1、5.6 调频波解调电路,5.6.1概述,一鉴相器的功能及鉴频特性曲线,从频率（相位）已调波中不失真地还原出原调制信号的过程，为调频（调相）波的解调过程，称为频率（相位）检波，简称为鉴频（FM Detector , Discriminator）（鉴相（Fhase Detector）。它们的任务是把载波频率（或相位）的变化变换成电压的变化，实现鉴频（鉴相）的电路称为鉴频（相）器。,作用下产生的，但二者却是截然不同的两种信号，,如图5.6.1(a)所示。,图5.6.1 （a）鉴频器的功能,鉴频器将输入调频波的瞬时频率,变化变换成了输出电压,的变化，将这种变换特性称为鉴频特性。,在线性解调的理想情况下
2、，此曲线为直线，但实际上往往有弯曲，呈“S”形，简称“S” 曲线，如图5.6.1(b）所示。,用曲线表示为解调输出电压与输入高频信号瞬时频率,之间的关系曲线，称为鉴,图5.6.1 （b）鉴频特性曲线,频特性曲线。,（鉴频特性动画）,1鉴频线性范围：鉴频线性范围是指鉴频特性曲线中近似直线段的频率范围，用,表示。,表明鉴频器实现不失真的解调所允许的频率变化范围。因此要求,应大于输入调频波最大频偏的两倍，即,也可以称为鉴频器的带宽。,二、鉴频器的主要指标,的解调输出电压的大小。,或,显然，鉴频灵敏度越高，意味着鉴频特性曲线越陡峭，鉴频能力越强。,（调频波解调方法之一二动画）,的线性网络，经变换后得到
3、调频调幅波，其幅度正比,于输入调频波瞬时频率的变化，然后通过包络检波器输出反映振幅变化的解调电压。,三、实现鉴频的方法,1、斜率鉴频器（Slope Discriminator）,实现鉴频的方法很多，但常用的有以下几种：,斜率鉴频的实现模型如图5.6.2所示。,先将输入调频波通过具有合适频率特性的线性变换网络，将调频波变换成调频调相波，其相位的变化与输入调频波瞬时频率的变化成正比，再经相位检波器（鉴相器）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。,2、相位鉴频器（Phase Discriminator）,相位鉴频器的实现模型如图5.6.3所示。,脉冲计数式鉴频器是先将输
4、入调频波通过具有合适特性的非线性变换网络，将它变换为调频等宽脉冲序列。由于该等宽脉冲序列含有反映瞬时频率变化的平均分量，因而，通过低通滤波器就能输出反映平均分量变化的解调电压。也可将该调频等宽脉冲序列直接通过脉冲计数器得到反映瞬时频率变化的解调电压。,3、脉冲计数式鉴频器（Pulse Count Discriminator）,这种方法的实现模型如图5.6.4所示。,（脉冲计数式鉴频器动画）,这种鉴频方法有多种实现电路，为了便于了解这种方法的基本工作原理，图5.6.5示出了一个实例，包括其组成方框图（a）和相应的波形图（b）图（f）。,4、锁相鉴频器锁相鉴频器是利用锁相环路实现鉴频。这种方法将在
5、第6章中讨论。,四、限幅器,限幅器的作用是将输入信号的振幅变化去掉，得到等幅信号的一种非线性电路。限幅器的限幅特性可以用其输入电压,压或限幅灵敏度，其值越小越好。越小对前级增益的要求越低。,图5.6.6 典型的限幅特性曲线,而斜率鉴频器和相位鉴频器前接入的限幅器属于振幅限幅器，它的作用是将具有寄生调幅的调频波变换为等幅的调频波。如图5.6.7所示。,图5.6.7 振幅限幅器的作用,限幅器分为瞬时限幅和振幅限幅两种。,脉冲数字式鉴频器中的限幅属于瞬时限幅器，它的作用是将输入调频波变换为等幅方波。,（限幅器作用动画）,1、二极管限幅器,图5.6.8所示电路为150 MHz晶体管调频接收机中的限幅器
6、。信号频率（中频）,二极管限幅器属于瞬时双向限幅电路。,图5.6.8 150 MHz晶体管调频接收机中的限幅器,器，当信号电平小于0.5 V时，二极管基本不导通，对回路影响很小，但当信号电压大于0.5V时，二极管导通，信号被二极管旁路，所以输出电压被限制在峰一峰值,上。,图5.6.8 150 MHz晶体管调频接收机中的限幅器,2、晶体管限幅器晶体管限幅器电路如图5.6.9所示，从形式上看，它和一般调谐放大器没有什么区别，只是作为限幅使用，工作点的设计应使放大器的线性范围小，使得调频信号正半周时的寄生调幅部分进入饱和区。而负半周时的寄生调幅部分进入截止区，从而消除寄生调幅。如图5.6.10中负载
7、线所示。,图5.6.9 晶体管限幅器电路,图5.6.10 谐振功率放大器的限幅特性,图5.6.11 差分对管限幅器 （a） 限幅电路 （b） 限幅特性,3、差分对管限幅器 差分对管限幅器由单端输入单端输出的差分放大器组成，如图5.6.11（a）所示，其电流传输特性如图（b）所示。显然具有明显的双向限幅的作用。,幅度的方波，因而其中包含的基波分量振幅也基本恒定。通过谐振于基频的LC并联谐振回路，可在输出端得到已限幅的调频波。,波形的上、下端被,当输入调频信号,5.6.2 斜率鉴频器,一失谐回路斜率鉴频器,图5.6.12 单失谐回路斜率鉴频器,图5.6.12所示电路为单失谐回路斜率鉴频器，由LC并
8、联回路构成线性频幅转换网络，二极管D与RC构成包络检波器。下面定性讨论LC并联回路的频幅转换特性。,1、单失谐回路斜率鉴频器原理,（并联LC回路的频幅转换特性动画）,（1）LC并联回路的频幅转换特性,令,则,式中,显然， 为频率的函数。,由此可以得到LC并联回路传输特性的幅频特性，如图5.6.13（a）所示。,（2）LC并联回路传输特性,图5.6.13 单失谐回路的工作波形,（单失谐回路斜率鉴频原理动画）,，回路谐振。,此时,鉴频灵敏度。,所以,显然，谐振回路两端的信号电压 的包络反映,了瞬时频率的变化规律。单失谐回路斜率鉴频器的工作波形如图5.6.14所示。,图5.6.14 单失谐回路斜率鉴
9、频器的工作波形,单失谐回路斜率鉴频器电路简单，但由于并联谐振回路幅频特性曲线两边倾斜部分不是理想直线，因此在频率幅度变换中会造成非线性失真，即线性鉴频范围较小。,为了扩大线性鉴频范围，用两个特性完全相同的单失谐回路斜率鉴频构成。如图5.6.15所示。,上，下面回路谐振在,上，,双失谐回路斜率鉴频器又称为平衡斜率鉴频器。,2、双失谐回路斜率鉴频器,其中，上面回路谐振在,图5.6.15 双失谐回路斜率鉴频器,认为上、下两包络检波器的检波电压传输系数均为,则双失谐回路斜率鉴频器的输出电压为：,，,它们各自失谐在调频波中心频率（载波）,回路的幅频特性相减后的合成特性，如图5.6.16（a）所示。由图可
10、见，合成鉴频特性曲线形状除了与两回路的幅频特性曲线形状有关外，主要取决于,的,配置。,图5.6.16 双失谐回路斜率鉴频器鉴频特性曲线,（双失谐回路斜率鉴频原理动画）,附近出现弯曲，如图5.6.16(b)所示；过小时，合成的鉴频特性曲线线性范围就不能有效扩展。,图5.6.16 双失谐回路斜率鉴频器鉴频特性曲线,图5.6.17是微波通信接受机中采用的平衡鉴频器的电路实例。,图5.6.17 实用双失谐回路斜率鉴频器,调频信号的载频频率35MHz，回路和分别调谐于30MHz和40MHz。,电路中有三个谐振回路，回路调谐于输入,由于3个回路的谐振频率互不相同，为了减小相互之间的影响，便于调整，该电路没
11、有采用互感耦合的方法，而是由两个共基放大器连接，两个共基放大器不仅可使3个回路相互隔离，而且不影响信号的传输。,二、差分峰值斜率鉴频器,在集成电路中，广泛采用的斜率鉴频电路如图5.6.18所示的差分峰值斜率鉴频器。,图5.6.18 集成电路中采用的斜率鉴频器,C3和T4、C4组成的三极管射极包络检波器上，检波器的输出解调电压由差分放大器T5和T6放大后作为鉴频器的输出电压 。,设,为,回路的电抗 。,回路的谐振角频率,为,，,的电抗曲线如图5.6.19所示。,图5.6.19 线性网络的电抗曲线,后的谐振角频率。,图5.6.20 鉴频特性曲线,要由 决定。,很小。如图5.6.20所示。,关系时，
12、解调输出电压与调频信号瞬时频偏之间有下列关系成立,式中k是差分峰值鉴频器的增益。,显然，调整,的鉴频灵敏度、线性范围、中心频率以及上、下曲线的对称性等。通常情况下固定,，调整L。,由于差分峰值斜率鉴频器具有良好的鉴频特性，鉴频线性范围可达300kHz，因此在集成电路中得到了广泛的应用。,可以改变鉴频器特性曲线,5.6.3 相位鉴频器,由图（5.6.3）知，构成相位鉴频器的框图中包含两部分，一是鉴相器，二是能够实现频相变换的线性网络。,一鉴相器,鉴相器即相位检波器，其功能是检测出两个信号之间的相位差，并将该相位差转换为相应的电压。鉴相器有乘积型和叠加型两种电路形式。,乘积型鉴相器由模拟相乘器和低
13、通滤波器构成，如图5.6.21所示。,图5.6.21 乘积型鉴相器,1、乘积型鉴相器,设鉴相器的两个输入信号分别为：,的固定相移。,不同，鉴相器的工作特点各不相同。,相乘器的输出电压为,电压为：,成正比，作出的关系曲线即为鉴相器的鉴相特性曲线。,如图5.6.22所示。这是一条正弦曲线，称之为正弦鉴相特性。,图5.6.22 正弦鉴相特性,此式说明：乘积型鉴相器在输入信号均为小信号的情况下，只有当,时，才能够实现线性鉴相。,单位为 。,此时，当鉴相器的输入为调相信号，即,时，得到的鉴相器的解调输出电压,实现了对调相波的线性解调。,为大信号时，,控制相乘器使之工作在开关状态，输出,电压为,通过低通滤
14、波器滤除高频分量得到的输出为,鉴相特性仍为正弦特性。,由图可见，当,图5.6.23示出了两个开关信号相乘后的波形。,等宽的双向脉冲，且频率加倍，如图（a）所示，因而相应的平均分量为零。,时，相乘后的波形为上、下,图5.6.23 两个开关波形相乘后的波形,宽的双向脉冲，如图(b）所示，因而在,的范围内，经过低通滤波器，取出的平均分量,（即解调输出）为,相乘后的波形为上、下不等,图5.6.24 三角形鉴相特性,相应的鉴相特性曲线如图5.6.24所示，在,范围内为一条通过原点的直线，并向两侧周期性重复。,这种鉴相器是比较两个开关波形的相位差而获得所需的鉴相电压，因而又将它称为符合门鉴相器。,2、叠加
15、型鉴相器,将两个输入信号叠加后加到包络检波器而构成的鉴相器称为叠加型鉴相器。为了扩展线性鉴相范围，一般都采用两个包络检波器组成的平衡电路，如图5.6.25所示。,图5.6.25 叠加型鉴相器,由图可见，加到上、下两包络检波器的输入信号电压分别为：,假设,超前 一个 的相角。此时可用矢量表示为,式中， 和 分别为合成矢量 和 的长度。,根据矢量叠加原理，可以得到图5.6.26所示的矢量图，,显然，当 时，合成矢量长度,当 时，合成矢量长度,当 时，合成矢量长度,所以,综上可知，叠加型平衡鉴相器能将两个输入信号的相位差的变化变换为输出电压,才具有线性鉴相特性。,的变化，实现了鉴相功能。,可以证明，
16、其鉴相特性也具有图5.6.22所示的形式，即具有正弦鉴相特性，且只有当,比较小时，,目前广泛采用的是C1和RLC单谐振回路或耦合回路构成的频率相位变换网络。,1、C1和RLC单谐振回路的频相转换特性,路两端的输出电压为,，则回路的电压传输特性为,二频率相位变换网络,5.6.27 C1和RLC单谐振回路频相转换网络,在失谐不大的情况下，上式可以表示为为：,式中,代入上式并整理得,式中,为广义失谐量。,为相频特性,由此画出的幅频特性和相频特性曲线如图5.6.28所示。,图5.6.28 C1和RLC单谐 振回路的频率特性,于是,近似为常量。由于,实现了不失真的频率相位变换功能。,对于单频率调制的FM
17、信号,当,时，,其瞬时相位,瞬时角频率,输出信号的相位：,所以，,相信号。,2、耦合回路频相变换网络,图5.6.29 互感耦合回路频相变换网络,耦合回路频相变换网络有互感耦合回路和电容耦合回路两种形式，这里仅介绍互感耦合回路的频率相位变化特性。,图5.6.29（a）为互感耦合回路频相变换网络。,图中，设初、次级回路参数相同，即,为使分析简单，先作几个合乎实际的假定：, 初、次级回路的品质因数均较高；, 初、次级回路之间的互感耦合比较弱；,也保持恒定。, 在耦合回路通频带范围内，当 保持恒定，,于是可以近似地得到图（b）所示的等效电路，图中,式中，正、负号取决于初、次级线圈的绕向。,现在假设线圈
18、的绕向使该式取负号。所以,回路中产生的电流,式中，,由等效电路图5.6.29（b）可知，串联电动势,在次级,由此可得耦合回路的电压传输函数为,式中,为幅频特性,为相频特性,由此画出的幅频特性、相频特性曲线如图5.6.30所示。,相转换的功能。,化，只是这种变化可以通过限幅器限幅掉。,三相位鉴频电路,例如电视接收机伴音的集成电路是采用双差分对相乘器实现鉴频的，乘积型相位鉴频器的实现电路如图5.6.32所示。,根据鉴相器的不同，相位鉴频器分为乘积型和叠加型两种。,1、乘积型相位鉴频器,乘积型相位鉴频器又称为集成差分峰值鉴频器，或正交移相型鉴频器。,图5.6.32 乘积型相位鉴频器的实用电路,设,即
19、,对电路中，在满足线性输入条件下，其单端输出电流为,得到的输出电压为,经过低通滤波器后，设LF增益为1，则输出为：,式中,得到的鉴频特性曲线如图5.6.33所示。,频相转移网络的幅,频特性。而对FM波，,，实现了线,性解调。,图5.6.33 鉴频特性曲线,图5.6.34所示为单片集成模拟相乘器 BG314构成的相位鉴频电路。电路中晶体管T是射随器作为隔离级，C1、RLC构成线性移相网络作为负载。运算放大器A做为双端输出转单端输出电路，R11、C3组成低通滤波器。,图 5.6.34 单片集成模拟相乘器 BG314构成的相位鉴频电路,图5.6.35所示为常用的叠加型相位鉴频器电路，称为互感耦合相位鉴频器。图中 L1、C1和 L2、C2均调谐在调频信号的中心频率,上，并构成互感耦合双,2、叠加型相位鉴频器,调谐回路，实现频相转换。,图5.6.35 叠加型相位鉴频器,很大，近似开路，但对低频信号阻抗很小，近似短路。初级回路电压,D1、C3、R1及D2、C4、R2构成两个包络检波电路。,显然与图5.6.25完全相同。,图5.6.36 图5.6.35的等效电路,因此，图5.6.35可以等效为图5.6.36。,由图5.6.36看出，加到两个二极管包络检波器上的输入电压分别为,
