第7章角度调制及解调——高频电路

1、通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 1第第7章章 角度调制与解调角度调制与解调 7.1 角度调制信号分析 7.2 调频器与调频方法7.3 调频电路7.4 鉴频器与鉴频方法 7.5 鉴频电路 通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 2 概 述 在无线通信中，频率调制和相位调制频率调制和相位调制是又一类重要的调制方式。 1、频率调制又称调频频率调制又称调频(FM)，它是使高频振荡信号的频率按调制信号的规律变化(瞬时频率变化的大小与调制信号成线性关系)，而振幅保持恒定的一种调制方式。调频信号的解调称为鉴频或频率检波。 2、相位调制又称调相相位调制又称调相(PM) ，它的相位按调制

2、信号的规律变化，振幅保持不变。调相信号的解调称为鉴相或相位检波。 通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 3 3、角度调制特点、角度调制特点：调频和调相统称为角角(度度)调调(制制)，角度调制属于频谱的非线性变换属于频谱的非线性变换，即已调信号的频谱结构不再保持原调制信号频谱的内部结构，且调制后的信号带宽通常比原调制信号带宽大得多，因此角度调制信号的频带角度调制信号的频带利用率不高，但其抗干扰和噪声的能力较强利用率不高，但其抗干扰和噪声的能力较强。 另外，角度调制的分析方法和模型等都与频谱线性搬移电路不同。通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 4 4、调频与调相的关系 调频波

3、和调相波都表现为高频载波瞬时相位随调制信号调频波和调相波都表现为高频载波瞬时相位随调制信号的变化而变化，只是变化的规律不同而已的变化而变化，只是变化的规律不同而已。由于频率与相。由于频率与相位间存在微分与积分的关系，调频与调相之间也存在着密位间存在微分与积分的关系，调频与调相之间也存在着密切的关系，即切的关系，即调频必调相，调相必调频调频必调相，调相必调频。 一般来说，在一般来说，在模拟通信中，调频比调相应用广泛模拟通信中，调频比调相应用广泛，而在，而在数字通信中，调相比调频应用普遍数字通信中，调相比调频应用普遍。本章只着重讨论模拟。本章只着重讨论模拟调频。调频。通信电子线路通信电子线路第7章

4、 角度调制与解调 57.1 角度调制信号分析角度调制信号分析 一、调频信号的时域分析一、调频信号的时域分析 1、调频信号的表达式与波形、调频信号的表达式与波形 设设调制信号为单一频率信号调制信号为单一频率信号u(t)=Ucost，未调，未调载载波电压为波电压为uC=UCcosct，则根据频率调制的定义，调频信，则根据频率调制的定义，调频信号的瞬时角频率为：号的瞬时角频率为：( )( )( )cosccfcmttk utt(7-1) 它是在它是在c的基础上，增加了与的基础上，增加了与u(t)成正比的频率偏移。成正比的频率偏移。式中式中kf为比例常数为比例常数(调频灵敏度调频灵敏度)。通信电子线路

5、通信电子线路第7章 角度调制与解调 6 调频信号的瞬时相位调频信号的瞬时相位(t)是瞬时角频率是瞬时角频率(t)对时间的对时间的积分，积分，即：即：式中，式中， 为信号的起始角频率。为信号的起始角频率。为了分析方便，不妨设为了分析方便，不妨设0=0，则式（，则式（7-2）变为：）变为：00( )( )ttd （7-2） 0( )( )sinsin( )tmccfctdtttmtt （7-3） 0通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 7 式中式中， 为调频指数为调频指数。FM波的表示式为波的表示式为mfmsin( )cos(sin)RefcjmtjtFMCcfCutUtmtU ee(7

6、-4) 图图7-1画出了画出了频率调制过程中调制信号、调频信号及频率调制过程中调制信号、调频信号及相应的瞬时频率和瞬时相位波形相应的瞬时频率和瞬时相位波形。通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 8图7-1 调频波波形t0t0u(a)(b)t0(t)(c)cmt0(d)IFM(t)t(t)024Tc2Tcmf(t)c(e)通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 92、调频信号的基本参数、调频信号的基本参数 在调频信号中，有在调频信号中，有三个基本参数三个基本参数： (1) 载波角频率载波角频率c：是没有受调时的载波角频率。：是没有受调时的载波角频率。 (2) 调制信号角频率调制

7、信号角频率：它反映了受调制的信号的瞬时频：它反映了受调制的信号的瞬时频率变化的快慢。率变化的快慢。 (3) 最大角频偏最大角频偏m：是相对于载频的最大角频偏，与之：是相对于载频的最大角频偏，与之对应的频偏对应的频偏ffm=m/2，也反映了瞬时频率摆动的幅，也反映了瞬时频率摆动的幅度。度。调频广播中规定最高频偏为调频广播中规定最高频偏为 7 5 千赫千赫. 在频率调制中，在频率调制中，最大角频偏最大角频偏m是衡量信号频率受调是衡量信号频率受调制的程度的重要参数制的程度的重要参数，也是衡量，也是衡量调频信号质量的重要参数调频信号质量的重要参数。通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 10(

8、4) 调频波的调制指数调频波的调制指数mf： mf= m/ = ffm/ F，mf与与U成正比。成正比。通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 11二、调频信号的频域分析二、调频信号的频域分析 1调频波的展开式调频波的展开式 因为式（因为式（7-4）中的）中的 是周期为是周期为2/的周期性的周期性时间函数，可以将它时间函数，可以将它展开为傅氏级数，其基波角频率为展开为傅氏级数，其基波角频率为，即即sinfjmtesin()fjmtjn tnfneJme（7-5） 式中Jn(mf)是宗数为mf的n阶第一类贝塞尔函数，它可以用无穷级数进行计算:20( 1) ()2()!()!fnnmnfm

9、mJmm nm（7-6） 通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 12 它随它随mf变化的曲线如图变化的曲线如图7-3所示，调频波的级数展开式所示，调频波的级数展开式为为:()( )Re()()cos()cjt n tFMCnfnCnfcnutUJmeUJmnt （7-7） 特殊点验证：在图特殊点验证：在图7-3中，除中，除J0(mf)外，在外，在mf =0的其他的其他各阶函数值均为各阶函数值均为0，这意味着，当没有，这意味着，当没有角度调制角度调制时，时，除了除了载波外，不含其他频率分量。载波外，不含其他频率分量。通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 13图7-3 第一类贝

10、塞尔函数曲线 01234567891011120.40.200.20.40.60.81.0Jn(mf)J0J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10mf通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 14 2调频波的频谱结构和特点调频波的频谱结构和特点 将将(7-7)式进一步展开，有式进一步展开，有 uFM(t)=UCJ0(mf)cosct+J1(mf)cos(c+)t -J1(mf)cos(c-)t+J2(mf)cos(c+2)t +J2(mf)cos(c-2)t+J3(mf)cos(c+3)t -J3(mf)cos(c-3)t+ （7-8） 由由(7-8)式可得，式可得，单一频率调频波是由

11、许多频率分量组成的，单一频率调频波是由许多频率分量组成的，而不像振幅调制那样，单一低频调制时只产生两个边频而不像振幅调制那样，单一低频调制时只产生两个边频(AM、DSB)，因此调频属于非线性变换，因此调频属于非线性变换。其分布规律如图。其分布规律如图7-4所示。所示。通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 15图7-4 单频调制时FM波的振幅谱（a）为常数;（b）m为常数 (图中忽略了幅度较小的边频分量)cmf1cmf1mf2ccmf2cmf5cmf10Qcmf15mf5cmf10mf20cc(a)(b)mfmfk Um通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 16（1）单一频率

12、调制的调频信号是由载波分量和无穷多对对称于载频两侧的边频率分量组成的，每个变频分量的间隔为调制频率或F。因此调频是非线性频谱的搬移。（2）载波分量和每对边频分量的振幅由对应的各阶贝塞尔函数来确定，mf不同，它们的振幅也发生变化，在某些mf值时，可能会使某些频率分量振幅为零。（3）偶数的边频分量符号相同。如将这对边频分量相加，则可合成为一DSB信号，且相位与载波相同。奇数的边频分量符号相反。如将一对奇频分量相加，则合成矢量与载波垂直。见图7-5。（4）当mf越大，具有较大振幅的边频分量数目就越多。通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 17图75 调频信号的矢量表示 通信电子线路通信电子

13、线路第7章 角度调制与解调 18 当调频波的调制指数当调频波的调制指数mf较小时，由图较小时，由图7-3可知，可知，|J1(mf)| |J2(mf)| |J3(mf)|.,此时可认为调频波只由此时可认为调频波只由c和和c边频构成。这种调频波称为边频构成。这种调频波称为窄带调频窄带调频(NBFM)。通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 19 3、调频信号的带宽、调频信号的带宽 从从原理上讲，调频波包含无穷多频率分量原理上讲，调频波包含无穷多频率分量，其带宽是没，其带宽是没有意义的。但从工程上看，幅度较大的边频分量是不多的。有意义的。但从工程上看，幅度较大的边频分量是不多的。 (1) 确

14、定带宽的准则确定带宽的准则 通常选取有影响边频分量的通常选取有影响边频分量的的准则的准则是：是：信号的频带宽度信号的频带宽度应包括幅度大于未调载波应包括幅度大于未调载波1%以上的边频分量以上的边频分量，即，即 |Jn(mf)| 0.01不过，不过，在要求不高的场合，此标准也可定为在要求不高的场合，此标准也可定为5%甚至甚至10%。 对于不同对于不同mf值，值，有用边频数目有用边频数目(2n)可查贝塞尔函数表。可查贝塞尔函数表。 满足满足|Jn(mf)|0.010.01的的n/n/mf与与mf的关系曲线如图的关系曲线如图7-6所示。所示。通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 20 图7

15、-6 |n(mf)|0.01时的n/mf曲线 mfn/mf0123448121620通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 21 (2) 宽带调频与窄带调频及带宽宽带调频与窄带调频及带宽 由图可见，当由图可见，当mf很大时，很大时，n/mf趋近于趋近于1。 宽带调频宽带调频(WBFM)：是指调频时其调制指数是指调频时其调制指数mf1的调频。的调频。因此宽带调频时，应将因此宽带调频时，应将n=mf的边频包括在频带内，此时带宽的边频包括在频带内，此时带宽为为： Bs=2nF=2mfF=2fm （7-9） 窄带调频窄带调频(NBFM)：是指调频时其调制指数是指调频时其调制指数mf很小的调频，

16、很小的调频，如如mff0=fc时，时，UD1UD2，随着，随着f的增加，两者差值将加的增加，两者差值将加大；大； ff0=fc时，时，UD1fc时，时，UD1UD2， i1i2，输出电压为负；，输出电压为负； 当当ffc时，时，UD1UD2， i1i2，输出电压为正。，输出电压为正。说明：说明：其鉴频特性如图其鉴频特性如图7-50(c)所示，它与互感耦合或电所示，它与互感耦合或电容耦合相位鉴频器的鉴频特性的极性相反。当然，通过容耦合相位鉴频器的鉴频特性的极性相反。当然，通过改变两个二极管连接的方向或耦合线圈的绕向改变两个二极管连接的方向或耦合线圈的绕向(同名端同名端)，可以使鉴频特性反向。可以

17、使鉴频特性反向。通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 105另一方面，输出电压也可由下式导出：另一方面，输出电压也可由下式导出：12121221121211111()22221ccccccoccoococccuuuuuuuuuEEuEuuu(7-72)其中：其中：E0=Uc1+ Uc2，为电容，为电容C两端的电压。上式说明，两端的电压。上式说明，比例比例鉴频器输出电压取决于两个检波电容上电压的比值，故称为鉴频器输出电压取决于两个检波电容上电压的比值，故称为比例鉴频器。比例鉴频器。通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 10621210212101212012011211222

18、DDDDCCCCCCCCCCUUUUEuuuuEuuuuEuuu 3.自限幅原理自限幅原理因为输出电压可写成： 当输入频率变化时，当输入频率变化时，u uc1c1和和u uc2c2向相反的方向变化，使输出向相反的方向变化，使输出改变也随输入信号频率改变。但当输入信号幅度发生变化时，改变也随输入信号频率改变。但当输入信号幅度发生变化时，它们向同向改变，但比值几乎不变，因此起到了自限幅作用。它们向同向改变，但比值几乎不变，因此起到了自限幅作用。(7-85)通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 107 另一方面，因为电容另一方面，因为电容C C很大，故很大，故E E0 0基本恒定，且作为两

19、个基本恒定，且作为两个二极管的固定负偏压。当输入信号增大时，导通角增大，电二极管的固定负偏压。当输入信号增大时，导通角增大，电流基波分量增大，使输入电阻减低，回路流基波分量增大，使输入电阻减低，回路Q Q值减小，导致回路值减小，导致回路电压和相位都下降，达到稳幅的目的。电压和相位都下降，达到稳幅的目的。因此要求：因此要求： (1)(1)回路的无载回路的无载Q Q0 0值要足够高，以便当检波器输入电阻值要足够高，以便当检波器输入电阻R Ri i随输入电压幅度变化时，能引起回路随输入电压幅度变化时，能引起回路Q Qe e明显的变化。明显的变化。 (2)(2)要保证时常数要保证时常数( (R R1

20、1+ +R R2 2) )C C大于寄生调幅干扰的几个周期。大于寄生调幅干扰的几个周期。 4.4.存在问题存在问题 在克服寄生调幅的同时，比例鉴频器存在着过抑制与阻塞在克服寄生调幅的同时，比例鉴频器存在着过抑制与阻塞现象现象。 通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 108图749 减小过抑制及阻塞的措施 过抑制是指输入电压在寄生调幅的作用下瞬间增大，过抑制是指输入电压在寄生调幅的作用下瞬间增大，由于由于KdKd和和RiRi下降过多，回路下降过多，回路Qe下降太多，相位减少过快，下降太多，相位减少过快，使输出电压使输出电压u uo o不升反降的现象。这会引起解调失真。不升反降的现象。这会引起解调失真。 阻塞是指输入信号幅值瞬时大幅度下降时，因阻塞是指输入信号幅值瞬时大幅度下降时，因E E0 0的反的反压作用，使二极管反向截止，造成在一段时间内不能收到压作用，使二极管反向截止，造成在一段时间内不能收到信号。信号。 解决方法是使二极管反偏压随输入信号发生变化。解决方法是使二极管反偏压随输入信号发生变化。通信电子线路通信电子线路第7章 角度调制与解调 109三、乘积型