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1、第第7章章角度调制与解调角度调制与解调7.1调角波的性质调角波的性质7.2调频器与调频方法调频器与调频方法7.3调频电路调频电路7.4鉴频器与鉴频方法鉴频器与鉴频方法7.5鉴频电路鉴频电路7.6调频收发信机及特殊电路调频收发信机及特殊电路 在通信系统中，角度及解调电路不同于频谱线性搬移电在通信系统中，角度及解调电路不同于频谱线性搬移电路。它是用低频信号去调制高频振荡的相角，或是从已调波路。它是用低频信号去调制高频振荡的相角，或是从已调波中解出调制信号所进行的频谱变换，这种变换不是线性变换，中解出调制信号所进行的频谱变换，这种变换不是线性变换，而是非线性变换。因此，我们把角度调制及调角波的解调电
2、而是非线性变换。因此，我们把角度调制及调角波的解调电路称为路称为频谱非线性变换电路频谱非线性变换电路。调频（）调频（）：如果高频振荡器的：如果高频振荡器的频率变化量频率变化量和调制信和调制信号号成正比成正比，则称调频。，则称调频。调相（）调相（）：如果高频振荡器的：如果高频振荡器的相位变化量相位变化量和调制信和调制信号号成正比成正比，则称调相。，则称调相。7.17.1调角波的性质调角波的性质 由于频率的变化和相位的变化都表现为总相由于频率的变化和相位的变化都表现为总相角的变化，因此，角的变化，因此，将调频和调相统称为调角将调频和调相统称为调角。因为相位是频率的积分因为相位是频率的积分,故频率的
3、变化必将故频率的变化必将引起相位的变化引起相位的变化,反之亦然反之亦然,所以调频信号与调相所以调频信号与调相信号在时域特性、频谱宽度、调制与解调的原理信号在时域特性、频谱宽度、调制与解调的原理和实现方法等方面都有密切的联系。和实现方法等方面都有密切的联系。角度调制与解调属于非线性频率变换角度调制与解调属于非线性频率变换,比属比属于线性频率变换的振幅调制与解调在原理和电路于线性频率变换的振幅调制与解调在原理和电路实现上都要困难一些。实现上都要困难一些。在在模模拟拟通通信信方方面面,调调频频制制比比调调相相制制更更加加优优越越,故故大大都都采采用用调调频频制制。所所以以,本本章章在在介介绍绍电电路
4、路时时,以以调调频频电电路路、鉴鉴频频(频频率率解解调调)电电路路为为主主题题,但但由由于于调调频频信信号号与与调调相相信信号号的的内内在在联联系系,调调频频可可以以用用调调相相电电路路间间接接实实现现,鉴鉴频频也也可可以以用用鉴鉴相相(相相位位解解调调,也也称称相相位位检检波波)电电路路间间接接实实现现,所所以以实实际际上上也也介介绍绍了了一些调相与鉴相电路。一些调相与鉴相电路。式中，式中，Am为简谐振荡的幅度，为简谐振荡的幅度，为简谐振荡的总相角为简谐振荡的总相角式中式中为瞬时角频率，为瞬时角频率，为初始相位。为初始相位。7.1.1 7.1.1 瞬时相位和瞬时频率的概念瞬时相位和瞬时频率的
5、概念对于简谐振荡可以写成一般形式对于简谐振荡可以写成一般形式如果如果是随时间变化的，瞬时相位为是随时间变化的，瞬时相位为7.1.2 7.1.2 调频波调频波设设调调制制信信号号为为单单一一频频率率信信号号u(t)=Ucost,未未调调载载波波电电压压为为uC=UCcosct,则则根根据据频频率率调调制制的的定定义义,调调频频信信号号的的瞬瞬时时角角频频率为率为(7.1.1)它是在它是在c的基础上的基础上,增加了与增加了与u(t)成正比的频率偏移。式中成正比的频率偏移。式中kf为比例常数。调频信号的瞬时相位为比例常数。调频信号的瞬时相位(t)是瞬时角频率是瞬时角频率(t)对时对时间的积分间的积分
6、,即即(7.1.2)式中式中,为信号的起始角频率。为了分析方便为信号的起始角频率。为了分析方便,不妨设不妨设则上式则上式变为变为（7.1.3）式中，式中，为调频指数。为调频指数。FM波的表示式为波的表示式为（7.1.4）7.1.3 7.1.3 调相波调相波 调相调相高频振荡瞬时相位的变化量与调制信号成正比。高频振荡瞬时相位的变化量与调制信号成正比。根据定义瞬时相位随调制信号线性地变化，即根据定义瞬时相位随调制信号线性地变化，即为比例系数；为比例系数；为瞬时相位偏移；为瞬时相位偏移；称为最大相移，或称调制指数，以称为最大相移，或称调制指数，以mp表示表示瞬时角频率为：瞬时角频率为：于是于是（7.
7、1.5）调相波是其瞬时相位以未调载波相位调相波是其瞬时相位以未调载波相位c为中心按调制信为中心按调制信号规律变化的等幅高频振荡。如号规律变化的等幅高频振荡。如u(t)=Ucost,并令并令0=0,则其瞬时相位为则其瞬时相位为(t)=ct+(t)=ct+kpu(t)=ct+mcost=ct+mpcost（7.1.6）从而得到调相信号表达式为从而得到调相信号表达式为（7.1.7）7.1.4 7.1.4 调频波的频谱结构和特点调频波的频谱结构和特点将将FM表达式进一步展开表达式进一步展开,有有uFM(t)=UCJ0(mf)cosct+J1(mf)cos(c+)t-J1(mf)cos(c-)t+J2(
8、mf)cos(c+2)t+J2(mf)cos(c-2)t+J3(mf)cos(c+3)t-J3(mf)cos(c-3)t+（7.1.8）单频调制时单频调制时FM波的振幅谱波的振幅谱（a）为常数为常数;（b）m为常数为常数结论（结论（1）载频分量上下有）载频分量上下有无数个边频分量；无数个边频分量；（2）调制系数）调制系数mf越大，具越大，具有较大振幅的边频分量就有较大振幅的边频分量就越多；越多；（3）对某些调制系数）对某些调制系数mf，载频或某些边频振幅为零；载频或某些边频振幅为零；（4）调频前后平均功率没）调频前后平均功率没有发生变化。有发生变化。7.1.3 7.1.3 调频波的信号带宽调频
9、波的信号带宽通通常常采采用用的的准准则则是是,信信号号的的频频带带宽宽度度应应包包括括幅度大于未调载波幅度大于未调载波1%以上的边频分量以上的边频分量,即即|Jn(mf)|0.01对于一般情况对于一般情况,带宽为带宽为BW=2(mf+1)F=2(fm+F)（7.1.9）对于宽带调制，对于宽带调制，fmF，即即mf1，有有BW=2fm（7.1.10）对于窄带调制，对于窄带调制，mffc时时，回回路路两两端端电电压压大大；当当ffc时时，回回路路两两端端电电压压小小。这这种种利利用用调调谐谐回回路路幅幅频频特特性性的的倾倾斜斜部部分对分对FM波解调的方法称为斜率鉴频。波解调的方法称为斜率鉴频。单回
10、路斜率鉴频器单回路斜率鉴频器单单调调谐谐回回路路的的谐谐振振曲曲线线，其其倾倾斜斜部部分分的的线线性性度度是是较较差差的的。为为了了扩扩大大线线性性范范围围，实实际际上上采采用用三三调调谐谐回回路路的的双双离离谐谐平平衡衡鉴鉴频频器器。其其输输出出是是取取两两个个带带通通响响应应之之差差,即即该该鉴鉴频频器器的的传传输输特特性性或或鉴鉴频频特特性性,如如下下图图中中的的实实线线所所示示。其其中中虚虚线线为为两两回回路路的的谐谐振振曲曲线线。从从图图看看出出,它它可可获获得得较较好好的的线线性性响响应应,失失真真较较小小,灵灵敏敏度度也也高高于于单单回路鉴频器。回路鉴频器。双离谐平衡鉴频器双离谐
11、平衡鉴频器双离谐鉴频器的鉴频特性双离谐鉴频器的鉴频特性各点波形2.相位鉴频法相位鉴频法相相位位鉴鉴频频法法的的原原理理框框图图如如下下图图所所示示。图图中中的的变变换换电电路路具具有有线线性性的的频频率率相相位位转转换换特特性性，它它可可以以将将等等幅幅的的调调频频信信号号变变成成相相位位也也随随瞬瞬时时频频率率变变化化的的、既既调调频频又又调调相相的的FMPM波波。然然后后将将此此FMPM波波与与原原FM波波进进行行相相位位比比较较检检出出两两个个信信号号之之间间的的相相位位差差，最最后后由由鉴鉴相相器器完完成成相相位位差差电电压压变变换换即即可可得得到到解调输出。解调输出。相位鉴频法的原理
12、框图相位鉴频法的原理框图相相位位鉴鉴频频法法的的关关键键是是相相位位检检波波器器。相相位位检检波波器器或或鉴鉴相相器器就就是是用用来来检检出出两两个个信信号号之之间间的的相相位位差差，完完成成相相位位差差电电压压变变换换作作用用的的部部件件或或电路。设输入鉴相器的两个信号分别为电路。设输入鉴相器的两个信号分别为(7.4.4)(7.4.5)同时加于鉴相器，鉴相器的输出电压同时加于鉴相器，鉴相器的输出电压uo是瞬时是瞬时相位差的函数，即相位差的函数，即(7.4.6)1)叠加型相位鉴频法叠加型相位鉴频法利利用用叠叠加加型型鉴鉴相相器器实实现现鉴鉴频频的的方方法法称称为为叠叠加加型型相相位位鉴鉴频频法
13、法。对对于于叠叠加加型型鉴鉴相相 器器，就就 是是 先先 将将 u1和和 u2(式式(7.4.4)和和(7.4.5)相相加加，把把两两者者的的相相位位差差的的变变化化转转换换为为合合成成信信号号的的振振幅幅变变化化，然然后后用用包包络络检检波波器器检检出出其其振振幅幅变变化化，从从而而达达到到鉴鉴相的目的。相的目的。平衡式叠加型相位鉴频器框图平衡式叠加型相位鉴频器框图2)乘积型相位鉴频法乘积型相位鉴频法利利用用乘乘积积型型鉴鉴相相器器实实现现鉴鉴频频的的方方法法称称为为乘乘积积型型相相位位鉴鉴频频法法或或积积分分(Quadrature)鉴鉴频频法法。在在乘乘积积型型相相位位鉴鉴频频器器中中，线
14、线性性相相移移网网络络通通常常是是单单谐谐振振回回路路(或或耦耦合合回回路路)，而而相相位位检检波波器器为为乘乘积型鉴相器，如图所示。积型鉴相器，如图所示。乘积型相位鉴频法乘积型相位鉴频法移相网络如图移相网络如图(a)所示，其传输函数为所示，其传输函数为移相网络相频特性移相网络相频特性其中其中可见，可见，u1与与u2(实际上是实际上是ur与与us)之间的相位差为之间的相位差为相频特性曲线见图相频特性曲线见图(b)。若设若设当当f/f01时，上式可写为时，上式可写为可见，鉴频器的输出与输入调频信号的频偏成正比。可见，鉴频器的输出与输入调频信号的频偏成正比。在上面电路中，调整在上面电路中，调整L、
15、C和和C1均可改变回路谐振频率，均可改变回路谐振频率，只要满足只要满足经过相乘器和低通滤波器后的输出电压为经过相乘器和低通滤波器后的输出电压为(7.4.7)3.直接脉冲计数式鉴频法直接脉冲计数式鉴频法调调频频信信号号的的信信息息寄寄托托在在已已调调波波的的频频率率上上。从从某某种种意意义义上上讲讲，信信号号频频率率就就是是信信号号电电压压或或电电流流波波形形单单位位时时间间内内过过零零点点(或或零零交交点点)的的次次数数。对对于于脉脉冲冲或或数数字字信信号号，信信号号频频率率就就是是信信号号脉脉冲冲的的个个数数。基基于于这这种种原原理理的的鉴鉴频频器器称称为为零零交交点点鉴鉴频器或脉冲计数式鉴
16、频器。频器或脉冲计数式鉴频器。直接脉冲计数式鉴频器直接脉冲计数式鉴频器直接脉冲计数式鉴频器直接脉冲计数式鉴频器由上面的分析可见，滤波后的输出电压滤波后的输出电压与调频信号的瞬时频率成正比。与调频信号的瞬时频率成正比。优点：线性好，频带宽，最大频偏大，优点：线性好，频带宽，最大频偏大，便于集成。便于集成。7.5.1正交鉴频器正交鉴频器正交鉴频原理正交鉴频原理正正交交鉴鉴频频器器实实际际上上是是一一种种乘乘积积型型相相位位鉴鉴频频器器，它它由由移移相相网网络络、乘乘法法器器和和低低通通滤滤波波器器三三部部分分组组成成。调调频频信信号号一一路路直直接接加加至至乘乘法法器器，另另一一路路经经相相移移网
17、网络络移移相相后后(参参考考信信号号)加加至至乘乘法法器器。由由于于调调频频信信号号和和参参考考信信号号同同频频正正交交，因因此此，称之为正交鉴频器。称之为正交鉴频器。7.5鉴频电路鉴频电路集成正交鉴频器集成正交鉴频器下下图图是是某某电电视视机机伴伴音音集集成成电电路路，它它包包括括限限幅幅中中放放(V1,V2;V4、V5;V7、8为为三三级级差差分分对对放放大大器器，V3、V6和和V9为为三三个个射射极跟随器极跟随器)、内部稳压、内部稳压(VD1VD5、V10)和鉴频电路三部分。和鉴频电路三部分。集成正交鉴频器集成正交鉴频器7.5.2限幅电路限幅电路所所谓谓限限幅幅器器，就就是是把把输输入入
18、幅幅度度变变化化的的信信号号变变换换为为恒恒定定的的信信号号的的变变换换电电路路。在在鉴鉴频频器器中中采采用用限限幅幅器器，其其目目的的在在于将具有寄生调幅的调频波变换为等幅的调频波。于将具有寄生调幅的调频波变换为等幅的调频波。限限幅幅器器分分为为瞬瞬时时限限幅幅器器和和振振幅幅限限幅幅器器两两种种。脉脉冲冲记记数数式式鉴鉴频频器器中中的的限限幅幅器器属属于于瞬瞬时时限限幅幅器器，其其作作用用是是把把输输入入的的调调频频波波变变为为等等幅幅的的调调频频方方波波。振振幅幅限限幅幅器器的的实实现现电电路路很很多多，但但若若在在瞬瞬时时限限幅幅器器后后面面接接上上带带通通滤滤波波器器，然然后后取取出
19、出等等幅幅调调频方波中的基波分量，这样就构成了振幅限幅器。频方波中的基波分量，这样就构成了振幅限幅器。限幅器及其特性曲线限幅器及其特性曲线7.5.3差分峰值斜率鉴频器差分峰值斜率鉴频器差差分分峰峰值值斜斜率率鉴鉴频频器器是是一一种种在在集集成成电电路路中中常常用用的的振振幅幅鉴鉴频频器器。图图(a)是是一一个个在在电电视视接接收收机机伴伴音音信信号号处处理理电电路路(如如D7176AP,TA7243P)等等集集成成电电路路中中采采用用的的差差分分峰峰值值斜斜率鉴频器。率鉴频器。差分峰值斜率鉴频器差分峰值斜率鉴频器移移相相网网络络接接在在集集成成电电路路的的9、10脚脚之之间间。设设从从9脚脚向
20、向右右看看的的移移相相电电路路的的谐谐振振频频率率为为f01，从从10脚脚向向左左看看的的移移相相电电路路的的谐振频率为谐振频率为f02，则则7.6调频收发信机及特殊电路调频收发信机及特殊电路（1）调频发射机）调频发射机下图是一种调频发射机的框图。其载频下图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输入调制信号频率为50Hz15kHz，最大频偏为最大频偏为75kHz。由图可知，调频方式为间接调频。由图可知，调频方式为间接调频。由由高高稳稳定定度度晶晶体体振振荡荡器器产产生生fc1=200kHz的的初初始始载载波波信信号号送送入入调调相相器器，由由经经预预加加重重和
21、和积积分分的的调调制制信信号号对对其其调调相相。调相输出的最大频偏为调相输出的最大频偏为25Hz，调制指数调制指数mf0.5。7.6.1调频发射机与接收机调频发射机与接收机调频发射机框图调频发射机框图（2）调频接收机调频接收机下下图图为为广广播播调调频频接接收收机机典典型型方方框框图图。为为了了获获得得较较好好的的接接收收机机灵灵敏敏度度和和选选择择性性，除除限限幅幅级级、鉴鉴频频器器及及几几个个附附加加电电路路外外，其其主主要要方方框框均均与与AM超超外外差差接接收收机机相相同同。调调频频广广播播基基本参数与发射机相同。本参数与发射机相同。调频接收机方框图调频接收机方框图（3）调频立体声广播
22、）调频立体声广播图图中中给给出出了了调调频频立立体体声声广广播播的的系系统统图图。左左声声道道信信号号(L)和和右右声声道道信信号号(R)经经各各自自的的预预加加重重在在矩矩阵阵电电路路中中形形成成和和信信号号(L+R)和和差差信信号号(L-R)。和和信信号号(L+R)照照原原样样成成为为主主信信道道信信号号，差差信信号号(L-R)经经平平衡衡调调制制器器对对副副载载波波进进行行抑抑制制载载波波的的调调幅幅，成为副信道信号。成为副信道信号。（4）调频立体声接收机调频立体声接收机调调频频立立体体声声接接收收机机的的框框图图如如图图所所示示，在在鉴鉴频频器器之之前前与与单声道调频接收机的组成相同。
23、单声道调频接收机的组成相同。立体声解调器工作方式立体声解调器工作方式(a)开关方式；开关方式；(b)矩阵方式矩阵方式7.6.2特殊电路特殊电路预加重及去加重电路预加重及去加重电路理理论论证证明明，对对于于输输入入白白噪噪声声，调调幅幅制制的的输输出出噪噪声声频频谱谱呈呈矩矩形形，在在整整个个调调制制频频率率范范围围内内，所所有有噪噪声声都都一一样样大大。调调频频制制的的噪噪声声频频谱谱(电电压压谱谱)呈呈三三角角形形，见见图图(b)，随随着着调调制制频频率率的的增增高高，噪噪声声也也增增大大。调调制制频频率率范范围围愈愈宽宽，输输出出的的噪噪声也愈大。声也愈大。调频解调器的输出噪声频谱调频解调
24、器的输出噪声频谱(a)功率谱；功率谱；(b)电压谱电压谱由于调频噪声频谱呈三角形，或者说由于调频噪声频谱呈三角形，或者说与与成线性关系，使我们联想到将信号作相应成线性关系，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方程为的处理，即要求预加重网络的特性方程为H(j)=j预加重网络及其特性预加重网络及其特性(a)预加重网络；预加重网络；(b)频率响应频率响应去去加加重重网网络络及及其其频频响响曲曲线线如如图图所所示示。从从图图看看出出，当当2时时，预预加加重重和和去去加加重重网网络络总总的的频频率率传传递递函函数数近近似似为为一一常常数数，这这正正是是使信号不失真所需要的条件。使信号不
25、失真所需要的条件。去加重网络及其特性去加重网络及其特性采采用用预预、去去加加重重网网络络后后，对对信信号号不不会会产产生生变变化化，但但对对信信噪噪比却得到较大的改善，如图所示。比却得到较大的改善，如图所示。预、去加重网络对信噪比的改善预、去加重网络对信噪比的改善静噪电路静噪电路由由于于在在调调频频接接收收中中存存在在门门限限效效应应，因因此此在在系系统统设设计计时时要要尽尽可可能能地地降降低低门门限限值值。为为了了获获得得较较高高的的输输出出信信噪噪比比，在在鉴鉴频频器器的的输输入入端端的的输输入入信信噪噪比比要要在在门门限限值值之之上上。但但在在调调频频通通信信和和调调频频广广播播中中，经经常常会会遇遇到到无无信信号号或或弱弱信信号号的的情情况况，这这时时输输入入信信噪噪比比就就低低于于门门限限值值，输输出出端端的的噪噪声声就就会急剧增加。会急剧增加。静噪电路静噪电路静噪电路接入方式静噪电路接入方式