第6章角度调制与解调2

1、角度调制与解调角度调制与解调 问题问题:检波方式中主要有哪几种检波方式中主要有哪几种?各针对何种已调各针对何种已调波波?峰值包络检波方式中的性能指标峰值包络检波方式中的性能指标?乘积同步检波与平衡同步检波的指导思想乘积同步检波与平衡同步检波的指导思想?调频与调相的概念调频与调相的概念?统称为什么统称为什么?已调波的已调波的幅度会不会改变幅度会不会改变? 角度调制与解调角度调制与解调6.1 调角波的性质调角波的性质6.2 调频方法及直接调频电路调频方法及直接调频电路6.3 间接调频电路间接调频电路6.4 限幅器限幅器6.5 鉴频器鉴频器第第6章章 角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调

2、制与解调调制方式除了调幅外，还有调频和调相。调制方式除了调幅外，还有调频和调相。调频：高频振荡的频率随调制信号的大小线调频：高频振荡的频率随调制信号的大小线 性地改变。性地改变。调相：高频振荡的相位随调制信号的大小线调相：高频振荡的相位随调制信号的大小线 性地改变。性地改变。 无论是无论是调频调频波还是波还是调相调相波统称为波统称为调角波调角波。角度调制与解调角度调制与解调6.1 调角波的性质调角波的性质 6.1.1 调频信号数学表达式调频信号数学表达式 设载波信号电压为设载波信号电压为 vc(t)Vcmcos(ct+0) 式中，式中，ct+0为载波的瞬时相位；为载波的瞬时相位；c为为载波信号

3、的角频率；载波信号的角频率；0为载波初相角为载波初相角（一般地，可以令（一般地，可以令0=0）。）。角度调制与解调角度调制与解调设调制信号电压（单音频信号）为：设调制信号电压（单音频信号）为：则有则有:(t)=c+(t)=c+kfVM （6-1）tVtvmcos)(tcostmcosm角度调制与解调角度调制与解调 式中式中: kf为与调频电路有关的比例常数，单位为与调频电路有关的比例常数，单位为为rad/(sV)； (t)=kfV(t)，称为，称为角频率偏移角频率偏移，简，简称角频移。称角频移。 ( t ) 的 最 大 值 叫 最 大 角 频 偏 ：的 最 大 值 叫 最 大 角 频 偏 ：m

4、=kfVM，它表示瞬时角频率偏离中心，它表示瞬时角频率偏离中心频率频率c的最大值。的最大值。角度调制与解调角度调制与解调对上式积分可得调频波的瞬时相位对上式积分可得调频波的瞬时相位f(t) (t)=c+(t)=c+kfVM tcos0000)cos()()(dttVKdtttmfttc0sintVKtmfc角度调制与解调角度调制与解调( )coscos( )sinsin( )cos(sin)cfmcmfmfccfcmcftk Uttk Uttttmtu tUtmt mmfffccmVKmtmtVtv)sincos()(0角度调制与解调角度调制与解调 图图6.1给出了调频波的给出了调频波的u(t

5、)、f、(t)和和u(t)的波形。的波形。 此为调频指数，很显然，它也是最大相角此为调频指数，很显然，它也是最大相角偏移的值，因此它表征改变相角的深度，所以偏移的值，因此它表征改变相角的深度，所以也叫调角深度。也叫调角深度。FfVKmmmmff角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调 6.1.2 调相信号数学表达式调相信号数学表达式 根据调相的定义，载波信号的根据调相的定义，载波信号的瞬时相位瞬时相位p(t)随调制信号随调制信号V(t)线性线性变化，即变化，即( )( )( )pcpcpttk uttt (67)角度调制与解调角度调制与解调对式对式(67)求导，可得调相波的瞬时

6、角频率求导，可得调相波的瞬时角频率(t)为为( )( )( )( )( )( )pcpcpppdtduttktdtdtduttkdt (68) 角度调制与解调角度调制与解调调相信号的数学表达式为调相信号的数学表达式为( )cos( )cos( )cmcpcmcpu tUttUtk ut (69) 将单音频信号将单音频信号u(t)Um cost分别代入式分别代入式(67)、(68)、(69)，得，得 ( )( )coscos( )sinsin( )cos(cos)pcpcpmcpcpcmcmcpttk uttk uttmttmttu tUtmt(610) (611) (612) 角度调制与解调角

7、度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调 6.1.3 调角信号的频谱和频谱宽度调角信号的频谱和频谱宽度 1.调角信号的频谱调角信号的频谱 用式用式(66)来说明调角来说明调角波的频谱结构特点。波的频谱结构特点。 ( )cos(sin)( )cos(sin)cossin(sin)sincmcfcmfcfcutUt mtutUmttmtt 利用三角函数变换式利用三角函数变换式cos(A+B)=cosAcosB-sinAsinB,将式将式(6-6)变换成变换成 角度调制与解调角度调制与解调 在贝塞尔函数理论中，可得下述关系在贝塞尔函数理论中，可

8、得下述关系： 413512cos(sin)() 2 ()cos22 ()cos4sin(sin)2 ()sin2 ()sin32 ()sin5( )()cos()cos()cos()()cos(2 )cos(2 ) fofoffffffcmofccmfcccmfcccmmtJ mJ mtJ mtmtJ mtJ mtJ mtu tU J mt U J mttU J mttU J 3()cos(3 )cos(3 ) fccmtt 将式将式(614)和式和式(615)代入式代入式(613)，得，得角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调2. 频谱宽度频谱宽度 下面写出调频波和调相波的

9、频带宽度下面写出调频波和调相波的频带宽度调频：调频： 调相调相： 2(1)2(1)CRfCRPBWmFBWmF 根据调制后载波根据调制后载波瞬时相位瞬时相位偏移大小，可以将角度调制分为偏移大小，可以将角度调制分为窄窄带带和和宽带宽带两种。两种。 当当m1时时 通常将这种调角信号称为宽带调角信号通常将这种调角信号称为宽带调角信号角度调制与解调角度调制与解调 图图6.5 Um不变时调频波频谱图不变时调频波频谱图cBWcBWcF FImf 8F 2FImf 4F 4FImf 2BWBWfmmmfk UfmF角度调制与解调角度调制与解调图图6.6 Um不变时调相波频谱图不变时调相波频谱图cBWBWcc

10、F FImp 2F 2FImp 2F 4FImp 2BWmppVkm角度调制与解调角度调制与解调调相信号频谱调相信号频谱fmmmfk UfmFmppVkm角度调制与解调角度调制与解调 3. 调频波的平均功率调频波的平均功率 根据帕塞瓦尔定理，调频波的平均根据帕塞瓦尔定理，调频波的平均功率等于各个频率分量平均功率之和。功率等于各个频率分量平均功率之和。因此，单位电阻上的平均功率为因此，单位电阻上的平均功率为220220()2()112cmlfnlfncmUPJmJmPU根据第一类贝塞尔函数特性：根据第一类贝塞尔函数特性：得调频波的平均功率：得调频波的平均功率： 讲P169例6-1及讲义上的例题角

11、度调制与解调角度调制与解调问题问题:n单音频调角时单音频调角时,载波上下有多少对边频分量载波上下有多少对边频分量?调角调角波的带宽是无限的吗波的带宽是无限的吗?何种情况下的边频分量可何种情况下的边频分量可以忽略不计？以忽略不计？n窄带调制和宽带调制的定义？宽带调制下，调制窄带调制和宽带调制的定义？宽带调制下，调制度越大，通频带越宽吗？分别针对调频调相加以度越大，通频带越宽吗？分别针对调频调相加以说明。说明。n输出功率与调制度有关系吗？调角过程只能导致输出功率与调制度有关系吗？调角过程只能导致能量从什么向什么转移，总能量变否？能量从什么向什么转移，总能量变否？n在额定功率相同下，调角波较调幅波哪

12、个发射功在额定功率相同下，调角波较调幅波哪个发射功率大？率大？角度调制与解调角度调制与解调6.2 调频方法及直接调频电路调频方法及直接调频电路 n 调频电路的主要要求如下：调频电路的主要要求如下：n 1 调制特性为线性调制特性为线性n 2 调制灵敏度要高调制灵敏度要高n 3 中心频率的稳定度要高中心频率的稳定度要高n 4 最大频偏最大频偏角度调制与解调角度调制与解调6.2.1 调角方法概述调角方法概述角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调 6.2.2 .变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路1、大频偏直接调频电路、大频偏直接调频电路 变容二极管的反向电压变容二极管的反向

13、电压随调制信号变化，即随调制信号变化，即(625) )1 (0DjjVvCCtVVtvmQcos)(角度调制与解调角度调制与解调图图6.7 变容二极管接入振荡回路变容二极管接入振荡回路LC1C2CjUQuL1C3(a)LCj(b)Cj(c)uUQL1角度调制与解调角度调制与解调 振荡频率可由回路电感振荡频率可由回路电感L和变容二极管和变容二极管结电容结电容Cj所决定，即所决定，即1jLC变容二极管结电容随调制信号变容二极管结电容随调制信号电压变化规律，即电压变化规律，即 ：)1 (0DjjVvCCtVVtvmQcos)(0)(tv)1 ()(0DQjjQjVVCCtC当当 时，时， 角度调制与

14、解调角度调制与解调DDDDDDDDQDmVVVM角度调制与解调角度调制与解调QDmVVVM角度调制与解调角度调制与解调n 设设x足够小，将上式展开成傅里叶级数，并忽略式足够小，将上式展开成傅里叶级数，并忽略式中的三次方及其以上各次方项，则：中的三次方及其以上各次方项，则：222( /21)( )1222!111(1)cos(1)cos282282ccccctxxmmtmt 由上式求得调频波的最大角频偏为由上式求得调频波的最大角频偏为2mccm角度调制与解调角度调制与解调22222(1)8 2(1)8 2(1)42mcccccmcfcmmmk 中心角频率偏离中心角频率偏离c的数值为：的数值为：相

15、应地，调频波的二次谐波失真系数为：相应地，调频波的二次谐波失真系数为：中心角频率的相对偏离值为：中心角频率的相对偏离值为：2(1)8 2cccm 二次谐波失真分量的最大角频偏为二次谐波失真分量的最大角频偏为角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调2、小频偏直接调频电路（部分接入）、小频偏直接调频电路（部分接入）P180例例6-2角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调 问题问题:n调制特性的线性指的是瞬时频率的偏移与调制特性的线性指的是瞬时频率的偏移与什么成比例地变化什么成比例地变化?调制灵敏度的概念调制灵敏度的概念?n变容二极管直接调频电路主要利用变容二极管直

16、接调频电路主要利用PN结的结的什么特性什么特性?在电路中变容二极管两端加的调在电路中变容二极管两端加的调制电压和直流偏置的幅值有何要求制电压和直流偏置的幅值有何要求?要保证要保证二极管处于何种工作状态二极管处于何种工作状态?n小频偏直接调频电路的原理小频偏直接调频电路的原理?角度调制与解调角度调制与解调6.2.3晶体振荡器直接调频电路晶体振荡器直接调频电路角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调6.2.4电抗管直接调频电路电抗管直接调频电路角度调制与解调角度调制与解调6.3 间接调频电路间接调频电路间接调频的方法是：先将间接调频的方法是：先将调制信号调制信号V积分，再加到积分，

17、再加到调相器对载波信号调相，调相器对载波信号调相，从而完成调频。间接调频从而完成调频。间接调频电路方框图如图所示。电路方框图如图所示。角度调制与解调角度调制与解调 图图6.14 变容二极管调相电路变容二极管调相电路6.3.2 调相电路调相电路角度调制与解调角度调制与解调变容二极管多级调相电路变容二极管多级调相电路角度调制与解调角度调制与解调6.3.3 扩展线性频偏的方法扩展线性频偏的方法角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调 问题问题:n电抗管直接调频电路主要原理电抗管直接调频电路主要原理?n间接调频的原理间接调频的原理?它的关键电路是什么它的关键电路是什么?n变容二极管调相

18、电路的原理变容二极管调相电路的原理?最大相偏最大相偏为多少为多少?n间接调频扩展线性频偏的方法间接调频扩展线性频偏的方法?角度调制与解调角度调制与解调 6.5 鉴频器鉴频器 鉴频的方法很多，根据波形变换的不同鉴频的方法很多，根据波形变换的不同特点可以分为四种：特点可以分为四种： 斜率鉴频器斜率鉴频器; 相位鉴频器相位鉴频器; 脉冲计数鉴频器脉冲计数鉴频器; 锁相鉴频器。锁相鉴频器。 下面重点讨论斜率鉴频器，相位鉴频器。下面重点讨论斜率鉴频器，相位鉴频器。 角度调制与解调角度调制与解调6.5.2 斜率鉴频器斜率鉴频器线性网络(频率振幅)us(t)包络检波器uo(t)图图6.23 斜率鉴频器实现模

19、型斜率鉴频器实现模型角度调制与解调角度调制与解调 1 单失谐回路斜率鉴频器单失谐回路斜率鉴频器单失谐回路鉴频原理电路单失谐回路鉴频原理电路角度调制与解调角度调制与解调单失谐回路斜率鉴频器单失谐回路斜率鉴频器AU1mUs2mOOcottUs2Us2mtut0(a)(b)角度调制与解调角度调制与解调 2 平衡斜率鉴频器平衡斜率鉴频器 角度调制与解调角度调制与解调平衡斜率鉴频器平衡斜率鉴频器鉴频特性曲线鉴频特性曲线A (f ) f fA1A2ffcf02f01fufffff(a )(b )(c )u角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调3. 晶体鉴频器晶体鉴频器角度调制与解调角度调

20、制与解调4. 集成斜率鉴频器集成斜率鉴频器角度调制与解调角度调制与解调6.5.3 相位鉴频器相位鉴频器图图6.28 相位鉴频器实现模型相位鉴频器实现模型线性网络(频率相位)us(t)相位检波器uo(t)角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调相位鉴频器检波回路的等效电路相位鉴频器检波回路的等效电路角度调制与解调角度调制与解调V1和和V2的相的相位差关系：位差关系：角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调鉴频特性的分析：鉴频特性的分析：角度调制与解调角度调制与解调电容耦合相位鉴频器电容耦合相位鉴频器角度调制与解调角度调制与解调2) 乘积型相位鉴频器乘积型相位鉴频器

21、3) 实际应用电路实际应用电路图图6.30 乘积型相位鉴频器实现模型乘积型相位鉴频器实现模型变换网络(频率相位)us(t)相乘器uo(t)低通滤波器相位检波器角度调制与解调角度调制与解调图图6.31 用用MC1596构成乘积型相位鉴频器构成乘积型相位鉴频器 MC15968147102511 k0.047 351006912 V12 k3.3 k1 k120 k0.047 1 kRL10 C225C10.047 1 k0.047 0.01 3.3 k1 k0.047 V160 kui4.7 k110 k12 k56 k510 k1212120 k3 k15 k1 u12 V0.047 F007角

22、度调制与解调角度调制与解调 6.5.4 比例鉴频器比例鉴频器 为了尽可能的去掉或减小寄生调幅的干扰为了尽可能的去掉或减小寄生调幅的干扰 分量。在相位鉴频器前通常是需加一级限幅分量。在相位鉴频器前通常是需加一级限幅 放大放大,以消除寄生调幅。对于要求不太高的设备以消除寄生调幅。对于要求不太高的设备,例如例如调频广播和电视接收中调频广播和电视接收中,常采用一种兼有抑制寄生调常采用一种兼有抑制寄生调幅能力的鉴频器幅能力的鉴频器,这就是比例鉴频器。这就是比例鉴频器。角度调制与解调角度调制与解调1. 比例鉴频器的基本电路及工作原理比例鉴频器的基本电路及工作原理 比例鉴频器的基本电路比例鉴频器的基本电路

23、L角度调制与解调角度调制与解调比例鉴频器等效电路比例鉴频器等效电路角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调3.比例鉴频器参数的选择比例鉴频器参数的选择角度调制与解调角度调制与解调4.实际电路举例实际电路举例角度调制与解调角度调制与解调 比例鉴频器的基本电路如图所示。它比例鉴频器的基本电路如图所示。它与相位鉴频器在调频与相位鉴频器在调频-调幅调频波变换部调幅调频波变换部分相同分相同,但检波器部分有较大变化但检波器部分有较大变化,主要差主要差别是别是 1.在在 两端并接一个大电容量两端并接一个大电容量 ,其电容量约为其电容量约为10F, 由于由于 和和(R + R)组成电路的时间常

24、数很大组成电路的时间常数很大,约为约为(0.10.2)秒秒,这样在检波过程中这样在检波过程中,对于对于15Hz 以上的寄生调幅变化，电容以上的寄生调幅变化，电容 上的上的 基本保基本保持不变。持不变。 角度调制与解调角度调制与解调 2.两个二极管中一个与相位鉴频器接法方向相两个二极管中一个与相位鉴频器接法方向相反。这样除了保证两个二极管的直流通路外反。这样除了保证两个二极管的直流通路外,还使得两个检波器的输出电压变成极性相同。还使得两个检波器的输出电压变成极性相同。因此因此, 两端就是两个检波电压之和，即两端就是两个检波电压之和，即角度调制与解调角度调制与解调3.把两个检波电容把两个检波电容

25、和和 的连接点的连接点d与两个电阻连接与两个电阻连接点点e分开分开,鉴频器的输入电压鉴频器的输入电压 从从d、e两点取出。两点取出。因为波形变换电路与相位鉴频器相同因为波形变换电路与相位鉴频器相同,所以电所以电压表达式为压表达式为:角度调制与解调角度调制与解调两个检波器的输入电压两个检波器的输入电压 UD1,UD2检波器输出为检波器输出为 角度调制与解调角度调制与解调值得注意的是值得注意的是,检波器只对检波器只对 UD1,UD2的振幅进行的振幅进行检波检波,检波后的电压方向完全由二极管的方向来检波后的电压方向完全由二极管的方向来决定决定 从图中可以看出从图中可以看出,由于由于 Udc 不变不变

26、,则则鉴频器的输出电压鉴频器的输出电压 如下所示如下所示:角度调制与解调角度调制与解调6.5.5 正交鉴频器正交鉴频器角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调五、脉冲均值型鉴频器五、脉冲均值型鉴频器(脉冲计数式鉴频器脉冲计数式鉴频器) 调频信号变换成单向矩形脉冲序列调频信号变换成单向矩形脉冲序列 角度调制与解调角度调制与解调 调频信号瞬时频率的变化调频信号瞬时频率的变化,直接表现为单位时间直接表现为单位时间内调频信号过零值点内调频信号过零值点(简称过零点简称过零点)的疏密变化的疏密变化,如图如图8-17所示。调频信号每周期所示。调频信号每周期,有两个过零点有两个过零点,由负变为正由负变为正的过零点称为的过零点称为正过零点正过零点,如如01、03、05等等,由正变为由正变为负的过零点称为负的过零点称为负过零点负过零点,02、04、06等。如果在等。如果在调频信号的每一个正过零点处由电路产生一个振幅调频信号的每一个正过零点处由电路产生一个振幅为为 ,宽度为宽度为的单极性矩形脉冲的单极性矩形脉冲,这样就把调频信号转这样就把调频信号转换成了重复频率与调频信号的换成了重复频率与调频信号的角度调制与解调角度调制与解调 瞬时频率相