高频电子技术-朱小祥课件第6章 角度调制与解调

知识目标

通过本章学习，应熟练掌握调角信号的表示式、波形、频谱、带宽、功率以及调频信号和调相信号的关系。掌握调频信号的产生方法；了解直接调频，间接调频的原理；掌握变容二极管直接调频电路的工作原理和性能分析，晶体振荡器直接调频工作原理和扩展频偏的方法；了解变容二极管间接调频电路原理；掌握波形变换法、乘积型相位检频器和叠加型相位检频器等调解方法和电路组成。能力目标

能力目标知识要点相关知识权重自测分数角度调制的概念及信号的表达方式、调角波的频谱结构、分类调频信号与调相信号原理及相互比较调频与调相波形区别30%变容二极管调频电路的组成及电路分析、调频波的解调方法及组成变容二极管调频电路工作原理及解调调频原理及其电路应用40%斜率鉴频器和相位鉴频器的电路组成及工作原理鉴频电路工作原理调相原理及其电路应用30%（a）调频收音机（b）电视机伴音图6-1调频信号解调设备

图6-2全自动卫星通信天线系统组成

6.1概述角度调制是频率调制和相位调制的合称，是用调制信号控制载波信号的频率或相位来实现调制的。如果载波信号的瞬时频率随调制信号线性变化则称频率调制(简称调频FM)。如果载波信号的瞬时相位随调制信号线性变化则称相位调制(简称调相PM)。由于调频或调相的结果都可以看作是载波总相位的变化，故又把调频FM和调相PM统称为角度调制。与幅度调制不同，角度调制在频谱变换过程中，信号的频谱不再保持调制信号的频谱结构，所以常把角度调制称为非线性调制，而把幅度调制称为线性调制。

角度调制信号与幅度调制信号相比，要占据更多的频带宽度，但角度调制信号具有较好的抗干扰能力。在不增加信号发射功率的前提下，用增加带宽的方法可以换取高质量通信信号。因此，角度调制在通信系统中得到广泛的应用。图6-3给出了调幅、调频和调相三种信号的波形。

图6-3调幅、调频和调相波形与幅度调制信号制相比，角度调制信号具有以下优点。

1．抗干扰能力强2．设备的功率利用率高3．角度调制信号传输保真度高6.2调频信号与调相信号6.2.1调频信号设载波信号表达式为

为简化分析，令＝0

设调制信号为根据调频的定义，载波信号的瞬时频率随调制信号线性变化，可写出

为与调频电路有关的比例常数，单位是rad／s.v,又称为调频灵敏度。

表示瞬时频率的线性变化部分，称为瞬时频偏，简称角频偏。

用表示其最大值，则

表示瞬时角频率偏离中心频率的最大值。

习惯上把最大角频偏称为角频偏。

根据瞬时相位与瞬时角频率的关系可知，对式(6-3)积分可得调频波的瞬时相位：

式中

表示调频波瞬时相位与载波信号相位的偏移量，简称相移。调频波的数学表达式为

以上分析表明，在调频时，瞬时角频率的变化与调制信号成线性关系，瞬时相位的变化与调制信号积分成线性关系。

设调制信号为：

代入上面表达式可得瞬时角频率

瞬时相位

调频信号数学表达式

式中，

为调频波的最大相移，又称调频指数。

值可大于1如图6-4所示，给出了调制信号、瞬时频偏、瞬时相偏、对应的波形图。图6-4调频信号的波形图

6.2.2调相信号设载波信号和调制信号分别为：

根据调相波定义，载波信号的瞬时相位随调制信号线性变化，即

式中，为与调相电路有关的比例常数，称为调相灵敏度，单位是rad／v。

令，则表示瞬时相位中与调制信号成线性变化的部分，称为瞬时相位的相位偏移量，简称相移。用表示最大相移，则称为调相波的调相指数。

根据瞬时频率和瞬时相位之间的关系，对式(6-12)两边求导，可得调相波的瞬时频率

令，称为调相波的频偏或频移。

调相波数学表达式为

将调制信号分别代入式(6-12)、(6-14)、(6-15)得调相波相移

角频偏

数学表达式

式中为调相波的最大相移，又称为调相指数。

图6-5调相波的波形图6.2.3调频与调相信号的比较1．无论是调频波还是调相波，它们的瞬时频率和瞬时相位都随时间发生变化，但变化的规律不同。

调频时，瞬时频偏的变化与调制信号成线性关系，瞬时相偏的变化与调制信号的积分成线性关系，即

调相时，瞬时相偏的变化与调制信号成线性关系，瞬时频偏的变化与调制信号的微分成线性关系，即

2．调频波和调相波的最大角频偏和调制系数均与调制幅度成正比，但它们与调制角频率Ω的关系则不同。

调频波的最大角频偏与调制角频率Ω无关，调制系数与调制角频率Ω成反比；调相波的最大角频偏与调制角频率Ω成正比，调制系数与调制角频率Ω无关，即

调频时：

调相时：

比较调频波和调相波的数学表达式及其基本性质，可以画出实现调频及调相的方框图，如图6-6所示。图6-6调频及调相方框图

6.2.4调频波的频谱与频带宽度1．调角信号的频谱调频波和调相波的数学表达式基本上是一样的，由调制信号引起的附加相移是正弦变化还是余弦变化并没有根本差别，两者只是在相位上相差。因此，只要用调制指数m代替相应的或，它们就可以写成统一的调角表达式，即

根据三角函数公式，

在贝塞尔函数理论中，存在下列关系式

式中是n阶第一类贝塞尔函数，将式（6-29）、（6-30）带入式（6-28）中

根据上式绘出的贝塞尔函数曲线如图6-7所示，可以得出调角波频谱的特点：

1）单频率调制的调角波，有无穷多对边频分量，对称的分布在载频两边，各频率分量的间隔为F。所以FM，PM实现的是调制信号频谱的非线性搬移。

2）各边频分量振幅为，由对应的贝塞尔函数确定。奇数次分量上下边频振幅相等，相位相反；偶数次分量上下边频振幅相等，相位相同。

3）由贝塞尔函数特性知：对应于某些m值，载频和某些边频分量为零，利用这一点，可以将载频功率转移到边频分量上去，使传输效率增加。

4）当一定时，调角信号的平均功率与调制指数m无关，其值等于未调制的载波功率，改变m仅使载波分量和各边频分量之间的功率重新分配，而总功率不变。

图6-7贝塞尔函数曲线

图6-8所示为在调制信号频率相同、载波相同的情况下，其调制指数m分别为1、2.4和5时调角波的频谱图。从图中可以看出，m越大，具有较大振幅的边频分量就越多，并且某些边频分量的振幅超过了载波分量的幅度。

图6-8调角信号频谱图2．调角信号的带宽理论上，调角信号的带宽为无限宽，但通常规定振幅小于载频振幅10%的边频分量都略去，即。可以证明，当n>(m+1)时，的数值都小于0.1。

所以调角波频谱的宽度为

当m远小于1时：BW=2F（窄带调角信号）；

当m远大于1时：BW≈2mF=2（宽带调角信号）。

6.3调频原理及其电路6.3.1调频实现方法由调频波和调相波的表达式可以看出，无论是调频或调相，都是使载波瞬时相位发生变化。说明二者之间可以相互转化的。图6-9给出了调频信号产生的两种方法。图6-9（a）为直接调频法图6-9（b）为间接调频法。

（a）直接调频（b）间接调图6-9调频信号产生原理方框图

1.直接调频法直接调频是用调制信号直接控制载波振荡器振荡元件的参数，如控制振荡回路的电容（或电感）,使振荡频率随调制信号变化而变化，从而产生调频波的方法。目前广泛采用的是变容二极管直接调频电路，这种电路简单，性能良好。变容二极管是利用PN结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种压控电抗元件。电路符号和特性曲线如图6-10所示。当变容二极管工作于反向偏压状态时，由特性曲线可知，变容二极管的结电容随外加反向偏置电压变化而变化。若将变容二极管接入LC正弦波振荡器的谐振电路中，则可实现直接调频。

如图6-11所示为变容二极管直接调频原理图。

图6-10变容二极管符号和特性曲线图5-11变容二极管直接调频原理图

2.间接调频法由于调频信号与调相信号之间存在一定的联系，若先将调制信号积分，再加到调相器对载频信号调相，则从调相器输出的便是对调制信号而言的调频信号。图6-12所示为间接调频原理框图，这种利用调相器实现调频的方法称为间接调频法。可见，实现间接调频的关键电路是调相器。

图6-12间接调频法原理框图

6.3.2调频电路1．调频电路的质量指标1）调制特性是指调频波频率偏移与调制电压之间的关系曲线。要求它们之间呈线性关系。曲线的线性范围越宽，实现线性调频的范围也越宽，最大频偏也越大。

2）调制灵敏度单位调制电压所产生的频率偏移大小称为调制灵敏度。提高灵敏度，可提高调制信号的控制作用。

3）中心频率稳定度调频波的中心频率就是载波频率。虽然调频信号的瞬时频率随调制信号变化。但要求调频电路中心频率要有足够的稳定度。例如，调频广播发射机，要求中心频率频移不超出±2kHz。

4）频偏是指在正常调制电压作用下，所能达到的最大频率偏移量。它是根据对调频指数的要求确定的，要求其数值在整个调制信号所占有的频带内保持稳定。

2．变容二极管直接调频电路1）变容二极管馈电电路图6-13变容二极管馈电电路

（a）直流馈电等效电流(b)调制信号馈电等效电路图6-14变容二极管馈电等效电路

2）变容二极管直接调频电路图6-15变容二极管直接调频电路图6-16变容二极管直接调频交流等效电路

3）晶体振荡器直接调频电路图6-17晶体振荡器调频电路图5-18晶体振荡器调频电路交流等效电路4）变容二极管间接调频间接调频的基本方法是：先对调制信号积分，将积分后的信号加到调相器对载波调相，从调相器输出的便是对调制信号而言的调频信号。

图6-19变容二极管间接调频电路6.4鉴频器调频信号的解调称为频率检波，也称鉴频；调相信号的解调称为相位检波，也称鉴相。它们的作用是分别从调频信号和调相信号中检出原调制信号。

6.4.1鉴频概述1.鉴频特性及鉴频的实现方法1）鉴频特性图6-20鉴频特性曲线

通常将鉴频特性曲线在中心频率处的斜率称为鉴频灵敏度（也称鉴频跨导），即

的单位为V／Hz。鉴频特性曲线越陡峭，就越大，表明鉴频电路将输入信号频率变化转换为电压变化的能力就越强。

为了不失真地解调，要求鉴频特性在附近应有足够宽的线性范围，用2表示，如图6-20所示。要求2应大于调频信号的最大频偏的两倍，即2＞2。2也称为鉴频电路的带宽。

2）鉴频的实现方法

⑴斜率鉴频器

实现模型如图6-21所示。先将等幅调频信号送入频率—振幅线性变换网络，变换成幅度与频率成正比变化的调幅一调频信号，然后用包络检波器进行检波，还原出原调制信号。

图6-21斜率鉴频器实现模型

⑵相位鉴频器

实现模型如图6-21所示。先将等幅调频信号送入频率—振幅线性变换网络，变换成幅度与频率成正比变化的调幅一调频信号，然后用包络检波器进行检波，还原出原调制信号。

图6-22相位鉴频器实现模型

⑶脉冲计数式鉴频器

实现模型如图6-23所示。先将等幅的调频信号送入非线性变换网络，将它变为调频等宽脉冲序列，该等宽脉冲序列含有反映瞬时频率变化的平均分量，通过低通滤波器就能输出反映平均分量变化的解调电压。

图6-23脉冲计数式鉴频器实现模型⑷锁相鉴频器

利用锁相环路进行鉴频，这种方法在集成电路中应用甚广，锁相鉴频器工作原理将在后面锁相环路中介绍。6.4.2斜率鉴频器1.基本原理（a）变换网络（b）调频信号变为调幅－调频信号（c）单失谐回路鉴频器图6-24斜率鉴频器工作原理2.双失谐回路斜率鉴频器（a）电路（b）电压谐振曲线（c）鉴频特性图6-25双失谐回路斜率鉴频器

3．集成斜率鉴频器电路（a）鉴频器电路（b）频幅变换网络电抗曲