高频电子线路-非线性频谱搬移技术与电路.ppt

1,第6章 非线性频谱搬移 技术与电路,2,本章基本要求,掌握 非线性频谱搬移的基本原理、调频/调相波的波形、频谱及数学表达式、直接调频电路以及调频波的解调电路；熟悉 限幅电路、预加重/去加重电路及其工作原理。,3,6.1 调频波的性质,在调幅过程中，已调波信号的频谱结构完全保持了原调制信号的频谱结构，所以把调幅制称为线性调制。基本原理角度调制中，已调波的频谱结构不再保持原调制信号的频谱结构形式，而是产生了频谱的非线性变换，因此，称为非线性调制或非线性频谱搬移。角度调制是用调制信号控制高频载波的瞬时频率或瞬时相位，分别称为调频(Frequency Modulation，FM)和调相(Phase Modulation，PM)。调频制是用调制信号控制载波振荡的频率,使载波的瞬时频率随调制信号线性变化;调相制则是用调制信号控制载波的相位,使载波的瞬时相位随调制信号线性变化。,4,瞬时频率与瞬时相位,(6-1-1),(6-1-2),5,高频振荡电压在未调制时瞬时相角为,(6-1-3),与角频率的关系可表示为,(6-1-4),(6-1-5),6,调频波的数学表达式及波形,假定调制信号为,高频载波电压为,则调频波的瞬时角频率为,(6-1-6),7,由于,，可得,(6-1-9),与调制信号的幅度成正比,与调制信号的频率成反比;,与调制信号幅度成正比,而与调制信号的频率无关。,调频波的数学式,8,调频波的波形,9,调相波的数学表达式及波形,则调相波的瞬时相位为,(6-1-12),则,调相波电压的数学表达式为,(6-1-14),10,(6-1-15),调相波的最大角频偏为,(6-1-16),11,调相波波形,12,调角波的频谱及带宽,看见,调频波和调相波都是时间的周期性函数,因此可以展开成傅里叶级数。,利用三角函数关系式有,(6-1-17),13,上式为非正常三角函数式，需用贝塞尔函数进行分析,=,+,14,调频波频谱,15,调角波具有以下特点：,1)调角波的频谱不是调制信号频谱的简单搬移，而是由载波分量和无数对边频分量组成。,2)式(6-1-18)中奇数项的上/下边频分量的振幅相等，极性相反；偶数项的上/下边频分量的振幅相等,极性相同。,5)值得注意的是有些边频分量的幅度可能超过载频分量的幅度。这是调频波频谱的一个重要特点。,16,调频波信号频谱所占的有效带宽,(rad/s),在多频率调制情况下,已调波中出现的边频不能由各频率单独调制时的边频叠加获得。因此,调角又称为非线性调制,其频谱搬移过程也称为非线性频谱搬移过程。,例6-1-1,6-1-2,6-1-3,17,1)角度调制中的两个基本关系是什么？,2)调频波信号频谱所占的有效带宽？,3)调频波和调相波的数学表达式？,18,6.2 实现调频的原理与方法,产生调频信号的方法很多,大致可分为两类 直接调频是将调制信号直接控制振荡器的自激振荡频率。间接调频是利用角频率与相角之间的微分与积分的关系,先对调制信号进行适当的处理,再用经过处理后的调制信号对高频载波进行调相。,19,直接调频,直接调频法是用调制信号直接控制载波频率来实现调频的方法。,可利用压控振荡器(VCO)的工作原理,通过控制谐振回路的电容量或电感量,使其随调制信号电压而变化,振荡器的频率也就随之变化,从而实现调频。这种振荡器又称为调频振荡器。,假定谐振回路的电容量为,则振荡器的瞬时角频率,(6-2-1),20,6.2.1.1 变容二极管直接调频电路（1）电路的组成,图6-2-1所示是用变容二极管作为可变电抗元件的调频电路。,图6-2-1 变容二极管调频电路,21,(2)调频的基本原理,22,(2)调频的基本原理,由CU特性曲线，可知变容二极管的势垒电容与外加电压的关系可表示为,(6-2-2),变容二极管的等效电容是外加电压的非线性函数。,设调制信号电压为:,(6-2-3),23,将式(6-2-3)代入式(6-2-2)中并整理得,(6-2-4),(6-2-6),则在调制电压的作用下,振荡器的瞬时角频率为,(6-2-7),24,(6-2-8),是调频波的最大频偏,25,则有,调频波的最大角频偏为,调频波产生的二次谐波失真的最大角频偏为,(6-2-11),26,调频波的中心频率偏移量为,中心频率的相对频移量为,(6-2-13),27,(3)调制灵敏度,(6-2-15),28,(4)电路实例,电容三点式,图6-2-3 变容二极管调频例1,29,改进型电容三点式调频电路,图6-2-4所示是立体声调频广播发射机中的调频电路,图6-2-4 变容二极管调频例2,30,(3)电感三点式调频电路,31,(4)集成调频发射电路,32,6.2.1.2 晶振直接调频电路,图6-2-7所示是一种晶体与变容二极管串联接法的晶体调频兼三倍频电路。,33,34,间接调频,为了进一步提高调频波中心频率的稳定度,可采用间接调频的方法获得调频波。即利用调频信号与调相信号之间的关系,通过调相来获得调频波。,由于调频波的相位偏移量与调制信号的积分成正比,调相时的相位变化量为,35,(6-2-19),调相信号的总相角为,此时,调相波的数学表达式为,图6-2-8所示是间接调频电路的框图,36,可控移相法调相电路,可控相移法调相电路是利用调制信号控制载波振荡器或载波谐振放大电路中的LC回路的电抗元件(一般是电容),使该回路的相移受调制电压控制并呈线性关系,图6-2-9 单回路移相调相电路,37,图6-2-10 三级移相调相电路,38,6.3 调角波的解调,实现鉴频的方法有两大类：第一类是普通鉴频器;第二类是反馈环路鉴频器。普通鉴频器中常用的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器和脉冲计数式鉴频器等。斜率鉴频器是利用LC回路的相位频率特性,使输入等幅的调频波经过LC回路后,变为调频调幅波,然后通过包络检波器来解调出调制信号。相位鉴频器是先将调频信号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随瞬时频率的规律变化,再通过相位检波器解调出调制信号。,39,斜率鉴频,斜率鉴频的主要思路是将一个LC回路失谐,使调频信号的载波频率位于谐振回路的幅频特性曲线的斜坡部分。如果使调频信号的频率在载波附近的小范围内变化,那么输出信号的振幅就随着输出调频信号的瞬时频率的变化而变化,使调频波变成调频调幅波,然后再利用振幅检波器检测出调制信号。,40,单回路斜率鉴频器,振幅检波器,41,调频波变为调频调幅波的原理,42,6.3.1.2 双回路斜率鉴频,图6-3-4 双失谐回路鉴频器,43,44,(6-3-1),45,46,相位鉴频器,相位鉴频器也是一种利用回路的相位频率特性，实现调频调幅变换的鉴频器,相位鉴频器与斜率鉴频器同属第一类鉴频器。,图6-3-7 相位鉴频器,47,图6-3-7 相位鉴频器,48,调频调幅变换的基本原理,49,50,51,52,调频调幅的变化过程的矢量图,53,54,电容耦合相位鉴频器的鉴频特性与一次、二次侧回路之间的耦合程度有关,图6-3-10给出了不同耦合因数的鉴频特性曲线。,例6-3-1,55,比例鉴频器,图6-3-11是比例鉴频器电路。,图6-3-11 比例鉴频器,56,比例鉴频器中D1、D2接成环形;二是在检波器负载R1、R2上并联一个大容量电解电容器C0,时间常数(R1+R2)C0较大(一般为0.10.25 s)。,57,比例鉴频器的等效电路如图6-3-12所示,D1两端的交流电压为:,D2两端的交流电压为,58,调频调幅的变化过程的矢量图,59,由于两个二极管顺向串接,UC3和UC4的极性相同,故在电解电容C0两端的电压U0=UC3+UC4,由于R1=R2,所以R1和R2上的电压都是U0/2,输出电压为：,(6-3-2),60,61,62,图6-3-14 不对称比例鉴频器,63,6.4 限幅电路,由于调频信号在调制过程中可能产生寄生调幅,且调频信号在转输过程中也不可避免地会受到各种干扰,这些因素都将引起调频信号的幅度发生变化,这些变化统称为寄生调幅,最终会反映在鉴频器的输出电压中,使解调出的信号产生失真。为了消除寄生调幅所引起的失真,通常在鉴频器之前先对调频信号进行限幅,而不改变调频波原有的频率变化规律。,64,限幅器的限幅特性可以用其输入输出电压来表示。典型的限幅特性曲线如图6-4-1所示。,当输入电压的振幅超过Up时,限幅器的输出电压保持不变,限幅器可由二极管、三极管、场效应管和差分对管等组成,65,二极管限幅电路,普通调频接收机中,较广泛采用二极管限幅器,这是一种瞬时双向限幅电路,它可使调频正弦波变换为调频方波,而且具有工作频率高,频带宽等优点。,图6-4-2 二极管限幅实例,66,三极管限幅器,三极管限幅从电路形式上看与单调谐放大器相似,但此时 三极管工作在非线性状态。即利用三极管的饱和与截止状态进行限幅。为了降低限幅电平,可以采用如下措施:(1)降低限幅器集电极电源电压，即增大集电极电阻Rc,使三极管易进入饱和区。(2)降低三极管的静态工作点电流,使三极管在输入信号较小时就进入截止区。(3)增大谐振回路的谐振阻抗RP,以改变交流负载线的斜率,使三极管在输入信号较小时进入截止、饱和区。,67,6.5 预加重去加重电路,理论分析与实践都证明,几乎所有的消息信号(如语音、音乐、图像等),其功率密度都是随着频率的增加而下降。调频过程中调制信号的高频分量所产生的频偏就小,然而,鉴频器输出端噪声功率密度又是随着频率的增加而按平方律增加,其结果是,在调制信号的高音频段信噪比大大下降。因此，在调制之前预先将调制信号频谱中的高频分量的幅度提高。这个网络称为预加重网络,而接收端的网络则称为去加重网络。,68,预加重网络与去加重网络的传输函数应满足下式的关系为,(6-5-1),HL()是预加重网络传输函数,HI()是去加重网络传递函数,为使预加重不过于加强高频分量,预加重网络较常采用如图6-5-1a所示的比例微分网络。,69,预加重网络传输函数为,(6-5-4),70,71,本章要点,重点 掌握非线性频谱搬移技术的原理与线性频谱搬移技术的区别、调角波的性质、特点、调频电路的组成及其工作原理、相位鉴频器和比例鉴频器的电路组成及其工作原理；难点非线性频谱搬移技术的原理、相位鉴频器和比例鉴频器中调频调幅波变换的原理；熟悉 限幅电路和预加重和去加重电路的原理；了解 其他鉴频电路的组成。,