射频中调频和混频电路原理细致解析

讲解之前先讲下锁相环电路，由于调频电路中很多地方用到锁相环电路，因而这个基础必须打坚实了。锁相环主要由输入信号，鉴相器，低通滤波器，压控振荡器（压控振荡器可不是晶振，别理解错了）和反馈电路构成，请看图1（锁相环电路框图）。


图1（锁相环电路框图）

       θI是晶振输入信号；鉴相器可以比较两个输入信号的相位差，再输出与相位差对应的方波；低通滤波器负责将鉴相器输出的方波滤成直流电压，其本身可能只是一个简单的LC或者RC滤波电路；压控震荡器是一种  受电压控制输出对应频率  的器件，在这里它受到低通滤波器输出的直流电压控制，输出与直流电压对应的方波；反馈电路通常带有累加计数器，累加计数器可以比喻成时钟，时钟的秒钟跳60次，分钟才跳1次，累加计数器也同理，来N个脉冲才输出1个脉冲。假设累加计数器收到10个方波脉冲才输出1个计数脉冲，那么这个计数器就可以将压控振荡器输出的方波频率减少10倍再反馈给鉴相器。

       鉴相器本身可能就是一个异或门，即在两个输入信号不同的部分，异或门会输出高，在两个信号相同的部分，异或门则输出低。先上个图给大家理解下，如图2（异或门波形图）所示，

 
图2（异或门波形图）

       A和B是输入信号，Y是输出信号。如果A和B相位持续一致，则会使得输出的Y是一个恒定频率的方波，如果A和B相位持续不一致，则会使得Y输出一个无规律的方波。将鉴相器输出的方波滤成直流电压，控制压控振荡器输出对应频率的方波，再经过反馈电路将输出方波和输入信号一起还给鉴相器分析，如果频率不一致或者相位不一致，则鉴相器就会继续输出方波，滤成直流电压，控制压控振荡器提高输出方波的频率，直到输出方波的频率和输入信号的频率和相位相差极小的时候，鉴相器才会输出较小占空比的方波，以滤成能控制压控振荡器输出和鉴相器输入信号频相都相似的波形，从而使得一个环路稳定，即锁相环使得输出信号和输入信号保持一致。这时候同学们可能有疑问，我搞了半天锁相环只是让输出信号和输入信号一致，那我为什么不直接用输入信号得了，省的折腾这么麻烦！这里就要解释一下了，如果此时在反馈电路上加上累加计数器，假设10倍计数器，由于θI和θC一致，则压控振荡器输出的频率将会是θI的10倍，即锁相环实现了倍频功能，目前倍频器就是这个原理。

       压控振荡器的电路图可以如图3（压控振荡器电路）这样设计。
 
图3（压控振荡器电路）

当有输入电压时，三极管Q1会导通，C1会充电，C1电压达到三极管Q2的导通阈值时，Q2导通，输出信号由高变低，然后C1电压也会被Q2放到导通阈值下，Q2断开，输出又变回高，进而C1又被充电，然后放电，如此重复，输出信号也同步进行重复拉高拉低，形成方波。如果输入电压比较高，则三极管Q1导通电流较大，C1充电比较快，则输出方波频率也变大。

       累加计数器的电路比较复杂，可以用JK触发器实现累加计数功能，这里不多讲，有兴趣上网查询资料。

       接下来要开始进入主题，讲解调频收发电路的原理，先上一张整体的调频电路收发框图，如图4（调频电路收发框图）所示。图中主要有三个模块需要讲解：1、调制电路；2、混频电路；3、解调电路。其他基本都是放大滤波一类的电路，大家差不多都懂得原理，就不细述了。PS:打字实在累，还要组织语言，哭了。。。
 
图4（调频电路收发框图）

调制电路：
      先上一个调制电路的框图，如图5（调制电路框图）所示，调制电路主要由调制信号、晶振（本振）、倍频器、锁相环、加法器和滤波器组成。晶振信号进入倍频器（倍频器原理前面讲过，忘了可以回上面看看），通过倍频器将26M的晶振信号变成900M或者1800M，即手机射频常见频段，从而，可以在天空中发射的高频载波信号就有了。接下来就是想办法把有用信号（调制信号）给加入到载波信号中。


图5（调制电路框图）

从图5（调制电路框图）中可以看到，低通滤波器输出的直流电压和调制信号一起先进入到加法器中处理，将调制信号和直流电压直接叠加起来，形成涌动的直流波，再控制压控振荡器输出随调制信号变化的调频波。加法器的原理如图6（加法器电路）所示，如果R1=R2=R3=R4，则运放正向输入端的电压为(Ui1+Ui2)/2，运放的放大倍数为2，最终输出电压为Ui1+Ui2，即实现了信号相加的功能。

 
图6（加法器电路）

      通过上一段落中的描述操作，调制信号可以耦合到高频载波信号中，实现了调制电路的功能。

混频电路：
       也是照例先上一张混频电路的框图，如图7（混频电路框图）所示。

 
图7（混频电路框图）

由于射频信号带宽较大，干扰多，且信号频率高，高频电子器件较贵等因素，因而需要先进行降频处理。混频电路也称中频电路，它将天线收到的射频信号先进行降频，形成中频信号。混频电路主要由输入射频信号，乘法器，本振，倍频器和滤波器组成。本振经过倍频器形成倍频信号，倍频信号和调制信号一起进入乘法器，我们高中的时候学过三角函数积化和差公式：sinαcosβ=[sin(α+β)+sin(α-β)]/2，即两个三角函数的乘积，会得到两个函数的频率相加和相减值。因此，假设射频信号频率为m，倍频信号频率为n，则乘法器最终会输出带m+n和m-n两种频率的信号，这两种频率也就是大学通信原理中玄乎其神的双边带载波。我们通过滤波器将m+n的信号滤除，留下频率低，干扰小，带宽低的m-n信号，以供后面的解调电路处理。顺便说一下，这个滤除m+n信号的过程也就是大学通信原理中玄乎其神的单边带滤波。

       混频电路中的乘法器需要讲解一下，其电路图如图8（乘法器电路）所示。由于UX是在UY放大的基础上再进行叠加放大的，最终放大的倍数会是kUYUX倍，去除常数k，就是UY和UX的乘积了。

 
图8（乘法器电路）

解调电路：
       啥都不说，上图，如图9（解调电路框图）所示，解调电路主要由输入中频信号和锁相环组成。中频信号进入鉴相器，由于中频信号带有调制信号的频偏，因而鉴相器输出的方波经过低通滤波，会直接还原出调制信号信息，这个调制信号再给后面的电路去交织，去加重等，解码等处理就可以还原成原始的音频信号了。图9（解调电路框图）中的缓冲放大器通常是射频跟随器，用于提供信号的驱动能力，了解就行。