高频课件 第五章 角度调制与解调电路.ppt

1、在模拟电路中，利用调制信号去调制载波的幅度和角度。,调制,幅度调制,角度调制,调频（FM）,调相（PM）,得到的信号统称为已调波,解调,检波,鉴频,同步检波（DSB、SSB）,包络检波（AM）,幅度鉴频器,相位鉴频器,波形对比,第五章 角度调制与解调电路, 5.1 角度调制信号的基本特性, 5.2 调频电路, 5.3 调频波解调电路, 5.4 数字调制与解调电路, 5.1 角度调制信号的基本特性,一、角度调制信号,1. 调频波：使载波的瞬时的频率按调制信号的规律变化所得得已调波。,因为：按调制信号规律变化为瞬时,: 比例常数，单位为,总的瞬时相角为：, 5.1 角度调制信号的基本特性,一、角度

2、调制信号,调频波的表达式,注意：迭加在 上的瞬时变化角频率 按 规律变化； 而瞬时的相角 按 的时间积分值规律变化, 5.1 角度调制信号的基本特性,一、角度调制信号,例：设,则瞬时的角频率为,此时总的瞬时相角为：,其中：,最大角频偏 mkfVm 最小角频偏 kfVm,调频系数 Mf m/ = fm/ F (随F改变）, 5.1 角度调制信号的基本特性,二、调相波（PM）,调相波：使载波信号的相位按调制信号规律变化所得的已调波。,因为按调制信号规律变化得到：,为比例常数，单位为,调相表达式得到：,对应得瞬时角频率, 5.1 角度调制信号的基本特性,二、调相波（PM）,同样设,为单音，则瞬时得总

3、相位为,对应瞬时的角频率为,最大角频偏, 5.1 角度调制信号的基本特性,二、调相波（PM）,注意：调相波中，迭加在 上的附加相角与 的变化规律相关；但加在 上的瞬时角频率 则与调制信号对时间的导数的规律有关, 5.1 角度调制信号的基本特性,三、两种已调波的异同,两种调制方式从本质上来说都表现为载波信号的瞬时相位受到调变，故统称角度调制。但也有区别。 其中调频波按规律变化是 而调相波按变化规律为,2. 为单音时，FM和PM的 和 均为简谐波，但 、 和 随 、的变化规律不同。,波形对比, 5.1 角度调制信号的基本特性,三、两种已调波的异同,单音调制时，两种已调波均有含义不同三个频率参数：

4、载波角频率c：表示瞬时角频率变化的平均值； 调制角频率：表示瞬时角频率变化的快慢程度； 最大角频率c：表示瞬时角频率c偏离的最大值。, 5.1 角度调制信号的基本特性,5.1.2 调角信号的频谱,1. 频谱分析,同样设为单音， (t)均为简谐波。则调频波的傅立叶展开式为（宗数为Mf的n阶第一类贝塞尔函数）,为了简化起见，令 ，上式可表示为, 5.1 角度调制信号的基本特性,5.1.2 调角信号的频谱, 5.1 角度调制信号的基本特性,5.1.2 调角信号的频谱,1. 其频谱为： 和,2. 而 及 的振幅随 而变。而且 2.40，5.52，8.62 时 的振幅为零。,3. n为奇数，两边频幅度相

5、等，极性相反 ； n为偶数，两边频幅度相等，极性相同 。,n=1,2,3, 5.1 角度调制信号的基本特性,5.1.2 调角信号的频谱,2. 调频波的平均功率（单位电阻）,各频谱分量平均功率之和,根据第一类贝塞尔函数的特性,故得：,与载波的功率相同，与Mf无关。, 5.1 角度调制信号的基本特性,5.1.3 调角信号的频谱宽度,因为随着n的增加， 是减小趋势，根据卡森公示估算 (调制信号频率中的最高值),M表示（ 或 ）。 称为卡森带宽。,（表示边频幅度与Vm的相对值）,(L为上边频（或下边频）分量的数目),例如调频广播的国家标准, 5.1 角度调制信号的基本特性,实际选取为200KHz，介于

6、上述两数之间。,8,Mf5, 5.2 调频电路,5.2.1 调频电路概述,电路分类：直接调频和间接调频,1. 直接调频：用调制信号直接去控制振荡器的振荡频率，使其频率的变化不失真地反应调制信号地变化规律 如把C3换成变容器（如变容二极管，电容式话筒）,2. 间接调频：将 进行积分，用其值对载波信号进行调相，便间接得到调频信号的输出:,其中 大小受 控制，而且还与调相器的有关。,其中，, 5.2 调频电路,2. 性能要求,（1）调频灵敏度（Hz/V）,（2）非线性失真系数（调频特性）,因为调频特性非线性，则余弦调制电压产生的 为非余弦波，其傅立叶级数的展开为,为 的平均分量，表示调频信号的中心频

7、率由 偏离到 ，称为中心频率偏离量, 5.2 调频电路,5.2.2 在正弦振荡器中实现直接调频,一、原理及其性能分析 变容管作振荡回路的总电容： （1）性能分析：,已知变容管结电容Cj随外加电压v变化的变容特性：,VB是PN结的内建电位差，,Cj(0)是v=0是的结电容；n变容指数,工作条件：变容二极管在调制信号范围内保持反偏。,其中，, 5.2 调频电路,一、原理及其性能分析,由上面的式子得到：,当n2时，是较为理想的直线，为了要实现工程上的不失真线性调节，选用n2的超突发结变容管。否则，调频电路产生的调频波不仅出现非线性失真，而且使c产生偏离。, 5.2 调频电路,一、原理及其性能分析,例

8、：设,傅立叶展开（保留2次项）,说明m增大，可以增大 m/ c的相对频偏，但是却同时使谐波失真kf2和中心角频率的相对偏离值（ c/ c）增大。, 5.2 调频电路,一、原理及其性能分析,电路的缺点： 因为变频管工作其两端亦存在高频电压，所以不仅影响c随V的变化规律，而且还影响振荡幅度及频率稳定度。, 5.2 调频电路,二、变容管部分接入振荡电路,直接调频电路调变能力强，较小的m值取得较大的频偏，但是受VQ的和高频电压的影响其载波频率的不稳定也相对加大。,代入式：, 5.2 调频电路,二、变容管部分接入振荡电路,看作使等效的变容管，在实际电路中，选取n2和注意C1和C2的取值。（一般C2大，C

9、1小），C2主要影响低频区调制特性，C1主要影响高频区调制特性曲线。,反复调节C1,C2,VQ 值，即可得其载波频率及接近线性得调频特性曲线。, 5.2 调频电路,三、电路分析（I）,(1) C1,，C2，L2组成通调制信号隔变频的电路。,(2) T,L1及变容二级管等组成电感三点式电路。（忽略75电阻）,(3)双电源供电,(4) 调节 RW (470)可改变调频的中心频率, 5.2 调频电路,高频通路,调制信号通路,直流通路, 5.2 调频电路,四、电路分析（II）,（晶体振荡器的变容管直接调频电路）,（1）T1：音频放大电路,（2） T2：电容三点式电路，其中晶体与变容二极管组成等效电感。

10、,（3）另T2与LC又组成倍频调谐电路，其谐振频率选在晶体振荡的三次谐波上。完成三倍频功能,（4） 2.2H电感作高频扼流圈，通直隔交。而且变容二极管提供直流偏置反压,（5） L 既是调谐回路电感，有时提供直流通路而且是电容三点式振荡电路的交流通路,小结： 可得较大得线路频偏，但中心频率稳定性较差（温度，电压等外部条件影响器件间电容）, 5.2 调频电路,四、电路分析（III）, 5.2 调频电路, 5.2.3 张驰振荡电路实现直流调频,张驰振荡电路的频率取决于电路中的充放电速度。包括有调频方波发生器和调频三角波发生器。这些调频非正弦波随后由滤波器或者波形变换器转换为调频正弦波输出。,一、工作

11、原理： 1. T1导通，T2截止。VccD1T1C充电。 T1的发射极电压保持在(VccVBE(on)。 2. T2的发射极电位随之下降，当下降到 (VccVD1（on）VBE(on)时， T2导通， T1截止。 3. VccD2T2C反向充电。 T2的发射极电压保持在(VccVBE(on)。 4. T1的发射极电位随之下降，当下降到 (VccVD2（on）VBE(on)时， T1导通， T2截止。,输出对称方波电压频率为：, 5.2 调频电路, 5.2.3 张驰振荡电路实现直流调频,1. T3T6接成交叉耦合正反馈电路。,2. T7、T8和T14防止T5和T6进入饱和区，以提高振荡频率。,3

12、. T11、T12和D4组成固定电流源；T9和T10组成可控电流源。,4. 调制信号由T15和D1、D2输入；定时电容C加在11脚和14脚。 5. 4脚和6脚分别为输出极性相反的方波电压。, 5.2 调频电路, 5.2.3 张驰振荡电路实现直流调频,调频非正弦波转换为调频正弦波,通过中心频率为nc的带通滤波器。取出其中n次谐波的调频正弦波。,从上图可知，要求带通滤波器的带宽大于所取调频波的频谱宽度，而且要求相邻的两调谐波的有效频谱不重叠。得到, 5.2 调频电路, 5.2.3 张驰振荡电路实现直接调频,调频三角波的转换,方法一：同调频方波。 方法二：采用非线性变换网络。,采用张驰振荡电路调频可

13、以产生频偏大、调制线性好的调频波，便于实现集成化。, 5.2 调频电路, 5.2.3间接调频电路（调相电路）,1. 调相电路的分类：矢量合成法调相电路、可变相移法调相电路和可变时延法调相电路。,2. 可变相移法调相电路与间接调频电路, 5.2 调频电路, 5.2.3间接调频电路（调相电路）,对其进行积分处理，则得,以此信号作调制信号:,调频波表达式：, 5.2 调频电路, 5.2.3间接调频电路（调相电路）,(2)变容管调相原理分析,变容管得电容Cj电感L及Re组成并联谐振回路。利用其相频特性, 5.2 调频电路,所以，当激励的电流的角频率恒定为c时，但调谐回路的谐振X频率却受V控制发生变化，

14、使回路提供的相移z（c）也将随V控制发生变化。因此，在回路产生的电压V0(t)的相位将收到V的调变的调相波，与此同时，并将谐振回路的等效阻抗值也变。则输出幅度也变，出现并不需要的寄生调幅,当m取值较小时，将上式进行幂级扩展，省略其二次方以上各项，,实现不失真调相，除了选用n2的变容管或限制m为小值，保证0(t)不失真的反应V以外，还必须限制Mp小于（/6)rad。,其中，, 5.2 调频电路, 5.2.3间接调频电路（调相电路）,调相电路分析（间接调频电路）,变容二极管的电容与L组成调谐电路,R3C4可等效为一积分电路， 而且C4的容抗阻值远小于R3值, 5.2 调频电路, 5.2 调频电路,

15、为了增大Mp，可以采用多级单回路构成的变容调相电路。 电路的总相移近似等于三级回路的相移之和。因此，该电路的Mp为单回路调相电路的三倍。, 5.2 调频电路,三、可变时延法调相电路,通过时延网络的输出电压为：,假设：, 5.2 调频电路,三、可变时延法调相电路,根据前面的式子可以得到,N1时，Mp可达到0.8,可见，脉冲调相电路具有线性相移较大的优点。, 5.2 调频电路,四、扩展m的方法,1.对于调频波其瞬时的角频率,若通过倍频次数为n的信频器，则瞬时的角频率变为,说明频偏扩大了n倍，但相对频偏 不变。,2.利用混频器能产生和频和差额的功能。可以得到不降低m的同时。可以,提高相对频偏,上述扩

16、展m的方法更适用于间接调频电路。, 5.3 调频波解调电路,一、鉴频电路概述,1.性能要求,称为鉴频跨导，单位为V/Hz，SD 越大，表明鉴频器将输入瞬时频偏变换为输出解调电压的能力越强，当f(t)= fmcost,不失真的解调输出电压v0(t)=SDfmcost,总之，一个鉴频器，除了有大的鉴频跨导外，还必须满足线性和非线性失真的要求。,要求满足近似线性部分的2fmax2fm, 5.3 调频波解调电路,一、鉴频电路概述,2. 实现方法, 5.3 调频波解调电路,脉冲计数式鉴频器,必须注意，为了从调频脉冲序列中不失真的检出反映瞬时频率的变化的平均分量，应保证脉冲序列中的两个脉冲不互相重叠。为此

17、值不宜取得过大，应将它限制在输入调频信号最高瞬时频率的一个周期内，即：, 5.3 调频波解调电路,斜率鉴频器的理论分析,当,上式表明，理想微分网络将输入调频信号的瞬时频率变化不失真的反映在调频信号的振幅V2m上。 V2m A0V1m（c mcost）, 5.3 调频波解调电路,斜率鉴频器的理论分析,用类似的分析得到：,当,上式表明，通过理想时延网络，当0/12时，输出调频信号中的附加相移为：, 5.3 调频波解调电路,四、振幅限幅器,一、三极管振幅限幅器 谐振功率放大器工作在过压状态。 振幅限幅器要求： 1.限幅区具有平坦的限幅特性。 2.进入限幅区的输入高频电压振幅（门限电压）尽可能小。,

18、5.3 调频波解调电路,四、振幅限幅器,当输入的高频信号Vs幅度较大时，集电极电流波形的上、下顶部被削平。 集电极接入谐振回路。且谐振频率等于输入的载波频率。 谐振回路的通频带大于输入调频信号的频谱宽度。 输出得到等幅的调频电压。, 5.3 调频波解调电路, 5.3.2 斜率鉴频电路,一、电路结构,在斜率鉴频器的前级加上振幅限幅器，克服寄生调幅。（见前面分析） 斜率鉴频器主要是由单失谐电路和二极管检波电路组成,二、鉴频原理,利用单失谐回路（0c）,使c处在谐振特性曲线倾斜部分中接近线性部分，使等幅的调频波经单失谐回路后，在次级得调频调幅波。 利用包络检波，实现以调频调幅波中检出调制信号。, 5

19、.3 调频波解调电路, 5.3.2 斜率鉴频电路,三、集成电路中采用得斜率鉴频电 路分析,1.结构及原理 L1和C1,C2 组成由调频波转变为调频调幅波的转换网络。因为：,当满足12时，则L1和C1并联谐振回路等效为电感L,由L与C2 组成串联谐振回路（L1,C1回路为高Qe） 。,所以当1时，并联谐振，则Vm达到最大值。V2m为最小值；若2时，串联谐振，V2m达到最大值，但V1m此时却是最小值。T3，T4的PN结及C3,C4组成检波和滤波电路。, 5.3 调频波解调电路, 5.3.2 斜率鉴频电路,3.鉴频特性曲线（两曲线相减得合成曲线）,v0与(v1m=v2m)之差成正比，而且在c 点没有电压输出, 5.3 调频波解调电路,三、相位鉴频器,2.相位检波（鉴相器）分类:,数字式,模拟式,乘积形（集成电路）,叠加形（分立元件）,1.相位鉴频器的组成：, 5.3 调频波解调电路,一、相位检波器（鉴相器） 按工作方式分乘积型和叠加型。,乘积型鉴相器,根据模拟乘法器的双差分对关输出的差值电流i 得到式子：,有条件V2m260mV，得到简化,其中，v1(t)近似为开关信号K2(t)。,当|/12时，上式近似成立。, 5.3 调频波解调电路,一、相位检波器（鉴相器）,当V2m26mV, V1m260mV时，可以得到电流为：,积分后，平均电流为：,经过低通, 5.3 调频波解调电路,