頻譜變換合理使用電路

在通信系統(tǒng)中，角度及解調(diào)電路不同于頻譜搬移電路。它是用低頻信號去調(diào)制高頻振蕩的相角，或是從已調(diào)波中解出調(diào)制信號所進(jìn)行的頻譜變換，這種變換不是線形變換，而是非線形變換。因此，我們把角度調(diào)制及調(diào)角波的解調(diào)電路稱為頻譜非線形變換電路。調(diào)頻（ＦＭ）：如果高頻振蕩器的頻率變化量和調(diào)制信號成正比，則稱調(diào)頻。調(diào)相（ＰＭ）：如果高頻振蕩器的相位變化量和調(diào)制信號成正比，則稱調(diào)相。由于頻率的變化和相位的變化都表現(xiàn)為總相角的變化，因此，將調(diào)頻和調(diào)相統(tǒng)稱為調(diào)角。６.７調(diào)角波的基本性質(zhì)

式中，Am為簡諧振蕩的幅度，為簡諧振蕩的總相角

式中為瞬時(shí)角頻率，為初始相位。瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率的概念對于簡諧振蕩可以寫成一般形式如果是隨時(shí)間變化的，瞬時(shí)相位為一般表達(dá)式為調(diào)相波和調(diào)頻波調(diào)相——高頻振蕩瞬時(shí)相位的變化量與調(diào)制信號成正比。根據(jù)定義調(diào)相波的表達(dá)式為可見為比例系數(shù)；為瞬時(shí)相位偏移；稱為最大相移，或稱調(diào)制指數(shù)，以mp表示瞬時(shí)角頻率為：于是

式中，為瞬間相位偏移，即相對于的偏移。的最大值稱為最大相移，習(xí)慣上又稱調(diào)頻指數(shù)，用mf表示，即調(diào)頻波的表達(dá)式為為比例系數(shù)；表示瞬時(shí)角頻率相對于的偏移稱為最大角偏移，簡稱頻偏當(dāng)時(shí)，可得調(diào)頻波的瞬時(shí)相位直接調(diào)頻就是用調(diào)制信號去控制高頻振蕩器的振蕩頻率，使它不失真地反映調(diào)制信號的變化規(guī)律。因此，凡是能直接影響振蕩頻率的元件或參數(shù)，只要用調(diào)制信號去控制，使振蕩頻率的變化量能隨調(diào)制信號而線形變化，都可以完成直接調(diào)頻的任務(wù)。在ＬＣ正弦波振蕩器中，由于其振蕩頻率主要取決于振蕩回路的電感量和電容量，所以在振蕩回路中接入可控電抗器，就可以實(shí)現(xiàn)直接調(diào)頻。6.8直接調(diào)頻電路可控電抗器的種類很多，有聲波控制的電容式話筒或駐極體話筒，有電壓控制的變?nèi)荻O管和電抗管，還有電流控制的可變電感等。只要將可控電抗器接入ＬＣ振蕩器的振蕩回路，就能利用ＬＣ振蕩器產(chǎn)生調(diào)頻波。6.８.1變?nèi)荻O管調(diào)頻電路變?nèi)荻O管是利用pn結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓（反偏）變化這一特性制成的一種電壓控制的可控電抗器。將變?nèi)荻O管接入ＬＣ振蕩器的振蕩回路，用調(diào)制電壓去控制變?nèi)莨艿碾娙萘?，從而控制振蕩器的振蕩頻率達(dá)到調(diào)頻的目的。變?nèi)荻O管結(jié)電容（勢壘電容）可用下式表示變?nèi)莨芗由掀秒妷汉驼{(diào)制電壓后，總的控制電壓為由以上兩式得變?nèi)莨茏鳛檎袷幓芈返目傠娙菹聢D為變?nèi)荻O管接入振蕩回路的交流等效電路。

設(shè)振蕩頻率近似等于振蕩回路的振蕩頻率，且忽略加在變?nèi)莨苌系母哳l電壓。則瞬時(shí)角頻率為２.變?nèi)莨懿糠纸尤胝袷幓芈窞榱颂岣咻d波頻率穩(wěn)定度，往往采用變?nèi)莨懿糠纸尤胝袷幓芈返霓k法。振蕩回路電容的變化量和調(diào)制信號的關(guān)系。有6.８.２晶體振蕩器直接調(diào)頻電路在某些實(shí)際情況下，為了滿足中心頻率穩(wěn)定度較高的要求，有時(shí)采用石英晶體振蕩器直接調(diào)頻電路。晶體振蕩器有兩種：一種是工作在石英晶體的串聯(lián)振蕩頻率上，晶體等效為一個(gè)短路元件，起著選頻的作用；另一種是工作于晶體串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率之間，晶體等效為一個(gè)高品質(zhì)因數(shù)的電感元件，作為振蕩元件之一。通常是利用變?nèi)荻O管控制后一種晶體振蕩器的振蕩頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。如果電容二極管與石英晶體串聯(lián)，其等效電路和電抗特性如下圖所示。

利用這個(gè)原理，用調(diào)制信號改變Ｃj的方法可以改變晶體振蕩器的振蕩頻率，從而達(dá)到調(diào)頻的目的。由于Ｃj與石英晶體串聯(lián)，而fq和fp又靠得近，因而調(diào)頻的頻偏很小，相對頻偏只能達(dá)到０.０１％左右。6.８.３電容話筒調(diào)頻電路電容花筒在聲波作用下，內(nèi)部的金屬薄膜產(chǎn)生振動(dòng)，會引起薄膜與另一電極之間電容量的變化。如果把電容式話筒直接接到振蕩器的諧振回路中，作為回路電抗就可構(gòu)成調(diào)頻電路。下圖是電容式話筒調(diào)頻發(fā)射機(jī)實(shí)例。6.８.４電抗管調(diào)頻電路電抗管與變?nèi)莨芤粯樱彩且环N電壓控制的可控電抗器。受控源可以是電子管、晶體管和場效應(yīng)管。下圖為場效應(yīng)管構(gòu)成的電抗管原理圖。在直接調(diào)頻電路中，為了提高中心頻率的穩(wěn)定度必須采取一些措施。在這些措施中，即使對晶體管振蕩器直接調(diào)頻，其中心頻率穩(wěn)定度有不如不調(diào)頻的晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，而且起相對頻移太小。若調(diào)制不在晶體振蕩器進(jìn)行，而是在其后的某一級放大器中進(jìn)行，將調(diào)制信號積分以后對晶振送來的載波進(jìn)行調(diào)相，對積分前的信號（即調(diào)制信號）而言，就可以得到調(diào)頻波了，這就是間接調(diào)頻。顯然，這時(shí)中心頻率穩(wěn)定度就等于晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。６.９間接調(diào)頻電路間接調(diào)頻的關(guān)鍵電路是調(diào)相電路，下面僅介紹常用的變?nèi)荻O管調(diào)相電路。將變?nèi)荻O管接在高頻放大器的諧振回路里，就可構(gòu)成變?nèi)荻O管調(diào)相電路。電路中，由于調(diào)制信號的作用使回路諧振頻率改變，當(dāng)載波通過這個(gè)回路時(shí)由于失諧而產(chǎn)生相移，從而獲得調(diào)相。下圖是單級諧振回路變?nèi)莨苷{(diào)相電路。上圖（a）中，變?nèi)莨艿碾娙荩胘和電感Ｌ組成諧振回路，作為變?nèi)菹嘁凭W(wǎng)絡(luò)。Ｒ１和Ｒ２是諧振賄賂輸入和輸出端上的隔離電阻，Ｒ４是偏壓電源與調(diào)制信號源之間的隔離電阻。三個(gè)０.００１μＦ電容對高頻短路，而對調(diào)制信號開路。下圖是采用三級單回路級聯(lián)構(gòu)成的電路。圖中，每個(gè)回路都由變?nèi)莨苷{(diào)相電路，而各變?nèi)莨艿碾娙菥芡徽{(diào)制信號調(diào)變。每個(gè)回路的Ｑ值可由電阻Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３調(diào)節(jié)，以使三個(gè)回路產(chǎn)生相等的相移。為了減少各回路的相互影響，各級回路之間都用１pＦ的小電容耦合。這樣，電路總相移近似等于三級回路相移之和。因此，電路可在９０°范圍內(nèi)得到線形調(diào)相。6.10調(diào)頻波的解調(diào)

調(diào)角波包括調(diào)頻波和調(diào)相波。其中,調(diào)頻波的解調(diào)稱為頻率檢波,簡稱鑒頻;完成鑒頻功能的電路稱為鑒頻器;調(diào)相波的解調(diào)稱為相位檢波,簡稱鑒相,完成鑒相功能的電路稱為鑒相器。它們的作用都是從已調(diào)波中檢出反映在頻率或相位變化上的調(diào)制信號,但是所采用的方法卻不盡相同。

在調(diào)頻波中,調(diào)制信息包含在高頻振蕩頻率的變化量中。所以,調(diào)頻波解調(diào)的任務(wù),就是要求鑒頻器輸出信號與輸入調(diào)頻波瞬時(shí)頻率的變化量成線形關(guān)系。換句話說,鑒頻器的作用是從調(diào)頻波中檢出音頻調(diào)制信號來。

對調(diào)頻波的檢波必須先將頻率的變化,轉(zhuǎn)變成與音頻調(diào)制信號相應(yīng)的幅度變化,見下圖。或者變成占空系數(shù)不同的脈沖系列,再經(jīng)過幅度檢波或脈沖的整流,才能檢出音頻信號。鑒頻器工作示意圖

鑒頻器的質(zhì)量指標(biāo)集中表現(xiàn)在鑒頻特性上。它的輸出電壓的大小uΩ(t)與輸入調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率偏移之間的關(guān)系,稱為鑒頻特性,如圖所示。鑒頻特性曲線鑒頻跨導(dǎo)gd

所謂鑒頻跨導(dǎo)是指單位頻偏所產(chǎn)生輸出電壓的大小,即鑒頻特性的斜率,又稱為鑒頻靈敏度,用數(shù)學(xué)式表示為2.頻帶寬度B

從圖看出,只有特性曲線中間一部分線性較好。通常2△fm為頻帶寬度B。一般要求B大于輸入調(diào)頻波頻偏的兩倍。3.非線性失真為了從調(diào)頻信號中無失真地解調(diào)出調(diào)制信號,在fc附近鑒頻器輸出電壓uΩ與瞬時(shí)頻偏成比例,即在頻帶B內(nèi)應(yīng)為一條直線(鑒頻跨導(dǎo)gd為常數(shù))。否則輸出電壓就不能真實(shí)地還原出調(diào)制信號,產(chǎn)生非線性失真。4.抑制寄生調(diào)幅的能力對調(diào)頻信號的寄生調(diào)幅應(yīng)具有一定的抑制能力,除比例鑒頻器外,一般都在鑒頻器前加限幅器。斜率鑒頻器

斜率鑒頻器是利用并聯(lián)LC回路幅頻特性的傾斜部分將調(diào)頻波變換成調(diào)幅調(diào)頻波,它應(yīng)用于鑒頻范圍較大的場合。最簡單的斜率鑒頻器由失諧單諧振回路和晶體二極管包絡(luò)檢波器組成,該電路的線性范圍與靈敏度都是不理想的。因此,在要求較高的情況下,廣泛應(yīng)用雙失諧回路斜率鑒頻器,如圖。雙失諧回路斜率鑒頻器

這個(gè)電路是由兩個(gè)單失諧回路斜率鑒頻器構(gòu)成的。其中,第一個(gè)回路的諧振頻率f1低于調(diào)頻波的中心頻率fc,第二個(gè)回路的諧振頻率f2高于fc,并且把他們的輸出相減。當(dāng)這兩個(gè)鑒頻器的特性與參數(shù)相同,且fc-f1=f2-fc時(shí)就得到uΩ(f)的關(guān)系曲線,即鑒頻特性曲線。顯然

其鑒頻特性的靈敏度線性范圍都比單失諧回路的斜鑒頻器大有改善。相位鑒頻器

相位鑒頻器是利用耦合電路的相頻特性來實(shí)現(xiàn)將調(diào)頻波變換為調(diào)幅調(diào)頻波的，它是將調(diào)頻信號的頻率變化轉(zhuǎn)換為兩個(gè)電壓之間的相位變化,再將這相位變化轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的幅度變化,然后利用幅度檢波器檢出幅度的變化。這樣,幅度的變化就反映了頻率的變化。

常用的相位鑒頻器有電感耦合相位鑒頻器和電容耦合相位鑒頻器兩種。接加到高頻扼流圈L3兩端。同時(shí)L3又是二極管檢波器的直流通路。電壓通過互感M在L2、C2并聯(lián)回路兩端產(chǎn)生電壓

,c點(diǎn)是電感L2的中點(diǎn),L2上下兩半線圈的電壓各為。二極管VD1、VD2,兩個(gè)電阻R,兩只電容C3、C4構(gòu)成兩個(gè)對稱的幅度檢波器。這樣,可將圖(a)簡化為圖(b)所示的等效電路。

電感耦合相位鑒頻器的原理圖如圖。初級回路L1C1、次級回路L2C2都調(diào)協(xié)到調(diào)頻波的中心角頻率ωc上,兩個(gè)回路的耦合途徑有二:一是通過互感M耦合,二是通過耦合電容C0耦合。因C0、C4容量取得較大,對高頻可視為短路,故可直相位鑒頻器原理圖鑒頻器的輸出電壓為

uΩ=uo1-uo2=Kd(UD1-UD2式中Kd為幅度檢波器的電壓傳輸系數(shù)。

由上式可知,鑒頻器的輸出音頻電壓uΩ不僅與加到二極管兩端高頻電壓的幅值有關(guān),還與、的大小及他們之間的相位有關(guān)。

比例鑒頻器相位鑒頻器中,輸入信號的幅度變化必將導(dǎo)致輸出波形的失真。發(fā)射機(jī)的調(diào)制特性或接收機(jī)的諧振曲線的不理想以及外界干擾和內(nèi)部噪聲的影響,使鑒頻器輸入端的調(diào)頻信號引起寄生調(diào)幅。因此,相位鑒頻器前必須加限幅器。為了有效限幅,往往要求限幅器輸入端的電壓在1v量級,這就需要限幅器以前有較大的放大量,即要求接收機(jī)的級數(shù)增加。比例鑒頻器就是這種兼有鑒頻和限幅功能的電路,如圖所示。比例鑒頻器及其等效電路將相位鑒頻器和比例鑒頻器比較，不同的地方只是幅度檢波器部分，其區(qū)別是：①在f－g兩端并接了一個(gè)大容量的電容Ｃ5，一般取為10μＦ，Ｃ5與（R3+R4）的時(shí)間常數(shù)約為0.1~0.2s。這樣，在檢波過程中，這個(gè)并聯(lián)電路對15Hz以上變化的寄生調(diào)幅有惰性，使其兩端的電壓來不及跟著變化，而保持在某一恒定的電平上。②檢波電阻中點(diǎn)和檢波電容中點(diǎn)斷開，輸出電壓取自d－e兩端，而不是取自f－g兩端。在負(fù)載電阻RL中，C4和C3放電電流的方向相反因而起到了差動(dòng)輸出的作用。圖(a)中，CL數(shù)值的選取應(yīng)對高頻短路，對音頻開路。③為了構(gòu)成檢波器的直流通路，VD1、VD2的連接方向相反，這樣，電容C3、C4兩端的電壓uo1與uo2之和，而不是兩者之差。

在UD1與UD2相同的條件下，比例鑒頻器輸出音頻電壓的幅度比相位鑒頻器的音頻電壓幅度小一半。即鑒頻跨導(dǎo)gd小一半；

和相位鑒頻器比較，因?yàn)椴ㄐ巫儞Q部分沒有變。移相乘積鑒頻器其鑒頻原理為：先將調(diào)頻波通過移相器變成相位變化，然后將相位變化變成相應(yīng)的幅度變化，從而還原出音頻信號來。

移相乘積鑒頻器的基本原理如圖。自中放級輸出的信號一路直接送到乘法器()，另外一路經(jīng)過移相器送到乘法器()。當(dāng)調(diào)頻波沒有頻率偏移，即等于中頻頻率時(shí)，和的相位差為90°,經(jīng)過乘法器后輸出的占空比為1的脈沖波,平均電流為一直流,即無輸出。以此直流電平作為基準(zhǔn)點(diǎn)或零點(diǎn)。當(dāng)頻率往高或低偏移時(shí),和的相位差也在90°上下做相應(yīng)變化。于是乘法器輸出脈沖的占空比相應(yīng)變化。這種變化，經(jīng)過低通濾波器，整流出的平均值也隨之變化，而這種變化正是音頻調(diào)制波。移相乘積鑒頻器方框圖脈沖均值鑒頻器

脈沖均值鑒頻器就是利用調(diào)頻波的過零信息。因?yàn)檎{(diào)頻波的頻率是隨調(diào)制信號而變化的,所以,他們在相同的時(shí)間間隔內(nèi)過零點(diǎn)的數(shù)目就會不相同。在頻率高的地方過零點(diǎn)的數(shù)目就多,而在頻率低的地方過零點(diǎn)的數(shù)目就少。利用這個(gè)特點(diǎn),在每個(gè)過零點(diǎn)處形成一個(gè)等幅等寬的脈沖,那么,這個(gè)脈沖序列的平均分量就反應(yīng)了頻率的變化。用濾波器取出這個(gè)平均分量就是所需的調(diào)制信號。

調(diào)頻波瞬時(shí)頻率的變化,直接表現(xiàn)為調(diào)頻信號通過零值時(shí)的點(diǎn)(簡稱過零點(diǎn))的疏密變化。如果在從負(fù)變?yōu)檎倪^零點(diǎn)(簡稱正過零點(diǎn))處形成一個(gè)振幅為U、寬度為τ的矩形脈沖,就可以將原始的脈沖波變換成一個(gè)重復(fù)頻率受到調(diào)制的矩形脈沖序列,其重復(fù)頻率的調(diào)制規(guī)律與調(diào)頻波瞬時(shí)頻率的調(diào)制規(guī)律相同,如圖所示。如果在單位時(shí)間內(nèi)對該矩形脈沖的個(gè)數(shù)計(jì)數(shù),則所得的數(shù)目的變化規(guī)律就反映了調(diào)頻波瞬時(shí)頻率的變化規(guī)律。將調(diào)頻波變換成重復(fù)頻率受到調(diào)制的矩形脈沖序列鎖相環(huán)鑒頻器

鎖相環(huán)鑒頻器與跟相環(huán)鑒頻器請參閱第8章、第9章?？紤]鑒頻器的歸類,在這一節(jié)里只做簡單介紹。這種鑒頻器是應(yīng)用了現(xiàn)代的鎖相環(huán)技術(shù),能夠獲得較好的性能。它最初用在高檔調(diào)諧器中,隨著集成電路的普及,也逐漸用在普通的調(diào)諧器中。跟相環(huán)鑒頻器

跟相環(huán)鑒頻器全名叫相位跟蹤環(huán)鑒頻器,簡稱PTL鑒頻器。它結(jié)合了上述移相乘積鑒頻器和鎖相環(huán)鑒頻器兩者的特性,用移相器取代壓控振蕩器,組成一個(gè)鎖相環(huán)路,如圖所示。跟相環(huán)鑒頻器6.11限幅器

對限幅器的要求是在消除寄生調(diào)幅時(shí)，不改變調(diào)頻信號的頻率變化規(guī)律。限幅器通常由非線性器件和諧振回路所組成。當(dāng)帶有寄生調(diào)幅的調(diào)頻信號通過非線性器件后，便削去了幅度變化的部分。但此時(shí)波形產(chǎn)生了失真，即有新的頻率成分出現(xiàn)。因此必須濾除不需要的頻率部分，這是靠諧振回路來實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)限幅器的作用,它必須具有圖所示的特性。圖中曲線表示輸出電壓uo與輸入電壓ui的關(guān)系。在OA段輸出電壓隨輸入電壓的增加而增加;A點(diǎn)以后,輸入電壓ui增加,輸出電壓uo保持一個(gè)恒定值。A點(diǎn)稱為限幅門限,相應(yīng)的輸入電