第6章 角度调制与解调电路电子专业本科上课 用课件

第6章 角度调制与解调电路,一、概述,角度调制和解调电路都属于频谱非线性变换电路。,无论是调频还是调相最终都表现为已调波的总相位（角度）受到调制信号的控制，故统称为角度调制。,角度调制可分为两种：,频率调制或调频：FM(Frequency Modulation) 振幅不变，瞬时频率随调制信号的振幅线性变化相位调制或调相：PM(Phase Modulation) 振幅不变，相位随调制信号的振幅线性变化,调幅：将调制信号的低频频谱结构线性搬移到载波附近的高频区。 载波的振幅随调制信号的变化而变化，载波的频率和相 位不受调制信号的控制，属于线性频谱搬移技术。,二、调幅与调角的区别：,调角：已调波的频谱结构与原调制信号的频谱结构完全不同。载 波的振幅不变，它的频率和相位受调制信号的控制，属于 非线性频谱搬移技术。,第6章 角度调制与解调电路,三、调频的优缺点：,调频优点： 抗干扰性强 功率管利用率高 信号传输保真度高,调频缺点： 只能工作在超短波以上波段 电路结构复杂,第6章 角度调制与解调电路,四、调频与调相的比较,在数字通信中，相位键控的抗干扰能力优于频率键控和幅度键控，因而调相制获得广泛应用。,在模拟通信中，系统带宽相同时，调频系统接收机输出端的信噪比明显优于调相系统，故广泛采用调频制。广泛用于广播、电视、通信、遥感技术。,第6章 角度调制与解调电路,5,6.1 调角波的基本特性,6.1.1 瞬时频率与瞬时相位的关系,结论1：瞬时频率(t)是瞬时相位角(t)对时间的微分。,结论2：瞬时相位角(t)是瞬时频率(t) 对时间的积分。,6,6.1.2 调频波与调相波的数学表达式,一、调频波的数学表达式,低频调制信号：,高频载波信号：,调频波的定义：,载波的振幅不变，载波的瞬时频率与调制信号u(t)呈线性关系。,6.1 调角波的基本特性,7,一、调频波的数学表达,6.1 调角波的基本特性,瞬时角频度,调频波的表达式,瞬时相角,6.1 调角波的基本特性,一般令o=0,结论1：调制信号的幅度越大，调频指数mf 越大， 调制信号的频率越大，调频指数mf 越小，通常mf1,结论2：调制信号的幅度越大，调频信号的调频范围越大， 即m。,6.1 调角波的基本特性,调频波波形示意图,6.1 调角波的基本特性,11,二、调相波的数学表达式及波形,1.调相波的数学表达式,低频调制信号：,高频载波信号：,调相波的定义：,载波振幅不变，载波的瞬时相位与调制信号u(t)呈线性关系,6.1 调角波的基本特性,调相信号（已调波）的表达式：,结论：,6.1 调角波的基本特性,13,结论：调制信号的幅度与频率增大最大频偏越大。,6.1 调角波的基本特性,调相波波形示意图,三、调频与调相的比较,调制信号为单频余弦信号时调频与调相的比较,6.1 调角波的基本特性,信号波形比较,6.1 调角波的基本特性,两者的联系和区别,联系：调频波可看成调制信号为u(t)dt的调相波； 调相波可看成调制信号为du(t)/dt的调频波。 区别：,调制指数FM：与调制信号的振幅成正比，与调制角频率成反比PM：与调制信号的振幅成正比，与调制角频率无关最大频率偏移 FM：与调制信号的振幅成正比，与调制角频率无关PM：与调制信号的振幅成正比，与调制角频率成正比,例题：P210 例6.1.1; 6.1.2,课堂练习：P268习题 6.1 ; 6.4,作业：P268 6.2; 6.5,6.1 调角波的基本特性,6.1.3 调角波的频谱与带宽,一、调角波的频谱,6.1 调角波的基本特性,cos(msin t)=J0(m)+2J2(m)cos2t+2J4(m)cos4t+ sin(msint)=2J1(m)sint+2J3(m)sin3t+2J5(m)sin5t+,利用2个贝塞尔函数：,其中Jn(m)是宗数为m的n阶第一类贝塞尔函数,u(t)=UcmJ0(m)cosct-2J1(m)sintsinct+2J2(m)cos2tcosct -2J3(m)sin3tsinct+2J4(m)cos4tcosct+,贝塞尔函数带入调角波表达式得：,6.1 调角波的基本特性,载频,第一对边频,第二对边频,第三对边频,6.1 调角波的基本特性,2、频谱特点,A、频谱结构,包含载波频率分量（但是幅度小于1，与mf 有关）及无穷多个边频分量；各边频分量之间的频率间隔为；各频率分量的幅度由贝塞尔函数Jn(mf )决定，载频分量并不总是最大，有时为零;奇次边频分量的相位相反。,B、频谱结构与调制指数的关系,各阶贝塞尔函数随m增大变化的规律均是衰减振荡, 而各边频分量振幅值与对应阶贝塞尔函数成正比。m边频分量越少，但对应振幅越大即“少”而“大”m边频分量越多，但对应振幅越小即“多”而“小”,mf愈大，则具有一定幅度的边频数目愈多，频带愈宽。 这是调频波频谱的主要特点。当mf值小(mf mf+1）时，贝塞尔函数Jn(mf)的数值随着n的增加而迅速减小。这时（nmf+1）则可认为调频波所具有的频带宽度是近似有限的。频带宽度为：,频带宽度比调幅波宽得多。只适用于频率较高的甚高频和超高频段中。,调制信号频率不同时，调频、调相信号的频谱分布,*对于调相波：频带宽度在调制信号频率的高端和低端相差 很大，对频带的利用很不经济。,例,例1：调频波的幅度1V, 频谱结构如图；调制信号u(t)=Umcost。求：1、调频波表示式uf(t)=cos(ct+mfsint)中的mf、 c、 ； 2、调频波的频带宽度Bf、调频波的最大频偏f。,上述特点充分说明调角是完全不同于调幅的一种非线性频率变换过程。显然, 作为调角的逆过程, 角度解调也是一种非线性频率变换过程。,对于由众多频率分量组成的一般调制信号来说, 调角信号的总频谱并非仅仅是调制信号中每个频率分量单独调制时所得频谱的组合, 而且另外又新增了许多频率分量。例如, 若调制信号由角频率为1, 2的两个单频正弦波组成, 则对应调角信号的频率分量不但有cn1和cn2, 还会出现cn1p2, n、p=0, 1, 2, 。 ,6.1 调角波的基本特性,看：教材P214 三、调角信号的特点,课堂练习：P215复习与讨论题 6.1.2 ; 6.1.5,作业：P268 6.8,6.1 调角波的基本特性,P215，6.1.5：当调制信号的大小和频率增大时，对调频信号和调相信号的调制指数、最大频偏各有何影响？,6.1 调角波的基本特性,低频调制信号：,调频信号：,调相信号：,结论：当调制信号的大小增大，而频率不变时，调相与调角信号的调制指数均增大，最大频偏也均增大；若调制信号的大小不变，而频率增大，则调频信号的调频指数减小，但调相信号的的调制指数不变，调频信号的最大频偏不变，但调相信号的最大频偏增大。,6.2 调 频 电 路,一、调频的实现思路,直接调频： 根据调频信号的瞬时频率随调制信号成线性变化这一基本特性,利用调制信号直接控制自激振荡电路的振荡频率。这是实现调频的最直接方法, 故称为直接调频。,1.直接调频 2. 间接调频。,6.2.1调频的实现与主要性能指标,直接调频电路的基本思路：,6.2 调 频 电 路,只要能够找到电感或者电容元器件它的电感量L或电容量C能够受到低频调制信号的控制即可。,直接调频的优点是能够获得较大的频偏，但其缺点是中心频率稳定度低，即便是使用晶体振荡器直接调频电路，其频率稳定度也比不受调制的晶体振荡器有所降低。 借助调相来实现调频，可以采用高稳定的晶振作为主振器，利用积分器对调制信号积分后的结果，对这个稳定的载频信号在后级进行调相，就可以得到频率稳定度很高的调频波。,6.2 调 频 电 路,(1)若先对调制信号u(t)进行积分,因此, 将调制信号积分后调相, 是实现调频的另外一种方式, 称为间接调频。 或者说, 间接调频是借用调相的方式来实现调频。,(2)将u1(t)作为调制信号对载频信号进行调相, 则可得到:,可知, 对于u(t)来说, 上式是一个调频信号表达式。,（2）间接调频电路调相电路,6.2 调 频 电 路,间接调频电路原理,实现间接调频电路的关键：调相电路。,6.2 调 频 电 路,间接调频缺点：不易获得大的频偏。,二、性能指标,调制特性被调振荡器的频率偏移与调制电压的关系， 表示为f/fc=f(u),调制灵敏度S调制电压变化单位数值所产生的振荡 频率偏移，表示为S=f/u,最大频偏fm在调制电压作用下所能达到的最大频偏,载波频率稳定度f/fc时间间隔,调频信号的瞬时频率以稳定的中心频率（载频）为基准变化。若中心频率不稳定，就有可能使调频信号的频谱落到接收机通带范围之外，以致不能保证正常通信。因此，对于调频电路，不仅要满足频偏的要求，而且要使中心频率保持足够高的稳定度。,技术要求：,频偏与调制信号保持良好的线性关系调制灵敏度尽量高频偏尽量大中心频率稳定度尽量高寄生调幅尽量小,一、电路组成与工作原理,1.变容二极管的符号与特性,二极管是单向导电元件，若将其反向偏置，并始终控制在截止区时，PN结的结电容的大小随反向控制电压的变化而变化，因此PN结二极管可制成变容二极管。,调制信号u(t),保证管子始终处于截止状态的直流电源EUm,变容二极管,6.2.2 变容二极管直接调频电路,C0为未外加电压时的结电容(u=0)UBPN结势垒电位差（硅管0.4-0.7v、锗管0.2-0.3v）结电容变化指数，由结的类型和掺杂浓度决定。1/3-6变化。,1超突变结,突变结,缓变结,变容二极管的电容,6.2.2 变容二极管直接调频电路,变容二极管调频原理,振荡回路由L、Cj构成，C1为高频耦合电容，RFC为高频扼流圈，C2为高频旁路电容。,本质：用调制信号控制高频信号瞬时频率，使其随调制信号作线性变化的过程。,2. 电路性能分析,6.2.2 变容二极管直接调频电路,1) 求w(t),6.2.2 变容二极管直接调频电路,CjQ：二极管在静态时的电容Co,表示结电容调制深度的调制指数。,实现理想直接调频的条件：=2,致命的缺点：中心频率不稳定,1) 求w(t),2) 结论：,最大角频偏,6.2.2 变容二极管直接调频电路,利用级数迈克劳林级数展开式，并忽略高次项：,6.2.2 变容二极管直接调频电路,若2，如何实现与cost成正比的关系？,是由C jV d的非线性而引起的。虽然,另外，定义调频灵敏度：,6.2.2 变容二极管直接调频电路,变容管部分接入的直接调频,研究背景：变容二极管作为回路总结电容的调频电路中心频率稳定度差主要是由于温度变化或者反偏电压VQ不稳定时，引起结电容变化，从而引起中心频率发生较大变化，因此为了提高中心频率稳定度，通常采用部分接入的办法。,体会：当CjQ变换的时候引起的总电容C的变化比将变容二极管直接并接入谐振回路引起C的变化要小，从而提高了中心频率的稳定度，同时适当调节C1C2可使调制特性接近于线性。,电容串并概念(知识拓展),结论：,1) 串并后调制的线性改善，但牺牲了调制灵敏度；,2) 实际n2，应取n2 ，通过电容串并后使n2 ，即可实现近似理想的调频。,Cj不串也不并,Cj串C2,Cj并C1,Cj串C2并C1,w(t),vW(t),0,三、 变容二极管的调频电路,看：教材P221- P224,6.2.2 变容二极管直接调频电路,优点：电路简单、频偏大缺点：振荡（中心）频率不稳定,2.变容二极管的调频电路的优缺点,3.变容二极管调频电路实例：,6.2.2 变容二极管直接调频电路,故变容二极管的实际电容值会受到高频振荡的影响。若高频振荡电压振幅太大, 还可能使叠加后的瞬时电压造成变容二极管正偏。采用两个变容二极管对接, 从图 (b)所示高频等效电路可知, 两管对于高频振荡电压来说是串联的, 故加在每个管上的高频振荡电压振幅减半。,注意：,2.对于直流偏压和低频调制电压来说, 两管是并联关系, 故工作状态不受影响。这种方式的缺点是调频灵敏度有所降低, 因为两变容管串联后总结电容减半。,小频偏变容二极管调频器（拓展知识）,6.2.2 变容二极管直接调频电路,石英晶体振荡器直接调频电路,并联型晶体振荡器振荡回路等效电路,6.2.2 变容二极管直接调频电路,实际电路2(拓展知识),调制信号的放大电路,调谐在石英的三次泛音频率,电容三点式振荡电路,6.2.2 变容二极管直接调频电路,6.2.3 间接调频电路,间接调相的关键：实现性能优越的调相电路,6.2.3 间接调频电路,1矢量合成法间接调频电路,单音调制时的调相信号:,对于窄带调相 ,可见窄带调相波可以近似由载频信号和一个与载波相差90o的双边带信号相加组成。,注意：如果用矢量表示,则窄带调相信号矢量就是载波信号矢量和与它成正交的双边带信号矢量的合成矢量。因此,用这一原理实现窄带调相的方法称之矢量合成法。由于双边带信号是采用相乘调幅方法产生,称之相乘调幅合成法。,实现方法：将调制信号u(t)先进行积分,然后送去进行矢量 合成法调相,这样就实现了矢量合成法间接调频.,注意：因为晶振频率是调频电路输出载频的1/N倍，因此后边要引入N倍频电路，,2. 可变相移法调相实现方法,受调制电压的控制，且其间呈线性关系，即,6.2.3 间接调频电路,则相移网络的输出电压即为所需的调相波，即,可控相移网络有多种实现电路，如RC相移电路、变容二极管与电感构成的谐振回路的移相电路等。其中应用最广的是变容二极管调相电路。,6.2.3 间接调频电路,3可变时延法调相电路：见教材P225-P226,6.2.3 间接调频电路,二、变容二极管调相电路（可变相移法调相电路）,间接调频的关键电路是调相器.,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。,调相波 输出,载波输入,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 ：,回路的频率偏移为：,当 /6（或30o）时，tan ,可得:,表明:单级LC谐振回路在满足 u01且由于uo= u01 -u 02 , uo -u 02 。,2.当输入调频波的频率fc u02且由于uo= u01 -u 02 , uo u 01 。,3.因此双失谐斜率鉴频器的鉴频特性在频带宽度、线性范围、灵敏度等方面有较大改进，应用较广！,回路的谐振曲线,回路的谐振曲线,、回路叠加后的谐振曲线,输入调频信号的频率波形,双回路斜率鉴频器原理理解要点：,3、实用电路举例：,两个失谐回路分别调谐于35MHz和40MHz。它们是共基放大器的负载回路。 输入调频波 从两放大器发射极输入，经共基放大，在负载回路产生输 出电压经检波器产生检波电流 和 。在负载上得到电压为 。,6.3.2 斜 率 鉴 频 器,一、鉴相器的分类1、鉴相电路通常可分为模拟电路型和数字电路型两大类。2、在集成电路系统中，常用的有模拟乘法器构成的乘积型鉴相器和数字门电路构成的门电路鉴相器。,三、乘积型鉴相电路(不按书上的讲解)1、电路组成框图,二、常用两种模拟鉴相器：1、乘积型鉴相器 2、叠加型鉴相器,6.3.3 相 位 鉴 频 器,而另一输入信号 为的同频正交载波。,设：鉴相器输入PM信号。,即：,而,则相乘器的输出信号 为：,1.乘积型鉴相器（product phase detector）,可见：乘积型鉴相器具有正弦形鉴相特性,-,目标：输出信号uo(t)与(t)成正比，这样输出信号才能和调制信号成正比,所以,注意：乘积型鉴相器在电路结构上与同步检波器是相同的，即只要输入调相信号 与 的载波正交，同步检波器就变成了乘积型鉴相器。,另外，如果满足 ，则有 。,即输出电压 与 成线性关系，可实现线性鉴相。,-,6.3.3 相 位 鉴 频 器,下图为叠加型鉴相器原理框图，以下采用平衡型鉴相器为例进行分析：,设输入调相波 为：,而同频正交载波信号为：,则：,6.3.3 相 位 鉴 频 器,利用矢量图可得合成电压振幅,如果设包络检波器的传输系数为Kd1=Kd2=Kd，则两个包络检波器的输出电压为：,（为调相调幅波）,讨论：（1）当,6.3.3 相 位 鉴 频 器,而,可见：这时的鉴相器具有正弦鉴相特性，其线性鉴相范围为：,6.3.3 相 位 鉴 频 器,6.3.3 相 位 鉴 频 器,（2） 时，同理可推出,由讨论（1），（2）可以看出输出电压 的大小取决于振幅小的输入信号振幅。,（3）当 时,所以：,利用三角函数公式：,所以：,而当, 的范围内，,所以： ，可实现线性鉴相。,波包络检波：把AMPM信号中的包络取出。,当Us = Ur时，输出电压增加倍，且线性鉴相范围扩展为 。,小结：平衡式鉴相器的特性：,（1）由两个工作过程构成:,（2）当UsUr，或U rUs时，,输出电压Uo (t)的大小决定于小的输入信号，且线性范围为,6.3.3 相 位 鉴 频 器,图919 直接脉冲计数式鉴频器,3. 直接脉冲计数式鉴频法,6.4 集成调频发射机与接收机,6.4.1.MC2833集成调频发射机,一、MC2833集成调频发射机的介绍,MC2833是Motorola公司生产的单片集成FM低功率发射器芯片, 适用于无绳电话和其它调频通信设备。,该集成电路具有以下特点：工作电压范围宽为2.89.0。 低功耗，当UCC=4.0V时，无信号调制时消耗的电流典型值 为2.9mA。外围元器件很少。 具有60MHz的射频