高频电子线路第7章角度调制电路.ppt

第七章角度调制电路,第一节概述,第二节调角波的基本性质（调角信号的分析）,第三节调频方法的概述,第六节调相电路,第五节石英晶体振荡器直接调频电路,第四节变容二极管直接调频电路,高频振荡正弦波信号：,amphitudemodulationAM:,frequencymodulationFM:,phasemodulationPM:,角度调制,AM调制方式中,AM,DSB,属于频谱线性搬移电路,调制信号寄生于已调信号的振幅变化中,FM,PM,调制方式中：属于频谱的非线性搬移电路,已调波为等幅波,调制信息寄生于已调波的频率和相位变化中,SSB,第一节概述,角度调制,频率调制FM:,相位调制PM:,一、角度调制的定义,频率调制的定义是高频振荡信号的振幅不变，瞬时频率随调制信号线性变化。常用FM表示。,相位调制的定义是高频振荡信号的振幅不变，瞬时相位随调制信号线性变化。常用PM表示。,相位调制和频率调制统称为角度调制。,二、角度调制的优点和用途,相对振幅调制而言，抗干扰能力更强。因为其有用信息包含在频率中而不是振幅中。,瞬时角频率与瞬时相位关系：,关系：,优点：抗干扰能力强、较高的载波功率利用系数缺点：占有更宽的传送频带。调频主要应用于调频广播、广播电视、通信及遥测遥控等；调相主要用于数字通信系统中的移相键控。,调频波的指标主要有以下几个：,1)频谱宽度,2)寄生调幅,3)抗干扰能力,从已调波中检取出原调制信号的过程称为解调,(AM)振幅解调检波,(FM)频率解调鉴频,detection,(frequencydiscrimination),(PM)相位解调鉴相,(phasedetection),一、调角波的数学表示式、瞬时频率和瞬时相位：,（一）调相波的表达式：,由调相波的定义有：,第二节调角波的基本性质（调角信号的分析）,瞬时频率,瞬时相位,调相波说明：,瞬时相位与调制信号成线性关系,调相时，振幅不变，即：Um=Ucm,PM波的表达式为：,（二）调频波的表达式：,由调频波的定义有：,瞬时角频率与调制信号成线性关系,瞬时角频率,瞬时相位,调频波说明：,调频时，振幅不变，即：Um=Ucm,其中：:载波角频率，FM波的中心频率.,：调频灵敏度，,单位调制信号振幅引起的频率偏移.,瞬时频率偏移（简称频偏）,寄载了调制信息，表示瞬时频率相对于载波频率的偏移.,调频波的表达式,二、调角波的基本性质,调频波与调相波的比较：表7-1,（一）调制指数的定义：,定义：调角波的最大相移称为调制指数。,（二）最大频移与调制指数的关系：,调相波的最大频移：,调频波的最大频移：,故调角波的最大频移：,（三）调频波与调相波的表达式：,则调相波表达式：,则调频波表达式：,例：,解：,（四）调频波与调相波的波形：,图(a)为调制信号,为三角波,图(b)为调频波的瞬时频移：,图(c)为调相波的瞬时频移：,图(e)为调相波的波形：,例：,（五）讨论,FM波：,PM波：,（2）调频波的波形,（1）一般调角信号的表达式：,调频波是波形疏密变化的等幅波,调频波,调相波,调频与调相的关系总结,载波信号：,1.调制指数(最大相移),调频时,调相时,2.最大频率偏移频偏,与调制信号振幅成正比，频率成反比。,与调制信号频率无关。,与调制信号的幅度成正比，与其频率无关,FM,PM,与调制信号频率成正比,3.FM与PM的共同点,频偏（即最大频率偏移）m与调制指数m之间都满足：,m=m,fm=mF,m：调制指数，是一个无因次量(没有单位的物理量),(1)瞬时频率：,调频信号与调相信号的比较,(2)瞬时相位：,(3)最大频偏,(4)最大相位：,(5)表达式:,调相波和调频波的频谱相同，以调频波为例：,（一）调频波的展开式：,三、调角信号的频谱与带宽,利用三角公式：,则调频波表示式：,又利用三角函数积化和差公式：,所以上式最终可表示为：,载波,第一边频,第二边频,第三边频,第四边频,2、由第一类Besselfunction的性质：,所以有:,各边频分量与载频分量之间的频率间距为n，且当n为偶数时，上下边频分量符号相同，而当n=奇数时，上下边频分量符号相反。,（二）调频波频谱的特点：,1、以载频为中心，由无数对边频分量组成，它不是调制信号的简单搬移。,3、各边频分量的振幅取决于Jn(mf)，而Jn(mf)与mf有关。,（三）调角波的频谱宽度：,1，理论上，调角波的频谱包含无数对边频，频谱宽度为无限大。,2，实际应用中,当mf一定时,Jn(mf)随着n的增大而减小.如图7-1和表7-2所示.若忽略振幅小的边频分量,则带宽为有限值。,图71第一类贝塞尔函数曲线,图7-1可说明：当mf一定时,虽然Jn(mf)是起伏的，但总体趋势是J0(mf)J1(mf)J2(mf)J3(mf).,图7-3第一类贝塞尔函数曲线,mf相同时，随着贝塞尔函数阶数升高，其值变化不一定越小。这意味着，调频波的频谱幅度不是线性递减的。,表7-2有规律：当nm+1时,当Jn(mf)1%大频偏1%小频偏,1、调制线性特性,2、调制灵敏度：单位调制电压变化所产生的频率偏移(要大),间接调频：对调制信号先积分后调相，fC较稳定，但是频偏小。,调频电路,调频方法:,一、直接调频和调相原理,直接调相,正弦振荡型直接调频电路模型,在实际应用中，是用调制信号去控制决定振荡器振荡频率的振荡回路的可变电抗值，从而使载波振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性地变化。,VCO的特点：瞬时频率随外加控制信号的变化而变化。,式中：U为振荡信号的振幅，,用调制信号电压控制振荡回路的参数，如回路电容C或回路电感L，并使振荡频率正比于所加调制信号电压，即可实现调频。,在直接调频法中常采用压控振荡器（VoltageControlOscillator）作为频率调制器来产生调频信号。,VCO中最常用的压控元件：,压控振荡器直接调频：优点：可获得较大频偏。缺点：中心频率稳定性差，常采用自动频率微调（automaticfrequencycontrol，AFC）电路来克服载频偏移。,通常有：，压控振荡器的输出信号即为调频信号。,二、间接调频和调相原理,图借助于调相器得到调频波,积分电路RC电路,其中,第四节变容二极管直接调频,一、变容二极管的特性,（VaractordiodedirectFM）,（2）变容二极管的特性,扩散电容(diffusioncapacitance)正向偏置，电容效应比较小。,势垒电容(barriercapacitance)反向偏置，势垒区呈现的电容效应。,所以为利用PN结的电容，PN结应工作在反向偏置状态.,PN结反向偏置时，结电容会随外加反向偏压而变化，而专用的变容二极管，是经过特殊工艺处理（控制半导体的掺杂浓度和掺杂的分布）使势垒电容能灵敏地随反向偏置电压的变化而呈现较大变化的压控变容元件。,结电容Cj与反偏电压ur的关系：,反向偏置电压，UD：PN结势垒电位差。,：结电容变化指数，通常=1/21/3，经特殊工艺制成的超突变结电容=15,PN结具有电容效应,可以看出Cj与ur之间是非线性关系，即变容二极管属于非线性电容，这种非线性电容基本上不消耗能量，产生的噪声量级也较小，是较理想的高效率，低噪声非线性电容。,结电容Cj与反偏电压ur的关系：,注意：变容二极管必须在反偏压状态工作,变容管的Cjur曲线,二、基本原理,虚线左边是互感耦合振荡器。,1.电路特点,虚线右边是变容二极管和它的偏置电路。变容二极管的电容值影响振荡器的频率。,因为扼流线圈ZL对直流和低频电压短路,所以：,Cc是变容管与LlC1回路之间的耦合电容，同时起到隔直流的作用；C为对直流电压的旁路电容；L2是高频扼流圈，但让调制信号通过。它的作用都是将振荡回路和变容管的控制电路隔离防止它们之间的相互影响。,因此，等效的振荡回路可画成右图，主体是LC互感耦合正弦振荡电路。,变容二极管调频电路,振荡回路的等效电路,下图中的振荡器为电容三点式振荡器。为了突出调频性能的分析，下图只画出了它的高频交流等效电路，没有画出直流馈电电路，,图中；C3为高频偶合电容，C4为偶合隔直电容，LD为高频扼流圈，阻止高频电流经过调制信号源被旁路，右图为振荡器交流等效电路，Cj与振荡器回路并联，R1，R2为Cj的偏置电路，为Cj提供静态直流偏压,，而二极管的反偏电压为：,+VQ-,2.调频原理,三、电路分析,(一)变容二极管的电容值Cj：,变容二极管结电容表达式：,1,载波状态时变容二极管的结电容CjQ,在变容二极管上加一个静态工作电压VQ和一个单频调制信号,2,调制状态时变容二极管的结电容Cj,为静态工作点的结电容。,CjQ,（二）变容二极管作为振荡回路的总电容,当C1没接入,且Cc较大时，回路总电容仅仅是变容二极管的结电容Cj时，振荡回路的等效电路如下图：,1,瞬时振荡频率为,2,实现线性调制的条件：,当m很小可忽略三次方以上的高次项，则瞬时频率为：,3,会产生什么影响：,可见会导致如下影响：,1)中心频率会产生偏移，其偏移量为：,2)调频波会产生非线性失真,二次谐波失真最大偏移为,调制特性,线性调制,此时调频波获得最大角频偏,小结,最大角频偏,增大m会增加最大角频偏,但也增加非线性失真和减小载频稳定度,所以,最大角频偏受m的限制。,结论：,1、相对频偏较小的情况下，如广播电视发射机中，m较小，二次谐波失真、中心频偏也不大，对值的要求不严格；,2、相对频偏较大的情况下，如微波调频多路通信系统中，m较大，2时，会产生较大的非线性失真和中心频偏，应采用2的变容二极管。,（三）变容二极管部分接入振荡回路,部分接入时振荡回路的等效电路如下图：,变容二极管作为总电容实现调频时,由于温度或偏置电压的不稳会导致变容二极管结电容发生变化,因此其中心频率的稳定度差.采用部分接入方式可改善此性能.,将看成变容二极管，不仅与有关，还与有关。,振荡频率为,将上式在工作点VQ处展开，可得,式中,最大频偏,它是全接入时fm的1/p。调频灵敏度也下降为全接入时的1/p，这是因为此时Cj比全接入时影响小，fm必然下降。C1愈大，C2愈小，即p加大，Cj对频率的变化影响就愈小，故C1值要选取适当，一般取C1=(10%30%)2。变容管部分接入回路方式适用于要求频偏较小的情况。而且由于Cj影响小，CjQ随温度及电源电压变化的影响也小，有利于提高中心频率的稳定度。,从上式的振荡频率展开式可以看出，当Cj部分接入时，其最大频偏为,例：,举例18MHz变容二极管调频振荡电路,8MHz变容二极管调频振荡电路,四、实际变容管二极调频电路举例,图变容二极管直接调频电路举例(a)实际电路;(b)等效电路,举例2下图是某通信机中的变容管调频器的实际电路。,高频扼流圈,高频滤波电容,改变变容管偏置及调节电感L可使该电路的中心频率在50100MHz范围内变化,将上图(b)的振荡回路简化为下右图，这就是变容管部分接入回路的情况。这样，回路的总电容为,图部分接入的振荡回路,振荡频率为,图部分接入的振荡回路,电路分析：,（1）晶体管直流偏置,（2）变容管直流偏置,（3）高频交流通路图,旁路电容短路,扼流圈开路,直流电源是交流地,举例3,回路总电容：,载频：,举例490MHz直接调频电路及其高频通路,（1）L1，C1、C2串联，C3和反向串联的两个变容二极管，三个支路并联组成电容反馈三点式振荡电路。,(2)直流偏置电压-UQ同时加在两个变容二极管的正极，调制信号经L4扼流圈加在二极管负极上，二个二极管的动态偏置为：,（3）两个变容二极管串联后的总电容,Cj与C3串联后接入振荡回路，对振荡回路来说是部分接入，与单二极管直接接入比较，在相同的情况下，m值降低。,（4）两变容二极管反向串联，对高频信号而言，加到两管的高频电压降低一半，可减弱高频电压对结电压的影响，另外在高频电压的任一半周内，一个变容管寄生电容增大，而另一个减少，使结电容的变化不对称性相互抵消，从而消弱寄生调制。,C1,C3,Cj1,Cj2,u,R1,R2,Le,Re,C2,L1,Cb,C4,C5,C6,C7,L2,L3,+-,VT,-UQ,EC,L4,ud,举例5,第四节石英晶体振荡器直接调频,一，采用石英晶体振荡器直接调频的目的是要提高调频振荡的载波频率稳定度。,二，晶体振荡器直接调频的主要形式,晶体振荡器采用变容二极管实现调频的形式有两种，一是变容二极管与并联型晶体振荡器的晶体相串联，二是变容二极管与并联型晶体振荡器的晶体相并联。,在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，可以采用直接对晶体振荡器调频的方法。,1）晶体振荡器直接调频原理,右图为串联型PierceOscillator，其振荡频率为：,在电路中，当Cj变化时，CL变化，从而使晶体振荡器的振荡频率也发生变化，如果压控元件Cj受调制电压控制，则PierceOscillator就成为一个晶体调频振荡器。,注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，故只能工作于晶体的串联谐振频率fq与并联谐振频率fp之间，而fq与fp之间的频率变化范围只有,量级，再加上Cj的串联，晶体的可调振荡频率更窄。,例如载频为40MHz的晶体调频振荡器，能获得最大频偏只有7.5kHz，所以采用晶体调频振荡器虽然可以获得较高的频率稳定度，但缺点是最大频偏很小，实际中需要采用扩大频偏的措施。扩大频偏的方法有两种：晶体支路中串接小电感；利用型网络进行阻抗变换来扩展晶体呈现感性的工作频率范围。,2）晶体调频振荡器的实际电路,对晶体振荡器进行直接调频时，因为振荡回路中引入了变容二极管，所以调频振荡器的频率稳定度相对于不调频的晶体振荡器是有所下降。,下图为晶体调频振荡器直接调频电路，其中变容二极管与晶体串联联接，C4、C5、C6、C7对高频短路，ZL为高频扼流圈。右图为高频等效短路，为典型的电容三点式振荡电路。,应用举例：,调制信号,Pierce型振荡器,调制信号放大,晶体振荡器的变容管直接调频电路,采用串接小电感来扩大调频的频偏晶体调频振荡器的实际电路,采用串接小电感L的方法来扩大调频的频偏，变容二极管的反向偏压由EC经稳压管VDZ稳压后经RZ2=2.4k和W1=47k电位器分压后，经R=10K电阻加至变容管正极。改变47K电位器W1的活动端可以调整变容管的Uo从而改变Cj，把调频器的中心频率调至规定值。调制信号经电位器W2加于变容管VD，改变4.7K电位器W2的活动头，可以调整加在变容二极管上的调制信号电压幅值，从而获得要求的频偏。,-Uo+,1.间接调频法,宽带,窄带,第六节间接调频电路,但最大频偏小的缺点可以通过多级倍频器后获得符合要求的调频频偏，另外采用混频器变换频率可以得到符合要求的调频波工作范围。,采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个稳定的载频信号进行调相，这样一来就可得中心频率稳定度高的调频信号。,间接调频法就是利用调相方法来实现调频。,间接调频的关键电路是调相器,第三类是矢量合成法调相,实现调相的方法通常有三类：,一类是可变移相法调相,第二类是可变时延法调相,载波输入,一、可变移相调相电路,将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调相电路。,UQ=9V,载波输入,调相波输出,调相波输出,载波输入,高频等效电路,调相电路：,频率为的载波信号通过单调谐回路，只有在调谐回路的谐振频率等于时，不产生附加相移，通过谐振频率不等于的调谐回路都会产生附加相移。因为谐振频率受调制信号控制，所以输出信号的相移也受调制信号控制。,变容二极管和电感L组成单调谐回路，构成可控相移网络,相移特性曲线,变容管移相电路：用调制信号u(t)控制Cj变化，高频载波fc以恒流源形式激励并联谐振回路,对于高频载波来说,三个0.001F的小电容短路；对于低频调制信号来说,三个0.001F的小电容开路,4.7F电容短路。,当u(t)0时，变容二极管反向电压加大，结电容减小，L与组成谐振回路的谐振频率增大。其相频特性如图曲线所示。对输入为c的载频信号，输出电压有一个正的附加相移。,当调制电压u(t)=0时，变容二极管反向电压ur=VQ=9V。变容二极管的结电容CjQ与L组成谐振频率为c的谐振回路。其相频特性如图曲线所示，对载频输入信号，其输出电压附加相移为零。,附加相移在u(t)的控制下变化，这样输出电压的相位也随变化，从而实现调相。,调相过程定性分析,谐振频率变化产生附加相移,载波输入,如果忽略二次方以上各项，可得回路的谐振频率为：,将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调相电路。,UQ=9V,载波输入,调相波输出,回路的频率偏移为：,在高Q值及谐振回路失谐不大的情况下，并联LC谐振回路电压和电流间的相位关系为：,当/6（或30o）时，tan,可得:,表明:单级LC谐振回路在满足/6（30o）的条件下，回路输出电压的相移是与输入调制电压u(t)成线性关系的。,如果将调制电压u(t)先积分后再加在变容二极管上，则单级LC谐振回路输出电压的瞬时频率(t)就与输入调制电压u(t)成线性关系，即可实现对调制电压u(t)的间接调频。,调相波输出,载波输入,高频等效电路,由上分析可知：变容二极管相移网络能够实现线性调相,但受回路相频特性非线性的限制,除了选用2或者m为最小值外，还必须满足mp/6，调制范围很窄,属窄带调相。为了增大调相指数,可以采用多个相移网络级联方式,各级之间用小电容耦合,对载频呈现较大的电抗,使各级之间相互独立。,三级单回路变容二极管相移网络,可产生的最大相偏为/2。,调相波,由晶体管组成单LC回路调谐放大电路，电感L、电容C1、C2与变容管Cj组成并联谐振回路；,载波输入,uFM(t),C3、C4、C5为耦合电容；LZ为