第六章-调角信号资料.ppt

第6章角度调制与解调电路,角度调制是频谱的非线性变换电路。,频率调制：用待传输的低频信号去控制高频载波信号的瞬时频率，使之按调制信号的规律线性变化的一种调制方式，振幅保持不变。,相位调制：用待传输的低频信号去控制高频载波信号的瞬时相位,使瞬时相位随调制信号的规律线性变化，而振幅保持不变。,频率调制和相位调制统称为角度调制。,概述调角波的性质调角方法及直接调频电路间接调频电路鉴频器,6.1概述,1、什么是调角波,角度解调：从调角波中取出原调制信号的过程称。鉴频:对于调频波，其解调称为鉴频或者频率检波、频率解调。鉴相：对于调相波，其解调称为鉴相或相位检波、相位解调。,调频波和调相波均表现为相角的变化，所不同仅为变化规律不同，因此，他们在时域、频谱宽度、调制与解调等方面均有密切联系。因此，调相必调频；调频必调相。同时鉴频与鉴相也可以相互利用。,2、角度解调,3、为什么使用调角系统,4、角度调制的特点,优点：抗干扰能力强；载波功率利用率高（发射设备利用率高）；调角信号传输的保真度高（广播音质好）。调频应用于广播、电视、通信等。在模拟通信中调频比调相应用广泛，在数字通信中调相比调频应用广泛。,缺点：频带比调幅宽，频带利用率低；调角系统比相应的调幅系统复杂，电路实现困难。,5、衡量调频波的主要技术指标,1、频谱宽度。理论上频率为无限宽，但实际上可认为贷款是有限的，根据贷款的不同调频可分为宽带调频和窄带调频。2、寄生调幅。调频波应为等幅波，但由于某种原因造成幅度不等，这种情况称为寄生调幅。3、抗干扰能力。,主要要求：,掌握瞬时角频率与瞬时相位的关系,掌握调频、调相信号的概念、异同和关系,掌握调频、调相信号的典型表达式、主要参数和波形特点。,6.2调角信号的基本特性,了解调角信号的频谱，理解其带宽。,6.2.1瞬时角频率与瞬时相位,设有一个固定频率的等幅载波，其表达式写为：,式中，(t)为载波的瞬时相位，在没有调角时，u（t）的中心角频率和初始相位均为常数；在调频时，载波的角频率发生变化，称为瞬时角频率，同时瞬时相位也随之变化。二者关系可以用旋转矢量图来说明。,实轴,(t),0,t=0,Um,瞬时相位,瞬时角频率,O,矢量初始相位为0，以(t)的角速度绕O逆时针旋转。,t=t,当(t)=c时：,Um为旋转矢量长度、0为与实轴初始相位。,瞬时角频率与瞬时相位的关系就是微积分的关系。,当该矢量从初始状态旋转到t时刻后，它与实轴的夹角就为(t)，即为瞬时相位。,6.2.2调角波的性质,一、调角的表示式,调频波形图,6.2.2调频信号与调相信号,一、调频信号,载波信号：,调制信号：,调频波的角频率：,(t)=c+kfu(t),瞬时相位：,附加相位,为分析方便，通常令0=0,则,角频偏,设u(t)=Umcost,(t)=c+kfUmcost,=c+mcost,调频指数,最大角频偏,单频调制时，,则,2、调相波的表示式,调相波形图,调相信号,载波信号：,调制信号：,故调相信号为,(t)=ct+kpu(t),瞬时相位：,附加相位(t),调相指数，最大附加相移,3、调频和调相的比较,三、调频信号与调相信号的比较,调制信号u(t)=Umcost,载波信号uc(t)=Umcosct,调频,调相,瞬时角频率(t),c+kfu(t),瞬时相位(t),=ct+kpUmcost,最大角频偏m,kfUm,mkpUm,最大附加相位,mp=kpUm,ct+kpu(t),=c+kfUmcost,ckpUmsint,三、调频信号与调相信号的比较,调频,调相,瞬时角频率(t),c+kfu(t)=c+mcost,=cmsint,瞬时相位(t),=ct+kpu(t),=ct+mpcost,最大角频偏m,=kfUm=mf,=kpUm=mp,最大附加相位,mp=kpUm,可见：调制前后载波振幅保持不变。将调制信号先微分，再调频，则得调相信号。将调制信号先积分，再调相，则得调频信号。即调频与调相可互相转换。,例,一组频率为3003400Hz的余弦调制信号，振幅相同，调频时最大频偏为75kHz，调相时最大相移为1.5rad，试求调制信号频率范围内：(1)调频时mf的变化范围;(2)调相时fm的范围。,解,(1)调频时，fm为75kHz,故,例,一组频率为3003000Hz的余弦调制信号，振幅相同，调频时最大频偏为75kHz，调相时最大相移为2rad，试求调制信号频率范围内：(1)调频时mf的变化范围;(2)调相时fm的范围;,解,(2)调相时，mP为1.5rad,故,例,已知,u(t)=5cos(2103t)V，,调角信号表达式为,uo(t)=10cos(2106t)+10cos(2103t)V,试判断该调角信号是调频信号还是调相信号，并求调制指数、最大频偏、载波频率和载波振幅。,解,=2106t+10cos(2103t),附加相位正比于调制信号，故为调相信号。,调相指数mp=10rad,载波频率fc=106(Hz),fm=mpF,最大频偏,载波振幅Um=10V,=10103=10kHz,6.2.3调角信号的频谱与带宽,一、调角信号的频谱,FM信号和PM信号时间表达式无本质差别，所以两种信号的频谱结构类似。分析时可将调制指数mf或mp用m代替，写成统一的调角信号表示式。,根据贝塞尔函数理论有：,Jn(m)称为以m为宗数的n阶第一类贝塞尔函数,得,可见：调角信号频谱由载频分量和角频率为（cn）的无限对上、下边频分量构成。n为奇数时，上、下边频分量振幅相同极性相反；当n为偶数时，上、下两边频分量的振幅和极性都相同。载频分量和各边频分量的振幅均随Jn(m)而变化。,12345678910111213,m,Jn(m),Jn(m)随m、n变化的规律,1.00.80.60.40.200.20.4,n=0,n=1,n=2,n=3,n增大时，总趋势为边频分量振幅减小。m越大，具有较大振幅的边频分量就越多；且有些边频分量振幅超过载频分量振幅。当m为某些值时，载频分量可能为零，m为其它某些值时，某些边频分量振幅可能为零。,第六章角度调制与解调,二、调角信号的带宽,n增大时，边频分量振幅总趋势减小。因此离载频较远的边频振幅很小，在传送和放大过程中，舍去这些边频分量，不会使调角信号产生明显失真，因此，调角信号实际的有效频带宽度是有限的。,通常取,BW=2(m+1)F,若m1,则,BW2mF,=2fm,称为宽带调角信号,复杂信号调制时,调角信号的带宽：,三、调角信号的功率,调角波的平均功率等于未调制的载波功率。即改变m，仅使载波分量和各边频分量之间的功率重新分配，而总功率不变。,四、调角信号的应用,调角信号比之调幅信号的优缺点：,优点：抗干扰能力强和设备利用率高。调角信号为等幅信号，其幅度不携带信息，故可采用限幅电路消除干扰所引起的寄生调幅。调角信号功率等于载波功率，与调制指数m无关，因此不论m为多大，发射机末级均可工作在最大功率状态。,缺点：有效带宽比调幅信号大得多，且有效带宽与m相关。故角度调制不宜在信道拥挤、频率范围不宽的短波波段使用，而适合在频率范围很宽的微波波段使用。,注意区别下列概念,c载波的角频率,调制信号的角频率,最大角频偏m和最大频偏fm,有效带宽BW：指一定精度范围内上、下边频所占有的频率范围。,调相指数mp：调相信号的最大附加相位。,调频指数mf：调频信号的最大附加相位。,小结,调频,调相,调角信号的有效频带宽度：,BW=2(m+1)F,调角波的平均功率等于未调制的载波功率。,主要要求：,掌握调频的实现方法，了解调频电路的主要指标,理解变容管直接调频电路的组成和工作原理,6.2调频电路,了解变容管间接调频电路的组成和工作原理,理解实现调相的基本方法,掌握扩展最大频偏的方法,6.2.1调频电路的实现方法与性能指标,一、调频方法,6.2.1调频电路的实现方法与性能指标,1.直接调频,一、调频方法,用调制信号直接控制振荡器频率，使其与调制信号成正比。,控制谐振频率，从而控制振荡频率。适当选择电路参数，可实现线性调频。,优点：频偏较大缺点：中心频率易不稳定,2.间接调频,2.间接调频,优点：中心频率较稳定缺点：不易获得大频偏,二、调频电路的主要性能指标,即未调制时的载波频率fc。保持中心频率的高稳定度，才能保证接收机正常接收信号。,调制特性的线性,单位调制电压变化所产生的频率偏移称为调制灵敏度,频偏与调制信号谐波成比例,二、调频电路的主要性能指标,fm,Um,调制特性的线性：,调频电路输出电压的频率偏移与调制电压的关系与uc,f=f-fc,载波频率稳定度：就是调频波的中心频率的稳定度，载频稳定是保证正常通信的必要条件。,最大频偏：在正常调制电压作用下所得到的最大频偏值。在波段式的调频器里，通常要求该值尽可能恒定。,6.2.2变容二极管直接调频电路,一、变容二极管的压控电容特性,u=0时的结电容,PN结内建电位差,变容指数，取决于PN结工艺,反向偏置,二、谐振电路组成与工作原理,+u(t),+UQ,得,变容管静态电容,结电容调制度,可得,当=2时，,2时，调制特性是非线性的。但调制信号足够小时，也可实现近似的线性调制。（证明略）,实现了理想的线性调制,小结将变容二极管接入振荡回路构成直接调频电路时，为减小非线性失真和中心频率的偏离，应设法使变容二极管工作在=2，若2，则应限制调制信号的大小。,为减小非线性及中心频率的不稳定，在实际应用中，常采用变容二极管部分接入振荡回路方式。,适当调节C1、C2，可使调制特性接近于线性。,在某些实际情况下，为了满足中心频率稳定度较高的要求，有时采用石英晶体振荡器直接调频电路。晶体振荡器有两种：一种是工作在石英晶体的串联振荡频率上，晶体等效为一个短路元件，起着选频的作用；另一种是工作于晶体串联和并联谐振频率之间，晶体等效为一个高品质因数的电感元件，作为振荡元件之一。通常是利用变容二极管控制后一种晶体振荡器的振荡频率来实现调频。,6.2.3晶体振荡器直接调频电路,6.2.4电抗管直接调频电路,6.2.5间接调频电路,一、实现方法,二、变容二极管调相电路,is(t)=Ismcosct时,当|(c)|30时,（属可变相移法）,当is(t)为载波输入电流源,Cj受u(t)控制,令未加u(t)时，,前已推导出:,代入得,mp,为实现线性调相，mp须小于30,（即/6rad）,故调相波的最大频偏不能很大。调相的同时产生了调幅，称为寄生调幅，需消除。,小结,小结,调频,直接调频：,间接调频：,调制信号直接控制振荡器频率（振荡、调制一体）,优点：频偏较大缺点：中心频率易不稳定,优点：中心频率较稳定缺点：不易获得大频偏,调制信号先积分再调相（振荡、调制分开）,概念,频率检波(鉴频)：调频波的解调,相位检波(鉴相)：调相波的解调,6.3鉴频电路,在接收机中，因某种原因会导致调频信号振幅发生变化。鉴频时，上述寄生调幅会产生解调失真。,解决办法：在鉴频前加限幅器，称为限幅鉴频器。,主要要求：,掌握鉴频的实现