任务4-6 鉴频与鉴相

任务4-7 鉴频与鉴相4-6-1资讯准备任务描述1．了解鉴频的概念、方法及鉴频的主要技术要求；2．理解各类鉴频电路的组成、工作原理、分析方法及主要特点。

资讯指南导学材料 一、鉴频方法综述调频信号解调又称为频率检波，是从调频波中取出原调制信号，即输出电压与输入信号的瞬时频率偏移成正比，又称为鉴频器，简称鉴频。

它是把调频信号的频率)()(t t c ωωω∆+=与载波频率c ω比较，得到频差)()(t f t m ωω∆=∆，从而实现频率检波。

1．鉴频的方法鉴频的方法很多，其工作原理都是将输入的调频信号进行特定的变换，使变换后的波形包含反映瞬时频率变化的量，再通过低通滤波器滤波就可以得到原调制信号。

常用的鉴频方法有以下几种：(1)斜率鉴频器它先将输入等幅的调频波通过线性网络进行频率-幅度变换，得到振幅随瞬时频率变化的调频波，然后用包络检波器将信号的振幅变化取出来；其输出信号就是原调制信号。

(2)相位鉴频器它先将输入等幅的调频波通过线性网络进行频率-相位变换，得到附加相位随瞬时频率变化的调频波，然后用鉴相器将它的附加相移变化取出来，其输出信号就是原调制信号。

(3)脉冲计数式鉴频器它先将输入等幅的调频波通过非线性变换网络进行波形变换，得到数目与瞬时频率成正比、但幅度和形状相同的调频脉冲序列，然后将信号通过低通滤波器，其输出信号就是原调制信号。

2．鉴频器的主要技术要求鉴频器的输出电压u o随输入调频的瞬时频率f的变化特性称为鉴频特性。

为了实现不失真的解调，u o应与f成线性关系，即鉴频特性曲线应为一条直线。

但是，实际的鉴频特性往往是一条曲线，所以它只能在有限频率范围内实现线性鉴频。

图4-6-1为一典型的鉴频特性曲线，由于该曲线与英文字母“S”相似，故又称为S曲线。

由图可以看出，对应于调频波的中心频率f c，输出电压u o=0；当信号频率向左右偏离时，u o分别为正负值。

图4-6-1 鉴频特性曲线对鉴频器主要技术要求有：(1)鉴频特性为线性鉴频电路输出低频解调电压与输入调频信号瞬时频偏的关系称为鉴频特性，理想的鉴频特性应是线性的。

实际电路的非线性失真应该尽量减小。

(2)鉴频线性范围要宽由于输入调频信号的瞬时频率是在载频附近变化，故鉴频特性曲线位于载频附近，其中线性部分称为鉴频线性范围。

要求其鉴频线性范围足够宽。

(3)鉴频灵敏度要高在鉴频线性范围内，单位频偏产生的解调信号电压的大小称为鉴频灵敏度S d。

S d越大，鉴频效率就越高。

二、鉴频电路1．斜率鉴频器斜率鉴频器是利用频幅转换网络将调频信号转换成调频-调幅信号，然后再经过检波电路取出原调制信号，这种方法称为斜率鉴频，因为在线性解调范围内，解调信号电压与调频信号瞬时频率之间的比值和频幅转换网络特性曲线的斜率成正比。

斜率鉴频的电路模型如图4-6-2所示。

图4-6-2 斜率鉴频器模型在斜率鉴频电路中，频幅转换网络通常采用LC 并联回路或LC 互感耦合回路，检波电路通常采用差分检波电路或二极管包络检波电路。

(1)单失谐回路斜率鉴频器单失谐回路斜率鉴频器电路原理如图4-6-3所示。

图中虚线左边采用简单的并联失谐回路，实际上它起着时域微分器的作用；右边是二极管包络检波器，通过它检出调制信号电压。

图4-6-3 单失谐回路鉴频原理电路当输入调频信号为)sin cos(11t m t U u f c sm s Ω+=ω时，通过起着频幅变换作用的时域微分器(并联失谐回路)后，其输出为)sin sin()cos ( )sin cos(10102t m t t U A t m t dt dU A u f c m c sm f c sm s Ω+Ω∆+-=Ω+=ωωωω (4-6-1)式中，微分器频率特性00)(ωωjA j A =，0A 为电路增益。

然后通过二极管包络检波器，得到需要的调制信号。

所谓单失谐回路，是指该并联回路对输入调频波的中心频率是失谐的。

在应用时，为了获得线性鉴频特性，总是使输入调频波1s u 的载波角频率c ω，工作在LC 并联回路幅频特性曲线上接近于直线段线性部分的中点上，见图4-6-4(a)中O 或O '点。

这样，单失谐回路就可将输入的等幅调频波变换成幅度按频率变化的调频波2s u ，然后通过二极管包络检波器，得到需要的调制信号)(t u Ω，如图4-6-4(b)所示。

图4-6-4 单失谐回路斜率鉴频器由于单失谐回路的幅频特性曲线倾斜部分的线性很差，所以这种鉴频器的非线性失真严重，其线性鉴频范围很窄。

为了扩展线性范围，可采用双失谐回路鉴频器。

(2)双失谐回路鉴频器图4-6-5是双失谐回路鉴频器的原理图。

它是由三个调谐回路组成的调频-调幅变换电路和上下对称的两个振幅检波器组成。

初级回路谐振于调频信号的中心频率，其通带较宽。

次级两个回路的谐振频率分别为01ω、02ω，使01ω、02ω与c ω成对称失谐，即c c ωωωω-=-0201。

图4-6-5 双失谐鉴频器原理图图4-6-6是双失谐回路鉴频器的幅频特性，其中实线表示第一个回路的幅频特性，虚线表示第二个回路的幅频特性，这两个幅频特性对于c ω是对称的。

当输入调频信号的频率为c ω时，两个次级回路输出电压幅度相等，经检波后输出电压为002010=-=u u u 。

图4-6-6 双失谐回路鉴频器的特性当输入调频信号的频率由c ω向升高的方向偏离时，L 2C 2回路输出电压大，而L 1C 1回路输出电压小，则经检波后0201u u <，则002010<-=u u u 。

当输入调频波信号的频率由c ω向降低方向偏离时，L 1C 1回路输出电压大，L 2C 2回路输出电压小，经检波后0201u u >，则002010>-=u u u 。

图4-6-7是某微波通信机采用的双失谐回路鉴频器的实际电路，它的谐振频率是35MHz 和40MHz 。

调频信号经两个共基放大器分别加到上、下两个回路上，而两个回路的连接点与检波电容一起接地。

这与前面电路不同。

由于接地点改变，输出电压o u 改从检波器电阻中间取出，它是由检波电流1I 和2I 决定的。

因为检波二极管V 1和V 2的方向是相反的，所以o u 决定于两个检波电流之差。

u图4-6-7 双失谐回路鉴频器的实用电路2．相位鉴频器相位鉴频器有乘积型相位鉴频器和叠加型相位鉴频器两种。

鉴相器有多种实现电路。

大体上可以归纳为数字鉴相器和模拟鉴相器两大类。

数字鉴相器由数字电路构成。

模拟鉴相器广泛用于相位鉴频器中，这类鉴相器又可分为乘积型和叠加型两种鉴相器。

采用乘积型鉴相器构成相位鉴频器的称为乘积型相位鉴频器，采用叠加型鉴相器构成相位鉴频器的称为叠加型相位鉴频器，电路模型如图4-6-8所示。

图4-6-8 相位鉴频器模型它由两部分组成：第一部分先将输入等幅调频波通过线性网络（频率-相位）进行变换，使调频波的瞬时频率变化转换为附加相移的变化，即进行FM-PM 波变换；第二部分利用相位检波器检出所需要的调制信号。

相位鉴频器的关键是找到一个线性的频率-相位变换网络。

下面将从这方面讨论，然后讨论乘积型相位检波器。

(1)频率-相位变换网络频率-相位变换网络有：单谐振回路、耦合回路或其它RLC 电路等。

图4-6-9(a)所示为电路中常采用的频相转换网络。

这个电路是由一个电容C 1和谐振回路LC 2R 组成的分压电路。

(a)(b)图4-6-9 频率-相位变换网络由图可写出输出电压表达式()()()112122111111U L j C j R C j L j C j R U -+++++=ωωωωω 整理上式，并令()2101C C L +=ω()210C C R LR L R Q p +===ωωω 得()ξωωωωωj R C j jQ R C j U U p+=-+≈121100112(4-6-2)式中，()p Q 002ωωωξ-=为广义失谐量。

由上式可求得网络的幅频特性)(ωA 和相频特性)(ωA Φ分别为211)(ξωω+=R C A ，ξπωarctg A-=Φ2)( (4-6-3)由上式可画出网络的幅频特性曲线和相频特性曲线，如图4-6-9(b)所示。

只有在2πξ±<arctg 时，)(ωA Φ可近似为直线，此时有0222)(ωωωπξπω--=-≈ΦpA Q假定输入调频波的中心频率0ωω=c ，将输入调频波的瞬时角频率ωωωωω∆+=Ω∆+=c m c t cos代入上式，得ωωπω∆-≈Φ022)(pA Q (4-6-4)以上分析说明，对于实现频率-相位变换网络，要求移相特性曲线在0ωω=c 时的相移量为2π，并且在0ω附近特性曲线近似为直线。

只有当输入调幅的瞬时频率偏移最大值m ω∆比较小时，变换网络才可不失真地完成频率—相位变换。

ωω∆≈∆Φ02pQ (4-6-5)(2)乘积型相位鉴频器乘积型相位鉴频器实现模型方框图如图4-6-10所示。

不难看出，在频率-相位变换网络后面增加乘积型相位检波电路（相乘器和低通滤波器构成），便可构成乘积型相位鉴频器。

还可看出，只需将鉴相特性公式中的∆Φ用式（4-6-5）代替，即可获得相应的鉴频特性公式，这里不再讨论。

相位检波器图4-6-10 乘积型相位鉴频器实现模型3.脉冲计数式鉴频器脉冲计数式鉴频器的电路模型如图4-6-11所示。

图4-6-11 冲计数式鉴频器调频信号瞬时频率的变化，直接表现为单位时间内调频信号过零值点(简称过零点)的疏密变化，如图4-6-12所示。

调频信号每周期，有两个过零点，由负变为正的过零点称为"正过零点"，如01、03、05等，由正变为负的过零点称为“负过零点”，02、04、06等。

如果在调频信号的每一个正过零点处由电路产生一个振幅为m U ，宽度为τ的单极性矩形脉冲，这样就把调频信号转换成了重复频率与调频信号的瞬时频率相同的单向矩形脉冲序列。

这时单位时间内矩形脉冲的数目就反映了调频波的瞬时频率，该脉冲序列振幅的平均值能直接反映单位时间内矩形脉冲的数目。

脉冲个数越多，平均分量越大，脉冲个数越少，平均分量越小。

因此实际应用时，不需要对脉冲直接计数，而只需用一个低通滤波器取出这一反映单位时间内脉冲个数的平均分量，就能实现鉴频。

脉冲序列图4-6-12 调频信号变换成单向矩形脉冲序列设调频信号通过变换电路得到一个矩形脉冲序列，并让这一脉冲序列通过传输系数为L k 的低通滤波器进行滤波，则滤波后的输出电压0u 可写成f k U T k U u u L m L m av ττ===0 (4-6-6)式中，av u 表示一个周期内脉冲振幅的平均值；τ是脉冲宽度；m U 是脉冲振幅；L k 是低通滤波器的传输系数；f 是重复频率，也就是调频信号的瞬时频率；T 是重复周期。