第五章 角度调制与解调电路2.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5.2,调频电路,调频的,两种实现方法,5.2.1,调频电路概述,一、直接调频和间接调频,1,直接调频,(1),定义：用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。,(2),被控的振荡器,LC,振荡器和晶体振荡器（产生调频正弦波）；,张弛振荡器（产生调频非正弦波，可通过滤波等方式将调频非正弦波变换为调频正弦波）。,(1),定义：通过调相实现调频的方法,(2),方法：根据调频与调相的内在联系，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。,正弦波振荡器产生角频率为,c,的载波电压,V,m,cos,c,t,，,通过调相器后引入一个附加相移,(,c,),，,即,v,O,(,t,)=,V,m,cos,c,t,+,(,c,),。,附加相移受到,v,(,t,),的积分值,k,1,的控制，且控制特性为线性，则输出为,v,(,t,),的调频信号，即,2,间接调频,v,O,(,t,)=,V,m,cos,c,t,+,k,p,k,1,当,v,(,t,)=,V,m,cos,t,时，上式可表示为,v,O,(,t,)=,V,m,cos,c,t,+,k,p,k,1,=,V,m,cos,(,c,t,+,M,f,sin,t,),式中，,M,f,=,k,p,(,k,1,V,m,/,)=,m,/,，,m,=,k,p,k,1,V,m,可见，调相器的作用是产生线性控制的附加相移,(,c,),，,它是实现间接调频的关键。与直接调频电路比较，调相电路的实现比较灵活。,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,-,f,c,),随调制电压,v,变化的特性。,(2),特性：如图所示。,(3),要求：在特定调制电压,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,(2),要求：,当,v,(,t,)=,V,m,cos,t,时，画出的,f,(,t,),波形如图。,图中,，,f,m,即为调频信号的最大频偏。当,V,m,一定时，在调制信号频率范围内，,f,m,应保持不变。,若调频特性非线性，则由余弦调制电压产生的,f,(,t,),为非余弦波形，它的,傅里叶级数展开式,为,f,(,t,)=,f,0,+,f,m1,cos,t,+,f,m2,cos2,t,+,S,F,越大，调制信号对瞬时频率的控制能力就越强。,3,.,调频特性的非线性,(1),中心频率偏离量,式中,f,0,=,f,0,f,c,为,f,(,t,),的平均分量，表示调频信号的中心频率由,f,c,偏离到,f,0,，,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,4,.,中心频率准确度和稳定度,接收机正常接收所必须满足的一项重要性能指标，否则，调频信号的有效频谱分量就会落到接收机通频带以外，造成信号失真，并干扰邻近电台信号。,5.2.2,在正弦振荡器中实现直接调频,一、工作原理及其性能分析,1.,工作原理,把电容或电感量受调制信号控制的,可变电抗器件,接入,LC,振荡回路中，便可实现调频。,2,.,可变电抗器件的种类,(1),驻极体话筒或电容式话筒,。作为可变电容器件，用在便携式调频发射机中，可,将声波的强弱变化转换为电容量的变化,。将它将入振荡回路当中，就可直接产生瞬时频率按讲话声音强弱变化的调频信号。,(2),铁氧化磁芯绕制的线圈,。,作为可变电感器件，用在扫频图示测量仪中，改变通过附加线圈的电流来控制磁场的变化，就能使磁芯的导磁率变化，从而使主线圈的电感量变化。,(3),变容二极管,。,利用反偏工作,PN,结呈现的势垒电容而构成，是目前最广泛应用的可变电抗器件。具有工作频率高、固有损耗小和使用方便等优点。,1,变容管作为振荡回路总电容的直接调频电路,(1),原理电路,为,LC,正弦振荡器中的谐振回路。,osc,0,=,(2),性能分析,归一化调频特性曲线方程,已知变容管结电容,C,j,随外加电压,v,变化的变容特性,V,B,PN,结的内建电位差，,C,j,(0,),v,=0,时的,结电容,，,n,变容指数,，其值取决于,PN,结的的工艺结构，在,1/3,到,6,之间。,C,j,变容管的结电容，与,L,共同构成振荡器的振荡回路，振荡频率近似等于回路的谐振频率，即,为了保证变容管在调制信号电压变化范围内保证反偏，必须外加反偏工作点电压,-,V,Q,，因此，加在变容管上的总电压,v,=,-(,V,Q,+,v,),，,且,2,的变容管，并反复调节,C,1,、,C,2,和,V,Q,值，就能在一定的调制电压范围内获得接近线性的调频特性曲线，而且其载波频率等于所要求的数值。,的影响可忽略。反之，振荡频率越高，相应的,C,j,越小。,C,2,使,C,减小的就越小，而,C,1,使,C,增大的越多，当,C,j,2,的变容管，并反复调节,C,1,、,C,2,和,V,Q,值，就,式中,p,=(1+,p,1,)(1+,p,2,+,p,1,p,2,),其中,p,1,=,C,jQ,/,C,2,，,p,2,=,C,1,/,C,jQ,将其与全部接入时的 相比较，可得变容器部分接入时电路提供的最大角频偏减小了,参数：,当,C,1,和,C,2,确定后，电路提供的最大角频偏为,1/,p,。,而,p,恒大于,1,。当,C,jQ,一定时，,C,2,越小，,P,1,越大；,C,1,越大，,P,2,越大，其结果都使,p,值增大，因此,m,越小。,在,LC,正弦振荡器中，构成基于此得到下述原理电路。,L,1,高频扼流圈,，对高频相当于开路，对直流和调制频率近似短路。,C,2,高频滤波电容,，对高频接近短路，对调制频率接近开路。,二、电路组成,条件：控制电路的接入既能将,V,Q,和,v,加到变容管上，又不影响振荡器的正常工作。,C,1,隔直电容。,对高频接近短路，对调制频率接近开路，使,V,Q,和,v,能有效地加到变容管上。,结论,(1),对于高频，由于,L,1,开路、,C,2,短路，因而是由,L,和,C,j,组成的振荡电路，不受控制电路影响。,(2),对于直流和调制频率，,C,1,阻断，因而,V,Q,和,v,可有效地加到变容管上，不受振荡回路影响。,实际电路：,中心频率为,140,MHz,的变容管直接调频电路。,P267,，,Fig 5-2-9,C,j,为振荡器总电容；忽略一些影响不大的元件。,电路的,高频通路、变容管的直流通路,和,调制信号通路,。,变容管部分接入的电容三点式振荡器，其中，,L,、,C,3,、,C,4,、,C,5,、,C,j,组成的回路应呈感性。在变容管控制电路中，,V,Q,是由,9,V,电源经,56,k,和,22,k,的电阻分压后供给的。,v,(,t,),经,47,F,隔直电容和,47,H,高频扼流圈加到变容管上，并通过,56,k,和,22,k,的并接电阻接地。,中心频率为,90 MHz,的直接调频电路,P269,，,Fig 5-2-11,100,MHz,晶体振荡器的变容管直接调频电路。,T,2,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,组成间接调频电路的关键是实现性能优良的调相电路。调相实现电路从原理上讲有,三种实现方法：,矢量合成法、可变相移法,和,可变时延法,。,一、矢量合成法调相电路,单音调制时，调相信号的表达式为,v,o,(,t,)=,V,m,cos,(,c,t,+,M,p,cos,t,),=,V,m,cos,c,t,cos,(,M,p,cos,t,),-,V,m,sin,c,t,sin(,M,p,cos,t,),调频方法：直接调频、间接调频,(1),原理,当,M,p,(,/12,),，窄带调相时，,cos,(,M,p,cos,t,),1,，,sin(,M,p,cos,t,),M,p,cos,t,，,由此产生的误差小于,3%,，上式,v,o,(,t,),V,m,cos,c,t,-,V,m,M,p,cos,t,sin,c,t,因此，窄带调相波可近似由一个载波信号,(,V,m,cos,c,t,),和一个双边带信号,(,V,m,M,p,cos,t,sin,c,t,),叠加而成。用矢量表示，两矢量相互正交，其中双边带信号矢量的长度按,V,m,M,p,cos,t,的规律变化。,V,m,cos,c,t,cos,(,M,p,cos,t,),-,V,m,sin,c,t,sin(,M,p,cos,t,),简化为,窄带调相波就是这两个正交矢量合成的产物，故称之为,矢量合成法,。,(2),实现模型,如图。图中设,A,M,=1,，,原理上，这种方法只能不失真地产生,M,p,(,/12),rad,的,窄带调相波。,二、可变相移法调相电路,1.,实现原理,振荡器产生的载波电压,V,m,cos,c,t,通过一个可控相移网络，这个网络在,c,上产生的相移,(,c,),受调制电压的控制，且呈线性关系即,(,c,)=,k,p,v,(,t,)=,M,p,cos,t,，,则相移网络的输出电压便为所需的调相波，即,v,o,(,t,)=,V,m,cos,c,t,+,(,c,)=,V,m,cos,(,c,t,+,M,p,cos,t,),2.,实现方法,变容管调相电路,(1),原理图,如图。变容管电容用,C,j,表示，它和电感,L,组成谐振回路，并由角频为,c,的电流源,i,S,(,t,)=,I,sm,cos,c,t,激励，,R,e,回路的谐振电阻。,一个并联谐振回路，其阻抗由下式近似表示,其中,式中,(2),工作原理,若加在变容管上的电压,v,=,-(,V,Q,+,v,)=,-,(,V,Q,+,V,m,cos,t,),，,相应的,C,j,为,且假设,v,=0,、,C,j,=,C,jQ,时,，谐振回路的谐振角频率等于输入激励电流的角频率，即,0,=,c,=1/,则当加上调制信号后，回路谐振角频率将随,v,而变化，其值,(,参考,5-2-10,式,),为,当频率恒定,(,c,),的电流激励上述角频率受,v,控制的谐振回路时，回路提供的相移,z,(,c,),就将随,v,而变化。,为了说明这个问题，画出谐振回路在不同谐振频率时的相频特性。,当,0,=,c,时，,z,(,c,)=0,当,0,=,0,时，,z,(,c,),0,正,当,0,=,0,时，,z,(,c,),0,负,因此，,i,S,(,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,将 用幂级数展开，并限制,m,为小值，可忽略,m,cos,t,的二次方及其以上各次方项，就可得到不失真反映,v,变化的谐振角频率,即,式中,再来分析,z,(,),，,根据正切函数特性，当 时，,tan,z,(,),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,M,p,=,Q,e,nm,M,p,应小于,/6,。,(1),选用,n,=2,的变容管,(2),限制,m,为小值，保证,0,(,t,),不失真地反映,v,(3),限制,M,p,小于,/6,。,结论：,通过上述分析可见，要实现不失真调相,L,、,D,谐振回路,R,1,和,R,2,隔离电阻,，作用：将谐振回路输入和输出隔离开,4.,实际电路,(p278,，,F5-2-22),R,4,隔离电阻，将变容管控制电路与偏压源,(9,V),、,调制信号源,v,隔离,C,1,、,C,3,隔直耦合电容。,高频通路：,R,1,将输入载波电压,v,S,转换为可控相移网络所需的电流,i,S,。,调制频率通路：,R,3,、,C,4,组成,高频滤波电路,。,高频通路,(b),与调制频率通路,(c),若,C,4,取值较大,，,则,v,(,t,),在,R,3,C,4,电路中产生的电流,i,(,t,),v,(,t,)/,R,3,，,该电流向电容,C,4,充电，因此加到变容管上的调制信号电压为,R,3,C,4,的作用等效为一个积分电路，当,v,(,t,)=,V,m,cos,t,时，。,这样，调相电路便转换为,间接调频电路,。其中,三、可变时延法调相电路,1.,原理：将载波电压通过可控时延网络，如图所示,v,o,(,t,)=,V,m,cos,c,(,t,-,),2.,电路：时延网络的输出电压为,v,o,(,t,),=,V,m,cos,(,c,t,-,c,k,d,v,)=,V,m,cos,(,c,t,-,M,p,cos,t,),若,受调制信号控制，且呈线性关系，即,=,k,d,v,则,v,o,(,t,),就是所需的调相波。即,式中,M,p,=,c,k,d,V,m,，,最大可达,0.8,。,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,M,p,均受到调相特性非线性的限制，且其值都很小。,对间接调频，,M,f,=,k,p,(,k,1,V,m,/,)=,m,/,，,(,式,5-2-3),，故,m,=,k,p,k,1,V,m,，调相电路选定后，只与,V,m,有关而与,c,无关。间接调频限制的是绝对频偏,m,。,对直接调频，,(,式,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。,这表明，两种调频受调制特性非线性限制的参数不同：,减小,c,，,可以增大间接调频电路提供的最大相对频偏对直接调频电路,对于间接调频，如果调制信号是由包含,min,max,的众多频率分量组成的复杂信号，则当,V,m,即,m,一定时，,越小，,M,f,就越大，当,=,min,时，,M,f,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,M,p,，,因而最大频偏必须在最低调制频率上求得，即,m,=,M,f,min,才能保证在整个调制频率范围内的,M,f,不超过,M,p,。,间接调频,限制的是绝对频偏,m,。,直接调频,限制的是最大相对频偏,(,m,/,c,),。,所以，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。,5.2.5,扩展最大频偏的方法,最大频偏是频率调制器的主要性能指标，在实际调频设备中，如果需要的最大频偏不能由调频电路,(,特别是间接调频电路,),达到，则如何扩展最大频偏是设计调频设备的关键问题。,一个调频波，假设它的瞬时角频率为,=,c,+,m,cos,t,将该调频波通过倍频次数为,n,的倍频器，它的瞬时角频率就将增大,n,倍，变为,n,c,+,n,m,cos,t,。,可见,1.,问题的提出,2.,扩大最大频偏的方法,倍频,倍频器可以不失真地将调频波的载波角频率和最大角频偏同时增大,n,倍。即倍频器可以在保持调频波的相对角频偏不变，,(,n,m,/,n,c,=,m,/,c,),的条件下成倍地扩展其最大角频偏。,如果将该调频波通过混频器，则由于混频器具有频率加减的功能，因而，它可以使调频波的载波角频率降低或者提高，但不会使最大角频偏变化。可见，混频器可以在保持最大角频偏不变的条件下，不失真地改变调频波的相对角频偏。,利用倍频器、混频器的上述特点，可以实现在要求,的载波频率上扩展频偏。,例如：,首先利用倍频器增大调频波的最大频偏，然后利用混频器将调频波的载波频率降低到规定的数值。这对于直接、间接调频电路产生的调频波都适用。但在实际考虑时，这两种电路又有不同。,采用直接调频电路时，由于是最大相对频偏受到限制，因此当最大相对频偏一定时，提高,f,c,，,可以增大,f,m,。,如果能制成较高频率的频率调制器，那么，采用先在较高频率上产生调频波，而后通过混频器将其载波频率降低到规定值，,这比上述倍频和混频的方法简单。,采用间接调频电路时，由于它的最大调频指数或最大频偏受到限制，因此，一般在较低频率上产生调频波，以提高调频波的相对频偏，而后通过倍频和混频获得所需的载波频率和最大的线性频偏。,例：,一个调频广播发射机，采用矢量合成法调相电路，要求产生载波频率为,100,MHz,，,最大频偏为,75,MHz,的调频波。已知调制信号频率范围为,(100,15000),Hz,。,采用矢量合成法调相电路时，在最低调制频率,100,Hz,上能产生的最大线性频偏为,26,Hz,，,为了产生所需的调频波可采用,如图所示方案,。,图中,，调相电路的载波频率为,100,kHz,，,产生的最大频偏设为,24.41,Hz,，,通过三级四倍频和一级三倍频，可以得到载频为,19.2,MHz,，,最大频偏为,4.867,kHz,的调频波，而后通过混频将其载波频率降低到,6.25,MHz,，,再通过两个四倍频器，就能得到所需的调频器。,