邻近信道的干扰。不同调频系统对载频稳定度的要求是不同的，如调频广播系统要求载频漂移不超过±2kHz，调频电视伴音系统要求载频漂移不超过±500Hz。上一页下一页返回6.2调频和调相电路3）最大频偏实际电路的调频特性是非线性的，其中的线性部分在调制电压控制下能够实现的最大频率偏移称为最大频偏Δfm。最大频偏与调频指数和带宽有密切关系，不同的调频系统要求不同的最大频偏，所以调频电路能达到的最大频偏应满足要求。如调频广播系统要求的最大频偏Δfm=75kHz，调频电视伴音系统要求的最大频偏Δfm=50kHz。4）调制灵敏度调频特性原点处的斜率称为调制灵敏度，即单位调制电压变化产生的频率偏移，用SF表示，即上一页下一页返回6.2调频和调相电路单位为Hz/V，调频灵敏度SF反映了调制信号对频率偏移的控制能力，SF越大，单位调制电压所产生的频率偏移就越大。6.2.2直接调频电路变容二极管直接调频电路是广泛采用的一种直接调频电路，它是利用变容二极管反偏时所呈现的压控电容特性来实现变频作用的，在移动通信和自动频率微调系统中广泛使用。其特点是调频与振荡合二为一，可获得较大频偏，电路简单，工作频率高，固有损耗小，使用方便，但其频率稳定度较差。为了提高中心频率稳定度，可以加入晶体振荡器，但加入晶振后又会使最大频偏减小，可采用倍频和混频等措施来扩展晶振变容二极管调频电路的最大频偏。上一页下一页返回6.2调频和调相电路1．变容二极管直接调频原理将变容二极管直接接入LC正弦波振荡器的选频回路中就可构成直接调频电路，根据LC选频网络中电容的接入情况，变容二极管直接调频电路可分为两种：若LC选频网络中的总电容仅是变容二极管，称为全接入式；若LC选频网络中的总电容中，变容二极管仅是全部电容的一部分，则称为部分接入式。变容二极管全接入式直接调频电路的调频原理如图6-10所示。上一页下一页返回6.2调频和调相电路2．变容二极管直接调频电路实例变容二极管全接入式直接调频电路实例如图6-12所示，C4为高频耦合电容，振荡电路由L和变容二极管构成，并与振荡管组成电感三点式正弦波振动器；振荡管采用双电源供电，正电源通过由R5

、C5

和DZ1

构成的稳压电路给集电极提供稳定的直流电压，负电源通过由R2

、R4

、RP

、C6

和DZ2

构成的稳压电路给发射极供电，改变RP

可调节晶体管的电流，以控制振荡电压大小。6.2.3间接调频电路将调制信号积分后调相，是实现调频的另一种方式，称为间接调频。上一页下一页返回6.2调频和调相电路其特点是调制和振荡电路分开，可采用高稳定度的晶体振荡器来产生载频，从而提高中心频率的稳定度。其中的积分电路容易实现，故间接调频的关键是调相，实现调相的方法很多，主要可归纳为可变相移法、可变时延法、矢量合成法。6.2.4扩展频偏的方法中心频率稳定度和最大频偏均是调频电路的主要技术指标。在实际调频电路中，为了获得中心频率稳定而失真又很小的调频信号，往往又会导致最大频偏减小，当调频信号的最大频偏达不到要求时，就需要扩展最大频偏，可以采用倍频器和混频器来实现。上一页返回6.3鉴频和鉴相电路角度调制的解调就是从调角波中恢复出原调制信号的过程，其中，从调频信号中检出原调制信号的过程称为频率检波（鉴频、FD），从调相信号中检出原调制信号的过程称为相位检波（鉴相、PD）。6.3.1鉴频方法和鉴频特性1．鉴频方法鉴频的方法很多，主要分为直接鉴频法和间接鉴频法两大类。2．鉴频特性及技术指标鉴频器的功能是将输入调频信号的瞬时频率f(t)变换为相应的解调输出电压uo。鉴频器的主要特性是鉴频特性。下一页返回6.3鉴频和鉴相电路输出电压uo随瞬时频率f(t)的变化特性曲线称为鉴频特性曲线，典型的鉴频特性曲线如图6-22所示，又称其为S曲线。由鉴频特性曲线可知，鉴频电路的主要技术指标有以下几个。1）鉴频线性性理想鉴频电路输出低频解调电压uo与输入调频信号瞬时频率f(t)之间的关系应是线性的，但实际电路只有在中心频率fc附近的一定范围内才能获得近似线性关系。2）鉴频线性范围鉴频特性近似为直线所对应的最大频率范围称为鉴频线性范围，通常用2Δfmax来表示，也称为鉴频电路的带宽。通常要求鉴频器的线性范围2Δfmax大于调频信号最大频偏的2倍，即2Δfmax>2Δfm。上一页下一页返回6.3鉴频和鉴相电路3）鉴频灵敏度通常将鉴频特性曲线在中心频率fc处的斜率称为鉴频灵敏度，也即在鉴频线性范围内单位频偏产生的解调信号电压的大小，又称为鉴频跨导，用SD表示，即4）非线性失真由鉴频特性曲线的非线性所产生的失真称为非线性失真，要求电路的非线性失真应尽可能小。对于鉴频器来说，通常希望有较大的鉴频灵敏度，同时应满足对线性范围和非线性失真指标的要求。上一页下一页返回6.3鉴频和鉴相电路6.3.2斜率鉴频器电路在斜率鉴频电路中，频率-振幅线性变换网络通常采用LC并联回路或LC互感耦合回路，包络检波器通常采用二极管包络检波电路或差分检波电路，由差分检波电路检波的斜率鉴频器又称为差分峰值鉴频电路，主要用于集成电路中。本书主要讨论由LC失谐回路和二极管包络检波所构成的斜率鉴频器。6.3.3相位鉴频器电路相位鉴频器由频率-相位线性变换网络和鉴相器构成，鉴相器可分为乘积型和叠加型两种，采用乘积型鉴相器构成的相位鉴频器称为乘积型相位鉴频器；采用叠加型鉴相器构成的相位鉴频器称为叠加型相位鉴频器。上一页下一页返回6.3鉴频和鉴相电路6.3.4限幅器已调波信号在产生、发送、传输和接收过程中，不可避免地要受到各种干扰，这些干扰会使已调波信号的振幅发生变化，产生寄生调幅。在调幅信号上叠加的寄生调幅很难消除，而由于调频信号是等幅信号，可以先用限幅电路把叠加的寄生调幅消除，使其重新成为等幅信号，然后再进行鉴频。限幅电路是鉴频电路必不可少的辅助电路。用于鉴频的限幅电路通常由非线性器件和带通滤波器构成，其原理模型及限幅特性如图6-38所示。上一页下一页返回6.3鉴频和鉴相电路限幅器将幅值足够大的疏密程度不同的正弦调频信号转换成宽度不同的限幅调频波，带通滤波器调谐于载频上，带宽与调频信号带宽相同，可从限幅调频波中重新恢复出等幅的调频信号，消除了寄生调幅的影响。Up表示限幅器进入限幅状态的最小输入