通信電子線路 課件 第8章 角度調(diào)制與解調(diào)器

第8章角度調(diào)制與解調(diào)器8.1概述8.2角度調(diào)制信號(hào)的特性8.3調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生方法8.4變?nèi)荻O管調(diào)頻電路8.5調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)器8.6限幅器8.7調(diào)頻器與鑒頻器設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例

81概述

模擬調(diào)制包括振幅調(diào)制和角度調(diào)制，而角度調(diào)制又分為兩種方式：一種是用調(diào)制信號(hào)控制載波信號(hào)的瞬時(shí)頻率的方式，稱為頻率調(diào)制，簡(jiǎn)稱調(diào)頻(FM，F(xiàn)requencyModulation)；另一種是用調(diào)制信號(hào)控制載波的瞬時(shí)相位的方式，稱為相位調(diào)制，簡(jiǎn)稱調(diào)相(PM，PhaseModulation)。

8.2角度調(diào)制信號(hào)的特性

8.2.1時(shí)域特性

1.調(diào)頻信號(hào)1)調(diào)頻信號(hào)(亦稱為調(diào)頻波)的一般表達(dá)式根據(jù)調(diào)頻的定義，瞬時(shí)角頻率ω(t)應(yīng)隨調(diào)制信號(hào)uΩ(t)線性變化，即瞬時(shí)角頻率應(yīng)為

由瞬時(shí)角頻率ω(t)可以求出瞬時(shí)相位為

式中，是瞬時(shí)相位變化量，與調(diào)制信號(hào)的積分信號(hào)成正比。由此可得到調(diào)頻波的一般表達(dá)式為

可見(jiàn)，調(diào)頻波的振幅恒定，其瞬時(shí)角頻率變化量Δω(t)反映調(diào)制信號(hào)變化規(guī)律，而瞬時(shí)相位變化量Δφ(t)不反映調(diào)制信號(hào)變化規(guī)律。

2)單音調(diào)頻信號(hào)的表達(dá)式

若調(diào)制信號(hào)為單音頻信號(hào)，即

代入式(8-1)，得到瞬時(shí)角頻率為

式中

根據(jù)式(8-2)可以得到瞬時(shí)相位表達(dá)式，即

式中

式(8-8)是單音調(diào)頻時(shí)引起的最大相位偏移量，一般稱為調(diào)頻指數(shù)，其值與調(diào)制信號(hào)幅度UΩm成正比，與調(diào)制信號(hào)角頻率Ω成反比。mf反映了調(diào)制的深淺程度，mf可以為任意值，這與調(diào)幅指數(shù)ma必須小于等于1是不同的。

單音調(diào)頻波的表達(dá)式為

由式(8-9)可以看出，調(diào)頻信號(hào)的基本參量是振幅Ucm、載波角頻率ωc、角頻偏Δωm和調(diào)頻指數(shù)mf。

3)單音調(diào)頻信號(hào)的波形

單音調(diào)頻信號(hào)的波形如圖8-1所示。由圖可見(jiàn)，瞬時(shí)角頻率變化Δω(t)的波形變化規(guī)律與調(diào)制信號(hào)uΩ(t)波形變化規(guī)律一致。調(diào)頻波uFM(t)波形振幅保持不變，而波形的疏密程度受調(diào)制信號(hào)控制：即當(dāng)調(diào)制信號(hào)uΩ(t)的瞬時(shí)電壓值為正的最大值時(shí)，瞬時(shí)頻率變化量Δω(t)最大，等于Δωm，調(diào)頻波形最密集；當(dāng)調(diào)制信號(hào)瞬時(shí)電壓為0時(shí)，瞬時(shí)頻率變化量為0；當(dāng)調(diào)制信號(hào)瞬時(shí)電壓為負(fù)的最大值時(shí)，瞬時(shí)頻率變化量最小，等于-Δωm，調(diào)頻波形最稀疏。

圖8-1單音調(diào)頻波的波形

2.調(diào)相信號(hào)

調(diào)相信號(hào)又稱為調(diào)相波。根據(jù)調(diào)相的定義，瞬時(shí)相位φ(t)應(yīng)隨調(diào)制信號(hào)uΩ(t)線性變化，即瞬時(shí)相位應(yīng)為

式中，kp為比例系數(shù)，單位是rad/V；Δφ(t)=kpuΩ(t)是瞬時(shí)相位變化量，與調(diào)制信號(hào)uΩ(t)成正比。由瞬時(shí)相位φ(t)可以求出瞬時(shí)角頻率為

根據(jù)式(8-11)可以得到瞬時(shí)角頻率表達(dá)式，即

式(8-17)是單音信號(hào)調(diào)相時(shí)的最大角頻偏，其值與調(diào)制信號(hào)幅度UΩm、Ω均成正比。

由(8-14)得到，單音調(diào)相波表達(dá)式為

單音調(diào)相波的波形如圖8-2所示。與圖8-1所示的調(diào)頻波的波形相比，調(diào)相波也是幅度不變，頻率發(fā)生變化，但是頻率變化Δω(t)規(guī)律與調(diào)制信號(hào)uΩ不一致，只有相位變化Δφ(t)與調(diào)制信號(hào)uΩ規(guī)律一致。

3.調(diào)頻與調(diào)相信號(hào)的比較

為了便于比較，設(shè)單音信號(hào)uΩ(t)=UΩmcosΩt，將此時(shí)的單音調(diào)頻和調(diào)相的主要特性列于表8-1中。

由表8-1可見(jiàn)，無(wú)論是調(diào)頻還是調(diào)相，它們的瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率都同時(shí)受到調(diào)變，不同的是調(diào)頻波中是瞬時(shí)頻率變化量攜帶調(diào)制信息，調(diào)相波中瞬時(shí)相位變化量攜帶調(diào)制信息。兩者的基本參數(shù)Δωm、mf(或mp)與UΩm、Ω的關(guān)系如圖8-3所示。

圖8-3最大角頻偏、調(diào)制指數(shù)與UΩm、Ω的關(guān)系

例8-1若有一調(diào)制頻率F為1kHz、調(diào)制指數(shù)mf=mp=10單音調(diào)角波。

(1)試求兩種調(diào)角波的最大頻偏Δfm；

(2)若調(diào)制信號(hào)幅度不變，而調(diào)制頻率增大到2kHz時(shí)，試求兩種調(diào)角波的最大頻偏Δfm；

(3)若調(diào)制頻率不變，仍為1kHz，而調(diào)制信號(hào)幅度增大一倍，試求兩種調(diào)角波的最大頻偏Δfm。

解(1)FM：

PM：

(2)由于調(diào)制信號(hào)幅度不變，而調(diào)制頻率F增大到2kHz時(shí)，即增大一倍。又由于FM波的調(diào)頻指數(shù)與F成反比，則mf減小一半，即mf=5；而PM的調(diào)相指數(shù)與F無(wú)關(guān)，依然是mp=10。則

圖8-4調(diào)頻與調(diào)相的相互轉(zhuǎn)換

必須指出的是，單音調(diào)制時(shí)，調(diào)頻波和調(diào)相波均包括含義截然不同的三個(gè)頻率參數(shù)：

一是載波角頻率ωc，它是調(diào)角波的中心頻率，表示瞬時(shí)角頻率變化的平均值；

二是調(diào)制角頻率Ω，它表示瞬時(shí)角頻率變化的快慢程度；

三是角頻偏Δωm，它表示瞬時(shí)角頻率偏離ωc的最大值。必須將它們嚴(yán)格區(qū)分，切記混淆。

1.窄帶調(diào)頻的頻域特性

將式(8-9)展開(kāi)，即

圖8-5AM波和NBFM波的矢量合成

2.寬帶調(diào)頻的頻域特性

1)頻譜特性

依然將式(8-9)展開(kāi)，即

圖8-6貝塞爾函數(shù)曲線

將式(8-20)和式(8-21)代入式(8-19)，并整理可得

由式(8-22)列舉了mf=(1，2.41，5)的寬帶調(diào)頻信號(hào)頻譜圖(取絕對(duì)值)，如圖8-7所示。

圖8-7不同mf值的調(diào)頻波頻譜

2)卡森(Carson)帶寬

理論上講，寬帶調(diào)頻的頻譜帶寬是無(wú)限寬的，但實(shí)際中不可能傳輸一個(gè)帶寬無(wú)限寬的信號(hào)。一般是進(jìn)行一定工程近似，傳輸其主要能量集中段的信號(hào)譜，即計(jì)算其有效帶寬。

例8-2在調(diào)頻廣播系統(tǒng)中，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取Fmax=15kHz、Δfm=75kHz，求調(diào)頻指數(shù)mf和調(diào)頻波帶寬BFM。

解由于

所以

因?yàn)閙f>1，故屬于寬帶調(diào)頻

再根據(jù)BFM≈2(Δfm+F)，得到BFM≈2(75+15)=180kHz。實(shí)際的調(diào)頻廣播帶寬取200kHz。

3)調(diào)頻與調(diào)相的頻域特性比較

下面在頻域中對(duì)調(diào)頻與調(diào)相進(jìn)行進(jìn)一步比較。由式(8-24)和式(8-25)可知，當(dāng)mf(或mp)?1時(shí)，有

8.2.3功率特性

根據(jù)帕塞瓦爾(Parseval)定理可知，單音調(diào)制調(diào)頻波的平均功率等于各頻譜分量平均功率之和。因此，由式(8-22)可得到在負(fù)載RL上調(diào)頻波的平均功率Pav為

根據(jù)第一類貝塞爾函數(shù)性質(zhì)，有

則

由式(8-26)可見(jiàn)，調(diào)頻波平均功率為未調(diào)制時(shí)的載波功率，與調(diào)頻指數(shù)mf無(wú)關(guān)。當(dāng)mf改變時(shí)，調(diào)頻波的載波功率與邊帶功率只是重新分配而已，載波功率與邊帶功率總和不變。而調(diào)幅波卻不同，其平均功率與調(diào)幅系數(shù)ma有關(guān)，并隨著ma增大而增大。

8.3調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生方法

8.3.1調(diào)頻方法

1.直接調(diào)頻法由于調(diào)頻波的最基本的特點(diǎn)就是其瞬時(shí)頻率按照調(diào)制規(guī)律變化，因此一種最直接的方法就是用調(diào)制信號(hào)去線性地控制載波振蕩器的瞬時(shí)振蕩頻率，使其不失真地反映調(diào)制信號(hào)規(guī)律，這種方法稱為直接調(diào)頻法。這種調(diào)頻方法就是把一個(gè)可變電抗元件接入振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)中。

例如，圖8-8中電容三點(diǎn)式振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)由C1、C2、L和可變電抗元件組成，它們決定了振蕩器的振蕩頻率的大小，當(dāng)調(diào)制信號(hào)uΩ(t)控制可變電抗元件的電容(或電感)值時(shí)，則選頻網(wǎng)絡(luò)的總電容(或總電感)發(fā)生變化，從而振蕩頻率隨uΩ(t)發(fā)生變化，如果電路設(shè)計(jì)得當(dāng)，振蕩器的瞬時(shí)頻率不失真地反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，振蕩器的輸出端就能得到調(diào)頻信號(hào)。

圖8-8-直接調(diào)頻法

2.間接調(diào)頻法

根據(jù)調(diào)頻與調(diào)相存在的內(nèi)部聯(lián)系，將調(diào)制信號(hào)通過(guò)積分器，然后再進(jìn)行調(diào)相，從而產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)，如8.2節(jié)中的圖8-4(a)的組成框圖，這就是間接調(diào)頻法。由于間接調(diào)頻電路的載波振蕩與調(diào)相是分兩級(jí)電路完成的，而一般載波振蕩器采用晶體振蕩器，因此間接調(diào)頻電路的優(yōu)點(diǎn)是載波頻率穩(wěn)定度高，其缺點(diǎn)是頻偏小，屬于窄帶調(diào)頻。

8.3.2調(diào)頻電路的性能指標(biāo)

1.調(diào)頻特性的線性度

調(diào)頻特性是指輸出調(diào)頻波的瞬時(shí)頻偏(或瞬時(shí)頻率)與輸入調(diào)制信號(hào)電壓之間的關(guān)系。圖8-9所示是瞬時(shí)頻偏Δf與輸入調(diào)制信號(hào)電壓uΩ的關(guān)系曲線。調(diào)頻特性是一種電壓—頻率轉(zhuǎn)換特性，又稱為壓控特性。調(diào)頻特性(即壓控特性)的線性度越好，調(diào)頻的非線性失真越小。圖8-9調(diào)頻特性

2.最大線性頻偏

最大線性頻偏是指調(diào)頻特性曲線上頻率線性偏移的最大值，如圖8-9所示的Δfmax。最大線性頻偏越大，實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的范圍越大。

3.調(diào)頻靈敏度

調(diào)頻靈敏度是指單位調(diào)制電壓產(chǎn)生的頻偏值，可定義為調(diào)頻特性曲線在uΩ=0處的斜率，用kf表示，即

式(8-27)的單位為Hz/V。kf越大越好，表示在相同的調(diào)制電壓下調(diào)頻電路產(chǎn)生的頻偏越大，調(diào)頻能力越強(qiáng)。

4.載波頻率穩(wěn)定度

因?yàn)檩d波頻率是調(diào)頻信號(hào)的中心頻率，調(diào)頻波頻率的變化是圍繞載頻變化的，如果載頻不穩(wěn)就會(huì)帶來(lái)失真，還會(huì)使調(diào)頻信號(hào)的頻帶展寬，造成對(duì)鄰近頻道的干擾。因此，希望調(diào)頻電路的載頻穩(wěn)定度越高越好。

5.寄生調(diào)幅度

寄生調(diào)幅盡量要小，調(diào)頻信號(hào)振幅要恒定。否則要影響到接收質(zhì)量，使接收機(jī)輸出信噪比下降。

8.4變?nèi)荻O管調(diào)頻電路

8.4.1變?nèi)荻O管1.變?nèi)荻O管的特性變?nèi)荻O管是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電容隨其兩端反向電壓變化的特性而制成的一種特殊半導(dǎo)體二極管。它是一種電壓控制可變電抗元件。變?nèi)莨艿碾娐贩?hào)如圖8-10(a)所示。

其結(jié)電容Cj與管子兩端反向電壓uD關(guān)系曲線如圖8-10(b)所示。其表達(dá)式為

式中，Cj0是uD=0時(shí)的結(jié)電容，稱為零偏結(jié)電容；UB是PN結(jié)勢(shì)壘電位差，一般取0.7V；γ是變?nèi)葜笖?shù)，表示電容隨其兩端電壓變化的快慢。γ值隨半導(dǎo)體摻雜波度和PN結(jié)的結(jié)構(gòu)不同而異，例如，擴(kuò)散型的γ=1/3，其稱為緩變結(jié)變?nèi)莨埽缓辖鹦偷摩?1/2，其稱為突變結(jié)變?nèi)莨?；?1~5之間的稱為超突變結(jié)變?nèi)莨?。具有不同γ值的變?nèi)莨?，用途也不同?/p>

圖8-10變?nèi)荻O管電路符號(hào)與變?nèi)萏匦?/p>

2.變?nèi)荻O管調(diào)頻的基本原理

當(dāng)變?nèi)莨軆啥穗妷航尤胝{(diào)制信號(hào)uΩ(t)=UΩmcosΩt且保證變?nèi)莨芊雌闹绷髌珘簽閁Q時(shí)，則變?nèi)莨軆啥丝傠妷簎D為

那么在調(diào)制信號(hào)uΩ(t)控制下，隨uΩ(t)變化的變?nèi)莨芙Y(jié)電容Cj(t)波形如圖8-11所示。由于變?nèi)萏匦郧€是非線性的，則Cj(t)為非正弦信號(hào)。

如果將該變?nèi)莨茏鳛檎袷幤骰芈冯娙荩敲串?dāng)Cj(t)最大時(shí)，振蕩器頻率最小，振蕩波形最稀疏；當(dāng)Cj(t)最小時(shí)，振蕩器頻率最大，振蕩波形最密集，從而得到調(diào)頻波uFM，如圖8-11所示。只要變?nèi)荻O管的特性和電路參數(shù)設(shè)計(jì)適當(dāng)，就可以做到振蕩頻率的變化近似地與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻。

圖8-11變?nèi)莨苷{(diào)頻的基本原理圖

8.4.2變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路

1.調(diào)頻電路的組成及工作原理

變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路包括載波振蕩器、變?nèi)莨莛侂婋娐?；而變?nèi)莨莛侂婋娐酚职ㄖ绷髌秒娐泛驼{(diào)制信號(hào)饋電電路。載波振蕩器是用來(lái)產(chǎn)生高頻載波振蕩信號(hào)的；變?nèi)?/p>

管直流偏置電路是為變?nèi)莨芴峁┖线m的反向偏置電壓UQ，保證變?nèi)莨茉趗Ω(t)變化范圍內(nèi)能線性調(diào)頻，同時(shí)還應(yīng)使振蕩器未加調(diào)制電壓時(shí)的振蕩頻率為指標(biāo)要求的載波頻率；變?nèi)莨苷{(diào)制信號(hào)饋電電路是保證調(diào)制信號(hào)能順利加到變?nèi)莨軆啥?，去控制變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容，以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的功能。

為了分析方便，突出主要問(wèn)題，在如圖8-12所示的電路中省去了振蕩管部分，保留了振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)和變?nèi)莨莛侂婋娐贰D中，L1是高頻扼流圈，C3、C4、C5是高頻旁路電容，它們的作用都是把振蕩回路的高頻信號(hào)和變?nèi)莨艿酿侂婋娐犯綦x開(kāi)來(lái)，防止它們之間相互影響；C6是低頻耦合電容，R3為直流饋電提供通路。圖8-12變?nèi)荻O管接入振蕩回路的原理電路

為了理解變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路調(diào)頻原理，首先分析電路的變?nèi)莨苤绷髌秒娐贰⒄{(diào)制信號(hào)交流等效電路和高頻等效電路。變?nèi)莨苤绷髌秒娐啡鐖D8-13(a)所示。-EE通過(guò)R1和R2分壓得到負(fù)電壓UQ加到變?nèi)莨苷龢O，變?nèi)莨茇?fù)極通過(guò)R3接地，保證變?nèi)莨芊雌?。變?nèi)莨芷秒妷簽?/p>

調(diào)制信號(hào)交流等效電路是uΩ通過(guò)C6耦合、經(jīng)扼流圈L1(對(duì)低頻短路)加到變?nèi)莨艿呢?fù)極，變?nèi)莨苷龢O經(jīng)R1和R2并聯(lián)電路交流接地，如圖8-13(b)所示。高頻等效電路中回路電感L經(jīng)過(guò)C3高頻短路接地，變?nèi)莨蹸j經(jīng)過(guò)C4高頻短路接地，L1高頻扼流圈將回路電容C2與低頻的連接斷開(kāi)，得到高頻交流等效電路如圖8-13(c)所示。圖8-13等效電路

2.變?nèi)莨苋拷尤胧街苯诱{(diào)頻

下面分析變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路振蕩回路瞬時(shí)頻率ω(t)與調(diào)制信號(hào)uΩ(t)之間的定量關(guān)系，然后利用其定量關(guān)系得到實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的條件。

首先分析最簡(jiǎn)單的一種情況：變?nèi)莨茏鳛檎袷幓芈返目傠娙?。將這種調(diào)頻電路稱為變?nèi)莨苋拷尤胧街苯诱{(diào)頻電路。

變?nèi)莨茏鳛檎袷幓芈返目傠娙輹r(shí)，即考慮如圖8-14所示的振蕩回路?？梢?jiàn)振蕩回路除變?nèi)莨芡?，沒(méi)有其他外接電容。

圖8-14變?nèi)莨苋拷尤胧秸袷幓芈?/p>

1)瞬時(shí)角頻率表達(dá)式

設(shè)振蕩頻率近似等于振蕩回路的諧振頻率，可以求出如圖8-14所示的瞬時(shí)振蕩角頻率為

將式(8-30)代入上式，得到

即

將式(8-33)稱為調(diào)頻特性方程，其中，為載波角頻率。這是因?yàn)楫?dāng)Cj=CjQ時(shí)，就是在uΩ=0，uD=UQ時(shí)，此時(shí)載波振蕩器未被調(diào)制，只產(chǎn)生載波振蕩信號(hào)，因此CjQ與L決定了載波頻率的大小，即調(diào)頻電路的中心角頻率。

①當(dāng)γ=2時(shí)，調(diào)頻特性方程為

可見(jiàn)，當(dāng)γ=2時(shí)，ω(t)能隨調(diào)制信號(hào)余弦規(guī)律線性變化，因此調(diào)頻特性方程是線性方程，表明能實(shí)現(xiàn)不失真的線性調(diào)頻。調(diào)頻波的最大角頻偏Δωm=mωc。

②當(dāng)γ≠2時(shí)，調(diào)頻特性方程可以展開(kāi)為

由上式可以看到調(diào)頻特性方程為非線性方程，它不僅存在載波角頻率ωc項(xiàng)和調(diào)制信號(hào)Ω項(xiàng)，還存在偏離載頻項(xiàng)Δωc、調(diào)制信號(hào)二次諧波2Ω項(xiàng)以及更高次項(xiàng)。其中，偏離載頻項(xiàng)Δωc為

二次諧波失真項(xiàng)的最大角頻偏為

顯然，存在Δωc、Δω2m以及更高次項(xiàng)將引起調(diào)頻的非線性失真。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，這些失真項(xiàng)均與m2成正比，如果m取值較小(即調(diào)制信號(hào)幅度較小)時(shí)，m2將很小，Δωc、Δω2m以及更高次項(xiàng)就很小，可以忽略不計(jì)，這樣ω(t)就能近似隨調(diào)制信號(hào)規(guī)律線性變化，實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻。

可見(jiàn)，當(dāng)m較小(即調(diào)制信號(hào)幅度較小)時(shí)，線性調(diào)頻特性方程近似為

由此得到線性頻偏為

顯然，m較小，即調(diào)制信號(hào)幅度較小，非線性失真減小，但是Δωm也要減小。因此，減小非線性失真與增大頻偏是一對(duì)矛盾，實(shí)際應(yīng)用中要折中考慮。

2)調(diào)頻靈敏度

由式(8-37)和式(8-32)可以得到瞬時(shí)頻率變化式為

根據(jù)調(diào)頻靈敏度定義式(8-27)，得到

由式(8-39)可見(jiàn)，當(dāng)γ和UQ一定時(shí)，kf隨著fc成正比地增大。因此，在變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路中，往往可以通過(guò)提高載波頻率的方法來(lái)增大頻偏值。

例8-3圖8-15是某140MHz變?nèi)莨苋拷尤胧街苯诱{(diào)頻電路。圖8-15(a)為實(shí)際電路，圖中，L2是高頻扼流圈，C3是低頻耦合電容，C1、C2、C4、C6~C12是高頻旁路或耦合電容。

(1)試畫(huà)出變?nèi)莨苤绷黟侂姷刃щ娐?、調(diào)制信號(hào)等效電路和高頻等效電路；

(2)若已知變?nèi)莨艿摩?2，UB=0.7V，UQ=6.3V時(shí)CjQ=10pF，調(diào)制電壓為uΩ=10cos2π×104t(mV)。試求電感L1值和調(diào)頻波的頻偏。

圖8-15140MHz的變?nèi)莨苋拷尤胧街苯诱{(diào)頻電路

解(1)變?nèi)莨苤绷黟侂姷刃щ娐啡鐖D8-15(b)所示，從+18V電源中取出一部分電壓UQ通過(guò)電阻R8-接到變?nèi)莨茇?fù)極上，再通過(guò)L1短路接地，保證變?nèi)莨芊聪蚬ぷ?。調(diào)制信號(hào)饋電等效電路如圖8-15(c)所示，uΩ經(jīng)過(guò)C3耦合、L2短路加到變?nèi)莨苌?。高頻等效電路如圖8-15(d)所示，L1與變?nèi)莨芙M成振蕩回路，并與振蕩管組成電感三點(diǎn)式振蕩器。

3.變?nèi)莨懿糠纸尤胧街苯诱{(diào)頻

變?nèi)莨懿糠纸尤胝袷幓芈?，如圖8-16所示。圖中變?nèi)莨芘cC2串聯(lián)，再與C1并聯(lián)，因此回路的總電容CΣ為

將式(8-30)代入上式，并整理得到

圖8-16變?nèi)莨懿糠纸尤胝袷幓芈?/p>

就C2而言，由于其與Cj串聯(lián)，C2越大，Cj的作用就越大，CΣ隨調(diào)制電壓uΩ的變化率就越大，即等效變?nèi)葜笖?shù)就越大，如圖8-17所示。就C1而言，由于其與Cj并聯(lián)，C1越小，Cj的作用就越大，CΣ隨調(diào)制電壓uΩ的變化率就越大，即等效變?nèi)葜笖?shù)也就越大，如圖8-18所示。

圖8-17C2對(duì)等效變?nèi)葜笖?shù)的影響

圖8-18-C1對(duì)等效變?nèi)葜笖?shù)的影響

綜上所述，調(diào)節(jié)C2可有效地控制Cj大的區(qū)域內(nèi)CΣ隨調(diào)制電壓uΩ的變化率，調(diào)節(jié)C1可有效地控制Cj小的區(qū)域內(nèi)CΣ隨調(diào)制電壓uΩ的變化率。為了線性調(diào)頻，必須選用γ>2的變?nèi)莨埽缓蠛侠碚{(diào)節(jié)C1、C2大小，使變?nèi)莨艿牡刃Е媒咏?。此時(shí)，適當(dāng)加大調(diào)制電壓(即m值)是不會(huì)引起明顯的非線性失真的，因此，盡管變?nèi)莨苁遣糠纸尤?，調(diào)頻電路依然能夠提供比較大的線性頻偏。在實(shí)際調(diào)頻電路中，C2取值較大，約為幾十至幾百皮法，而C1取值較小，約為幾個(gè)至幾十皮法。

例8-4圖8-19(a)是某變?nèi)莨懿糠纸尤胧街苯诱{(diào)頻電路。圖中，L1和L3是高頻扼流圈，C3、C4、C5、C6、C7是高頻旁路或耦合電容，C8-是低頻耦合電容。(1)試畫(huà)出變?nèi)莨苤绷?/p>

饋電等效電路、調(diào)制信號(hào)等效等效電路和高頻等效電路；(2)寫(xiě)出調(diào)頻波中心頻率的表達(dá)式。

圖8-19變?nèi)莨懿糠纸尤胧街苯诱{(diào)頻電路

解(1)變?nèi)莨苤绷髌秒娐啡鐖D8-19(b)所示。其-EE通過(guò)R1和R2

分壓得到負(fù)電壓UQ接到變?nèi)莨艿恼龢O，負(fù)極通過(guò)R6接地，以保證變?nèi)莨芊雌Ｕ{(diào)制信號(hào)等效電路如圖8-19(c)所示。其uΩ通過(guò)C6耦合、經(jīng)R6短路加到變?nèi)莨苌?，以改變變?nèi)莨芙Y(jié)電容的大小。高頻等效電路如圖8-19(d)所示，其L2與C1、C2、變?nèi)莨蹸j組成振蕩回路，并與振蕩管組成電容三點(diǎn)式振蕩器，由于其中的Cj受uΩ調(diào)制，當(dāng)參數(shù)設(shè)計(jì)得當(dāng)時(shí)，振蕩器的振蕩頻率受uΩ線性調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻。

(2)設(shè)C1串C2串CjQ的總電容為CΣ，則調(diào)頻波中心頻率(即載頻)為

以上介紹的是各類變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路的工作原理，這類調(diào)頻電路產(chǎn)生線性頻偏較大，但是由于其組成特點(diǎn)決定了其載波頻率穩(wěn)定度不高。為了滿足載波頻率穩(wěn)定度的指標(biāo)，

有時(shí)候采用間接調(diào)頻的方式，但由于其頻偏小，可以采用擴(kuò)展線性頻偏方法，以滿足頻偏要求。下面介紹變?nèi)荻O管間接調(diào)頻電路的調(diào)頻原理，然后再介紹擴(kuò)展線性頻偏的方法。

8.4.3變?nèi)荻O管間接調(diào)頻電路

1.變?nèi)荻O管間接調(diào)頻電路

1)電路組成

變?nèi)荻O管間接調(diào)頻電路如圖8-20所示。圖8-20變?nèi)荻O管間接調(diào)頻電路圖8-20變?nèi)荻O管間接調(diào)頻電路

2)工作原理

2.擴(kuò)展線性頻偏的方法

最大線性頻偏是調(diào)頻電路的主要質(zhì)量指標(biāo)之一。在實(shí)際調(diào)頻設(shè)備中，需要的最大線性頻偏往往不是簡(jiǎn)單調(diào)頻電路能夠達(dá)到的。因此，如何擴(kuò)展線性頻偏是設(shè)計(jì)調(diào)頻設(shè)備是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

一般采用倍頻和混頻相結(jié)合的方法擴(kuò)展線性頻偏，以達(dá)到性能要求。倍頻和混頻的變換原理框圖如圖8-21所示，它包括間接調(diào)頻器、n次倍頻器和混頻器。圖8-21倍頻和混頻的變換原理框圖

如果假設(shè)圖8-21中間接調(diào)頻器的輸出電壓為

則可以得到圖8-21中各點(diǎn)電壓表達(dá)式，分別為

某調(diào)頻發(fā)射機(jī)要求輸出載頻為100kHz、頻偏為75kHz的調(diào)頻信號(hào)，其組成框圖如圖8-22所示。晶振、積分器與調(diào)相器構(gòu)成間接調(diào)頻器，產(chǎn)生載頻為100kHz、頻偏為

24.415Hz的窄帶調(diào)頻信號(hào)；通過(guò)192次倍頻器，頻偏擴(kuò)展為4.68768kHz，載頻頻率擴(kuò)展為19.2MHz；再經(jīng)過(guò)混頻器，與頻率為25.45MHz的本振信號(hào)頻率相減，得到載頻為6.25MHz、而頻偏依然為4.68768kHz的調(diào)頻信號(hào)；最后通過(guò)16次倍頻，得到符合指標(biāo)要求的載頻為100kHz、頻偏為75kHz的寬帶調(diào)頻信號(hào)。圖8-22某調(diào)頻發(fā)射機(jī)的組成框圖

必須指出的是，圖8-22中的高次倍頻器的倍頻次數(shù)太高，其無(wú)法用一個(gè)倍頻器實(shí)現(xiàn)，一般都是由若干個(gè)低次倍頻器構(gòu)成的。例如，192次倍頻可以是4×4×4×3=192，由三級(jí)4次倍頻器和一級(jí)3次倍頻器構(gòu)成；16次倍頻可以是4×4=16，由兩級(jí)4次倍頻器構(gòu)成。當(dāng)然這些高次倍頻器也可以是其他低次倍頻器組合而成的。

8.5調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)器

角度調(diào)制信號(hào)的解調(diào)包括調(diào)頻信號(hào)解調(diào)和調(diào)相信號(hào)解調(diào)。調(diào)頻信號(hào)解調(diào)稱為頻率檢波，簡(jiǎn)稱鑒頻；調(diào)相信號(hào)解調(diào)稱為相位檢波，簡(jiǎn)稱鑒相。它們都是把已調(diào)信號(hào)中反映調(diào)制信號(hào)變化的頻率變化量或相位變化量取出來(lái)的過(guò)程，但是采用的方法不盡相同。

鑒頻器的工作波形如圖8-23所示。圖8-23鑒頻器的工作波形

8.5.1鑒頻方法

1.波形變換法

首先思考能否直接用包絡(luò)檢波器解調(diào)嗎?答案是否定的。那么，試想如果設(shè)法把調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率變化規(guī)律不失真地“轉(zhuǎn)嫁”到調(diào)頻波幅度上去，把調(diào)頻波變成調(diào)幅波，再采用包絡(luò)檢波器取出幅度變化規(guī)律，就能取出調(diào)制信號(hào)，完成鑒頻功能了，這就是波形變化法。

波形變換法就是通過(guò)線性網(wǎng)絡(luò)將輸入調(diào)頻波uFM進(jìn)行特定的波形變換，將等幅的調(diào)頻波變成幅度與頻率變化成正比的調(diào)頻調(diào)幅波uFM-AM，再進(jìn)行包絡(luò)檢波，以恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)。其原理框圖如圖8-24(a)所示。波形變換的線性網(wǎng)絡(luò)有很多類型，例如，設(shè)波形變換網(wǎng)絡(luò)如圖8-24(b)中的H(ω)特性，由于在輸入調(diào)頻波頻率變化Δω(t)變化范圍內(nèi)幅頻特性H(ω)~ω是線性的，則變換網(wǎng)絡(luò)輸出電壓幅度的變化規(guī)律與Δω(t)一致，則得到輸出調(diào)頻調(diào)幅波uFM-AM，如圖8-24(b)所示。

圖8-24波形變換法鑒頻器

2.脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻

實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻的原理框圖如圖8-25所示。由于調(diào)頻波的過(guò)零點(diǎn)規(guī)律反映了其瞬時(shí)頻率變化規(guī)律，也反映了波形的疏密程度規(guī)律：即頻率越高，波形越密，過(guò)零點(diǎn)個(gè)數(shù)越多；頻率越低，波形越疏，過(guò)零點(diǎn)個(gè)數(shù)越少。脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻原理就是利用脈沖個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)調(diào)頻波的過(guò)零點(diǎn)的個(gè)數(shù)，然后計(jì)算出脈沖個(gè)數(shù)即可實(shí)現(xiàn)鑒頻。

圖8-24中虛線方框?yàn)榉蔷€性變換網(wǎng)絡(luò)，由限幅器、微分電路、脈沖形成電路組成。輸入調(diào)頻波uFM首先通過(guò)限幅器變換為調(diào)頻方波u1，而后通過(guò)微分電路變成微分脈沖u2，并用其中的正微分脈沖觸發(fā)脈沖形成電路，產(chǎn)生窄脈沖序列u3，在以上變換過(guò)程中，調(diào)頻波過(guò)零點(diǎn)的規(guī)律始終沒(méi)有被改變。最后通過(guò)低通濾波器取出u3的平均分量(即過(guò)零點(diǎn)的規(guī)律)，從而解調(diào)出調(diào)制信號(hào)電壓uo。

圖8-25脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻的原理框圖

3.鎖相環(huán)鑒頻

當(dāng)調(diào)頻信號(hào)幅度很弱時(shí)，也就是當(dāng)輸入信噪比較小時(shí)，波形變換法鑒頻器將不能正常工作，一般把這種現(xiàn)象稱為門(mén)限效應(yīng)。而鎖相環(huán)鑒頻門(mén)限相對(duì)較低，能適合小信號(hào)的鑒頻，其具體的鑒頻原理將在第9章介紹。

8.5.2鑒頻器的性能指標(biāo)

1.鑒頻特性

鑒頻特性是指輸出電壓uo與輸入調(diào)頻信號(hào)瞬時(shí)頻率f之間的關(guān)系。它是一個(gè)f－u變換器。在線性解調(diào)的情況下，鑒頻特性應(yīng)為一條直線，而實(shí)際的鑒頻特性曲線如圖8-26所示，俗稱“S”曲線。因此它只能在有限范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)線性鑒頻。圖8-26實(shí)際的鑒頻特性曲線

2.鑒頻靈敏度

將鑒頻特性曲線在中心頻率處的斜率稱為鑒頻靈敏度，用來(lái)評(píng)價(jià)鑒頻器的鑒頻能力，其定義為

式(8-51)的單位為V/Hz。顯然，鑒頻靈敏度越大，鑒頻能力越強(qiáng)。

3.鑒頻寬度

鑒頻寬度是指鑒頻特性曲線線性鑒頻的最大范圍。為了能線性鑒頻，要求鑒頻寬度B≥2Δfm，其中，Δfm為輸入調(diào)頻波的頻偏。

8.5.3斜率鑒頻器

斜率鑒頻器又稱為振幅鑒頻器或失諧回路鑒頻器。它是利用諧振回路的幅頻特性將等幅的調(diào)頻波變換成幅度與頻率變化成正比的調(diào)頻調(diào)幅波，再進(jìn)行包絡(luò)檢波取出原調(diào)制信號(hào)。斜率鑒頻器分為單失諧回路斜率鑒頻器和雙失諧回路斜率鑒頻器。

1.單失諧回路斜率鑒頻器

單失諧回路斜率鑒頻器是最簡(jiǎn)單的一種斜率鑒頻器，其原理電路如圖8-27所示。圖中，LC回路為波形變換電路，VD、RL、CL組成包絡(luò)檢波器。其中，LC回路對(duì)輸入調(diào)頻波u1(t)失諧，即諧振頻率不等于輸入調(diào)頻波的載頻，也即f0≠fc。

圖8-27單失諧回路斜率鑒頻器的原理電路

單失諧回路斜率鑒頻器的工作原理示意圖如圖8-28所示。圖中，H(f)為L(zhǎng)C回路幅頻特性曲線，諧振頻率為f0。為了獲得線性的鑒頻特性，總是使輸入調(diào)頻波的載頻fc處在幅頻特性曲線傾斜部分中接近直線段的中點(diǎn)，如圖8-28中的Q(或Q')點(diǎn)。這樣，在輸入調(diào)頻波信號(hào)頻率改變時(shí)，LC回路兩端輸出電壓u2(t)的幅度也隨之線性改變，如圖8-28中U2m(t)波形所示。因此u2(t)是包絡(luò)為U2m(t)的調(diào)頻調(diào)幅波，如圖8-27中u2(t)波形所示。最后，u2(t)經(jīng)包絡(luò)檢波后獲得原調(diào)制信號(hào)，完成鑒頻功能。H(f)中曲線AB段即為本電路的鑒頻特性。

圖8-28-單失諧回路斜率鑒頻器的工作原理示意圖

上述鑒頻是假設(shè)AB段線性度很好的條件下進(jìn)行分析的，而實(shí)際上，一個(gè)單諧振回路的幅頻特性曲線傾斜部分的線性度很差(或者說(shuō)線性范圍很窄)。當(dāng)頻偏Δfm較大時(shí)，非線性失真就很?chē)?yán)重，因此只能用于窄帶調(diào)頻波的鑒頻。為了能對(duì)寬帶調(diào)頻進(jìn)行鑒頻，擴(kuò)展鑒頻的線性范圍，對(duì)單失諧回路斜率鑒頻器進(jìn)行改進(jìn)，這就提出雙失諧回路斜率鑒頻器。

2.雙失諧回路斜率鑒頻器

雙失諧回路斜率鑒頻器的工作原理示意圖如圖8-29(a)所示。由圖可見(jiàn)，它是由兩個(gè)參數(shù)相等的單失諧回路斜率鑒頻器并接起來(lái)的。設(shè)輸入調(diào)頻波us(t)的中心頻率為fc，兩個(gè)諧振回路的諧振頻率分別為f01和f02，且均對(duì)fc失諧，大小與fc對(duì)稱分布，即f01=fc±δf，f02=fc?δf。圖8-29雙失諧回路斜率鑒頻器的工作原理示意圖

8.5.4相位鑒頻器

相位鑒頻器是指利用諧振回路的相頻率特性將等幅的調(diào)頻波變換成幅度隨頻率變化的調(diào)頻調(diào)幅波，再進(jìn)行包絡(luò)檢波，以恢復(fù)調(diào)制信號(hào)。

1.電感耦合相位鑒頻器電路組成

圖8-30給出了電感耦合相位鑒頻器原理電路。電路的波形變換部分是一個(gè)互感耦合雙調(diào)諧電路，其中，初級(jí)回路L1C1和次級(jí)回路L2C2均調(diào)諧在調(diào)頻波的中心頻率fc上；VD1、C、RL與VD2、C、RL組成平衡包絡(luò)檢波器；C3為高頻耦合電容，對(duì)輸入信號(hào)頻率呈短路；L3為高頻扼流圈，對(duì)輸入信號(hào)頻率呈斷路，同時(shí)為檢波直流分量提供通路。

圖8-30電感耦合相位鑒頻器原理電路

2.鑒頻原理

1)平衡包絡(luò)檢波器等效電路及其各點(diǎn)電壓關(guān)系

圖8-31平衡包絡(luò)檢波器的等效電路

若設(shè)兩個(gè)檢波器檢波效率均為kd，則它們的輸出電壓uo1、uo2分別為

根據(jù)檢波二極管導(dǎo)通為參考方向，則uo1、uo2電壓是大小相同、方向相反。則輸出電壓uo為

圖8-32互感耦合回路的等效電路

圖8-33相位鑒頻器的矢量圖

4)鑒頻特性曲線

根據(jù)圖8-33所示的相位鑒頻器矢量圖可知：當(dāng)f=fc時(shí)，uo=0；當(dāng)f>fc時(shí)，uo<0，且趨于-kdU2m

；當(dāng)f<fc時(shí)，uo>0，且趨于kdU2m。由此可定性地作出輸出電壓uo隨f變化的特性曲線，如圖8-34所示。

相位鑒頻器的優(yōu)點(diǎn)是線性較好，靈敏度較高，電路也較簡(jiǎn)單，因此，應(yīng)用較廣泛。但這種電路工作頻帶較窄，不適用于寬帶鑒頻器。

圖8-34鑒頻特性曲線

8.5.5比例鑒頻器

比例鑒頻器的原理電路如圖8-35所示。它與電感耦合相位鑒頻器的共同點(diǎn)是波形變換電路相同；不同點(diǎn)有三點(diǎn)：

一是兩個(gè)二極管串聯(lián)連接；

二是在平衡包絡(luò)檢波器AB兩端并接了一個(gè)大電容C6；

三是鑒頻輸出的取自端不同，是取自CD兩端。

圖8-35比例鑒頻器的原理電路

由于上述的區(qū)別，就形成了比例鑒頻器與相位鑒頻器不同的工作特點(diǎn)：

圖8-36比例鑒頻器的鑒頻特性曲線

(3)比例鑒頻器具有限幅作用。為了進(jìn)一步說(shuō)明比例鑒頻器的限幅作用，鑒頻器輸出電壓還可以寫(xiě)成另一種形式，即

由式(8-58)可以看出，由于E保持恒定不變，所以輸出電壓uo主要取決于uo1與uo2的比值，故而得名比例鑒頻器。

例8-5互感耦合相位鑒頻器電路及其鑒頻特性曲線如圖8-37所示。(1)試定性地畫(huà)出當(dāng)f>fc時(shí)的矢量圖；

(2)若鑒頻靈敏度Sf=10mV/kHz，

輸入調(diào)頻波u1=1.5cos(2π×107t+15sin4π×103t)(V)，求輸出電壓uo(t)；

(3)若調(diào)制電壓幅度UΩm增大一倍，畫(huà)出uo(t)的波形。

圖8-37例8-5圖

解首先畫(huà)出互感耦合波形變換等效電路(如圖8-38所示)和平衡包絡(luò)檢波器的等效電路(如圖8-39所示)，再標(biāo)出各電流、電壓的方向并寫(xiě)出各電壓關(guān)系式。圖8-38-互感耦合波形變換等效電路圖8-39平衡包絡(luò)檢波器的等效電路圖8-40矢量圖

(3)若調(diào)制電壓幅度UΩm增大一倍，則調(diào)頻波u1的頻偏增大一倍，即Δfm=60kHz，所以

可見(jiàn)，不能實(shí)現(xiàn)線性鑒頻，輸出電壓uo(t)將出現(xiàn)失真，則uo(t)≠SfΔf(t)。輸出波形如圖8-41所示。

圖8-41輸出波形

8.6限幅器

8.6.1限幅器的作用和限幅特性調(diào)頻接收機(jī)中限幅器的作用是在不改變調(diào)頻信號(hào)頻率變化規(guī)律的條件下，去掉調(diào)頻信號(hào)的寄生調(diào)幅，使鑒頻器的輸出信噪比得到提高，如圖8-42所示。

圖8-42限幅器的作用

振幅限幅器通常由非線性器件組成，其限幅性能由限幅特性來(lái)表示。限幅特性是指限幅器輸出信號(hào)振幅與輸入信號(hào)振幅之間的關(guān)系曲線。理想和實(shí)際的限幅特性如圖8-43所示。

圖8-43限幅特性

8.6.2限幅器電路

1.二極管限幅器

在調(diào)頻接收機(jī)中廣泛采用的并聯(lián)雙向二極管限幅器的原理電路，如圖8-44所示。雙二極管的限幅是一種硬限幅，其限幅特性與輸入、輸出波形如圖8-45所示。限幅門(mén)限分別是+E1和-E2，輸出波形為上、下頂部被削平的方波。如果再采用帶通濾波器，取出方波中的基波分量，就能恢復(fù)出正弦波。

圖8-44雙二極管限幅器圖8-45限幅特性及電壓波形

2.差分電路限幅器

差分電路限幅器是一種軟限幅，其典型電路如圖8-46(a)所示。若已知差模特性ic2~ui(如圖8-46(b)所示)，當(dāng)輸入信號(hào)ui較小時(shí)，差分電路工作在線性放大狀態(tài)，晶體管VT2的集電極電流ic2幅度隨著輸入電壓變化；當(dāng)輸入的寄生調(diào)幅的幅度大于門(mén)限Uth時(shí)，晶體管VT2的集電極電流ic2幅度不再變化，變成調(diào)頻方波，去掉寄生調(diào)幅(如圖8-46(b)所示的iC2的波形)。如果負(fù)載LC諧振回路調(diào)諧在輸入調(diào)頻信號(hào)的中心頻率上，取出調(diào)頻方波中的基波分量，則輸出信號(hào)為去掉寄生調(diào)幅的調(diào)頻正弦波(如圖8-46(b)所示的uo的波形)。

圖8-46差分電路限幅器

另外，前面在介紹諧振功率放大器的放大特性時(shí)曾經(jīng)指出，若輸入高頻信號(hào)Ubm足夠大且放大器工作在過(guò)壓狀態(tài)時(shí)，則輸出基波電壓Ucm幾乎不隨輸入的增加而增加，具有限

幅特性，如圖8-47所示，這也是一種軟限幅器。作為限