高频角度调制与解调电路课件

5.3调频波解调电路调频波解调电路1概念概念频率检波频率检波(鉴频鉴频)：调频波的解调：调频波的解调相位检波相位检波(鉴相鉴相)：调相波的解调：调相波的解调2作用作用从已调波中检出反映在频率或相位变化上的调制信号。从已调波中检出反映在频率或相位变化上的调制信号。鉴鉴频频鉴鉴相相采采用用的的方方法法不不尽尽相相同同，本本章章重重点点讨讨论论调调频频波波的的解调解调鉴频鉴频。3特点特点限幅与鉴频一般联用限幅与鉴频一般联用统称统称限幅鉴频器限幅鉴频器。5.3调频波解调电路1概念频率检波(鉴频)：调频波的解调15.3.1限幅鉴频实现方法概述限幅鉴频实现方法概述一、鉴频电路性能要求一、鉴频电路性能要求1功能功能 将输入调频信号的瞬时频率变换为相应解调输出电压。将输入调频信号的瞬时频率变换为相应解调输出电压。2鉴频特性鉴频特性 描描述述 vO 随随瞬瞬时时频频偏偏(f -fc)的的变变化特性，化特性，如图如图 所示所示。图图 5-3-1鉴频特性鉴频特性3鉴频跨导鉴频跨导鉴频特性原点处的斜率鉴频特性原点处的斜率单位单位 V/Hz。5.3.1限幅鉴频实现方法概述一、鉴频电路性能要求1功能24对鉴频电路性能要求对鉴频电路性能要求 通通频频带带大大于于调调制制信信号号的的最最高高频频率率 max。在在传传输输视视频频信号时，还必须满足相位失真和瞬变失真的要求。信号时，还必须满足相位失真和瞬变失真的要求。大的鉴频跨导大的鉴频跨导 SD 满足线性和非线性失真的要求。满足线性和非线性失真的要求。二、鉴频的实现方法二、鉴频的实现方法 利用反馈环路利用反馈环路(例如锁相环例如锁相环)实现鉴频实现鉴频(第第 5 章章)利利用用波波形形变变换换 将将输输入入的的调调频频信信号号进进行行特特定定的的波波形形变变换换，使使变变换换后后的的波波形形含含有有反反映映瞬瞬时时频频率率变变化化的的平平均均分分量。再通过检波、低通滤波器输出所需的解调电压。量。再通过检波、低通滤波器输出所需的解调电压。4对鉴频电路性能要求 通频带大于调制信号的最高频率 3(1)斜率鉴频器斜率鉴频器 将将输输入入调调频频波波通通过过具具有有合合适适频频率率特特性性的的线线性性网网络络，使输出调频波的使输出调频波的振幅振幅按照瞬时频率的规律变化按照瞬时频率的规律变化。通过通过包络检波器包络检波器输出反映振幅变化的解调电压。输出反映振幅变化的解调电压。图图 5-3-2斜率鉴频器的实现模型斜率鉴频器的实现模型(1)斜率鉴频器 将输入调频波通过具有合适频率特性的线4(2)相位鉴频器相位鉴频器 将将输输入入调调频频波波通通过过具具有有合合适适频频率率特特性性的的线线性性网网络络，使使输出调频波的附加输出调频波的附加相移相移按照瞬时频率的规律变化按照瞬时频率的规律变化。相相位位检检波波器器将将它它与与输输入入调调频频波波的的瞬瞬时时相相位位进进行行比比较较，检出反映附加相移变化的解调电压。检出反映附加相移变化的解调电压。图图 5-3-3相位鉴频器的实现模型相位鉴频器的实现模型(3)脉冲计数式鉴频器脉冲计数式鉴频器 调频波通过调频波通过非线性变换网络非线性变换网络变成变成调频等宽调频等宽脉冲序列。脉冲序列。由低通滤波器输出反映平均分量变化的解调电压。由低通滤波器输出反映平均分量变化的解调电压。(2)相位鉴频器 将输入调频波通过具有合适频率特性的线5图图 5-3-5脉冲计数式鉴频器的组成方框及其各部分波型脉冲计数式鉴频器的组成方框及其各部分波型图图 5-3-4脉冲计数式鉴频器的实现模型脉冲计数式鉴频器的实现模型图 5-3-5脉冲计数式鉴频器的组成方框及其各部分波型图 65.3.2斜率鉴频电路斜率鉴频电路一、失谐回路斜率鉴频电路一、失谐回路斜率鉴频电路1电路组成电路组成 单单失失谐谐回回路路(谐谐振振回回路路对对输入调频波的载波失谐输入调频波的载波失谐)二极管包络检波器二极管包络检波器图图 5-3-15单失谐回路斜率鉴频器单失谐回路斜率鉴频器2工作原理工作原理5.3.2斜率鉴频电路一、失谐回路斜率鉴频电路1电路组成73扩大鉴频特性范围扩大鉴频特性范围平衡回路斜率鉴频器平衡回路斜率鉴频器(1)电路电路图图 5-3-16双失谐回路斜率鉴频器双失谐回路斜率鉴频器vO=vAV1-vAV2 f =f01-fc=fc-f02。3扩大鉴频特性范围平衡回路斜率鉴频器(1)电路图 5-8(2)鉴频特性鉴频特性设设 A1()、A2()：上、下两谐振回路的幅频特性上、下两谐振回路的幅频特性vO：双失谐回路斜率鉴频器输出解调电压，则双失谐回路斜率鉴频器输出解调电压，则vO=vAV1-vAV2=Vsm dA1()-A2()d：上、下两包络检波器的检波电压传输系数：上、下两包络检波器的检波电压传输系数(3)讨论讨论合成鉴频特性曲线的线性：合成鉴频特性曲线的线性：与与两失谐回路的幅频特性形状有关；两失谐回路的幅频特性形状有关；主主要要取取决决于于 f01 和和 f02 的的位位置置。配配置置恰恰当当，补补偿偿两两曲曲线线中中的的弯弯曲曲部部分分，可可获线性范围较大的鉴频特性曲线。获线性范围较大的鉴频特性曲线。(2)鉴频特性设 A1()、A2()：上、下两谐振9图图 5-3-16双失谐回路斜率鉴频器双失谐回路斜率鉴频器 f 过过大大时时，会会在在 fc 附附近近出出现现弯弯曲曲；f 过过小小时时，线线性性段段范围不能扩展。范围不能扩展。可可证证，若若 ，鉴鉴频频特特性性的的线线性性范范围达到最大。为了实现线性鉴频，应限制围达到最大。为了实现线性鉴频，应限制 m BW0.7/4 。图 5-3-16双失谐回路斜率鉴频器 f 过大时，会10二、集成电路中采用的斜率鉴频器二、集成电路中采用的斜率鉴频器图图 5-3-17集成电路中广泛采用的集成电路中广泛采用的斜率鉴频电路斜率鉴频电路1电路电路L1C1C2：线线性性网网络络，作作用用：f V 变变换换，输输出出调调频频调调幅幅电电压压 v1(t)，v2(t)；T1T2：射随器；：射随器；T3T4：三三极极管管包包络络检检波器，输出解调波；波器，输出解调波；T5T6：差差分分放放大大器器，放大解调电压。放大解调电压。二、集成电路中采用的斜率鉴频器图 5-3-17集成电路中广112原理原理图图 5-3-18鉴频特性曲线鉴频特性曲线 特性曲线特性曲线如图如图 5-3-18(a)所示。所示。1，L1C1并并联联谐谐振振，v1m 最最大，大，v2m 最小。最小。2，L1C1C2串串联联谐谐振振，v1m 最小，最小，v2m 最大。最大。合成鉴频特性曲线合成鉴频特性曲线如图如图 所示所示。vO=A(v1m-v2m)A：增增益益常常数数，取取决决于于射射随随器器、检检波器、差分放大器。波器、差分放大器。可可调调元元件件 L1、C1、C2。2原理图 5-3-18鉴频特性曲线 特性曲线如图125.3.3相位鉴频电路相位鉴频电路作作用用：鉴鉴相相，用用来来检检出出两两信信号号间间的的相相位位差差，并并输输出出与与相相位差大小相对应的电压。位差大小相对应的电压。实现电路实现电路叠加型叠加型乘积型乘积型模拟鉴相器模拟鉴相器数字鉴相器数字鉴相器由数字电路构成由数字电路构成一、乘积型鉴相器一、乘积型鉴相器1组成框图组成框图图图 5-3-19乘积型鉴相器乘积型鉴相器相乘器相乘器(例如双差分对平衡调制器例如双差分对平衡调制器)+低通滤波器。低通滤波器。5.3.3相位鉴频电路作用：鉴相，用来检出两信号间的相13图图 5-3-25乘积型相位鉴频电路乘积型相位鉴频电路T3 T9、D6：双双差差分分对对平平衡衡调调制制器器、实实现现乘乘积积型型相相位位鉴鉴频电路。频电路。图 5-3-25乘积型相位鉴频电路T3 T9、D6：双142工作原理工作原理设两个输入信号分别为设两个输入信号分别为除除 90 固固定定相相移移外外，它它们们之之间间的的相相位位差差为为 。则则双双差差分对管输出差值电流分对管输出差值电流(见式见式 4-2-23)为为(1)V2m 260 mV，上式简化为，上式简化为(见式见式 4-2-27)2工作原理设两个输入信号分别为除 90 固定相移外，15设设双双差差分分对对管管的的直直流流负负载载电电阻阻为为 RC，低低通通滤滤波波器器的的传传输输增益为增益为 1，则鉴相器的鉴相特性为，则鉴相器的鉴相特性为式中，式中，Ad 为为鉴相灵敏度鉴相灵敏度，单位为，单位为 V。设双差分对管的直流负载电阻为 RC，低通滤波器的传输增益16图图 5-3-20乘积型鉴相器的鉴相特性乘积型鉴相器的鉴相特性当当|/12 时时，sin ，vO 与与 成成正正比比。故故只只能能不不失失真真地解调地解调|为小值的调相信号。为小值的调相信号。(2)当当 Vlm 和和 V2m 均大于均大于 260 mV近近似似表表示示为为两两个个双双向向开开关关函函数数相相乘乘，即即 可画出两个开关波形相乘后的波形。可画出两个开关波形相乘后的波形。图 5-3-20乘积型鉴相器的鉴相特性当|0 时时，相相乘乘所所得得的的双双向向脉脉冲冲上上、下下不不等等宽宽。在在|/2 范范围围内内，相相应应的的平平均均分分量为量为图图 5-3-21两个开关波形相乘后的波形两个开关波形相乘后的波形 =0 时，相乘所得的双向脉冲上、下等宽，频率183实现电路实现电路(1)电路电路图图 5-3-25乘积型相位鉴频电路乘积型相位鉴频电路T1：射随器，将一路信号：射随器，将一路信号 vS 分为大小两路：分为大小两路：大：接大：接 T7，作用：保证，作用：保证 T7、T8 为开关状态。为开关状态。小：经小：经频相转换网络频相转换网络接接 T3 T6，为相乘器，为相乘器小信号输入电压。小信号输入电压。T3 T9、D6：双双差差分分对对平平衡衡调调制制器器，实实现现乘积型鉴相。乘积型鉴相。频相转频相转换网络换网络D1 D5：T2及及双双差差分分对对偏置电路。偏置电路。3实现电路(1)电路图 5-3-25乘积型相位鉴频电路T19通通过过低低通通滤滤波波器器，得得到到鉴鉴相相器器的的输出电压为输出电压为 ，为为在在|/2 内内的的一一条条通通过过原原点的直线，并向两侧周期性重复。点的直线，并向两侧周期性重复。通过低通滤波器，得到鉴相器的输出电压为 20(2)频相转换网络频相转换网络 电路电路(a)(b)图图 5-3-26单谐振回路作为相频转换网络单谐振回路作为相频转换网络参见参见图图 5-3-26(a)。将输。将输入电压源入电压源 变换为电流源，变换为电流源，如图如图 5-3-26(b)所示，其中，所示，其中，。则该网络就是在激励下的单谐振回路。则该网络就是在激励下的单谐振回路。输出电压输出电压 在在 0 0 附近，网络的增益附近，网络的增益 A A(j)可近似表示为可近似表示为或或(5-3-25)(2)频相转换网络 电路(a)(b)参见21或或(5-3-25)式中，定义为式中，定义为广义失谐量广义失谐量，其中，其中 幅幅频频特特性性和和相相频频特特性性曲曲线线可可根根据据式式(5-3-25)画画出出，如图如图 5-3-26 所示所示。图图 5-3-26或(5-3-25)22(3)鉴频特性鉴频特性 设设频频相相转转换换网网络络谐谐振振频频率率 0=c。电电路路中中射射随随器器 T1 和和 T2 的的增增益益近近似似为为 1 1，则则 v1(t)的的振振幅幅 V1m 近近似似等等于于输输入入调调频频信号信号 vs(t)的振幅的振幅 Vsm ，v2(t)的振幅的振幅 V2m =(1/10)A()Vsm。根根据据 vO Adsin ，在在双双差差分分对对管管单单端端输输出出时时，鉴鉴频频器的输出解调电压为器的输出解调电压为(5-3-27)式中，式中，A=arctan(3)鉴频特性 设频相转换网络谐振频率 0=c。23根据上式画鉴频特性曲线，根据上式画鉴频特性曲线，如图如图 5-3-27 所示所示。图图 5-3-27鉴频特性曲线鉴频特性曲线图图 5-3-27 中中，虚虚线线是是假假设设 A A()为为恒恒值值时时画画出出的的特特性性，而而实实线线则则是是按按 A A()的的变变化化进进行行修修正正后后画画出出的的实实际际特特性。性。可可见见，当当广广义义失失谐谐量量 向向正正、负负方方向向增增大大时时，由由于于 A A()下下降降，实实际际特特性性出出现现正正、负负两两个个峰峰值值，而而后后便便近近似似按按 A A()的规律单调下降。的规律单调下降。若若 arctan 限制在限制在 /12 ，即，即|0.27 时，时，由由可近似认为可近似认为根据上式画鉴频特性曲线，如图 5-3-27 所示。图 24A()A(0)=0C1R 若若输输入入调调频频信信号号的的瞬瞬时时角角率率 (t)=c +(t)，且且 0=c，代入上式，则，代入上式，则 因而，因而，由由式式(5-3-27)，可得，可得式中，式中，鉴相灵敏度鉴相灵敏度。实现了线性鉴频。实现了线性鉴频。A()A(0)=0C1R 若输入调频信号25二、叠加型鉴相器二、叠加型鉴相器图图 5-3-23叠加型鉴相器电路叠加型鉴相器电路1原理电路原理电路由两个包络检波器叠加后由两个包络检波器叠加后组成的组成的叠加型鉴相器叠加型鉴相器。2工作原理工作原理vi1(t)=v1(t)+v2(t)，vi2(t)=v1(t)-v2(t)图图 5-3-24假设假设 v1(t)=V1mcos t，v2(t)=V2msin(t +)，则根据，则根据矢量叠加矢量叠加原理，原理，vi1(t)和和 vi2(t)可可分别表示为：分别表示为：vi1(t)=Vm+(t)cos t-1(t)vi2(t)=Vm-(t)cos t+2(t)其中，其中，二、叠加型鉴相器图 5-3-23叠加型鉴相器电路1原理电26 可可 见见，合合 成成 电电 压压 的的 振振 幅幅Vm+(t)和和 Vm-(t)均均与与 有有关关，但它们之间的关系是非线性的。但它们之间的关系是非线性的。3 3解调电压输出解调电压输出 若若包包络络检检波波器器的的检检波波电电压压传传输输系系数数为为 d，则则鉴鉴相相器器的的输输出电压为出电压为 可见，合成电压的振幅Vm+(t)和 Vm-(t)27式中，式中，以以 Ksin 为变量，将上式用幂级数展开：为变量，将上式用幂级数展开：当当 Ksin 为为小小量量时时，Ksin 的的三三次次方方及及其其以以上上各各次次方项可忽略，上式简化为方项可忽略，上式简化为(5-3-23)呈正弦鉴相特性。呈正弦鉴相特性。式中，以 Ksin 为变量，将上式用幂级数展开：当284实际电路实际电路(1)电路电路图图 5-3-28耦合回路叠加型相位鉴频器电路耦合回路叠加型相位鉴频器电路 频相转换网络：频相转换网络：L1C1 和和 L2C2，互感耦合双调谐回路。，互感耦合双调谐回路。C0 ：隔直电容，对输入信号频率呈短路。隔直电容，对输入信号频率呈短路。L3 ：高高频频扼扼流流圈圈，高高频频阻阻抗抗很很大大，接接近近开开路路，而而对对平平均分量接近短路，为包络检波器提供通路。均分量接近短路，为包络检波器提供通路。4实际电路(1)电路图 5-3-28耦合回路叠加型相位鉴29图图 5-3-28耦合回路叠加型相位鉴频器电路耦合回路叠加型相位鉴频器电路(2)原理原理 两两个个输输入入信信号号叠叠加加后后加加到到包包络络检检波波器器而而构构成成的的叠叠加加型型鉴鉴相器相器。1 路路：调调频频信信号号 vS(t)经经 T、一一次次回回路路 L1C1 上上产产生生电电压压v1(t)，通过互感耦合在二次回路，通过互感耦合在二次回路 L2C2 上产生电压上产生电压 v2(t)。2 路路：v1(t)又又通通过过 C0 、高高扼扼圈圈 L3 和和滤滤波波电电容容 C 通通地地，形成闭合回路，在这个回路中，形成闭合回路，在这个回路中，v1(t)几乎全部加到几乎全部加到 L3 上。上。图 5-3-28耦合回路叠加型相位鉴频器电路(2)原理 30图图 5-3-28耦合回路叠加型相位鉴频器电路耦合回路叠加型相位鉴频器电路实实际际加加到到上上、下下包包络络检检波波器器的的输输入入电电压压分分别别为为 v1(t)+v2(t)/2 和和 v1(t)-v2(t)/2。符符合合叠叠加加型型相相位位检检波波器器对对输输入电压的要求。入电压的要求。图 5-3-28耦合回路叠加型相位鉴频器电路实际加到上31(3)幅频、相频特性幅频、相频特性可证，频相转换网络的幅频、相频特性可证，频相转换网络的幅频、相频特性(5-3-32)图图 5-3-29互感耦合回路互感耦合回路(3)幅频、相频特性可证，频相转换网络的幅频、相频特性(5-32(4)解调电压解调电压 根据叠加型鉴相器的鉴相特性根据叠加型鉴相器的鉴相特性(5-3-23)解调电压为解调电压为式中，式中，(4)解调电压 根据叠加型鉴相器的鉴相特性(5-3-33(5)鉴频特性曲线鉴频特性曲线 图图 5-3-30叠加型鉴频特性曲线叠加型鉴频特性曲线如如图图 5-3-30 所所示示 。虚虚线线为为 V2m 为为恒恒值值时时的的特特性性。实实线线是是按按 V2m =V1mA()修修正正后后画出的实际特性。画出的实际特性。(6)讨论讨论：鉴频特性修正鉴频特性修正设设 V1m 为恒值。为恒值。实实际际上上，一一次次回回路路上上产产生生的的电电压压是是频频率率的的复复函函数数。故故鉴鉴频特性必须频特性必须按按 V1m 随随 变化的特性变化的特性修正。修正。式中，耦合因子式中，耦合因子 =kQe。(5)鉴频特性曲线 图 5-3-30叠加型鉴频特性曲线34 图图 5-3-32 V1m()特性曲线特性曲线一一次次、二二次次回回路路间间耦合系数耦合系数 k=M/L。参参变变量量 对对曲曲线线形状的影响：形状的影响：(1)0.49 时，时，为为双双峰峰曲曲线线，随随 的的增增大大，两两峰峰向向两两边边扩扩展展，峰值和谷值均减小。峰值和谷值均减小。一次、二次回路间耦合系数 k=M/L。参变量35 按按 V1m()的的变变化化特特性性对对图图 5-2-30 修修正正后后的的鉴鉴频频特特性性如图如图 5-3-33 所示。所示。0.49图图 5-3-33 失失谐谐量量|较较小小时时，V1m()在在谷谷点点附附近近比比较较平平坦坦，实际鉴频特性曲线由修正前特性决定，近似为一条直线。实际鉴频特性曲线由修正前特性决定，近似为一条直线。|为为 中中 等等 数数 值值 时时，V1m()向向峰峰值值上上升升，可可对对修修正正前前曲曲线线的的向向下下弯弯曲曲起起到到补补偿偿作作用用，使使实际特性的线性范围有所扩展。实际特性的线性范围有所扩展。在在|很很大大时时，V1m()通通过过峰峰值值下下降降，因因而而加加快快了了实实际际特特性性的下降。的下降。取取值值不不同同，修修正正后后的的实实际际鉴鉴频频特特性性也也不不同同，理理论论和和实实践践证证明明，=2 3 时，鉴频特性线性最好。时，鉴频特性线性最好。按 V1m()的变化特性对图 5-2-30 修正36