第7章++频率调制与解调2.ppt

1、第7章 频率调制与解调,7.1 调频信号分析 7.2 调频器与调频方法 7.3 调频电路 7.4 鉴频器与鉴频方法 7.5 鉴频电路 7.6 调频收发信机及特殊电路（了解） 7.7 调频多重广播（了解）,概 述,频率调制（调频FM）：使高频载波信号的频率按调 制信号的规律变化，得到调 频波信号 相位调制（调相PM）：使高频载波信号的相位按调 制信号的规律变化，得到调 相波信号 调频信号的解调（鉴频FD）：从调频波信号中恢复出调制 信号 调相信号的解调（鉴相PD）：从调相波信号中恢复出调制 信号,角度调制,频谱的非线性变换,载波信号：,调制信号：,调频波信号：,调相波信号：,波形：,调频与调相的

2、关系： （1）调频必调相，调相必调频 （2）鉴频和鉴相也可以相互利用 角度调制的优点： 抗干扰和噪声的能力较强 角度调制的缺点： （1）频带利用率不高 （2）原理和电路实现上都要困难一些,7.1.1 调频信号的参数与波形 1.调频信号分析 调制信号：u(t)=Ucost 载波电压：uC=Uccosct 瞬时角频率：,7.1 调频信号分析,瞬时相位：,FM波的表示式：,调频灵敏度,最大角频偏,调频指数 调制深度,2. 主要调频参数,调频灵敏度,最大角频偏,最大频偏,调频指数，调制深度,3. 调频波的波形,7.1.2 调频波的频谱,调频波的级数展开式为：,1调频波的展开式,特性: Jn(mf)=J

3、-n(mf) n为偶数 Jn(mf) = - J-n(mf) n为奇数,Jn(mf)是宗数为mf的n阶第一类贝塞尔函数:,第一类贝塞尔函数曲线：,级数展开式进一步写成 uFM(t)=UCJ0(mf)cosct+J1(mf)cos(c+)t -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+,单频的调频波是由许多频率分量构成，属非线性调制,2调频波的频谱结构和特点,单频调制时FM波的振幅谱：,为常数：,m为常数：,uFM(t)=UCJ0(mf)cosct+ J1(mf)cos(c+)

4、t -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+,（1）概念 调相波是其瞬时相位以未调载波相位c为中心按调制信号规律变化的等幅高频振荡。 （2）表达式 u(t)=Ucost， uC(t)=UCcosct 则调相波其瞬时相位为： (t)=ct+(t)=ct+kpu(t) =ct+mcost=ct+mpcost 调相信号为：uPM(t)=UCcos(ct+mpcost),7.1.5 调频波与调相波的比较,1调相波,瞬时频率为：,（3）主要参数,最大频偏,调相指数,调相灵敏度,

5、最大相偏,（3）调相波波形,调频波瞬时相位为：,2. 调频与调相的关系,调相波瞬时频率为：,3. 调频波与调相波的比较,调频特性：调频器的调制特性,7.2 调频器与调频方法,调频特性的要求: （1）调制特性线性要好 （2）调制灵敏度要高 （3）载波性能要好,7.2.1 调频器,调频器（调频电路）：实现调频的电路或部件,调频特性曲线：,概念：用调制电压直接控制振荡器的振荡频率,使振荡频 率f(t)按调制电压的规律变化 LC振荡器：控制振荡回路的某个元件(L或C) 张驰振荡器：控制电容的充放电速度,7.2.2 调频方法,两类：直接调频法、间接调频法,1直接调频法,常用方法：变容二极管直接调频 特点

6、：调制器与振荡器合二为一 可以获得较大的频偏（优点） 频率稳定度差（缺点）,实现间接调频的关键是如何进行相位调制。通常,实现相位调制的方法有如下三种： 矢量合成法、可变移相法、可变延时法,2间接调频法(阿姆斯特朗法）,思想：,特点：调制器与振荡器分开 频率稳定度好（优点） 设备复杂（缺点）,（1）矢量合成法 主要针对的是窄带的调频或调相信号。 对于单音调相信号： uPM=Ucos(ct+mpcost) =Ucosctcos(mpcost)-Usin(mpcost)sinct 当mp/12时，上式近似为 uPMUcosct-Umpcostsinct,积分器,（2）可变移相法 利用调制信号控制移相

7、网络的电抗或电阻元件来实现调相。 谐振回路： （3）可变延时法 将载波信号通过一可控延时网络，延时时间受调制信号控制，即 =kdu(t) 输出信号为 u=Ucosc(t-)=Ucosct-kdcu(t),调相信号,3. 扩大调频器线性频偏的方法 调制线性与最大频偏fmc是两个相互矛盾的指标。 （1） 对直接调频电路 调制特性的非线性随最大相对频偏fm/fc的增大而增大。 在较高的载波频率上实现调频，可以获得较大的绝对频偏。若要求载波频率较低时，先在较高的载波频率上实现调频，然后通过混频的将载频降下来，频偏的绝对数值保持不变。,（2）对间接调频电路 受非线性限制的是最大相偏。 先在较低的载波频率

8、上实现调频，然后通过倍频和混频的方法得到所需载波频率的最大线性频偏。,7.3 调频电路,1.变容二极管直接调频电路 （1） 变容二极管调频原理,7.3.1 直接调频电路,将变容二极管接入振荡回路，在变容二极管两端加调制电压，当调制电压变化时，引起结电容Cj变化，进而实现回路谐振频率变化，从而实现调频。,变容管的Cju曲线：,变容二极管结电容Cj与所加反偏电压u 之间的关系:,加的调制信号电压u(t)=Ucost后,电容调制度,静态工作时：,（2） 变容二极管直接调频性能分析,1）Cj为回路总电容,电路：,简化后的振荡回路：,振荡频率为：,=2时：,忽略高次项,上式可近似为,展开成幂级数：,中心

9、频率漂移,最大角频偏,二次最大角频偏,二次谐波失真系数:,调频灵敏度：,特点： CQ随温度、电源电压变化，造成振荡器频率稳定度下降 不等于2时，调频特性出现非线性失真，中心频率漂移,利用对变容二极管串联或并联电容的方法来调整回路总电容C与电压u之间的特性。,2）Cj作为回路部分电容,等效电路：,简化振荡回路：,实际电路：,回路的总电容为：,振荡频率为：,在工作点EQ处展开：,式中 ：,最大频偏为：,特点（和Cj为回路总电容时比较）：相对频偏减小（缺点） 中心频率稳定度提高（优点）,问题： 变容二极管（对LC振荡器）直接调频电路的中心频率稳定度较差。 稳频措施： （1）增加自动频率微调电路或锁相

10、环路（第8章讨论） （2）直接对晶体振荡器调频,2. 晶体振荡器直接调频电路,实际电路：,交流等效电路：,振荡频率为：,特点：相对频偏非常小（缺点） 中心频率稳定度高，10-5以上（优点）,3. 张弛振荡器直接调频电路,框图：,（1）三角波调频信号的生成,调频原理：电流发生器输出电流I大小随调制信号线性变化，控制积分速度随I的大小线性变化，三角波频率随调制信号线性变化,三角波变为正弦波变换特性：,产生方法：输出端加波形变换电路或滤波器,（2）正弦波调频信号生成,7.3.2 间接调频电路,变容二极管调相电路,高Q并联振荡回路,电压电流间的相移：,（采用可变移相法）,当/6时,tan，上式简化为：

11、,输入调制信号为Ucost，谐振频率：,瞬时频偏为：,瞬时相偏为：,问题： 最大相偏30以下，可变移相法线性范围不大，因而 得到的频偏不大,扩大频偏的措施：采用倍频增大频偏 采用级联调相电路,三级回路级联的移相器：,7.4 鉴频器与鉴频方法,7.4.1 鉴频器,鉴频特性：变换器的变换特性,鉴频特性的要求: （1）线性范围要宽，线性度好 （2）鉴频跨导（鉴频灵敏度）要大,鉴频器（频率检波器）：调频波解调电路，f / v变换器,鉴频特性曲线：,7.4.2 鉴频方法,波形变换法 锁相环解调法 调频负反馈解调法 正交鉴频法,间接鉴频法：,直接鉴频法：脉冲计数式鉴频法,1. 振幅鉴频法,变换电路特性：,

12、基本思想：,uFM-AM,（1）直接时域微分法,原理：,uFM-AM,设调制信号为u=f（t），调频波为,微分鉴频电路：,uFM-AM,（2）斜率鉴频法,原理：利用调谐回路的失谐状态，即其幅频特性倾斜部 分对FM波解调,单回路斜率鉴频器电路：,问题：单调谐回路的谐振曲线的倾斜部分线性度较差。,双离谐平衡鉴频器：,特点： 失真小，灵敏度高于单回路 适于解调大频偏信号 不易调整,2. 相位鉴频法,原理框图：,设输入鉴相器的两个信号分别为：,利用乘积型鉴相器实现鉴频的方法,（1） 乘积型相位鉴频法（积分鉴频法）,线性相移网络：单谐振回路(或耦合回路),乘积型鉴相器,鉴相器输出：,（2) 叠加型相位鉴

13、频法,利用叠加型鉴相器实现鉴频的方法,线性相移网络：单谐振回路(或耦合回路),加法器输出：,平衡式叠加型相位鉴频器,平衡式叠加型鉴相器,3. 直接脉冲计数式鉴频法,7.5 鉴频电路,常用鉴频电路： 叠加型相位鉴频电路、比例鉴频器、正交鉴频器、 7.5.1 叠加型相位鉴频电路 叠加型相位鉴频法基本思想：,互感耦合相位鉴频器、电容耦合相位鉴频器,1.互感耦合相位鉴频器,uFM-,uFM,uFM,叠加生成uFM-AM,1） 频率相位变换（互感耦合回路）,与间的相差随输入信号频率变化,时，,时，,时，,令=2Qf/f0, A=kQ, 则上式变为：,uFM-,2) 相位幅度变换（叠加型鉴相器-加法器）

14、电路简图： 检波二极管上的高频电压:,与 间的相位差：,UD1与UD1的幅度随 的频率而变化：,3) 检波输出（叠加型鉴相器-检波器） 设检波系数：Kd1 ,Kd2，则两个包络检波器的输出分别为： uo1=Kd1UD1 uo2=Kd2UD2,2. 电容耦合相位鉴频器,两回路间的耦合电容,耦合回路部分,等效,设次级回路的并联阻抗Z2为：,Cm很小，满足1/(Cm)p2Z2，p=1/2，AB间的电压为,耦合系数：,具有自限幅（软限幅）能力，与互感耦合相位鉴频器电路的区别： (1)两个二极管顺接； (2)在电阻(R1+R2)两端并接一个大电容C； (3)接地点和输出点改变。,7.5.2 比例鉴频器,

15、1.基本电路,i1R1+(i1-i2)RL=uc1 i2R2+ (i2- i1 ) RL=uc2 uo=(i2-i1)RL,2. 工作原理,简化等效电路,当R1=R2=R时,当RLR时,f = fc 时：UD1=UD2， 输出电压为零 f fc 时：UD1UD2，输出电压为负 f fc 时：UD1UD2， 输出电压为正,叠加型鉴频器 鉴频特性,采用乘积型相位鉴频法，由于调频信号和参考信号同频正交，称为正交鉴频器。,7.5.3 正交鉴频器,1. 正交鉴频原理,2. 集成正交鉴频器,某电视机伴音集成电路：,电视伴音电路组成：限幅中放、内部稳压、鉴频电路 鉴频电路：移相网络、乘法器、低通滤波器（外接

16、）,移相网络：,传输函数：,u1与u2（实际上是ur与us）之间的相位差为：,设：,f/f01时,调整L、C和C1均可改变回路谐振频率,7.5.4 其它鉴频电路,1. 差分峰值斜率鉴频器,在集成电路中常用的振幅鉴频器,移相网络接在集成电路的、10脚之间,从脚向右看的移相电路的谐振频率,从10脚向左看的移相电路的谐振频率,uo（U1-U2）,f=f01时，L1、C1回路谐振，U1最大而U2最小 f=f02时，L2、C1 、C2回路谐振，U2最大而U1最小,2.晶体鉴频器 晶体鉴频器的原理电路如图751所示。电容C与晶体串联后接到调频信号源。VD1、R1 ,C1和VD2、R2、C2为两个二极管包络

17、检波器。为了保证电路平衡，通常VD1与VD2性能相同，R1=R2,C1=C2。,图751 晶体鉴频器原理电路,图752 电容晶体分压器 (a)电抗曲线；(b)电容、晶体两端电压变化曲线,图753 晶体鉴频器的鉴频特性,7.5.5 限幅电路 振幅限幅器的性能可由图754(b)所示的限幅特性曲线表示。图中，Up表示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是在限幅区内要有平坦的限幅特性，门限电压要尽量小。,图754 限幅器及其特性曲线,7.6 调频收发信机及特殊电路,7.6.1 调频发射机 图755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

18、50Hz15kHz，最大频偏为75kHz。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fc1=200kHz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。调相输出的最大频偏为25Hz，调制指数mf0.5。,图755 调频发射机框图,7.6.2 调频接收机 图756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、鉴频器及几个附加电路外，其主要方框均与AM超外差接收机相同。调频广播基本参数与发射机相同。,图756 调频接收机方框图,7.6.3 特殊电路 1.预加重及去加重电路 理论证明，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

19、内，所有噪声都一样大。调频制的噪声频谱(电压谱)呈三角形，见图757(b)，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。,图757 调频解调器的输出噪声频谱 (a)功率谱；(b)电压谱,由于调频噪声频谱呈三角形，或者说与成线性关系，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 H(j)=j,图758 预加重网络及其特性 (a)预加重网络；(b)频率响应,去加重网络及其频响曲线如图759所示。从图看出，当2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。,图759 去加重网络及其特性,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760所示。,图760预、去加重网络对信噪比的改善,2. 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。但在调频通信和调频广