鑒頻器與鑒頻方法

1、7.4 鑒頻器與鑒頻方法調角波的解調就是從調角波中恢復出原調制信號的過程。調角波的解調就是從調角波中恢復出原調制信號的過程。調頻波的解調電路稱為頻率檢波器或鑒頻器調頻波的解調電路稱為頻率檢波器或鑒頻器(FD)，調相波的，調相波的解調電路稱為相位檢波器或鑒相器解調電路稱為相位檢波器或鑒相器(PD)。7.4.1 鑒頻器鑒頻是把調頻信號的頻率鑒頻是把調頻信號的頻率 (t)= C+(t)與載波頻率與載波頻率 C比較，得到頻差比較，得到頻差(t)，從而實現(xiàn)頻率檢波。，從而實現(xiàn)頻率檢波。 鑒頻器的工作原理是先將頻率變化的調頻波轉換成與音頻鑒頻器的工作原理是先將頻率變化的調頻波轉換成與音頻信號相應的幅度變化

2、的調頻信號相應的幅度變化的調頻-調幅波，再經過幅度檢波，檢調幅波，再經過幅度檢波，檢出音頻信號。出音頻信號。描述鑒頻方法的質量好壞的指標主要有：描述鑒頻方法的質量好壞的指標主要有：鑒頻特性：表示為輸出電壓鑒頻特性：表示為輸出電壓uo與瞬時頻率與瞬時頻率f 或頻偏或頻偏f 之間之間的關系曲線，稱為鑒頻特性曲線。在線性解調的理想情況的關系曲線，稱為鑒頻特性曲線。在線性解調的理想情況下，此曲線為一直線，但實際往往有彎曲，呈下，此曲線為一直線，但實際往往有彎曲，呈“S”形，簡形，簡稱稱“S”曲線。曲線。2. 鑒頻器的主要技術指標 鑒頻跨導鑒頻跨導SD：鑒頻特性在載頻處的斜率，表示的是單位頻：鑒頻特性在

3、載頻處的斜率，表示的是單位頻偏所能產生的解調輸出電壓。鑒頻跨導又叫鑒頻靈敏度，偏所能產生的解調輸出電壓。鑒頻跨導又叫鑒頻靈敏度，用公式表示為：用公式表示為：0ooDddddc ffffufuS 鑒頻跨導也可以理解為鑒頻器將輸入頻率轉換為輸出電鑒頻跨導也可以理解為鑒頻器將輸入頻率轉換為輸出電壓的能力或效率，因此，鑒頻跨導又可以稱為鑒頻效率。壓的能力或效率，因此，鑒頻跨導又可以稱為鑒頻效率。 鑒頻范圍鑒頻范圍Bm：通常用峰值帶寬：通常用峰值帶寬Bm來近似衡量鑒頻特性線性區(qū)寬度，來近似衡量鑒頻特性線性區(qū)寬度，它指的是鑒頻特性曲線左右兩個它指的是鑒頻特性曲線左右兩個最大值最大值uomax間對應的頻率間

4、隔。間對應的頻率間隔。在這個范圍內，要求應該有比較在這個范圍內，要求應該有比較好的線性。因此要想解調失真小，好的線性。因此要想解調失真小，應滿足：應滿足：Bm2fm。從從FMFM波中還原調制信號的方法很多，概括起來可分為直波中還原調制信號的方法很多，概括起來可分為直接鑒頻法和間接鑒頻法兩種。接鑒頻法和間接鑒頻法兩種。 直接鑒頻法直接鑒頻法，就是直接從調頻信號的頻率中提取原來調，就是直接從調頻信號的頻率中提取原來調制信號的方法。制信號的方法。 間接鑒頻法間接鑒頻法，就是對調頻信號進行不同的變換或處理從，就是對調頻信號進行不同的變換或處理從而間接地恢復原來調制信號的方法。而間接地恢復原來調制信號的

5、方法。7.4.2 鑒頻方法就鑒頻器的工作原理而言，其各種實現(xiàn)方法都是將輸入就鑒頻器的工作原理而言，其各種實現(xiàn)方法都是將輸入調頻波進行特定的波形變換，使變換后的波形包含反映瞬時調頻波進行特定的波形變換，使變換后的波形包含反映瞬時頻率變化的平均分量，然后通過低通濾波器取出所需解調電頻率變化的平均分量，然后通過低通濾波器取出所需解調電壓。根據(jù)波形變換的不同特點，鑒頻方法可歸納為振幅鑒頻壓。根據(jù)波形變換的不同特點，鑒頻方法可歸納為振幅鑒頻法和相位鑒頻法兩種。法和相位鑒頻法兩種。振幅鑒頻法是將等幅的調頻信號變換成振幅也隨瞬時頻振幅鑒頻法是將等幅的調頻信號變換成振幅也隨瞬時頻率變化、既調頻又調幅的率變化、

6、既調頻又調幅的FM-AM波，再通過包絡檢波器解波，再通過包絡檢波器解調此調頻信號。變換電路應該是具有線性頻率調此調頻信號。變換電路應該是具有線性頻率電壓轉換特電壓轉換特性的線性網絡，稱為頻率性的線性網絡，稱為頻率振幅變換網絡。振幅變換網絡。1. 振幅鑒頻法實現(xiàn)頻率實現(xiàn)頻率- -振幅變換的方法有以下幾種。振幅變換的方法有以下幾種。設調制信號為設調制信號為u=f(t)，調頻波為，調頻波為 td)(fktcosU)t (u0fcFM td)(fktsin)t (fkUt)t (uu0fcfcFMdd 1) 直接時域微分法 電壓電壓u的振幅與瞬時頻率的振幅與瞬時頻率(t)=c+kff(t)成正比。由于

7、成正比。由于c遠遠大于頻偏，包絡不會出現(xiàn)負值。經包絡檢波后可得到原調制大于頻偏，包絡不會出現(xiàn)負值。經包絡檢波后可得到原調制信號。這種鑒頻器由微分網絡和包絡檢波器兩部分組成。信號。這種鑒頻器由微分網絡和包絡檢波器兩部分組成。2) 斜率鑒頻法利用調諧回路幅頻特性傾斜部分對利用調諧回路幅頻特性傾斜部分對FM波解調的方法波解調的方法稱為斜率鑒頻。由于在斜率鑒頻電路中，利用的是調諧稱為斜率鑒頻。由于在斜率鑒頻電路中，利用的是調諧回路的失諧狀態(tài)，因此又稱失諧回路法?；芈返氖еC狀態(tài)，因此又稱失諧回路法。單失諧回路斜率鑒頻器雙失諧斜率鑒頻器相位鑒頻法是將等幅的調頻信號變成相位也隨瞬時頻率相位鑒頻法是將等幅的調

8、頻信號變成相位也隨瞬時頻率變化的、既調頻又調相的變化的、既調頻又調相的FM-PM波，再把它和原來輸入的波，再把它和原來輸入的調頻信號一起加到鑒相器上，通過鑒相器解調此調頻信號。調頻信號一起加到鑒相器上，通過鑒相器解調此調頻信號。2. 相位鑒頻法相位鑒頻法的關鍵是相位檢波器。相位檢波器或鑒相器相位鑒頻法的關鍵是相位檢波器。相位檢波器或鑒相器就是用來檢出兩個信號之間的相位差，完成相位差就是用來檢出兩個信號之間的相位差，完成相位差- -電壓變電壓變換作用的部件或電路。換作用的部件或電路。設輸入鑒相器的兩個信號分別為設輸入鑒相器的兩個信號分別為 )t (tsinU)t (tcosUu2c22c222

9、)t (tcosUu1c11 在線性鑒相時，在線性鑒相時，uo與輸入相位差與輸入相位差 e(t)= 2(t) 1(t)成正成正比。在鑒相時，比。在鑒相時，u1常為輸入調相波，其中常為輸入調相波，其中 1(t)為反映調相為反映調相波的相位隨調制信號規(guī)律變化的時間函數(shù)，波的相位隨調制信號規(guī)律變化的時間函數(shù)，u2為參考信號。為參考信號。在相位鑒頻時，在相位鑒頻時，u1常為輸入調頻波，常為輸入調頻波，u2是是u1通過移相網絡通過移相網絡后的信號。后的信號。相位檢波器有疊加型和乘積型之分，相應的相位鑒頻相位檢波器有疊加型和乘積型之分，相應的相位鑒頻器分別稱為疊加型相位鑒頻器和乘積型相位鑒頻器。器分別稱為

10、疊加型相位鑒頻器和乘積型相位鑒頻器。把它們同時加于鑒相器，鑒相器的輸出電壓把它們同時加于鑒相器，鑒相器的輸出電壓uo是瞬時是瞬時相位差的函數(shù)，即相位差的函數(shù)，即 )t ()t (fu12o 利用乘積型鑒相器實現(xiàn)鑒頻的方法稱為乘積型相位鑒頻利用乘積型鑒相器實現(xiàn)鑒頻的方法稱為乘積型相位鑒頻法或積分鑒頻法。在乘積型相位鑒頻器中，線性相移網絡通法或積分鑒頻法。在乘積型相位鑒頻器中，線性相移網絡通常是單諧振回路或耦合回路，而相位檢波器為乘積型鑒相器。常是單諧振回路或耦合回路，而相位檢波器為乘積型鑒相器。1) 乘積型相位鑒頻法)f / fQ2arctan(200 其中其中輸入調頻信號輸入調頻信號 us=U

11、1cos(ct+mfsint)，經移相網絡移相后的信號為經移相網絡移相后的信號為 us=U2cos(ct+mfsint+ )，產生附加相移產生附加相移變成變成FM-PMFM-PM波波完成鑒相完成鑒相設乘法器的乘積因子為設乘法器的乘積因子為K，則經過相乘器后的輸出電壓為：，則經過相乘器后的輸出電壓為： 0021offQ2arctansin2UKUu可見鑒頻器輸出與輸入信號的頻偏成正比?？梢婅b頻器輸出與輸入信號的頻偏成正比。這種電路既可以實現(xiàn)鑒頻，也可以實現(xiàn)鑒相。通常情況這種電路既可以實現(xiàn)鑒頻，也可以實現(xiàn)鑒相。通常情況下，其中的乘法器采用集成模擬乘法器或下，其中的乘法器采用集成模擬乘法器或( (雙

12、雙) )平衡調制器實平衡調制器實現(xiàn)。當兩輸入信號幅度都很大時，由于乘法器內部的限幅作現(xiàn)。當兩輸入信號幅度都很大時，由于乘法器內部的限幅作用，鑒相特性趨近于三角形。用，鑒相特性趨近于三角形。002100ffQUKUu1ff 時，時，當當 2cos2tsin2mt2cos2UKUuukfc21ss再經過低通濾波器后的輸出電壓為：再經過低通濾波器后的輸出電壓為：利用疊加型鑒相器實現(xiàn)鑒頻的方法稱為疊加型相位鑒頻利用疊加型鑒相器實現(xiàn)鑒頻的方法稱為疊加型相位鑒頻法。對于疊加型鑒相器，就是先將法。對于疊加型鑒相器，就是先將u1和和u2相加，把兩者的相相加，把兩者的相位差的變化轉換為合成信號的振幅變化，即變成

13、位差的變化轉換為合成信號的振幅變化，即變成FM-PM-AM信號，然后用包絡檢波器檢出其振幅變化，從而達到鑒信號，然后用包絡檢波器檢出其振幅變化，從而達到鑒相的目的。相的目的。 當當U1和和U2相差很大時，如相差很大時，如U2U1或或U1U2，采用與同，采用與同步檢波器相同的分析方法可得，鑒相器輸出為步檢波器相同的分析方法可得，鑒相器輸出為upd=kdU(t)， tsinUU1U)t (UtsinUU1U)t (Ue121e212 或或2) 疊加型相位鑒頻法 tUcostsincosUsinUtcossinUcosUtcossintsincosUtsinsintcoscosUtcosUtcosU

14、uucc2211c22112c2c21c1c1ccss22211 sinUU1UsinUU2UU1UsinU2UUUsinU2UUUcosUsinUsinUcosUU121122121UU21222121212221222122112211 sinUU1UsinUU2UU1UsinU2UUUsinU2UUUcosUsinUsinUcosUU212212212UU21222121212221221222112211，則：，則：設：設： 12為了抵消直流項，擴大線性鑒頻范圍，它通常采用平衡為了抵消直流項，擴大線性鑒頻范圍，它通常采用平衡式電路，差動輸出。具有線性的頻相轉換特性的變換電路一式電路，差

15、動輸出。具有線性的頻相轉換特性的變換電路一般由耦合回路來實現(xiàn)，因此也稱為耦合回路相位鑒頻法。耦般由耦合回路來實現(xiàn)，因此也稱為耦合回路相位鑒頻法。耦合回路的初、次級電壓間的相位差隨輸入調頻信號瞬時頻率合回路的初、次級電壓間的相位差隨輸入調頻信號瞬時頻率變化。變化。 sinU2ksinUU1UksinUU1Uku2d121d121do 調頻信號的信息寄托在已調波的頻率上。信號頻率就是調頻信號的信息寄托在已調波的頻率上。信號頻率就是信號電壓或電流波形單位時間內過零點的次數(shù)。對于脈沖或信號電壓或電流波形單位時間內過零點的次數(shù)。對于脈沖或數(shù)字信號，信號頻率就是信號脈沖的個數(shù)。基于這種原理的數(shù)字信號，信號

16、頻率就是信號脈沖的個數(shù)。基于這種原理的鑒頻器稱為零交點鑒頻器或脈沖計數(shù)式鑒頻器。鑒頻器稱為零交點鑒頻器或脈沖計數(shù)式鑒頻器。 它是先將輸入調頻信號通過具有合適特性的非線性變換它是先將輸入調頻信號通過具有合適特性的非線性變換網絡網絡( (頻率頻率- -電壓變換電壓變換) )，使它變換為調頻脈沖序列。由于該脈，使它變換為調頻脈沖序列。由于該脈沖序列含有反映瞬時頻率變化的平均分量，因而，將該調頻沖序列含有反映瞬時頻率變化的平均分量，因而，將該調頻脈沖序列直接計數(shù)就可得到反映瞬時頻率變化的解調電壓，脈沖序列直接計數(shù)就可得到反映瞬時頻率變化的解調電壓，或者通過低通濾波器的平滑而得到反映瞬時頻率變化的平均或

17、者通過低通濾波器的平滑而得到反映瞬時頻率變化的平均分量的輸出解調電壓。分量的輸出解調電壓。3. 直接脈沖計數(shù)式鑒頻法特點：特點：線性度高，最大頻偏大，便于集成，加分頻器后可以提線性度高，最大頻偏大，便于集成，加分頻器后可以提高工作頻率。高工作頻率。7.5 鑒頻電路7.5.1 疊加型相位鑒頻電路1. 互感耦合相位鑒頻器互感耦合相位鑒頻器的工作原理可分為移相網絡的頻互感耦合相位鑒頻器的工作原理可分為移相網絡的頻率率相位變換，加法器的相位相位變換，加法器的相位幅度變換和包絡檢波器的幅度變換和包絡檢波器的差動檢波三個過程。差動檢波三個過程。LjUZLjrUIf 111 112ULMIMjE 1) 頻率

18、相位變換 CLjrULMCLjrEI1 1122 CLjrU LM CjICjU1 11122ffarctan2Qarctan 與之間的幅值和相位關系都將隨輸入信號的頻率變與之間的幅值和相位關系都將隨輸入信號的頻率變化。與化。與 之間的相位差為。之間的相位差為。2U1U /22U1U 當當f = f0 = fc 時，次級回路諧振，與之間的相位差為時，次級回路諧振，與之間的相位差為 /2/2；當；當 f f0 = fc 時，次級回路呈感性，與之間的相位時，次級回路呈感性，與之間的相位差為差為0 0/2/2；當；當 f f0=fc時，時，UD1UD2，隨著，隨著 f 的增加，兩者差值將加大；的增加

19、，兩者差值將加大； f f0=fc時，時，UD1 f0時時，u00；當；當f f0時，時，u03后，線性變壞，因此后，線性變壞，因此一般取一般取A在在1.5 3。鑒頻跨導鑒頻跨導SD與耦合因數(shù)與耦合因數(shù)A有關，而有關，而A=KQ，故存在兩種情況：，故存在兩種情況：Cm為兩回路間的耦合電容，其值很小，一般只有幾個皮為兩回路間的耦合電容，其值很小，一般只有幾個皮法至十幾個皮法。除耦合回路外，其它部分均與互感耦合相位法至十幾個皮法。除耦合回路外，其它部分均與互感耦合相位鑒頻器相同。因此，它們有著相同的工作原理。鑒頻器相同。因此，它們有著相同的工作原理。2. 電容耦合相位鑒頻器CC)C4C)(CC(C

20、kmCCmmmm2 耦耦合合系系數(shù)數(shù)： jRZe2 1為：為：設次級回路的并聯(lián)阻抗設次級回路的并聯(lián)阻抗1m2UZCjU24121 j1UAjj1UkQjUj1CQCjUj1RCjU111m1em2 121210 此式與互感耦合電路完全相同，因此，其鑒頻特性與互此式與互感耦合電路完全相同，因此，其鑒頻特性與互感耦合相位鑒頻器相同。感耦合相位鑒頻器相同。 為抑制寄生調幅的影響，相位鑒頻器前必須使用限為抑制寄生調幅的影響，相位鑒頻器前必須使用限幅器。但限幅器要求較大的輸入信號，這必將導致鑒頻幅器。但限幅器要求較大的輸入信號，這必將導致鑒頻器前中放、限幅數(shù)的增加。比例鑒頻器具有自動限幅作器前中放、限幅

21、數(shù)的增加。比例鑒頻器具有自動限幅作用，不僅可以減少前面放大器的級數(shù)，而且可以避免使用，不僅可以減少前面放大器的級數(shù)，而且可以避免使用硬限幅器，因此，比例鑒頻器在調頻廣播接收機及電用硬限幅器，因此，比例鑒頻器在調頻廣播接收機及電視接收機中得到了廣泛的應用。視接收機中得到了廣泛的應用。7.5.2 比例鑒頻器比例鑒頻器是一種類似于疊加型相位鑒頻器，而又具比例鑒頻器是一種類似于疊加型相位鑒頻器，而又具有自限幅能力的鑒頻器。有自限幅能力的鑒頻器。1. 電路兩二極管順接兩二極管順接負載并聯(lián)大電容，負載并聯(lián)大電容，相當一個恒壓源相當一個恒壓源輸出點改變輸出點改變LLc1c2o21RRR2uuuRRR 時時，當當)UU(K21)uu(21uRRD1D2dc1c2oL ，則則：若若2. 工作原理 L120c2L1L22c1L2L11RiiuuRiRR