第10章角度调制与解调

第10章角度调制与解调第一页，共94页。10.7可变延时调频10.8相位鉴频器10.9比例鉴频器10.10其他形式的鉴频器10.6间接调频:由调相实现调频10角度调制与解调第二页，共94页。10.1概述调频或调相：利用高频振荡的频率或相位的变化来携带信息。在调频或调相制中，载波的瞬时频率或瞬时相位受调制信号的控制，做周期性的变化，变化的大小与调制信号的强度成线性关系，变化的周期由调制信号的频率所决定。但已调波的振幅保持不变，不受调制信号的影响。第三页，共94页。10.1概述w0–Dwmw0+DwmAMFM第四页，共94页。调相波（PM）波形10.1概述调相波与前面的调频波相比只是延迟了一段时间。如不知道原调制信号，则在单频调制的情况下无法在波形上分辨是FM波还是PM波。第五页，共94页。调频波的指标寄生调幅（不希望的振幅调制)抗干扰能力（比调幅制抗干扰能力强）10.1概述频谱宽度宽带调频（调频广播）窄带调频（通信）第六页，共94页。10.1概述鉴频和鉴相：在接收调频或调相信号时，必须采用频率检波器或相位检波器。相位检波器又叫鉴相器。频率检波器又称鉴频器，它要求输出信号与输入调频波的瞬时频率的变化成正比。这样，输出信号就是原来传送的信号。鉴频的方法（3类）：1、首先进行波形变换，将等幅调频波变换成幅度随瞬时频率变化的调幅波（即调幅——调频波），然后用振幅检波器将振幅的变化检测出来。第七页，共94页。图10.1.1利用波形变换电路进行鉴频10.1概述第八页，共94页。10.1概述鉴频的方法（3类）：2、对调频波通过零点的数目进行计数，因为其单位时间内的数目正比于调频波的瞬时频率。这种鉴频器叫脉冲计数式鉴频器。其线形良好。3、利用移相器与符合门电路相配合来实现的。移相器所产生的相移的大小与频率偏移有关。这种所谓符合门鉴频器最易于实现集成化，而且性能优良。第九页，共94页。10.1概述图10.1.2鉴频特性曲线第十页，共94页。鉴频器的指标鉴频灵敏度（主要是指为使鉴频器正常工作所需的输入调幅波的幅度，其值越小，鉴频器灵敏度越高。）鉴频跨导（鉴频器的输出电压与输入调频波的瞬时频率偏移成正比，其比例系数称做鉴频跨导。）鉴频频带宽度（2Δfm叫频带宽度）寄生调幅抑制能力失真和稳定性10.1概述第十一页，共94页。幅度调制角度调制调频FM调相PM载波信号的受控参量振幅频率相位解调方式相干解调(同步检波）或非相干解调（包络检波）鉴频或频率检波鉴相或相位检波解调方式的差别频谱线性搬移频谱结构无变化频谱非线性频谱结构发生变化属于非线性频率变换特点频带窄频带利用率高频带宽频带利用不经济、抗干扰性强用途广播电视通信遥测数字通信调幅AM10.1概述无线广播电视图像传输第十二页，共94页。10.2调角波的性质10.2.1瞬时频率与瞬时相位10.2.2调频波和调相波的 数学表示式10.2.3调频波和调相波的 频谱和频带宽度第十三页，共94页。10.2.1瞬时频率与瞬时相位

调频是使高频载波的瞬时频率按调制信号规律变化的一种调制方式；调相是使高频载波的瞬时相位按调制信号规律变化的一种调制方式。因为这两种调制都表现为高频振荡波的总瞬时相角受到调变，故将它们统称为角度调制(简称调角)。瞬时频率瞬时相位0实轴（10.2.1）（10.2.2）第十四页，共94页。图10.2.1频率连续变化的简谐振荡10.2.1瞬时频率与瞬时相位第十五页，共94页。10.2.2调频波和调相波的数学表示式调频设调制信号为vΩ(t)，载波信号

ω0是未调制时的载波中心频率；kfvΩ(t)是瞬时频率相对于ω0的偏移，叫瞬时频率偏移，简称频率偏移或频移。可表示为最大频移，即频偏，表示为瞬时频率瞬时相位相移调制指数（10.2.3）（10.2.4）第十六页，共94页。10.2.2调频波和调相波的数学表示式设调制信号为vΩ(t)，（10.2.3）调频瞬时相位设载波信号调频波的数学表达式为（10.2.6）（10.2.7）第十七页，共94页。调相

ω0t+θ0是未调制时的载波相位；kpvΩ(t)是瞬时相位相对于ω0t+θ0的偏移，叫瞬时相位偏移，简称相位偏移或相移。可表示为最大相移，即相偏，表示为瞬时相位瞬时频率频偏调制指数10.2.2调频波和调相波的数学表示式设调制信号为vΩ(t)，载波信号（10.2.9）第十八页，共94页。10.2.2调频波和调相波的数学表示式调相设调制信号为vΩ(t)，载波信号设调相波的数学表达式为瞬时相位（10.2.8）（10.2.10）第十九页，共94页。数学表达式瞬时频率瞬时相位最大频偏调制指数FM波PM波附：上述比较中的调制信号v(t)，载波V0mcos0(t)10.2.2调频波和调相波的数学表示式第二十页，共94页。以单音调制波为例调制信号调频瞬时频率瞬时相位即10.2.2调频波和调相波的数学表示式10.2.7）调频波的数学表达式为（:调频波的最大频移）第二十一页，共94页。调相瞬时频率瞬时相位调相波的数学表达式以单音调制波为例调制信号10.2.2调频波和调相波的数学表示式（10.2.10）（：调相波的最大频移）调制指数都用m表示第二十二页，共94页。以单音调制波为例调制信号调频调相瞬时频率瞬时相位瞬时频率瞬时相位10.2.2调频波和调相波的数学表示式总结：第二十三页，共94页。m

pΔωmΔωmΩm

fΩ调频调相可以看出调相制的信号带宽随调制信号频率的升高而增加，而调频波则不变，有时把调频制叫做恒定带宽调制。10.2.2调频波和调相波的数学表示式第二十四页，共94页。10.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度由于调频波和调相波的方程式相似，因此只要分析其中一种的频谱，则对另一种也完全适用。调频波信号调相波信号调频波信号其中是以mf为参数的n阶第一类贝赛尔函数。一、频谱调制信号（10.2.21）第二十五页，共94页。一、频谱10.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度第二十六页，共94页。10.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度第二十七页，共94页。一、频谱1)单音调制时，调频波的频谱不是调制信号频谱的简单搬移，而是由载波和无数对边带分量所组成，它们的振幅由对应的各阶贝塞尔函数值所确定。其中，奇次的上、下边带分量振幅相等、极性相反；偶次的振幅相等、极性相同。

2)调制指数mf越大，具有较大振幅的边频分量就越多。这与调幅波不同，在单频信号调幅的情况下，边频数目与调制指数无关。

3)载波分量和各边带分量的振幅均随mf变化而变化。对于某些mf值，载频或某边频振幅为零。利用这一现象可以测定调制指数mf。10.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度第二十八页，共94页。

上式表明，当A0一定时，不论mf为何值，调频波的平均功率恒为定值，并且等于未调制时的载波功率。换句话说，改变mf仅会引起载波分量和各边带分量之间功率的重新分配，但不会引起总功率的改变。4)根据帕塞瓦尔(Parseval)定理调频波的平均功率等于各频谱分量平均功率之和。因此，在电阻R上，调频波的平均功率应为10.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度第二十九页，共94页。虽然调频波的边频分量有无数多个，但是，对于任一给定的mf值，高到一定次数的边频分量其振幅已经小到可以忽略，以致滤除这些边频分量对调频波形不会产生显著的影响。二、带宽通常规定：凡是振幅小于未调制载波振幅的1％(或10％，根据不同要求而定)的边频分量均可忽略不计，保留下来的频谱分量就确定了调频波的频带宽度。如果将小于调制载波振幅l0％的边频分量略去不计，则频谱宽度BW可由下列近似公式求出：10.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度第三十页，共94页。在实际应用中也常区分为：从上面的讨论知道，调频波和调相波的频谱结构以及频带宽度与调制指数有密切的关系。总的规律是：调制指数越大，应当考虑的边频分量的数目就越多，无论对于调频还是调相均是如此。这是它们共同的性质。但是，由于调频与调相制与调制频率F的关系不同，仅当F变化时，它们的频谱结构和频带宽度的关系就互不相同。10.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度第三十一页，共94页。调频调相对于调频制，仅当F变化时，在常用的宽带调频制中，频率分量随mf变化而变化，但同时带宽基本恒定。因此又把调频叫做恒定带宽调制。对于调相制，仅当F变化时，频率分量不变，但带宽变化。特别是F增加时，带宽增加。对于Fmin～Fmax而言，Fmax决定总的带宽，低端频率分量的频谱利用率不高。因此，模拟通信系统中调频制要比调相制应用得广泛。10.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度第三十二页，共94页。下面分析一下含多个频率成分信号调制的调频信号的频谱，以双频信号为例此时增加了许多组合频率，使频谱组成大为复杂。因此，调频与调相制属于非线性调制。10.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度第三十三页，共94页。10.3调频方法概述10.3.1直接调频原理10.3.2间接调频原理第三十四页，共94页。10.3调频方法概述产生调频信号的电路叫做调频器。对它有四个主要要求：（1）已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化。这是基本要求。（2）未调制时的载波频率，即已调波的中心频率具有一定的稳定度（视应用场合不同而有不同的要求）。（3）最大频移与调制频率无关。（4）无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。产生调频信号的方法很多，归纳起来主要有两类：第一类是用调制信号直接控制载波的瞬时频率——直接调频。第二类是由调相变调频——间接调频。第三十五页，共94页。10.3.1直接调频原理直接调频的基本原理是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。因此，凡是能直接影响载波振荡瞬时频率的元件或参数，只要能够用调制信号去控制它们，并从而使载波振荡瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，都可以完成直接调频的任务。如果载波由LC自激振荡器产生，则振荡频率主要由谐振回路的电感元件和电容元件所决定。因此，只要能用调制信号去控制回路的电感或电容，就能达到控制振荡频率的目的。第三十六页，共94页。10.3.2间接调频原理瞬时频率瞬时相位图10.3.1借助于调相器得到调频波第三十七页，共94页。10.4变容二极管调频10.4.1基本原理10.4.2电路分析第三十八页，共94页。10.4变容二极管调频主要优点：能够获得较大的频移（相对于间接调频而言），线路简单，并且几乎不需要调制功率。主要缺点：中心频率稳定度低。应用范围：在移动通信以及自动频率微调系统中。第三十九页，共94页。图10.4.2变容二极管调频电路图10.4.3振荡回路的等效电路10.4.1基本原理图10.4.2是变容二极管调频电路，虚线左边是典型的正弦波振荡器，右边是变容管电路。第四十页，共94页。10.4.1基本原理变容二极管是利用半导体PN结的结电容随反向电压变化这一特性而制成的一种半导体二极管。结电容Cj与反向电压vR存在如下关系：反向电压式中Cj0：

时的电容值（零偏置电容）反向偏置电压，VD：PN结势垒电位差。

γ：结电容变化指数，通常γ=1/2～1/3，经特殊工艺制成的超突变结电容γ=1～5（直流偏压）第四十一页，共94页。CjQC

jvRV0其中：

为静态工作点的结电容。

10.4.1基本原理（调制深度）第四十二页，共94页。图10.4.1用调制信号控制变容二极管结电容10.4.1基本原理第四十三页，共94页。理想线性调制条件小频偏条件下，近似线性。10.4.1基本原理第四十四页，共94页。10.4.2电路分析Cc是变容管与LlC1回路之间的耦合电容，同时起到隔直流的作用；Cφ为对直流电压的旁路电容；

L2是高频扼流圈，但让调制信号通过。它的作用都是将振荡回路和变容管的控制电路隔离防止它们之间的相互影响。

因此，等效的振荡回路可画成右图，主体是LC互感耦合正弦振荡电路。图10.4.2变容二极管调频电路图10.4.3振荡回路的等效电路第四十五页，共94页。图10.4.490MHz直接调频电路及其高频通路举例：10.4.2电路分析第四十六页，共94页。10.5晶体振荡器直接调频直接调频的主要优点是可以获得较大的频偏，但是中心频率的稳定性（主要是长期稳定性）较差。稳定中心频率可以采用以下三种方法：1）对石英晶体振荡器进行直接调频；2）采用自动频率控制电路；3）利用锁相环路稳频。晶体振荡器有两种类型：1）工作在石英晶体的串联谐振频率上，晶体等效为一个短路元件，起着选频作用。2）工作于晶体的串联与并联谐振频率之间，晶体等效为一个高品质因数的电感元件，作为振荡回路元件之一。通常是利用变容二极管控制后一种晶体振荡器的振荡频率来实现调频。第四十七页，共94页。10.5晶体振荡器直接调频变容二极管接入振荡回路有两种方式。一种是与石英晶体相串联，另一种是与石英晶体相并联。变容二极管与晶体并联连接方式有一个较大的缺点，就是变容管参数的不稳定性直接严重地影响调频信号中心频率的稳定度。因而用得比较广泛的还是变容管与石英晶体相串联的方式。第四十八页，共94页。

图10.5.1变容管与晶体的两种连接方式及其电抗曲线10.5晶体振荡器直接调频第四十九页，共94页。图10.5.2晶体振荡器直接调频电路PierceOscillators(c－b)型振荡器

10.5晶体振荡器直接调频第五十页，共94页。图10.5.3晶体振荡器的变容管直接调频电路应用举例：调制信号

Pierce型振荡器

调制信号放大

10.5晶体振荡器直接调频第五十一页，共94页。10.6间接调频:由调相实现调频10.6.1调相的方法10.6.2间接调频的实现第五十二页，共94页。10.6间接调频:由调相实现调频高稳定度载波振荡器相位调制器积分电路多级倍频和混频器宽带窄带

采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个稳定的载频信号进行调相，这样一来就可得到中心频率稳定度高的调频信号。

第五十三页，共94页。10.6.1调相的方法

调相的方法通常有三类：一类是用调制信号控制谐振回路或移相网络的电抗或电阻元件以实现调相。第二类是矢量合成法调相。第三类是脉冲调相。1）谐振回路或移相网络的调相方法（1）利用谐振回路调相主振器之后的放大器（其间一般尚有缓冲级），其输入信号即载波振荡的角频率是固定的。当放大器的负载回路调谐时，放大器的输出电压与输入电压反相。第五十四页，共94页。10.6.1调相的方法（1）利用谐振回路调相（10.6.1）若设负载回路电容在调制信号控制下变化了，且与成线性关系，即这里是回路初始电容，则回路相对失谐为（10.6.2）第五十五页，共94页。10.6.1调相的方法（1）利用谐振回路调相由于回路失谐，输出电压便产生一个附加的相位移，它与失谐的关系为（10.6.3）若，则（10.6.4）将式（10.6.2）与式（10.6.1）代入（10.6.4），得（10.6.1）（10.6.2）又有（10.6.5）第五十六页，共94页。10.6.1调相的方法（1）利用谐振回路调相（10.6.5）上式说明，在满足与两个条件时，附加相移与调制信号成线形关系。但这种调相方法只能产生以下的最大相移，即最大调制指数为若用调制信号控制回路电感，可以得到类似的结果。可控电抗可用变容二极管来实现。第五十七页，共94页。（2）利用移相网络调相图10.6.1RC移相网络10.6.1调相的方法第五十八页，共94页。图10.6.2RC移相网络矢量图10.6.1调相的方法（2）利用移相网络调相输出电压

等于与的矢量和，它相对于的相移为时，上式近似为关系。若调制信号电压与C或R也称反比例关系，则与调制信号成线性关系，即能实现线性调相。（10.6.7）与C或R成反比例时，第五十九页，共94页。图10.6.3利用变容二极管改变移相网络的电抗10.6.1调相的方法第六十页，共94页。2）矢量合成调相法［阿姆斯特朗法］10.6.1调相的方法若相移很小，例如，则上式可近似写成（10.6.8）第六十一页，共94页。图10.6.5实现矢量合成法的方框图10.6.1调相的方法第六十二页，共94页。图10.6.6用载波振荡与双边带调幅波叠加以实现调相10.6.1调相的方法第六十三页，共94页。3）脉冲调相图10.6.7实现脉冲调相的方框图10.6.1调相的方法第六十四页，共94页。图10.6.8脉冲调相各部分的波形图10.6.1调相的方法第六十五页，共94页。10.6.2间接调频的实现间接调频的原理：只要将调制信号积分后，再加至一个调相电路上对载波振荡进行调相，最后即可得到所需要的调频波。10.6.1所讨论知，除脉冲调相外，其余的调相方法都只能得到很小的调制指数。如m≤0.5才能保证一定的调制线性。如最低调制频率为100HZ，则相应的最大频移为Δf=mFmin=0.5*100HZ=50HZ，这远远不能满足需要，如调频广播所要求的最大频移为75kHZ。为使频偏达到所需的数值，常需用倍频的方法。如倍频前的载波频率低如为1MHZ，所需中心频率较高，如为1500MHZ，如用倍频许1500次，只是需用混频的方法。第六十六页，共94页。10.6.2间接调频的实现图10.6.9间接调频的典型方框图第六十七页，共94页。积分电路线性可控延时电路

设延时器件的延时是可控的，如将调制信号积分之后，去线性地控制延时时间，若延时器件此时的输入信号为载波振荡，则经延时以后，得到延时器件的输出信号。10.7可变延时调频第六十八页，共94页。10.8相位鉴频器10.8.1相位鉴频器的工作原理10.8.2相位鉴频器回路参数的选择第六十九页，共94页。10.8.1相位鉴频器的工作原理相位鉴频器是根据第一类鉴频方法，利用回路的相位-频率特性来实现调幅-调频波变换的，应用较广泛。图10.8.1是电感耦合相位鉴频器原理电路图。第七十页，共94页。图10.8.1相位鉴频器原理电路移相网络

包络检波

10.8.1相位鉴频器的工作原理第七十一页，共94页。10.8.1相位鉴频器的工作原理

L1C1和L2C2构成互感耦合的双调谐回路，初、次级回路均调谐于调频波的中心频率f0,它们完成波形变换，将等幅调频波变换成幅度随瞬时频率变化的调频波（即调幅-调频波）。两个二极管包络检波器构成相位鉴频器的平衡鉴相电路，将振幅的变化检测出来。L3为高频扼流圈，负载电阻R通常比旁路电容C3的高频容抗大的多，而耦合电容C4与旁路电容C3的容抗则远小于高频扼流圈L3的感抗。因此，初级回路上的信号电压几乎全部降落在扼流圈L3上。初级回路电流经互感耦合，在次级回路两端感应产生次级回路电压（10.8.1）（10.8.2）第七十二页，共94页。10.8.1相位鉴频器的工作原理经推导，次级回路电压为：（10.8.6）是次级回路总电抗，可正，可负，可为零。1）当信号频率等于中心频率（即回路谐振频率）时，（10.8.7）次级回路电压比初级回路电压超前。2）当信号频率高于中心频率时，（10.8.8）第七十三页，共94页。10.8.1相位鉴频器的工作原理2）当信号频率高于中心频率时，（10.8.8）即当信号频率高于中心频率时，次级回路电压超前于初级回路电压一个小于的角。3）当信号频率低于中心频率时，（10.8.9）超前于初级回路电压一个大于的角。第七十四页，共94页。10.8.1相位鉴频器的工作原理（10.8.10）由于鉴频器的输出电压等于两个检波器输出电压之差，而每个检波器的输出电压（峰值或平均值）正比于其输入电压的振幅(或），所以鉴频器输出电压（峰值或平均值）为为检波器的电压传输系数。第七十五页，共94页。图10.8.4对应于不同耦合因数的鉴频特性曲线10.8.2相位鉴频器回路参数的选择第七十六页，共94页。由该曲线可以看出，耦合很弱（即η很小）时，线性范围小，鉴频跨导高。一般，当η＜1.5以后，非线性就已经相当严重。反之，耦合比较紧，线性范围就大，而鉴频跨导就小。但当η＞３以上时，非线性又严重起来。因此，通常选取η＝１～３。

由于η＝ｋＱ，当回路品质因数ＱL不变时，逐渐加强耦合，鉴频跨导随之下降，但线性范围则随之加宽。10.8.2相位鉴频器回路参数的选择第七十七页，共94页。10.9比例鉴频器以上分析时假定理想调频波，即输入信号V12振幅恒定。能否对相位鉴频器的电路作某些改动来获得一定的限幅作用，以省掉限幅器呢?实际中，当噪声、各种干扰以及电路频率特性的不均匀性所引起的输入信号的寄生调幅，都可能直接在相位鉴频器的输出信号中反映出来。为了去掉这种虚假信号，就必须在鉴频之前预先进行限幅。为了回答这个问题，需要从一个新的观点对相位鉴频器进行深入一步的分析。第七十八页，共94页。10.9比例鉴频器输入信号振幅的变化会使

和

的振幅成比例地变化，因而在相位鉴频器的输出信号中反映出来由

振幅变化产生的虚假信号。第七十九页，共94页。10.9比例鉴频器1.工作原理（10.8.1）（10.8.2）以上两式相加，得上式说明，只要输入电压的振幅不变,则两个包络检波器的输入电压和保持不变，因而检波器的输出电压之和也保持不变，而与瞬时频率的变化无关。亦即和电压只反映输入调频波振幅的变化。第八十页，共94页。1.工作原理10.9比例鉴频器比例鉴频器的思路