Transcript 2．相位鉴频器 - 四川信息职业技术学院

任务4.7 鉴频与鉴相
4.7.1鉴频方法综述
4.7.2鉴频与鉴相电路
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教学内容
4.7.1鉴频方法综述
4.7.2鉴频与鉴相与电路
教学目的
1.掌握鉴频的基本概念以及类型
2.掌握鉴频的基本方法以及鉴频电路的
组成、工作原理、分析方法
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教学重点
鉴频电路
教学难点
鉴频电路
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4.7.1鉴频方法综述
调频信号解调又称为频率检波，是从调频波中
取出原调制信号,即输出电压与输入信号的瞬时频率
偏移成正比,又称为鉴频器。简称鉴频。它是把调频
信号的频率  ( t )   c    ( t )
得到频差
  (t )    m f (t )
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与载波频率
c
比较
从而实现频率检波。
一、鉴频的方法
鉴频的方法很多，其工作原理都是将输入的调频信
号进行特定的变换，使变换后的波形包含反映瞬时频
率变化的量，再通过低通滤波器滤波就可以得到原调
制信号。常用的鉴频方法有以下几种：
1．斜率鉴频器
它先将输入等幅的调频波通过线性网络进行频率—
—幅度变换，得到振幅随瞬时频率变化的调频波，然
后用包络检波器将信号的振幅变化取出来；其输出信
号就是原调制信号。
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2．相位鉴频器
它先将输入等幅的调频波通过线性网络进行频
率——相位变换，得到附加相位随瞬时频率变化的
调频波，然后用鉴相器将它的附加相移变化取出
来，其输出信号就是原调制信号。
3．脉冲计数式鉴频器
它先将输入等幅的调频波通过非线性变换网
络进行波形变换，得到数目与瞬时频率成正比、
但幅度和形状相同的调频脉冲序列，然后将信号
通过低通滤波器，其输出信号就是原调制信号。
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二、鉴频器的主要性能指标
鉴频器的输出电压uo随输入调频的瞬时频率f的变
化特性称为鉴频特性。为了实现不失真的解调，uo应与f
成线性关系，即鉴频特性曲线应为一条直线。但是，实
际的鉴频特性往往是一条曲线，所以它只能在有限频率
范围内实现线性鉴频。图8-17为一典型的鉴频特性曲线，
由于该曲线与英文字母“S”相似，故又称为S曲线。由
图可以看出，对应于调频波的中心频率fc，输出电压
uo=0；当信号频率向左右偏离时，uo分别为正负值。
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uo
f c f c2
f c1
f
图8-17 鉴频特性曲线
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二、鉴频器的主要性能指标
1.鉴频特性为线性：
鉴频电路输出低频解调电压与输入调频信号瞬时
频偏的关系称为鉴频特性，理想的鉴频特性应是
线性的。实际电路的非线性失真应该尽量减小。
2.鉴频线性范围要宽：
由于输入调频信号的瞬时频率是在载频附近变
化，故鉴频特性曲线位于载频附近，其中线性部
分称为鉴频线性范围。要求其鉴频线性范围足够
宽。都要求其鉴频范围不小于调频波的最大频偏
的两倍，以保证非线性失真小。
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3.鉴频灵敏度要高：
在鉴频线性范围内，单位频偏产生的解调信
号电压的大小称为鉴频灵敏度 S d 。其 S
d
越大，鉴频效率就越高。
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4.7.２鉴频与鉴相电路
１．斜率鉴频器
微分网络
电路模型如图所示
u s (t)
线 性网 络
(频 率 — 振 幅 )
包 络检 波 器
u o (t)
利用频幅转换网络将调频信号转换成调频—调幅
信号，然后再经过检波电路取出原调制信号，这种方
法称为斜率鉴频，因为在线性解调范围内，解调信号
电压与调频信号瞬时频率之间的比值和频幅转换网络
特性曲线的斜率成正比。
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在斜率鉴频电路中，频幅转换网络通常采用LC
并联回路或LC互感耦合回路，检波电路通常采用差
分检波电路或二极管包络检波电路。
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1．单失谐回路斜率鉴频器
单失谐回路斜率鉴频器电路原理如下图所示。图
中虚线左边采用简单的LC并联失谐回路，实际上它
起着时域微分器的作用；右边是二极管包络检波器，
通过它检出调制信号电压。
£«
u s1
£«
VD
C
L
u s2
C1
£-
uo
£-
单失谐回路鉴频原理电路
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RL
当输入调频信号为：u s1
 U sm 1 cos(  c t  m
f
sin  t )
时，通过起着频幅变换作用的时域微分器(并联失
谐回路)后，其输出为
u s 2  A0U
d
sm 1
dt
cos(  c t  m
f
sin  t )
  A0U sm 1 ( c    m cos  t ) sin(  c t  m f sin  t )
 m m f 
为一调频---调幅波.
A 0 为电路增益。然后通过二极管包络检波器，
得到需要的调制信号。
包络   A0U sm 1 ( c    m cos  t )
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  m  k f U m
所谓单失谐回路，是指该并联回路对输入调频波的
中心频率是失谐的。
在应用时，为了获得线性鉴频特性，总是使输入调
频波ｕｓ１的载波角频率ｗｃ工作在LC并联回路幅频特性
曲线上接近于直线段线性部分的中点上，见图（ａ）中
O或O‘点。这样，单失谐回路就可将输入的等幅调频波
变换成幅度按频率变化调频波
ｕｓ２ ，然后通过二极管包络检波器，得到需要的调制
信号，如图（b）所示。
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8-20 单失谐回路斜率鉴频器
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由于单失谐回路的幅频特性曲线倾斜部分的
线性很差，所以这种鉴频器的非线性失真严重，
其线性鉴频范围很窄。为了扩展线性范围，可采
用双失谐回路鉴频器。
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２．双失谐回路斜率鉴频器
下图是双失谐回路鉴频器的原理图。它是由三
个调谐回路组成的调频-调幅变换电路和上下对称的
两个振幅检波器组成。初级回路谐振于调频信号的
中心频率，其通带较宽。次级两个回路的谐振频率
分别为ｗ０１、ｗ０２，使ｗ０１、ｗ０２ 与ｗｃ成对称
失谐。即：
 c   01   02   c
ω01
ωc
L1
L2
C1
V1
R1
C3 u01
uo
C2
V2
R2
C4 u02
ω02
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双失谐鉴频器原理图
下图是双失谐回路鉴频器的幅频特性，其中实线
表示第一个回路的幅频特性,虚线表示第二个回路的
幅频特性，这两个幅频特性对于ｗｃ是对称的。当输
入调频信号的频率为ｗｃ时，两个次级回路输出电压
幅度相等，经检波后输出电压为：
当    c时 , u 0  u 01  u 02  0
uo1
uo
ωo1
ωc
ωo2
ω
O
Δω
O
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t
uo2
t
t
O
uo
uo
t
ωc
ω
当输入调频信号的频率由ｗｃ向升高的方向
偏离时，L2C2回路输出电压大，而L1C1回路输出
电压小，则经检波后 u 01  u 02 ，则 u 0  u 01  u 02  0 。
当输入调频波信号的频率由ｗｃ向降低方向偏离
时，L1C1回路输出电压大,L2C2回路输出电压小，
u 01  u 02
经检波后
，则
u 0  u 01  u 02 。
0
uo1
uo
ωo1
ωc
ωo2
ω
O
Δω
O
uo2
t
t
O
uo
uo
t
ωc
t
图8-22 双失谐回路鉴频器的特性
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ω
某微波通信机采用的双失谐回
1K
10P
1.3μH
频率是35MHz和4OMHz。调频信
号经两个共基放大器分别加到
上、下两个回路上，而两个回路
1K
的连接点与检波电容一起接地。
I2
V2
双失谐回路鉴频器的实用电路
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UO
RL
1K
、
10P
1.3μH
7.5K
2.5/20p
150
1K
510
3300p
18V
ui
路鉴频器的实际电路，它的谐振
I1
3300p
150
1K
7.5K
2.5/20p
510
V1
这与前面电路不同。由于接地点
改变,输出电压改从检波器电阻中
间取出，它是由检波电流和决定
的。因为检波二极管V1和V2的方
向是相反的，所以决定于两个检
波电流之差。
３．相位鉴频器
电路模型
它由两部分组成：第一部分先将输入等幅调频波通过
线性网络（频率-相位）进行变换，使调频波的瞬时
频率变化转换为附加相移的变化，即进行FM-PM波变
换；第二部分利用相位检波器检出所需要的调制信号。
相位鉴频器的关键是找到一个线性的频率-相位变换
网络。
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1)频率-相位变换网络
频率-相位变换网络有：单谐振回路、耦合回路或其
它RLC电路等。图8-25（a）所示为电路中常采用的频
相转换网络。这个电路是由一个电容C1和谐振回路
LC2R组成的分压电路。
A (ω),φ (ω)
C1
U·1
φ (ω)
L
C2
R
U·2
π
2
￣
A (ω)
ω0
(a)
(b)
图8-25 频率一相位变换网络
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ω
由图可写出输出电压表达
式：
U 2 
1
1
整理上式，并令
得:
式中:
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1
R  j C 2  1 j L 
j  C 1   1 R  j  C 2  1 j  L 
0 
U 2

U
1
 
1
1
L C 1  C 2 
j C 1 R
1  jQ p
2    0 
2    0 
0
Q p

U 1
R
0L

R
L
 R  C 1  C 2 
j C 1 R
1  j
0
Qp
为广义失谐量
由上式可求得网络的幅频特性和相频特
性：
A ( ) 
 C1R
1 
2
 A ( ) 

 arctg 
2
由上式可画出网络的幅频特性曲线和相频特性曲线，
如图8-25（b）所示。只有在 arctg     时，  A ( )
2
可近似为直线，此时有
 A ( ) 
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
2
 

2
 2Q p
  0
0
假定输入调频波的中心频率  c   0 ，将输入
调频波的瞬时角频率       cos  t     
代入上式，得
c
 A ( ) 


2
m
2Q p
0
c

以上分析说明，对于实现频率-相位变换网络，要求
移相特性曲线在  c   0 时的相移量为  / 2 ，并且在
 0 附近特性曲线近似为直线。只有当输入调幅的瞬时频
率偏移最大值比较小时，变换网络才可不失真地完成
频率—相位变换。
 A ( ) 
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2Q p
0

2)乘积型相位鉴频器
乘积型相位鉴频器实现模型方框图如图8-26所示。
不难看出，在频率-相位变换网络后面增加乘积型相
位检波电路（相乘器和低通滤波器构成），便可构成
乘积型相位鉴频器。
相位检波器
us (t)
线性网络
（频率--相位）
相乘器
低通滤波器
图8-26 乘积型相位鉴频器实现模型
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uo (t)
3)脉冲计数式鉴频器
电路模型
uFM
限幅放大
u1
微 分
u2
半波整流
图8-27 脉冲计数式鉴频器
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u3
单 稳
u4
低通滤波
uo
首先将输入调频波通过限幅器变为调频方波，然后微分变为
尖脉冲序列，用其中正脉冲去触发脉冲形成电路，这样调频
波就变换成脉宽相同而周期变化的脉冲序列，它的周期 变化
反映调频波瞬时频率的变化。将此信号进行低通滤波，取出
其平均分量.
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uFM
02
O
脉
冲
序
列
04
03
01
06
05
08
07
t
τ
Um
O
t
调频信号瞬时频率的变化，直接表现为单位时间内调频信号过零值
点的疏密变化 ,如果在调频信号的每一个正过零点处由电路产生一个振
幅为Ucm，宽度为τ的单极性矩形脉冲，这样就把调频信号转换成了重
复频率与调频信号的瞬时频率相同的单向矩形脉冲序列。这时单位时
间内矩形脉冲的数目就反映了调频波的瞬时频率，该脉冲序列振幅的
平均值能直接反映单位时间内矩形脉冲的数目。脉冲个数越多，平均
分量越大，脉冲个数越少，平均分量越小。因此实际应用时，不需要
对脉冲直接计数，而只需用一个低通滤波器取出这一反映单位时间内
脉冲个数的平均分量，就能实现鉴频。
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设调频信号通过变换电路得到一个矩形脉冲序列，并
让这一脉冲序列通过传输系数为KL的低通滤波器进行
滤波，则滤波后的输出电压可写成
u 0  u av  U m  k L T  U m  k L f
滤波后输出电压与调制信号的瞬时频率f成正比。脉
冲计数式鉴频器的优点是线性好，频带宽，易于集成
化。一般能工作在10MHz左右，是一种应用较广泛的
鉴频器。
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本讲小结
1.鉴频器的主要技术指标
2.鉴频电路
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思考题
将双失谐回路鉴频器的两个检波二极管V1、V2都调换
极性反接，电路还能否工作?只接反其中一个，电路
还能否工作?有一个损坏(开路)，电路还能否工作？
ω01
ωc
L1
L2
C1
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R1
C3 u01
uo
C2
ω02
V1
V2
R2
C4 u02