通信电子电路第6章ppt课件

1、第一节 调角波的性质第六章 角度调制与解调第二节 调频方法及电路第三节 限幅器第四节 鉴频器 第六章 角度调制与解调 上一章讲的调幅是以上一章讲的调幅是以u去控制载波振幅，反去控制载波振幅，反映到频谱上是频率搬移，其频谱构造不变，所映到频谱上是频率搬移，其频谱构造不变，所以属于线性调制。以属于线性调制。 本章讲的调角是以本章讲的调角是以u去控制载波的频率或相去控制载波的频率或相位，反映到频谱上是一种复杂的变换添加了位，反映到频谱上是一种复杂的变换添加了许多组合频率，属于非线性调制。许多组合频率，属于非线性调制。 调角的优点：抗干扰才干强。调角的优点：抗干扰才干强。 以调制信号以调制信号u去控制

2、载波的频率或相位，使载波的频去控制载波的频率或相位，使载波的频率或相位随调制信号的规律变化，这样得到的已调波率或相位随调制信号的规律变化，这样得到的已调波称调频波或调相波，统称调角波。称调频波或调相波，统称调角波。设载波设载波 uo(t)=Ucos(t+o)=Ucos(t),tt0)(第一节第一节 调角波的性质调角波的性质 未调制时=常数；调角后 常数,其dttdt)()( tdttt00)()( 显见，不论是显见，不论是FM还是还是PM，都会引起，都会引起(t)的变化，的变化，所以统称为调角。所以统称为调角。 瞬时相位：其中，其中，(t) =t+ o或或瞬时频率：瞬时频率：第一节 调角波的性

3、质一、调角波的表示式一、调角波的表示式一调频一调频FM波表示式波表示式设设u(t)=Ucost,载波载波uc(t)=Uccos(ct+ o)，据调频定义：，据调频定义：FM波的瞬时频率：波的瞬时频率： (t)= C+kfu= C+kfUcost = C+fcost其中其中, C载频，载频，FM波中的中心频率波中的中心频率 kf比例系数，单位调制信号强度引起的频率变化，比例系数，单位调制信号强度引起的频率变化， 阐明控制才干的大小阐明控制才干的大小 f最大频偏，即最大频偏，即FM瞬时频率偏离瞬时频率偏离 C的最大值的最大值FMFM波的表示式：波的表示式：u(t)=Uccos(ct+mfSint+

4、 u(t)=Uccos(ct+mfSint+ o)o)000sinsin)()(tmtttdtttfCtfC其中其中: mf 称调频指数，是载波称调频指数，是载波 相位上附加的最大相移，相位上附加的最大相移， 它阐明调制深度。它阐明调制深度。FM波的瞬时相位：波的瞬时相位：调频引起的附加相移调频引起的附加相移特点：频率变化与特点：频率变化与u成正比，成正比， 附加相移与附加相移与u相差相差90。详细波形如图详细波形如图utttttt t tu(t)(t)(t)(t)mffccPM波瞬时频率：波瞬时频率：其中：其中：mp=kpU：称调相指数，代表调相波的最大相偏，：称调相指数，代表调相波的最大相

5、偏，kp的的物理意义是单位调制信号强度引起的相位变化。物理意义是单位调制信号强度引起的相位变化。ttmdttdtpCpCsinsin)()(第一节 调角波的性质据调相定义，据调相定义，PM波的瞬时相位随波的瞬时相位随u线性变化，即线性变化，即 PM波的瞬时相位波的瞬时相位:(t) )=ct+ o +KpU cost=ct+ o +mpcost二调相波的表示式二调相波的表示式p=mp 调相中瞬时频率偏移的最大值调相中瞬时频率偏移的最大值PM波也存波也存在在 变化。变化。其中：其中：第一节 调角波的性质PMPM波表示式：波表示式： U(t)=Uccos(ct+ U(t)=Uccos(ct+ o +

6、mpcost)o +mpcost)波形分析见图波形分析见图瞬时相位变化与瞬时相位变化与uu成正比，成正比，瞬时频率瞬时频率p p的变化与的变化与uu的的微分成正比。微分成正比。特点：特点：utttttt t tu(t)(t)(t)(t)mppcc第一节 调角波的性质FM、PM波的比较FMPM数学表达式)0)(cos(0tdttuktUfCC)(cos(0tuktUpCC瞬时频率C+kfu(t)dttdukpC)(瞬时相位tfCdttukt00)(0)(tuktpC最大频偏maxukffmax)(dttdukpp最大相偏max0)(tdttukmffmaxukmpp 值得强调的两点差别值得强调的

7、两点差别: : 1 1、调频时：、调频时：f fU U ，与，与 无关无关 调相时：在调相时：在mpmp一定时，一定时，p p 2 2、调频时：、调频时：mfmf1/1/ ( (f f一定时一定时) ) 调相时：调相时：mpmpU U ，( (与与 无无关关) )第一节 调角波的性质mffmf= f mpp=mp用曲线表示：用曲线表示：fmpp 例例6-1 6-1 设一组正弦调制信号，信号频率最低为设一组正弦调制信号，信号频率最低为Fmin=300HZ,Fmin=300HZ,最最高为高为3400HZ3400HZ调制信号的幅度都一样，调制时，最大频偏调制信号的幅度都一样，调制时，最大频偏 ff=

8、75kHZ;ff=75kHZ;调相时，最大相偏调相时，最大相偏mp=1.5rad/smp=1.5rad/s试求调频时，试求调频时，mfmf的变化范围；调相时，的变化范围；调相时， fpfp的变化范围。的变化范围。 解：解：1 1、调频时，、调频时，mf=mf=f/f/ = = ff/Fff/F (mf)max= (mf)max= ff/Fmin=75ff/Fmin=75103/300=250rad/s 103/300=250rad/s (mf)min= (mf)min= ff/Fmax=75ff/Fmax=75103/3400=22rad/s103/3400=22rad/s第一节 调角波的性质

9、 2、调相 fp=mp(FminFmax)=1.5 (3003400)=4505100HZ可见调相时mp=kpU是不变的,但fpF 二、调角信号的频谱和有效带宽二、调角信号的频谱和有效带宽( (二二) )调角信号的频谱调角信号的频谱FMFM：u(t)=UCcos(ct+mfsint+u(t)=UCcos(ct+mfsint+0)0)PMPM：u(t)=UCcos(ct+mpcost+u(t)=UCcos(ct+mpcost+0) 0) 由由uu引起的相移相差引起的相移相差/2/2，无本质区别。，无本质区别。第一节 调角波的性质归并成通式：归并成通式：u(t)=UCcos(ct+msint+u(

10、t)=UCcos(ct+msint+ 0) 0) 利用和角公式利用和角公式 u(t) =UCcos(msint)cos(ct+ u(t) =UCcos(msint)cos(ct+ 0)-sin(msint)sin(ct+0)-sin(msint)sin(ct+ 0)0)在贝塞尔函数实际中有以下关系：在贝塞尔函数实际中有以下关系：cos(msint)=J0(m)+2J2(m)cos2t+2J4(m)cos4t+cos(msint)=J0(m)+2J2(m)cos2t+2J4(m)cos4t+sin(msint)=2J1(m)sint +2J3(m)sin3t +sin(msint)=2J1(m)

11、sint +2J3(m)sin3t +第一节 调角波的性质所以所以 ,u(t)=UCJo(mCos( ct+o) +UCJ1(m)Cos( c+)t+o - Cos( c-)t+o +UCJ2(m)Cos( c+2)t+o + Cos( c-2)t+o +UCJ3(m)Cos( c+3)t+o - Cos( c-3)t+o +其中其中:J0(m)以以m为宗量的载频分量的振幅系数为宗量的载频分量的振幅系数Jn(m)以以m为宗量的边频分量为宗量的边频分量 n c的振幅系数的振幅系数由式可以看出调角波频谱特点：由式可以看出调角波频谱特点：1 1频率成分：频率成分：cc、ccnn，n=1,2,n=1,

12、2,2 2边频分量的幅度：边频分量的幅度：Un=UcJnUn=UcJnm m (3 (3相位：当相位：当n=n=奇数时，上、下边频相位相反；奇数时，上、下边频相位相反； 当当n=n=偶数时，上下边频相位一样；偶数时，上下边频相位一样； 当当m,nm,n为知时，以为知时，以m m为变量的振幅系数可由贝塞尔函数曲线为变量的振幅系数可由贝塞尔函数曲线P234P234图图7-37-3或或P276P276的附表查得。的附表查得。查曲线方法查曲线方法: :例例m=4,m=4,那么由那么由P234P234图图7-37-3可查得可查得J0(4)=-J0(4)=-39.71% J1(4)=-6.6% J2(4)

13、=36.42%39.71% J1(4)=-6.6% J2(4)=36.42%第一节 调角波的性质横坐标为横坐标为m,m,纵坐标为纵坐标为n,Jn(m)%n,Jn(m)%表示振幅系数值表示振幅系数值, ,显然其正负、大小无规律。查表可知，当显然其正负、大小无规律。查表可知，当m m变量变量一样时，查的结果与查曲线所得结果一样。一样时，查的结果与查曲线所得结果一样。查表的方法查表的方法: : 由P276的附表可以看出：当调制指数时，有较大振幅的边频分量也增多，而它的功率添加正是由于载频分量功率下降的结果。只需载频振幅不变，那么调角波的平均功率就不变。m的变化只是使各频率分量间的功率重新分配。 即：

14、niimJmJP1220%100)(2)( 二调角波的频谱宽度二调角波的频谱宽度第一节 调角波的性质窄带调制窄带调制m1m1m1。1 1窄带调制窄带调制m1m1m1 完好的频谱由完好的频谱由U(t)U(t)式决议。实际上说，调角波的式决议。实际上说，调角波的频谱应是无限宽的，但能量大都集中在载频附近频谱应是无限宽的，但能量大都集中在载频附近的边频分量。所以在通讯中，普通以为边频幅度的边频分量。所以在通讯中，普通以为边频幅度小于载波幅度的小于载波幅度的10%10%即可忽略。这样做不太影响传即可忽略。这样做不太影响传输质量。由输质量。由P276P276的附表显见，当的附表显见，当n(m+1)n(m

15、+1)时，边频时，边频幅度均小于载频振幅的幅度均小于载频振幅的10%10%。第一节 调角波的性质所以，绝大部分能量都集中在所以，绝大部分能量都集中在n(m+1)n(m+1)边频分量。边频分量。其有效带宽可表示为其有效带宽可表示为:B=2(m+1) :B=2(m+1) 或或 BHZ=2(m+1)F BHZ=2(m+1)F例如例如: :当当m=4m=4，B=2(4+1)=10B=2(4+1)=10所以所以BHZ=2(75+15)=180KHZ(BHZ=2(75+15)=180KHZ(单声道单声道) ) 立体声为立体声为198kHZ198kHZ普通广播系统中选取普通广播系统中选取BHz=200kHZ

16、BHz=200kHZ调频广播中规定最高频偏调频广播中规定最高频偏 fmax=75kHZ Fmax=15kHZfmax=75kHZ Fmax=15kHZ当信号为非简谐信号时，当信号为非简谐信号时，maxmaxmax12FFfB 应该指出，最大频偏与频谱宽度概念是不同的。前者应该指出，最大频偏与频谱宽度概念是不同的。前者指在指在UU的作用下，瞬时频率偏离的作用下，瞬时频率偏离fcfc的最大值；而频谱的最大值；而频谱宽度那么是获得主要调制信号能量的频率范围。宽度那么是获得主要调制信号能量的频率范围。第一节 调角波的性质三、调制方式的比较三、调制方式的比较指标FM、PM AM抗干扰性强原因：(1)mf

17、(mp)1，信噪比大；(2)解调前可用限幅消除寄生干扰(3)工作在超短波（30300MHZ） ，天电干扰能量小较差原因：(1)ma1 所以信噪比低；2、有寄生调幅；3 、 工 作 于 中 短 波330MHZ 有天电干扰第一节 调角波的性质收听效果好因为 FM 可将高音频率扩至15KHZ,所以音域宽,画面音丰富。差 音域受限功率利用率高Pmax=Pav 幅度不变表明:要求最大功率储备=实际提供的平均功率低 ma=1Pmax=(1+ma)2Po=4Po而平均功率Pav=(1+0.5ma2)Po=1.5Po实际 ma=0.3所以 Pav=1.05PoPo要求最大功率储备=4Pav频带宽度宽BHZ=2

18、(m+1)Fmax，而 m1，所以只能工作在超短波，否则电台挤不下。我国 FM 频率范围为88108MHZ较窄 B=2Fmax 传播距离近因为超短波遇电离层时穿透不反射,所以只能用地面直射传播远因为反射传播技术设备及造价复杂、成本高除比例鉴频器检波外,还需高放,去加重电路,收立体声还需解码电路简单,经济第一节 调角波的性质 FM、PM的比较指标FM 指标PM 指标抗干扰性较强，因为 mf时， B不多，所以 mf可取大较差， 因为 mP时， B 激增，所以 mp不可太大第一节 调角波的性质带宽接近于恒带宽变带宽若mf1=12 Fmin=1KHZBHZ=2(12+1)1=26KHZ当Fmax=4k

19、HZ， mf2=12/4=3BHZ=2(3+1)4=32KHZFmax=4KHZ，mp=12BHZ=2(12+1)4=104KHZ综合说：调角优于调幅，而调频又优于调相。综合说：调角优于调幅，而调频又优于调相。一、调频电路主要目的及实现方法一调频器的主要技术目的1调制特性的线性：调频波频偏与调制电压关系特性f=f(U)称调制特性，即要求fu。2调制灵敏度：指单位调制电压变化能产生的频偏S=f/u，S越大越好。第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路3载频稳定度：越高越好。载频稳定是保证正常通讯的必要载频稳定度：越高越好。载频稳定是保证正常通讯的必要条件。条件。4最大频偏最大频偏ff：在正常调

20、制电压作用下能获得的最大频偏。：在正常调制电压作用下能获得的最大频偏。要求要求ff与与F无关。无关。(在整个波段内坚持不变在整个波段内坚持不变)。相对频偏相对频偏10-2时称大频偏时称大频偏 用于卫星通讯、微波中继用于卫星通讯、微波中继 二调频方法 有二种：(1)直接调频：u变化LC回路的L或C变化变化 特点：简单，ff大，但fc稳定性较差。(由于变频管偏置电压漂移、温度T变化fc变化)第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路2间接调频间接调频:首先首先u (t)dt 再调相再调相得调频波得调频波 特点：特点：fc稳定，但稳定，但ff小。小。 二、直接调频电路一变容二极管直接调频电路电路如图

21、LCT等效回路等效回路第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路图中图中C1为隔直电容为隔直电容 C2高频旁路电容高频旁路电容 RFC高频扼流圈通直隔交高频扼流圈通直隔交nTTUUCC)/1 (0变容管电容当外加电压变容管电容当外加电压U=0，CT=CT0Lc1RFC-UBUC2CT原理电路原理电路 -UB保证变容管任务的反向直流偏压。保证变容管任务的反向直流偏压。UBU m U 调制电压调制电压第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路nTTQTtmCC)cos1 (其中：其中：BDmTUUUm变容管的电容调制度变容管的电容调制度nDBTTQUUCC)/1/(0u=0时的结电容将其代入将其代

22、入U=UB+u =UB+U mcos t由图变容管两端电压由图变容管两端电压 回路振荡频率回路振荡频率2/)cos1 (11nTTQTtmLCLC2/)cos1(nTCtm第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路假设令电容指数假设令电容指数n=2，那么有，那么有 = C(1-mTcos t) = C-mT C cos t = C-mcos t 其中：其中：m=mT C为为 FM波最大角频偏。波最大角频偏。c=mcos t 即即c U (t)当电容指数当电容指数n2时，令时，令x=mTcos t,将将展成麦格劳林级数展成麦格劳林级数 =c) 12(2! 2121 2xnnxn(当x1时)c)

23、12(2! 2121 2xnnxnc2cos)12(8)12(8cos2122tmnnmnntmnTTT 第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路)12(2!2121)1(22xnnxnxn由m 可由可由cos t项决议，即项决议，即m= cnmT/2 U m一定时，一定时，m越大越好。越大越好。调制灵敏度：调制灵敏度：Sm=m/ U m=n c/2(U -UB)固定频偏由直流项决议固定频偏由直流项决议 co= n(n/2-1)/8 mT2 c 它存在它存在使载频不稳，所以使载频不稳，所以co越小越好。越小越好。二次谐波失真的最大频偏二次谐波失真的最大频偏2m由由cos2 t项决议，项决议，

24、2m = n(n/2-1)/8 mT c 它使失真添加，所以它使失真添加，所以2m越小越小越好。越好。第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路结论：假设结论：假设n一定，一定，mT m (频偏增大频偏增大)Sm 但但 mT co，2m ， 因此必需合理的选择因此必需合理的选择mT。 为了防止高频振荡电压对为了防止高频振荡电压对CT的影响，常用对称直接调的影响，常用对称直接调频电路如图：频电路如图：c1RFCc2RFCUBuRFCCTCTL对对u ,UB来说，两变容管并联；来说，两变容管并联；对高频振荡电压，两变容管串联，相互抵消。对高频振荡电压，两变容管串联，相互抵消。第二节第二节 调频方法

25、及电路调频方法及电路 (二二)石英晶体调谐振荡器石英晶体调谐振荡器实践电路见实践电路见P248图图7-20优点：中心频率稳定性高优点：中心频率稳定性高(由于晶体振荡器由于晶体振荡器)缺陷：频偏小缺陷：频偏小三、间接调频电路三、间接调频电路(阿姆斯特朗系统阿姆斯特朗系统)1间接调频原理间接调频原理先将调制信号积分，再去调相，所得结果就是先将调制信号积分，再去调相，所得结果就是FM波如图波如图u调频波调相器晶体振荡器CRu间接调频原理框图第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路假设设假设设: U = U mcos t 用用U 去调相，其相偏去调相，其相偏(t)=kp u =kp U msin t

26、/RC =kfU m sin t/ =mfsin t(其中，其中，kf=kp/RC,mf=kfU m/ )显然，这与调频波的瞬时相偏表示式完全一致，显然，这与调频波的瞬时相偏表示式完全一致， 所以可所以可实现间接调频。实现间接调频。第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路那么那么u 积分后积分后,tURCtdtCOSURCdttuRCummsin11)(1 C1C3 隔直电容隔直电容 -9V提供反偏直流提供反偏直流 C4,R4 为积分器，以获得为积分器，以获得u L，CT组成并联谐振回路组成并联谐振回路 当当u =0时，时，CT=CTQ,f=fc,电路呈纯阻电路呈纯阻 u CT 对载频信号而

27、言，回路呈容性对载频信号而言，回路呈容性 U滞滞后后I第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路uCR1C1C2R2FM波LC4CTR4R3C3uI2)间接调频电路间接调频电路电路如图电路如图 u CT 对载频信号而言，回路呈感性 U导前I 所以u 改动 CT改动改动，实现调相 分析：假设u= Umcost 那么经积分后，U= UmsintBmTnTTQTUUUmtmCC)sin1 (，其中2/2/)sin1 ()sin1 (11nTcnTTQTotmtmLCLC第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路 展成麦格劳林级数：sin)12(2! 21sin21 220 tmnntmnTTC 由于

28、mT2fmax，fmax为为FM波的最大频偏波的最大频偏BUff0 根本思想：根本思想：FM波波FM-AM波波uL=UL+u 峰包检波变换器一、斜率鉴频器一、斜率鉴频器1单端斜率鉴频器单端斜率鉴频器电路如图：电路如图：第四节第四节 鉴频器鉴频器0DCCLRLLupuLttttupupupuLu 优点：简单优点：简单缺陷：线性范围窄缺陷：线性范围窄大大时失真严重。时失真严重。为抑制此缺陷引出平衡为抑制此缺陷引出平衡斜率鉴频器。斜率鉴频器。UL原理：原理：Up 曲线如图曲线如图0c输入FM波的C0，使之处于失谐形状。2.平衡斜率鉴频器(1)电路如图第四节 鉴频器要求：要求：D1=D2 C3=C4

29、R1=R2, 2 00时，U2导前U1小于900+或20 0时，U2导前U1大于900-或2 0时时 R3、R4，其分流作用忽略，所以，其分流作用忽略，所以UABUR3+UR4可见，在参数一样时，比例鉴频器的灵敏度低了一半。可见，在参数一样时，比例鉴频器的灵敏度低了一半。212134343411(22DDDDABCCCCCCUUUUUUUUUUU)(21)(211234DDdccUUKUUU)2U只与21DDUU结论：结论：1UAB=常数常数,由于由于C5大，大，对突变信号起限幅作用。，对突变信号起限幅作用。 它的大小取决于它的大小取决于FM的振幅。的振幅。 3灵敏度不高，相当于相位鉴频器的1

30、/2。 第四节 鉴频器4调理费事，对FM幅度缓慢的寄生调幅，C5不起限幅 作用。有关，寄生调幅使UD1、UD2同时变化，21DDUU不变，所以抑制寄生调幅无需限幅器。 但 移相器作用：把移相器作用：把FM波变换为波变换为FM-PM波波 相位检波器：由乘法器构成，把相位检波器：由乘法器构成，把U1、U2的相位差检出的相位差检出 下面我们分析一下移相器的波形变换原理：下面我们分析一下移相器的波形变换原理：最大优点：适宜于集成化，因此有开展前景。最大优点：适宜于集成化，因此有开展前景。(一任务原理一任务原理 框图：框图：常用的移相器如图：常用的移相器如图：C1LCU1U2R限幅器限幅器移相器移相器相

31、位相位检波器检波器低通低通滤波器滤波器uiu1u2u四、符合鉴频器四、符合鉴频器 移相器的电压传输函数为：，)1(11112LCCjRCjRUUk代入上式令01202,)(1ffQLRQCCLejKjLCjQjQLCjQKo1) 1(1122212，012122221ffQtgLCQk变换变换可见f相位检波过程：相位检波过程：FM波经限幅放大后，波经限幅放大后，u1、u2接近于方波，如图接近于方波，如图电压平均值电压平均值=面积面积/2显然显然U 与与 U1U2的相位差成线性关系的相位差成线性关系第四节 鉴频器u2u1U1U2tt2342222121UUUUKUm2121UUKm红阴影面积红阴

32、影面积蓝阴影面积蓝阴影面积将将 代入上式，得到：代入上式，得到：022ffQ相乘后得到幅为相乘后得到幅为U0=KmU1U2，u0仍近似为脉冲波形。仍近似为脉冲波形。u0KmU1U2t02102144ffQUKKffQUUKUmm当当 f较小时，较小时，较小，较小，fUK常数第四节 鉴频器U大信号小信号Q02ff 由此可得出符合鉴频器由此可得出符合鉴频器的鉴频特性曲线如图：的鉴频特性曲线如图：结论：1.大信号鉴频时，斜率较大灵敏度高线性范围较宽，但由于B较宽，所以噪声较大 2 .小信号鉴频时，小信号鉴频时，B较窄，所以引入噪声小，信噪比高，但较窄，所以引入噪声小，信噪比高，但鉴频灵敏度较低，线性范围窄