笫6章 调制与解调3.ppt

1、笫6章 调制与解调,一、调制的基本概念 二、幅度调制 1、标准幅度调制与解调 2、抑制载波调幅、单边带调幅和残留边带调幅 3、正交幅度调制与解调 4、数字信号调幅 三、角度调制 角调调制的基本概念 频率调制信号的性质 实现频率调制的方法与电路 调频波的解调方法与电路 四、数字信号的相位调制,三、角度调制,频率调制（Frequency Modulation,简写为FM ）:正弦波的瞬时频率随调制信号线性变化称为频率调制. 相位调制（Phase Modulation,简写为PM）: 正弦波的瞬时相位随调制信号线性变化，称为相位调制. 由于频率调制与相位调制都表现为载波信号的总相角受到调变,故统称为

2、角度调制。但已调波的振幅恒定不变. 角度调制与解调均属频谱非线性变换电路。,正弦波的瞬时频率或瞬时相位随调制信号变化的调制方式，统称为角度调制（Angular Modulation）。,1、角度调制的基本概念,返回,角度调制的基本概念（续）,瞬时角频率 ：称在某一时刻的角频率为该时刻的瞬时角频率。,称 为t时刻的瞬时相位即该时刻的全相角。由于不同时刻， 不同,t = 0 时刻为初始相位 。,其中， 称为该余弦信号的全相角。则可用旋转矢量在横轴上的投影表示。 是矢量的长度.矢量绕o点逆时针旋转.,若将载波信号表示为下面一般形式：,瞬时频率和瞬时相位及两者的关系,t=t时刻，矢量与横轴的夹角,调角

3、信号,调频波和调相波的瞬时频率和瞬时相位,在频率调制时，是使余弦信号的瞬时角频率与调制信号成线性关系变化，而初始相位不变。,调频波的瞬时角频率 为：,其中， 为调频波的中心角频率，也即载波角频率； 为比例常数。 ， 为调制信号。,调频波的瞬时相位 为：,在相位调制时，保持余弦信号的中心角频率 不变，而使 其瞬时相位与调制信号成线性关系变化。,调相波的瞬时相位 为：,调相波的瞬时角频率 为：,其中， 为比例常数。,举例 1：调频波,0,t,0,t,0,t,(V),2,1,-1,-2,返回,2、调角波的数学表示式、频移和相移和调制指数,假定未调载波表示为：,假定调制信号为一单频余弦波，并表示为：,

4、调频波的瞬时角频率为：,其中 为调频波的中心频率（即载波频率）， 是频移的幅度，称为最大频偏或简称频偏。,调角波的数学表示式、频移和相移和调制指数（续1）,调频波的瞬时相位为：,其中， 为 t = 0时的初始相位， 为参考相位， 为 附加相移部分。,调频波的调制指数 最大附加相移：,与标准调幅情况不同， 可以小于1，也可大于1，而且 一般都应用于大于1的情况。例如，在调频广播中， 对于 F = 15kHz，其 = 75kHz，故 = 5。,正比于 ，反比于 。,上图,调角波的数学表示式、频移和相移和调制指数（续2）,单频余弦信号调制时调频波的数学表示式：,单频余弦波作调制信号的调频波，其主要性

5、质有：,调制信号的振幅决定频偏，调制信号的频率决定频率变化周期,调频波的幅度为常数。,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。 调制指数与频偏成正比，与调制频率成反比。,瞬时频率按调制信号的规律变化。瞬时相位按调制信号的时 间积分值规律变化。,调角波的数学表示式、频移和相移和调制指数（续3）,对于调相波,调相波的瞬时相位为：,调相波的调制指数 最大附加相移：,调相波的瞬时角频率为：,单频余弦调制 时调相波的数学 表示式：,调角波的数学表示式、频移和相移和调制指数（续4）,调频波与调相波它们的 和 都同时受到调变，区别在于按调制信号规律线性变化的物理量不同，调相波中是 调频波中是

6、。 调频波可由调相方法得到，只要将调制信号先积分，然后进行调相。,3、频率调制信号的频谱,由于频率调制过程是非线性过程，叠加原理不能应用。 在本节中，主要分析单频正弦信号调制下调频波的性质。,单频正弦调频的已调波频谱,假定调制信号为一单频余弦波，并表示为：,调频波的表示式为：,下面分析单频余弦信号调制下，调频波的频谱。,式中，出现了 两个特殊函数。,频率调制信号的频谱（续1）,其中， 是 宗数为 的 n阶第一类贝塞尔函数。,利用三角函数公式，展开可得：,频率调制信号的频谱（续2）,（1）第一类贝塞尔函数 的性质：,返回,（1）第一类贝塞尔函数的性质（续1）,2 、,1 、随着 的增加， 近似周

7、期性地变化，且其峰值下降。,返回,3 、,4、对于某一固定的 ，有如下近似关系：,5、对于某些 值，,（1）第一类贝塞尔函数的性质（续2）,对于某一固定的 ，有如下近似关系：,忽略了小于 0.1的分量。,返回,注意：载频分量有可能小于旁频分量。,（2） 调频波的频谱特点,1、调频波的频谱结构中：,包含载波频率分量（但是幅度小于1，与 有关。）；还包含无穷多个旁频分量；,各旁频分量之间的距离是调制信号角频率 ；,各频率分量的幅度由贝塞尔函数 决定；,奇次旁频分量的相位相反。,0.77,0.44,0.44,0.11,0.11,0.02,0.02,上图,（2） 调频波的频谱特点（续）,2、调频波的频

8、谱结构与调制指数 关系密切。 愈大， 则具有一定幅度的旁频数目愈多，这是调频波频谱的主要特点。 （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。）,3、对于某些 值，载频分量或某次旁频分量的幅度是零。 举例 ： ， 载频分量的幅度是零。,4、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， 又称为非线性调制。,5、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 的不

9、同，各频率分量之间 功率分配的数值不同。,（3） 调频波的频带,1、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。,2、但实际上，在调制指数一定时，超过某一阶数的贝塞尔函数 的值已经相当小，其影响可以忽略，这时则可认为调频波所具 有的频带宽度是近似有限的。,3、调频波的频带宽度有两种近似：,忽略了小于0.01的分量： （集中99%以上的功率）,忽略了小于 0.1的分量：,（集中98-99%的功率）,卡森（Carson）公式,（3） 调频波的频带（续）,4、下面分三种情况，说明对不同 ，调频波带宽的特点。,第一种情况， 。这时，因为 ，所以 上式简化为：,上式表明，在调制

10、指数较小的情况下，调频波只有角频率分别 为 和 的三个分量，它与用同样调制信号进行标准 调幅所得调幅波的频带宽度相同，相位谱不同。通常，把 这种情况的频率调制称为窄带调频。,第二种情况， 。这时，因为 ，所以 上式简化为：,上式表明，在调制指数较大的情况下，调频波的带宽等于二倍 频偏。通常，把这种情况的频率调制称为宽带调频。,第三种情况， 介于前两种情况之间。这时，调频波的带宽 由 和 共同确定。,窄带调频的频谱,返回,两个正弦信号之和的调频,假定调制信号为 因为调频波的瞬时角频率与 成正比，故可得 其中， 。据此可以得出调频波的全相角表示式为,调频波的表示式为,当两个频率不同的信号同时对一个

11、载波进行频率调制时， 所得调频波的频谱中，除有载波角频率分量 及 和 分量外，还有分量 ，它们 是两个调制信号频率之间的组合频率分量。,频带宽度是近似有限的，公式相同。只是：,指数形式,取实部得：,两点补充说明：,调频波的三个频率槪念：,调频波的中心角频率瞬时角频率变化的平均值 调频波的最大频偏 瞬时角频率偏离 的最大值,调频波的调制信号角频率瞬时角频率变化的周期。,调频波的恒定带宽槪念（调制信号为一频带信号时）：,对于调频波， ，当 减小， 增加。,增加，则具有一定幅度的旁频数目愈多，带宽增加。,减小，则各旁频分量之间的距离减小，带宽减小，总变化不大。,对于调相波， 与调制信号角频率无关。调

12、相波频带宽度在调制信号频率的高端和低端相差很大，所以对频带的利用是不经济的。模拟调相很少用。,举例：,调频波的幅度是1V, 频谱结构示于下图。,求调频波的频带 ;调频波的最大频偏 ;,调制信号是：,求调频波表示式中的 ， ， 。,0.26,0.49,0.49,0.31,0.31,0.04,0.34,0.34,0.13,0.13,0.04,(MHZ),0.1,举例：,调频波中的载波分量功率 未调载波功率； 标准调幅波中的载波分量功率 未调载波功率； 调频波中的总功率 未调载波功率。 （大于，等于，小于）,思考： 调频波的频带与频偏概念上有何不同？,1、小于,2、等于,3、等于,4、实现频率调制的

13、方法与电路,实现方法：即直接调频和间接调频。,1、直接调频,直接调频就是直接使振荡器的频率随调制信号成线性关系 变化。例如，在一个由LC回路决定振荡频率的振荡器中，将 一个可变电抗元件接入回路，使可变电抗元件的电抗值随调 制电压而变化。即可使振荡器的振荡频率随调制信号而变化。 如：变容二极管直接调频电路。,优点：易于得到比较大的频偏。,缺点：中心频率的稳定度不易做得很高。,实现方法：即直接调频和间接调频。 （续）,先将调制信号进行积分处理，再进行调相而得到调频波， 其方框如下图所示。,优点：载波中心频率稳定度较好。,2、间接调频,利用调频波与调相波之间的关系：,返回,调频电路的技术指标,1、调

14、制特性,被调振荡器的频率偏移与调制电压 的关系称为调制特性，并表示为：,在一定电压范围内，调制特性应近似为直线特性。,2、调制灵敏度,调制电压变化单位数值所产生的 频率偏移称为调制灵敏度。,3、最大频偏,在调制电压作用下，所能达到的最大频率偏移。,4、中心频率稳定度,调频信号的瞬时频率是以稳定的中心频率（载波频率）为 基准变化的。如果中心频率不稳定，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。,习题：6-14，6-15， 6-17,5-2解： 采用固定偏置，使起振前电路的静态工作点位于

15、伏安特性段的中点。在振荡最初阶段，由于振荡幅度较小，振荡器工作于甲类状态，偏置电压基本上为一与振荡幅度增长无关的恒定值。随着振荡幅度的增加，即动态特性区域扩大，振荡将部分进入非线性区，导致基极电流、集电极电流畸变，而形成直流电流增量，并导致工作点向负偏压方向移动，集电极电流由余弦形变为余弦脉冲形。随着振荡幅度的增加，通角 将减小， 将减小，从而使得基波电流幅度和晶体管增益 减小，直至 ，电路进入 平衡状态。可见，固定偏置可以便于振荡器起振；自给偏置可以加速振荡进入平衡状态的过程。,5-3解：（1）在振荡的最初阶段，晶体管工作点Q位于伏安特性段的中点。随着振荡幅度的增加，由于自给偏置的作用，工作

16、点向负偏压方向移动， 将减少，从而使得基波电流幅度和晶体管增益A减小，直至 ， 电路进入平衡状态。（2）振荡器的振荡频率与振荡回路的自然谐振频率是不一致的。这是因为，使振荡环路总相移等于 的频率才是振荡器的振荡频率。它可以高于或低于回路的自然谐振频率。两者的关系是：,式中： 为谐振电压与谐振电流之间的相移角，Q为回路品质因数。,5-5解（1） 能振荡,电容反馈型振荡电路, (2) 能振荡 ,电感反馈型振荡电路 , (4),.,能振荡 ,电容反馈型振荡电路，,其它不能振荡。,5-6解： (a) 正确（有可能振荡）属于 振荡器。 (b) 错误（不可能振荡）(c) 错误（不可能振荡） (d) 错误（

17、不可能振荡）(e) 正确（有可能振荡）属于 振荡器，当L与 的总电抗呈现感性时。 (f) 正确（有可能振荡）属于 振荡器，条件 (g) 正确（有可能振荡）属于 振荡器 ，考虑晶体管的输入电容 。(h) 正确（有可能振荡）属于 振荡器 ，当L与 并联呈现感性时 。,5-8解：题图5-5中（a）电路能产生振荡；（b）（d）（c）电路不能产生振荡。,5-12解：（1）振荡频率： （2）反馈系数： （3）振荡频率基本不变 ；反馈系数： 。（4）因为串联了可变小电容。,5-13解：（1）画出高频等效电路,（2）反馈系数,若保持 不变，而使F减到一半，则总电容应保持不变，且,（3） 的作用一是提供晶体管静态工作电流 ，二是高频时防止集电极接地。从高频时防止集电极接地而言，可以用扼流圈代替，但会影响晶体管的静态工作点。 （4）从2-2端测得频率值为更合理。这是因为数字频率计有输入电容，接在1-1端等效地在电感两侧并联上一个电容，使得谐振回路总电容变大，所以测得的振荡频率变小。而数字频率计接在2-2端，由于 ，其等效到电感两侧的并联电容比较小，故其测得的频率更接近于振荡频率。所以测值 更合理。,5-15解：(1) 画出高频等效电路：,(2) 采用的稳频措施：采用并联型晶体振荡电路。在石英谐振器支路串入可变小电容，即可隔离外部电路与石英谐振器的耦合，同时也可使石英晶体的负载