第7章 角度调制与解调2011

第7章角度调制和解调，7.1调频信号和相位调制信号7.2角度调制原理7.3角度解调原理7.4集成器件和应用电路示例7.5Pspice仿真示例，7.1调频信号和相位调制信号，调制信号u(t)=Umf(t)|f(t)|1，首先将载波设置为UC(t)=UCMCOS(CT0)，为方便起见，当调制信号是单频余弦信号时，则U(t)=U频率调制是使用调制信号来调制载波的频率，使得其频率的变化与调制信号成比例，即1。调频信号(调频波)，(t)=kfU(t)=KfUMcOst=McOst，因此，瞬时频率(t)=c(t)=cMcOst，其中Kf是调频比例常数，单位为rad/(sV)，m=KfUm或FM=m/2是最大频率偏移，称为最大频率偏移。7.1.1时域表达式和参数，即调频信号的总相位，是调频引起的最大相位偏移，称为调频指数。在公式中，(t)=C(t)=Cm cost，因此，调频信号可表示为UFM(t)=us mcos(t0中的 ctmfs)。根据调制信号的积分值，调频信号的基本参数是幅度Usm、载波频率 c(或fc)、最大频偏m(或FM)和调频指数mf。频率调制比例常数kf是由频率调制电路确定的常数。即，ufm(t)=USM cos(t0中的 ctmfs)。为了直观起见，下面分别画出相对调制信号的频率调制信号波形图和最大频率偏移m、频率调制指数mf与调制信号的幅度u m和频率之间的关系曲线。调制信号，载波，瞬时频率，调频波形，调频信号波形，调频信号的m与mf之间的关系，以及u m与，m=kfum，2。相位调制信号(PM波)的相位调制是利用调制信号来调制载波的相位，使相位的变化与调制信号成正比，即(t)=kpu(t)=kpumcost=mpcost，MP=kpu m在rad中称为相位调制指数。Kp是相位调制比例常数，单位为rad/v。相位调制信号的瞬时相位(T)=CT0(T)=CT MP COST0是相位调制信号的最大频率偏移。相位调制信号的瞬时频率 (t)= ctmpcos t 0，因此相位调制信号的时域表达式是upm (t)=usmcos ( ctmpcos t 0)，它根据调制信号的微分值、相位调制信号波形、瞬时频率、调制信号、载波、相位调制波形、相位调制信号的mp，m和，u m的关系曲线MP=kpu当调制信号为非正弦波时，即u (t)=u MF (t) | f (t) | 1，那么对于调频波和相位调制波，可以看出载波的频率和相位将被同时调制，而不管频率调制或相位调制，除了变化规律不同。调频波：的瞬时频率根据调制信号的调节而变化，而相位根据调制信号的积分值而变化。相位调制波：的瞬时相位根据调制信号的定律而变化，而频率根据调制信号的导数的定律而变化。Ufm (t)=usmcos ( ctmfs in t 0)，频率调制指数，m=kfum，最大频率偏移，(t)=C(t)=Cmcost，UPM (t)=usmcos ( ctmpcos t 0)， (t)= ctmpcos t 0，相位调制波，频率调制波，摘要：调制信号u (t)=u最大相位偏移=？最大频率偏差fm=？你能确定u(t)是调频波还是调相波吗？给定角度调制波，不可能确定u(t)是频率调制波还是相位调制波。如果u(t)是调频波，调制信号如何变化？如果相位调制波根据什么规律变化？角度调制波是已知的，所以u(t)是频率调制波，调制信号按照正弦规律变化。因此，u(t)是相位调制波，调制信号发生变化如果u(t)是调频波，FM的变化是什么？如果u(t)是相位调制波，FM的变化是什么？如果u(t)是频率调制波：如果u(t)是相位调制波：调制信号的幅度现在将加倍，频率将不会改变。如果u(t)是调频波，它的FM将如何变化？如果u(t)是相位调制波，FM的变化是什么？如果u(t)是调频波：u(t)是调相波：其中cos(以 t表示的MFS)和S in(以 t表示的MFS)是周期为2/的周期函数，它们可以分别展开成傅立叶级数，即单个调频信号的表达式被展开，7.1.2频谱和功率分布为1。单个调频信号的频谱，其中，Jn(mf)是第一类N阶贝塞尔函数，其情况数为mf。它的值可以通过下面的无穷级数来计算。其第一条8阶贝塞尔函数曲线随mf变化如下图所示：n为偶数，n为奇数。贝塞尔函数具有以下性质：(2)当调频指数mf小时，(3)对于任何mf值，所有阶的贝塞尔函数的平方和等于1，即当NMF为1时为：根据上述贝塞尔函数的奇偶性，利用三角函数的积和差公式，单频调制的调频信号可以表示为(2)。频谱相对于C对称，奇数相对于边频奇数对称，即振幅相等，相位相反；偶数彼此对称，即振幅和相位相等。(1)单频调制下的调频波有许多多边频率分量，分别位于C的两侧，相距n 。因此，角度调制不是调制信号频谱的线性偏移，而是频谱的非线性变换。(3)。载波分量J0(mf)不总是最大的，当mf=2.4、5.52、8.65，(5)。光谱结构与mf密切相关。当调制频率不变时，增加m会增加mf，从而增加有影响的边频分量的数量并拓宽频谱。当m不变且减小以增加mf时，尽管有影响的边频分量的数量增加，但由于谱线间距的减小，谱宽基本不变。如下图所示，(4)。理论上，调频波的带宽是无限的。然而，中频的边频分量的幅度在某一时刻与贝塞尔函数有关。当n大到一定值时，函数值就会小到一定值。因此，忽略小于一定值的边频分量，调频波的带宽是有限的。换句话说，调频波的能量主要集中在载波频率附近。是常数，增加m会增加mf的频谱，m是常数，减小会增加mf的频谱。2.调频信号的带宽理论上，单频调制的调频波具有无限的带宽。然而，实际上，由于nmf 1的Jn(mf)值都很小，忽略了nmf 1的边频分量(都小于未调制载波幅度的十分之一)，所以调频波的带宽可以近似为。这个公式被称为卡森公式，广泛用于计算调频波的带宽。由这个公式确定的带宽通常称为卡森带宽。1。窄带调频信号，2。宽带调频信号。调频信号不仅有c、 CN 1、 CM 2分量，而且还有 CN 1M 2组合分量。当调制信号是多频信号时，频谱变得极其复杂，因为频率调制是频谱的非线性变换。例如，当调制信号有两个频率分量 1和 2时，分析表明，在工程上，多频调制信号的带宽仍然可以根据卡森公式确定，只是f应取调制信号的最高频率分量，而mf是频率分量在最大频偏下的调频指数，即我国目前采用的调频广播，要求FM=75千赫，语音调制信号的最高频率为15千赫。那么MF=Fm/Fmax=75/15=5，因此带宽为Bcr=2(mf 1)Fmax=2(5 1)15=180kHz。由于频率带宽，其工作频带在88 88 108兆赫之间，通道间的间隔为200千赫。频谱正因为如此，调频系统目前被广泛使用。卡森公式： 仍然可以用来计算带宽。5.由于角度调制波的平均功率Pav，角度调制信号的功率分布等于每个频率分量的平均功率之和。因此，在单位电阻上，角度调制信号消耗的平均功率：所以角度调制信号的平均功率，根据贝塞尔函数的性质：这个结论表明角度调制波的平均功率等于未调制载波的平均功率。当mf从零增加时，载波功率减小，而分配给边频分量的功率增加。因此，当mf较大时，存在许多有影响的边频分量，因此获得的功率较大。边频分量是携带调制信息的分量。信息功率的增加意味着角度调制波在实际噪声环境中具有较大的信噪比和较强的抗干扰能力。另一方面，中频增加，频带变宽。换句话说，角度调制波以增加带宽为代价获得高信噪比和强抗干扰能力。作业，1，2，3，4，本节讨论的内容：1。调频方法概述，直接调频方法，1)变容二极管的特点和主要性能指标，2)变容二极管的直接调频电路，2)全内变容二极管调频电路，3)部分内变容二极管调频电路，间接调频方法，7.2角度调制原理。实现调频有两种方法：直接调频法和间接调频法。直接调频法调频波不是正弦波，但如果调频波满足准稳态条件，即mC和 max c，则表明调频波的频率变化非常缓慢，因此频率可以近似认为在载波频率的几个周期内是恒定的。因此，调频波可以被视为正弦波，并且通过产生正弦波可以产生近似的调频波。这种方法被称为直接频率调制。间接调频法是基于调频波和调相波之间的内在联系：如果首先对调制信号进行积分，显然，对于调制信号u(t)，它就是调频波。这种方法称为间接频率调制。其实现框图如下。然后用u(t)对载波进行相位调制，得到u(t)的相位调制波。因此，间接调频就是通过相位调制的方法来实现调频。间接调频框图，(1)。调制特性的线性。调制特性是电压-频率转换特性，称为电压控制特性，如图所示。3。调频电路的主要性能指标，电压控制特性的线性越好，调频的非线性失真越小；电压控制特性的线性范围越宽，实现啁啾的最大频率偏移越大。(2)调频灵敏度。调频灵敏度也称为电压控制灵敏度，用kf表示。其含义是单位调制电压引起的频率变化，单位为弧度/秒或赫兹/伏。(3)载波频率的准确性和稳定性。(4)振幅应恒定，寄生振幅应小。其几何意义是电压控制特性原点的斜率。7.2.1直接频率调制，1。模拟调频积分方程法首先推导调频积分方程。由于电路的实现，调频信号可以表示为2。准稳态调频法。在准稳态条件下，上述公式等号左边的第二项的绝对值远小于第一项和第三项，并且其值接近于零，因此第二项被加倍或忽略，并且对应于该方程的电路函数基本不变。由此导出了两个准稳态调频微分方程：这两个方程可以用简单的正弦波振荡器实现，即，变容二极管直接调频电路，1)变容二极管特性变容二极管是根据PN结反向时的势垒电容特性制成的特殊二极管作为示例，电流变容二极管的结电容Cj形成LCj高频谐振电路，即(3)。在变容二极管周围，确保高频振荡电路、低频调节电路和DC路径彼此隔离，以避免每个路径中的短路或开路。(2)建立一个低频交流通道，并在变容二极管两端施加调节电压u(t)。由于| u(t)|)，短路到0，开路到0，开路到0，开路到0，短路到和0，短路到0，变容二极管连接到三端振荡电路作为压控电容元件，如果满足准稳态条件，变容二极管调频电路形成。如果变容二极管的结电容等于振荡电路的总电容，则称之为全内调频电路，否则称之为部分内电路。所有接入变容二极管频率调制的原理电路如下图所示。该电路是满足电感三点振荡条件的交流路径。2)所有连接的变容二极管频率调制电路，将调制电压u (t)=u MF (t) | f (t) | 1设置为施加到变容二极管的反向电压：ud=UQu (t)=uqu MF (t)，则变容二极管的结电容在公式中为偏置电压uq下变容二极管的结电容，结电容调制系统通过u反映结电容的调制程度。对于电感三点振荡器，其振荡频率为u (t)=0时的振荡频率，即公式中振荡频率的表达式表明振荡频率的变化与调制信号成正比，即实现了啁啾。最大频率偏移m与载波频率成正比。通常称为调频特性方程。当=2时，。当2时，调频是非线性的。调频特性方程由幂级数展开，即如果f (t)=cos t，则由于m1，可以忽略二阶以上的项。二阶项：公式中的第一项是载波频率。当2时，载波频率偏离C，偏差C与和m有关。m越大，C越大。是线性调频项，其最大频率偏移m与m成正比。第二项和第三项是调频非线性失真项。其中2m是由调制信号的二次谐波引起的最大频率偏移。非线性失真的程度可以用非线性失真系数表示为：显然，M越大，kf2越大，表明非线性失真越严重。从以上分析可以看出，对于2的非线性调频，为了减小C、2m和kf2，m必须减小。然而，m的减小将减小m。因此，减小非线性失真和增加频率偏移是矛盾的，必须在实践中加以考虑。所有接入变容二极管频率调制电路的电压控制灵敏度为，例如，下图显示了所有接入变容二极管频率调制的实际电路。(3)为了减少变容二极管结电容的非线性和不良稳定性的不利影响，部分接入变容二极管频率调制电路将结电容作为谐振电路总电容的一部分连接到振荡器，以形成部分接入变容二极管频率调制电路。交流电路如下图所示。环路的总电容为，其中，由于m1)倍，应该指出，上述分析集中在变容二极管频率调制电路的振荡频率上