射频模拟电路-No7-第五章.ppt

1、电子科技大学 电子工程学院主要内容主要内容v角度调制波的基本特性角度调制波的基本特性 角度调制的概念 调频波与调相波 调角波频谱v直接调频电路直接调频电路v间接调频电路间接调频电路v调频波的解调调频波的解调23角度调制是让载波的瞬时频率或瞬时相位与调制信号成线性关系，而载波的振幅不变。角度调制具有比振幅调制更强的抗干扰能力。由于角频率与相位的变化都会引起载波的相位角变化，所以把这两种调制称为角度调制。5-1 角度调制的概念角度调制的概念4瞬时角频率 0( )( )limtdtttdt 瞬时相位 00( )( )ttt dt00( )cos ( )cos( )tv tVtVt dt5-1-1 瞬

2、时频率与瞬时相位瞬时频率与瞬时相位余弦波5调频波（FM ）的瞬时角频率与调制信号成线性关系,其一般表达式如下 调制信号 ( )vt0( )( )ftk vt瞬时频移 ( )( )ftk vt 中心频率 0最大频偏 max( )mfk vt调频灵敏度 fk/()rads V瞬时角频率5-1-2 调频波与调相波调频波与调相波000( )cos( )tFMfvtVtkvt dt瞬时相位 00000( )( )( )ttftt dttkvt dt瞬时相移 0( )tfkvt dt0max( )tffmkvt dt定义调频指数为瞬时相移的最大值6调相波（PM）：瞬时相位与 成线性关系,其一般表达式如下

3、( )vt0( )( )Pttk vt瞬时相位 瞬时相移 ( )( )Ptk vt定义调相指数为瞬时相移的最大值max( )pPmk vtPk调相灵敏度/rad V最大频移 ( )mPmaxdvtkdt0( )( )( )Pdtdvttkdtdt瞬时频率 瞬时频移 ( )( )Pdvttkdt00( )cos( )PMPvtVtk vt5-1-2 调频波与调相波调频波与调相波7图5-2 三角波调制的调频波与调相波 5-1-2 调频波与调相波调频波与调相波8设调制信号: ( )cosvtVt 00( )cos(sin)fFMk VvtVtt maxcosfffk VmkVtdt00( )cos(

4、sin)FMfvtVtmt maxcosmffk Vtk V FMPM00( )cos(cos)PMpvtVtk Vt maxcospppmk Vtk V00( )cos(cos)PMPvtVtmt mPk V无论对FM波还是PM波，总是满足： mmmfmF5-1-2 调频波与调相波调频波与调相波9 5-1-2 调频波与调相波调频波与调相波10单音调制的调频波与调相波具有类似的频谱结构，复杂的调制信号可用多个单音调制信号叠加而成。 00( )cos(sin)FMfvtVtmt 00( )cos(cos)PMPvtVtmt 001VV00( )coscos(sin)sinsin(sin)FMff

5、vttmttmt021cos(sin)()2()cos2ffnfnmtJmJmn t211sin(sin)2()cos(21)fnfnmtJmnt5-1-3 调角波频谱调角波频谱为简单起见,设 ,对FM波 其中115-1-3 调角波频谱调角波频谱120100200300( )()()cos()cos() ()cos(2 )cos(2 ) ()cos(3 )cos(3 ) FMffffvtJmJ mttJmttJ mtt 结论：结论：02 0（1）单音调制信号调频波具有无穷多对边频分量 ， ，（2）理论上，单音调制调频波占的频带宽度为无穷宽，但边频分量振幅大小与贝塞尔函数有关，高阶贝塞尔函数的振

6、幅迅速下降，宗数 越小，一般情况下，函数值也越小。因此，如忽略小于某值的边频分量，调频波的频带宽度是有限的。fm5-1-3 调角波频谱调角波频谱于是13（3） 越大，忽略小于某值的边频分量数越多，换句话说，占的带宽就宽。fm（4）当 =2.4，5.52，8.65，时 ，即载波分量为零。 =3.75，时， ，即第一对边分量振幅为零时，利用这一特性可以测定调制指数。fm00fJm10fJmfm5-1-3 调角波频谱调角波频谱14（5）调频波作用在电阻上的功率为：222012122FMfffPJmJmJm调频时产生边频分量，载波功率减小，减小的部分转移成了边频分量功率，当 变化时，仅使载波功率与双边

7、频分量功率的分配关系发生变化，总功率维持不变，等于未调制时的载波功率。 fm5-1-3 调角波频谱调角波频谱150.12(1)2(1)2()mfmfBWmFFfFF大调频指数下 1fm mfF0.12mBWf 近似处理，FM带宽的经验公式大调频指数下 ，单音调制的调频波占据的频带宽度基本上与调制频率F无关，这也是大调频指数调频得到广泛应用的原因之一。(6)单音调频波调制包含无穷多对边频分量，理论带宽无穷大 。5-1-3 调角波频谱调角波频谱mfF1fm 0.12BWF窄带调频5-2 直接调频电路直接调频电路v角度调制波的基本特性角度调制波的基本特性v直接调频电路直接调频电路 LC正弦波振荡器直

8、接调频电路 电抗管直接调频电路 晶体振荡器直接调频v间接调频回路间接调频回路v调频波的解调调频波的解调1617产生调频信号的电路叫做调频器。调频波的基本要求就是它的瞬时频率按照调制信号的规律变化，而且是线性变化。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的要求)。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。5-2 直接调频电路直接调频电路18直接调频的基本原理：用调制信号直接控制LC振荡器的振荡频率，当然也可以控制非正弦波的张弛振荡器频率，使得载波频率随着调制信号变化而变化间接调频：先将调制信号积分，然后对载波进行调相，结果得到调频波产生调频信号的

9、方法归纳起来主要有二类：直接调频：用调制信号直接控制载波的瞬时频率5-2 直接调频电路直接调频电路19在振荡回路中接入可变电抗可变电容或可变电感，让电抗值受调制信号控制，就能达到直接调频的目的。LC反馈正弦波振荡器的振荡频率主要取决于振荡回路的电感量和电容值。振荡器的相位平衡条件决定了振荡器的振荡频率，可变电抗的作用可认为是改变了回路的相移，必须在新的频率下重新满足相位平衡条件 2(0,1,2,)ABnn5-2-1 LC正弦波振荡器直接调频电路正弦波振荡器直接调频电路20一种特殊制造的PN结二极管。PN结电容主要由势垒电容和扩散电容构成，变容二极管工作在反偏状态，结电容主要由势垒电容组成，当反

10、向偏压变化时，PN结阻挡层宽度发生变化，势垒电容也变化。要构成LC正弦波振荡器直接调频电路需要可变电抗，可变电抗的种类很多，比如铁氧体磁心绕制的线圈，有源器件，变容二极管等。目前应用最为广泛的是变容二极管：5-2-2 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路215-2-2 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路225-2-2 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路230(1)jjrDCCvVDVPN结的接触电位差 变容管的变容指数，与制造工艺有关 加到变容管上的电压 rv其中 反向偏置直流电压 QV设调制信号电压 cosvVt( )cosrQv tVVt5-2-2 变容二极管直

11、接调频电路变容二极管直接调频电路变容二极管容值那么 2400coscos(1)(1) (1)jjjQQDDQDCCCVVtVVtVVVV00/(1)QjDVCCV0(1cos)jQDCCVtVV变容二极管工作在反向偏置状态QVV定义变容管的调制指数 1QDVmVV5-2-2 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路令250(1cos)jCCmt回路的谐振频率 1LC220112202120(1cos)(1cos)/1(1cos) jjC CC CmtCCCCCCCmtCCCmtC不加调制时，即00Vm2020112020C CC CCCCCCCC于是变容二极管电容5-2-2 变容二极管直接

12、调频电路变容二极管直接调频电路其中26有无调制间的电容差为 222200( )1(1cos) 1CCC tCCmtCC22331(1cos)1cos(1)cos21(1)(2)cos6mtmtmtmt 泰勒级数展开1m 级数收敛21cos(1cos2)2tt 331coscoscos3)44ttt 5-2-2 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路27 2223012311(1cos)1(1)8(1)(2)cos4811(1)cos2(1)(2)cos34241coscos2cos31( , )mtmmmtmtmtAAtAtAtm 2118(1)(2)8Amm221(1)4Am 331(

13、1)(2)24Am 201(1)4Am 0123( , )coscos2cos3mAAtAtAt 220222222200000( , )( )1(1cos) 11( , )(1)CmCCCC tCCCCCmtmCCCCC5-2-2 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路28 2200( , )(1)CCm rCC220220( , )( )(1)CmCC tCC谐振回路的总电容变化 01( )2fC tfC 220020()( , )2fCCmfCCC频率变化 定义变容管“静态”接入系数 220/()pCCC20CkpC5-2-2 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路定义变容管

14、常数29变容二极管直接调频电路的瞬时频移 000123( )( , )coscos2cos3f tf kmf k AAtAtAt 直流项 00f kA引起中心频率偏移 ( )vt01cosf kAt101mff kA非线性失真22212(1)8(1)(2)mmfmkfm 233211(1)(2)38(1)(2)mmmfkfm 二次非线性失真系数 三次非线性失真系数 总的失真系数 2223kkk线性调频项与 成线性关系： 最大频偏5-2-2 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路30 为减小中心频率的偏离及非线性失真希望m越小越好，但是最大频偏又希望m越大越好，因此一般取m=0.5。1特别

15、地，当变容管的变容指数 时A0A2A30，A1不为0，这是变容管部分接入的直接调频电路的最佳工作场合。因此为减小非线性失真及中心频率的偏离，变容管的变容指数 应尽可能接近1。5-2-2 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路注意， 是对部分接入的变容二极管直接调频的场合！131变容管可以直接接入LC并联谐振电路1mf2011( )(1cos)jtmtLCLC为增加最大频移变容管直接接入时同样会产生中心频率偏离项、线性调频项及非线性失真项 。特别地，当 时200( )costmt可实现没有非线性失真的调频 5-2-2 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路32有源器件晶体管或场效应管

16、可等效成一个纯电抗。AA端的入端阻抗/ZV I设场效应管输入阻抗为无穷大12| (511)|ZZ1|Z|CDIIDII足够大22121gVZVZVZZZ5-2-3 电抗管直接调频电路电抗管直接调频电路3321DmgmZIg VgVZ121mmDVVZZg Zj CRgII等效电容emCCRg2(1)gDDSSPvIIV2(1)gDDSSmggPPvdIIgvdvVV频率将随 的变化而变化( )vt( )eCvteC若将调制信号 加到栅极， 为并联谐振回路的一部分( )vt5-2-3 电抗管直接调频电路电抗管直接调频电路34变容管直接调频可以获得较大的频偏，但中心频率的稳定性(长期频率稳定度)较

17、差，可加入石英晶体改善频率稳定性。qf变容二极管接入石英晶体回路的方式串联接入并联接入变容二极管的结电容变化将引起晶体的等效电抗变化。串联接入： 主要引起石英晶体的等效串联谐振频率 发生变化；并联接入： 结电容变化主要引起并联谐振频率 变化。pf5-2-3 晶体振荡器直接调频电路晶体振荡器直接调频电路355-2-3 晶体振荡器直接调频电路晶体振荡器直接调频电路5-3 间接调频电路间接调频电路v角度调制波的基本特性角度调制波的基本特性v直接调频电路直接调频电路v间接调频回路间接调频回路 可变移相法 可变延时法v调频波的解调调频波的解调363710( )cos( ) tcpv tVtk Kvt d

18、t( )cosvtVt1( )cos(sin)cos(sin)cpcfVv tVtk KtVtmt1/fpmk KV于是实现调频的关键转变为调相10( )tKvt dt( )v t积分调相调频波用调相得到调频波的方法即间接调频5-3 间接调频电路间接调频电路设其中38可控相移特性 coscVt( )cosppk vtmtcos()cos(cos)ccpvVtVtmt载波电压5-3-1 可变移相法调相电路可变移相法调相电路395-3-1 可变移相法调相电路可变移相法调相电路40v并联谐振回路 arctag 60( )2LtQ ( )( )ftk vt( )vt通过并联谐振回路产生相移的幅度越大，

19、谐振频率的变化量越大、相移也越大。 变容管调相电路为了得到线性相移最大相移限制在 之内65-3-1 可变移相法调相电路可变移相法调相电路41可采用多级单回路变容管调相电路级联pm为增大5-3-1 可变移相法调相电路可变移相法调相电路425-3-2 可变延时法调相电路可变延时法调相电路为得到大的相移延时网络完成调相43载波电压 coscVt通过可控延时网络产生延时 cosKvKVtcos()cos(cos)cos(cos)cccpvVtVtKVtVtmtpcmKV5-3-2 可变延时法调相电路可变延时法调相电路于是输出波形其中于是问题的关键又转化成如何实现可控延迟网络445-3-2 可变延时法调

20、相电路可变延时法调相电路DvK DK其中 为锯齿波斜率可控延迟范围DDVVKK 5-4 调频波的解调调频波的解调v角度调制波的基本特性角度调制波的基本特性v直接调频电路直接调频电路v间接调频回路间接调频回路v调频波的解调调频波的解调 限幅电路 斜率鉴频器 相位鉴频器45465-4 调频波的解调调频波的解调475-4 调频波的解调调频波的解调48谐振功率放大器工作在过压区就是限幅器。输入激励电压bV增大到一定程度时cmV几乎不变化5-4-1 限幅电路限幅电路495-4-1 限幅电路限幅电路50LLRRRDLRRDDRRR二极管截止输出电压特性的斜率为二极管导通正向导通电阻输出电压的斜率近似为5-

21、4-1 限幅电路限幅电路5100( )()( )AAA j 实现斜率鉴频的关键是找到一个将输入调频波的振幅变换成按瞬时频率变化的网络。设某一线性网络系统脉冲响应函数的频谱为设输入信号 的频谱为 iv t()iF j那么系统输出信号的频谱函数000()()()()jiiFjA jF jAF je5-4-2 斜率鉴频器斜率鉴频器()A j52于是输出信号00()120000( )( )1( )()jjiidv tdv tv tFjA eAejdtdtF这说明:微分网络可以将输入调频波的振幅变换成按瞬时频率变化的调频调幅波。 cos(sin)iicfv tVtmt0()20000( )cos(sin

22、)(cos)cos(sin)jicficmcfdv tAVtmt edtAVttmt 显然 调频调幅波5-4-2 斜率鉴频器斜率鉴频器例如: 0vt535-4-2 斜率鉴频器斜率鉴频器54对相频特性不苛求，能完成斜率鉴频器的线性网络:单失谐网络。斜率鉴频器可看成由幅频特性为线性的线性网络和包络检波器构成。 5-4-2 斜率鉴频器斜率鉴频器55通过包络检波器把包络检出来，利用一个简单谐振网络失谐后的谐波完成频率振幅转换。失谐：谐振回路对输入调频波的载波频率是失谐的。失谐点选在回路幅频特性斜坡直线部分的中间位置。经变换的输出调频波的振幅按瞬时频率的变化而变化。5-4-2 斜率鉴频器斜率鉴频器56双

23、失谐网络斜率鉴频器扩大鉴频特性的线性范围5-4-2 斜率鉴频器斜率鉴频器57相位鉴频器由两部分组成第一部分是将调频波的瞬时频率的变化转变成附加相位的变化的“频相转换网络”第二部分是检出相位差的相位检波器5-4-3 相位鉴频器相位鉴频器58LC谐振电路在一定的范围内，一定的条件下，具有线性的相频特性。 5-4-3 相位鉴频器相位鉴频器5910111111111()11iij Cj CRj LVVVjCCj CRj Lj CRj L011()L CC10()LRRQCC RLL当失谐较小时11000211iiLj C Rj C RVVVjjQ5-4-3 相位鉴频器相位鉴频器令60广义失谐 002L

24、Q0()( )jiA jVVAe12( )1C RA( )2arctag 5-4-3 相位鉴频器相位鉴频器|6arctagarctag00022( )( )222LLQQt 当 时，|6arctag当 时， 与 成线性关系 ( ) 6101 2mvK v vmK其中 为倍乘系数，设 11cosvVt22sin()vVt 012112cossin()11sin(2)sin22mmmvK VVttK VVtK VV理想乘法器，输出电压5-4-3 乘积型相位鉴频器乘积型相位鉴频器62经过低通滤波器的输出 121sin2avmvK VV|6avdvK1212dmKK VV单位 /V rad因此，模拟乘

25、法器在一定条件下可作为鉴频器。 5-4-3 乘积型相位鉴频器乘积型相位鉴频器当 时， 与两个正交信号的相位差成正比，其中 63图536 互感耦合叠加型相位鉴频器实际电路 5-4-3 乘积型相位鉴频器乘积型相位鉴频器645-4-3 叠加型相位鉴频器叠加型相位鉴频器21122122DDVVVVVV2V1V耦合谐振网络的初级输入与次级输出与 之间的相位关系与瞬时频率有关1V2V65( )0t( )ct( )2 2/2V落后 的相位角为1V22/2V超前 的相位角为1V25-4-3 叠加型相位鉴频器叠加型相位鉴频器谐振时大信号包络检波器的检波效率1dK 1212(|)0avavavdDDvvvKVV1

26、2| |DDVV66( )0t( )ct 02( )2LQt 2/2V滞后 超过1V22/2V超前 小于1V212| |DDVV12(|)avdDDvKVV小于零的输出电压5-4-3 叠加型相位鉴频器叠加型相位鉴频器当 时，675-4-3 叠加型相位鉴频器叠加型相位鉴频器( )0t( )ct 02( )2LQt 2/2V滞后 小于1V22/2V超前 大于1V212| |DDVV12(|)avdDDvKVV大于零的输出电压当 时，68avv( ) t与 的关系曲线在一定的范围内应为线性5-4-3 叠加型相位鉴频器叠加型相位鉴频器 2221222142( )4avddLCVvKVKtVKVKQt 较小时695-15-25-35-45-55-6第五次作业第五次作业70