哈工大高频赵雅琴课件第八章剖析.ppt

1、8.1 概述 8.2 鉴相器 8.3 鉴频器 8.4 数字鉴频与数字鉴相,第8章 调角电路的解调电路,掌握典型调角信号解调电路的功能、结构、工作原理、分析方法和性能特点。 了解数字调角信号解调方式及其实现电路。,教学基本要求,1. 解调电路的功能,调角信号解调电路：从调角波中取出原调制信号。 调相波的解调电路：是从调相波中取出原调制信号，即输出电压与输入信号的瞬时相位偏移成正比，又称为鉴相器。 调频波的解调电路：是从调频波中取出原调制信号，即输出电压与输入信号的瞬时频率偏移成正比，又称为鉴频器。,8.1 概述,(1) 鉴相特性曲线 即鉴相器输出电压与输入信号的瞬时相位偏移的关系。通常要求是线性

2、关系。 (2) 鉴相跨导 鉴相器输出电压与输入信号的瞬时相位偏移的关系的比例系数。 (3) 鉴相线性范围 通常应大于调相波最大相移的二倍。 (4) 非线性失真 应尽可能小。,2. 鉴相器的主要技术指标,3. 鉴频器的主要技术指标,(1) 鉴频特性曲线 即鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频率偏移的关系。通常要求是线性关系。 (2) 鉴频跨导 鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频率偏移的关系的比例系数。 (3) 鉴频线性范围 通常应大于调频波最大频移的二倍。 (4) 非线性失真 应尽可能小。,8.2 鉴相器, 通常可分为模拟电路型和数字电路型两大类。 在集成电路系统中，常用的有： 模拟乘法器构成的乘积型

3、鉴相 数字门电路构成的门电路鉴相,乘法器回顾,1. 乘积型鉴相电路,采用模拟乘法器作为非线性器件进行频率变换，然后通过低通滤波器取出原调制信号。,一般来说u1和u2为正交关系，以取得正弦形鉴相特性。例如：,u1 ：是输入的需解调的调相波。 u2 ：是由u1变化来的，或是系统本身产生的与u1有确定关系的参考信号。,乘法器,低通 滤波器,u1,u2,ku1u2,uo,(1) u1为小信号，u2为小信号,当u1和u2均小于26mV时，根据模拟乘法器的特性，输出电流：,经低通滤波器滤波，在负载RL可得输出电压为：,（2）线性鉴相范围：,鉴相特性曲线 ：,1 (t)是u1和u2的相位差，通常用e(t)来

4、表示。 uo和e(t)呈 正弦 关系。,小信号正交乘积鉴相特性,（1）鉴相跨导S,当： 时，,单位：,当： 时， ，即：,乘法器的输出电流 i 为 ：,双曲正切函数具有开关函数的形式,将其按傅氏级数展开：,(2) u1为小信号，u2为大信号,相乘后的乘法器的输出电流为：,低通滤波后在负载上得到输出电压为：,鉴相特性曲线,（1）鉴相跨导：,（2）线性鉴相范围：,小信号正交乘积鉴相特性,呈 正弦 关系,当 时，,乘法器的输出电流 i 为 ：,(3) u1为大信号，u2为大信号,开关函数形式,展开为傅氏级数,u2为大信号，展开：,乘法器的输出电流为：,鉴相特性曲线,经低通滤波器滤波，在负载上得到输出

5、电压：,呈 三角波 关系,（1）输出电压为 ：,（3）鉴相跨导：,（2）线性鉴相范围：,分析：乘积型鉴相器应尽量采用大信号工作状态，这样可以获得较宽的线性鉴相范围。,一次和三次叠加,一次、三次和五次叠加,一次、三次、五次和七次叠加,2. 门电路鉴相器,特点：电路简单、线性鉴相范围大，易于集成化。 分类：分为或门鉴相器和异或门鉴相器。,异或门鉴相器及波形,经低通滤波器滤波后，输出电压ud(e)与e的关系为三角形，可表示为：,其鉴相跨导为：, 或门电路鉴相器, 异或门鉴相器, 与门鉴相器,8.3 鉴频器, 由于调频波是等幅波，其解调的过程不是线性频谱搬移。因而不能像调幅那样用非线性器件+低通滤波器

6、组成。而是要先通过变换电路对等幅调频波进行变换，然后再经振幅检波、鉴相器或低通滤波实现。 鉴频电路可分为调频-调幅调频变换型(双失谐鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器)、相移乘法型和脉冲均值型三类。 （1）调频-调幅变换型：将等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波，然后用振幅检波器进行振幅检波。 （2）相移乘积型：将等幅调频波经移相电路变换成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率变化成线性关系，然后将调相调频波与原调频波经乘法器鉴相，由低通滤波器输出。 （3）脉冲均值型：将调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频波瞬时频率相等的单极性等幅脉冲序列，然后通过低通滤波器取出脉冲

7、序列的平均值实现鉴频。,振幅检波器回顾,最简单的频幅变换电路就是并联谐振回路，其工作特点：,FM信号工作在并联谐振回路的失谐区，即（fpf0），当FM波电流流过回路时，由于瞬时频率随调制信号而变化，对于不同的瞬时频偏，失谐回路阻抗不同，回路输出电压u1的振幅将随瞬时频偏f(t)的变化而变化，即可完成FMAM 变换。,f o,利用失调回路中幅频特性曲线的倾斜部分来实现鉴频，解调后失真较大，是一种原始类型的鉴频器，现在已很少采用，但它对理解振幅鉴频器对FM波的解调有很直观的意义。,fp,us(fo),例：单失谐回路振幅鉴频器,1. 双失谐回路鉴频器,由三个并联调谐回路组成的调频-调幅调频变换电路和

8、上下对称的振幅检波器组成。,初级回路调谐于调频波的中心频率c，通带较宽。次级两个回路分别调谐于o1和o2 ，并使o1和o2与c成对称失谐，即c-o1 =o2-c。两个回路的幅频特性可近似认为对c是对称的。,输入FM信号特性曲线,当输入调频信号的频率为c时，两个回路的电压振幅相等，经两个检波器检波产生输出电压 uo1和 uo2是相等的，故鉴频器输出电压uo= uo1- uo2 = 0。,当输入调频信号的频率从c向增大方向偏离时，L2C2回路电压大，而L1C1回路电压小，经检波后 uo1 uo2 ，则鉴频器输出电压 uo= uo1- uo2 0。,当输入调频信号的频率从c向减小方向偏离时，L2C2

9、回路电压小，而L1C1回路电压大。经检波后 uo1 uo2 ，则鉴频器输出电压 uo= uo1- uo2 0 。,双失谐回路鉴频特性,输入FM信号特性曲线,+,结论：可获得较好的线性响应，失真较小，灵敏度也高于单回路鉴频器。,各点波形,双失谐鉴频器的鉴频特性,双失谐鉴频器的输出是取两个带通响应之差，即该鉴频器的传输特性或鉴频特性，如图中的实线所示。其中虚线为两回路的谐振曲线。 可获得较好的线性响应，失真较小，灵敏度也高于单回路鉴频器。,实用电路举例,双失谐回路鉴频器的实用电路, 两个失谐回路分别调谐于35MHz和40MHz。它们是共基放大器的负载回路。 输入调频波ui从两放大器发射极输入，经共

10、基放大，在负载回路产生输出电压，经检波器产生检波电流 I1和 I2。在负载上得到电压为 (I1- I2) RL。,相位鉴频器：是利用双耦合回路的相位-频率特性将调频波变成调幅调频波，再通过振幅检波器实现鉴频的一种鉴频器。 互感耦合鉴频器 电容耦合鉴频器 二者原理相同，仅以互感耦合为例。 用途：频偏在几百KHz以下的调频无线接收设备中。,2. 相位鉴频器,uFM,(一) 电路结构和基本原理,（1）移相网络：互感为M的初、次级双调谐耦合回路组成的移相网络，u1经移相网络生成次级电压u2，并使 |U1|=|U2|。,+ u3 -,另外，u1经耦合电容CC在扼流圈LC上产生的电压u3=u1，故其等效电

11、路如右下图所示。,（2） 包络检波器：,组成平衡式包络检波器。两个检波器的输出电压差为:,+ u2 -,+ u1 -,互感耦合相位鉴频器,两个调谐回路L1C1和L2C2均调谐于输入调频波的中心频率c 。,(二) 工作原理分析：,上下检波器的输入端高频电压为：,如果忽略次级回路对初级回路的影响，则初级回路中流过L1的电流 近似为：,而次级回路中产生的感应电动势,当忽略二极管检波器等效输入电阻对次级回路的影响时，次级回路电流 i2为：,所以：次级回路两端电压u2为：,初级回路品质因数较高，可忽略L1的损耗电阻； 初、次级互感耦合较弱，可忽略次级损耗对初级的影响。,（1）当输入FM波瞬时频率 f 等

12、于调频波中心频率f c，即f= f c时，次级回路谐振。,即：,则有：,即有：u2 滞后u1 相位差/2，由矢量图可得： |Ud1|=|Ud2|,若设检波器的传输系数为：Kd1=Kd2=Kd。,则有：,所以：,讨论:,（2）当瞬时频率f fc 时，则有 ，这时次级回路呈电感性。,注意： 为次级回路阻抗。,为Z2的相角。,由矢量图，u2滞后u1的相位大于/2， 且随f，相位差,所以：|Ud1|Ud2|,（3）当f fc 时， 次级回路呈电容性。,所以：,其中：,可见：u2滞后u1的相位差小于/2，且,所以有： |Ud1|Ud2|,鉴频特性曲线,互感耦合回路电路,（1）对于实际电路，定性分析中的两

13、点假设是不完全符合的。,（2）实际的互感耦合回路电路如图。 根据耦合回路的分析可得：,(三) 相位鉴频器的鉴频特性：,为广义失谐,为耦合因数,其中：,（3）D1与 D2的表示式,鉴频特性是与(,)有关。 图8-14是一组(,)曲线，它只表示了0 的一半，另一半是0的与其相似，只是为正值。,为广义失谐,为一般失谐,为耦合因数,为耦合系数,（4）鉴频器的的输出电压,(,)曲线,=1.53时，线性范围增大，但鉴频跨导比=1要小。,（5）结论,=1时，鉴频特性的非线性较严重，且线性范围小。,3时，非线性严重。,当1时，对应曲线的近似等于m。而鉴频特性的两个最大值的宽度可认为是鉴频宽度 Bm。由于m=L

14、2fmax/fc，=KL ，则 Bm= 2fmax=Kfc ，即鉴频宽度与耦合系数K有关。,(,)曲线,3. 比例鉴频器,主要特点：是本身兼有抑制寄生调幅的能力。 在调频广播和电视接收中得到广泛应用。 原理电路：,比例鉴频器原理电路,(2) 在ab两端并接一个大电容C0，其电容量约为10F。由于C0和(R+R) 组成电路时间常数很大，通常约为(0.10.2) 秒左右。对于15Hz以上的寄生调幅变化，电容器C0上的电压Udc不变。,(3) 两二极管中一个与相位鉴频器接法相反。使U ab为两检波电压之和，即：,(4) 鉴频器输出电压取自电容C3、C4的接点 d 和电阻的接点 e 之间。,(1) 调

15、频-调幅调频波形变换电路与相位鉴频器相同。,基本原理:,(1) ab与 1的关系与相位鉴频器相同,(2) D1 、 D2与检波电压Uc3，Uc4的关系：,(3) 鉴频器输出电压：,检波输出电压：,不变,取决于两检波器输入电压之差，为相位鉴频器的一半。,抑制寄生调幅的原理:,（1）比例鉴频器的输出电压的另一种表示形式,（2）当输入信号的频率变化时，|UD1|与 |UD2|的变化是一个增大，另一个减小， |UD1|/|UD2|变化，则U0随频率变化而变，起到鉴频作用。,（3）当输入信号振幅变化时，|UD1|与|UD2|随振幅增大同时增大，随振幅减小同时减小，其比值不变。也就是说，振幅变化对鉴频输出

16、没有影响。,uFM,+ u3 -,+ u2 -,+ u1 -,相位鉴频器,例：图示的相位鉴频器，一次和二次回路均调谐于fc 。,（1）用矢量图定性分析鉴频特性； （2）画出在输入为单音调频波的作用下，二极管检波器D1和D2的电压ud1和ud2的波形；,（3）如果一次回路未调谐于中心频率fc时（设高于fc ），鉴频特性如何变化，画出鉴频特性曲线。,相移乘法鉴频器方框图,（一）相移乘法鉴频器基本原理： 由移相器将调频波变成调相-调频波，然后经乘法器与原调频波进行相位比较，从低通滤波器取出原调制信号。,4. 相移乘法鉴频器,移相网络及其特性,为广义失谐,（二）移相网络及其特性 （1）输出电压与输入电

17、压的关系,图中电容C1和单调谐回路LC2R组成的分压传输移相网络，其输出电压2为：,令,则：在0附近变化时：,且,当变化较小，即 arctan/6 (rad) 时:,（3）对于输入调频信号来说，其瞬时频率：,移相网络及其特性,（2）移相网络传输的幅频特性和相频特性如图（b）所示：,则：,中心频率：,则：,（三）鉴频原理,（1）输入信号：u1=U1mcosct + mf sint 是调制信号: u(t)= Umcos(t) 的调频波。,（2）经移相网络得u2 ：,（3）经乘法器相乘，乘法器输出电流为（设u1、 u2均为小信号）,（4）经低通滤波器（设通带内传输系数KL=1），在负载 RL上得输出

18、电压：,若：,则：,5. 脉冲均值型鉴频器,（1）调频信号通过过零比较器，在每一个正过零点由电路产生一个振幅为U1m，宽度为的单极性矩形脉冲。这个矩形脉冲的重复频率和调频信号的瞬时频率相同。,调频信号变换成单向矩形脉冲序列,特点： 频带宽，鉴频线性好，易于集成化。但一般能工作在10MHz。,（2）由于单位时间内矩形脉冲数目反映了调频波的瞬时频率。通过低通滤波器取出这一 反映单位时间内脉冲数的平均分量，就能实现鉴频。,8.4 数字调相与数字调频的解调,一、数字调相解调 数字调相解调方法分类：极性比较法和相位比较法。 极性比较法（同步解调） （1）CPSK信号解调,CPSK信号极性比较法解调电路,CPSK信号经带通滤波器后加到乘法器，与载波进行极性比较。因为CPSK信号是以载波相位为基准的，所以经低通滤波和抽样判决电路后得到原数字基带信号。 （2）DPSK信号解调 DPSK信号经CPSK解调电路解调，从抽样判决输出为相对码，因而，在其后还应增加相对码-绝对码变换器才能得到原数字基带信号。,相对码-绝对码变换电路, 相位比较法,DPSK相位比较法解调器,（2）经乘法器相乘后，再经低通滤波器滤除高频项，取出前后码元载波的相位差，相位差为0对应“0”，相位差为对应“1”。最后经抽样判决器直接解调出原绝对码基带信号。,（1）由于DPSK信号的相