第九章调制与解调电路6—6(1)

9. 6 鉴频电路 9.6.1 概述 鉴频----对调频波的解调，将调频波的频率变化规律 （即调制信息）变换为输出电压 鉴频器在接收机中位置----中频放大器后 对输入鉴频器的调频波的幅度要求---等幅调频波 鉴频器前加限幅器----消除调频波的寄生调幅 1. 鉴频器的主要指标 ① 中心频率---与接收机中频频率一致 ② 鉴频特性线性度 理想曲线---线性 典型曲线---非线性 ---局部线性保证不失真解调 ③鉴频灵敏度 DS 鉴频器将输入信号的频率变化转换为电压的能力 f VSD ∆ ∆= 单位为 HzV / ④ 线性鉴频范围 mf∆2 不失真解调所允许的输入信号频率变化的最大范 围， 要求大于输入调频波的最大频偏值的两倍 tt mc Ω∆+= cos)( ωωω 定义：中心频率处电压增量与频率变化量之比 线性网络 频率 幅度 2. 鉴频的主要方法 (1) 斜率鉴频 等幅 调频波 包络 检波器 调幅 调频波 解调 输出 ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ += ∫ Ωtfccm dttvktVtv 0 )(cos)( ω若调频波为： [ ] ⎥⎦⎤⎢⎣⎡ +++= ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ += ∫ ∫ ΩΩ Ω t fcfccm t fccm dttvkttvkV dttvktV dt d dt tdv 0 0 2 )(cos)( )(cos)( πωω ω 1）仍是调频波，瞬时频率没变，只是初相增加 2π 2）幅度不再等幅，与瞬时频率成正比，幅度变化 反映调制信号变化规律 线性网络 频率 相位调频波 相位检波器 ( 鉴相器 )调频波 解调 输出 （2）正交鉴频 [ ]tmtVtv fccm Ω+= sincos)( ω调频波为： ：延时 0t [ ])(sin)(cos)( 000 ttmttVttv fccm −Ω+−=− ω 如果 0tΩ 较小，使得 ,sin 00 tt Ω≈Ω 1cos 0 ≈Ωt 则有： [ ]ttmttmtVttv fcfccm ΩΩ−−Ω+=− cossincos)( 000 ωω 1）是调频—调相波 原相角 附加相位 2）附加相位包含调制信号的信息 电路方框图 工作过程及波形 （3）脉冲计数式鉴频 工作原 理： 周期--- )( 1)( tf tT = 调频波频率 )()( tfftf c ∆+= 脉冲序列： 幅度为A，宽度为τ 在一周内的平均分量为 )]([ )( tffA tT Av cAV ∆+== ττ 对最高频率的限 制： max min 11 fff T mc =∆+=<τ 计数器 （4）锁相鉴频 锁相鉴频是一种性能优良的鉴频电路， 它允许输入调频波有较低的信噪比门限电 平。 组成---由非线性元件和谐振回路所组成 作用---将具有寄生调幅的调频波变换为等幅的调频波 9.6.2 限幅电路 主要指标： ① 限幅门限（–3dB限幅灵敏度） ② 限幅输出电压的平坦程度 差分对限幅电路 工作原 理：①差分对两电流之和受限于尾电流 ③ 谐振回路取出幅度恒定的调频基波电压 EI 100idV mV>② 限幅电压门限约 ② 两管对称，输出谐波少 优点： ① 利用晶体管的截止限幅 而不是利用晶体管饱和限幅 不受基区载流子存贮效应的影响 工作频率较高 二极管限幅电路 限幅器输入的是大信号 限幅器传输特性视为--- 三段折线 )(onDi Vv <① 二极管截止 折线的斜率为 L L RR R + ② 二极管导通)(onDi Vv > D D DL DL RR R RRR RR +≈+ // // 折线的斜率为 ③由于 ，二极管导通后的传输特性斜率远小于二极 管截止时的斜率 ——二极管导通后输出电压限幅 LD RR << 9.6.3 斜率鉴频 线性网络分析 ① 正弦稳态信号通过线性网络 tVtv cSmS ωcos)( = ) (ωj FS )()()( ωϕωω AjeAjA = 2 ( )v t 2 ( )F jω )( 2 )()()()()( ωϕωωωωω AjSS ejFAjFjAjF == 输出信号频域表示 )( 2 1 2 )()()]([)( cA j Sc etvAjFFtv ωωω ϕ− == 输出信号时域表示 ))(cos()( cAccSm tAV ωωω ϕ+= )(tvs ② 调频信号通过线性系统 调频波 ]sincos[)( tmtVtv fcSmS Ω+= ω 频率瞬变 tt mc Ω∆+= cos)( ωωω 不是稳态信号 调频信号通过线性网络结果如何？ 1）调频波满足 ， 即调频波的频率变化相对于载频是很慢和很小的 Ω>>cω mc ωω ∆>> 2）网络的 3dB 带宽大于输入调频波的有效频谱宽度 如果满足条 件： 称：此调频波对线性系统满足了准稳态条件 } 用 代 替： 满足准稳态条件的调频波通过线性系统 时， 网络的输出响应能跟得上输入调频波瞬时频率的变化 cω tcomt mc Ω∆+= ωωω )( 2 ( ) ( ) cos( ( ))Sm c c A cv t V A tω ω ω= +ϕ则，将输出 中的 )]cos(sincos[)cos()(2 ttmttAVtv mcAfcmcSm Ω∆+ϕ+Ω+Ω∆+= ωωωωω )]cos(sincos[)(2 ttmttV mcAfcm Ω∆+ϕ+Ω+ ωωω＝ 特点：输出信号幅度为 输入信号幅度乘以线性网络的幅频特性 )(ωA 即 ： )cos()(2 tAVtV mcSmm Ω∆+= ωω 输出信号幅度 )cos()(2 tAVtV mcSmm Ω∆+= ωω 线性网络作用： 将输入调频波的频率变化转换到输出信号幅度变化上 为了不失真的转换 ---对线性网络幅频特性的要求？ 必须要求线性网络的幅频特性 满足 即幅度与频率成正比关系 ωω 0)( AA = 下面工作：寻找合适电路---谐振回路 1. 单失谐回路斜率鉴频器 电路由两部分构成： 1）失谐回路 L1C1 2）包络检波器 失谐含义---谐振回路的谐振频率与输入调频波的载频不等 ]sincos[)( tmtVtv fcSmS Ω+= ω输入调频波 ----载频 cω 失谐回路中心频率 1 1 1 o cLC ω ω= ≠ 失谐回路输出电压 ----调幅调频波)(2 tv ( )AVv t包络检波器输出 反映输入信号的幅度变化 包络检波器输入 为实现线性鉴频， 应处于回路幅频特性斜边线性较好段的中点cω 若谐振回路幅频特性的斜边部分满足 ωω 0)( AA = 0 ( cos )AV d Sm c mv k V A tω ω= × + ∆ Ω则实现了鉴频 失谐回路输出信号 )(2 tv 波形 包络检波器 输入波形 包络检波器输出： )(ωAVkv SmdAV = )()(2 ωAVtV Smm = 输出电压幅度 单失谐回路鉴频器存在问题： ① 鉴频失真---谐振回路幅频特性斜边不是线性 ② 鉴频范围小---谐振回路幅频特性斜边线性范围小 解决方法——采用双失谐回路 电路特点： 1）两单失谐回路 2）两包络检波器 1 2( )o AV AVv t v v= − 2. 双失谐回路斜率鉴频器 平衡结构 工作特点 ① 两个回路分别失谐于 载频 的左右两边---cf ② 两个包络检波 器： )()( 12 ωAVtV Smm ⋅=′ )()( 22 ωAVtV Smm =′′ 输出电压 )(11 ωAVkv SmdAV ⋅⋅= )(22 ωAVkv SmdAV ⋅⋅= 输入信号幅度 ③ 鉴频器输出电压 为： )]()([ 2121 ωω AAVkvvv SmdAVAVAV −=−= ④ 鉴频特性曲线 { { 两失谐回路谐振曲线之差 fδ 平衡电路优点 上、下两个单失谐回路特 性的非线性可以互相补偿 ① 鉴频器输出非线性失真减小 ② 线性鉴频范围扩大 ③ 鉴频灵敏度提高 注意：回路Q值、失谐量要合适 9.6.4 正交鉴频 两大部件： ① 频相转换网络 ② 相位检波器 电路类型： 模拟鉴相器（Gilbert乘法单元） 数字鉴相器——FM鉴频器中不用 相位检波器（鉴相器）功能： 将两个输入信号的相位差变为电压 Gilbert乘法单元 3v 1v 2v ov 方框图 Gilbert模拟乘法器特性 1 1 1sin( )mv V tω ϕ= + 2 2 1cosmv V tω= 输入信号： 1 2 1 sin 2o m m v AV V ϕ= 经过低通滤波器后输出为： 正弦鉴相特性 3v 1v 2v ov 正弦鉴相特性要求——两输入信号正交 频相转换网络功能： ① 将输入调频波的频率变化转换 为输出信号的一个附加相移 ② 使输出与输入正交 正交鉴频方框图 常用的频相转换网络结构 )sincos()( 11 tmtVtv fcm Ω+= ω输入调频波： 工作原理分析： 1 1 1I j CVω=& & 并联谐振回路的Q值为 0 1 0 ( )Pe P RQ R C C L ωω= = + 1 2 1 1 1 1 0 0 ( ) ( ( ) ) 11 2 P P e R j C RV I Z j CV Vt jj Q ωω ω ω ω ξ ω = = =− ++ & & & & & 回路输出电压： 令等效并联谐振回路的中心频率 0ω cCCL ωω =+= )( 1 1 0 11 2 2 1 1 12 ( ) 1 1 A jp jjP c Rj c RV V V e e A V e j πωω ωξ ξ ϕ∆ϕ= = ⋅ ≈+ + & & & & 2V& ϕπϕ ∆+= 2A 其中 0 0)(2 ω ωωξ −−=−=∆ϕ tQarctgarctg e 结果：输出电压 与输入信号2v 1v ① 正交 ② 相位差与频偏成正比 c e tQ ω ωξ )(2 ∆−=−≈∆ϕ 6 π<∆ϕ当满足条件时 则 由于 )()()( 00 ttt c ωωωωωω ∆=−∆+=− ct ωω <<∆ )(且一般有 输入调频波 正交鉴频器原理电路 2v 移相网络的参数估 算： 确定能确保移相网络为线性相移的回路Q值 ( )2 e c tarctg arctg Q ωξ ω ∆∆ϕ = − = − ① 根据 ② 确定电容 C 和电感 L cCCL ωω =+= )( 1 1 0 0 P e RQ Lω= RP 约为20K~60KΩ C1一般5~10PF （在集成芯片 内） 电容C 电感L 线性相移要求： 6 π<∆ϕ 0.577 6 tg πξ < = m c e f fQ ∆< 2577.0 ( 确保不失真解调的Q值） 实用集成电路举例——窄带FM中频集成电路LM3361 中频放大、限幅 正交鉴频 Gilbert模拟乘法器 调频波输入 乘法器 输入1 VCC 移相网络 乘法器 输入2 低通 滤波器 解调 输出 9.6.6 锁相鉴频 结构方框图 鉴相器PD一般采用模拟乘法器 根据输入调频波是窄带调频（ ）还是宽带调频， 锁相环可以设计成不同的带宽，并从锁相环不同部位输出 1