高频电子线路阳昌汉版第6章角度调制与解调ppt课件

1、1,概述 角度调制原理及特性 调频电路 调相电路 调角信号的解调,2,6.1 概 述,高频振荡的振幅不变，而瞬时相位随调制信号 按一定关系变化。 （简称调角,一、角度调制的定义与分类,定义,相位调制（简称调相,高频振荡的振幅不变，而其 瞬时角频率随调制信号 线性关系变化。 FM,频率调制（简称调频,高频振荡的振幅不变，而其 瞬时相位随调制信号 线性关系变化。 PM,二、角度调制的优点与用途,优点,抗干扰能力强,载波功率利用率高,用途,FM,调频广播、广播电视、通信及遥控遥测等,PM,数字通信等,分 类,3,6.2 角度调制原理及特性,6.2.1 瞬时角频率与瞬时相位,当进行角度调制（FM或PM

2、）后 , 其已调波的角频率将是时间的函数即 (t)，可用旋转矢量表示,t= t,t =0,设高频载波信号为,设旋转矢量的长度为 ，且当t =0时，初相位为 ， t =t 时，矢量与实轴之间的瞬时相位为,而该矢量在实轴上的投影,显然有,4,6.2.2 调角信号的时域特性,一、调频信号,载波信号,调制信号,瞬时角频率,t) = c+ kf u(t,rad / sV,c + (t,瞬时相位,相移,则FM信号为,角频移,5,u(t) = U m cos t,t) = c+ kf U m cos t,c+ fm cos t,调频指数 （最大相移,最大角频移,单频调制时,则,6,u(t) = U m co

3、s t,调制信号,瞬时角频率,调频波,相移,特点,调制信号电平最高处对应的瞬时正频移最大，波形最密集； 调制信号电平最低处对应的瞬时负频移最大，波形最稀疏,波形（等幅疏密波,7,二、调相信号,载波信号,调制信号,故调相信号为,rad / V,瞬时相位,相移,瞬时角频率,角频移,8,调相指数 （最大相移,最大角频移,在振幅调制中，调幅指数ma1，否则会产生过调幅失真。 而在角度调制中，无论是调频还是调相，调制指数均可大于1,需要说明,9,u(t) = U m cos t,调制信号,瞬时角频率,调相波,相移,波形（等幅疏密波,特点,调制信号电平变化率（斜率）最大处对应的瞬时正频移最 大，波形最密集

4、；调制信号电平变化率最小处对应的瞬时负 频移最大，波形最稀疏,10,三、调频信号与调相信号的比较,调制信号u(t) = U m cos t,载波信号 uc(t) = Ucm cos c t,调 频,调相,瞬时角频率 (t,c+ kf u(t) = c+ fm cos t,c pm sin t,瞬时相位,ct + kp u(t,ct + mpcos t,最大角频移,kf U m= mf,kpU m = mp,最大相移,mp = kpU m,fm,pm,表达式,11,调频信号与调相信号的相同之处在于,1) 二者都是等幅信号,2) 二者的频率和相位都随调制信号而变化, 均产生频移 与相移，成为疏密波

5、形。正频移最大处，即瞬时频率最高 处，波形最密；负频移动最大处，即瞬时频率最低处，波 形最疏,调频信号与调相信号的区别在于,1) 二者的频率和相位随调制信号变化的规律不一样，但 由于瞬时频率与瞬时相位是微积分关系，故二者是有紧密 联系的,3) 二者的最大角频移m均等于调制指数m与调制信 号频率的乘积,12,2) 调频信号的调频指数mf与调制信号频率 有关（成反 比）, 最大角频移fm与调制信号频率无关；而调相信号 的最大角频移pm与调制信号频率 有关（成正比）,调 相指数mp与调制信号频率无关,3) 从理论上讲，调频信号的最大角频移fmc，由于载频 c很高，故fm可以很大，即调制范围很大。由于

6、相位以2 为周期，因此调相信号的最大相移（调相指数）mp，故 调制范围很小,eg: 将调制信号先微分，然后再对载波调频，则得调相信号,将调制信号先积分，再对载波进行调相，则得调频信号,13,例1,已知,u(t) = 5 cos (2 103 t)V,调角信号表达式为,uo(t) =10 cos (2 106 t ) +10cos (2 103 t)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、最大频移、载波频率和载波振幅,解,2 106 t + 10cos (2 103 t,调相指数 mp = 10 rad,载波频率 fc = 106 (Hz,fpm = mpF,最大频移,载波振

7、幅 Ucm = 10V,10 103 = 10 kHz,相移 正比于调制信号，故为调相信号,14,例2,一组频率为300 3000Hz的余弦调制信号，振幅相同，调频时最大频移为 75 kHz，调相时最大相移为 2 rad，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 fpm的范围,解,1) 调频时， ffm与调制信号频率无关，恒为75 kHz,故,2) 调相时， mP 与调制信号频率无关，恒为2 rad,故,15,6.2.3 调角信号的频谱与带宽,一、调角信号的频谱,FM信号和PM信号的频谱结构相同，下面仅讨论调频波的频谱,设调制信号,载波信号 ，则,根据贝塞尔函数

8、理论有,Jn(mf) 称为以mf为参数的n阶第一类贝塞尔函数,16,可得,载频,第一对边频,第二对边频,第三对边频,第四对边频,17,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13,m,Jn(m,Jn(m) 随m、n 变化的规律,1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4,n=0,n=1,n=2,n=3,n增大时，总趋势使边频分量振幅减小。 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零,18,3）载频分量和各边频分量的振幅均随Jn (m) 而变化,调角信号频谱特

9、点,1）调角信号的频谱是由载频 和无数对上、下边频 分量 组成，它不是调制信号频谱的线性搬移,2）奇数项的上、下边频分量的振幅相等，极性相反； 偶数项的上、下两边频分量的振幅相等，极性都相同,19,二、调角信号的功率,第一类Bessel function的性质,1,即,2）对于任何mf值，均有,20,1）因为调角波是等幅波，所以它的总功率为常数，不随 调制指数mf的变化而变化，并且等于未调制前的载波功率,讨论,4）调制后尽管部分功率由载频向边频转换，但大部分 能量还是集中在载频附近的若干个边频之中,2）调制后，已调波出现许多频率分量，这个总功率就 分配到各个分量。随m的不同，各频率分量之间功率

10、分配 数值不同,3）调制过程不需要外界供给边频功率，只是高频信号 本身载频功率与边频功率的重新分配,21,三、调角信号的带宽,实际上可以把调角信号认为是有限带宽的信号，这取决 于实际应用中允许解调后信号的失真程度,理论上：频带无限宽,凡是振幅小于未调载波振幅的10%的边频 分量可以忽略不计。即,常用的工程准则,BW = 2 (m + 1) F= 2F + 2 f m,由 Bessel function 可得调角信号的有效带宽为,22,当 m 1时,BW 2 m F,2 fm,称为宽带调角信号,当 m 1时,BW 2 F,其值近似为调制信号频率的 两倍，相当于调幅波的带宽,这时，调角信号的频谱由

11、载波分量和一对幅值相同，极性相反的上、下边频分量组成，称窄带调角信号,讨论,2）作为调相波时，由于 mp = kpUm与F无关。可见，BWPM=2(mp+1)F，在Um 不变条件下，BWPM 与 F 成正比的增加,1）作为调频信号时， 与F成反比。可见，BWFM=2(mf+1)F，在Um不变条件下，增大F，BWFM 变化不大,23,BW = 2 (m + 1) Fmax,当 m 1时,BW 2 Fmax,当 m 1时,BW 2 m F,2 fm,其中， fm=mFmax,PM信号的有效带宽与调制信号的频率成正比。如果按最高调制频率设计信道，则在调制频率低时有很大余量，系统频带利用不充分，因此在

12、模拟通信系统中，调频比调相应用更广,对有限频带的调制信号，即F= FminFmax，则调角信号的带宽为,24,四、调角信号与调幅信号的比较,调角信号比之调幅信号的优缺点,调角信号功率等于未调制时的载波功率，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，从而可提高发送设备的功率利用率,故角度调制不宜在信道拥挤、且频率范围不宽的短波波段使用，而适合在频率范围很宽的超高频或微波波段使用,优点,1）抗干扰能力强,2）功率利用率高,因为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,缺点,有效带宽比调幅信号大得多，且有效带宽与m相关,25,1.

13、直接调频,用调制信号直接控制载波振荡器频率，使其与调制信号成正比,调频输出,直接调频法优点：频偏较大缺点：中心频率易不稳定,6.3.1 调频电路的实现方法与主要性能要求,一、调频方法,直接调频,间接调频,可控的电容元件：变容二极管、电抗管 可控的电感元件：电抗管、具有铁氧体 磁芯的电感线圈,6.3 调频电路,26,2. 间接调频,载波振荡器,Ucmcosct,u(t,积分器,调相器,先对调制信号积分，后对载波进行调相,间接调频法不在振荡器中进行，故优点：中心频率较稳定缺点：不易获得大频偏,27,二、调频电路的主要性能要求,1）具有线性的调制特性，即,2）调制灵敏度要高，即kf 要大,3）载波的

14、频率稳定度要高,4）最大频偏与调制信号频率无关,5）无寄生调幅,28,6.3.2 变容二极管直接调频电路,一、变容二极管,特点: (1)必须工作在反向偏压,符号,压控特性,或,电压控制可变电抗元件,2)结电容随外加的反向电压变化而变化,ur = 0 时的结电容,外加反向偏压,PN结势垒电压（导通电压,变容指数 取值1/36,29,二、工作原理,1.电路组成,互感耦合振荡器,变容二极管和它的偏置电路,低频旁路电容,加在Cj上的反向直流偏压,30,CjQ,2.具体分析,为电容调制度,对应的结电容为CjQ,调制状态时变容二极管的结电容Cj,此时,31,瞬时振荡频率,最大频偏,未加调制信号时的载波频率

15、,即为调频振荡器的中心频率,讨论： 设 =2,即实现线性调频,1）变容二极管作为振荡回路的总电容,32,当m很小可忽略三次方以上的高次项，则瞬时频率为,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,当,33,3)调频波的最大频偏为,当调频电路要求的相对频偏较小时，m值就很小，此时对 的要求就不高,例：调频广播的中心频率为 若要求最大频偏为 ,则,可见m很小，则对应的中心频率偏移量和非线性失真就很小， 故对 的要求不高,当调频电路要求的相对频偏较大时，对 的要求就严格些,变容二极管直接接入振荡回路的缺点：调频电路的中心频率稳定度较

16、差,34,2）变容二极管部分接入振荡回路,变容管部分接入回路所构成的调频电路，中心频率的稳定提高了，但调制灵敏度和最大频偏都降低,35,三、电路实例,b,c,e,1)是电容三点式振荡电路，通过变容二极管的电容变化实现调频,2)高频扼流图 对直流和调制信号短路，而对载频开路。因而加在两个变容二极管上的反向电压是相同的,Ur _,3)本电路的特殊点是采用了两个变容二极管反向串联接入振荡回路，对高频信号而言，使得每个变容二极管两端的高频电压减小一半，可减弱高频电压对变容二极管总电容的影响,36,例1,37,38,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,6

17、.3.3 晶体振荡器直接调频电路,1晶体振荡器直接调频原理,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Pierce Oscillator就成为一个晶体调频振荡器,b,c,e,39,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f q与并联谐振频率f p之间,故调频波的最大相对频偏很小,实现调频的最大频偏,最大相对频偏,2. 实际电路举例,40,调相的实现方法,矢量合成法调相,可变移相法调相,可变时延法调相,一、 可变移相法调相电路,可控的移相网络,可控移相网络有多种实现电路，其中应用最广的是由

18、变容二极管和电感组成的调谐回路,41,载波输入,一、变容二极管调相电路,R3C3电路对调制信号构成积分电路,实际加到变容二极管上的调制电压u(t) 为,就构成间接调频,1.电路组成,构成调相电路,u (t),42,2. 工作原理,1）当 时,变容二极管反向电压加大， 减小,附加相移在调制信号控制下变化，导致输出电压的相位也随调制信号变化，从而实现调相,变容二极管反向电压,谐振回路的谐振频率为,输出电压与输入电压同相,c,90,90,2）当 时,谐振回路的谐振频率为,3）当 时,变容二极管反向电压减小， 增大,谐振回路的谐振频率为,输出电压的相位为,输出电压的相位为,43,3. 调相分析,设输入

19、载波信号,1）变容二极管作为回路总电容，当m很小时， 回路的谐振频率为,输出电压,调制信号,u (t),分别是谐振回路在 上呈现的阻抗幅值和相移,44,在失谐不大的条件下,u (t),实现线性调相的条件,45,对于要求大的相移，可采用多级单回路构成的变容二极管调相电路,三级单回路变容二极管调相电路,最大相移,46,二、 可变时延法调相电路,可控的时延网络,脉冲调相电路,能得到较大的相移，调制线性较好，但电路复杂,47,三、 矢量合成法调相电路,1) 矢量合成法原理,单音调制时，调相信号可表示为,故,48,2) 矢量合成法实现模型,实现线性调相的条件,49,四、 扩展线性频偏的方法,可先用倍频器

20、将载波频率和最大频偏同时扩展n倍，然后再用混频器将调频信号的载波频率改变为所需值,调频振荡器,n倍频器,50,图所示为某调频设备的组成框图，已知间接调频电路输出的调频信号中心频率fc1=100kHz，最大频偏fm1= 97.64Hz，混频器的本振信号频率fL=14.8MHz，取下边频输出，试求输出调频信号uo (t)的中心频率fc和最大频偏fm,例2,解,fc2 = 443fc1 =48100kHz = 4.8 MHz,fm2 = 443fm1 = 4897.64 Hz = 4.687 kHz,fc3 = fL- fc2 = (14.8-4.8) MHz = 10 MHz,fm3 = fm2

21、= 4.687kHz,fc = 44fc3 =1610 MHz = 160 MHz,fm = 44fm3 = 164.687 kHz=75 kHz,51,主要要求,6.5 调角信号的解调,52,6.5.1 概述,从调相波中取出原调制信号,从调频波中取出原调制信号,鉴频器,FM,输出与输入信号的瞬时频率偏移成正比,鉴相器,PM,输出与输入信号的瞬时相位偏移成正比,从频谱上看：调角信号的解调也是频谱的非线性搬移的过程,调频波的解调（鉴频,调相波的解调（鉴相,实现上述功能的电路称为鉴频器,实现上述功能的电路称为鉴相器,53,1)鉴频特性曲线,或,由调频信号的特征,所以,表明：要实现无失真鉴频，要求鉴

22、频器的输出电压 与频偏 成线性关系,一、鉴频器的主要质量指标,指鉴频器的输出电压uo(t)与输入FM信号瞬时频偏(t)或f(t)之间的关系曲线,S曲线,54,表明了鉴频特性曲线在原点（ ）处的斜率,3）鉴频线性范围,Bm2fm,2）鉴频跨导(鉴频灵敏度,定义,4）非线性失真：应尽可能小,SD值越大，鉴频曲线越陡，鉴频能力越强,鉴频特性曲线接近于直线的频率范围,55,二、鉴相器的主要质量指标,1）鉴相特性曲线,通常应大于调相波最大相移的二倍,2）鉴相跨导,3）鉴相线性范围,鉴相器的输出电压与输入信号的瞬时相位偏移的关系。 通常要求是线性关系,鉴相特性在原点处的斜率,4）非线性失真，应尽可能小,定

23、义,56,鉴相器可实现PM信号的解调，但也广泛用于解调FM信号，以及锁相技术及频率合成技术中,鉴相器是用来比较两个同频输入电压 和 的相位，而输出电压 是两个输入电压相位差的函数,即,当线性鉴相的情况下，输出电压 与两个输入电压的瞬时相位差成正比,即,6.5.2 鉴相器,鉴相器,模拟鉴相器,数字鉴相器,叠加型,乘积型,57,PM,参考信号,一般来说， 和 为正交关系,一、乘积型鉴相器,而,为了分析方便,假设,58,一） 和 均为小信号,根据模拟乘法器的特性，其输出电流,小于26mV,经低通滤波器滤波，在负载 可得输出电压为,鉴相特性曲线,鉴相跨导,线性鉴相范围,59,展开为傅氏级数,根据模拟乘

24、法器的特性，其输出电流,双曲线函数具有开关函数的形式,是大信号,60,经低通滤波器滤波，在负载 可得输出电压为,鉴相特性曲线,鉴相跨导,线性鉴相范围,61,展开为傅氏级数,乘法器输出电流,62,经低通滤波器滤波，在负载 可得输出电压为,鉴相跨导,线性鉴相范围,可见乘积型鉴相器应尽量采用大信号工作状态,这样可获得较宽的线性鉴相范围,63,二、门电路鉴相器,特点: 电路简单、线性鉴相范围大，易于集成化,分类,或门鉴相器,异或门鉴相器,64,一）异或门鉴相器,2、异或门的特点:两个输入电平不同时，输出为“1”，其余为“0,3、经低通滤波器滤波后，输出电压 与 的关系为三角形，可表示为,两信号延时为

25、，它反映了两信号的相位差,其鉴相跨导为,65,斜率鉴频器,一、鉴频电路的分类,6.5.3 鉴频电路,调频波FM,AMFM,1,调频调幅调频变换型,相位鉴频器,比例鉴频器,66,相移乘积型,在集成电路调频机中较多采用的相移乘积鉴频器。它是将输入FM信号经移相网络后生成与FM信号电压正交的参考信号电压，它与输入的FM信号电压同时加入相乘器，相乘器输出再经低通滤波器滤波后，便可还原出原调制信号,2,67,脉冲计数式,低通滤波器,uFM,调频脉 冲序列,u,3,调频脉冲序列中的平均分量为,脉幅,脉宽,4) 锁相环路鉴频,零比较器,68,例1,分析：鉴频特性曲线为鉴频器的输出电压与输入信号的瞬时频率偏移

26、之间的关系，而鉴频跨导为鉴频特性曲线的斜率，所以有,解,69,例2,解,1) 鉴频跨导,2,3)调制信号,70,上下对称包络检波,三个并联调谐回路组成的调频-调幅调频变换电路,二、双失谐回路斜率鉴频器,一）电路结构,uo= uo1 uo2,71,1)当输入调频波为,二）鉴频原理,则瞬时频率为,瞬时频移为,2） uo = uo1 uo2得到uo， 可见uo与瞬时频移成线性，实现鉴频,5)当输入调频信号的频率为 时，两个回路的电压振幅相等， 经两个检波器检波产生输出电压 和 是相等的，故鉴频器输出电压,3)当输入调频信号的频率从 向增大方向偏离时， 回路电压大，而 回路电压小，经检波后 ，则鉴频器

27、输出电压,4)当输入调频信号的频率从 向减小方向偏离时， 回路电压小，而 回路电压大，经检波后 ，则鉴频器输出电压,鉴频特性曲线,72,三、 相位鉴频器,1）移相网络,2）u1经耦合电容CC在扼流圈LC上产生的电压为u1,3）包络检波器,一) 电路结构,互感耦合,电容耦合,73,二）工作原理,上下检波器的输出电压为,若设检波器的传输系数为 Kd1=Kd2=Kd,上下检波器的输入电压为,74,而次级回路中产生的感应电动势,所以次级回路两端电压为,初级回路品质因数较高， 可忽略 的损耗电阻,定性分析的两点假设,2)初、次级互感耦合较弱， 可忽略次级损耗对初级的影响,副边线圈电阻,75,讨论:（1）当输入FM波瞬时频率f 等于调频波中心频率fc， 即