第六章-角度调制与解调.ppt

频率调制又称调频 FM 是使高频振荡信号的频率按调制信号的规律变化 而振幅保持恒定的一种调制方式 调频信号的解调称为鉴频或频率检波 相位调制又称调相 PM 是相位按调制信号的规律变化 振幅保持不变 调相信号的解调称为鉴相或相位检波 调频和调相统称为角度调制 属于频谱的非线性变换 其抗干扰和噪声的能力较强 载波电压 调制信号 调频信号的瞬时角频率 调频信号的表达式与波形 调频信号的瞬时相位 设 则 第一节角度调制信号分析 是比例常数 表示 调频信号的基本参数 载波角频率 它是没有受调时的载波频率 调制信号角频率 它反映了受调制的信号的瞬时频率变化的快慢 相对于载频的最大角频偏 峰值角频偏 最大频偏 对最大角频偏的控制 能力 单位调制电压产生的频率偏移量 称为调频灵敏度 调频波的调制指数 与 成正比 与成反比 为调频指数 可得FM波的表示式为 因为是周期为2 的周期性时间函数 可以将它展开为傅氏级数 其基波角频率为 即 Jn mf 是宗数为mf的n阶第一类贝塞尔函数 它可以用无穷级数进行计算 调频波的频谱 1 调频波的展开式 它随mf变化的曲线如图所示 并具有以下特性 Jn mf J n mf n为偶数 Jn mf J n mf n为奇数 第一类贝塞尔函数曲线 对称地分布在载频两边 其幅度决定于调制指数 将上式进一步展开 有 调频波是由载波 与无数边频 组成 这些边频 调频波的特点 单频调制时FM波的振幅谱 调频信号的矢量表示 n mf 0 01时的n mf曲线 通常采用的准则是 信号的频带宽度应包括幅度大于未调载波1 以上的边频分量 即 Jn mf 0 01当mf很大时 n mf趋近于1 因此当mf1时 应将n mf的边频包括在频带内 此时带宽为Bs 2nF 2mfF 2 fm当mf很小时 如mf 0 5 为窄频带调频 此时Bs 2F 调频波的信号带宽 当调制信号不是单一频率时 由于调频是非线性过程 其频谱要复杂得多 比如有F1 F2两个调制频率 可写出 对于一般情况 带宽为Bs 2 mf 1 F 2 fm F 更准确的调频波带宽计算公式为 调频信号uFM t 在电阻RL上消耗的平均功率为 由于余弦项的正交性 总和的均方值等于各项均方值的总和 调频波的功率 调相波是其瞬时相位以未调载波相位 c为中心按调制信号规律变化的等幅高频振荡 如u t U cos t 并令 0 0 则其瞬时相位为 t ct t ct kpu t ct mcos t ct mpcos t从而得到调相信号为uPM t UCcos ct mpcos t 调频波与调相波的比较 1 调相波 调相波的瞬时频率为 调相波 fm mp与F的关系 调相波波形 至于PM波的频谱及带宽 其分析方法与FM相同 调相信号带宽为Bs 2 mp 1 F 调频与调相的关系 1 角度调制是非线性调制 在单频调制时会出现 c n 分量 在多频调制时还会出现交叉调制 c n 1 k 2 分量 2 调频的频谱结构与mf密切相关 mf大 频带宽 3 与AM制相比 角调方式的设备利用率高 因其平均功率与最大功率一样 2 调频波与调相波的比较 调频波与调相波的比较表 调频器 1 定义 实现调频的电路或部件称为调频器 频率调制器 或调频电路 3 对调频器的主要要求 1 调制特性线性度要好 2 调制灵敏度要高 3 载波性能要好 2 调频特性 调频器的调制特性 调频特性曲线 第二节调频器与调频方法 1 直接调频法 2 间接调频法 调频方法 用调制信号直接去控制振荡器的振荡频率 使振荡频率随调制信号的变化而变化 从而实现调频 先将调制信号积分 再用积分信号对载波进行调相 也称为Armstrong法 特点 调制器与振荡器分开 对振荡器影响较小 频率稳定度高 但设备较复杂 1 矢量合成法 适用于窄带调频或调相 uPM Ucos ct mpcos t Ucos ctcos mpcos t Usin mpcos t sin ct 矢量合成法调频 3 可变延时法将载波信号通过一可控延时网络 延时时间 受调制信号控制 即 kdu t u Ucos c t Ucos ct kd cu t 2 可变移相法利用调制信号控制移相网络或谐振回路的电抗或电阻元件来实现调相 对于直接调频电路 调制特性的非线性随最大相对频偏 fm fc的增大而增大 当最大相对频偏 fm fc限定时 对于特定的fc fm也就被限定了 其值与调制频率的大小无关 扩大调频器线性频偏的方法 1 变容二极管直接调频电路 变容二极管可以看作一压控电容 在调频振荡器中起着 可变电容的作用 其结电容 与在其两端所加反偏电压 静态工作点为 时 变容二极管结电容为 之间存在着如下关系 直接调频电路 第三节调频电路 2 变容二极管调频原理 设在变容二极管上加的调制信号电压为 则 称为电容调制度 它表示 结电容受调制信号调变的程度 变容管作为回路总电容全部接入回路 3 变容二极管全接入调频电路 为回路总电容 二次谐波失真系数 称为线性调频 变容管线性调频原理 4 晶体振荡器直接调频电路 电路的振荡频率为 变容二极管 对LC振荡器 直接调频电路的中心频率稳定读较差 为得到高稳定度调频信号 须采取稳频措施 有一种稳频的简单方法是直接对晶体振荡器调频 交流等效电路如下 间接调频的关键是调相 常用的调相电路有以下几种 1 回路参数移相电路2 RC网络移相电路3 可变延时法调相电路 间接调频电路 三级回路级联的移相器 鉴频器 1 定义 调频波的解调称为频率检波或鉴频 FD 调相波的解调称为相位检波或鉴相 PD 鉴频器是一个将输入调频波的瞬时频率 或频偏 变换为相应的解调输出电压 的变换器 2 鉴频器的主要性能指标 1 鉴频器中心频率 2 鉴频带宽 3 线性度 4 鉴频跨导 第四节鉴频器与鉴频方法 直接从调频信号的频率中提取原来调制信号的方法 1 直接鉴频法 1 振幅鉴频法 1 直接时域微分法 将等幅的调频信号变成振幅也随瞬时频率变化的 既调频又调幅的FM AM波 通过包络检波器解调此调频信号 包络检波 变换电路 鉴频方法 2 间接鉴频法 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 2 斜率微分法 单回路斜率鉴频器 双离谐平衡鉴频器 各点波形 双离谐鉴频器的鉴频特性 相位鉴频法的原理框图如图所示 图中的变换电路具有线性的频率 相位转换特性 它可以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 2 相位鉴频法 相位鉴频法的原理框图 同时加于鉴相器 鉴相器的输出电压u0是瞬时相位差的函数 即 设输入鉴相器的两个信号分别为 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 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 Quadrature 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 如图所示 1 乘积型相位鉴频法 设乘法器的乘积因子为K 则经过相乘器和低通滤波器后的输出电压为 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 然后用包络检波器检出其振幅变化 从而达到鉴相的目的 2 叠加型相位鉴频法 调频信号的信息寄托在已调波的频率上 从某种意义上讲 信号频率就是信号电压或电流波形单位时间内过零点 或零交点 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 3 直接脉冲计数式鉴频法 直接脉冲计数式鉴频器 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又称福斯特 西勒 Foster Seeley 鉴频器 第五节鉴频电路 频率 相位变换是由互感耦合回路完成的 由等效电路可知 初级回路电感L1中的电流为 1 频率 相位变换 互感耦合回路 考虑初 次级回路均为高Q回路 r1也可忽略 这样 上式可近似为 初级电流在次级回路产生的感应电动势为 感应电动势在次级回路形成的电流为 频率 相位变换电路的相频特性 2Q f f0 则上式变为 2 相位 幅度变换 根据图中规定的与的极性 在两个检波二极管上的高频电压分别为 f f0 fc时 与的振幅相等 即UD1 UD2 f f0 fc时 UD1 UD2 随着f的增加 两者差值将加大 f f0 fc时 UD1 UD2 随着f的增加 两者差值也将加大 不同频率时的与矢量图 设两个包络检波器的检波系数分别为Kd1 Kd2 通常Kd1 Kd12 Kd 则两个包络检波器的输出为uo1 Kd1UD1 uo2 Kd2UD2 鉴频器的输出电压为 3 检波输出 鉴频特性曲线 SD A曲线 比例鉴频器是一种类似于叠加型相位鉴频器 而又具有自限幅 软限幅 能力的鉴频器 它与互感耦合相位鉴频器电路的区别在于 1 两个二极管顺接 2 在电阻 R1 R2 两端并接一个大电容C 容量约在10 F数量级 时间常数 R1 R2 C很大 约0 1 0 25s 远大于低频信号的周期 3 接地点和输出点改变 比例鉴频器 1 电路 比例鉴频器电路及特性 i1 R1 RL i2RL uc1 i2 R2 RL i1RL uc2uo i2 i1 RL当R1 R2 R时 可得 2 工作原理 由电路理论可得 当f fc时 UD1 UD2 i1 i2 但以相反方向流过负载RL 所以输出电压为零 当f fc时 UD1 UD2 i1 i2 输出电压为负 当f fc时 UD1 UD2 i1 i2 输出电压为正 自动频率