射頻通信電路- 調(diào)制與解調(diào)電路

第九章調(diào)制與解調(diào)電路調(diào)幅－平衡調(diào)制與相干解調(diào)、包絡(luò)檢波調(diào)頻－直接調(diào)頻與間接調(diào)頻、鑒頻電路其他－載波提取、正交信號(hào)形成12/9/20221第九章內(nèi)容目錄9·1調(diào)制與解調(diào)器平衡調(diào)制器、相干解調(diào)器9·2載波提取9·3正交信號(hào)形成電路9·4調(diào)幅波的包絡(luò)檢波電路包絡(luò)檢波電路、同步檢波9·5調(diào)頻電路直接調(diào)頻電路、間接調(diào)頻電路9·6鑒頻電路斜率鑒頻·正交鑒頻·FSK雙濾波器解調(diào)·鎖相鑒頻12/9/202229·0調(diào)制與解調(diào)調(diào)制方式頻譜特點(diǎn)帶寬調(diào)制方式解調(diào)方式模擬調(diào)制調(diào)幅AM線性搬移2FmaxC類(lèi)功放調(diào)幅包絡(luò)檢波DSB乘法器＋濾波器相干解調(diào)SSBFmax調(diào)角FM非線性搬移2(mf+1)F直接調(diào)頻間接調(diào)頻斜率鑒頻正交鑒頻鎖相鑒頻PM數(shù)字調(diào)制ASK線性搬移2Fmax乘法器＋濾波器相干解調(diào)PSKFSK非線性搬移直接調(diào)頻同F(xiàn)M12/9/202239·1調(diào)制與解調(diào)器一、二極管平衡調(diào)幅電路采用二極管實(shí)現(xiàn)調(diào)幅電路時(shí)，輸入信號(hào)可以是較小的信號(hào)或較大的信號(hào)兩種情況。信號(hào)小時(shí)二極管的特性可以用冪級(jí)數(shù)展開(kāi)逼近信號(hào)大時(shí)二極管的特性要用開(kāi)關(guān)函數(shù)描述由于采用小信號(hào)鼓勵(lì)方式在產(chǎn)生w±W的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生w±2W的頻率分量，很難通過(guò)濾波的方法去除，故多數(shù)情況下都采用開(kāi)關(guān)函數(shù)的工作方式，我們也就以開(kāi)關(guān)函數(shù)分析方法來(lái)分析二極管調(diào)制器的工作原理。12/9/202249·1調(diào)制與解調(diào)器1、平衡調(diào)制器電路12/9/202259·1調(diào)制與解調(diào)器2、雙平衡調(diào)制器和平衡調(diào)制器相比，有用頻率分量幅度加倍，且無(wú)W頻率分量12/9/202269·1調(diào)制與解調(diào)器二、相干解調(diào)從頻率上看，振幅解調(diào)是把已調(diào)波的邊帶搬回到低頻，也屬于線性頻譜搬移，所以實(shí)現(xiàn)的根本方法還是在時(shí)域上將兩個(gè)信號(hào)相乘，并通過(guò)濾波器濾出所需要的信號(hào)。從調(diào)幅信號(hào)中解調(diào)出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程也稱為檢波.設(shè)輸入的DSB信號(hào)和參考信號(hào)分別為：12/9/202279·1調(diào)制與解調(diào)器乘法器輸出為：經(jīng)濾波器后得到：從上式可以看出，假設(shè)要從輸出中得到調(diào)制信號(hào)cosWt，就必須要求Dw=0，j=0=>參考信號(hào)必須與發(fā)端載波同頻同相。假設(shè)接收信號(hào)為單邊帶信號(hào)，也可以得出完全相同的結(jié)論。12/9/202289·2包絡(luò)檢波電路調(diào)幅信號(hào)解調(diào)的方法可以分為兩大類(lèi)：相干解調(diào)和非相干解調(diào)。相干解調(diào)是用與發(fā)端載波完全同頻同相的本地參考信號(hào)去和接收到的信號(hào)相乘，以實(shí)現(xiàn)頻譜搬移；非相干解調(diào)那么是利用所接收到的信號(hào)中的載波分量和邊頻分量共同作用到非線性器件上所形成的合頻和差頻效果，實(shí)現(xiàn)頻譜的向下搬移作用。相干解調(diào)適用于所有的調(diào)幅信號(hào)；非相干解調(diào)那么只能用于AM信號(hào)。12/9/202299·2包絡(luò)檢波電路對(duì)檢波器的要求通常有：檢波效率：無(wú)源檢波器Kd小于1，越大越好。檢波失真：用解調(diào)輸出中的高次諧波分量之和與基波分量的比值表示。其值越小越好。檢波器輸入電阻：檢波器輸入端的中頻電壓與中頻電流之比。其值越大越好。12/9/2022109·2包絡(luò)檢波電路包絡(luò)檢波電路的構(gòu)成

非線性器件＋低通濾波器二極管RC濾波設(shè)輸入信號(hào)〔普通調(diào)幅波AM信號(hào)〕RC濾波器的取值原那么一般為：RC>>1/wc，以保證電容C對(duì)高頻載波近似短路，濾除輸出信號(hào)的高頻局部；RC<1/Wmax，保證低頻調(diào)制信號(hào)可以通過(guò)RC低通濾波器。12/9/2022119·2包絡(luò)檢波電路小信號(hào)二極管平方律檢波加到二極管上的電壓vi小于0.2V時(shí)，如圖電路工作在平方律檢波特性方式下。為保證二極管導(dǎo)通，需要加偏置電壓VQ。輸出電壓很小，分析時(shí)忽略其反響效應(yīng)。12/9/2022129·2包絡(luò)檢波電路在僅考慮二極管的伏安特性冪級(jí)數(shù)展開(kāi)式中的二次以下項(xiàng)作用時(shí)，其輸出的直流分量和低頻基波分量的大小均與輸入中頻信號(hào)的幅度的平方成正比。=>有失真；可用于檢測(cè)中頻信號(hào)的功率。輸入信號(hào)vi(t)是一普通調(diào)幅波AM信號(hào):低頻局部包含哪些頻率分量？12/9/2022139·2包絡(luò)檢波電路大信號(hào)二極管峰值包絡(luò)檢波電路如圖。由于二極管的單向?qū)щ娦?，載波一周期內(nèi)電容C上充電速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于放電速度，電容電壓維持在載波電壓峰值附近，并隨載波電壓幅度緩慢變化。12/9/2022149·2包絡(luò)檢波電路

把二極管用折線特性逼近，并考慮到平均直流偏壓Vo對(duì)二極管構(gòu)成的負(fù)偏壓，可以得到：12/9/2022159·2包絡(luò)檢波電路由以上分析可得，其性能指標(biāo)為：檢波系數(shù)：輸入電阻：12/9/2022169·2包絡(luò)檢波電路檢波失真:檢波器因參數(shù)設(shè)置不合理，可能產(chǎn)生兩種失真：惰性失真和底邊切割失真。12/9/2022179·2包絡(luò)檢波電路檢波失真——惰性失真〔對(duì)角切割失真〕RLC太大，放電速率跟不上包絡(luò)變化速率所致。不失真＝>最低放電速率大于包絡(luò)變化速率分析可得不失真條件:12/9/2022189·2包絡(luò)檢波電路檢波失真——底邊切割失真〔負(fù)峰切割失真〕輸出端對(duì)W頻率分量的交直流負(fù)載阻抗不同，Cc上的直流壓降導(dǎo)致二極管負(fù)端有一個(gè)不變的直流電壓，輸入小于該電壓時(shí)二極管將不導(dǎo)通。=>底邊切割失真。直流偏壓：不失真要求：頻率響應(yīng)要求：考慮上下限頻率的影響，要求：12/9/2022199·2包絡(luò)檢波電路二極管并聯(lián)檢波器當(dāng)高頻信號(hào)源處于直流高電位時(shí)，應(yīng)用并聯(lián)檢波器.

R上的輸出電壓含有載波頻率分量，必須再經(jīng)過(guò)低通濾波才能得到解調(diào)信號(hào)。其輸入阻抗為Ri=R/312/9/2022209·2包絡(luò)檢波電路疊加型同步檢波器疊加型同步檢波器是在參考信號(hào)與輸入信號(hào)相加，所得到的合向量的幅度與調(diào)制信號(hào)近似成正比關(guān)系的根底上，利用包絡(luò)檢波器檢出其幅度信息來(lái)實(shí)現(xiàn)解調(diào)的。12/9/2022219·2包絡(luò)檢波電路對(duì)于DSB信號(hào)有：當(dāng)Vrm>Vsm時(shí)，v為一普通調(diào)幅波，可以用包絡(luò)檢波器正確解調(diào)。對(duì)于SSB信號(hào)，有：12/9/2022229·2包絡(luò)檢波電路從式中可以看出，當(dāng)Vsm/Vrm<<1時(shí)，其幅度表達(dá)式與普通調(diào)幅波相同，可以用包絡(luò)檢波器進(jìn)行解調(diào)。12/9/2022239·2包絡(luò)檢波電路利用平衡檢波電路可以有效地抵消W的偶次諧波分量，改善非線性失真。圖〔b〕是由并聯(lián)檢波器構(gòu)成的平衡檢波器，輸出必須要加低通濾波器，才能得到解調(diào)信號(hào)。12/9/2022249·3數(shù)字調(diào)制與解調(diào)1、QPSK調(diào)制的根本原理框圖12/9/2022259·3數(shù)字調(diào)制與解調(diào)2、QPSK解調(diào)的根本原理框圖12/9/2022269·3數(shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法以8PSK信號(hào)為例，其中橫軸為I分量(Coswct)，縱軸為Q分量(Sinwct)，星座圖上各信號(hào)點(diǎn)由I、Q分量的線性組合得到。8PSK的星座圖12/9/2022279·3數(shù)字調(diào)制與解調(diào)利用如圖兩個(gè)模擬乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)該8PSK信號(hào)12/9/2022289·3數(shù)字調(diào)制與解調(diào)可以得出以下關(guān)系式：vB2-IvB1-IvB0-IvB2-QvB1-QvB0-Q0o111x-1-145o11—111-190ox-1-1111135o-11-111-1180o-111x-1-1225o-11-1-11-1270ox-1-1-111315o11-1-11-1I路信號(hào)幅度I路信號(hào)符號(hào)I路信號(hào)載波Q路信號(hào)幅度Q路信號(hào)符號(hào)Q路信號(hào)載波12/9/202229載波提取在相干解調(diào)過(guò)程中，一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是如何獲得相干信號(hào)，即載波信號(hào)。9·4載波提取與正交信號(hào)形成常用的產(chǎn)生載波信號(hào)的方法1、發(fā)端發(fā)送局部載波，經(jīng)濾波放大得到。2、鎖相環(huán)路跟蹤輸入載波頻率變化得到。3、運(yùn)算產(chǎn)生再把2wc送到二分頻器，可以得到載頻信號(hào)。12/9/2022309·4載波提取與正交信號(hào)形成平方環(huán)BPSK信號(hào)的解調(diào)取出其中頻率為2wc的分量，再通過(guò)2分頻就可以得到符合要求的載波。12/9/2022319·4載波提取與正交信號(hào)形成對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行4次方的非線性處理的目的，同樣也是要消除調(diào)制信息。12/9/2022329·4載波提取與正交信號(hào)形成如何實(shí)現(xiàn)平方運(yùn)算？平方環(huán)中的平方運(yùn)算也可以采用倍頻器。最簡(jiǎn)單的倍頻器就是類(lèi)似電源電路中的全波整流電路。12/9/202233考斯塔斯環(huán)9·4載波提取與正交信號(hào)形成利用相乘運(yùn)算代替平方環(huán)中的平方運(yùn)算，得到的誤差控制電壓v6與a(t)無(wú)關(guān)。該系統(tǒng)在提取載波的同時(shí)，進(jìn)行了解調(diào)。12/9/202234正交信號(hào)形成9·4載波提取與正交信號(hào)形成移相法只有當(dāng)1/RC＝w0，才能保證兩路輸出信號(hào)的幅度相等。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但工作頻帶窄。12/9/2022359·4載波提取與正交信號(hào)形成12/9/2022369·4載波提取與正交信號(hào)形成數(shù)字分頻法：4分頻法2分頻法12/9/2022379·5調(diào)頻電路一、調(diào)頻電路的根本技術(shù)要求〔1〕調(diào)制靈敏度：?jiǎn)挝浑妷阂鸬念l率偏移量〔2〕調(diào)制特性線性度〔3〕載波頻率穩(wěn)定度12/9/2022389·5調(diào)頻電路（4）最大頻偏Dfm

小頻偏調(diào)頻：廣播電視用大頻偏調(diào)頻：衛(wèi)星通信用（5）調(diào)制電路的頻率響應(yīng)二、調(diào)頻方法(1)直接調(diào)頻：頻偏大，中心頻率不穩(wěn)定。變?nèi)荻O管調(diào)頻；電抗管調(diào)頻；張弛振蕩器調(diào)頻。(2)間接調(diào)頻：調(diào)制信號(hào)積分后以調(diào)相的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。中心頻率穩(wěn)定，頻偏小。變?nèi)荻O管調(diào)相；可變時(shí)延法調(diào)相12/9/2022399·5調(diào)頻電路三、直接調(diào)頻電路1、變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路大頻偏直接調(diào)頻電路：變?nèi)荻O管作為回路的總電容接入回路。圖中，L1為高頻扼流圈，它對(duì)高頻近似開(kāi)路；C2為高頻濾波電容，它對(duì)高頻接近短路，而對(duì)調(diào)制頻率容抗近似開(kāi)路。它們的作用是有效地將vW和VQ加到變?nèi)莨苌?，且防止控制電路?duì)振蕩回路性能的影響。C1為耦合電容，起隔直作用。12/9/2022409·5調(diào)頻電路變?nèi)荻O管兩端的反向偏壓：設(shè)調(diào)制信號(hào)為：變?nèi)荻O管結(jié)電容：12/9/2022419·5調(diào)頻電路其中：設(shè)wosc=w0，那么在vW作用下的瞬時(shí)角頻率為：此式稱為調(diào)制特性方程，其中靜態(tài)(vW=0)振蕩頻率為：12/9/2022429·5調(diào)頻電路討論：〔1〕假設(shè)選用n＝2的超突變結(jié)變?nèi)莨?，那么可?shí)現(xiàn)不失真的線性調(diào)頻?！?〕假設(shè)選用n≠2的變?nèi)莨埽瑢?dǎo)致：非線性失真、中心頻率偏移。假設(shè)M比較小，忽略調(diào)制特性方程的冪級(jí)數(shù)展開(kāi)式中的3次方及其以上各項(xiàng)，可得：12/9/2022439·5調(diào)頻電路最大頻偏：調(diào)制靈敏度：瞬時(shí)角頻率：12/9/2022449·5調(diào)頻電路調(diào)制失真：調(diào)制信號(hào)的二次諧波分量所引起的頻偏與基波引起的最大頻偏之間的比值。載頻漂移：直流分量引起的調(diào)制后載頻頻率偏移。討論——用變?nèi)荻O管作回路總電容優(yōu)點(diǎn)：頻偏大，調(diào)制靈敏度高。缺點(diǎn)：變?nèi)莨莒o態(tài)結(jié)電容CjQ容易受外接干擾，會(huì)直接引起振蕩器中心頻率wc的變化?？梢钥闯?，當(dāng)n=2時(shí)，無(wú)調(diào)制失真，也無(wú)載頻漂移。12/9/2022459·5調(diào)頻電路2、小頻偏變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路對(duì)于要求載波頻率穩(wěn)定度很高的應(yīng)用場(chǎng)合，一般采用變?nèi)荻O管局部接入的電路形式。12/9/2022469·5調(diào)頻電路將上式展開(kāi)為冪級(jí)數(shù)，只考慮二次方以下的項(xiàng)，那么有：其中:12/9/2022479·5調(diào)頻電路最大頻偏:中心頻率偏移:調(diào)制失真:調(diào)制靈敏度：12/9/2022489·5調(diào)頻電路討論：〔1〕局部接入減小了Dfc和kf2的值，但也減小了Dwm?！?〕要得到線性調(diào)頻，必須要使用n>2的晶體管?！?〕Cj變化范圍一定時(shí)，

C1主要影響高頻區(qū)的頻率覆蓋；

C2主要影響低頻區(qū)的頻率覆蓋

=>適中選取C1，C2，在所需的頻率范圍內(nèi)可得到

較好的調(diào)制特性。12/9/2022499·5調(diào)頻電路12/9/2022509·5調(diào)頻電路3、晶體振蕩器直接調(diào)頻電路利用晶體振蕩器進(jìn)行直接調(diào)頻，可以得到很高的中心頻率穩(wěn)定度。但由于晶體的感性區(qū)很窄，可得到的最大頻偏較小，一般Dfm/fm為10－3~10-4。晶體調(diào)頻振蕩器電路如圖：變?nèi)荻O管與晶體串聯(lián)，交流等效電路為：12/9/2022519·5調(diào)頻電路等效諧振回路為：相當(dāng)于局部接入的調(diào)頻電路中C1＝0，C2＝Cq的情況，有結(jié)論：12/9/2022529·5調(diào)頻電路另一種晶體調(diào)頻振蕩器電路如圖，在晶體和變?nèi)荻O管的支路中串入電感，以擴(kuò)大線性頻偏區(qū)域。12/9/2022539·5調(diào)頻電路4、張馳振蕩器直接調(diào)頻用音頻調(diào)制信號(hào)控制射極電流I0從晶體管集電極可得調(diào)頻方波，電容兩端得調(diào)頻三角波主要問(wèn)題：如何獲取正弦波濾波法非線性網(wǎng)絡(luò)變換12/9/2022549·5調(diào)頻電路四、間接調(diào)頻電路1、矢量合成法對(duì)于單音調(diào)制的調(diào)相信號(hào)，有：考慮到Mp<p/12時(shí)，窄帶調(diào)相有：可得：間接調(diào)頻是通過(guò)調(diào)相的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。有三種實(shí)現(xiàn)調(diào)相的方法：矢量合成法、可變相移法和可變時(shí)延法。12/9/2022559·5調(diào)頻電路2、可變相移法用變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)對(duì)回路諧振頻率進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)相位的控制。iC在諧振回路上的響應(yīng)電壓vo的幅度由Z(wc)決定，相移由jZ(wc)決定。在相移小于30o時(shí)，有：12/9/2022569·5調(diào)頻電路對(duì)于變?nèi)莨苋拷尤牖芈返恼{(diào)頻電路，其回路的中心頻率為：相移為：討論：〔1〕會(huì)產(chǎn)生寄生調(diào)幅＝>jZ(wc)<p/6＝>最大相偏mp受限?！?〕多級(jí)級(jí)聯(lián)擴(kuò)大相偏；為減小各級(jí)之間的影響，采用小電容耦合。12/9/2022579·5調(diào)頻電路單級(jí)調(diào)相電路三級(jí)調(diào)相電路12/9/2022589·5調(diào)頻電路3、可變時(shí)延法如果時(shí)延隨調(diào)制信號(hào)線性變化，那么如圖電路可實(shí)現(xiàn)線性調(diào)相。12/9/2022599·5調(diào)頻電路輸入載頻脈沖觸發(fā)鋸齒波發(fā)生器，再與受調(diào)制信號(hào)控制變化的門(mén)限電平相比較，vW越大，門(mén)限電平就越高，導(dǎo)致延時(shí)就會(huì)越長(zhǎng)，相移也就越大。

可知遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于p/6。脈沖調(diào)相各局部波形如右圖所示12/9/2022609·5調(diào)頻電路五、間接調(diào)頻的頻偏擴(kuò)展1、間接調(diào)頻與直接調(diào)頻的性能差異任何一種調(diào)相電路，能夠提供的最大線性相移MP均受調(diào)相特性非線性的限制，值都比較?。蛔鳛殚g接調(diào)頻電路時(shí)，輸出調(diào)頻波的最大調(diào)頻指數(shù)同樣會(huì)受到調(diào)相特性非線性的限制，最大值只能到達(dá)調(diào)相時(shí)最大線性相移MP。12/9/2022619·5調(diào)頻電路調(diào)相電路一定時(shí)，Mf就被限定了。W一定時(shí)，VWm亦即相應(yīng)的Dwm也就被限定了，與載波頻率wc無(wú)關(guān)。結(jié)論：兩種電路受到調(diào)制特性非線性限制的參數(shù)不同。間接調(diào)頻：最大絕對(duì)頻偏Dwm

直接調(diào)頻：最大相對(duì)頻偏Dwm/wc調(diào)頻電路中，VWm亦即相應(yīng)的Dwm的增大受調(diào)頻特性非線性的限制，但其值與載波頻率wc成正比。間接調(diào)頻的最大mp在調(diào)制信號(hào)vW的最低頻率分量下得到?！卜e分導(dǎo)致W出現(xiàn)在分母上〕＝>計(jì)算時(shí)以最低調(diào)制頻率為準(zhǔn)。12/9/2022629·5調(diào)頻電路(1)直接調(diào)頻相對(duì)頻偏Dwm/wc受限；間接調(diào)頻調(diào)相指數(shù)mp受限(2)擴(kuò)展頻偏的方法：a、用混頻器將載波頻率降低到規(guī)定值，從而擴(kuò)展最大相對(duì)頻偏；b、用倍頻器將信號(hào)的頻率和最大頻偏同時(shí)改變，從而擴(kuò)展最大絕對(duì)頻偏。直接調(diào)頻先在較高頻率下調(diào)頻，再混頻到較低的頻率下；間接調(diào)頻先在較低的頻率下調(diào)相，再倍頻到高頻下.討論：12/9/2022639·5調(diào)頻電路間接調(diào)頻的頻偏擴(kuò)展調(diào)頻播送發(fā)射機(jī)擴(kuò)展頻偏方法12/9/2022649·5調(diào)頻電路例：一調(diào)頻發(fā)射機(jī)，采用矢量合成法調(diào)相電路，要求產(chǎn)生載波頻率為100MHz，最大頻偏為75kHz的調(diào)頻波，請(qǐng)畫(huà)出其實(shí)現(xiàn)框圖。〔調(diào)制信號(hào)頻率范圍100～15000Hz〕

由此求出所需的倍頻次數(shù)一般倍頻器是2、3、4倍較多，故首選4倍頻器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，所需倍頻次數(shù)為：故需5級(jí)4倍頻器。又由于故應(yīng)再級(jí)聯(lián)一級(jí)3倍頻器，求出調(diào)相器處最大頻偏為：解：在最低調(diào)制頻率100Hz下不失真＝>mp=p/12，

有最大頻偏:載波那么被倍到307.2MHz，再和207.2MHz本振混頻，可得到：fc=100MHz,Dfm=75kHz的調(diào)頻波。12/9/2022659·5調(diào)頻電路實(shí)際中混頻一般在較低的頻率處便于實(shí)現(xiàn)，故在三級(jí)4倍頻器，一級(jí)三倍頻器后混頻。f01=19.2MHz混到f01=100MHz/16=6.25MHz,然后在兩次4倍頻即可?？梢杂萌鐖D方案實(shí)現(xiàn)所需的發(fā)射機(jī)：12/9/2022669·6鑒頻電路鑒頻即對(duì)調(diào)頻波的解調(diào)，將調(diào)頻波的頻率變化規(guī)律〔也即調(diào)制信號(hào)〕變換為輸出電壓。鑒頻器的主要性能指標(biāo)鑒頻器的中心頻率鑒頻特性線性度鑒頻靈敏度線性鑒頻范圍鑒頻的主要方法斜率鑒頻 正交鑒頻脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻 鎖相鑒頻12/9/2022679·6鑒頻電路〔2〕相位鑒頻器〔PhaseDiscrimina