一种用于测量微弱频偏的解调电路及最大频偏测量方法

本发明属于频偏测量，尤其涉及一种用于测量微弱频偏的解调电路及最大频偏测量方法。

背景技术：

1、在当今通信技术领域，对于频率调制(fm)信号，当其最大频偏不超过1khz时，通常被定义为微弱频偏。解调这种微弱频偏的fm波在众多应用场景中占据着至关重要的角色。例如，在射电天文学领域，捕获并分析来自遥远宇宙体的微弱信号是一项日常任务。鉴于这些信号通常强度极低，并且伴随着微小的频率偏移，这就对接收设备提出了高灵敏度的要求，同时也需依赖精确的解调技术以确保这些珍贵信号的有效捕获和详细分析。

2、斜率鉴频电路是一种调频信号的解调电路，因其电路简单容易实现的特点，实际中应用较为广泛。斜率鉴频器是将调频(fm)信号通过具有合适频率特性的线性网络，使其振幅按照瞬时频率的变化规律变化，经过包络检波器输出反映振幅变化规律(即调频信号频率变化规律)的解调电压。

3、斜率鉴频器的鉴频跨导是斜率鉴频器性能评价的关键指标之一，鉴频跨导是指斜率鉴频器的输出电压与输入信号频率偏差的变化率。鉴频跨导越高，表明斜率鉴频器对频偏的响应越敏感，解调输出电压的变化与输入频偏变化之间的相关性越强。

4、当前斜率鉴频电路主要依靠一个失谐的lc振荡回路将调幅波转换为调幅-调频波，再通过包络检波电路捕获调幅信号，最后经过放大电路输出最终的解调信号，其存在以下几点不足：(1)谐振曲线斜率变化相对较缓，在试图解调具有微弱频偏的调频波时，检测到的微小频率波动可能并不明显，造成输出电压信号的准确度受损。(2)当调频波的频偏较小时，转换为调幅-调频波的包络幅度也较小。当现有斜率鉴频电路直接对这种转换后的调幅-调频波进行包络检波时，会产生幅度很小且信噪比很低的输出信号。这意味着，一旦调频波的频偏发生细微改变，包络检波器的输出信号幅度将只反映轻微的变动，间接削弱了斜率鉴频电路的灵敏度。(3)现有斜率鉴频电路大多只采用单回路调谐方式，只能利用一条谐振曲线进行频率变化到幅度变化的转换，造成了较低的鉴频跨导和灵敏度，难以满足高精度解调需求。

5、另一方面，在斜率鉴频电路中的后期信号处理和检测阶段，目前多数设计在包络检波之后直接采用有源滤波去除解调信号中包含的高频噪声，然后再对解调信号进行放大。然而，在解调微弱频偏的调频信号时，这种方式可能会遇到问题。由于包络检波输出信号的幅度本身很低，在先进行有源滤波的情况下，由于解调信号本身较弱，有源滤波电路本身带来的噪声可能会进一步叠加到微弱的解调信号上，会进一步导致解调信号的信噪比下降。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对上述背景技术的不足，克服已有斜率鉴频电路鉴频跨导低、解调小频偏的调频信号时，解调输出波形信噪比较低、波形严重失真的问题，提供了一种用于测量微弱频偏的解调电路及最大频偏测量方法，具体由以下技术方案实现：

2、所述斜率鉴频电路，包括：

3、信号源，为输出包括载波、调制信号以及待测信号的一般信号源，所述待测信号为单音调制的调频波，所述调制信号为单频正弦波；

4、斜率鉴频电路，对待测调频信号进行解调，获得待测调频信号解调输出的调制信号波形；

5、单片机，接收所述调制信号波形，进行fft运算测量出调制信号的频率f；测量出斜率鉴频电路解调输出的调制信号波形的峰峰值，根据测量出的斜率鉴频电路的鉴频特性曲线在线性区的鉴频跨导kd，计算出待测调频波的最大频偏。

6、所述用于测量微弱频偏的解调电路的进一步设计在于，斜率鉴频电路包括：调幅-调频波变换电路，包括同相放大器和双调谐回路单元，同相放大器对输入调频波进行限幅放大，抑制寄生调幅；同相放大器的输出与双调谐回路单元相连，双调谐回路单元将放大后的调频波转换为上下两个包络幅度变化相反的调幅-调频波，调幅-调频波的包络幅度变化和调频波的瞬时频偏成正比；

7、调幅-调频波放大电路，包括两个同相放大器，双调谐回路单元的两个输出分别与两个同相放大器相连，将上下两个调幅-调频波信号的包络进行放大；

8、包络检波电路，检测经放大的调幅-调频波信号的包络幅度变化，采用并联设置的二极管检波电路，由检波二极管、高频滤波电容和检波电路负载电阻依次连接组成；

9、差分放大器，将包络检波电路的输出进行差分放大。

10、两级放大器，对差分放大器的输出进一步放大；

11、有源rc滤波器，对两级放大器的输出进行滤波，去除解调信号中包含的高频噪声。

12、所述用于测量微弱频偏的解调电路的进一步设计在于，所述调幅-调频波变换电路中同相放大器对输入调频波进行限幅放大，抑制寄生调幅，同时大幅度增加调频信号的载波幅度，以增大双调谐回路单元输出的上下两个调幅-调频波包络的幅度变化量。

13、所述用于测量微弱频偏的解调电路的进一步设计在于，所述双调谐回路单元包括第一电容、第二电容以及电感，所述第一电容与所述电感并联后再串接第二电容后接地，形成一个串联谐振回路和一个并联谐振回路。

14、所述用于测量微弱频偏的解调电路的进一步设计在于，设定所述串联谐振回路的串联谐振频率fs，并联谐振回路的并联谐振频率fp，且满足fs＜fp，输入调频信号的载波中心频率f0落在fs和fp之间；当输入调频波的载波瞬时频率等于并联谐振频率fp时，下包络输出的调频波幅度最小；当载波瞬时频率等于串联谐振频率fs时，下包络输出的调频波幅度最大；经过双调谐回路输出上下两个包络幅度变化相反的调频-调幅波，选择双调谐回路的串联谐振频率fs、并联谐振频率fp以及载波中心频率f0，使输入调频信号的瞬时频率变化到载波包络幅度的转换工作在斜率鉴频特性曲线斜率最大且线性度最好的位置，增大了转换后得到的上下调幅-调频波包络幅度变化。

15、所述用于测量微弱频偏的解调电路的进一步设计在于，所述双调谐回路单元的电感采用铌锌铁氧体自行绕制电感。

16、所述用于测量微弱频偏的解调电路的进一步设计在于，所述调幅-调频波放大电路的同相放大电路增益可调，当待测调频信号的频偏小于设定值时，提高同相放大器的增益，对双调谐回路输出的调幅-调频波的包络幅度进行放大，以提高斜率鉴频电路的鉴频跨导。

17、所述用于测量微弱频偏的解调电路的进一步设计在于，所述有源rc滤波器，采用sallen-key结构的四阶巴特沃兹低通滤波器，截止频率高于解调信号的最高频率。

18、本发明还提供了一种采用斜率鉴频电路的调频信号的最大频偏测量方法，其特征在于包括如下步骤：

19、步骤1)根据鉴频电路的鉴频s曲线在线性区斜率基本不变的特点，预先测量出鉴频电路的鉴频s曲线；计算出鉴频s曲线的斜率，即鉴频电路的鉴频跨导kd，步骤2)将待测调频波送入斜率鉴频电路；单片机采样和测量鉴频器输出波形的电压峰峰值vω，进行fft运算，测量出单音调制调频波的调制信号频率f；根据鉴频跨导kd，由式(1)计算出待测调频波的最大频偏δfm；

20、

21、本发明的有益效果：

22、1、本发明的斜率鉴频电路中使用双调谐谐振回路代替传统的单调谐谐振回路，在相同的频偏下，斜率鉴频电路的解调输出幅度增大为两倍，显著提高了鉴频跨导。

23、2、本发明的斜率鉴频电路中使用高q值的电感显著提高lc谐振回路的品质因数，使谐振曲线具有更高的斜率，在输入频偏不变的前提下，调频波转换成的调幅-调频波有更大的包络幅度变化量，可以显著提高鉴频跨导和灵敏度。

24、3.本发明的斜率鉴频电路在第一级通过同相放大器对输入调频信号进行预放大，提高了调频信号的载波幅度；在包络检波前对双调谐回路输出的上下两路调幅-调频波进行再次放大，提高了包络幅度变化量，因此包络检波电路输出的解调信号幅度明显增大；在差分放大后又进行了两级高增益的电压放大和有源滤波。这些电路上的改进措施都有效的提高了斜率鉴频电路的鉴频跨导和灵敏度，尤其是显著提高了解调信号的信噪比。

25、4.经实验测量，本发明的斜率鉴频电路的鉴频跨导提高到约639mv/khz，在解调100hz最小频偏的调频信号时，解调输出波形依然具有约60mv的电压峰峰值，同时保持了低失真和较高信噪比。本发明的斜率鉴频电路可以实现对微弱频偏(小于1khz)的调频信号的高精度解调和最大频偏测量，并保证了输出解调信号的稳定性和高信噪比，为高效率、高质量的通信传输提供了有力的技术支持。