《高頻電子線路簡(jiǎn)明教程》課件7

第七章頻率調(diào)制與解調(diào)第一節(jié)調(diào)頻信號(hào)分析第二節(jié)調(diào)頻方法第三節(jié)變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路第四節(jié)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)第五節(jié)互感耦合相位鑒頻器電路第六節(jié)調(diào)頻收發(fā)機(jī)電路思考題與練習(xí)題

(7-1)

(7-2)(7-3)(7-4)圖7-1畫出了頻率調(diào)制過(guò)程中調(diào)制信號(hào)、調(diào)頻信號(hào)及相應(yīng)的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位波形。調(diào)頻波的波形如圖7-1（d），當(dāng)uΩ

最大時(shí)，ω(t)也最高，波形密集；當(dāng)uΩ

為負(fù)峰時(shí)，頻率最低，波形最疏。因此調(diào)頻波是波形疏密變化的等幅波。

圖7-1調(diào)頻波波形

圖7-2調(diào)頻波Δfm、mf與F的關(guān)系總之，調(diào)頻是將消息寄載在頻率上而不是在幅度上。也可以說(shuō)在調(diào)頻信號(hào)中消息是蘊(yùn)藏于單位時(shí)間內(nèi)波形數(shù)目或者說(shuō)零交叉點(diǎn)數(shù)目中。由于各種干擾作用主要表現(xiàn)在振幅上，而在調(diào)頻系統(tǒng)中，可以通過(guò)限幅器來(lái)消除這種干擾。因此FM波抗干擾能力較強(qiáng)。

二、調(diào)頻信號(hào)的頻譜和功率

１．調(diào)頻信號(hào)的頻譜特性

將式（7-4）展開(kāi)成正交形式，有

式中，同相分量(cosωct)的振幅cos(mfsinΩt)和正交分量(sinωct)的振幅sin(mfsinΩt)均是sinΩt

的函數(shù)，因而也是周期性函數(shù)，其周期與調(diào)制信號(hào)的周期相同，因此可以展開(kāi)為傅立葉級(jí)數(shù)，可得

(7-5)

(7-6)(7-7)圖7-3第一類貝塞爾函數(shù)曲線由上式可知，單一頻率余弦信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)時(shí)，其調(diào)頻信號(hào)是由許多頻率分量組成的，而不是像振幅調(diào)制那樣，單一頻率正弦信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)時(shí)只產(chǎn)生兩個(gè)邊頻（AM、DSB）或一個(gè)邊頻（SSB）。因此調(diào)頻和調(diào)相屬于頻譜的非線性變換。

式（7-6）表明，調(diào)頻信號(hào)是由載波ωc與無(wú)數(shù)邊頻ωc±nΩ組成。若不考慮每一邊頻的相位，則這些邊頻對(duì)稱地分布在載頻兩邊，其幅度由調(diào)制指數(shù)mf決定。這些邊頻的相位由其位置（邊頻次數(shù)n）和Jn(mf)確定。mf變化，調(diào)頻信號(hào)的頻譜也隨之發(fā)生變化（各頻率分量的幅值相對(duì)變化），這是調(diào)頻信號(hào)的一大特點(diǎn)。由前述調(diào)頻指數(shù)的定義知，mf＝Δωm/Ω＝Δfm/F，它既決定于調(diào)頻信號(hào)的最大頻偏Δfm

（它與調(diào)制電壓UΩ

成正比），又決定于調(diào)制頻率F。

圖7-4是不同mf時(shí)調(diào)頻信號(hào)的振幅譜，它分別對(duì)應(yīng)于兩種情況。圖7-4（a）是改變?chǔ)m

而保持F不變時(shí)的頻譜，圖7-4（b）是保持Δfm不變而改變F時(shí)的頻譜。圖7-4單頻調(diào)制時(shí)FM波的頻譜圖對(duì)比圖7-4（a）與圖7-4（b），當(dāng)mf相同時(shí)，其頻譜的包絡(luò)形狀是相同的。由圖7-3的函數(shù)曲線可以看出，當(dāng)mf一定時(shí)，并不是n越大，Jn(mf)值越小，因此一般說(shuō)來(lái)，并不是邊頻次數(shù)越高，（±nΩ）分量幅度越小。這從圖7-4上可以證實(shí)。只是在mf較?。╩f約小于１）時(shí)邊頻分量隨n增大而減小。對(duì)于mf大于１的情況，有些邊頻分量幅度會(huì)增大，只有更遠(yuǎn)的邊頻幅度才又減小，這是由貝塞爾函數(shù)總的衰減趨勢(shì)決定的。當(dāng)n＞mf，有|

Jn+1（mf）|＜|

Jn（mf）|，因此圖上將幅度很小的高次邊頻忽略了。圖7-4（a）中，mf是靠增加頻偏Δfm實(shí)現(xiàn)的，因此可以看出，隨著Δfm增大，調(diào)頻波中有影響的邊頻分量數(shù)目要增多，頻譜要展寬。而在圖7-4（b）中，它是靠減小調(diào)制頻率而加大mf。雖然有影響的邊頻分量數(shù)目也增加，但頻譜并不展寬。了解這一頻譜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)確定調(diào)頻信號(hào)的帶寬是很有用的。當(dāng)調(diào)頻波的調(diào)制指數(shù)mf較小，如mf＜0.5時(shí)，由式（7-4）有(7-8)式（7-8）中用到了當(dāng)|x|＜0.5時(shí)，cosx≈1，sinx≈0。由此可以看出，當(dāng)調(diào)頻指數(shù)較小時(shí)，調(diào)頻信號(hào)由三個(gè)頻率分量構(gòu)成，包括載波頻率fc、載波頻率與調(diào)制信號(hào)頻率的和頻與差頻fc±F

，它與調(diào)幅信號(hào)的頻率分量相同，不同的是其相位，此時(shí)稱這種調(diào)頻為窄帶調(diào)頻。窄帶調(diào)頻可用調(diào)幅的方法產(chǎn)生，將載波相移90°，再與相移90°的調(diào)制信號(hào)相乘后，用載波減去此乘積項(xiàng)就可完成此窄帶調(diào)頻。

２．調(diào)頻信號(hào)的帶寬

帶寬是調(diào)頻信號(hào)的又一重要的參數(shù)。從調(diào)頻信號(hào)的頻譜看，調(diào)頻信號(hào)包含了無(wú)窮多對(duì)邊帶，對(duì)稱的分布在載頻的兩邊，若考慮一個(gè)信號(hào)的所有頻率分量，調(diào)頻信號(hào)的帶寬應(yīng)是無(wú)窮寬。考慮到一個(gè)無(wú)線電信號(hào)的實(shí)際情況，一般在工程實(shí)踐中根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)確定其信號(hào)的帶寬，如占信號(hào)總功率90％（或95％、98％、99％等）以內(nèi)的信號(hào)所占據(jù)的頻率范圍作為信號(hào)的帶寬。在調(diào)頻信號(hào)中，通常采用的準(zhǔn)則是：信號(hào)的頻帶寬度應(yīng)包括幅度大于末調(diào)載波1％以上的邊頻分量，即|Jn(mf)|≥0.01。在某些要求不高的場(chǎng)合，此標(biāo)準(zhǔn)也可以定為10％或者其他值。由此可得不同標(biāo)準(zhǔn)時(shí)調(diào)頻信號(hào)的帶寬分別為

當(dāng)調(diào)頻指數(shù)mf很大時(shí)，其帶寬可表示為

此時(shí)的調(diào)頻信號(hào)稱為寬帶調(diào)頻（WBFM）信號(hào)。當(dāng)調(diào)頻指數(shù)mf很小時(shí)，如mf＜0.5時(shí)：

為窄帶調(diào)頻（NWFM），只包含一對(duì)邊頻。以上是兩種極端的情況，一般情況下，在沒(méi)有特殊說(shuō)明時(shí)，可用式（7-9a）來(lái)表示調(diào)頻信號(hào)的帶寬，此式又稱為卡森（Carson）公式。

(7-9a)(7-9b)(7-10)(7-11)

(7-12)式（7-12）中的積分是在一個(gè)周期內(nèi)的積分，而對(duì)一個(gè)頻率變化的正弦信號(hào)而言，其周期也是變化的，即積分上限T是隨調(diào)制信號(hào)變化的，與被積函數(shù)的周期是相同的。由于式（7-12）的第二項(xiàng)為一個(gè)周期信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的積分，其結(jié)果為零，因此可得調(diào)頻信號(hào)的功率為

這里Pc為載波功率，即調(diào)頻信號(hào)的功率等于未調(diào)制時(shí)的載波功率。

(7-13)由此可以得出結(jié)論，調(diào)頻信號(hào)的平均功率與末調(diào)載波平均功率相等。調(diào)頻器相當(dāng)于一個(gè)功率分配器，調(diào)制的過(guò)程就是一個(gè)功率的分配過(guò)程，即將載波功率按照一定的規(guī)律分配在調(diào)頻信號(hào)的各個(gè)頻率分量上。

例7-1頻率調(diào)制信號(hào)u(t)＝10cos（2π×106t＋10cos2000πt）（V），信號(hào)載頻為1MHz，試確定：

（１）最大頻偏；

（２）最大相偏；

（３）信號(hào)帶寬；

（４）此信號(hào)在單位電阻上的功率。

分析：本題主要考察角調(diào)波信號(hào)的參數(shù)的概率、帶寬、功率的計(jì)算等。首先要知道該信號(hào)的最大頻偏或最大相偏，首先就要知道未調(diào)載波的頻率和相位。解

由信號(hào)表達(dá)式可知，該信號(hào)的瞬時(shí)相位為

可以看到此時(shí)未調(diào)載波的角頻率為

瞬時(shí)相位則為

由此可知該角度調(diào)制信號(hào)瞬時(shí)相偏：

則瞬時(shí)頻偏為

則有：

（１）最大頻偏；

（２）因?yàn)椋首畲笙嗥?/p>

；

（３）信號(hào)帶寬，因?yàn)镕＝1000Hz，而，所以：

（４）

三、相位調(diào)制

１．調(diào)相信號(hào)分析

調(diào)相就是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的相位，使其隨調(diào)制信號(hào)的規(guī)律線性變化。在單一頻率余弦信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)時(shí)，即，有

從而得到調(diào)相信號(hào)為

(7-14)(7-15)

圖7-5調(diào)相信號(hào)的波形圖調(diào)相波的瞬時(shí)頻率為

式中，為調(diào)相波的最大頻偏。它不僅與調(diào)制信號(hào)的幅度成正比，而且還與調(diào)制頻率成正比（這一點(diǎn)與FM不同），其示意圖見(jiàn)圖7-6。調(diào)制頻率愈高，頻偏也愈大。若規(guī)定Δωm值，那么就需限制調(diào)制信號(hào)頻率。根據(jù)瞬時(shí)頻率的變化可畫出調(diào)相波波形，如圖7-5（f）所示，也是等幅疏密波。它與圖7-1中的調(diào)頻波相比只是延遲了一段時(shí)間。如不知道原調(diào)制信號(hào)，則在單頻調(diào)制的情況下無(wú)法從波形上分辨是調(diào)頻波還是調(diào)相波。

(7-16)圖7-6調(diào)相波Δfm、mf與F的關(guān)系當(dāng)調(diào)制信號(hào)為一般的信號(hào)時(shí)，即，調(diào)相信號(hào)的表達(dá)式為

由于頻率與相位之間存在著微分與積分的關(guān)系，所以調(diào)頻與調(diào)相間是可以互相轉(zhuǎn)化的。如果先對(duì)調(diào)制信號(hào)積分，然后再進(jìn)行調(diào)相，這就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，如圖7-7（a）所示。如果先對(duì)調(diào)制信號(hào)微分，然后用微分結(jié)果去進(jìn)行調(diào)頻，得出的已調(diào)波為調(diào)相波，如圖7-7（b）所示。

(7-17)圖7-7調(diào)頻與調(diào)相的關(guān)系至于調(diào)相波的頻譜及帶寬，其分析方法與調(diào)頻相同。調(diào)相信號(hào)帶寬為

由于mp與F無(wú)關(guān)，所以BS正比于Fo，調(diào)制頻率變化時(shí)，BS隨之變化。如果按最高調(diào)制頻率Fmax值設(shè)計(jì)信道，則在調(diào)制頻率低時(shí)有很大余量，系統(tǒng)頻帶利用不充分。因此在模擬通信中調(diào)相方式用得很少。

(7-18)

２．調(diào)頻信號(hào)與調(diào)相信號(hào)的比較

由于調(diào)頻信號(hào)與調(diào)相信號(hào)同屬于角度調(diào)制信號(hào)，且因?yàn)轭l率與相位之間的內(nèi)在關(guān)系，調(diào)頻信號(hào)與調(diào)相信號(hào)之間有許多相近或相似之處，比較這兩種調(diào)制方式，可以更好地理解和掌握它們的特性和規(guī)律。調(diào)頻信號(hào)和調(diào)相信號(hào)的比較如表7-1所示。

表7-1調(diào)頻信號(hào)與調(diào)相信號(hào)的比較由表7-1可以看出，調(diào)頻信號(hào)的帶寬基本上不隨調(diào)制信號(hào)的頻率變化，屬于一種恒定帶寬的調(diào)制，而調(diào)相信號(hào)的帶寬隨調(diào)制信號(hào)的頻率變化，其頻帶利用率較低。因此，在模擬通信中，較多的采用調(diào)頻方式。但在數(shù)字調(diào)制時(shí)，調(diào)頻和調(diào)相都有很廣泛的應(yīng)用。

解由題意可知：

類似于前面調(diào)頻信號(hào)的分析，可得

由此式可知此信號(hào)的頻譜分量非常豐富，不僅包含有2π×107、2π×107±2nπ×103、2π×107±3kπ×103分量，而且包含有2π×107±2nπ×103±3kπ×103分量。

由此可以推廣到多音調(diào)頻，其信號(hào)表達(dá)式為

第二節(jié)調(diào)頻方法

一、直接調(diào)頻

直接調(diào)頻是用調(diào)制信號(hào)去控制振蕩源，使振蕩源產(chǎn)生的頻率隨調(diào)制信號(hào)的規(guī)律線性變化。以正弦波振蕩器為例，由前面振蕩器的分析可知，振蕩器的頻率是由諧振回路元件參數(shù)決定的，，改變諧振回路的元件的參數(shù)，振蕩器產(chǎn)生的振蕩頻率就會(huì)發(fā)生變化。用調(diào)制信號(hào)去控制振蕩器諧振回路的元件，如控制回路的電容C（或電感L）使之隨調(diào)制信號(hào)變化（一般是非線性關(guān)系），即此時(shí)的電容成為一時(shí)變電容（受調(diào)制信號(hào)控制），

這樣振蕩器產(chǎn)生的振蕩頻率就是一個(gè)隨調(diào)制信號(hào)變化的振蕩頻率。若此時(shí)振蕩器產(chǎn)生的振蕩頻率與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系，就完成了調(diào)頻功能。

直接調(diào)頻是將振蕩器和調(diào)頻器合二為一，同時(shí)完成振蕩頻率產(chǎn)生和頻率調(diào)制功能，因此電路比較簡(jiǎn)單，但其性能指標(biāo)將受到一定的限制。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的要求下，可以獲得較大的頻偏，其主要缺點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度差，在許多場(chǎng)合須對(duì)載頻采取穩(wěn)頻措施或者采用晶體振蕩器進(jìn)行直接調(diào)頻。

直接調(diào)頻的振蕩器一般采用正弦波振蕩器，第四章中介紹的各種正弦波振蕩器均可用于直接調(diào)頻。直接調(diào)頻電路主要包括變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路、晶體振蕩器直接調(diào)頻電路、電抗管直接調(diào)頻電路等。目前廣泛采用的是變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路，主要是因?yàn)樽內(nèi)荻O管直接調(diào)頻電路簡(jiǎn)單、性能良好。

二、間接調(diào)頻

間接調(diào)頻法如圖7-7（a）所示，先將調(diào)制信號(hào)積分，然后對(duì)載波進(jìn)行調(diào)相，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。這種間接調(diào)頻方法也稱為阿姆斯特朗（Armstrong）法。間接調(diào)頻時(shí)，調(diào)制器與振蕩器是分開(kāi)的，因此，載波振蕩器可以具有較高的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)直接調(diào)頻較為復(fù)雜。

實(shí)現(xiàn)間接調(diào)頻的關(guān)鍵是如何進(jìn)行相位調(diào)制。通常，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的方法有如下三種：（１）矢量合成法。這種方法主要針對(duì)的是窄帶的調(diào)頻或調(diào)相信號(hào)。對(duì)于單音調(diào)相信號(hào)：

當(dāng)mp

≤π/12時(shí)，上式近似為

上式表明，在調(diào)相指數(shù)較小時(shí)，調(diào)相波可由兩個(gè)信號(hào)合成得到。據(jù)此式可以得到一種調(diào)相方法，如圖7-8（b）所示。

(7-19)這種窄帶調(diào)相（NBPM）方法與普通AM波的實(shí)現(xiàn)方法（如圖7-8（a）所示）非常相似，其主要區(qū)別僅在于載波信號(hào)的相位上。用矢量合成法實(shí)現(xiàn)窄帶調(diào)頻（NBFM）信號(hào)的方法如圖7-8（c）所示，圖中虛框內(nèi)的電路為一積分電路，后面是用乘法器（平衡調(diào)制器或差分對(duì)電路）及移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)的窄帶調(diào)相電路。

圖7-8矢量合成法調(diào)相與調(diào)頻（２）可變移相法?？勺円葡喾ň褪抢谜{(diào)制信號(hào)控制移相網(wǎng)絡(luò)或諧振回路的電抗元件或電阻元件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)相。應(yīng)用最廣泛的是變?nèi)荻O管調(diào)相電路。通常情況下，用這種方法得到的調(diào)相波的最大不失真相移mp受諧振回路或相移網(wǎng)絡(luò)相頻特性非線性的限制，一般都在30

°以下。為了增大mp，可以采用多級(jí)級(jí)聯(lián)調(diào)相電路。

（３）可變延時(shí)法。將載波信號(hào)通過(guò)一可控延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)，延時(shí)時(shí)間τ受調(diào)制信號(hào)控制，即

(7-20)則輸出信號(hào)為

由此可知，輸出信號(hào)已變成調(diào)相信號(hào)了。

除上述調(diào)頻方法外，還可用鎖相調(diào)頻法（見(jiàn)第八章）和用計(jì)算機(jī)模擬調(diào)頻微分方程的方法產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)。

三、調(diào)頻器的性能指標(biāo)

調(diào)頻器的調(diào)制特性稱為調(diào)頻特性。所謂調(diào)頻，就是輸出已調(diào)信號(hào)的頻率（或頻偏）隨輸入信號(hào)規(guī)律變化，因此，調(diào)頻特性可以用f(t)或Δf(t)與uΩ

之間的關(guān)系曲線表示，稱為調(diào)頻特性曲線，如圖7-9所示。

圖7-9調(diào)頻特性曲線在無(wú)線通信中，對(duì)調(diào)頻器的主要要求有調(diào)制性能和載波性能兩個(gè)方面，通常用下述指標(biāo)來(lái)衡量：

１）調(diào)制特性線性度

調(diào)制特性線性度要高，即圖7-9曲線的線性度要高，以避免調(diào)制失真。調(diào)制特性線性度是調(diào)頻器的重要指標(biāo)，離開(kāi)了線性指標(biāo)，其他指標(biāo)再好，也無(wú)意義。工程中常用微分線性來(lái)考察。實(shí)際上調(diào)制特性不可能做到完全線性，只能保證在一定范圍內(nèi)近似線性。２）最大頻偏Δfm

最大頻偏Δfm要滿足要求，并且在保證線性度的條件下要盡可能地使Δfm大一些，從而提高線性范圍，以保證

Δf(t)與uΩ

之間在較寬范圍內(nèi)成線性關(guān)系。不同的調(diào)頻系統(tǒng)對(duì)最大頻偏的要求不同。通常情況下，調(diào)制線性與最大頻偏相矛盾，要輸出頻偏大，調(diào)制線性就做不好，反之，調(diào)制線性就好。工程中，在保證較好的調(diào)制線性條件下，應(yīng)盡量使最大頻偏大一些。３）調(diào)制靈敏度調(diào)制靈敏度要高。調(diào)制特性曲線在原點(diǎn)處的斜率就是調(diào)頻靈敏度kf，它表示了輸入的調(diào)制信號(hào)對(duì)輸出的調(diào)頻信號(hào)的頻率的控制能力，kf越大，同樣的UΩ

值產(chǎn)生的Δfm越大。一般地，調(diào)制靈敏度與調(diào)頻器的中心工作頻率（通常為載頻）及變?nèi)荻O管的直流偏置等因素有關(guān)。４）中心頻率載波性能要好。調(diào)頻的瞬時(shí)頻率就是以載頻fc為中心變化的，因此，為了保證調(diào)制器的性能，防止調(diào)頻信號(hào)頻譜落到接收機(jī)的通帶之外而產(chǎn)生較大的失真和鄰道干擾，對(duì)載波頻率fc要有嚴(yán)格的限定，其包括頻率、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。此外，載波振蕩的幅度要保持恒定，寄生調(diào)幅要小。

第三節(jié)變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路

一、變?nèi)荻O管及其特性

變?nèi)荻O管利用PN結(jié)反向偏置時(shí)勢(shì)壘電容隨外加反向偏壓變化的機(jī)理，在制作半導(dǎo)體二極管的工藝上進(jìn)行特殊處理，控制摻雜濃度和摻雜分布，使二極管的勢(shì)壘電容靈敏地隨反偏電壓變化且呈現(xiàn)較大的變化。這樣制作的變?nèi)荻O管可以看作一壓控電容，在調(diào)頻振蕩器中起著可變電容的作用。

變?nèi)荻O管在反偏時(shí)的結(jié)電容為

(7-21)圖7-10變?nèi)莨艿腃j-u曲線若在變?nèi)荻O管上加一固定偏置電壓UQ（負(fù)偏壓，在式（7-24）中已考慮了反偏，這里是其絕對(duì)值）時(shí)，此時(shí)變?nèi)荻O管的靜態(tài)工作點(diǎn)的結(jié)電容為

若偏壓u為一個(gè)固定偏壓UQ和一調(diào)制信號(hào)u

Ω

(t)＝UΩcos

Ωt，即有

此時(shí)可得

(7-22)(7-23)

式中，，稱為電容調(diào)制度，它表示結(jié)電容受調(diào)制信號(hào)調(diào)變的程度，UΩ越大，Cj變化越大，調(diào)制越深。

(7-24)二、變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路

在變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路中，變?nèi)荻O管作為一壓控電容接入到諧振回路中，由第四章正弦波振蕩器已知，振蕩器的振蕩頻率由諧振回路的諧振頻率決定。因此，當(dāng)變?nèi)荻O管的結(jié)電容隨加到變?nèi)荻O管上的電壓變化時(shí)，由變?nèi)荻O管的結(jié)電容和其他回路元件決定的諧振回路的諧振頻率也就隨之變化，若此時(shí)諧振回路的諧振頻率與加到變?nèi)荻O管上的調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系，就完成了調(diào)頻的功能，這也是變?nèi)荻O管調(diào)頻的原理。

變?nèi)荻O管調(diào)頻電路如圖7-11所示，圖7-11（a）為變?nèi)荻O管調(diào)頻電路，圖7-11（b）為振蕩回路的簡(jiǎn)化高頻電路。

圖7-11變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路

(7-25)其中，，即瞬時(shí)頻偏Δω(t)與uΩ(t)

成正比例。這種調(diào)頻就是線性調(diào)頻，如圖7-12（c）所示。

圖7-12變?nèi)莨芫€性調(diào)頻原理

(7-27)線不是直線，這使得在一個(gè)調(diào)制信號(hào)周期內(nèi)，電容的平均值不等于靜態(tài)工作點(diǎn)的CQ，從而引起中心頻率的改變。

為最大角頻偏，它是調(diào)頻電路的一個(gè)重要參數(shù)，通常越大越好。為二次諧波最大角頻偏，它也是由于Cj-u曲線的非線性引起，并將引入非線性失真。二次諧波失真系數(shù)可用下式求出：(7-28)

(7-29)

解變?nèi)荻O管等效電容為

則：

其中：

因此，有

討論：變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路是調(diào)頻電路的主要形式，其實(shí)質(zhì)是頻率受控的振蕩器。對(duì)此電路的分析與計(jì)算，實(shí)際上就是對(duì)以變?nèi)荻O管結(jié)電容為可變電容的振蕩回路的分析與計(jì)算。這涉及振蕩回路、接入系數(shù)、變?nèi)荻O管的結(jié)電容的公式與參數(shù)等問(wèn)題。

另外，在計(jì)算時(shí)，絕對(duì)的數(shù)值不一定要求非常準(zhǔn)確，要注意相對(duì)大小及數(shù)量級(jí)，在工程中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于或遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般是指相對(duì)大小在10倍以上，這時(shí)就可以把小者忽略。

第四節(jié)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)

一、鑒頻器的性能指標(biāo)

鑒頻是調(diào)頻的逆過(guò)程，是將已調(diào)信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。就完成的功能而言，鑒頻器是一個(gè)將輸入調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率f（或頻偏Δ

f

）變換為相應(yīng)的解調(diào)輸出電壓uo

的變換器，是將頻率信息轉(zhuǎn)換為原始的要傳輸?shù)男畔?，如圖7-13（a）所示。就鑒頻器而言，由頻率信息

f

（或頻偏Δf

）轉(zhuǎn)換為輸出電壓uo的關(guān)系通常稱為鑒頻特性，也可稱為轉(zhuǎn)移特性或變換特性。用曲線表示為輸出電壓uo與瞬時(shí)頻率f或頻偏Δ

f之間的關(guān)系曲線，稱為鑒頻特性曲線。在線性解調(diào)的理想情況下，此曲線為一直線，但實(shí)際上往往有彎曲，呈“S”形，簡(jiǎn)稱“S”曲線，如圖7-13（b）所示。

圖7-13鑒頻器及鑒頻特性鑒頻器的主要性能指標(biāo)大都與鑒頻特性曲線有關(guān)，主要有：

１）鑒頻器中心頻率f0

鑒頻器中心頻率對(duì)應(yīng)于鑒頻特性曲線原點(diǎn)處的頻率。在接收機(jī)中，鑒頻器位于中頻放大器之后，其中心頻率應(yīng)與中頻頻率fIF一致。在鑒頻器中，通常將中頻頻率fIF寫作fc，因此也認(rèn)為鑒頻器中心頻率為fc。２）鑒頻帶寬Bm

能夠不失真地解調(diào)所允許的輸入信號(hào)頻率變化的最大范圍稱為鑒頻器的鑒頻帶寬，它可以近似衡量鑒頻特性線性區(qū)寬度。在圖7-13（b）中，它指的是鑒頻特性曲線左右兩個(gè)極值Uomax和Uomin對(duì)應(yīng)的頻率間隔，因此也稱峰值帶寬。鑒頻特性曲線一般是左右對(duì)稱的，若峰值點(diǎn)的頻偏為，

，則。對(duì)于鑒頻器來(lái)講，要求線性范圍寬（，或

）。３）線性度

為了實(shí)現(xiàn)線性鑒頻，鑒頻特性曲線在鑒頻帶寬內(nèi)必須成線性。但在實(shí)際上，鑒頻特性在兩峰之間都存在一定的非線性，通常只有在Δf＝0附近才有較好的線性。

４）鑒頻跨導(dǎo)SD

所謂鑒頻跨導(dǎo)，就是鑒頻特性在載頻處的斜率，它表示的是單位頻偏所能產(chǎn)生的解調(diào)輸出電壓，它表征了鑒頻器中輸入調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率（或瞬時(shí)頻偏）對(duì)輸出電壓的控制能力。鑒頻跨導(dǎo)又叫鑒頻靈敏度，用公式表示為

(7-30a)或

鑒頻跨導(dǎo)的單位為V/rad/s、V/krad/s、V/Mrad/s或V/Hz、V/kHz、V/MHz。另一方面，鑒頻跨導(dǎo)也可以理解為鑒頻器將輸入頻率轉(zhuǎn)換為輸出電壓的能力或效率，鑒頻跨導(dǎo)越大，輸入信號(hào)的頻率對(duì)輸出電壓的控制能力就越強(qiáng)，可以以小的頻偏得到較大的輸出電壓。因此，鑒頻跨導(dǎo)又可以稱為鑒頻效率。

(7-30b)二、直接鑒頻

在調(diào)頻信號(hào)中，由于其瞬時(shí)頻率與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系，即

因此，調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率變化就反映了調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，瞬時(shí)頻率越大，反映出的調(diào)制信號(hào)電壓的值越大，反之，瞬時(shí)頻率越小，表明調(diào)制信號(hào)電壓的值越小。直接將頻率變化的信息轉(zhuǎn)化為一個(gè)與頻率線性變化的電壓就可恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)，這就是直接鑒頻的原理。在調(diào)頻信號(hào)中，從波形上看，單位時(shí)間的波形數(shù)越多，或單位時(shí)間內(nèi)調(diào)頻信號(hào)的零交點(diǎn)數(shù)越多，表明頻率越高，對(duì)應(yīng)的調(diào)制

(7-31)信號(hào)電壓越大，反之亦然。因此，可以從調(diào)頻信號(hào)的波形中單位時(shí)間內(nèi)的波形數(shù)或零交點(diǎn)數(shù)直接獲得調(diào)制信號(hào)電壓的信息，經(jīng)過(guò)一定的處理便獲得原始的調(diào)制信號(hào)電壓。

三、間接鑒頻

１．振幅鑒頻法

調(diào)頻波振幅恒定，故無(wú)法直接用包絡(luò)檢波器解調(diào)。鑒于二極管峰值包絡(luò)檢波器線路簡(jiǎn)單、性能好，能否把包絡(luò)檢波器用于調(diào)頻解調(diào)器中呢？顯然，若能將等幅的調(diào)頻信號(hào)變成振幅也隨瞬時(shí)頻率變化的、既調(diào)頻又調(diào)幅的FM-AM波，就可通過(guò)包絡(luò)檢波器解調(diào)此調(diào)頻信號(hào)。用此原理構(gòu)成的鑒頻器稱為振幅鑒頻器。其工作原理如圖7-14所示。圖中的變換電路應(yīng)該是具有線性頻率振幅轉(zhuǎn)換特性的線性網(wǎng)絡(luò)。

圖7-14振幅鑒頻器原理圖7-15就是利用單調(diào)諧電路完成鑒頻的最簡(jiǎn)單電路及各點(diǎn)波形，回路的諧振頻率高于調(diào)頻信號(hào)的載頻，并盡量利用幅頻特性的傾斜部分。當(dāng)f

＞fc時(shí)，回路兩端電壓大；當(dāng)f＜fc時(shí)，回路兩端電壓小，因而形成圖7-15（b）中U1的波形。這種利用調(diào)諧回路幅頻特性傾斜部分對(duì)調(diào)頻信號(hào)解調(diào)的方法稱為斜率鑒頻。由于在斜率鑒頻電路中，利用的是調(diào)諧回路的失（離）諧狀態(tài)，因此又稱失（離）諧回路法。

圖7-15單回路斜率鑒頻器

２．相位鑒頻法

由于頻率和相位具有微分和積分的內(nèi)在聯(lián)系，在調(diào)制時(shí)，可以用調(diào)相的方法完成調(diào)頻，或用調(diào)頻的方法完成調(diào)相，因此在調(diào)頻信號(hào)解調(diào)時(shí)，也可用鑒相的方法完成鑒頻，稱為相位鑒頻法。相位鑒頻器的組成如圖7-16所示。變換電路是具有線性的頻率相位轉(zhuǎn)換特性的線性相移網(wǎng)絡(luò)，它可以將等幅的調(diào)頻信號(hào)變成相位也隨瞬時(shí)頻率變化的、既調(diào)頻又調(diào)相的FM-PM信號(hào)。把此FM-PM信號(hào)和原來(lái)輸入的調(diào)頻信號(hào)一起加到鑒相器（相位檢波器）上，就可通過(guò)相位檢波器解調(diào)此調(diào)頻信號(hào)。

圖7-16相位鑒頻法的原理框圖變換電路可以用一般的線性網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，要求此線性電路在調(diào)頻信號(hào)的頻率變化范圍內(nèi)具有線性的相頻特性，其振幅特性基本保持不變即可。一般用諧振回路作為變換電路。相位鑒頻法的關(guān)鍵是相位檢波器。相位檢波器或鑒相器就是用來(lái)檢出兩個(gè)信號(hào)之間的相位差，完成相位差電壓變換作用的部件或電路。

在鑒相器中，通常有兩類鑒相器，即乘積型鑒相器和疊加型鑒相器。與此對(duì)應(yīng)的鑒頻器分別稱為乘積型相位鑒頻器和疊加型相位鑒頻器。下面分別討論這兩類相位鑒頻器。１）乘積型相位鑒頻器

乘積型相位鑒頻器的組成如圖7-17所示。在乘積型相位鑒頻器中，線性相移網(wǎng)絡(luò)通常是單諧振回路（也可以是耦合回路），而相位檢波器為乘積型鑒相器。

圖7-17乘積型相位鑒頻法

(7-32)(7-33)(7-34)(7-35)

(7-36)(7-37)由調(diào)頻信號(hào)分析已知，調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻偏Δ

f與調(diào)制信號(hào)uΩ(t)成正比，由此可得乘積型相位鑒頻器的輸出：

完成了頻率檢波功能。

２）疊加型相位檢波器

利用疊加型鑒相器實(shí)現(xiàn)鑒頻的方法稱為疊加型相位鑒頻法，其組成如圖7-18所示。調(diào)頻信號(hào)經(jīng)移相網(wǎng)絡(luò)后再與原信號(hào)相加，相加后的信號(hào)為FM-PM-AM信號(hào)，經(jīng)包絡(luò)檢波器檢波，恢復(fù)出原始的調(diào)制信號(hào)。

(7-38)圖7-18疊加型相位鑒頻法

(7-39)(7-40)

(7-41)(7-42)(7-43)

二極管VD1、VD2和兩個(gè)C、RL組成平衡的包絡(luò)檢波器使信號(hào)差動(dòng)輸出。在實(shí)際中，鑒頻器電路還可以有其他形式，如接地點(diǎn)改接在下端（圖中虛線所示），檢波負(fù)載電容用一個(gè)電容代替并可省去高頻扼流圈。

互感耦合相位鑒頻器的工作原理可分為移相網(wǎng)絡(luò)的頻率相位變換、加法器的相位幅度變換和包絡(luò)檢波器的差動(dòng)檢波三個(gè)過(guò)程。

圖7-19互感耦合相位鑒頻器

一、頻率-相位變換

頻率-相位變換是由圖7-20所示的互感耦合回路完成的。由圖7-20（b）的等效電路可知，初級(jí)回路電感L1中的電流為

(7-44)

(7-45)(7-46)

(7-47)(7-48)式中，為耦合因子，

為次級(jí)回路的阻抗角。圖7-20互感耦合回路

圖7-21頻率相位變換電路的相頻特性

(7-49)圖7-22

圖7-19的簡(jiǎn)化電路

三、檢波特性

由于是平衡電路，兩個(gè)包絡(luò)檢波器的檢波系數(shù)Kd1＝Kd2＝Kd，包絡(luò)檢波器的輸出分別為uo1＝Kd1Ud1、uo2＝Kd2Ud2。鑒頻器的輸出電壓為

由上面分析可知，當(dāng)f＝f0＝fc時(shí)，鑒頻器輸出為零；當(dāng)f

＞f0＝fc時(shí)，鑒頻器輸出為正；當(dāng)f

＜f0＝fc時(shí)，鑒頻器輸出為負(fù)。由此可得此鑒頻器的鑒頻特性，如圖7-23（a）所示，為正極性。在瞬時(shí)頻偏為零（f＝f0＝fc

）時(shí)輸出也為零，這是靠固定相移π/2及平衡差動(dòng)輸出來(lái)保證的。(7-50)

圖7-24鑒頻特性曲線例7-4互感耦合相位鑒頻器電路如圖7-25（a）所示。

（１）畫出信號(hào)頻率f＜fc時(shí)的矢量圖；

（２）畫出二極管VD1兩端電壓波形示意圖；

（３）若鑒頻特性如圖7-25（b）所示，SD＝10mV/kHz，f01＝

f02＝fc＝10MHz，u1＝1.5cos(2π×107t＋15sin(4π

×103t))(V)，求輸出電壓uo＝？

（４）當(dāng)發(fā)送端調(diào)制信號(hào)的UΩ加大一倍時(shí)，畫出uo的波形示意圖；

（５）說(shuō)明VD1斷開(kāi)時(shí)能否鑒頻？

（６）定性畫出次級(jí)回路中L2的中心抽頭向下偏移時(shí)的鑒頻特性曲線。

圖7-25題意分析：本題較為全面地考查相位鑒頻的電路、工作原理、性能分析等。從題圖可以看出，這是一個(gè)互感耦合相位鑒頻器的典型電路，對(duì)其線路形式和器件的配置要了如指掌，對(duì)此電路與其他電路的異同點(diǎn)也要一清二楚。也就是說(shuō)，一種電路形式也應(yīng)該能舉一反三，觸類旁通。這些題中，有的要求畫矢量圖，有的要求畫波形圖，有的要求畫鑒頻特性曲線，這些都涉及鑒頻器的基本工作原理。因此，鑒頻器（包括相位鑒頻器）的工作原理要非常清楚。解題時(shí)要根據(jù)所問(wèn)的問(wèn)題與鑒頻器工作原理中相關(guān)部分的關(guān)系來(lái)分析。解（１）從工作原理可知，在f＜fc時(shí)的矢量圖如圖7-26（a）所示。

圖7-26（２）二極管VD1兩端的電壓為

其波形如圖7-26（b）所示。

（３）由題知，輸入信號(hào)u1的頻率變化部分為

根據(jù)題中的條件，鑒頻器的鑒頻特性曲線的鑒頻帶寬為±40kHz，大于Δfm，而在鑒頻帶寬之內(nèi)為線性鑒頻，鑒頻靈敏度SD＝10mv/kHz，因此，輸出電壓為

（４）在發(fā)送端，調(diào)制電路確定后，調(diào)制靈敏度就確定了。若UΩ加大一倍，則調(diào)頻信號(hào)的頻偏也將加大一倍，即變成：

Δfm＝60kHz＞鑒頻帶寬，在接收端必然產(chǎn)生失真。主要是在已調(diào)信號(hào)瞬時(shí)頻偏大于鑒頻帶寬時(shí)輸出會(huì)限幅，如圖7-26（c）所示。

討論：相位鑒頻器的本質(zhì)是將調(diào)頻信號(hào)的頻率變化轉(zhuǎn)化為相位變化，然后進(jìn)行鑒相。其核心是頻相轉(zhuǎn)換。不同的相位鑒頻器，其頻相轉(zhuǎn)換電路不同，但其原理相似，應(yīng)予以掌握。第六節(jié)調(diào)頻收發(fā)機(jī)電路

一、調(diào)頻發(fā)射機(jī)電路

如圖7-27所示一個(gè)完整的調(diào)頻發(fā)射機(jī)由三部分組成：振蕩器、調(diào)制器和放大器。88~108MHz的發(fā)射頻率由可變電容Cj來(lái)調(diào)節(jié)。輸入到麥克風(fēng)的聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)之后，被送到晶體管T1的基極。晶體管T1被用作振蕩器，其振蕩頻率為88~108MHz。振蕩頻率由R2、C2、L2和L3的值決定。調(diào)頻發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)被調(diào)頻接收機(jī)接收。該電路參數(shù)具體參數(shù)如下：R1＝180kΩ，R2＝10kΩ，R3＝15kΩ，R4＝4.7kΩ，C1＝10nF，C2＝10pF，C3＝20nF，C4＝0.01μF，C5＝1μF/10V，C6＝4.7pF，C7＝10nF，C8＝3.3pF，Cj＝22pF，V是BF194B。

圖7-27簡(jiǎn)單的調(diào)頻發(fā)射電路如圖7-28所示的變?nèi)荻O管VHF波段頻率調(diào)制電路，它是可以在76~90MHz的FM廣播波段使用的頻率調(diào)制FM發(fā)射機(jī)，通常也稱作無(wú)線電話筒，用FM廣播接收機(jī)接收其信號(hào)。

用V1把駐極電容話筒產(chǎn)生的信號(hào)放大到二極管的工作電壓。80MHz頻段的信號(hào)由V2構(gòu)成的LC振蕩電路產(chǎn)生。如圖所示，L1的構(gòu)成是把導(dǎo)線繞在帶磁心的繞線架上，通過(guò)調(diào)整磁心便可使振蕩頻率在76~90MHz之間變化。用變?nèi)荻O管1S2236改變諧振回路的頻率，直接進(jìn)行FM調(diào)制，ECM輸出3MV時(shí)，可得到±25kHz的調(diào)制度。

進(jìn)行了FM調(diào)制的信號(hào)被高頻放大器TT3放大到2.3MV

左右，然后送至天線。

圖7-28變?nèi)荻O管的VHF波段頻率調(diào)制電路二、調(diào)頻接收機(jī)電路

如圖7-29所示調(diào)頻接收電路，該電路由芯片TEA5591(IC1)組成。首先調(diào)頻發(fā)射信號(hào)被天線接收，被送到IC1的第2個(gè)管腳并通過(guò)由L2、C4組成的帶通濾波器。送到IC1的射頻信號(hào)被放大并被C9、VC1、L1組成的回路調(diào)諧。L3、C8和VC2組成振蕩器，它的輸出被送到IC1的22、23號(hào)管腳，與調(diào)諧后的信號(hào)混頻從而得到中頻的FM信號(hào)。陶瓷濾波器XT1、XT2用來(lái)濾出中頻頻率并被送到IC1的4號(hào)管腳。內(nèi)部檢測(cè)器用來(lái)檢測(cè)調(diào)頻信號(hào)。調(diào)頻接收機(jī)最終得到的信號(hào)從11號(hào)管腳獲得，并被送到后續(xù)的放大器。該電路參數(shù)如下：R1＝820Ω，C1、C2＝4.7μF/355V，C3＝470pF，C5＝470pF，C4＝22pF，C6

＝0.02

μF

，C7

＝0.01μF

，C10

＝0.01

μF

，C8＝27pF

，C9

＝27pF

，C11

＝47nF，C12

＝220μF/25V

，VC1＝22pF，VC2

＝39pF

，IC1為TEA5591

，VD為1N4007。圖7-29調(diào)頻接收機(jī)電路圖

圖7-30集成相位鑒頻器思考題與練習(xí)題

7-1角調(diào)制

試確定：

（１）最大頻偏；

（２）最大相偏；

（３）信號(hào)帶寬；

（４）此信號(hào)在單位電阻上的功率；

（５）能否確定這是FM波還是PM波？

（６）調(diào)制電壓。

圖P7-1

題7-3圖7-4頻率為100MHz的載波被頻率為5kHz的正弦信號(hào)調(diào)制，最大頻偏為50kHz，求此時(shí)FM

波的帶寬。若UΩ

加倍，F(xiàn)不變，帶寬是多少？若F不變，UΩ增大一倍，帶寬如何？若UΩ和F

都增大一倍，帶寬又如何？

7-5有一個(gè)AM波和FM波，調(diào)制信號(hào)均為uΩ(t)＝0.1sin(2π×103t)（Ｖ），載頻均為1MHz。FM器的調(diào)頻靈敏度為kf＝1kHz/V，動(dòng)態(tài)范圍大于20V。

（１）求AM波和FM波的信號(hào)帶寬；

（２）若uΩ(t)＝20sin(2π×103t)（Ｖ），再計(jì)算AM

波和FM波的帶寬；

（３）由（1）、（2）可得出什么結(jié)論。7-6已知某調(diào)頻電路調(diào)制信號(hào)頻率為400Hz，振幅為2.4V，調(diào)制指數(shù)為60，求最大頻偏。當(dāng)調(diào)制信號(hào)頻率減為250Hz，同時(shí)振幅上升為32V時(shí)，調(diào)制指數(shù)將變?yōu)槎嗌伲?/p>

7-7已知載波uc＝10cos2π×108t（V），調(diào)制信號(hào)uΩ

(t)＝

cos2π×103t（V），最大頻偏Δfm＝40kHz。

（１）求調(diào)頻波表達(dá)式和有效帶寬BW；

（