7.4鉴频器与鉴频方法(精)

1) 乘积型相位鉴频法
利用乘积型鉴相器实现鉴频的方法称为乘积型相位鉴频 法或积分鉴频法。在乘积型相位鉴频器中，线性相移网络通 常是单谐振回路或耦合回路，而相位检波器为乘积型鉴相器。
产生附加相移 变成FM-PM波 完成鉴相
输入调频信号 us=U1cos(ωct+mfsinΩt)， 经移相网络移相后的信号为 u’s=U2cos(ωct+mfsinΩt+)，
7.4
鉴频器与鉴频方法
7.4.1
鉴频器
调角波的解调就是从调角波中恢复出原调制信号的过程。 调频波的解调电路称为频率检波器或鉴频器(FD)，调相波的 解调电路称为相位检波器或鉴相器(PD)。 鉴频是把调频信号的频率(t)=C+(t)与载波频率C 比较，得到频差(t)，从而实现频率检波。
相位差的函数，即 uo f 2 ( t ) 1 ( t )
把它们同时加于鉴相器，鉴相器的输出电压uo是瞬时
在线性鉴相时，uo与输入相位差e(t)=2(t)−1(t)成正 比。在鉴相时，u1常为输入调相波，其中1(t)为反映调相 波的相位随调制信号规律变化的时间函数，u2为参考信号。 在相位鉴频时，u1常为输入调频波，u2是u1通过移相网络 后的信号。 相位检波器有叠加型和乘积型之分，相应的相位鉴频 器分别称为叠加型相位鉴频器和乘积型相位鉴频器。
为了抵消直流项，扩大线性鉴频范围，它通常采用平衡 式电路，差动输出。具有线性的频相转换特性的变换电路一 般由耦合回路来实现，因此也称为耦合回路相位鉴频法。耦 合回路的初、次级电压间的相位差随输入调频信号瞬时频率 变化。
U2 U2 uo kdU1 1 sin k U 1 sin 2kdU 2 sin d 1 U1 U1
3. 直接脉冲计数式鉴频法
调频信号的信息寄托在已调波的频率上。信号频率就是 信号电压或电流波形单位时间内过零点的次数。对于脉冲或 数字信号，信号频率就是信号脉冲的个数。基于这种原理的 鉴频器称为零交点鉴频器或脉冲计数式鉴频器。
它是先将输入调频信号通过具有合适特性的非线性变换 网络(频率-电压变换)，使它变换为调频脉冲序列。由于该脉 冲序列含有反映瞬时频率变化的平均分量，因而，将该调频 脉冲序列直接计数就可得到反映瞬时频率变化的解调电压， 或者通过低通滤波器的平滑而得到反映瞬时频率变化的平均 分量的输出解调电压。
U2 U1 U ( t ) U2 1 sin t 或 U ( t ) U 1 sin t e 1 e U U1 2
设： 2 1 ，则：
U1 cosc t 1 U 2 cos us us t c 2 2 U1 cosc tcos 1 sinc tsin 1 U 2 cosc tsin 2 sinc tcos 2 U1cos 1 U 2 sin 2 cosc t U1 sin 1 U 2 cos 2 sinc t Ucosc t
2) 斜率鉴频法
利用调谐回路幅频特性倾斜部分对FM波解调的方法 称为斜率鉴频。由于在斜率鉴频电路中，利用的是调谐 回路的失谐状态，因此又称失谐回路法。
单失谐回路斜率鉴频器
双失谐斜率鉴频器
2. 相位鉴频法
相位鉴频法是将等幅的调频信号变成相位也随瞬时频率 变化的、既调频又调相的FM-PM波，再把它和原来输入的 调频信号一起加到鉴相器上，通过鉴相器解调此调频信号。
其中 π arctan( 2Q0 Δf/f0 ) 2
设乘法器的乘积因子为K，则经过相乘器后的输出电压为：
kus us KU1U2 2 cos 2 t 2m sin t cos f c 2 2
jMI MU E 2 1 1 L
I 2
M 1 L r j L r C
E 2
U 1 1 j L C U 1
－ 1 I j 1 M U 2 2 jC C L
1 r j L C
② 鉴频范围Bm：通常用峰值带宽Bm 来近似衡量鉴频特性线性区宽度， 它指的是鉴频特性曲线左右两个 最大值±uomax间对应的频率间隔。 在这个范围内，要求应该有比较 好的线性。因此要想解调失真小， 应满足：Bm＞2Δfm。 ③ 鉴频跨导SD：鉴频特性在载频处的斜率，表示的是单位频 偏所能产生的解调输出电压。鉴频跨导又叫鉴频灵敏度， 用公式表示为：
2) 叠加型相位鉴频法
利用叠加型鉴相器实现鉴频的方法称为叠加型相位鉴频 法。对于叠加型鉴相器，就是先将u1和u2相加，把两者的相 位差的变化转换为合成信号的振幅变化，即变成FM-PMAM信号，然后用包络检波器检出其振幅变化，从而达到鉴 相的目的。 当U1和U2相差很大时，如U2>>U1或U1>>U2，采用与同 步检波器相同的分析方法可得，鉴相器输出为upd=kdU(t)，
再经过低通滤波器后的输出电压为：
KU1U 2 2Q0 Δf uo sin arctan 2 f0
KU1U 2Q0 f 当 1时 ，u0 f0 f0
可见鉴频器输出与输入信号的频偏成正比。
f
这种电路既可以实现鉴频，也可以实现鉴相。通常情况 下，其中的乘法器采用集成模拟乘法器或(双)平衡调制器实 现。当两输入信号幅度都很大时，由于乘法器内部的限幅作 用，鉴相特性趋近于三角形。
相位鉴频法的关键是相位检波器。相位检波器或鉴相器 就是用来检出两个信号之间的相位差，完成相位差-电压变 换作用的部件或电路。
设输入鉴相器的两个信号分别为
u1 U1 cosc t 1 ( t )
π u2 U2 cosc t 2 ( t ) U2 sinc t 2 ( t ) 2
特点：线性度高，最大频偏大，便于集成，加分频器后可以提 高工作频率。
7.5
鉴频电路
7.5.1 叠加型相位鉴频电路
1. 互感耦合相位鉴频器
互感耦合相位鉴频器的工作原理可分为移相网络的频 率—相位变换，加法器的相位—幅度变换和包络检波器的 差动检波三个过程。
1) 频率—相位变换
I 1 U U 1 1 r jL Z f jL
鉴频器的工作原理是先将频率变化的调频波转换成与音频 信号相应的幅度变化的调频-调幅波，再经过幅度检波，检 出音频信号。
2. 鉴频器的主要技术指标
描述鉴频方法的质量好坏的指标主要有：
① 鉴频特性：表示为输出电压uo与瞬时频率f 或频偏Δf 之间 的关系曲线，称为鉴频特性曲线。在线性解调的理想情况 下，此曲线为一直线，但实际往往有弯曲，呈“S”形，简 称“S”曲线。
4) 回路参数的选择
鉴频特性与耦合因子A有很大关系。因为A=KQ，所以 改变K和Q都会使鉴频特性发生改变。
鉴频特性的一般表达式：
uo Kd Re I 4 2 A 4 2 A
2 2
2 12
Kd Re If , A
它表明输出电压与耦合系数和频率都有关系。
特点： • 是ξ的奇函数； • 约在ξ=A处出现最大值； • A较小时，耦合很弱，但 鉴品频跨导高。反之，A 较大时，耦合很强，但鉴 品频跨导小； • A>3后，线性变坏，因此 一般取A在1.53。 鉴频跨导SD与耦合因数A有关，而A=KQ，故存在两种情况：
U1 cos1 U 2 sin 2 2 U1 sin1 U 2 cos 2 2 2 2 U 12 U 2 2U1U 2 sin 1 2 U 12 U 2 2U1U 2 sin
2
U 2 U 1
U1 U1 U1 U2 1 2 sin U 1 sin 2 U U2 U2 2
2) 相位—幅度变换
U ＝U ＋ 2 U Ｄ1 1 2
U ＝U － 2 U Ｄ2 1 2
U ＝U ＋ 2 U Ｄ1 1 2
U ＝U － 2 U Ｄ2 1 2
与U 合成矢量的幅度随 U 2 1
① f =f0=fc时，UD1=UD2;
② f >f0=fc时，UD1>UD2，随着 f 的增加，两者差值将加大；
arctan arctan2Qf f
与U 之间的幅值和相位关系都将随输入信号的频率变 U 2 1 与U 之间的相位差为 π/2－ 。 化。 U 2 1 与U 之间的相位差为 当f = f0 = fc 时，次级回路谐振，U 2 1 与U 之间的相位 /2；当 f > f0 = fc 时，次级回路呈感性， U 2 1 与U 之间 差为0/2；当 f < f0 = fc 时，次级回路呈容性，U 2 1 与U 间的相 U 的相位差为/2。可见，在一定频率范围内， 2 1 位差与频率之间具有线性关系。因而互感耦合回路可以作为 线性相移网络，其中固定相差/2是由互感形成的。
1. 振幅鉴频法
振幅鉴频法是将等幅的调频信号变换成振幅也随瞬时频 率变化、既调频又调幅的FM-AM波，再通过包络检波器解 调此调频信号。变换电路应该是具有线性频率−电压转换特 性的线性网络，称为频率−
实现频率-
1) 直接时域微分法
设调制信号为uΩ=f(t)，调频波为
t uFM ( t ) U cos c t kf f ( )d 0
U
U1 cos1 U 2 sin 2 2 U1 sin1 U 2 cos 2 2 2 2 U 12 U 2 2U1U 2 sin 1 2 U 12 U 2 2U1U 2 sin
2
U 1 U 2
U2 U2 U2 U1 1 2 sin U 1 sin 1 U U1 U1 1 U
t duFM ( t ) u U c kf f ( t ) sin c t kf f ( )d 0 dt
电压u的振幅与瞬时频率ω(t)=ωc+kff(t)成正比。由于ωc远 大于频偏，包络不会出现负值。经包络检波后可得到原调制 信号。这种鉴频器由微分网络和包络检波器两部分组成。
③ f <f0=fc时，UD1<UD2，随着 f 的增加，两者差值也将加大。
3) 检波输出
设两个包络检波器的检波系数为Kd
则两个包络检波器的输出分别为uo1=KdUD1、uo2=KdUD2 鉴频器的输出电压为uo=uo1－uo2=Kd(UD1－UD2) 当f = f0时，u0=0；当f > f0时，u0>0；当f < f0时，u0<0。
duo SD df
f fc
duo dΔf
Δf 0
鉴频跨导也可以理解为鉴频器将输入频率转换为输出电 压的能力或效率，因此，鉴频跨导又可以称为鉴频效率。
7.4.2
鉴频方法
从FM波中还原调制信号的方法很多，概括起来可分为直 接鉴频法和间接鉴频法两种。 直接鉴频法，就是直接从调频信号的频率中提取原来调 制信号的方法。 间接鉴频法，就是对调频信号进行不同的变换或处理从 而间接地恢复原来调制信号的方法。 就鉴频器的工作原理而言，其各种实现方法都是将输入 调频波进行特定的波形变换，使变换后的波形包含反映瞬时 频率变化的平均分量，然后通过低通滤波器取出所需解调电 压。根据波形变换的不同特点，鉴频方法可归纳为振幅鉴频 法和相位鉴频法两种。