调频方法概述

1、10.3 调频方法的概述 因为频率调制不是频谱线性搬移过程，它的电路就不能采用乘法器和线性滤波器来构成，而必须根据调频波的特点，提出具体实现的方法。对于调频电路的性能指标，一般有以下几方面的要求： 1线性的调制特性。即已调波的瞬时频率变化与调制信号成线性关系。 2具有较高的调制灵敏度。即单位调制电压所产生的振荡频率偏移要大。 3. 最大频率偏移与调制信号频率无关。 4. 未调制的载波频率（即已调波的中心频率）应具有一定的频率稳定度。 5. 无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。 实现调频的方法分为直接调频和间接调频两大类。,10.3.1 直接调频原理 直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振

2、荡频率，使其反映调制信号变化规律。要用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的元件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现直接调频。 1改变振荡回路的元件参数实现调频 在LC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC振荡回路的电感L和电容C。在RC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是电阻和电容。因而，根据调频的特点，用调制信号去控制电感、电容或电阻的数值就能实现调频。,调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有二极管和场效应管。 2控制

3、振荡器的工作状态实现调频 在微波发射机中，常用速调管振荡器作为载波振荡器，其振荡频率受控于加在管子反射极上的反射极电压。因此，只需将调制信号加至反射极即可实现调频。 若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡频率。,10.3.2 间接调频原理 调频波的数学表示式，在调制信号为u(t)时，为 uFM(t)=Ucm cosct+kf 可见调频波的相位偏移为kf ，与调制信号u(t)的积分成正比。 若将调制信号先通过积分器得 ，然后再通过调相器进行调相，即可得到调制信号为 的调相波，即 u(t)=Ucm cosct+kP ,因此，调频可以通过调相间接实现。

4、通常将这样的调频方式称为间接调频，其原理方框图如图10-1所示。这样的调频方式采用频率稳定度很高的振荡器(例如石英晶体振荡器)作为载波振荡器，然后在它的后级进行调相，得到的调频波的中心频率稳定度很高。 图10-1 间接调频原理方框图,10.4 变容二极管直接调频电路 10.4.1. 变容二极管调频电路 1变容二极管的特性 变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变而变化的原理设计的。在加反向偏压时，变容二管呈现一个较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会明显地随调制电压而变化，

5、从而改变振荡频率，达到调频的目的。,变容二极管的反向电压与其结电容呈非线性关系。其结电容Cj 与反向偏置电压ur之间有如下关系： (10-19) 式中，UD 为PN结的势垒电压，Cj0 为ur =0时的结电容;为电容变化系数。 2调频基本原理 图10-2 变容二极管调频电路,图10-2是变容二极管调频器的原理电路。图中虚线左边是一个LC正弦波振荡器，右边是变容二极管和它的偏置电路。其中Cc是藕合电容，ZL为高频扼流圈，它对高频信号可视为开路。变容二极管是振荡回路的一个组成部分，加在变容二极管上的反向电压为 ur =VccVB+u(t)=VQ+u(t) (10-20) 式中，VQ=VccVB是加

6、在变容二极管上的直流偏置电压；u(t)为调制信号电压。,图10-3 结电容随调制电压变化关系 图10-3(a)是变容二极管的结电容与反向电压ur的关系曲线。由电路可知，加在变容二极管上的反向电压为直流偏压VQ和调制电压u(t)之和，若设调制电压为单频余弦信号，即u (t)=Umcost则反向电压为 ur (t)= VQ+Um cost (10-21),如图10-3(b)所示。在ur (t)的控制下，结电容将随时间发生变化，如图10-3(c)所示。结电容是振荡器振荡回路的一部分，结电容随调制信号变化，回路总电容也随调制信号变化，故振荡频率也将随调制信号变化。只要适当选取变容二极管的特性及工作状态

7、，可以使振荡频率的变化与调制信号近似成线性关系，从而实现调频。 3. 电路分析 设调制信号为u(t)=Um cost，加在二极管上的反向直流偏压为 VQ，VQ的取值应保证在未加调制信号时振荡器的振荡频率等于要求的载波频率，同时还应保证在调制信号u (t)的变化范围内保持变容二极管在反向电压下工作。加在变容二极管上的控制电压为 ur (t)= VQ+Um cost,相应的变容二极管结电容变化规律为 当调制信号电压u(t)=0时，即为载波状态。此时ur(t)=VQ，对应的变容二极管结电容为CjQ 当调制信号电压u(t)=Um cost时， (10-22),代入式(10-22),并令m= Um /(

8、UD+VQ)为电容调制度，则可得 (10-23) 上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关系。而变容二极管调频器的瞬时频率与调制电压的关系由振荡回路决定。由图10-2可得，振荡器振荡回路的等效电路，如图10-4(a)所示。 图10-4 振荡回路等效电路,1)变容二极管作为振荡回路的总电容 设C1未接入,Cc较大,即回路的总电容仅是变容二极管的结电容,其等效回路如图10-4(b)所示。加在变容二极管上的高频电压很小,可忽略其对变容二极管电容量变化的影响,则瞬时振荡角频率为 (10-24) 因为未加调制信号时的载波频率 ,所以 （10-25） 根据调频的要求,当变容二极管的结电容作为回路总电容

9、时,实现线性调频的条件是容二极管的电容变化系数=2。,若变容二极管的电容变化系数不等于2，设u(t)=Um cost ，则 可以在 mcost=0处展开成为泰勒级数，得 (10-26) 通常m1，上列级数是收敛的。因此,可以忽略三次方项以上的各项,则,从上式可知,对于变容二极管调频器,若使用的变容二极管的变容系数2,则输出调频波会产生非线性失真和中心频率偏移。其结果如下： (1). 调频波的最大角频率偏移 (10-27) (2).调频波会产生二次谐波失真,二次谐波失真的最大角频率偏移 (10-28) 调频波的二次谐波失真系数为 (10-29),(3)调频波会产生中心频率偏移，其偏离值为 (10

10、-30) 中心角频率的相对偏离值为 (10-31) 综上所述，若要调频的频偏大，就需增大m，这样中心频率偏移量和非线性失真量也增大。 在某些应用中，要求的相对频偏较小，而所需要的m也就较小。因此，这时即使不等于2，二次谐波失真和中心频率偏移也不大。由此可见，在相对频偏较小的情况下，对变容二极管值的要求并不严格。,2)变容二极管部分接入振荡回路 变容二极管的结电容作为回路总电容的调频电路的中心频率稳定度较差，这是因为中心频率fc决定于变容二极管结电容的稳定性。当温度变化或反向偏压VQ不稳时，会引起结电容的变化,它又会引起中心频率较大变化。为了减小中心频率不稳,提高中心频率稳定度，通常采用部分接入的办法来改善性能。 变容二极管部分接入振荡回路的等效电路如图10-4(a)所示。变容二极管和Cc串联，再和C1并联，构成振荡回路总电容C (10-32),加调制信号u(t)=Um cost后，总回路电容C为 (10-3