第6章6.7-6.11频谱变换电路.ppt

在通信系统中，角度及解调电路不同于频谱搬移电路。它,是用低频信号去调制高频振荡的相角，或是从已调波中解出,调制信号所进行的频谱变换，这种变换不是线形变换，而是,非线形变换。因此，,我们把角度调制及调角波的解调电路称,为频谱非线形变换电路,。,调频（）,：如果高频振荡器的频率变化量和调制信号成,正,比，则称调频。,调相（）,：如果高频振荡器的相位变化量和调制信号成,正,比，则称调相。由于频率的变化和相位的变化都表现为总相角的变化，因此，将,调频和调相统称为调角,。,.,调角波的基本性质,式中，,Am,为简谐振荡的幅度，为简谐振荡的总相角,式中 为瞬时角频率，为初始相位。,6.7.1,瞬时相位和瞬时频率的概念,对于简谐振荡可以写成一般形式,如果 是随时间变化的，瞬时相位为,一般表达式为,6.7.2,调相波和调频波,调相,高频振荡瞬时相位的变化量与调制信号成正比。,根据定义调相波的表达式为,可见,为比例系数；,为瞬时相位偏移；,称为最大相移，或称调制指数，以,m,p,表示,瞬时角频率为：,于是,式中，为瞬间相位偏移，即相,对于的偏移。的最大值称为最大相移，习惯上,又称调频指数，用,m,f,表示，即,调频波的表达式为,为比例系数；,表示瞬时角频率相对于的偏移,称为最大角偏移，简称频偏,当,时，,可得调频波的瞬时相位,直接调频就是用调制信号去控制高频振荡器的振荡频率，,使它不失真地反映调制信号的变化规律,。因此，凡是能直接,影响振荡频率的元件或参数，只要用调制信号去控制，使振,荡频率的变化量能随调制信号而线形变化，都可以完成直接,调频的任务。,在正弦波振荡器中，由于其振荡频率主要取决于振荡,回路的电感量和电容量，所以在振荡回路中接入可控电抗,器，就可以实现直接调频。,6.8,直接调频电路,可控电抗器的种类很多，有声波控制的电容式话筒或驻极,体话筒，有电压控制的变容二极管和电抗管，还有电流控制,的可变电感等。只要将可控电抗器接入振荡器的振荡回,路，就能利用振荡器产生调频波。,6.,.1,变容二极管调频电路,变容二极管是利用,pn,结的结电容随反向电压（反偏）变化,这一特性制成的一种电压控制的可控电抗器,。将变容二极管,接入振荡器的振荡回路，用调制电压去控制变容管的电,容量，从而控制振荡器的振荡频率达到调频的目的。,变容二极管结电容（势垒电容）可用下式表示,变容管加上偏置电压和调制电压后，总的控制电压为,由以上两式得,变容管作为振荡回路的总电容,下图为变容二极管接入振荡回路的交流等效电路。,设振荡频率近似等于振荡回路的振荡频率，且忽略加在变,容管上的高频电压。则瞬时角频率为,.,变容管部分接入振荡回路,为了提高载波频率稳定度，往往采用变容管部分接入振,荡回路的办法。,振荡回路电容的变化量和调制信号的关系。有,6.,.,晶体振荡器直接调频电路,在某些实际情况下，为了满足中心频率稳定度较高的要,求，有时采用石英晶体振荡器直接调频电路。,晶体振荡器有两种：一种是工作在石英晶体的串联振荡频,率上，晶体等效为一个短路元件，起着选频的作用；另一种,是工作于晶体串联和并联谐振频率之间，晶体等效为一个高,品质因数的电感元件，作为振荡元件之一。,通常是利用变容二极管控制后一种晶体振荡器的振荡频率,来实现调频,。,如果电容二极管与石英晶体串联，其等效电路和电抗特性,如下图所示。,利用这个原理，用调制信号改变,j,的方法可以改变晶体振,荡器的振荡频率，从而达到调频的目的。由于,j,与石英晶体,串联，而,f,q,和,f,p,又靠得近，因而调频的频偏 很小，相对,频偏只能达到,.,左右。,6.,.,电容话筒调频电路,电容花筒在声波作用下，内部的金属薄膜产生振动，会引起薄膜与另一电极之间电容量的变化。如果把电容式话筒直接接到振荡器的谐振回路中，作为回路电抗就可构成调频电路。,下图是电容式话筒调频发射机实例。,6.,.,电抗管调频电路,电抗管与变容管一样，也是一种电压控制的可控电抗器。,受控源可以是电子管、晶体管和场效应管。,下图为场效应管,构成的电抗管原理图。,在直接调频电路中，为了提高中心频率的稳定度必须采取,一些措施。在这些措施中，即使对晶体管振荡器直接调频，,其中心频率稳定度有不如不调频的晶体振荡器的频率稳定度,高，而且起相对频移太小。若调制不在晶体振荡器进行，而,是在其后的某一级放大器中进行，将调制信号积分以后对晶,振送来的载波进行调相，对积分前的信号（即调制信号）而,言，就可以得到调频波了，这就是,间接调频,。显然，这时,中,心频率稳定度就等于晶体振荡器的频率稳定度,。,.,间接调频电路,间接调频的关键电路是调相电路,，下面仅介绍常用的变容,二极管调相电路。,将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变,容二极管调相电路。电路中，由于调制信号的作用使回路谐,振频率改变，当载波通过这个回路时由于失谐而产生相移，,从而获得调相。,下图是单级谐振回路变容管调相电路。,上图（,a,）中，变容管的电容,j,和电感组成谐振回路，,作为变容相移网络。,和,是谐振贿赂输入和输出端上的,隔离电阻，,是偏压电源与调制信号源之间的隔离电阻。,三个,.,电容对高频短路，而对调制信号开路。,下图是采用三级单回路级联构成的电路。,图中，每个回路都由变容管调相电路，而各变容管的电容,均受同一调制信号调变。每个回路的值可由电阻,、,、,调节，以使三个回路产生相等的相移。为了减少,各回路的相互影响，各级回路之间都用,p,的小电容耦,合。这样，电路总相移近似等于三级回路相移之和。因此，,电路可在,范围内得到线形调相。,6.10,调频波的解调,调角波包括调频波和调相波,。其中,调频波的解调称为频,率检波,简称鉴频,;,完成鉴频功能的电路称为鉴频器,;,调相波,的解调称为相位检波,简称鉴相,完成鉴相功能的电路称为鉴,相器。它们的作用都是从已调波中检出反映在频率或相位,变化上的调制信号,但是所采用的方法却不尽相同。,在调频波中,调制信息包含在高频振荡频率的变化量中。,所以,调频波解调的任务,就是要求鉴频器输出信号与输入调,频波瞬时频率的变化量成线形关系。换句话说,鉴频器的作,用是从调频波中检出音频调制信号来。,对调频波的检波必须先将频率的变化,转变成与音频调,制信号相应的幅度变化,见下图。或者变成占空系数不同的,脉冲系列,再经过幅度检波或脉冲的整流,才能检出音频信,号。,鉴频器工作示意图,鉴频器的质量指标集中表现在鉴频特性上。它的输出电,压的大小,u,(t,),与输入调频波的瞬时频率偏移之间的关系,称,为鉴频特性,如图所示。,鉴频特性曲线,鉴频跨导,g,d,所谓鉴频跨导是指单位频偏所产生输出电压的大小,即鉴,频特性的斜率,又称为鉴频灵敏度,用数学式表示为,2.,频带宽度,B,从,图,看出,只有特性曲线中间一部分线性较好。通常,2f,m,为频带宽度,B,。一般要求,B,大于输入调频波频偏的两,倍。,3.,非线性失真,为了从调频信号中无失真地解调出调制信号,在,f,c,附近鉴频,器输出电压,u,与瞬时频偏成比例,即在频带,B,内应为一条直,线,(,鉴频跨导,g,d,为常数,),。否则输出电压就不能真实地还原出,调制信号,产生非线性失真。,4.,抑制寄生调幅的能力,对调频信号的寄生调幅应具有一定的抑制能力,除比例鉴,频器外,一般都在鉴频器前加限幅器。,6.10.1,斜率鉴频器,斜率鉴频器是利用并联,LC,回路幅频特性的倾斜部分将调,频波变换成调幅调频波,它应用于鉴频范围较大的场合。最,简单的斜率鉴频器由失谐单谐振回路和晶体二极管包络检,波器组成,该电路的线性范围与灵敏度都是不理想的。因此,在要求较高的情况下,广泛应用双失谐回路斜率鉴频器,如,图。,双失谐回路斜率鉴频器,这个电路是由两个单失谐回路斜率鉴频器构成的。其中,第,一个回路的谐振频率,f,1,低于调频波的中心频率,f,c,第二个回路的,谐振频率,f,2,高于,f,c,并且把他们的输出相减。当这两个鉴频器的,特性与参数相同,且,f,c,-f,1,=f,2,-f,c,时就得到,u,(f,),的关系曲线,即鉴频,特性曲线。显然,其鉴频特性的灵敏度线性范围都比单失谐回路的斜鉴,频器大有改善。,6.10.2,相位鉴频器,相位鉴频器是利用耦合电路的相频特性来实现将调频波变,换为调幅调频波的，它是将调频信号的频率变化转换为两个,电压之间的相位变化,再将这相位变化转换为对应的幅度变,化,然后利用幅度检波器检出幅度的变化。这样,幅度的变化,就反映了频率的变化。,常用的相位鉴频器有电感耦合相位鉴频器和电容耦合相位,鉴频器两种。,接加到高频扼流圈,L,3,两端。同时,L,3,又是二极管检波器的直流,通路。电压 通过互感,M,在,L,2,、,C,2,并联回路两端产生电压,c,点是电感,L,2,的中点,L,2,上下两半线圈的电压各为。,二极管,VD,1,、,VD,2,两个电阻,R,两只电容,C,3,、,C,4,构成两个对称,的 幅度检波器。这样,可将,图,(a),简化为,图,(b),所示的等效电,路。,电感耦合相位鉴频器的原理图,如图,。初级回路,L,1,C,1,、,次级,回路,L,2,C,2,都调协到调频波的中心角频率,c,上,两个回路的耦,合途径有二,:,一是通过互感,M,耦合,二是通过耦合电容,C,0,耦,合。因,C,0,、,C,4,容量取得较大,对高频可视为短路,故可直,相位鉴频器原理图,鉴频器的输出电压为,u,=u,o1,-u,o2,=K,d,(U,D1,-U,D2,),(6.10.5),式中,K,d,为幅度检波器的电压传输系数。,由上式可知,鉴频器的输出音频电压,u,不仅与加到二极管,两端高频电压的幅值有关,还与 、的大小及他们之间,的相位有关。,6.10.3,比例鉴频器,相位鉴频器中,输入信号的幅度变化必将导致输出波形的,失真。发射机的调制特性或接收机的谐振曲线的不理想以,及外界干扰和内部噪声的影响,使鉴频器输入端的调频信号,引起寄生调幅。因此,相位鉴频器前必须加限幅器。为了有,效限幅,往往要求限幅器输入端的电压在,1v,量级,这就需要,限幅器以前有较大的放大量,即要求接收机的级数增加。比,例鉴频器就是这种兼有鉴频和限幅功能的电路,如图所示,。,比例鉴频器及其等效电路,将相位鉴频器和比例鉴频器比较，不同的地方只是幅度检波器部分，其区别是：,在,f,g,两端并接了一个大容量的电容,5,，一般取为,10,，,5,与（,R,3,+R,4,）的时间常数约为,0.10.2s,。这样，在检波过程中，这个并联电路对,15Hz,以上变化的寄生调幅有惰性，使其两端的电压来不及跟着变化，而保持在某一恒定的电平上。,检波电阻中点和检波电容中点断开，输出电压取自,d,e,两端，而不是取自,f,g,两端。在负载电阻,R,L,中，,C,4,和,C,3,放,电电流的方向相反因而起到了差动输出的作用。,图,(a),中，,C,L,数值的选取应对高频短路，对音频开路。,为了构成检波器的直流通路，,VD,1,、,VD,2,的连接方向相,反，这样，电容,C,3,、,C,4,两端的电压,u,o1,与,u,o2,之和，而不是两者之差。,在,U,D1,与,U,D2,相同的条件下，比例鉴频器输出音频电压的,幅度比相位鉴频器的音频电压幅度小一半。即鉴频跨导,g,d,小一半；,和相位鉴频器比较，因为波形变换部分没有变。,6.10.4,移相乘积鉴频器,其鉴频原理为：先将调频波通过移相器变成相位变化，,然后将相位变化变成相应的幅度变化，从而还原出音频信,号来,。,移相乘积鉴频器的基本原理,如图,。自中放级输出的信号,一路直接送到乘法器,(),，另外一路经过移相器送到乘法器,(),。当调频波没有频率偏移，即等于中频频率时，和,的相位差为,90,经过乘法器后输出的占空比为,1,的脉冲波,平均电流为一直流,即无输出。以此直流电平作为基准点或,零点。当频率往高或低偏移时,和 的相位差也在,90,上,下做相应变化。于是乘法器输出脉冲的占空比相应变化。,这种变化，经过低通滤波器，整流出的平均值也随之变,化，而这种变化正是音频调制波。,移相乘积鉴频器方框图,6.10.5,脉冲均值鉴频器,脉冲均值鉴频器就是利用调频波的过零信息,。因为调频,波的频率是随调制信号而变化的,所以,他们在相同的时间,间隔内过零点的数目就会不相同。在频率高的地方过零点,的数目就多,而在频率低的地方过零点的数目就少。利用,这个特点,在每个过零点处形成一个等幅等宽的脉冲,那么,这个脉冲序列的平均分量就反应了频率的变化。用滤波器,取出这个平均分量就是所需的调制信号。,调频波瞬时频率的变化,直接表现为调频信号通过零值时,的点,(,简称过零点,),的疏密变化。如果在从负变为正的过零,点,(,简称正过零点,),处形成一个振幅为,U,、宽度为,的矩形脉,冲,就可以将原始的脉冲波变换成一个重复频率受到调制的,矩形脉冲序列,其重复频率的调制规律与调频波瞬时频率的,调制规律相同,如图所示,。如果在单位时间内对该矩形,脉冲的个数计数,则所得的数目的变化规律就反映了调频波,瞬时频率的变化规律。,将调频波变换成重复频率受到调制的矩形脉冲序列,*,6.10.6,锁相环鉴频器,锁相环鉴频器与跟相环鉴频器请参阅,第,8,章、,第,9,章,。考虑,鉴频器的归类,在这一节里只做简单介绍。,这种鉴频器是应用了现代的锁相环技术,能够获得较好,的性能。它最初用在高档调谐器中,随着集成电路的普及,也逐渐用在普通的调谐器中。,*,6.10.7,跟相环鉴频器,跟相环鉴频器全名叫相位跟踪环鉴频器,简称,PTL,鉴频,器。它结合了上述移相乘积鉴频器和锁相环鉴频器两者的特,性,用移相器取代压控振荡器,组成一个锁相环路,如图所示。,跟相环鉴频器,6.11,限幅器,对限幅器的要求是在消除寄生调幅时，不改变调频信号,的频率变化规律。,限幅器通常由非线性器件和谐振回路所组成。当带有寄生,调幅的调频信号通过非线性器件后，便削去了幅度变化的部,分。但此时波形产生了失真，即有新的频率成分出现。因此,必须滤除不需要的频率部分，这是靠谐振回路来实现的。,根据限幅器的作用,它必须具有图所示的特性。图中,曲线表示输出电压,u,o,与输入电压,u,i,的关系。在,OA,段输出电,压随输入电压的增加而增加,;A,点以后,输入电压,u,i,增加,输,出电压,u,o,保持一个恒定值。,A,点称为限幅门限,相应的输入,电压,U,p,称为门限电压。显然,只有输入电压超过门限电压,U,p,时,才会产生限幅作用。,限幅特性曲线,6.11.1,晶体二极管限幅器,图,(a),为双晶体二极管限幅器。由图可见,当输入电压,|,u,i,|,小于晶体二极管的截止电压,V,bz,时二极管截止,;,当,|,u,i,|,大,于,V,bz,时二极管导通,因此,可画出,u,o,随,u,i,变化的特性,如图,(b),所示。,双二极管限幅器,6.11.2,晶体三极管限幅器,利用三极管做削波元件组成的限幅电路,当输入信号较,大时,正半周受饱和特性削波,负半周被截止特性削波,起限,幅器的作用。为了有效地限幅,可降低集电极电源电压,(,即,加大图中,R,e,的阻值,),也可降低基极偏置电压,或者增大集电,极回路的交流负载电阻。,三极管限幅器电路,本章小节,本章介绍频谱变换电路，它包括线性变换和非线性变换,两大类。,1,模拟乘法器的用途十分广泛，特别在频谱变换电路中应,用。例如，振幅调制、混频、倍频、同步检测、鉴频、鉴相,等均可以用模拟乘法器来实现。,2,用调制信号去控制高频振荡的幅度，使其幅度的变化量,随调制信号成正比地变化，这一过程称为幅度调制。,经过幅度调制后的高频振荡称为幅度调制波（简称调幅,波）。,根据频谱的结构不同，可分为普通调幅（,AM,）波,抑制载,波的双边带调幅（,DSB/SCAM,）波和抑制载波的单边带调幅,（,SSB/SC AM,）波。,普通调幅波产生电路可采用低电平调制电路（模拟乘法,器），也可采用高电平调制电路。,抑制载波调幅波的产生电路一般可采用晶体二极管平衡、,环形调制电路，晶体二极管桥式调制电路和利用模拟乘法器,产生,DSB,SC,调幅波。,3,解调是调制的逆过程。幅度调制波的解调简称检波，其,作用是从幅度调制波中不失真地检出调制信号来。从频谱上,看，就是将幅度调制波的边带信号不失真地搬到零频附近。,对于大信号检波可采用二极管串联型检波器，对于小信号,检波宜采用同步解调。而对于抑制载波调幅波只能采用同步,检波器才能解调。,4,混频电路是超外差接收机的重要组成部分。它的基本,功能是在保持调制类型和调制参数不变的情况下，将高频,振荡的频率,f,S,变换为固定频率的中频,f,I,，以利于提高接收机,的灵敏度和选择性。因此，混频电路也是典型的频谱搬移,电路。混频电路可采用二极管平衡和环形混频电路、三极,管混频电路，亦可采用模拟乘法器混频电路，后者比前两,种混频电路输出的信号频谱更纯。,5,在通信系统中，角度调制及解调不同于频谱搬移电,路，它是用低频信号去调制高频振荡的相角或者从已调波,中检出调制信号进行的频谱变换,这种变换属非线性变换。,如果高频振荡器的频率变化量和调制信号成正比则称,FM,。如果高频振荡器的相位变化量和调制信号成正比则,称,PM,。由于频率的变化和相位的变化都表现为总相角的,变化，因此，将,FM,和,PM,统称为调角。,6,实现调频的方法有两种，一是直接调频，二是间接调,频。其中利用变容二极管直接调频应用最多。,7,调频波的解调称为鉴频，完成鉴频功能的电路称为鉴,频器。调相波的解调称为鉴相，完成鉴相功能的电路称为,鉴相器。由于调频和调相之间存在密切的关系，即调频必,调相,调相必调频。同样，鉴频和鉴相也可相互利用,即可,以用鉴频的方法实现鉴相,也可以用鉴相的方法实现鉴频。,调频波的解调电路有许多种，本章介绍了斜率鉴频器、,相位鉴频器、比例鉴频器、移相乘积鉴频器、脉冲均值鉴,频器、锁相环鉴频器和跟相环鉴频器等。,