第8章 角度调制电路(本科上课用课件).ppt

1、第8章 调角调制电路,第一节 引言第二节 鉴相器,主要内容 ：,第三节 鉴频器,第8章 角度调制电路,前言： 一、概述,角度调制和解调电路都属于频谱非线性变换电路。,无论是调频还是调相最终都表现为已调波的总相位（角度） 受到调制信号的控制，故统称为角度调制。,角度调制可分为两种：,频率调制或调频：FM(Frequency Modulation) 振幅不变，瞬时频率随调制信号的振幅线性变化 相位调制或调相：PM(Phase Modulation) 振幅不变，相位随调制信号的振幅线性变化,调幅：将调制信号的低频频谱结构线性搬移到载波附近的高频区。 载波的振幅随调制信号的变化而变化，载波的频率和相

2、位不受调制信号的控制，属于线性频谱搬移技术。,二、调幅与调角的区别：,调角：已调波的频谱结构与原调制信号的频谱结构完全不同。载 波的振幅不变，它的频率和相位受调制信号的控制，属于 非线性频谱搬移技术。,三、调频的优缺点：,调频优点： 抗干扰性强 功率管利用率高 信号传输保真度高,调频缺点： 只能工作在超短波以上波段 电路结构复杂,四、调频与调相的比较,在数字通信中，相位键控的抗干扰能力优于频率 键控和幅度键控，因而调相制获得广泛应用。,在模拟通信中，系统带宽相同时，调频系统接收机 输出端的信噪比明显优于调相系统，故广泛采用调 频制。广泛用于广播、电视、通信、遥感技术。,6,8.1 调角波的性质

3、,8.1.1 瞬时频率与瞬时相位的关系,结论1：瞬时频率(t)是瞬时相位角(t)对时间的微分。,结论2：瞬时相位角(t)是瞬时频率(t) 对时间的积分。,7,8.1.2 调频波的数学表达式及波形,一、调频波的数学表达式,低频调制信号：,高频载波信号：,调频波的定义：,载波的振幅不变，载波的瞬时频率与调制信号u(t)呈线性关系。,8,一、调频波的数学表达,调频信号（已调波）的表达式：,瞬时角频度,调频波的表达式,单频调频波的数学表达式：,瞬时相角,结论1：调制信号的幅度越大，调频指数mf 越大， 调制信号的频率越大，调频指数mf 越小，通常mf1,结论2：调制信号的幅度越大，调频信号的调频范围越

4、大， 即m。,调频波波形示意图,13,8.1.3 调相波的数学表达式及波形,一、调相波的数学表达式,低频调制信号：,高频载波信号：,调相波的定义：,载波振幅不变，载波的瞬时相位与调制信号u(t)呈线性关系,调相信号（已调波）的表达式：,结论：,15,结论：调制信号的幅度与频率增大最大频偏越大。,调相波波形示意图,三、调频与调相的比较,调制信号为单频余弦信号时调频与调相的比较,信号波形比较,两者的联系和区别,联系：调频波可看成调制信号为u(t)dt的调相波； 调相波可看成调制信号为du(t)/dt的调频波。 区别：,调制指数 FM：与调制信号的振幅成正比，与调制角频率成反比 PM：与调制信号的振

5、幅成正比，与调制角频率无关 最大频率偏移 FM：与调制信号的振幅成正比，与调制角频率无关 PM：与调制信号的振幅成正比，与调制角频率成正比,三、作业：,1.教材P206 填空题,2.教材P206 习题8.3.1-8.3.4,8.1.4 调角波的频谱与带宽,一、调角波的频谱,cos(msin t)=J0(m)+2J2(m)cos2t+2J4(m)cos4t+ sin(msint)=2J1(m)sint+2J3(m)sin3t+2J5(m)sin5t+,利用2个贝塞尔函数：,其中Jn(m)是宗数为m的n阶第一类贝塞尔函数,u(t)=UcmJ0(m)cosct-2J1(m)sintsinct+2J2

6、(m)cos2tcosct -2J3(m)sin3tsinct+2J4(m)cos4tcosct+,贝塞尔函数带入调角波表达式得：,载频,第一对边频,第二对边频,第三对边频,2、频谱特点,A、频谱结构,包含载波频率分量（但是幅度小于1，与mf 有关）及无穷多个边频分量； 各边频分量之间的频率间隔为； 各频率分量的幅度由贝塞尔函数Jn(mf )决定，载频分量并不总是最大，有时为零; 奇次边频分量的相位相反。,B、频谱结构与调制指数的关系,各阶贝塞尔函数 随m增大变化的 规律均是衰减振 荡, 而各边频 分量振幅值与对 应阶贝塞尔函数 成正比。 m边频分量越少， 但对应振幅越大 即“少”而“大” m

7、边频分量越多， 但对应振幅越小 即“多”而“小”,mf愈大，则具有一定幅度的边频数目愈多，频带愈宽。 这是调频波频谱的主要特点。 当mf值小(mf 1)时，可认为调频波的频谱与调幅波相同。 与标准调幅情况不同，调频波的调制指数可大于1，而且通常应用于大于1的情况。 对于某些mf值，载频分量或某次旁频分量的幅度是零。 例 ： mf =2.40, 5.52, 8.65, 11.79, 14.93, 18.07, , 载频分量的幅度是零。,B、频谱结构与调制指数的关系,C、其它特点,频率调制不是将信号的频谱在频率轴上平移，而是将信号各频率分量进行非线性变换。因此，频率调制是一种非线性过程，又称为非线

8、性调制。 各频率分量间的功率分配： 因为调频波是一个等幅波，所以它的总功率为常数，不随调制指数的变化而变化，并且等于未调载波的功率。 调制后，已调波出现许多频率分量，这个总功率就分配到各分量。随mf的不同，各频率分量之间功率分配的数值不同。 因此调制过程不需要外界供给边频功率，只是高频信号本身载频功率与边频功率的重新分配而已。,调频器=功率分配器,五、调角波的频带宽度,调频波所占的带宽，理论上说是无穷宽的，因为它包含有无穷多个频率分量。 但实际上，在调制指数一定时，超过某阶数（nmf+1）时，贝塞尔函数Jn(mf)的数值随着n的增加而迅速减小。这时（nmf+1）则可认为调频波所具有的频带宽度是

9、近似有限的。 频带宽度为：,频带宽度比调幅波宽得多。只适用于频率较高的甚高频和超高频段中。,调制信号频率不同时，调频、调相信号的频谱分布,*对于调相波：频带宽度在调制信号频率的高端和低端相差 很大，对频带的利用很不经济。,例,调频波的幅度1V, 频谱结构如图；调制信号u(t)=Umcost。 求： 1、调频波表示式uf(t)=cos(ct+mfsint)中的mf、 c、 ； 2、调频波的频带宽度Bf、调频波的最大频偏f。,解：,查表得,由图得,上述特点充分说明调角是完全不同于调幅的一种非线性频率变换过程。显然, 作为调角的逆过程, 角度解调也是一种非线性频率变换过程。,对于由众多频率分量组成的

10、一般调制信号来说, 调角信号的总频谱并非仅仅是调制信号中每个频率分量单独调制时所得频谱的组合, 而且另外又新增了许多频率分量。例如, 若调制信号由角频率为1, 2的两个单频正弦波组成, 则对应调角信号的频率分量不但有cn1和cn2, 还会出现cn1p2, n、p=0, 1, 2, 。 ,三、课堂练习：,1.教材P207 习题 8.3.1 8.3.2,2.教材P207 习题 8.3.3 8.3.4,8.3 调频信号的产生,一、调频方法,用调制电压直接去控制载频振荡器的频率（通过改变回路元件参数），以产生调频信号，振荡器的频率随调制信号线性变化。 类型： 变容二极管直接调频（最常用） 电抗管直接调

11、频 晶体振荡器直接调频 特点：易于得到比较大的频偏；但中心频率的 稳定度不易做得很高 调频信号的产生通常采用直接调频法。,保持振荡器的频率不变，用调制电压去改变载波输出的相位（调相），再由调相实现调频 先对调制信号进行积分再进行调相 特点：载波中心频率稳定度较好；但不能直接 获得较大的频偏。 广泛运用在数字信号调制中。,若先对调制信号u(t)进行积分,因此, 将调制信号积分后调相, 是实现调频的另外一种方式, 称为间接调频。 或者说, 间接调频是借用调相的方式来实现调频。,间接调频：,然后将u1(t)作为调制信号对载频信号进行调相, 则可得到:,可知, 对于u(t)来说, 上式是一个调频信号表

12、达式。,直接调频电路原理,间接调频电路原理,二、性能指标,调制特性被调振荡器的频率偏移与调制电压的关系， 表示为f/fc=f(u),调制灵敏度S调制电压变化单位数值所产生的振荡 频率偏移，表示为S=f/u,最大频偏fm在调制电压作用下所能达到的最大频偏,载波频率稳定度f/fc时间间隔,调频信号的瞬时频率以稳定的中心频率（载频）为基准变化。若中心频率不稳定，就有可能使调频信号的频谱落到接收机通带范围之外，以致不能保证正常通信。 因此，对于调频电路，不仅要满足频偏的要求，而且要使中心频率保持足够高的稳定度。,三、技术要求：,频偏与调制信号保持良好的线性关系 调制灵敏度尽量高 频偏尽量大 中心频率稳

13、定度尽量高 寄生调幅尽量小,一、变容二极管直接调频电路,1.变容二极管的符号与特性,二极管是单向导电元件，若将其反向偏置，并始终控制在截止区时，PN结的结电容的大小随反向控制电压的变化而变化，因此PN结二极管可制成变容二极管。,调制信号u(t),保证管子始终处于截止状态的直流电源EUm,变容二极管,8.4 变容二极管直接调频电路,Cj0为未外加电压时的结电容(u=0) UDPN结势垒电位差（硅管0.4-0.7v、锗管0.2-0.3v） 结电容变化指数，由结的类型和掺杂浓度决定。1/3-6变化。,1超突变结,突变结,缓变结,变容二极管的电容,一、变容管全部接入振荡回路(理想直接调频),振荡回路由

14、L、Cj构成，C1为高频耦合电容，RFC为高频扼流圈，C2为高频旁路电容。,本质： 用调制信号控制高频 信号瞬时频率，使其 随调制信号作线性变 化的过程。,1. 理想振荡回路,2. 实现理想直接调频的条件,实现理想直接调频的条件：n=2,最大角频偏,致命的缺点：中心频率不稳定,1) 求w(t),2) 结论：,二、变容管部分接入的直接调频,1. 振荡回路,2. 电容串并概念(知识拓展),结论：,1) 串并后调制的线性改善，但牺牲了调制灵敏度；,2) 实际n2，应取n2 ，通过电容串并后使n2 ，即可实现近似理想的调频。,Cj不串也不并,Cj串C2,Cj并C1,Cj串C2并C1,w(t),vW(t

15、),0,2、变容二极管调频原理,8.4.2 变容二极管的调频电路,看：教材P193- P195,优点：电路简单、频偏大 缺点：振荡（中心）频率不稳定,2.变容二极管的调频电路的优缺点,3.变容二极管调频电路实例：,故变容二极管的实际电容值会受到高频振荡的影响。若高频振荡电压振幅太大, 还可能使叠加后的瞬时电压造成变容二极管正偏。采用两个变容二极管对接, 从图 (b)所示高频等效电路可知, 两管对于高频振荡电压来说是串联的, 故加在每个管上的高频振荡电压振幅减半。,注意：,2.对于直流偏压和低频调制电压来说, 两管是并联关系, 故工作状态不受影响。这种方式的缺点是调频灵敏度有所降低, 因为两变容

16、管串联后总结电容减半。,8.4 变容二极管直接调频电路,小频偏变容二极管调频器（拓展知识）,8.5 石英晶体振荡器直接调频电路,见教材P197-P198,并联型晶体振荡器 振荡回路等效电路,实际电路2(拓展知识),调制信号的放大电路,调谐在石英的 三次泛音频率,电容三点式振荡电路,8.7 间接调频调相电路,直接调频的优点是能够获得较大的频偏，但其缺点是中心频率稳定度低，即便是使用晶体振荡器直接调频电路，其频率稳定度也比不受调制的晶体振荡器有所降低。 借助调相来实现调频，可以采用高稳定的晶振作为主振器，利用积分器对调制信号积分后的结果，对这个稳定的载频信号在后级进行调相，就可以得到频率稳定度很高

17、的调频波。,8.7间接调频电路调相电路,实现间接调频电路的关键：调相电路。,图 5-2-1,8.7.1 可变相移法调相电路,一、简单原理,受调制电压的控制，且其间呈线性关系，即,则相移网络的输出电压即为所需的调相波，即,可控相移网络有多种实现电路，如RC相移电路、变容二极管与电感构成的谐振回路的移相电路等。其中应用最广的是变容二极管调相电路。,1.变容管调相原理电路分析:,实现不失真调相：1.选用2的变容管2.限制Mp/6,2、失谐法调频-调相电路,8.7.2 可变时延法调相电路（选讲内容）,一、原理及实现模型：,电路分析：,锯齿波有良好的线性：时延受电压v的控制是线性的。,取v为一个合适的直

18、流电压V0（v 0)，和锯齿波电压叠加，使锯齿波中点为门限电压。设这时对应的脉冲发生器的输出脉冲为未加调制时的载波脉冲。其时延等于锯齿波扫描周期的一半。 0Tc/2,8.7.3 矢量合成法调相电路,矢量合成法调相电路是由调相信号的表达式得到的，这种方法适合于窄带调相。 如单音频调制时，调相信号的表达式为,上式可化简成为,图5.4.1（b）,是一个调相调幅波（幅度的变化可以通过限幅器,去掉），得到调相信号。当然，这种方法只能实现,（rad）不失真的窄带调相。实现模型如图,5.4.1（a）所示。,5.2.5扩展最大频偏的方法,1问题的提出,m 是频率调制器的主要性能指标，若实际调频设备需要的 m不

19、能达到，则需扩展。,2扩大最大频偏的方法倍频,设调频波瞬时角频率为 = c + mcos t，通过 n 倍频器，其瞬时角频率增大 n 倍，变为 nc + nmcos t。可见倍频器可不失真地将 c 和 m 同时增大 n 倍，而相对角频偏(n m /nc = m /c) 不变。,若将该调频波通过混频器，由于混频器具有频率加减的功能，可使调频波的载波角频率 c 降低或者提高，但 m 不变。可见，混频器可以在保持最大角频偏不变的条件下，不失真地改变调频波的相对角频偏。,利用倍频器、混频器的上述特点，可以实现在要求的载波频率上扩展频偏。,例：某调频发射机，采用矢量合成法调相电路，欲产生载波频率为 10

20、0 MHz，最大频偏为 75 MHz 的调频波。已知调制信号频率范围为 100 15 000 Hz。,扩展频偏的方法(知识拓展),最大频偏是频率调制器的主要性能指标，如果频偏达不到要求，如何扩展最大频偏就是设计调频器的关键问题 对于直接调频电路，可以采用提高振荡器中心频率的方法扩展频偏 对于间接调频电路，可以采用倍频的方法扩展频偏 频偏扩展过程中，如果中心频率不是发射频率，则采用变频的方法，将调频波平移到需要的频率处，最终达到调频发射机发射频率和频偏的设计要求,2、相位鉴频器,原理： 将频率变化转换为两个电压间的相位变化（移相网络），再将相位变化转换为对应的幅度变化，再利用检波器检出调制信号（

21、鉴相器）。 利用松耦合双调谐回路的相频特性实现调频波到调幅调频波的转换。 类型： 电感耦合相位鉴频器 电容耦合相位鉴频器,（1）电感耦合相位鉴频器,分析：频率-相位变换,分析：频率-相位变换,分析：相位-幅度变换,=0,0,0,耦合系数k及品质因数Q对S曲线的影响,原副边两个谐振回路都必须仔细调谐,k3k2k1,（2）电容耦合相位鉴频器,三、鉴频器类型,斜率鉴频器 相位鉴频器 比例鉴频器,3、比例鉴频器,同时具备鉴频和限幅功能,比例鉴频器与相位鉴频器的比较,比例鉴频器分析,比例鉴频器分析,第六章 小结,角度调制是载波的总相角随调制信号变化，分为调频和调相。调角波的频谱不是调制信号频谱的线性搬移，而是产生了无数个组合频率分量，为非线性调制。其频谱结构与调制指数m有关。 角度调制信号包含的频谱虽然是无限宽，但其能量集中在中心频率fc附