高频电子电路6.1-6.3

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1、第6章 角度调制与解调,6.1 概述,6.3 调频电路,6.4 调频波的解调原理及电路,6.6 FM发射机与接收机,6.5 调频制的抗干扰性及特殊电路,6.2 调角信号的分析,6.1 概述,1.角度调制的定义,设载波： ，,式中 为总相位，,为振幅， 为角频率， 为初相位。,调制信号： ，它去控制载波的三个参量中的某个，因此有：,AM：,FM：,PM：,统称为角度调制,属于频谱的线性搬移电路,属于频谱的非 线性搬移电路,调制信号寄生于已调信号的振幅中。,已调波为等幅波，调制信号寄生于已调信号的频率、相位即角度中。,（AM）振幅解调检波,（FM）频率解调鉴频,（detection）,（frequ

2、ency discrimination）,（PM）相位解调鉴相,（phase detection）,2.解调,t= t,t =0,回忆：瞬时频率 和瞬时相位 的关系,6.2 调角信号的分析,6.2.1 调角信号的时域分析,设载波： ，调制信号：,1.FM波的时域分析,根据FM的定义，已调波的瞬时频率 随调制信号 的成线性变化，因此瞬时频率为,式中， ：载波角频率，即FM波的中心频率； ：调频灵敏度； ：瞬时频率偏移，简称频偏。,（2）最大频偏,（3）瞬时相位,（4）瞬时相移,（5）最大相移,（6）FM波的数学表达式,调频指数,（1）瞬时频偏,2.PM波的时域分析,式中， ：载波相位角； ：调频

3、灵敏度； ：瞬时相位偏移。,（2）最大相移,（6）PM波的数学表达式,（1）瞬时相移,（4）瞬时频偏,调相指数,（3）瞬时频率,（5）最大频偏,根据PM的定义，已调波的瞬时相位 随调制信号 的成线性变化，因此瞬时相位为,3.FM波与PM波的比较,瞬时频率,瞬时相位,瞬时频偏,瞬时相移,最大频偏,最大相移,数学表达式,设载波： ，调制信号：,判断依据,【讨论】,（2）最大频偏,（3）最大相移,可以看出，FM波的频带宽度对于不同的几乎维持恒定；PM波的频带宽度随的升高而增加。,（4）调频波的波形,（1）若调制信号为单一频率信号时，一般的调角信号表达式为,FM波：,PM波：,FM波：,PM波：,FM

4、波,PM波,记住,6.2.2 调角信号的频域分析,1.调角信号的频谱,用m代替mf或mp，调制信号为单一频率信号且 ，则调角信号的统一表达式为：,对其中两项进行傅立叶级数展开有：,式中： 称为第一类贝塞尔函数。当n，m一定时， 的值可以由曲线或函数表查出。,上述二式代入上式有：,经化简有：,第一类贝塞尔函数的性质：,（n为偶数）,（n为奇数）,对于任意的m，各阶贝塞尔函数的平方和恒为1，即, 即,m一定时，n 趋近于0，因此高次边频可忽略不计；,n一定时，m 。,因此调角信号的频谱为,【调角信号频谱的特点】,FM、PM信号的频谱是由载频 及边频 组成，其中 分量幅度为 、 分量幅度为 。,2.

5、调频信号的带宽,由以上分析可知，调角信号的频谱包含有无穷多个频率分量。因此，从理论上讲，FM/PM信号的频带宽度应该是无限宽的。,实际上， FM/PM信号中各边频分量幅度正比于 随m一定时，n ，高次边频可忽略不计，因此FM/PM信号可近似地认为是具有有限带宽的信号。下面分析以FM信号为例。,工程上有两种不同的准则：,（1）比较精确的准则：FM信号的带宽应包括幅度大于未调载波振幅1%以上的边频分量，即,此时，FM信号的带宽为,（2）Carson准则：凡是幅度小于未调载波振幅的10%15的边频分量均可忽略不计。即,式中， 为满足上述不等式的最大值；,此时，FM信号的带宽为,工程上，为了便于计算可

6、采用以下近似公式：,记住,计算时所用的公式,： （与AM波带宽相同），称为窄带调频；,： ，称为宽带调频；,： 。,实际中的调制信号都具有有限频带，即其频谱占有一定的频率范围F minF max，因此实际FM波的带宽为,：最大频偏,6.3 调频电路,6.3.1 实现调频、调相的方法,6.3.3 变容二极管直接调频电路,6.3.4 晶体振荡器直接调频电路,6.3.5 间接调频电路,6.3.2 压控振荡器直接调频电路,6.3 调频电路,6.3.1 调频、调相的方法,仿真1,仿真2,1. FM信号的产生方法,（1）直接调频（direct FM）法,它是指用调制信号直接对载波进行频率调制。,（2）间接

7、调频（indirect FM）法,它是指先对调制信号进行积分，再由积分后的信号对载波进行相位调制。,2. PM信号的产生方法,（1）直接调相（direct PM）法,它是指用调制信号直接对载波进行相位调制。,（2）间接调相（indirect PM）法,它是指先对调制信号进行微分，再由微分后的信号对载波进行频率调制。,仿真1,仿真2,6.3.2 压控振荡器直接调频电路,LC三点式振荡器的振荡频率 ，因此用调制信号电压控制振荡回路的参数，如回路电容C或回路电感L，并使振荡频率 正比于所加调制信号电压，即可实现调频。,在直接调频法中常采用压控振荡器（Voltage Control Oscillato

8、r）作为频率调制器来产生调频信号。,1.VCO的特点,VCO的特点是：瞬时频率 随外加控制信号 的变化而变化。,因此，VCO的输出信号即FM信号为,式中， ：VCO的固有振荡频率； ：VCO的压控灵敏度。,2.VCO直接调频电路的原理框图,VCO中最常用的压控元件为：变容二极管和由BJT、FET组成的电抗管电路。,3.VCO直接调频的特点,缺点：中心频率稳定性差，常采用自动频率控制（automatic frequency control ，AFC ）电路来克服载频偏移。,优点：可获得较大频偏；,6.3.3 变容二极管直接调频电路,重点,（1）定义,1. 变容二极管,二极管即PN结，PN结具有电

9、容效应，它包括：,扩散电容,：PN结正偏，由大量非平衡载流子注入造成的电容效应,（电容效应小）,势垒电容,：PN结反偏，由势垒区空间电荷所呈现的电容效应,因此为了充分利用PN结电容效应，PN结应工作在反向偏置状态。,PN结反向偏置时，结电容会随外加反向偏压而变化，而专用的变容二极管，是经过特殊工艺处理（控制半导体的掺杂浓度和掺杂的分布）使势垒电容能灵敏地随反向偏置电压的变化而呈现较大变化的压控变容元件。,（2）原理,变容二极管的结电容 与反偏电压 的关系为：,： （零偏置）时的电容值；,：PN结势垒电位差（Si：0.7；Ge：0.3V）；,：结电容变化指数 ，特殊工 艺时， 。,非线性关系,设

10、在变容二极管上加一个静态工作电压 和一个单频调制信号： ，则其两端所加的反向偏压为：,其结电容为：,CjQ,其中： 为静态工作点的电容；,表示结电容调制深度的调制指数。,2. 变容二极管直接调频的原理电路,为了突出调频性能的分析，下图只画出了它的高频交流等效电路，没有画出直流馈电电路。,+ UQ -,图中：C3为高频耦合电容，C4为隔直电容，LD为高频扼流圈， 对调制信号短路，但阻止高频电流经过调制信号源被旁路；R1、 R2为C j的偏置电阻，为C j提供静态直流电压： 。,右图为振荡器交流等效电路，C j与振荡器回路并联。二极管的反偏电压为：,3.调频性能分析,由电路可知，振荡频率为：,其中

11、，,【讨论】,（1） 时可得,式中，,线性调频,为简化分析，假设 ，则有 。 因此有：,（2） 时按幂级数展开并忽略三次以上的高次项有,式中：,：中心频率 的偏移量，是由 的非 线性引起的。,：最大频偏,（希望 越小越好）,（希望 越大越好）,： 分量引起的附加频偏，这会造成FM 接收时的非线性失真。,（希望 越小越好）,调频灵敏度,4. 实用变容二极管调频电路,交流通路： L1，C1、C2串联，C3和反向串联的两个变容二极管，三个支路并联组成电容反馈三点式振荡电路。,两个变容二极管串联后的总电容,仿真,C1,C3,Cj1,Cj2,u,R1,R2,Le,Re,C2,L1,Cb,C4,C5,C6

12、,C7,L2,L3,+ -,VT,-UQ,EC,L4,ud,直流偏置电压-UQ同时加在两个变容二极管的正极，调制信号 经L4扼流圈加在二极管负极上，两个二极管的动态偏置为：,C j与C3串联后接入振荡回路，对振荡回路来说是部分接入，与单二极管直接接入比较，在 相同的情况下，m值降低。,两变容二极管反向串联，对高频信号而言，加到两管的高频电压降低一半，可减弱高频电压对结电压的影响，另外在高频电压的任一半周内，一个变容管寄生电容增大，而另一个则减少，使结电容的变化不对称性相互抵消，从而消弱寄生调制。,（1）电路结构,（2）电路结构的特点,6.3.4 晶体振荡器直接调频电路,在要求调频波中心频率稳定

13、度较高，而频偏较小的场合，可以采用直接对晶体振荡器调频的方法。,1晶体振荡器直接调频原理,右图为并联型皮尔斯振荡器，其振荡频率为：,【说明】：晶体在电路中呈现为一个等效电感，故只能工作于晶体的串联谐振频率f q与并联谐振频率f p之间，而f q与 f p之间的频率变化范围只有：,（1）并联型皮尔斯晶体振荡器,（2）晶体调频振荡器,若用压控元件Cj代替C3并受调制电压 控制，则皮尔斯振荡器就成为一个晶体调频振荡器。,量级，再加上Cj的串联，晶体可调振荡频率更窄。,例如载频为40MHz的晶体调频振荡器，能获得最大频偏只有7.5KHz，所以采用晶体调频振荡器虽然可以获得较高的频率稳定度，但缺点是最大

14、频偏很小，实际中需要采用扩大频偏的措施。,扩大频偏的方法有两种： 晶体支路中串接小电感； 利用型网络进行阻抗变换来扩展晶体呈现感性的工作频率范围。,2.晶体调频振荡器的实用电路,- UQ +,仿真,L：小电感，扩大调频的频偏。,EC经稳压管VDZ稳压后经RZ2=2.4k和W1=47k电位器分压后，经R电阻加至变容管正极。改变电位器W1的活动端可以调整变容管的UQ从而改变Cj ，把调频器的中心频率调至规定值。,调制信号 经电位器W2加于变容管VD，改变电位器W2的活动头，可以调整加在变容二极管上的调制信号电压幅值，从而获得要求的频偏。,6.3.5 间接调频电路,但最大频偏小的缺点可通过多级倍频器

15、后获得符合要求的调频频偏，另外采用混频器变换频率可得到符合要求的调频波工作范围。,间接调频法就是利用调相方法来实现调频。,1. 间接调频法,晶振,窄带,宽带,高稳定度的载波振荡器用晶体振荡器实现。,窄带调频信号经多级倍频和混频后，产生中心频率范围和频偏 都符合要求的宽带FM波输出。,在间接调频时，要获得线性调频要以线性调相为基础。但在实现线性调相时，最大瞬时相位偏移 ，即 。因此线性调相范围很窄。由此转换的FM波的最大频偏 也是很小的，即 。,缺点：不能获得较大的频偏。,2. 变容二极管调相电路,间接调频的关键电路是调相器。下面介绍变容二极管调相电路。,（1）电路结构,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。,UQ=9V,载波 输入,调相波 输出,调相波 输出,载波 输入,R1、R2：谐振回路输入、输出 端的隔离电阻；,R4：偏置电压UQ与调制信号间 的隔离电阻；