第7章 角度调制与解调___高频电子线路_曾兴雯_课件

1、第七章 角度调调制与解调 1/1271第第7章章 角度调制与解调角度调制与解调 7.1 角度调制信号分析角度调制信号分析 7.2 调频器与调频方法调频器与调频方法7.3 调频电路调频电路7.4 鉴频器与鉴频方法鉴频器与鉴频方法 7.5 鉴频电路鉴频电路 第七章 角度调调制与解调 2/1272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)模拟信号调制模拟信号调制，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鉴频

2、或频率检波。 而数字信号频率调制称为频移键控（数字信号频率调制称为频移键控（FSK) 2、相位调制又称调相相位调制又称调相(PM) 模拟信号调制模拟信号调制，它的相位按调制信号的规律变化，振幅保持不变。调相信号的解调称为鉴相或相位检波。 类似的，类似的，数字信号相位调制称为相位键控（数字信号相位调制称为相位键控（PSK)第七章 角度调调制与解调 3/1273 3、角度调制的特点、角度调制的特点：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

3、制信号的频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带利用率不高，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。第七章 角度调调制与解调 4/1274 4、调频与调相的关系 调频波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。同样

4、，鉴频和鉴。同样，鉴频和鉴相也可相互利用，即可以用鉴频的方法实现鉴相，也可以相也可相互利用，即可以用鉴频的方法实现鉴相，也可以用鉴相的方法实现鉴频。用鉴相的方法实现鉴频。 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。本章只者重讨论模拟。本章只者重讨论模拟调频。调频。第七章 角度调调制与解调 5/12757.1 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

5、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，调频信号的号的瞬时角频率瞬时角频率为：为：( )( )( )cosccfcmttk utt 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。rad / sV最大角频偏最大角频偏瞬时角频率偏移瞬时角频率偏移第七章 角度调调制与解调 6/1276 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，0为信号的起始相位。为

6、信号的起始相位。为了分析方便，不妨设为了分析方便，不妨设0=0，则：，则：00( )( )ttd 瞬时相偏瞬时相偏调频指数调频指数FM波的表示式为波的表示式为sincos)(fcCFMtmtUtudtt0)()(dtmc0)cos(ttmcsintmtfcsin)(tc第七章 角度调调制与解调 7/1277 调频信号的瞬时频率与调制信号成线性关系，而瞬时相位与调频信号的瞬时频率与调制信号成线性关系，而瞬时相位与调制信号的积分成线性关系。调制信号的积分成线性关系。( )( )( )cosccfcmttk uttdtt0)()(dtmc0)cos(ttmcsintmtfcsin)(tc第七章 角度

7、调调制与解调 8/1278图图71 调频波波形调频波波形 u C=UCcosctu(t)=Ucost)()(ttctmccosdtt0)()(tmtfcsin)sincos()(tmtUtufccFM第七章 角度调调制与解调 9/12792、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，有三个频率参数三个频率参数： (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

8、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。 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。第七章 角度调调制与解调 10/12710图7-2 调频波fm、mf与F的关系 Ffmmf0fmmf(4) 调频波的调制指数调频波的调制指数mf： mf= m/ = ffm/ F。 调频指数实际上是调频指数实际上是最大的相位偏移最大的相位偏移，它与调制信号的，它与调

9、制信号的振幅成正比，与调制频率成反比，它等于最大频偏除以振幅成正比，与调制频率成反比，它等于最大频偏除以调制频率。调制频率。 调频波的几个参数之间的关系如图调频波的几个参数之间的关系如图7-2所示。所示。第七章 角度调调制与解调 11/12711式式 Jn(mf)是是宗数为宗数为mf 的的n阶第一类贝塞尔函数阶第一类贝塞尔函数,它可以用无它可以用无穷级数进行计算穷级数进行计算:)sincos()(tmtUtufccFMResintjmtjcfceeU 是周期为是周期为2/的周期性时间函数的周期性时间函数,可以将它展开可以将它展开为傅氏级数为傅氏级数,其基波角频率为其基波角频率为,即即 tjmf

10、esintjnnfntjmemJef)(sin02)!( !)2() 1()(mmnfnfnmnmmmJ是是mf的函数的函数二、调频信号的频域分析二、调频信号的频域分析第七章 角度调调制与解调 12/12712 ()( )Re()()cos()cjt n tFMCnfnCnfcnutUJmeUJmnt ResintjmtjcFMfceeUutjnnfntjmemJef)(sin因而，因而，调频波的级数展开式调频波的级数展开式为为:第七章 角度调调制与解调 13/12713 2调频波的频谱结构和特点调频波的频谱结构和特点 uFM(t)=UCJ0(mf)cosct+J1(mf)cos(c+)t -

11、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+单一频率调频波是由许多频率分量组成的，而不像振幅调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制那样，单一低频调制时只产生两个边频(AM、DSB)，因，因此调频属于非线性变换此调频属于非线性变换。Jn(mf)= J-n(mf) , n为偶数为偶数Jn(mf)= J-n(mf) , n为奇数为奇数ncfncFMtntmJUtu)cos()()(第七章 角度调调制与解调 14/127141 2 3

12、 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13mfJn(mf) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 00.2 0.4n=0n=1n=2n=3 mf一定，并不是一定，并不是n越大，越大，Jn(mf)越小，越小，mf1时才成立。对于时才成立。对于mf大于大于1的情况，有些边频分量会增大，但随的情况，有些边频分量会增大，但随n增大时，总趋势使边频分量振幅增大时，总趋势使边频分量振幅减小。减小。 mf越大，越大，具有较大振幅的边频分量就越多具有较大振幅的边频分量就越多；且有些边频分量振幅超；且有些边频分量振幅超过载频分量振幅。当过载频分量振幅。当mf为某些值时，载频分量可能为零，为某些值时，载频

13、分量可能为零， mf为其它某些为其它某些值时，某些边频分量振幅值时，某些边频分量振幅可能可能为零。为零。 图7-3 第一类贝塞尔函数曲线 除除J0(mf)外，在外，在mf =0的其他各的其他各阶函数值均为阶函数值均为0，这意味着，这意味着，当没有当没有角度调制角度调制时，时，除了载波除了载波外，不含其他频率分量。外，不含其他频率分量。第七章 角度调调制与解调 15/127150.500.940.240.031.000.770.440.110.022.000.220.580.350.130.03第七章 角度调调制与解调 16/12716cmf 1cmf 1mf 2ccmf 2cmf 5cmf 1

14、0Qcmf 15mf 5cmf 10mf 20cc(a)(b)图74 单频调制时FM波的振幅谱（a）为常数;（b）m为常数 通过改变通过改变mm来改变来改变mmf f时，时， mm 越大，越大，mmf f就就越大，有影响越大，有影响的边频数目就的边频数目就越多，但边频越多，但边频间隔不变小，间隔不变小，因此频谱被展因此频谱被展宽宽。 通过改变通过改变F F来改变来改变mmf f时，时，F F越小，越小，mmf f就就越大，边频数越大，边频数目就越多，但目就越多，但边频间隔也变边频间隔也变小，因此频谱小，因此频谱并没展宽。这并没展宽。这说明信号带宽说明信号带宽几乎不受调制几乎不受调制频率的影响。

15、频率的影响。mmf f 相同相同时，频时，频谱的结谱的结构相同构相同第七章 角度调调制与解调 17/12717 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

16、，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%。 对于不同的对于不同的mf值，值，有用边频的数目有用边频的数目(2n)可查贝塞尔函数可查贝塞尔函数表。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。第七章 角度调调制与解调 18/12718 图7-6 |n(mf)|0.01时的n/mf曲线 mfn/mf0123448121620当mf很大时，n/mf趋近于1。第七章 角度调调制与解调 19/12719 (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

17、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 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，很小的调频，如如mff0=fc时，时，UD1UD2，随着，随着f 的增加，两者差值将加大；的增加，两者差值将加大； ff0=fc时，时，UD11时，约在 =A处出现最大值。这时，对应的峰值带宽Bm=kf0。（3）A较小时，耦合很弱，

18、但鉴品频跨导高。反之，A较大时，耦合很强，但鉴品频跨导小。（4）A3后，线性变坏，因此一般取A在1.53.02ffQ第七章 角度调调制与解调 97/12797 图7-48 SDA曲线 SD0123ASD/(SD)lim01234A0.51.0(a)(b)A=kQ第七章 角度调调制与解调 98/12798二、比例鉴频器二、比例鉴频器输出与两个电容之比成正比输出与两个电容之比成正比 1、电路结构、电路结构 比例鉴频器是一种类似于叠加型相位鉴频器，而又具比例鉴频器是一种类似于叠加型相位鉴频器，而又具有自限幅有自限幅(软限幅软限幅)能力的鉴频器，其基本电路如图能力的鉴频器，其基本电路如图7-50(a)

19、所所示。它示。它与互感耦合相位鉴频器电路的区别有以下三个方面与互感耦合相位鉴频器电路的区别有以下三个方面： (1) 包络检波器的两个二极管顺接包络检波器的两个二极管顺接； (2)在电阻在电阻(R1+R2)两端并接一个大电容两端并接一个大电容C，容量约在，容量约在10F数量级。数量级。时间常数时间常数(R1+R2)C很大，约很大，约0.10.25s，远大于低远大于低频信号的周期频信号的周期。 (3)接地点和输出点改变接地点和输出点改变。第七章 角度调调制与解调 99/12799图7-50 比例鉴频器电路及特性 .U1ML2LcVD1RLOC1C2DR1R2CEoABCLUo(a)2U2.U1.2

20、U2.VD1uD1uD2uc1uc2ORLC1CLC2R2R1i1i2D2U2.2U2.U1.0fUo(b)(c)VD2VD2VD1VD2比例鉴频第七章 角度调调制与解调 100/127100 2. 工作原理工作原理 图图7-46(b)是图是图(a)的简化等效电路，电压、电流如的简化等效电路，电压、电流如图所示。由电路理论可得图所示。由电路理论可得 i1(R1+RL)-i2RL=uc1 (7-67) i2(R2+RL)-i1RL=uc2 (7-68) uo=(i2-i1)RL (7-69) 当当R1=R2=R时，可得时，可得212121211()()22ccoLoccdDDuuuRRuuuK

21、UU(7-70) (7-71) 第七章 角度调调制与解调 101/127101 由上式可见，在电路参数相同的条件下，输入调频信由上式可见，在电路参数相同的条件下，输入调频信号也相等，号也相等，比例鉴频器的输出电压与互感耦合或电容耦比例鉴频器的输出电压与互感耦合或电容耦合相位鉴频器相比要小一半合相位鉴频器相比要小一半。根据。根据(7-71)式有：式有： 当当f=fc时，时，UD1=UD2， i1=i2，但以相反方向流过负载，但以相反方向流过负载RL，所以输出电压为零；，所以输出电压为零； 当当ffc时，时，UD1UD2， i1i2，输出电压为负；，输出电压为负； 当当ffc时，时，UD1UD2，

22、 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，这在自动频容耦合相位鉴频器的鉴频特性的极性相反，这在自动频率控制系统中要特别注意。当然，通过改变两个二极管率控制系统中要特别注意。当然，通过改变两个二极管连接的方向或耦合线圈的绕向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，可以使鉴频特性反向。反向。第七章 角度调调制与解调 102/127102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()22

23、221ccccccoccoococccuuuuuuuuuEEuEuuu(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。第七章 角度调调制与解调 103/1271037.6 调频收发信机及附属电路调频收发信机及附属电路 一、调频发射机 图图7-58是一种调频发射机的框图。其载频是一种调频发射机的框图。其载频fc=88108MHz，输入调制信号频率为，输入调制信号频率为50Hz15kHz，最大频偏，最大频

24、偏为为75kHz。由图可知，调频方式为间接调频。由高稳定度。由图可知，调频方式为间接调频。由高稳定度晶体振荡器产生晶体振荡器产生fc1=200kHz的初始载波信号送入调相器，的初始载波信号送入调相器，由经预加重和积分的调制信号对其调相。调相输出的最由经预加重和积分的调制信号对其调相。调相输出的最大频偏为大频偏为25Hz，调制指数，调制指数mf0.5。第七章 角度调调制与解调 104/127104 图7-58 调频发射机框图 载 波振荡器调相器多级倍频器1混频器多级倍频器2功 率放大器积分器预 加重电路200 kHzN1 64fc1 200 kHzf1m 25 kHz12.8 MHz1.8 2.

25、3 MHzfc 88 108 MHzfm 75 kHz频率可变本振N2 48fL 11 10.5 MHzu(t)间接调频器第七章 角度调调制与解调 105/127105 二、调频接收机二、调频接收机 图图7-59为广播调频接收机典型方框图。为了获得较为广播调频接收机典型方框图。为了获得较好的接收机灵敏度和选择性，除限幅级、鉴频器及几个好的接收机灵敏度和选择性，除限幅级、鉴频器及几个附加电路外，其主要方框均与附加电路外，其主要方框均与AM超外差接收机相同。调超外差接收机相同。调频广播基本参数与发射机相同。频广播基本参数与发射机相同。 第七章 角度调调制与解调 106/127106 图7-59 调

26、频接收机方框图 混频器射频放大88 108 MHz本振中频放大限幅器鉴频器自动频率控制电路静噪电路去加重电路和音频放大电路输出第七章 角度调调制与解调 107/127107三、附属与特殊电路 大家知道，在频率或相位解调电路中，除比例鉴频除比例鉴频器具有自动限幅功能外，其他解调器均无限幅功能，器具有自动限幅功能外，其他解调器均无限幅功能，为了抑制寄生调幅，需在中放级使用限幅电路为了抑制寄生调幅，需在中放级使用限幅电路。 1、限幅电路、限幅电路 振幅限幅器的性能可由图振幅限幅器的性能可由图7-60(b)所示的限幅特性所示的限幅特性曲线表示。图中，曲线表示。图中，Up表示限幅器进入限幅状态的最小表示

27、限幅器进入限幅状态的最小输入信号电压，称为门限电压。对限幅器的要求主要输入信号电压，称为门限电压。对限幅器的要求主要是在限幅区内要有平坦的限幅特性，门限电压要尽量是在限幅区内要有平坦的限幅特性，门限电压要尽量小。小。 第七章 角度调调制与解调 108/127108图760 限幅器及其特性曲线 非线性器 件滤波器usuo(a)(b)UsmUp0Uom第七章 角度调调制与解调 109/1271092.瞬时频偏控制（瞬时频偏控制（IDL）电路）电路 实际也是一个限幅器。（见教材）实际也是一个限幅器。（见教材） 第七章 角度调调制与解调 110/1271103.预加重及去加重电路预加重及去加重电路 (

28、1) 调幅与调频制的噪声频谱调幅与调频制的噪声频谱 理论证明，理论证明，对于输入白噪声，调幅制的输出噪声频对于输入白噪声，调幅制的输出噪声频谱呈矩形，在整个调制频率范围内，即所有噪声都一样谱呈矩形，在整个调制频率范围内，即所有噪声都一样大大。然而，。然而，调频制的噪声频谱调频制的噪声频谱(电压谱电压谱)呈三角形，见图呈三角形，见图7-61(b)，随着调制频率的增高，噪声也增大。调制频率范，随着调制频率的增高，噪声也增大。调制频率范围愈宽，输出的噪声也愈大。围愈宽，输出的噪声也愈大。 然而，调制信号的频谱结构也不是均匀的，一般来讲然而，调制信号的频谱结构也不是均匀的，一般来讲其能量集中在低频部分

29、，而高频部分的能量较小。这恰其能量集中在低频部分，而高频部分的能量较小。这恰好与噪声频谱相反，为了提高高频部分的信噪比，在好与噪声频谱相反，为了提高高频部分的信噪比，在调调制前可有意识地将高频部分加强制前可有意识地将高频部分加强预加重预加重。第七章 角度调调制与解调 111/127111图7-61 调频解调器的输出噪声频谱 (a)功率谱；(b)电压谱 0Sno()0U()(a)(b)第七章 角度调调制与解调 112/127112 (2) 预加重与去加重电路预加重与去加重电路 由于由于调频噪声频谱呈三角形调频噪声频谱呈三角形，或者说，或者说与与成线性关系成线性关系，使我们联想到将信号作相应的处理

30、，即要求预加重网络使我们联想到将信号作相应的处理，即要求预加重网络的特性为的特性为 H(j)=j 第七章 角度调调制与解调 113/127113 图7-62 预加重网络及其特性 (a)预加重网络；(b)频率响应 R1CR2012|H(j)/dB(a)H(j) k1j/11j/2k(1j/1)(b)第七章 角度调调制与解调 114/127114 去加重网络去加重网络及其频响曲线如图及其频响曲线如图7-63所示。从图看出，所示。从图看出，当当2时，预加重和去加重网络总的频率传递函数近时，预加重和去加重网络总的频率传递函数近似为一常数，这正是使信号不失真所需要的条件。似为一常数，这正是使信号不失真所

31、需要的条件。图7-63 去加重网络及其特性 R1C(a)H(j)11j/101|H(j)|/dB(b)第七章 角度调调制与解调 115/127115 采用预、去加重网络后，对信号不会产生变化，采用预、去加重网络后，对信号不会产生变化，但对信噪比却得到较大的改善，如图但对信噪比却得到较大的改善，如图7-64所示。所示。图7-64预、去加重网络对信噪比的改善 Sno()去加重前去加重后(a)08160.11/dB10(b)m10第七章 角度调调制与解调 116/127116 4. 静噪电路静噪电路 由于在调频接收中存在门限效应，因此在系统设计由于在调频接收中存在门限效应，因此在系统设计时要尽可能地

32、降低门限值。为了获得较高的输出信噪比，时要尽可能地降低门限值。为了获得较高的输出信噪比，在鉴频器的输入端的输入信噪比要在门限值之上。但在在鉴频器的输入端的输入信噪比要在门限值之上。但在调频通信和调频广播中，经常会遇到无信号或弱信号的调频通信和调频广播中，经常会遇到无信号或弱信号的情况，这时输入信噪比就低于门限值，输出端的噪声就情况，这时输入信噪比就低于门限值，输出端的噪声就会急剧增加。会急剧增加。 第七章 角度调调制与解调 117/127117图7-66 静噪电路举例 50带 通滤波器5 kHz静噪0.16.2 k0.01100 k16 k1 k2.2100 k510 k112.2510 k1

33、4LM389音量鉴频器输 出100 k1 k15131210 k1612 V17 180.12.70.05100第七章 角度调调制与解调 118/127118图7-67 静噪电路接入方式 鉴频低放静噪鉴频低放静噪第七章 角度调调制与解调 119/1271197.7 调频多重广播调频多重广播 一、调频立体声广播 1.调频立体声广播方式调频立体声广播方式 图图7-68示出了调频立体声广播的系统图。左声道信示出了调频立体声广播的系统图。左声道信号号(L)和右声道信号和右声道信号(R)经各自的预加重经各自的预加重在矩阵电路中形成在矩阵电路中形成和信号和信号(L+R)和差信号和差信号(L-R)。和信号。和信号(L+R)照原样成为主照原样成为主信道信号，差信号信道信号，差信号(L-R)经平衡调制器对副载波进行抑制经平衡调制器对副载波进行抑制载波的调幅，成为副信道信号。载波的调幅，成为副信道信号。第七章 角度调调制与解调 120/127120图7-68 调频立体声广播发射机的系统图 预加重预加重LR矩阵电