无线电通信-82-调频方法概述、变容二极管调频、晶体振荡器直接调频及间接调频课件

对调频器的要求：对调频器的要求：已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化(基本要求基本要求);未调制时的载波频率，即已调波的中心频率具有一定的未调制时的载波频率，即已调波的中心频率具有一定的稳定度（视应用场合不同而有不同要求）。稳定度（视应用场合不同而有不同要求）。最大频移与调制频率无关。最大频移与调制频率无关。无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。调频信号方法：调频信号方法：用调制信号直接控制载波的瞬时频率用调制信号直接控制载波的瞬时频率直接调频直接调频。优点：优点：原理简单，频偏较大原理简单，频偏较大;缺点：但中心频率不易稳定缺点：但中心频率不易稳定。由调相变调频由调相变调频间接调频间接调频。优点：实现调相的电路独立优点：实现调相的电路独立于高频载波振荡器以外，所以载波中心频率的稳定性可以做得于高频载波振荡器以外，所以载波中心频率的稳定性可以做得较高；缺点：可能得到的最大频偏较小较高；缺点：可能得到的最大频偏较小。调频器：器：产生生调频信号的信号的电路。路。8.3调频方法概述对调频器的要求：调频信号方法：调频1直接调频基本原理直接调频基本原理：用调制信号直接线性地改变载波：用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。振荡的瞬时频率。因此，凡是能直接影响载波振荡瞬时频率的元件因此，凡是能直接影响载波振荡瞬时频率的元件或参数，只要能够用调制信号去控制它们，并从而使或参数，只要能够用调制信号去控制它们，并从而使载波振荡瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，载波振荡瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，都可以完成直接调频的任务。都可以完成直接调频的任务。如果载波由如果载波由LC自激振荡器产生，则振荡频率主自激振荡器产生，则振荡频率主要由谐振回路的要由谐振回路的L和和C所决定所决定。只要。只要能用调制信号去能用调制信号去控制回路的电感或电容，就控制回路的电感或电容，就能控制能控制振荡振荡频率。频率。u利用利用C性质器件（如变容二极管）的压控特性性质器件（如变容二极管）的压控特性;u利用利用L器件器件(铁氧体磁芯的电感线圈）的流控特性铁氧体磁芯的电感线圈）的流控特性;8.3.1直接调频原理直接调频基本原理：用调制信号直2End瞬时频率瞬时频率瞬时相位瞬时相位图图 10.3.1 10.3.1 借助于借助于借助于借助于调调相器得到相器得到相器得到相器得到调频调频波波波波 调频信号表达式调频信号表达式防止振荡器受防止振荡器受后面电路干扰后面电路干扰调制信号调制信号载波载波振荡器振荡器缓冲缓冲电路电路调相器调相器积分电路积分电路调频信号调频信号高频率稳定高频率稳定度振荡器度振荡器中心频率稳中心频率稳定度很高定度很高End8.3.2间接调频原理瞬时频率瞬时相位图103主要主要优点：点：能能够获得得较大的大的频移（相移（相对于于间接接调频而而言），言），线路路简单，并且几乎不需要，并且几乎不需要调制功率。制功率。主要缺点：主要缺点：中心中心频率率稳定度低。定度低。应用范用范围：在移在移动通信以及自通信以及自动频率微率微调系系统中。中。8.4 8.4 变容二极管调频变容二极管调频PN结具有电容效应：结具有电容效应：扩散电容扩散电容:正向偏置，电容效应比较小。正向偏置，电容效应比较小。势垒电容势垒电容:反向偏置，势垒区电荷呈现的电容效应。反向偏置，势垒区电荷呈现的电容效应。所以为利用所以为利用PN结的电容，结的电容，PN结应工作在反向偏置状态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，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，经过特殊工艺处理（控制半导而专用的变容二极管，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。反向偏置电压的变化而呈现较大变化的压控变容元件。主要优点：能够获得较大的频移（相对于间接调频而言），线路简单4变容二极管结电容变容二极管结电容C Cj j与反向电压与反向电压vR R存在如下关系：存在如下关系：结电容变化指数，通常：结电容变化指数，通常=1/21/3，经特殊工艺制成，经特殊工艺制成的超的超突变结电容突变结电容=15VD：PN结势垒电位差结势垒电位差变容二极管结电容Cj与反向电压vR存在如下关系：结5图图 8.4.1 8.4.1 用用用用调调制信号控制制信号控制制信号控制制信号控制变变容二极管容二极管容二极管容二极管结电结电容容容容而结电容：而结电容：表示结电容调制深度表示结电容调制深度 其中：其中：为静态工作点的结电容为静态工作点的结电容C j QC jvRV0图8.4.1用调制信号控制变容二极管结电容而结电容：6 Cc c是变容管与是变容管与L Ll lC C1 1回路之间回路之间的耦合电容，同时起到隔直流的的耦合电容，同时起到隔直流的作用；作用；C为对调制信号的旁路制信号的旁路电容；容；L2是高是高频扼流圈，但扼流圈，但让调制制信号通信号通过。它的作用都是将振。它的作用都是将振荡回路和回路和变容管的控制容管的控制电路隔离防路隔离防止它止它们之之间的相互影响。的相互影响。等效振荡回路如左图等效振荡回路如左图，主体是，主体是LC互感耦合正弦振荡电路互感耦合正弦振荡电路。振荡振荡频频率受到率受到调制信号的控制。适当选择调制信号的控制。适当选择变容二极管的特性和工作状态，可变容二极管的特性和工作状态，可以使振荡频率的变化近似地与调制以使振荡频率的变化近似地与调制信号成线性关系。这样就实现了调信号成线性关系。这样就实现了调频。频。图图 8.4.2 8.4.2 变变容二极管容二极管容二极管容二极管调频电调频电路路路路图图 8.4.3 8.4.3 振振振振荡荡回路的回路的回路的回路的等效等效等效等效电电路路路路Cc是变容管与LlC1回路之间的耦合电容，同7图中推导可得：图中推导可得：振荡回路的等效电路振荡回路的等效电路（8.4.10）式中：C0为无调制信号时的变容二极管结电容，为常数；m为调制深度；整理得：图中推导可得：振荡回路的等效电路（8.4.10）式中：C8经整理可得经整理可得:令令:（8.4.14）其中其中:（8.4.17）（8.4.20）经整理可得:令:（8.4.14）其中:（8.49（8.4.18）经整理可得经整理可得:（8.4.21）（8.4.18）经整理可得:（8.4.21）10上式说明，瞬时频率的变化中含有以下成份：上式说明，瞬时频率的变化中含有以下成份：与调制信号成线性关系的成份与调制信号成线性关系的成份，其最大频移：，其最大频移：中心频率相对于未调制时的载波频率产生的偏移为中心频率相对于未调制时的载波频率产生的偏移为:（8.4.22）与调制信号各次谐波成线性关系的成份，其最大与调制信号各次谐波成线性关系的成份，其最大 频移分别为：频移分别为：（8.4.23）（8.4.24）（8.4.25）上式说明，瞬时频率的变化中含有以下成份：与调制信号成线11 以上讨论的是以上讨论的是 C相对于回路总电容相对于回路总电容C很小（即小频很小（即小频偏）的情况。如果偏）的情况。如果 C比较大则属于大频偏调频。比较大则属于大频偏调频。以上讨论的是C相对于回路总电容C很小（即小频偏）的情1290MHz变容管直接调频电路分析变容管直接调频电路分析变容管直接调频实例变容管直接调频实例 电容电容三点式电路，变容管部分接入震荡回落，它的固定反偏三点式电路，变容管部分接入震荡回落，它的固定反偏电压由电压由+9V电源经电阻电源经电阻56k 和和22k 分压后取得，调制信号分压后取得，调制信号v 经高频扼流圈经高频扼流圈47 H至变容管起调频作用。至变容管起调频作用。90MHz变容管直接调频电路分析变容管直接调频实例电容三点13变容二极管调频电路变容二极管调频电路优点：优点：电路简单，工作频率较高，容易获得较大的频偏，在电路简单，工作频率较高，容易获得较大的频偏，在频偏不需很大的情况下，非线性失真可以做得很小。频偏不需很大的情况下，非线性失真可以做得很小。缺点：缺点：变容管的一致性较差，大量生产时会给调试带来某些变容管的一致性较差，大量生产时会给调试带来某些麻烦；另外偏置电压的漂移、温度的变化会引起中心麻烦；另外偏置电压的漂移、温度的变化会引起中心频率漂移，因此调频波的载波频率稳定度不高。频率漂移，因此调频波的载波频率稳定度不高。变容二极管调频电路14晶体振荡器直接调频；晶体振荡器直接调频；采用采用自动频率控制电路；自动频率控制电路；利用利用锁相环路稳频锁相环路稳频。如何稳定调频波的中心频率呢？通常采用以下三种方法：如何稳定调频波的中心频率呢？通常采用以下三种方法：晶体振荡器直接调频；如何稳定调频波的中心频率呢？通常采用以158.5 8.5 晶体振荡器直接调频晶体振荡器直接调频通常利用变容二极管控制晶体振荡器的振荡频率来实现调通常利用变容二极管控制晶体振荡器的振荡频率来实现调频。晶体工作于串并联谐振频率之间，等效为一个高品质频。晶体工作于串并联谐振频率之间，等效为一个高品质因数的电感元件，作为振荡回路元件之一。因数的电感元件，作为振荡回路元件之一。变容二极管接入振荡回路方式：与石英晶体串联或并联变容二极管接入振荡回路方式：与石英晶体串联或并联调制信号控制变容二极管结电容，使调制信号控制变容二极管结电容，使晶体谐振频率（串或并）发生变化，晶体谐振频率（串或并）发生变化，其等效电抗发生变化，振荡频率发生其等效电抗发生变化，振荡频率发生变化，获得调频信号。但最大相对频变化，获得调频信号。但最大相对频移小移小10e-4量级。量级。并联缺点变容管参数的不稳定直接影并联缺点变容管参数的不稳定直接影响调频信号中心频率的稳定度响调频信号中心频率的稳定度 串联串联 皮尔斯晶体振荡器皮尔斯晶体振荡器8.5晶体振荡器直接调频通常利用变容二极管控制晶体振荡器的16晶体直接调频原理图晶体直接调频原理图工作原理工作原理晶体直接调频原理图工作原理1718图图(a)是中心频率为是中心频率为4.0MHz的晶体调频振荡器的晶体调频振荡器的实际电路，图的实际电路，图(b)是它的交流等效电路。是它的交流等效电路。晶体振荡器直接调频电路图晶体振荡器直接调频电路图(a)(b)图(a)是中心频率为4.0MHz的晶体调频振荡器的实际电路，198.6.1 调相的方法调相的方法8.6.2 间接调频的实现间接调频的实现8.6间接调频:由调相实现调频8.6.1调相的方20高稳定度高稳定度载波振荡器载波振荡器 相位相位调制器调制器积分积分 电路电路多级倍频多级倍频和混频器和混频器宽带宽带 窄带窄带 采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个稳定的载频信号进行调相，这样一来就可得到中心频率稳定稳定的载频信号进行调相，这样一来就可得到中心频率稳定度高的调频信号。度高的调频信号。8.6间接调频:由调相实现调频高稳定度相位积分多级倍21 调相的方法通常有三相的方法通常有三类：一：一类是用是用调制信号控制制信号控制谐振回路振回路或移相网或移相网络的的电抗或抗或电阻元件以阻元件以实现调相。第二相。第二类是矢量合成是矢量合成法法调相。第三相。第三类是脉冲是脉冲调相。相。1）谐振回路或移相网络的调相方法）谐振回路或移相网络的调相方法（1）利用谐振回路调相）利用谐振回路调相8.6.1调相的方法调相的方法通常有三类：一22（1）利用谐振回路调相）利用谐振回路调相ff0一般当一般当 时，则有：时，则有：如果设如果设CCj，则，则所以回路的谐振频率：所以回路的谐振频率：而回路频率的频偏移为而回路频率的频偏移为:所以：所以：（1）利用谐振回路调相ff0一般当23（2）利用移相网络调相）利用移相网络调相图图 10.6.1 10.6.1 RCRC移相网移相网移相网移相网络络（2）利用移相网络调相图10.6.1RC移相网络824 图图 10.6.2 10.6.2 RCRC移相网移相网移相网移相网络络矢量矢量矢量矢量图图图10.6.2RC移相网络矢量图8.6.125图图 10.6.3 10.6.3 利用利用利用利用变变容二极管改容二极管改容二极管改容二极管改变变移相网移相网移相网移相网络络的的的的电电抗抗抗抗图10.6.3利用变容二极管改变移相网络的电抗8.262）合成调相法阿姆斯特朗法）合成调相法阿姆斯特朗法2）合成调相法阿姆斯特朗法8.6.1调相的方法27图图 10.6.5 10.6.5 实现实现矢量合成法的方框矢量合成法的方框矢量合成法的方框矢量合成法的方框图图图10.6.5实现矢量合成法的方框图8.6.128图图 10.6.6 10.6.6 用用用用载载波振波振波振波振荡荡与双与双与双与双边带调边带调幅波叠加以幅波叠加以幅波叠加以幅波叠加以实现调实现调相相相相图10.6.6用载波振荡与双边带调幅波叠加以实现调293）脉冲调相脉冲调相图图 10.6.7 10.6.7 实现实现脉冲脉冲脉冲脉冲调调相的方框相的方框相的方框相的方框图图3）脉冲调相图10.6.7实现脉冲调相的方框图8.30End图图 10.6.8 10.6.8 脉冲脉冲脉冲脉冲调调相各部分的波形相各部分的波形相各部分的波形相各部分的波形图图End图10.6.8脉冲调相各部分的波形图8.6.31End图图 10.6.9 10.6.9 间间接接接接调频调频的典型方框的典型方框的典型方框的典型方框图图End8.6.2间接调频的实现图10.6.932