通信电子线路(邱健)8调角信号解调电路.ppt
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1、8.1 概述8.2 鉴相器8.3 鉴频器8.4 限幅器,第 8章 调角信号的解调电路,8.1 概述,调频波的解调又称频率检波,简称鉴频;调相波的解调又称相位检波,简称鉴相。本节讨论的重点在鉴频。对调频波而言,调制信息包含在已调信号瞬时频率的变化中,所以解调的任务就是把已调信号瞬时频率的变化不失真地转变成电压变化,即实现“频率电压”转换,完成这一功能的电路,称为频率解调器,简称鉴频器。,一、鉴频方法概述和鉴频器的主要技术指标,1.实现鉴频的方法,(1)利用波形变换进行鉴频 将调频信号先通过一个线性变换网络,使调频波变换成调频调幅波,其幅度正比于瞬时频率的变化,经变换网络输出的调频调幅信号再作振幅
2、检波即可恢复出原调制信号,斜率鉴频(即失谐回路鉴频)、相位鉴频等均属于此类。,实现鉴频的方法很多,但常用的方法有以下几种:,利用波形变换鉴频的方框图与波形图,一、鉴频方法概述和鉴频器的主要技术指标,(2)相移乘法鉴频,这种鉴频的原理是:将调频波经过移相电路变成调频调相波,其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系;然后将此调频调相波与未相移的调频波(为参考信号)进行相位比较,即可得到鉴频电路的解调输出。由于相位比较器一般都选用乘法电路,所以此类鉴频电路就称为相移乘法电路。,一、鉴频方法概述和鉴频器的主要技术指标,相移乘法鉴频框图,这种鉴频电路在集成电路中被广泛应用,其主要特点是性能良好,
3、片外电路十分简单,通常只有一个可调电感,调整非常方便。,一、鉴频方法概述和鉴频器的主要技术指标,这是利用调频波单位时间内过零信息的不同来实现解调的一种鉴频器。因为调频波的频率是随调制信号变化的,当瞬时频率高时,过零的数目就多;瞬时频率低时,过零点的数目就少。利用调频波的这个特点,就可以实现解调,其最大优点是线性良好。下图是这种鉴频的一种框图,其主要点的波形变化情况也在图中标出。,(3)脉冲计数式鉴频器,一、鉴频方法概述和鉴频器的主要技术指标,脉冲计数式鉴频器实现方框图和波形图,一、鉴频方法概述和鉴频器的主要技术指标,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
4、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,就可得到原调制信号。这种电路的突出优点:线性好、频带宽、便于集成,同时它能工作于一个相当宽的中心频率范围(1Hz-10MHz,如配合使用混频器,中心频率可扩展到100MHz)。,(4)利用锁相环路实现鉴频。,一、鉴频方法概述和鉴频器的主要技术指标,2.鉴频器的主要技术指标,鉴频器的主要特性是鉴频特性,也就是鉴频器输出电压uo与输入调频波频率f之间的关系,典型的鉴频特性曲线如图所示。以下列几个参量衡量鉴频器性能的技术指标。,一、鉴频方法概述和鉴频器的主要技
5、术指标,(1)鉴频跨导S 在中心频率附近,单位频偏所引起的输出电压的变化量,即,显然,鉴频跨导的绝对值越高越高,意味着鉴频特性曲线越陡峭,鉴频能力越强。,一、鉴频方法概述和鉴频器的主要技术指标,(2)线性范围 指鉴频特性曲线近似于直线段的频率范围,用2fmax表示,如图所示,它表明鉴频器不失真解调时所允许的频率变化范围。因此,要求2fmax应大于调频波最大频偏的两倍。2fmax又称为鉴频器的带宽。(3)鉴频灵敏度 主要是指为使鉴频器正常工作所需的输入调频波的幅度,其值越小,鉴频器灵敏度越高。,一、鉴频方法概述和鉴频器的主要技术指标,鉴相电路又称相位解调电路;鉴相电路输入端的两个信号,一个为输入
6、信号,另一个为参考相位信号。输出信号可以是模拟电压,也可以是数字量。前者称为模拟鉴相电路,后者称为数字鉴相电路。,8.2 鉴相器,常用的鉴相器电路有两种,即乘积型鉴相器和门电路鉴相器。本节主要讨论乘积型鉴相器。鉴相电路的作用:将输入端的两个信号之间的相位差转换成某种输入信号,实现调相波的解调。乘积型鉴相器利用模拟乘法器进行相位偏移电压的变换,然后用低通滤波器恢复调制信号。,二、鉴相器,8.2 鉴相器,8.2.1 乘积型鉴相器,1组成框图,相乘器(例如双差分对平衡调制器)+低通滤波器。,2工作原理,设两个输入信号分别为,下面的分三种情况分析(1)u1(t)和u2(t)都是小信号;(2)u1(t)
7、和u2(t)都是大信号;(3)u1(t)小、u2(t)是大信号。,8.2.1 乘积型鉴相器,低通滤波器,相乘器(例如双差分对平衡调制器)+低通滤波器。,2工作原理,为了简化分析,设2(t)=0。设u2(t)为参考信号。,(1)V2m 26 mV,V1m 26 mV,上式简化为,8.2.1 乘积型鉴相器,该信号经过低通滤波器后的输出为:,根据调相波原理,1(t)与调制信号关系为:1(t)=Kpu(t)。一般情况下,在|1(t)|/6时,,8.2.1 乘积型鉴相器,根据上式可以看到,输出信号与原调制信号成线性关系实现了调相波的解调。,技术指标:(1)鉴相跨导S:,(2)鉴相线性范围max:,根据线
8、性范围的近似要求,可以得到:,8.2.1 乘积型鉴相器,(2)V1m 100 mV,上式简化为,此时,双曲正切函数可近似周期为2/c的开关函数,将双曲正切函数傅里叶展开式代入上式,电流表达式改写为:,经过低通滤波器输出为:,8.2.1 乘积型鉴相器,同理,当 1(t)=Kpu(t),且|1(t)|/6时,输出电压关系式为:,技术指标:(1)鉴相跨导S:,(2)鉴相线性范围max:,根据线性范围的近似要求,可以得到:,(3)V2m 100 mV,V1m 100 mV,上式简化为,8.2.1 乘积型鉴相器,此时,两个双曲正切函数的展开式相乘,可以得到:,8.2.1 乘积型鉴相器,根据电流表达式的前
9、面三项为低频项,通过RC低通滤波后,可以得到负载电阻上输出的电压为:,通过对比发现,该表达式与周期的三角波形的傅里叶级数是一致的。因此鉴相器的输出信号可简化为:,其中,,-1,1,-/2,/2,0,8.2.1 乘积型鉴相器,8.2.1 乘积型鉴相器,根据f(x)的波形,可以知道,此时鉴相器的相位与输出电压之间的关系是周期的三角波形。在(-0.5,0.5)的范围内,输出电压与原调制信号之间的关系是线性关系。假设调制信号与相位信号的关系式为:1(t)=Kpu(t),8.2.1 乘积型鉴相器,技术指标:(1)鉴相跨导S:,(2)鉴相线性范围max:,根据线性范围的近似要求,可以得到:,三种情况下,鉴
10、相线性范围最大的就是u1(t)和u2(t)都是大信号的情况。鉴相跨导的绝对值最大的也是第三种情况;最小的是第一种情况。非线性失真最小的同样也是u1(t)和u2(t)都是大信号的情况。此时的鉴相特性曲线为线性(三角波形)。而前两种情况的失真都较大。,采用大信号具有鉴相灵敏度高、鉴相线性范围大和失真小的优点。,8.2.2 门电路鉴相器,门电路鉴相器是利用数字部件构成的鉴相电路,这种电路既简单又方便,它可把输入端信号间的相位差转换成脉冲宽度。该脉宽既可利用低通滤波器将其变成模拟输出电压,构成模拟鉴相电路,也可直接通过数字电路将其变成数字量,组成相位数字鉴相电路。相位脉宽鉴相器要求输入信号和参考信号必
11、须都是方波序列脉冲信号,若不是方波信号,则应首先采用过零检测电路或放大整形电路将它们变成方波信号。电路根据输入和参考信号过零点的时间来工作,其输出亦为脉冲信号,脉冲宽度与两个输入波形之间的过零时间差(相位差)成比例,而与波形的其它部分无关。相位脉宽鉴相电路通常用门电路和触发器组成。,2异或门鉴相器,异或门电路是指:当有两个输入信号时,在一个为“1”,一个为“0”的情况下,输出为“1”,否则输出为“0”的电路,或者说,“异”者为“1”,“同”者为“0”。能完成这种功能的异或门集成电路有74LS86和CD4070B等,也可由四个与非门电路组成。,8.2.2 门电路鉴相器,2异或门鉴相器,占空比=5
12、0,8.2.2 门电路鉴相器,Vi,VR,占空比=500,2异或门鉴相器,8.2.2 门电路鉴相器,Vi,VR,占空比=50100,2异或门鉴相器,8.2.2 门电路鉴相器,-Vm,Vm,-/2,/2,0,2异或门鉴相器,8.2.2 门电路鉴相器,异或门鉴相器的测量范围为:鉴相夸导S为:,2异或门鉴相器,或者,8.2.2 门电路鉴相器,8.3 鉴频器,一、鉴频的实现方法,(1)斜率鉴频器,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。,通过包络检波器输出反映振幅变化的解调电压。,调频调幅波,8.3 鉴频器,(2)相位鉴频器,将输入调频波通过具有合适频率特
13、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。,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。,调频调相波,8.3 鉴频器,(3)脉冲计数式鉴频器,调频波通过非线性变换网络变成调频等宽脉冲序列。,由低通滤波器输出反映平均分量变化的解调电压。,8.3 鉴频器,(3)脉冲计数式鉴频器,一、失谐回路斜率鉴频电路,1电路组成,单失谐回路(谐振回路对输入调频波的载波失谐),二极管包络检波器,2工作原理,8.3.1 斜率鉴频器,3扩大鉴频特性范围,(1)、平衡回路斜率鉴频器,vO=vAV1-vAV2,f=f01-fc=fc-f02。,8.3.1 斜率鉴频器,(
14、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=VsmdA1()-A2(),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:,与两失谐回路的幅频特性形状有关;,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。,8.3.1 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 fm BW0.7/4。,8.3.1 斜率鉴频器,二、集成
15、电路中采用的斜率鉴频器,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。,8.3.1 斜率鉴频器,2原理,特性曲线如图 所示。1,L1C1并联谐振,v1m 最大,v2m 最小。2,L1C1C2串联谐振,v1m 最小,v2m 最大。合成鉴频特性曲线如图 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。,可调元件 L1、C1、C2。,8.3.1 斜率鉴频器,8.3.2 相位鉴频器,相位鉴频器也是利用波形变换鉴频的一种方法。它是利
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