第五章角度调制与解调电路-2.ppt

1、5.2调频电路,5.2.1调频电路概述,5.2.2直接调频,5.2.3张弛振荡电路实现直接调频,5.2.4间接调频电路调相电路,5.2.5扩展最大频偏的方法,5.2.1调频电路概述,一、直接调频和间接调频,1直接调频,调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号的变化规律。,被控的振荡器的种类有：LC 、晶体振荡器(产生调频正弦波图)；张弛振荡器(产生调频非正弦波）,直接调频：根据调频定义，直接改变振荡器的振荡 频率实现调频；,2间接调频,通过调相实现调频的方法。,间接调频：根据FM波与PM波的关系，即频率与相位的关系，实现调频。,FM波的表达式：,则：,方法：,由调频与调相的内

2、在联系，将调制信号进行积分，用其值进行调相，便得到所需的调频信号。, 载波电压 Vmcosct 通过调相器后引入一个附加相移 (t)，即 vO(t) = Vmcosct + (t)。, 若附加相移受到 v(t) 的积分值 k1 的控制，则输出的已调波信号为,vO(t) = Vmcosct +kpk1 ,vO(t) = Vmcosct +kf ,当 v(t) = Vmcos t 时，上式可表示为,式中，Mf = kp(k1Vm/) = m/，m = kpk1Vm,Mf：调频指数，与调制信号振幅 Vm 成正比。,调相器：实现间接调频的关键，作用：产生受调制信号线性控制的附加相移 (t) 。,优点：

3、调相电路的实现比较灵活。,1.调角信号的频宽：,L：有效边频对分量的数目，F：调制频率。,BW = 2LF,2卡森公式,BWCR = 2(M + 1)F,3调频信号的平均功率,二、调频电路的性能要求,1调频特性,(1)定义,描述瞬时频率偏移 f (= f - fc) 随调制电压 v 变化的特性。,(2)特性,(3)要求,在调制电压变化范围内是线性的。,2调频灵敏度,(1)定义,原点上的斜率:,单位为 Hz/V， SF 越大，调制信号对瞬时频率的控制能力就越强。,3中心频率准确度和稳定度,使接收机正常接收所必须满足的重要性能指标，否则，将造成信号失真，并干扰邻近电台信号。,4调频特性的非线性,(

4、1)中心频率偏离量,非余弦波形f(t) 的傅里叶级数展开式为：,f(t) = f0 + fm1cos t + fm2cos2 t + ,式中，f0 = f0 fc 为 f(t) 的平均分量，表示调频信号的中心频率由 fc 偏离到 f0 ，称为中心频率偏离量。,(2)非线性失真系数,评价调频特性非线性的参数为,5.2.2直接调频,一、工作原理及其性能分析,1工作原理,将可变电抗器件接入 LC 振荡回路中，其电容或电感量受调制信号控制，便可实现调频。,2可变电抗器件的种类,应用最广的是变容二极管。利用 PN 结反偏呈现的势垒电容而构成，。,变容二极管结电容与反向偏压 之间的关系为：,变容二极管,伏

5、安特性与一般二极管相同,优点：工作频率高、固有损耗小、使用方便。 接入方法：全接入、部分接入,1变容二极管作为振荡回路总电容的直接调频电路,(1)原理电路,Cj ：变容二极管的结电容，与 L 共同构成振荡器的振荡回路(全接入)。振荡频率为：,(2)性能分析, 归一化调频特性曲线方程,变容二极管的结电容：,VB ：PN 结的内建电位差，Cj(0)：v = 0 时的结电容， n ：变容指数，由 PN 结工艺结构定，在 6 之间。,变容二极管总电压 v = -( VQ + v )，且|v | VQ，代入：,式中，,将 Cj 代入 osc 0 = 中，得,式中，为 v = 0 的振荡(载波)角频率，与

6、VQ 有关。,-静态工作点 Q 上的结电容,-归一化的调制信号电压,称作归一化调频特性曲线方程，反映了振荡角频率 osc 随 x(即 v )变化的关系式。, 归一化调频特性曲线：指数 n 不同，f / fc 随 x 变化的曲线。,n = 2 时，调频特性曲线为线性曲线。,图 5-2-4归一化调频特性曲线,变容二极管作为振荡回路总电容，应选用 n = 2 的超突变结变容管。, 直接调频电路的性能,当 v(t) = Vmcos t 时，归一化调制信号电压：,其中，m = Vm /(VQ + VB)，若m 足够小， 级数展开式中x的三次方及其以上各次方项可忽略，则,将 代入，利用,可求得调频波的：,

7、A最大频偏,B中心频率偏移 c 的数值,C二次谐波分量的最大角频偏,D调频波的二次谐波失真系数,E中心角频率的相对偏离值,(3)讨论,变容二极管选定，变容指数 n则定，增大 m可增大相对 频偏， 但同时增大了非线性失真系数 kf2和中心频率偏移c;,最大相对频偏受 kf2 和 c 的限制。在满足 kf2 和 c的条件下，提高 c 可以增大调频波的最大角频偏值 m。, 当 n = 2 时，c = 0，2m = 0，实现不失真调频。, 变容二极管由 PN 结组成，其性能受温度影响较大，为减少影响，可采用部分接入电路。,2变容二极管部分接入振荡回路的直接调频电路,(1)原理电路,(2)性能分析,回路

8、总电容为,代入，得,相应的调频特性方程,(3)讨论,为实现线性调频：, 必须选用 n 大于 2 的变容二极管。 正确选择 C1 和 C2 的大小。,部分接入，结电容仅为回路总电容的一部分，对振荡频率的调变能力比全部接入低。,图 5-2-7,部分接入，最大角频偏：,式中,p = (1 + p1)(1 + p2 + p1 p2),p1 = CjQ / C2， p2 = C1 / CjQ,比较全部接入最大角频偏：,可见，减小了 1/p，而 p 恒大 于 1。,当 CjQ 一定时，C2 越小，P1 越大；C1 越大，P2 越大，其结果都使 p 值增大，因此 m 越小。,二、电路组成,控制电路的接入原则

9、：既可将 VQ 和 v 加到变容二极管上，实现控制作用，又不影响振荡器的正常工作。,L1：高频扼流圈，对高频开路，对直流和调制频率短路。,C2：高频滤波电容，对高频短路，对调制频率开路。,C1：隔直电容。对高频短路，对调制频率开路，VQ 和 v 可有效加到变容二极管上。, 对于高频，由于 L1 开路、C2 短路，因而是由 L 和 Cj 组成的振荡电路，不受控制电路影响。, 对于直流和调制频率，C1 阻断，因而 VQ 和 v 可有效地加到变容二极管上，不受振荡回路影响。,(1)中心频率为 140 MHz 的变容二极管直接调频电路。,图 5-2-9140 MHz 变容管直接调频电路, T 的直流偏

10、置：双电源供电, 振荡电路变容管全接入的 电感三点式, D 的直流偏置, 调制信号接入 型滤波,(2) 中心频率为 90 MHz 的直接调频电路,图 5-2-1190 MHz 直接调频电路及其高频通路, Q 点 振荡电路：变容管部分接入、电容三点式 变容管控制电路 调制电路：v(t) 经 47 F 隔直电容和 47 H 高频扼流圈加到变容管上,(3) 100 MHz 晶体振荡器的变容二极管直接调频电路,图 5-2-12晶体振荡器的变容管直接调频电路,T1：音频放大器； T2 ：皮尔斯晶体振荡器 谐振回路：调谐在三次谐波,5.2.4间接调频电路调相电路,实现间接调频电路的关键：调相电路。,图 5

11、-2-1,二、可变相移法调相电路,1实现原理,载波电压 Vmcosct 通过可控相移网络,该网络在 c 上产生的相移 (c) 受调制电压的控制，且呈线性关系即 (c) = kpv(t) = Mpcos t，其输出电压便为所需的调相波，即 vo(t) = Vmcosct + (c) = Vmcos(ct + Mpcost),2实现方法变容二极管调相电路,(1)原理图,图 5-2-24可变时延法调相电路的实现模型,Cj (D)、L 组成谐振回路，由角频为 c 的电流源 iS(t) = Ismcosct 激励； Re：回路的谐振电阻。,图 5-2-22(a) (b),(2)工作原理,并联谐振回路，阻

12、抗：,其中：,变容二极管上的电压 v = - (VQ+v) = - ( VQ+Vmcost)，相应的 Cj 为,图 5-2-21(b),设 v = 0，Cj = CjQ ，谐振回路的谐振角频率 0 等于输入激励电流的角频率 c ，即 0 = c = 1/ ，当加上 v ，0将随 v 而变化，其值(参考式 5-2-10)为,图 5-2-21(b),回路提供的相移 z() 将随 v 即 0 而变化。,因此，iS(t) 在回路上产生的电压将是相位受 v 调变的调相信号。,3不失真调相的条件,(1)对 m 的限制,将 用幂级数,展开,忽略二次方小项,式中,可见， 必为小值。,(2)对 Mp 的限制,根

13、据正切函数特性，当 时，tanz() z()，由此引入的误差小于 10%，工程上是允许的。因此,当 = c 时,通常满足 0(t) c，上式简化为,式中，Mp = QenmMp 应小于 /6。,结论：不失真调相条件,选用 n = 2 的变容二极管。 限制 m 为小值，保证 0(t) 不失真地反映 v 。 限制 Mp 小于 /6。,4实际电路(p278，图 5-2-22),图 5-2-22(a)实用电路(b)高频通路(c)调制频率通路,L 、D ：谐振回路。 R1 和 R2 ：隔离电阻隔离谐振回路输入和输出。,R4：隔离电阻，隔离变容二极管控制电路、偏压源(9V)、调制信号源。,C1、 C2 、

14、 C3 ：隔直耦合电容。,R3、C4 ：高频波； 音频积分,若 C4 取值较大，则 v (t) 在积分电路 R3C4 中产生的电流 i(t) v(t) / R3，向电容 C4 充电，故 D 上的调制信号电压,若 v(t) = Vmcos t，D 上的调制信号电压,这样，调相电路便转换为间接调频电路。,四、间接调频与直接调频电路性能上的差别,调相电路能够提供的最大线性相移 Mp 均受到调相特性非线性的限制，且其值都很小。,对间接调频 Mf = kp(k1Vm/) = m/(5-2-3),故 m = kpk1Vm ，调相电路选定后，只与 Vm 有关而与 c 无关。间接调频限制的是绝对频偏 m。,对

15、直接调频 (5-2-12) 与 c 成正比，c 增加，m 随之提高，故限制的是最大相对频偏。,所以，两种调频受限制的参数不同。增大 c，可以增大直接调频电路中的 m，对间接调频电路中的 m 无济于事。,对于间接调频，若调制信号是复杂信号，则当 Vm 即m 一定时， 越小，Mf =( m / )就越大，当 = min 时，Mf 达到最大值，且这个值不能超过调相器提供的最大线性相移 Mp，因而最大频偏必须在最低调制频率上求得，即 m = Mf min,才能保证在整个调制频率范围内的 Mf 不超过 Mp 。,5.2.5扩展最大频偏的方法,1问题的提出,m 是频率调制器的主要性能指标，若实际调频设备需要的 m不能达到，则需扩展。,2扩大最大频偏的方法倍频,设调频波瞬时角频率为 = c + mcos t，通过 n 倍频器，其瞬时角频率增大 n 倍，变为 nc + nmcos t。可见倍频器可不失真地将 c 和 m 同时增大 n