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1、第第6章章 角度调制与解调电路角度调制与解调电路 v怎样用低频调制信号去控制载波信号的频率或相位？什么是角度调制？v角度调制和解调的基本特性是什么？调角波信号的定义、表达式、波形、频谱的基本特征是什么？v典型的角度调制电路的结构、工作原理、分析方法和性能特点是什么？6.1 调角信号的基本特性调角信号的基本特性v角度调制是用调制信号去控制载波信号频率或相位变化的一种信号变换形式。如果控制的是频率称为调频（FM），如果控制的是相位称为调相（PM)，调频和调相通称为角度调制。v在角度调制过程中，载波信号的幅度都不受调制信号的影响。v调频信号的解调称为鉴频，调相信号的解调称为鉴相。它们都是从已调信号中
2、还原出原调制信号。调幅与调频广播调幅与调频广播uucuAMucuFMu调幅示意图调幅示意图调频示意图调频示意图其中调频及调相统称为其中调频及调相统称为角度调制角度调制，简称，简称调角。调角。用用 称为调幅称为调幅(AM)(AM)mma( )( ) =+( )uutUtUkt 设任意一高频信号设任意一高频信号 为载波信号为载波信号 mc( )cosu tU t用用 称为调频称为调频(FM)(FM)cf( )( )( )uut tkt用用 称为调相称为调相(PM)(PM)cp( )( )( )uutt tkt 1.调频信号的时域分析调频信号的时域分析(1)调频波的表达式调频波的表达式设：单音信号设
3、：单音信号，m( ) =cosutUtccmc=cosuU t调频波的瞬时角频率为调频波的瞬时角频率为cfcm( ) =+( ) =+cosu tktt其中其中fk为比例常数为比例常数mfm=k U(最大角频偏最大角频偏)未调载波电压为未调载波电压为是单位调制电压产生的频率偏移量，也称调频灵敏度，是单位调制电压产生的频率偏移量，也称调频灵敏度，有时用有时用来表示。来表示。fkFMS6.1.1 调角波的表达式调角波的表达式调频波的相位调频波的相位 是角频率是角频率 对时间的积分，对时间的积分，)(t ( ) ttcm00( ) =( )d+ cosd tt tt t(调频指数调频指数)mmf M
4、)sincos(fccmFMtMtUuW Ww w 则调频波的一般表达式为则调频波的一般表达式为cm( ) =+cos tt瞬时角频率瞬时角频率mccfc=+sin=+sin=+ tt tMt tc称为中心频率称为中心频率调频波的波形图调频波的波形图中心频率中心频率最大角频偏最大角频偏最大相位偏移最大相位偏移(2)调频信号的基本参数调频信号的基本参数c为载波频率（中心频率）为载波频率（中心频率）W是调制信号的角频率是调制信号的角频率m是相对于载频的最大角频偏是相对于载频的最大角频偏mfm= M另外另外称为调制指数或最大相位偏移称为调制指数或最大相位偏移和和是调频信号的重要参数。是调频信号的重要
5、参数。mfM)sincos(fccmFMtMtUuW Ww w cpm( )cost tk Ut ppmmMk U (调相指数调相指数)调相波的瞬时相位为调相波的瞬时相位为2. 2. 调相波调相波设：单音信号设：单音信号，m( ) =cosutUtccmc=cosuV t未调载波电压为未调载波电压为PMcmcpcos(cos)uU tMt调相波的一般表达式为调相波的一般表达式为UPMcmcpcos(cos)u tMtcpd ( )( )sindt tM tt Mpm (最大角频偏最大角频偏)调相波的角频率为：调相波的角频率为：PM：cmsintJn(Mf)是宗数为是宗数为Mf的的n阶第一类贝塞
6、尔函数阶第一类贝塞尔函数FMmcfmnfcncos(sin)()cos()uU tMtUJMn t若若n=0，为载波分量为载波分量m0fc()cosU JM t若若n0，为无穷多对边带分量为无穷多对边带分量mnfcn 1()cos()UJMn t将调频波展开为傅里叶级数将调频波展开为傅里叶级数6.1.2 调角波信号的频谱和带宽调角波信号的频谱和带宽FMmnfcn=-=()cos(+)uUJMn t 将式将式进一步展开，有进一步展开，有FMmofc1fc1fc2fc2fc3fc3fc=()cos+()cos(+)-()cos(-) +()cos(+2)+()cos(-2) +()cos(+3)-
7、()cos(+3) +uUJM tJM tJM tJM tJM tJM tJM t调频波是由调频波是由和无数边频和无数边频组成，这些边频对称地组成，这些边频对称地分布在载频两边，其幅度决定于调制指数分布在载频两边，其幅度决定于调制指数。cc+nfM频带宽度频带宽度 BW实际实际有效频带宽度有效频带宽度FMBW1)2(fCR+=MMf f5 5单音调频波的频谱单音调频波的频谱例如：在调频广播系统中，例如：在调频广播系统中，, kHz75m fmax=15kHz,FfCR= 5,=180kHz,MBW调频信号所占频带比调幅信号调频信号所占频带比调幅信号宽得多，调频信号的载波一般宽得多，调频信号的载
8、波一般选在超高频段。选在超高频段。maxfCR1)2(FMBW+=对于多音调制信号的频带宽度对于多音调制信号的频带宽度角度调制属于频谱的角度调制属于频谱的非线性变换非线性变换 能量关系能量关系调频前后，总能量不变，仅是各个分量分配到的能量发生变化。调频前后，总能量不变，仅是各个分量分配到的能量发生变化。1)(fn2n MJ222cmnfcmn=-avLL()=22UJMUPRR ( (载载波波功功率率) )6.2 调频电路调频电路6.2.1调频的主要性能指标调频的主要性能指标1. 调制特性调制特性2. 调制灵敏度调制灵敏度3. 最大频偏最大频偏 4. 频率稳定度频率稳定度 6.2.2 直接调频
9、电路直接调频电路 用调制信号直接控制振荡器的瞬时频率变化的方法用调制信号直接控制振荡器的瞬时频率变化的方法称为直接调频法。称为直接调频法。 如果受控振荡器是产生正弦波的如果受控振荡器是产生正弦波的LC振荡器，则振荡频振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容，那么将调制信号去率主要取决于谐振回路的电感和电容，那么将调制信号去控制可变电感或可变电容，就可以使振荡频率按调制信号控制可变电感或可变电容，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。的规律变化，实现直接调频。 可变电抗的器件很多，其中应用最广的是变容二极管。可变电抗的器件很多，其中应用最广的是变容二极管。1. 1. 变容二
10、级管的特性变容二级管的特性 利用利用PN结反相偏置时结反相偏置时, ,势垒电容随外加反偏电压变化的势垒电容随外加反偏电压变化的机理，在制作工艺上进行处理，可使二极管的势垒电容随反机理，在制作工艺上进行处理，可使二极管的势垒电容随反偏电压呈现较大的变化。这样制作的电容可视为一偏电压呈现较大的变化。这样制作的电容可视为一压控电容压控电容，在调频振荡器中起到在调频振荡器中起到可变电容可变电容的作用。的作用。jC变容二极管，其结电容变容二极管，其结电容与反偏电压的关系为：与反偏电压的关系为：jjnB(0)=(1+)vCCV符号：符号：或或其中其中:v 为外加电压为外加电压VB为为PN结内建电位差结内建
11、电位差Cj(0)为为v=0时的结电容时的结电容n 为变容管的为变容管的变容指数变容指数，其大小与制造工艺有关。，其大小与制造工艺有关。jjnB(0)=(1+)vCCV变容二极管电容随外电压变化曲线变容二极管电容随外电压变化曲线为了保证变容二极管在为了保证变容二极管在调制过程中保持反偏，调制过程中保持反偏，必须加一个大于必须加一个大于Vm的的反向偏压反向偏压VQ，所以外，所以外加电压为加电压为Q=+( )vvVtjjQmnB(0)=+cos(1+)CCVVtVm( ) =cosvtVt若若jjnB(0)=(1+)vCCVQ=+( )vvVtjjQmnBjnQnmBQBnjQ(0)=+cos(1+
12、)(0)1=(1+cos)(1+)+=/1+cosCCVVtVCVVtVVVCmt其中：其中：mBQ=+VmVV称为调制指数。称为调制指数。jjQQnB(0)=(1 +)CCVV为为时的结电容。时的结电容。( ) = 0vtnjjQ=/1+cosCCmt将此变容二极管接入振荡回路，根据将此变容二极管接入振荡回路，根据的变化，将会引起的变化，将会引起的变化，进而引起回路的变化，进而引起回路振荡频率的变化，从而实现调频。振荡频率的变化，从而实现调频。( )vtjCmBQ=+VmVVjjQQnB(0)=(1 +)CCVV2.调频电路的主要性能指标调频电路的主要性能指标(1) (1) 线性调制特性线性
13、调制特性 已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化。已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化。(2) (2) 中心频率稳定中心频率稳定 未调制时的频率未调制时的频率c c，即中心频率具有一定的稳定度。，即中心频率具有一定的稳定度。mw w (3) (3) 频偏频偏 要大要大mfm=(rad/SV)kVmFm=(Hz/V)fSV(4) (4) 调制灵敏度高调制灵敏度高 单位调制电压产生的频率偏移称为调制点灵敏度，通常单位调制电压产生的频率偏移称为调制点灵敏度，通常 用用 或或 来估算。来估算。(1) (1) 变容管全部接入振荡回路变容管全部接入振荡回路用调制信号去控制高频信号的瞬时频率，使其随调制用
14、调制信号去控制高频信号的瞬时频率，使其随调制信号作线性变化的电路。信号作线性变化的电路。振荡回路由振荡回路由L、Cj构成，构成，C1为高频耦合电容，为高频耦合电容，L1为高频扼流圈，为高频扼流圈，C2为高频旁路电容。为高频旁路电容。3.3.变容管的直接调频电路变容管的直接调频电路高频通路高频通路直流和调制频率通路直流和调制频率通路原理电路原理电路n2jjQ11( ) =(1 +cos) tmtLCLC2nc)cos(1tm 式中式中为振荡器的中心频率。为振荡器的中心频率。cjQ= 1/LC若若，则有，则有2n=)()cos(1)(ccttmt 为线性调频。为线性调频。njjQ=/1+cosCC
15、mtmc=m最大角频偏最大角频偏mBQ=+VmVV一般情况下，一般情况下，将将2n n/2c( ) =(1+cos) tmt按幂级数展开，并忽略高次项，得按幂级数展开，并忽略高次项，得22cccc( ) =+(-1)+cos+(-1)cos28 228 2n nnn n tm mtm tccm2m=+ + cos+ cos2tt中心频率漂移中心频率漂移二次谐波二次谐波cm=2nm最大角频偏最大角频偏角频偏角频偏变容二极管结电容变化曲线变容二极管结电容变化曲线中心频率产生漂移中心频率产生漂移(2)变容管部分接入的直接调频变容管部分接入的直接调频jQn2jQ21j2j21)cos(1CtmCCCC
16、CCCCCC 变容管作为振荡回路总电容时，调变容管作为振荡回路总电容时，调制信号对振荡频率的调变能力强，灵敏制信号对振荡频率的调变能力强，灵敏度高，较小的度高，较小的m值能产生较大的相对频值能产生较大的相对频偏。但同时，因外界因素变化引起偏。但同时，因外界因素变化引起VQ的的变化时，造成载波频率的不稳定也相对变化时，造成载波频率的不稳定也相对增大。增大。 为了克服这些缺点，一般采用变容为了克服这些缺点，一般采用变容管部分接入的振荡回路。管部分接入的振荡回路。变容管部分接入的振荡回路变容管部分接入的振荡回路2j2jQ11n2j2jQ=+=+(1+cos) +C CC CCCCCCCmtC振荡频率
17、为振荡频率为2jQ1n2jQ11( ) =(+)(1+cos) + tLCC CL CCmtC2jQ1n2jQ11( ) =(+)(1+) + xLCC CL CCxCcosx = mt其中其中 在采用变容管部分接入振荡回路的直接调频电路中，在采用变容管部分接入振荡回路的直接调频电路中，选用选用n2的变容管，并反复调节的变容管，并反复调节C1、C2和和VQ的值，就能在的值，就能在一定的调制电压范围内使一定的调制电压范围内使n2，获得近似线性调频。，获得近似线性调频。当当C1和和C2调整到最佳值时，最大角频偏为调整到最佳值时，最大角频偏为cm=2nmP式中式中c2jQ12jQ1=(+)+C CL
18、 CCC1212= (1+)(1+)PPPP P1jQ221jQ=/,=/PCCPC C其中其中电路组成电路组成1.变容管全部接入变容管全部接入2.变容管部分接入变容管部分接入4.变容管直接调频电路举例变容管直接调频电路举例（1）变容管全部接入）变容管全部接入高频通路高频通路（2）变容管部分接入）变容管部分接入高频通路高频通路5.晶体振荡直接调频电路晶体振荡直接调频电路晶体直接调频原理图晶体直接调频原理图晶体振荡器直接调频电路晶体振荡器直接调频电路为了得到中心频率稳定度更高的调频信号，采用间为了得到中心频率稳定度更高的调频信号，采用间接调频法。间接调频法就是利用调相的方法来实现调频。接调频法。
19、间接调频法就是利用调相的方法来实现调频。定义：定义：若用若用 信号实现调相，实际上对信号实现调相，实际上对 而言是实现调频，则称为间接调频。而言是实现调频，则称为间接调频。t0duutuW W6.2.3 间接调频电路间接调频电路当当时，时，6 oO2-Q 相角相角002arctanQ 并联谐振回路的相频特性并联谐振回路的相频特性 将载波信号将载波信号 通过一个相移受调制信号通过一个相移受调制信号 控制的网络，即可实现调相。控制的网络，即可实现调相。ccmc=cosvV tv 可变移相电路的实现框图可变移相电路的实现框图移相法调相电路移相法调相电路 变容二极管管调相电路变容二极管管调相电路调相电
20、路调相电路等效电路等效电路调相过程：调相过程： ocoj)(ffffC= =vec2= -arctanQ 当当时，时，6 ec2-Q 当当时，时，Cmm1( ) =( )d =sin=sinvvVttttVtRCRC 单级变容间接调频电路单级变容间接调频电路( ) = cosvtt设输入信号电压设输入信号电压FMcmce=cos(-sin)V t nm Qtve= -sinnm Qt mQB=+VmVVmm33=VVR CW W 单级变容间接调频电路单级变容间接调频电路R3C3等效为一积分电路，当等效为一积分电路，当时，时，m( ) =costVtvm33( ) = -sinVttR Cv满足
21、满足331CR 多极变容管调相电路（以三级为例）多极变容管调相电路（以三级为例）mPe=ff 峰值检波电压峰值检波电压 、分别加在差分对放大器分别加在差分对放大器T5、T6的输入端，经差分放大后，输的输入端，经差分放大后，输出电压出电压 。e3ue4uAV12=(-)uuuk即为鉴频后的原调制信号。即为鉴频后的原调制信号。 波形图波形图o1o2ff 相位鉴频器也是利用波形变换进行鉴相位鉴频器也是利用波形变换进行鉴频的一种方法。它是利用具有频率相位频的一种方法。它是利用具有频率相位转换特性的线性相移网络，将调频波变成转换特性的线性相移网络，将调频波变成调频调相波（调频调相波（FM-PM），然后把
22、调频），然后把调频调相波和原来的调频波一起加到鉴相器上，调相波和原来的调频波一起加到鉴相器上， 就可通过相位检波器解调此调频波信号。就可通过相位检波器解调此调频波信号。6.3.3 相位鉴频器相位鉴频器相移乘法鉴频器的原理框图相移乘法鉴频器的原理框图 1. 频率相位变换网络频率相位变换网络1121111111jjj111j ()1/ j1/ jjjCRLCUUUCCLCCRRLwwwwwwww令令O11,()L CCwe010()RQRCCLww在失谐不大的情况下有在失谐不大的情况下有11211OeOjj2()1j1jC RC RUUUQwwwww网络的幅频特性网络的幅频特性12( )1jC R
23、Kww网络的相频特性网络的相频特性( )arctan2 w当当 以以 为中心，在为中心，在 时，时， 才可近似为直线。才可近似为直线。此时此时可以实现不失真的频率相位变换。可以实现不失真的频率相位变换。( ) w2( )6 w( ) w( )( )2ut wwW 若鉴相器输入若鉴相器输入PM信号信号，其中其中，而另一输入信号，而另一输入信号。iimc=cos+( )uV tt P( ) =( )utkt rrmc=sinuU toirimrccimrc( ) =( )( )=cos+ ( )cos+21=cos ( )-+cos2+ ( )+222uuutKttKU UtttKU Uttt 则
24、相乘器的输出信号则相乘器的输出信号2. 移相乘法相乘器移相乘法相乘器uoirimrccimrc( ) =( )( )=cos+( )cos+21=cos ( )-+cos2+( )+222uutKttKU UtttKU Uttt 经低通滤波器后经低通滤波器后oimrimr11( ) =cos ( )- =sin ( )222u tKU UtKU Ut如果满足如果满足，( )12t oimr1( )( ) =( )2uu tKU Utkt 电路电路设设 ，uS衰减衰减10倍后经倍后经C1与与RCL移相后为移相后为11m=cosuUt22m2m=cos+( )2=sin+( )uUtUt ( )a
25、vu w w经低通滤波器和隔直电容后，输出电压经低通滤波器和隔直电容后，输出电压00120cc002cc2qq=-thth222kT2kTq-()222kTuuuu IIRRIIRR K t6.4 调频制的抗噪电路调频制的抗噪电路 在前面讨论调频信号的解调器中，都在前面讨论调频信号的解调器中，都没有考虑干扰和噪声。实际上在任何解调没有考虑干扰和噪声。实际上在任何解调方式的过程中，都必然伴有干扰和噪声。方式的过程中，都必然伴有干扰和噪声。因此要求各种解调电路应具有良好的抗噪因此要求各种解调电路应具有良好的抗噪声能力。声能力。6.4.1 预加重与去加重电路预加重与去加重电路 各种信息信号的能量并不
26、是均匀分布的，它们各种信息信号的能量并不是均匀分布的，它们的大部分能量都集中在较低频率范围内，在高频段的大部分能量都集中在较低频率范围内，在高频段内，能量会随频率的升高而下降。这对调制信号的内，能量会随频率的升高而下降。这对调制信号的接收不利。为了改善鉴频器输出端的信噪比，目前接收不利。为了改善鉴频器输出端的信噪比，目前广泛采用预加重和去加重措施。广泛采用预加重和去加重措施。1. 预加重网络预加重网络2. 去加重网络去加重网络 6.4.2 限幅器限幅器 实际中，调频波经过信道传输，接收后经变频实际中，调频波经过信道传输，接收后经变频处理、中频放大，叠加了许多干扰信号，变得不再处理、中频放大，叠
27、加了许多干扰信号，变得不再是等幅波了，这样必然会导致解调信号出现非线性是等幅波了，这样必然会导致解调信号出现非线性失真和噪声。为了抑制这一不良影响，需要在鉴频失真和噪声。为了抑制这一不良影响，需要在鉴频之前，对信号采用限幅处理。之前，对信号采用限幅处理。1. 二极管限幅器二极管限幅器 2. 差分对管限幅器差分对管限幅器 6.4.3 静噪电路静噪电路 在调频接收机工作时，会遇到无信号、弱信号在调频接收机工作时，会遇到无信号、弱信号的情况，这时鉴频器的输入信噪比低于门限值，使的情况，这时鉴频器的输入信噪比低于门限值，使得鉴频器的输出噪声急剧增加，以至于将有用信号得鉴频器的输出噪声急剧增加，以至于将
28、有用信号淹没。在这种情况下，应采用静噪电路来抑制噪声淹没。在这种情况下，应采用静噪电路来抑制噪声的输出，即在系统设计时要尽可能地降低鉴频器的的输出，即在系统设计时要尽可能地降低鉴频器的门限值。门限值。 静噪的方式和电路是多种多样的。静噪电路的类型静噪的方式和电路是多种多样的。静噪电路的类型主要有两种，一种是接在鉴频器的输入端，另一种是主要有两种，一种是接在鉴频器的输入端，另一种是接在鉴频器的输出端。接在鉴频器的输出端。 6.5 数字调制与解调数字调制与解调6.5.1 概述概述 模拟信号调制是对载波信号的参量进行连续调制，模拟信号调制是对载波信号的参量进行连续调制，在接收端对载波信号的调制参量连
29、续地进行解调；而在接收端对载波信号的调制参量连续地进行解调；而数字调制则是用载波信号的某些离散状态来表征所传数字调制则是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端对载波信号的离散调制参量进行送的信息，在接收端对载波信号的离散调制参量进行检测。因此数字调制信号也称为键控信号。检测。因此数字调制信号也称为键控信号。 6.5.2 频移键控（频移键控（FSK）调制与解调）调制与解调 频移键控（频移键控（FSK）是用数字基带信号控制载）是用数字基带信号控制载波信号的频率，利用不同频率的载波来传送数字波信号的频率，利用不同频率的载波来传送数字信号的。信号的。 二进制移频键控是用两个不同频率的载波
30、来二进制移频键控是用两个不同频率的载波来代表数字信号的两种电平。接收端收到不同的载代表数字信号的两种电平。接收端收到不同的载波信号后，再进行逆变换成为数字信号，完成信波信号后，再进行逆变换成为数字信号，完成信息传送过程。息传送过程。 1. 频移键控信号频移键控信号FSKCmCm( )cos 2 ( )utUfutf t当输入为逻辑当输入为逻辑1时，时，FSKCmC( )cos 2 ()utUff t 当输入为逻辑当输入为逻辑0时，时，FSKCmC( )cos 2 ()utUff t则二进制移频键控的输入、输出信号波形为则二进制移频键控的输入、输出信号波形为 2. FSK信号的调制信号的调制 移
31、频键控信号可以用类似于模拟频率调制的方移频键控信号可以用类似于模拟频率调制的方法来实现，也可以用压控振荡器来实现，还可以利法来实现，也可以用压控振荡器来实现，还可以利用键控法产生。用键控法产生。 利用两个独立的分频器，以频率键控法来实现利用两个独立的分频器，以频率键控法来实现FSK调制原理图。调制原理图。3. FSK信号的解调信号的解调 数字频率键控信号（数字频率键控信号（FSK）的解调方法很多。）的解调方法很多。常用的有包络解调法、过零检测法等。常用的有包络解调法、过零检测法等。1）包络解调法）包络解调法2）过零检测法）过零检测法 过零检测法是利用信号波形在单位时间内与零过零检测法是利用信号
32、波形在单位时间内与零电平轴交叉的次数来测定信号频率。电平轴交叉的次数来测定信号频率。 6.5.3 相位键控（相位键控（PSK）调制与解调）调制与解调 移相键控是利用载波相位的变化来传送数字信移相键控是利用载波相位的变化来传送数字信息的。二进制相位键控用同一个载波的两种相位来息的。二进制相位键控用同一个载波的两种相位来代表数字信号。代表数字信号。 由于由于PSK系统抗噪声性能优于系统抗噪声性能优于ASK和和FSK，而，而且频带利用率高，所以，在中高速数字通信中被广且频带利用率高，所以，在中高速数字通信中被广泛采用。泛采用。 1. 绝对调相和相对调相绝对调相和相对调相 数字调相分为绝对调相与相对调
33、相两种。以未数字调相分为绝对调相与相对调相两种。以未调载波的相位作为基准的调制，称为绝对调相。调载波的相位作为基准的调制，称为绝对调相。在二进制调相（在二进制调相（BPSK）中，设码元取）中，设码元取“1”时已调时已调波的相位与未调载波的相位相同，取波的相位与未调载波的相位相同，取“0”时，则相时，则相位相反。位相反。 相对调相也称为差分相移键控（相对调相也称为差分相移键控（DPSK），是），是用调相前、后码元载波相位的相对变化来表示数字用调相前、后码元载波相位的相对变化来表示数字信息信息 相对调相也称为差分相移键控（相对调相也称为差分相移键控（DPSK） 2. BPSK信号的调制信号的调制BPSK可用环形相乘器来实现，称为直接调相法可用环形相乘器来实现，称为直接调相法 3. DPSK信号的调制信号的调制DPSK信号是通过码变换加信号是通过码变换加BPSK调制产生调制产生 4. DPSK信号的解调信号的解调 极性比较法（又称相干解调法）是极性比较法（又称相干解调法）是BPSK信号信号的解调方法之一的解调方法之一