高频电子线路（第6版）课件6角度调制与解调电路

第6章角度调制与解调电路

6.1调角信号的基本特性

6.2调频电路

6.3鉴频电路

本章小结用待传输的低频信号去控制高频载波信号的频率，使其随调制信号线性变化，称为频率调制，简称调频，用FM表示。用待传输的低频信号去控制高频载波信号的相位，使其随调制信号线性变化，称为相位调制，简称调相，用PM表示。频率调制和相位调制都使载波信号的瞬时相位受到调变，统称为角度调制。角度调制电路是频谱的非线性变换电路。引言由于模拟通信系统中，调频比调相应用广泛，而在数字通信中，调相比调频应用广泛，所以本章重点讨论调频信号的基本特性、调频与鉴频电路。6.1

调角信号的基本特性主要要求：

掌握瞬时角频率与瞬时相位的关系。掌握调频的基本概念，调频信号的数学表达式、主要参数、频谱带宽和特点。了解调相信号的特点、表达式及主要参数。了解调频与调相的关系。6.1.1瞬时频率与瞬时相位概念实轴

(t)

0t

=

0Um瞬时相位O可用长度Um、与实轴夹角

(t)的旋转矢量表示矢量初始相位为

0，以

(t)的角速度绕O反时针旋转。t

=

t当

=

c时：瞬时角频率ω(t)6.1.2调频信号与调相信号一、调频信号载波信号：调制信号：调频波瞬时角频率：

(t)=

c+kf

u

(t)rad/（s·V）=

c

+

（t）瞬时相位：附加相位为分析方便，通常令

0=0,则FM信号为角频偏设u

(t)=U

m

cos(

t)

(t)=

c+kf

U

m

cos(

t)=

c+

m

cos(

t)调频指数最大角频偏单频调制时：则

u

(t)=U

m

cos(

t)

(t)=

c+

m

cos(

t)调制信号瞬时角频率变化附加相移调频信号附加相移与调制信号相位相差90o瞬时角频率与调制信号变化规律一致。二、调相信号载波信号：调制信号：故单频调制时的调相信号为：

(t)=

ct+kp

u

(t)=

ct+

(t)比例常数rad/V瞬时相位：附加相位偏移mp=kpUΩm是调相指数，代表调相波的最大相位偏移，相位摆动的幅度。单位：rad。是随调制信号而变的附加相位偏移。调制信号瞬时角频率变化附加相移调相信号

u

(t)=U

m

cos(

t)附加相移与调制信号变化规律一致。三、调频信号与调相信号的比较调制信号u

(t)=U

m

cos(

t)载波信号

uc(t)=Um

cos(

c

t)调频调相瞬时角频率

(t)

＝c+kf

u

(t)=

c+

mcos(

t)=

c–

m

sin(

t)

瞬时相位

(t)=ct+kp

u

(t)=

ct+mpcos(

t)最大角频偏

m=kf

U

m=mf

=kpU

m

=mp

最大附加相移

mp=kpU

m三、调频信号与调相信号的比较调制信号u

(t)=U

m

cos(

t)载波信号

uc(t)=Um

cos(

c

t)调频调相瞬时角频率

(t)

＝c+kf

u

(t)=

c+

mcos(

t)=

c–

m

sin(

t)

瞬时相位

(t)=ct+kp

u

(t)=

ct+mpcos(

t)最大角频偏

m=kf

U

m=mf

=kpU

m

=mp

最大附加相移

mp=kpU

m可见：

调制前后载波振幅均保持不变。将调制信号先微分，然后再对载波调频，则得调相信号；

将调制信号先积分，再对载波进行调相，则得调频信号。即调频与调相可互相转换。调频信号调相信号最大角频偏不变最大相位偏移成反比减小最大相位偏移不变最大角频偏成正比增大Um一定，

m和mf（mp）随

变化的规律例6.1.1已知u

(t)=5cos

(2103t)V

，调角信号表达式为uo(t)=10cos[(2106t)+10cos(2103t)]V试判断该调角信号是调频信号还是调相信号，并求调制指数、最大频偏、载波频率和载波振幅。解：=2106t+10cos(2103t)附加相移位正比于调制信号，故为调相信号。调相指数

mp=10

rad载波频率

fc

=106Hz

fm=mpF最大频偏振幅

Um

=10V=10103Hz=10kHz例6.1.2一组频率为300

3000Hz的余弦调制信号，振幅相同，调频时最大频偏为

75kHz，调相时最大相移为

2

rad，试求调制信号频率范围内：(1)调频时mf的变化范围;(2)调相时

fm的范围;解：(1)调频时，

fm与调制频率无关，恒为75kHz。故说明：调频时

fm不随调制频率而变；但mf随着调制信号频率的不同而变化。(2)调相时，mP

与调制频率无关，恒为2

rad

。故说明：调相时mp不随调制频率而变；但

fm随着调制信号频率的不同而变化。6.1.3调角信号的频谱和带宽一、调角信号的频谱

FM信号和PM信号的数学表达式的差别仅仅在于附加相移的不同，当单频余弦调制时，前者的附加相位按正弦规律变化，而后者的按余弦规律变化。按正弦变化还是余弦变化只是在相位上相差π/2而已，所以这两种信号的频谱结构是类似的。分析时可将调制指数mf或mp用m代替，从而把它们写成统一的调角信号表示式

根据贝塞尔函数理论有：

Jn(m)

称为以m

为宗数的n

阶第一类贝塞尔函数。上边频下边频可见：调角信号频谱不是调制信号频谱的线性搬移。而是由载频分量和角频率为（ωc±nΩ）的无限对上、下边频分量构成。这些边频分量和载频分量的角频率相差nΩ。

当n为奇数时，上、下边频分量的振幅相同但极性相反；

当n为偶数时，上、下两边频分量的振幅和极性都相同。而且载频分量和各边频分量的振幅均随Jn(m)而变化。12345678910111213mJn(m)Jn(m)随m、n

变化的规律

1.00.80.60.40.20–0.2–0.4n=0n=1n=2n=3n增大时，总趋势使边频分量振幅减小。m越大，具有较大振幅的边频分量就越多；且有些边频分量振幅超过载频分量振幅。当m为某些值时，载频分量可能为零，m为其它某些值时，某些边频分量振幅可能为零。

调角前后高频信号的振幅未变，故功率也不变。由于n增大时，总趋势使边频分量振幅减小，所以离开载频较远的边频振幅都很小，在传送和放大过程中，舍去这些边频分量，不会使调角信号产生明显的失真，因此，调角信号实际所占的有效频带宽度是有限的。

通常取BW=2(m+1)F若

m<<1,则BW

2F称为窄带调角信号若

m>>1,则BW

2m

F=2

fm称为宽带调角信号复杂信号调制时二、调角信号的频谱宽度角度调制具有抗干扰能力强和设备利用率高等优点，但调角信号的有效频谱带宽比调幅信号大得多。作业：6.2调频电路主要要求：

了解实现调频的方法及调频电路的主要性能指标。理解变容管直接调频电路的组成和工作原理。了解间接调频电路的组成和工作原理。了解实现调相的基本方法。理解扩展最大频偏的方法。6.2.1概述实现方法：直接调频和间接调频。直接调频：用调制信号直接控制振荡器振荡回路元件的参量，使振荡器的振荡频率受到控制，使它在载频的上、下按调制信号的规律变化。间接调频：将调制信号积分，然后对载波进行调相，从而获得调频信号。特点：原理简单，频偏较大，但中心频率不易稳定。特点：调制不在振荡器中进行，易于保持中心频率的稳定，但不易获得大的频偏。主要性能指标：中心频率及稳定度、最大频偏、非线形失真和调制灵敏度。中心频率：调频信号的载波频率fc。保持中心频率高稳定度是保证接收机正常接收所必需的。最大频偏：正常调制电压作用下所能产生的最大频率偏移Δfm调制信号的频率偏移与调制电压的关系称为调制特性，实际调频电路中调制特性不可能呈线性，而会产生非线形失真。调制灵敏度：调制特性曲线的斜率称为调制灵敏度，调制灵敏度越高，单位调制电压所产生的频率偏移就越大。6.2.2变容二极管直接调频电路一、基本原理提供变容管的反向偏压隔直电容高频扼流圈，对高频开路、对调制信号短路调制信号基本电路高频通路直流和调制信号通路变容管结电容振荡回路由电感L和变容管结电容Cj组成振荡角频率为：变容管结电容Cj与外加电压u的关系为：Cj0是u=0时的结电容。γ是电容变化指数，在1/3到6之间。加在变容二极管两端的电压为：调制信号uΩ(t)变容二极管结电容随调制电压变化的规律为：在偏压UQ作用下所呈现出的电容。称为电容调制度，它反映Cj受调制信号电压调变的程度。

Cj<1。振荡角频率与调制信号关系:是未受调制时的振荡角频率，即uΩ=0时的振荡角频率，为调频信号的载波频率。当γ=2时，可以看到角频率ω的变化量与调制信号电压成正比，实现线性调频。当γ≠2时，调制特性是非线性的，但调制电压足够小，也可实现近似的线性调频。为减小γ≠2所引起的非线性，以及因温度、偏置电压等对CjQ的影响所造成的调频波中心频率的不稳定，在实际应用中，常采用变容二极管部分接入振荡回路方式。变容管部分接入回路所构成的调频电路，调制灵敏度和最大频偏都降低。选γ>2，然后适当调节C1、C2，可使调制特性接近于线性。C2串接Cj然后再并接接C1，降低Cj

对振荡频率的影响。二、电路实例变容管全部接入回路振荡部分交流通路变容二极管的直流通路调制信号通路中心频率fc

=70MHz，最大频偏

fm=6MHz中心频率3.8MHz，最大频偏3.1KHz，经24倍频后获得发射所需的调频信号。电容三点式LC振荡电路V2为射极输出器调频信号输出调制信号输入晶体振荡器直接调频电路三极管集电极回路调谐于晶体的三次谐波上串接的L1用于增大频偏6.2.3间接调频电路一、间接调频基本原理晶振缓冲Umcos(ωct)积分器uΩ(t)uΩ'(t)调相器uo(t)调制信号uΩ(t)=UΩmcos(Ωt)间接调频的关键是调相二、变容二极管调相电路+uo(t)–RPis(t)CjL未加u

(t)时，Cj上加u

(t)，使Cj

变化，则回路谐振频率随之改变

c

Z

01

02

90º–90º可见：当载波频率保持为

c不变，Cj随调制信号变化而变化时，输出电压的幅度和相位也随之变化，实现调相。设is(t)=Ismcos

c

t则当u

(t)=U

mcos

t，变容二极管工作状态选择合理且相位变化在±30°以内。可得为实现线性调相，mp必须小于30°,（即π/6rad

）,故调相波的最大频偏不能很大。

调相指数：最大角频偏：变容二极管的电容调制度并联回路的有载品质因数变容二极管的电容变化指数三、变容二极管间接调频电路电路简化等效电路积分电路要求ΩRC>>1，从而使RC电路对调制信号构成积分电路。iΩ(t)≈uΩ(t)/R

实际加到变容二极管的调制电压为当u

(t)=U

mcos

（

t）

时可得输出调频信号调频指数：最大角频偏：由于R>>1/ΩC

，故得利用混频器：利用倍频器：通常先用倍频器增大调频信号的最大频偏，然后再用混频器将调频信号的载波频率降低到规定的数值。6.2.4扩展最大频偏的方法可将载波频率和最大频偏同时扩展n倍。可在不改变最大频偏的情况下，将载波频率改变为所需值。例6.2.1下图所示为某调频设备的组成框图，已知间接调频电路输出的调频信号中心频率fc1=100kHz，最大频偏Δfm1=24.41Hz，混频器的本振信号频率fL=25.45MHz，取下边频输出，试求输出调频信号uo(t)的中心频率fc和最大频偏Δfm

。解：fc2=4×4×4×3×fc1=192×100kHz=19.2MHzΔfm2=4×4×4×3×Δfm1=192×24.41Hz=4.687kHz

fc3=fL-fc2=(25.45-19.2)MHz=6.25MHz

Δfm3=Δfm2=4.687kHzfc=4×4×fc3=16×6.25MHz=100MHzΔfm=4×4×Δfm3=16×4.687kHz=75kHz作业：6.3鉴频电路主要要求：

了解鉴频的实现方法及鉴频电路的主要性能指标。了解斜率鉴频器和相位鉴频器的工作原理。了解限幅器在接收机中的作用和常用限幅电路。6.3.1鉴频特性及鉴频的实现方法鉴频电路输出电压uo与输入调频信号瞬时频率f之间的关系曲线称为鉴频特性曲线。调频信号中心fc频率上，输出电压为0。当信号频率偏离中心fc频率升高、下降时，输出电压将分别向正、负极性方向变化（或相反）。在信号频率fc附近，uo与f

近似为线性关系。为了获得理想的鉴频效果，希望鉴频特性曲线要陡峭且线性范围大。一、鉴频特性鉴频灵敏度(也称鉴频跨导)SD线性范围2fmax(也称鉴频电路带宽)应使

fmax>

fm非线性失真：指由于鉴频特性的非线性所产生的失真。通常要求在满足线性范围和非线性失真的条件下，提高SD。主要性能指标二、鉴频的实现方法1.斜率鉴频器2.相位鉴频器3.脉冲计数式鉴频器4.锁相鉴频器在第7章锁相环路中介绍。6.3.2斜率鉴频器一、基本原理频率-振幅变换调频变为调幅-调频单失谐回路鉴频器LC并联谐振回路谐振频率f0调离调频波的中心fc。当加到LC并联回路的调频信号频率随时间变化时，回路两端电压的振幅也随时间产生相应的变化。利用LC并联回路谐振曲线的下降（上升）部分，使等幅的调频信号变成调幅-调频信号。采用振幅检波器，可得到原调制信号uo(t)。二、双失谐回路斜率鉴频器C1=C2R1=R2两个回路的谐振特性相同V1

、V2特性相同uo=uo1–uo2f01<

fc

<

f02，对fc的偏离要适当fc

–f01=

f02–

fc应大于∆fm上、下两个单失谐回路的鉴频器特性相互补偿，使鉴频器非线性失真减小，线性范围和鉴频灵敏度增大。电路谐振曲线鉴频特性6.3.3相位鉴频器鉴相器模拟鉴相器数字鉴相器乘积型叠加型一、乘积型相位鉴频器二、叠加型相位鉴频器一、乘积型相位鉴频器1.乘积型鉴相器模拟相乘器用来检出两个输入信号之间的相位差，并将相位差变换为电压信号。低通滤波器用于取出低频信号、滤除高频信号，从而得解调输出电压uo

(t)。设输入信号为增加固定相位差以使鉴频特性过原点（1）两个输入信号均为小信号设低通滤波器增益为1，则当｜

｜≤0.5rad(约30°)时，有

鉴相灵敏度可见：两个输入信号均为小信号时具有正弦鉴相特性。当｜

｜≤30°时近似线性鉴相。根据相乘器输入信号幅度大小的不同，乘积型鉴相器有下面三种不同的工作状态：（2）两个输入信号中一个为大信号，另一个为小信号通过低通滤波器滤除高频分量，得为鉴相灵敏度设为小信号为大信号（3）两个输入信号均为大信号看成uX

(t)、uY

(t)经双向限幅变成正、负对称方波信号后相乘

在

/2时，经通带增益为1的低通滤波器，取出平均分量，可得解调输出电压uo

(t)为可见：在

/2时可实现线性鉴相。可证明：在

/2范围内是一条通过原点的直线，当

>/2时，鉴相特性向两侧周期性重复，为一条三角形特性。三角形鉴相特性2.单谐振回路频相变换网络电压传输系数当失谐不太大时

式中单谐振回路的频率特性曲线由于当失谐量很小，使时设输入调频信号的瞬时角频率ω(t)=ωc+Δω(t)，且ω0=

ωc，则得可见：当

m很小使失谐量很小时，该变换网络可不失真地完成频率-相位转换。二、叠加型相位鉴频器1.叠加型鉴相器固定相位差使鉴频特性过原点。组成：将两个输入信号叠加后加到包络检波器为获得较大的线性鉴相范围，通常采用叠加型平衡鉴相器。叠加型平衡鉴相器（a）

=0时，鉴相器输出电压uo=uo1-uo2=0（b）

>0时，鉴相器输出电压uo=uo1-uo2>0（c）

<0时，鉴相器输出电压uo=uo1-uo2<0可得正弦鉴相特性当

较小时，近似为线性鉴相特性。作业：6.3.4脉冲计数式鉴频器将调频信号变换成脉宽相同而周期变化的脉冲序列，其平均分量与瞬时频率变化成正比，经低通滤波后取出。优点：线性鉴频范围大；不需LC谐振回路，便于集成化。缺点：工作频率受到脉冲最小宽度的限制。6.3.5限幅器作用：消除寄生调幅。典型限幅特性Up点称为门限电压，通常要求它小。限幅特性：指限幅器输出基波电压振幅Uom与输入高频电压振幅Usm的关系。一、二极管限幅器us

小于UQ，uo

us。us

大于UQ，uo被限制在UQ

。电路要求：

RL>>R

，V1、V2特性完全相同，二极管正向电阻尽量小，反向电阻趋于无穷大。优点：

电路简