非线性电子线路ch5-3谢嘉奎东南大学

第5章角度调制与解调电路5.3.1限幅鉴频实现方法概述5.3调频波解调电路5.3.2斜率鉴频电路5.3.3相位鉴频电路5.3调频波解调电路1．概念频率检波(鉴频)：调频波的解调相位检波(鉴相)：调相波的解调2．作用从已调波中检出反映在频率或相位变化上的调制信号。鉴频鉴相采用的方法不尽相同，本章重点讨论调频波的解调——鉴和频。3．特点限幅与鉴频一般联用——统称限幅鉴频器。在调频接收机中，因多种原因(如频率特性不均、干扰等)会导致调频信号振幅发生变化。鉴频时，上述寄生调幅会反映在输出解调电压上，产生解调失真。解决办法——在鉴频前加限幅器。5.3.1限幅鉴频实现方法概述一、鉴频电路性能要求1．功能将输入调频信号的瞬时频率变换为相应解调输出电压。2．鉴频特性描述vO随瞬时频偏(f-fc)的变化特性，如图5-3-1所示。图5-3-1鉴频特性3．鉴频跨导鉴频特性原点处的斜率c)(cODffffvS-单位V/Hz。SD越大，鉴频器将输入瞬时频偏变换为输出解调电压的能力越强。4．对鉴频电路性能要求①通频带大于调制信号的最高频率max。在传输视频信号时，还必须满足相位失真和瞬变失真的要求。②大的鉴频跨导SD③满足线性和非线性失真的要求。二、鉴频的实现方法①利用反馈环路(例如锁相环)实现鉴频(第5章)②利用波形变换——将输入的调频信号进行特定的波形变换，使变换后的波形含有反映瞬时频率变化的平均分量。再通过检波、低通滤波器输出所需的解调电压。方法：三种。(1)斜率鉴频器①将输入调频波通过具有合适频率特性的线性网络，使输出调频波的振幅按照瞬时频率的规律变化。②通过包络检波器输出反映振幅变化的解调电压。图5-3-2斜率鉴频器的实现模型图5-3-15单失谐回路斜率频器图5-3-5脉冲计数式鉴频器的组成方框及其各部分波型调频电压→限幅器→调频方波→微分电路→微分脉冲→脉冲形成电路→调频方波→低通滤波器→解调电压(2)相位鉴频器①将输入调频波通过具有合适频率特性的线性网络，使输出调频波的附加相移按照瞬时频率的规律变化。②相位检波器将它与输入调频波的瞬时相位进行比较，检出反映附加相移变化的解调电压。图5-3-3相位鉴频器的实现模型(3)脉冲计数式鉴频器①调频波通过非线性变换网络变成调频等宽脉冲序列。②由低通滤波器输出反映平均分量变化的解调电压。图5-3-4脉冲计数式鉴频器的实现模型三、调频信号通过线性网络的响应线性网络：斜率、相位鉴频的关键作用：瞬时频率变化-振幅、相移变化调频波为非简谐波，由众多频率分量组成。根据线性系统理论，若已知线性网络的频率特性为)(jAe)()j(AA令：F1(j)=F[v1(t)]、F2(j)=F[v2(t)](对v1、v2的傅里叶变换)，F–1——傅里叶反变换。当线性网络输入端作用着调频信号v1(t)时，它的输出v2(t)响应为v2(t)=F-1[F2(j)]=F-1[F1(j)A(j)](5-3-5)上述分析十分困难，仅在个别理想情况下才能方便求解，得出所需结果。1．等幅调频波通过理想微分网络的响应特性一个理想的微分网络，其频率特性A(j)=jA002)(0)(A0　　　　AA幅频特性：线性相频特性：恒值它的输出响应[由式(5-3-5)]为v2(t)=F-1[F1(j)A(j)]=F-1[jA0F1(j)]利用傅里叶变换的微分特性图5-3-6)j(j]d)(d[11FttvFttvAttvAFAFAtvd)(d]}d)(d[{])j(j[])j([j)(101011011012FFFF---当v1=V1mcos(ct+Mfsint)时(Mf=m/)v2(t)=-A0V1m(c+mcost)sin(ct+Mfsint)(5-3-8)V2m=A0V1m(c+mcost)可见，经过理想微分网络，等幅调频波变成了幅度按调制规律变化的调幅调频波(信号的瞬时频率变化不失真地反映在输出调频信号的振幅V2m上)，可通过包络检波器解调。实现模型如图5-3-7所示。图5-3-7斜率鉴频器的理论模型2．等幅调频波通过理想时延网络的响应特性一理想时延网络的频率特性0j0e)j(-AA-0)(0)(0A0AA理想时延网络幅频特性：恒值相频特性：线性图5-3-8理想时延网络的频率特性理想微分网络图5-3-6根据傅里叶变换的时延特性0j101e)j()]([--FtvF求得输出响应为)(]e)j([)(010j10120---tvAFAtvF当v1(t)=V1mcos(ct+Mfsint)时)](sin)(cos[)(0f0c1m02--tΩMtVAtv其中sin(t-0)=sintcos0-costsin0sint-cost0(若0≤/12，则cos01，sin00)即sin(t-0)sint-cost0)]cos)sincos[()]cos(sincos[)](sin)(cos[)(0f0cfc1m00f0cc1m00f0c1m02ΩtΩMΩtMtVAΩtΩΩtMtVAtΩMtVAtv------)]cos)sincos[()]cos(sincos[)](sin)(cos[)(0f0cfc1m00f0cc1m00f0c1m02ΩtΩMΩtMtVAΩtΩΩtMtVAtΩMtVAtv------上式表明，通过理想时延网络，当0≤/12时，输出调频波中附加相移为=-c0-Mf0cost=-c0-m0cost其中，c0为恒定相移，m0cost反映了输入调频波的瞬时频率变化。相位鉴频器的实现模型如图5-3-9所示。图5-3-9相位鉴频器的理论模型3．准静态条件下的响应特性满足准静态条件的网络，其输出响应是一个振幅和相位均随(t)变化的调频波。①准静态条件：网络的瞬变过程速率远高于输入调频信号的瞬时频率变化速率。②准静态条件下的响应特性：网络对输入调频波的响应可近似为该瞬时频率的正弦稳态响应。故，瞬时角频率为(t)的输入调频信号，在网络输出端的响应为)()j()(1)(2tvAtvt若(t)=c+mcost，即v1(t)Vlmcos(ct+Mfsint)，则)]cos(sincos[)cos(])(sincos[)()(mcAfcmc1m)(Afc)(1m2ttMttAVtMtAVtvtt振幅、相位均随(t)变化③网络满足准静态的条件：理论证明，若网络的3dB带宽为BW0.7，输入调频波的最大角频偏和调制的频率分别为m和，则当或或网络就可满足准静态条件。f7.0/MBW27.0mBW7.0fmBWM四、振幅限幅器作用：将寄生调幅的调频信号变换为等幅的调频信号。图5-3-12振幅限幅器的作用典型电路三极管振幅限幅器差分对振幅限幅器1．三极管振幅限幅器(1)特性：丙类谐振放大器的放大特性。(2)电路：工作在过压状态的谐振功率放大器。图5-3-12振福限幅器的作用2．差分对管振幅限幅器(1)电路图5-3-14差分对管振福限幅器(2)原理输入vS较大，iC上下削平，后接谐振回路，可得等幅调频波。5.3.2斜率鉴频电路一、失谐回路斜率鉴频电路1．电路组成①单失谐回路(谐振回路对输入调频波的载波失谐)②二极管包络检波器图5-3-15单失谐回路斜率鉴频器2．工作原理①将载波角频率设在谐振特性曲线倾斜部分中接近直线段的中点(O或O)。②单失谐回路将输入的等幅调频波vS(t)=Vsmcos(ct+Mfsint)变换为幅度反映瞬时频率变化的调幅调频波。③通过包络检波器完成鉴频功能。斜率鉴频器3．扩大鉴频特性范围单失谐回路鉴频器：谐振曲线线性范围小，为扩大鉴频特性范围，多采用双失谐回路构成平衡回路斜率鉴频器。(1)电路图5-3-16双失谐回路斜率鉴频器vO=vAV1-vAV2图5-3-16中，上谐振回路调谐在f01，下谐振回路调谐在f02，它们各自失谐在输入调频波载波频率fc的两侧，并且与fc间隔f相等，即ff01-fc=fc-f02。(2)鉴频特性设A1()、A2()：上、下两谐振回路的幅频特性vO：双失谐回路斜率鉴频器输出解调电压，则vO=vAV1-vAV2=Vsmd[A1()-A2()]可见，当Vsm和d一定时，vO随的变化特性就是两个失谐回路的幅频特性相减后的合成特性。d：上、下两包络检波器的检波电压传输系数(3)讨论合成鉴频特性曲线的线性：①与两失谐回路的幅频特性形状有关；②主要取决于f01和f02的位置。配置恰当，补偿两曲线中的弯曲部分，可获线性范围较大的鉴频特性曲线。图5-3-16双失谐回路斜率鉴频器f过大时，会在fc附近出现弯曲；f过小时，线性段范围不能扩展。可证，若，鉴频特性的线性范围达到最大。为了实现线性鉴频，应限制mBW0.7/4。7.07.01.0π423BWBWf二、集成电路中采用的斜率鉴频器图5-3-17集成电路中广泛采用的斜率鉴频电路1．电路L1C1C2：线性网络，作用：f–V变换，输出调频调幅电压v1(t)，v2(t)；T1T2：射随器；T3T4：三极管包络检波器，输出解调波；T5T6：差分放大器，放大解调电压。2．原理图5-3-18鉴频特性曲线特性曲线如图5-3-18(a)所示。①1，L1C1并联谐振，v1m最大，v2m最小。②2，L1C1C2串联谐振，v1m最小，v2m最大。③合成鉴频特性曲线如图5-3-18(b)所示。vO=A(v1m-v2m)A：增益常数，取决于射随器、检波器、差分放大器。④可调元件L1、C1、C2。5.3.3相位鉴频电路作用：鉴相，用来检出两信号间的相位差，并输出与相位差大小相对应的电压。实现电路叠加型乘积型模拟鉴相器数字鉴相器—由数字电路构成一、乘积型鉴相器1．组成框图图5-3-19乘积型鉴相器相乘器(例如双差分对平衡调制器)+低通滤波器。图5-3-25乘积型相位鉴频电路T3~T9、D6：双差分对平衡调制器、实现乘积型相位鉴频电路。2．工作原理设两个输入信号分别为tVtvcos)(m11)sin()2cos()(2m2m2-tVtVtv除90固定相移外，它们之间的相位差为。则双差分对管输出差值电流(见式4-2-23)为)2)((th)2)((thT2T10VtvVtvIi(5-3-19)(1)V2m26mV，V1m260mV，上式简化为(见式4-2-27))sin()3cos34cos4(2)()(22mT022T0-tVttVItKtvVIi])2sin([sin]]sin)2[sin(214{2])sin(3[cos34cos)sin(4{22mT02mT02mT0--tVVItVVIttttVVI通过低通滤波器，滤除2及其以上各次谐波项，取出有用的平均分量，其值与sin成正比。设双差分对管的直流负载电阻为RC，低通滤波器的传输增益为1，则鉴相器的鉴相特性为(5-3-20)sinsind2mTC0OAVVRIv式中，Ad为鉴相灵敏度，单位为V。ΔsindOAv图5-3-20乘积型鉴相器的鉴相特性当||/12时，sin，vO与成正比。故只能不失真地解调||为小值的调相信号。输入信号引入90的固定相移，目的是获得正弦的鉴相特性，以保证=0时vO=0，且上、下奇对称。(2)当Vlm和V2m均大于260mV近似表示为两个双向开关函数相乘，即T2T102)(th2)(th