高频电子线路 第八章_角度调制与解调_第五版

1、第八章第八章 角度调制与解调角度调制与解调第一节：概述第一节：概述第二节：调角波的性质第二节：调角波的性质第三节：调频方法概述第三节：调频方法概述第四节：变容二极管调频第四节：变容二极管调频第五节：晶体振荡器直接调频第五节：晶体振荡器直接调频第六节：间接调频：由调相实现调频第六节：间接调频：由调相实现调频第七节：可变延时调频（自学）第八节：相位鉴频器第八节：相位鉴频器第九节：比例鉴相器第九节：比例鉴相器第十节：其他形式的鉴相器（自学）本章重点本章重点1、调频波与调相波的基本性质及二者的异同点。 2、变容二极管调频的原理。3、间接调频的原理。4、相位鉴频器原理。第一节第一节概概 述述tV000c

2、osvtVcosvtV000cosvtVcosv 0D D m 0+D D mAMFM第一节调频波的指标调频波的指标寄生调幅寄生调幅频谱宽度频谱宽度抗干扰能力抗干扰能力幅度调制幅度调制角度调制角度调制调频FM调相PM载波信号载波信号的受控参量的受控参量振幅振幅频率频率相位相位解调方式解调方式相干解调或相干解调或非相干解调非相干解调鉴频或鉴频或频率检波频率检波鉴相或鉴相或相位检波相位检波解调方式解调方式的差别的差别频谱线性搬频谱线性搬移频谱结构移频谱结构无变化无变化频谱非线性频谱非线性频谱结构发频谱结构发生变化属于生变化属于非线性频率非线性频率变换变换特点特点频带窄频带窄频带利频带利用率高用率高

3、频带宽频带宽频带利频带利用不经用不经济、抗济、抗干扰性干扰性强强用途用途广播广播电视电视通信通信遥测遥测数字数字通信通信调幅AM第一节第一节鉴频器的指标鉴频器的指标鉴频灵敏度鉴频灵敏度鉴频跨导鉴频跨导鉴频频带宽度鉴频频带宽度寄生调幅抑制能力寄生调幅抑制能力失真和稳定性失真和稳定性第二节第二节调角波的性质调角波的性质一、瞬时频率与瞬时相位一、瞬时频率与瞬时相位)(cos)(tVtvm矢量在实轴上的投影为：矢量在实轴上的投影为：00)()(dttttdttdt)()(角度调制角度调制的两个基的两个基本关系式本关系式频率：简谐振荡每秒钟重复的次数。频率：简谐振荡每秒钟重复的次数。调频调频(调相调相)

4、波：波：用调制信号控制高频用调制信号控制高频振荡的频率振荡的频率(相位相位) 调角波调角波第二节二、调角波数学表示式二、调角波数学表示式1. 调频波调频波(FM波波)表示式表示式设调制信号为设调制信号为tVtvmcos)(载波振荡载波振荡(电压或电流电压或电流)为为)(cos)(0tAta调频波的瞬时频率调频波的瞬时频率 随随 成线性变化，即成线性变化，即)(t)(tv)()(0tvktf瞬时频率偏移，频移 )(0tDD最大频移最大频移max| )(|tvkfmfVk(频偏频偏)第二节tVktmfsin0故由故由 调制的调频波的数学表达式调制的调频波的数学表达式)(tv调频波的调制指数调频波的

5、调制指数)sincos()(00tVktAtamfmffVkm令令D瞬时相位瞬时相位dtttt)()(0dttvktf)(00tdtVkttmfcos000令令0=0第二节2. 调相波调相波(PM波波)表示式表示式)()(0tvkttp调相波的瞬时相位随调相波的瞬时相位随 线性地变化，线性地变化，应为：应为：)(tv瞬时相位偏移，相移 )(0ttD最大相移最大相移(调制指数调制指数mp)max| )(|tvkmppmpVk故，调相波的数学表达式故，调相波的数学表达式)(cos)(00tvktAtap)coscos(00tmtAp瞬时角频率瞬时角频率dttdt)()(tVkmpsin0tmpsi

6、n0表表10.1 调频波和调相波的比较调频波和调相波的比较调制信号调制信号tVtvmcos)(载波振荡载波振荡)(cos)(0tAta数学表达式数学表达式瞬时频率瞬时频率瞬时相位瞬时相位最大频移最大频移最大相移最大相移调频波调频波调相波调相波)(cos000tfdttvktA)(cos00tvktAp)(0tvkfdttdvkp)(0tfdttvkt00)()(0tvktpmax| )(|tvkfmax|)(|dttdvkpmax0|)(|dttvktfmax| )(|tvkp)sincos(00tmtAf)coscos(00tmtAptmfcos0tmpsin0tmtfsin0tmtpcos

7、0fmfmVkpmpmVkmffVkmmppVkm第二节例例10.2.1已知调频波表达式为已知调频波表达式为试求该调频波的最大频偏试求该调频波的最大频偏f 和最大相位偏移和最大相位偏移mf 若若 ，求出调制信号和载波的表，求出调制信号和载波的表达式。达式。)102sin10102cos(8)(38tttvVrad/s10223 kf解：解：)sincos()(00tmtVtvf80102 3102 431021021010fm所以所以Dfm而而所以所以f2DDHz104又又mffVkmffmkmVV510221021033所以，所以，)V(102cos53t载波信号载波信号tVtv000cos

8、)()V(102cos88ttVtvmcos)(调制信号调制信号第二节三、调频波和调相波的频谱和频带宽度三、调频波和调相波的频谱和频带宽度以调频信号为例以调频信号为例(为简单起见，令为简单起见，令A01)：)sincos()(0tmttaf)sinsin(sin)sincos(cos00tmttmtff式中式中1202cos)(2)()sincos(nfnfftnmJmJtm012) 12sin()(2)sinsin(nfnftnmJtm)(fnmJ是以是以mf 为参数的为参数的n 阶第一类贝塞尔函数。阶第一类贝塞尔函数。1. 调频信号的表达式调频信号的表达式第二节tmJtaff00cos)(

9、)(tmJtmJff)cos()()cos()(0101tmJtmJff)2cos()()2cos()(0202tmJtmJff)3cos()()3cos()(0303载频载频第一对边频第一对边频第二对边频第二对边频第三对边频第三对边频由此得到调频信号的表达式：由此得到调频信号的表达式：第二节 通常规定：凡是振幅小于未调制载波振通常规定：凡是振幅小于未调制载波振幅的幅的1(或或10)，边频分量均可忽略不计，边频分量均可忽略不计，保留下来的频谱分量就确定了调频的频带宽保留下来的频谱分量就确定了调频的频带宽度。度。2. 频谱频谱若忽略小于未调制载波振幅的若忽略小于未调制载波振幅的10的边频分量，则

10、的边频分量，则频谱宽度频谱宽度FmBfw) 1(2而而mffVkmDFfD)(2FfBwDfBFfmwfDD21，时时即即当当FBFfmwf21D，时时即即当当宽带调频制窄带调频制Carson公式公式第二节例例10.2.2利用近似公式利用近似公式 计算下计算下列三种情况的频带宽度：列三种情况的频带宽度：)(2FfBwDkHz1 . 0,kHz75) 1DmFf(Fm为最高调制频率为最高调制频率)kHz1,kHz75)2DmFfkHz10,kHz75) 3DmFf解：解：)(2) 1FfBwDkHz150) 1 . 075(2kHz152) 175(2)2wBkHz170)1075(2)3wB

11、由此可以看出，尽管调制频率变化了由此可以看出，尽管调制频率变化了100倍，倍，但频带宽度的变化却非常小！但频带宽度的变化却非常小！第二节例例10.2.3对于调相制，采用对于调相制，采用 来来求它的频谱宽度。设求它的频谱宽度。设mp=75，试求下，试求下列情况下的调相波频谱宽度：列情况下的调相波频谱宽度：FmBpw) 1(2kHz1 . 0) 1FkHz1)2FkHz10) 3F解：解：FmBpw) 1(2) 1kHz2 .151 . 0) 175(2kHz1521) 175(2)2wBkHz152010) 175(2)3wB 可见，调相波的频带宽度发生剧烈变化！可见，调相波的频带宽度发生剧烈变

12、化！第二节解：解：)coscos()(00tmtVtvpPMkHz24Hz102123mppVkmFmfpD而而FmBpw) 1(2 已知已知 试求该调相波的调相指数试求该调相波的调相指数mp ,最大频偏最大频偏f 和有和有 效频谱宽度效频谱宽度BW，并写出该调相波的表达式。，并写出该调相波的表达式。例例10.2.4Vrad2pk，)V(104cos6)(3ttv，)V(102cos2)(80ttvrad1262kHz52Hz102) 112(23)(2FfBwD或或kHz52)224(2)104cos12102cos(238tt第三节第三节调频方法概述调频方法概述产生调频信号的电路叫做调频器

13、。产生调频信号的电路叫做调频器。调频器的四个主要技术要求：调频器的四个主要技术要求： 已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化；已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化； 未调制时的载波频率具有一定的稳定度；未调制时的载波频率具有一定的稳定度； 最大频移与调制频率无关；最大频移与调制频率无关； 无寄生调幅，或寄生调幅尽可能小。无寄生调幅，或寄生调幅尽可能小。产生调频信号的方法：直接调频和间接调频产生调频信号的方法：直接调频和间接调频(a) 直接调频(b) 间接调频基本要求基本要求必要条件必要条件第三节一、直接调频原理一、直接调频原理 直接调频的基本原理是用调制信号直接直接调频的基本原理是用调制信号

14、直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。因此，凡线性地改变载波振荡的瞬时频率。因此，凡是能直接影响载波振荡瞬时频率的元件或参是能直接影响载波振荡瞬时频率的元件或参数，只要能够用调制信号去控制它们，并从数，只要能够用调制信号去控制它们，并从而使载波振荡瞬时频率按调制信号变化规律而使载波振荡瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，都可以完成直接调频的任务。线性地改变，都可以完成直接调频的任务。 如果载波由如果载波由LC自激振荡器产生，则振荡频率主自激振荡器产生，则振荡频率主要由谐振回路的电感元件和电容元件所决定。因此，要由谐振回路的电感元件和电容元件所决定。因此，只要能用调制信号去控制回路的电感或电容，就

15、能只要能用调制信号去控制回路的电感或电容，就能达到控制振荡频率的目的。达到控制振荡频率的目的。第三节二、间接调频原理二、间接调频原理瞬时频率瞬时频率)(t瞬时相位瞬时相位)(t00)(tttdttdd)(第四节第四节变容二极管调频变容二极管调频一、基本原理一、基本原理 变容管是利用变容管是利用PN结的结电容随反向电压结的结电容随反向电压变化这一特性而制成的一种半导体二极管。变化这一特性而制成的一种半导体二极管。其结电容其结电容Cj与反向电压与反向电压vR存在如下关系：存在如下关系：)1 (0DRjjVvCC变容指数，取决于变容指数，取决于PN结结 的结构和杂质分布情况的结构和杂质分布情况缓变结

16、变容管，缓变结变容管， = 1/3；突变结变容管，突变结变容管， = 1/2 ；超突变结变容管，超突变结变容管， = 14。 VD势垒电压势垒电压 ，硅管约为，硅管约为0.7V，锗管约为，锗管约为0.2V。0jC0Rv时的结电容时的结电容第四节tVVtvRcos)(0 变容二极管的反向电压变容二极管的反向电压只随调制电压变化，即只随调制电压变化，即)1 (0DRjjVvCC)cos1 (00DjVtVVCcos)1(00tVVVVCDDj变容管电路变容管电路第四节cos1 )1 (000tVVVVVCCDDjj)cos1 (0tmCCj静态工作点的结电容。静态工作点的结电容。 )1 (000D

17、jVVCC调制深度调制深度( m 1)0VVVmD式中式中C jvRV0)(tv0C第四节故振荡频率故振荡频率2/0cos1 2121tmCLLCfj2cos1 tmfc021CLfc其中其中未调制时的振荡频率未调制时的振荡频率利用泰勒级数，可展开为：利用泰勒级数，可展开为：2cos) 12(8) 12(8cos21 )cos)(12(2!21cos21 222tmmtmftmtmffcctmmtmfffcc2cos) 12(8) 12(8cos222故其调制特性为：故其调制特性为：第四节当当 = 2时，时，)cos1 (tmffctmffcccos如果令如果令cmmffDtfffmcDcos

18、则则调频波的最大偏移调频波的最大偏移 实际上，变容二极管的实际上，变容二极管的 值不一定都等于值不一定都等于2，要实现频率要实现频率f 的变化量与调制信号成正比的线的变化量与调制信号成正比的线性调制，要求调制信号电压幅度不能太大，即性调制，要求调制信号电压幅度不能太大，即 fm 不可能太大不可能太大,否则会产生线性失真。否则会产生线性失真。第五节第五节晶体振荡器直接调频晶体振荡器直接调频1) 晶体振荡器的类型晶体振荡器的类型 工作在石英晶体的串联谐振频率工作在石英晶体的串联谐振频率fq上，上，晶体等效为一个短路元件，起选频作用；晶体等效为一个短路元件，起选频作用； 工作于晶体的串联与并联谐振频

19、率之间，晶体工作于晶体的串联与并联谐振频率之间，晶体 等效为一个高品质因数的电感元件，作为振荡等效为一个高品质因数的电感元件，作为振荡 回路元件之一。回路元件之一。qqqCLf210021CCCCLfqqqp两个谐振频率十分接近两个谐振频率十分接近qqqpfCCCfff) 1(00D结论：频偏小，但中心频率稳定度高结论：频偏小，但中心频率稳定度高第五节2) 变容二极管接入振荡回路的形式：变容二极管接入振荡回路的形式： 变容二极管与石英晶体相串联变容二极管与石英晶体相串联CqfDf即中心频率稳定度更高，频偏更小。即中心频率稳定度更高，频偏更小。 变容二极管与石英晶体相并联变容二极管与石英晶体相并

20、联pfDfC频偏更小频偏更小解决频偏小的措施解决频偏小的措施串电感，或并电感串电感，或并电感串联一电感串联一电感LqfDf即频偏加大即频偏加大并联一电感并联一电感LDf即频偏加大即频偏加大(高频时，高频时，LqCq支路呈电感性质支路呈电感性质)第六节第六节间接调频：由调相实现调频间接调频：由调相实现调频一、调相的方法一、调相的方法1) 利用变容二极管失谐回路实现调相利用变容二极管失谐回路实现调相 当载波频率保持为当载波频率保持为0不变时，不变时， Cj随随v变化而变化，变化而变化，并联输出电压的幅度和相位也随之变化。并联输出电压的幅度和相位也随之变化。未加调制电压时，未加调制电压时，0jjCC

21、 Cj增大，并联回路谐振频增大，并联回路谐振频率下降，相移率下降，相移 减小；减小；Cj减小，谐振频率升高，相移减小，谐振频率升高，相移 增大；增大；第六节 在满足失谐不大在满足失谐不大( )的条件的条件下，相移下，相移 将与调制信号成线性关系，将与调制信号成线性关系，即即 从而实现从而实现 与调制信号成与调制信号成正比的调相要求。正比的调相要求。160DjCC，tmpcos2) 利用移相网络调相利用移相网络调相3) 矢量合成调相法矢量合成调相法4) 脉冲调相法脉冲调相法知道有这么一种方法知道有这么一种方法 脉冲调相法脉冲调相法又称又称 脉冲调位，是用控制脉冲出现的位置，脉冲调位，是用控制脉冲

22、出现的位置，实现调相。这种方式不仅可以得到稳定的中心频率，而且实现调相。这种方式不仅可以得到稳定的中心频率，而且能够得到大的调制系数，应用广泛。能够得到大的调制系数，应用广泛。第八节第八节相位鉴频器相位鉴频器一、相位鉴频器的工作原理一、相位鉴频器的工作原理 完成频率完成频率(相位相位)-电压转换功能的电路，电压转换功能的电路，称为频率称为频率(相位相位)解调器，简称鉴频解调器，简称鉴频(鉴相鉴相)器。器。进行波形变换，将等幅调频波变换成幅度随进行波形变换，将等幅调频波变换成幅度随 瞬时频率变化的调幅波，然后再用振幅检波瞬时频率变化的调幅波，然后再用振幅检波 器将振幅的变化检测出来；器将振幅的变

23、化检测出来；对调频波通过零点的数目进行计数对调频波通过零点的数目进行计数(脉冲计数脉冲计数 式鉴频器式鉴频器)；利用移相器与符合门电路相配合。利用移相器与符合门电路相配合。鉴频的方法：鉴频的方法：作用：从调频波或调相波中检出原来的信号。作用：从调频波或调相波中检出原来的信号。第八节1. 工作过程工作过程 用延时电路将等幅调频波变换为等幅调相用延时电路将等幅调频波变换为等幅调相- 调频波。调频波。 用相加电路将调频信号与其延时后的信号相用相加电路将调频信号与其延时后的信号相 加，将等幅调相加，将等幅调相-调频波变换为调幅调频波变换为调幅-调相调相-调调 频波。频波。 用幅度解调器解调出原调制信号。用幅度解调器解调出原调制信号。相位鉴频器的实现框图第八节电压传输系数2. 具体电路分析具体电路分析:等幅调频波等幅调频波12V:用耦合延时电路将等幅调频波变换为调相用耦合延时电路将等幅调频波变换为调相-调频波调频波ab