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1、 om o+mAMFM调幅与调频的波形图调幅与调频的波形图通信电子线路通信电子线路-3第1页/共128页FMAMffff调幅与调频的频谱调幅与调频的频谱 f0f0f0f0通信电子线路通信电子线路-3第2页/共128页FM，PM从已调波中检取出原调制信号的过程称为解调(AM)振幅解调检波(FM)频率解调鉴频 detection(PM)相位解调鉴相(phase detection)AM第3页/共128页 角度调制与解调和振幅调制与解调最大的区别在频角度调制与解调和振幅调制与解调最大的区别在频率变换前后频谱结构的变化不同。率变换前后频谱结构的变化不同。角度调制角度调制:频率变换前后频谱结构发生了变化
2、，频率变换前后频谱结构发生了变化，属于非线性频率变换。属于非线性频率变换。角度调制的主要优点角度调制的主要优点:抗干扰性强抗干扰性强.FM FM广泛应用于广播、电视、通信以及遥测方面，广泛应用于广播、电视、通信以及遥测方面，PMPM主要主要应用于数字通信。应用于数字通信。角度调制的主要缺点角度调制的主要缺点:占据频带宽，频带利用不经济。占据频带宽，频带利用不经济。通信电子线路通信电子线路-3第4页/共128页 7.2 7.2 调角波的性质调角波的性质一、调频波和调相波的波形和数学表达式1.1.瞬时频率、瞬时相位及波形瞬时频率、瞬时相位及波形设未调高频载波为一简谐振荡，其数学表达式为设未调高频载
3、波为一简谐振荡，其数学表达式为v v(t)=Vcos(t)=Vcos(t)=Vcos(t)=Vcos(0 0t+t+0 0)(7-1)式中，式中，0 0为载波初相角；为载波初相角；0 0是载波的角频率，是载波的角频率，(t)(t)为载波振荡的瞬时相位。为载波振荡的瞬时相位。当没有调制时，当没有调制时，v v(t)(t)就是载波振荡电压，其角就是载波振荡电压，其角 频率频率 和初相角和初相角 0 0都是常数。都是常数。通信电子线路通信电子线路-3第5页/共128页 调频时，在式调频时，在式(7-1)(7-1)中，高频正弦载波的角频率中，高频正弦载波的角频率不再是常数不再是常数 0 0，而是随调制
4、信号变化的量。即调频，而是随调制信号变化的量。即调频波的瞬时角频率波的瞬时角频率(t)(t)为为(t)=(t)=0 0+k kf fv v(t)(t)=0 0+(t)(t)(7-2)式式中中k kf f为比例常数，即单位调制信号电压引起的角频为比例常数，即单位调制信号电压引起的角频率变化，单位为率变化，单位为rad/srad/s V V。(7-3)v v(t)=Vcos(t)=Vcos(t)=Vcos(t)=Vcos(0 0t+t+0 0)(7-1)通信电子线路通信电子线路-3此时调频波的瞬时相角此时调频波的瞬时相角(t)(t)为为调频波 k kf fv v(t)=(t)=(t)(t)第6页/
5、共128页调频波瞬时频率、瞬时相位随调制信号调频波瞬时频率、瞬时相位随调制信号(单音信号单音信号)变化的波形图变化的波形图以及调频波的波形图。以及调频波的波形图。图图7-1 7-1 调频时的波形图调频时的波形图 图图(a)(a)为调制信号为调制信号v v，图图(b)(b)为调频波，当为调频波，当v v 为波峰时，为波峰时，频率频率 o o+m m为最大；为最大；当当v v 为波谷时，频率为波谷时，频率 o o m m为最小为最小。图图(c)(c)为瞬时频率的形式，为瞬时频率的形式，是在载频的基础上叠加了随调制是在载频的基础上叠加了随调制信号变化的部分。信号变化的部分。图图(d)(d)为调频时引
6、起的附加相位为调频时引起的附加相位偏移的瞬时值，偏移的瞬时值，(t)(t)与调制信号相差与调制信号相差9090。通信电子线路通信电子线路-3调频波第7页/共128页 由图可知由图可知调频波的瞬时频率随调制信号成线性变化，调频波的瞬时频率随调制信号成线性变化，而瞬时相位随调制信号的积分线性变化而瞬时相位随调制信号的积分线性变化。通信电子线路通信电子线路-3调频波 k kf fv v(t)=(t)=(t)(t)第8页/共128页调相时，高频载波的瞬时相位调相时，高频载波的瞬时相位(t)(t)的变化量随的变化量随v 线性变化，线性变化，(t)=(t)=0 0t+t+0 0+K Kp pv v(t)(
7、t)(7-4)式中式中KpKp为比例系数，代表单位调制信号电压引起为比例系数，代表单位调制信号电压引起的相位变化，单位为的相位变化，单位为rad/Vrad/V。调相波的瞬时频率为调相波的瞬时频率为(7-5)通信电子线路通信电子线路-3调相波第9页/共128页 图图7-27-2画出了调相波的瞬时频率、瞬时相画出了调相波的瞬时频率、瞬时相位随调制信号位随调制信号(单音信号单音信号)变化的波形图。变化的波形图。调相时的波形图调相时的波形图 v t0p2p2p toq(t)to(t)o(a)(c)(d)m图7-2 通信电子线路通信电子线路-3调相波第10页/共128页(t)=(t)=是角度调制的两个基
8、本关系式，它说明了瞬时相位是角度调制的两个基本关系式，它说明了瞬时相位是瞬时角速度对时间的积分，同样，瞬时角频率为瞬时是瞬时角速度对时间的积分，同样，瞬时角频率为瞬时相位对时间的变化率。相位对时间的变化率。由于频率与相位之间存在着微积分关系，由于频率与相位之间存在着微积分关系，不论是不论是调频还是调相，结果使瞬时频率和瞬时相位都发生变化。调频还是调相，结果使瞬时频率和瞬时相位都发生变化。只是变化规律与调制信号的关系不同。只是变化规律与调制信号的关系不同。和通信电子线路通信电子线路-3调频 vs.调相第11页/共128页例7-1 7-1 求v v(t)=5cos(t+sin5(t)=5cos(t
9、+sin5 t)t)在t=0t=0时的 瞬时频率。解解 (t)=t+sin(5(t)=t+sin(5 t)t)(t)=(t)=在在t=0t=0时，时，(0)=+5(0)=+5 rad/S rad/S 160kHz 160kHz通信电子线路通信电子线路-3第12页/共128页2.FM FM、PMPM的数学表达式及频移和相移的数学表达式及频移和相移 设设 0 0=0=0(7-6)所以所以FMFM波的数学表达式波的数学表达式为为a af f(t)=Vcos(t)=Vcos(t)=Vcos(t)=Vcos(7-7)(t)=(t)=0 0+k kf fv v(t)=(t)=0 0+(t)(t)根据式根据
10、式通信电子线路通信电子线路-3第13页/共128页同理，根据式同理，根据式(7-4)(7-4)(t)=0t+0+Kpv(t)设设 0 0=0=0则则 (t)=(t)=0 0t+Kt+KP Pv v(t)(t)(7-8)所以所以PMPM波的数学表达式波的数学表达式为为a ap(t)=Vcosp(t)=Vcos(t)=Vcos(t)=Vcos 0 0t+Kt+Kp pv v(t)(t)(7-9)通信电子线路通信电子线路-3第14页/共128页我们将我们将瞬时频率偏移的最大值称为瞬时频率偏移的最大值称为频偏频偏，记为，记为m m=max=max。瞬时相位偏移的最大值称为瞬时相位偏移的最大值称为调制指
11、数调制指数，m m=max=max。对调频：对调频：频偏频偏 m m=K=Kf f (7-10)调频指数调频指数 m mf f=K=Kf f (7-11)通信电子线路通信电子线路-3调频时，调频时，载波的瞬时频率变化量与调制信号成线性关系，载波的瞬时频率变化量与调制信号成线性关系，载波的瞬时相位变化量与调制信号的积分成线性关系；载波的瞬时相位变化量与调制信号的积分成线性关系；第15页/共128页我们将我们将瞬时频率偏移的最大值称为瞬时频率偏移的最大值称为频偏频偏，记为，记为m m=max=max。瞬时相位偏移的最大值称为瞬时相位偏移的最大值称为调制指数调制指数，m m=max=max。对调相：
12、对调相：频偏频偏 (7-12)调相指数调相指数 (7-13)通信电子线路通信电子线路-3调相时，调相时，载波的瞬时频率变化量与调制信号的微分成线性关系，载波的瞬时频率变化量与调制信号的微分成线性关系，载波的瞬时相位变化量与调制信号成线性关系。载波的瞬时相位变化量与调制信号成线性关系。第16页/共128页我们将我们将瞬时频率偏移的最大值称为瞬时频率偏移的最大值称为频偏频偏，记为，记为m m=max=max。瞬时相位偏移的最大值称为瞬时相位偏移的最大值称为调制指数调制指数，m m=max=max。对调频：对调频：频偏频偏 m m=K=Kf f (7-10)调频指数调频指数 m mf f=K=Kf
13、f (7-11)对调相：对调相：频偏频偏 (7-12)调相指数调相指数 (7-13)通信电子线路通信电子线路-3第17页/共128页表表7-1 FM7-1 FM波和波和PMPM波的比较波的比较 调制信号调制信号v(t)(t)，载波，载波VmVmcos 0 0(t)(t)FM波波PM波波数学表达式数学表达式Vmcos0t+kpv(t)瞬时频率瞬时频率0+kfv(t)瞬时相位瞬时相位0t+kpv(t)最大频偏最大频偏调制指数调制指数mf=Kfm=Kf通信电子线路通信电子线路-3第18页/共128页表表7-1 FM7-1 FM波和波和PMPM波的比较波的比较 调制信号调制信号v(t)(t)，载波，载
14、波VmVmcos 0 0(t)(t)FM波波PM波波数学表达式数学表达式Vmcos0t+kpv(t)瞬时频率瞬时频率0+kfv(t)瞬时相位瞬时相位0t+kpv(t)最大频偏最大频偏调制指数调制指数mf=Kfm=Kf通信电子线路通信电子线路-3调制信号为单音信号调制信号为单音信号v v(t)=(t)=V V coscos t t第19页/共128页从以上二式可知，从以上二式可知，此时此时调频波的调制指数为调频波的调制指数为(7-16)调相波的调制指数为调相波的调制指数为 m mp p=K Kp pV V (7-17)根据式根据式(7-10)(7-10)可求出调频波的最大频移为可求出调频波的最大
15、频移为f f=K Kf fV V (7-18)根据式根据式(7-12)(7-12)可求出调相波的最大频移为可求出调相波的最大频移为 p p=K Kp pV V (7-19)通信电子线路通信电子线路-3调制信号为单音信号调制信号为单音信号v v(t)=(t)=V V coscos t t第20页/共128页 下面分析当调制信号为下面分析当调制信号为v v(t)=(t)=V V coscos t t，未调制时载波频，未调制时载波频 率为率为 0 0时的调频波和调相波。时的调频波和调相波。根据式根据式(7-7)(7-7)可写出可写出调频波调频波的数学表达式为的数学表达式为(7-14)根据式根据式(7
16、-9)(7-9)可写出可写出调相波调相波的数学表达式为的数学表达式为(7-15)a af f(t)=Vcos(t)=Vcos(t)=Vcos(t)=Vcos a ap(t)=Vcosp(t)=Vcos(t)=Vcos(t)=Vcos 0 0t+Kt+Kp pv v(t)(t)(7-7)(7-9)通信电子线路通信电子线路-3调制信号为单音信号调制信号为单音信号v v(t)=(t)=V V coscos t t第21页/共128页 调频波的频偏与调制频率调频波的频偏与调制频率 无关，调频指数无关，调频指数m mf f则与则与 成反比；成反比；调相波的频偏调相波的频偏p p与与 成正比，调相指数则与
17、成正比，调相指数则与 无关。无关。调频、调相二种调制方法的根本区别。调频、调相二种调制方法的根本区别。图图7-3 7-3 频偏和调制指数与调制频率的关系频偏和调制指数与调制频率的关系(当当V V 恒定时恒定时)通信电子线路通信电子线路-3(a)调频波(b)调相波调制信号为单音信号调制信号为单音信号v v(t)=(t)=V V coscos t t第22页/共128页 对照式对照式(7-16)-(7-19)(7-16)-(7-19)可以看出：无论调频还是调相，最大可以看出：无论调频还是调相，最大频移频移(频偏频偏)与调制指数之间的关系都是相同的。若频偏都用与调制指数之间的关系都是相同的。若频偏都
18、用m m表示，调制指数都用表示，调制指数都用m m表示，则表示，则m m 与与m m之间满足以下关系之间满足以下关系 m m=m=m 或或 f fm m=mF=mF (7-20)式中式中 说明说明:在幅度调制中，调幅度在幅度调制中，调幅度m ma a11，否则会产生过调制失真。，否则会产生过调制失真。在角度调制中，无论调频还是调相在角度调制中，无论调频还是调相,调制指数均可大于调制指数均可大于1 1。mp=KpV f f=K Kf fV V p p=K Kp pV V 通信电子线路通信电子线路-3调制信号为单音信号调制信号为单音信号v v(t)=(t)=V V coscos t t第23页/共
19、128页 f=mF第24页/共128页二、调角信号的频谱与有效频带宽度 由于调频波和调相波的方程式相似由于调频波和调相波的方程式相似,因此要分析其中一种因此要分析其中一种频谱频谱,则另一种也完全适用。则另一种也完全适用。1.1.调频波和调相波的频谱调频波和调相波的频谱 调频波的表示式：调频波的表示式：a af f(t)=V(t)=Vo ocoscos(o ot+t+m mf fsinsin t)(Vt)(Vm m=V=Vo o)(7-21)利用三角函数关系，可将利用三角函数关系，可将(7-21)(7-21)式改写成式改写成 a af f(t)=V(t)=Vo ocoscos(o ot+t+m
20、mf fsinsin t)t)=V =Vo o cos(cos(m mf fsinsin t t)cos)cos o ot tsin(sin(m mf fsinsin t)t)sinsin o ot t (7-22)通信电子线路通信电子线路-3第25页/共128页函数函数cos(cos(m mf fsinsin t)t)和和sin(sin(m mf fsinsin t)t)为特殊函数为特殊函数采用贝塞尔函数分析，可分解为采用贝塞尔函数分析，可分解为cos(cos(m mf fsinsin t)=Jt)=J0 0(m mf f)+2J)+2J2 2(m mf f)cos2)cos2 t+2Jt+
21、2J4 4(m mf f)cos4)cos4 t t+2J+2Jn n(m mf f)cosn)cosn t+t+(n (n为偶数为偶数)sin(sin(m mf fsinsin t)=2Jt)=2J1 1(m mf f)sin)sin t+2Jt+2J3 3(m mf f)sin3)sin3 t t+2J+2J5 5(m mf f)sin5)sin5 t+2Jt+2J2n+12n+1(m mf f)sin(2n+1)sin(2n+1)t+t+(n(n为奇数为奇数)在贝塞尔函数理论中，以上两式中的在贝塞尔函数理论中，以上两式中的Jn(Jn(m mf f)称为数值称为数值m mf f的的n n阶
22、阶第一类贝塞尔函数值第一类贝塞尔函数值。它可由第一类贝塞尔函数表求得。它可由第一类贝塞尔函数表求得。(7-23)(7-24)通信电子线路通信电子线路-3第26页/共128页阶数阶数n n或数值或数值mfmf越大，越大，J Jn n(m mf f)的变化范围越小；的变化范围越小；J Jn n(m mf f)随随m mf f的增大作正负交替变化；的增大作正负交替变化；m mf f在某些数值上，在某些数值上，J Jn n(m mf f)为零，为零，例如例如m mf f=2.40,5.52,8.65,11.79,=2.40,5.52,8.65,11.79,时，时，J J0 0(m mf f)为零。为零
23、。图图7-4 7-4 贝塞尔函数曲线贝塞尔函数曲线通信电子线路通信电子线路-3为阶数n=0-7的Jn(mf)与mf值的关系曲线第27页/共128页cos(cos(m mf fsinsin t)=Jt)=J0 0(m mf f)+2J)+2J2 2(m mf f)cos2)cos2 t+2Jt+2J4 4(m mf f)cos4)cos4 t t+2J+2Jn n(m mf f)cosn)cosn t+t+(n (n为偶数为偶数)sin(sin(m mf fsinsin t)=2Jt)=2J1 1(m mf f)sin)sin t+2Jt+2J3 3(m mf f)sin3)sin3 t+2Jt
24、+2J5 5(m mf f)sin5)sin5 t t+2J+2J2n+12n+1(m mf f)sin(2n+1)sin(2n+1)t+t+(n(n为奇数为奇数)a af f(t)=V(t)=Vo ocoscos(o ot+t+m mf fsinsin t)t)=V =Vo o cos(cos(m mf fsinsin t t)cos)cos o ot tsin(sin(m mf fsinsin t)t)sinsin o ot t (7-22)(7-23)(7-24)将式将式(7-23)(7-23)和式和式(7-24)(7-24)代入式代入式(7-22)(7-22)得得a af f(t)=V
25、(t)=Vo oJ J0 0(m mf f)cos)cos o ot t V Vo oJ J1 1(m(mf f)cos()cos(o o)t)tcos(cos(o o+)t)t +V +Vo oJ J2 2(m mf f)cos()cos(o o2 2)t+cos()t+cos(o o+2+2)t)t V Vo oJ J3 3(m mf f)cos()cos(o o3 3)t)tcoscos(o o+3+3)t)t +=V Vo o (7-25)第28页/共128页a af f(t)=V(t)=Vo oJ J0 0(m mf f)cos)cos o ot t V Vo oJ J1 1(m(m
26、f f)cos()cos(o o)t)tcos(cos(o o+)t)t +V +Vo oJ J2 2(m mf f)cos()cos(o o2 2)t+cos()t+cos(o o+2+2)t)t V Vo oJ J3 3(m mf f)cos()cos(o o3 3)t)tcoscos(o o+3+3)t)t +可见，单频调制情况下，调频波和调相波可分解为载频可见，单频调制情况下，调频波和调相波可分解为载频和无穷多对上下边频分量之和，各频率分量之间的距离均等和无穷多对上下边频分量之和，各频率分量之间的距离均等于调制频率，且奇数次的上下边频相位相反，包括载频分量于调制频率，且奇数次的上下边频
27、相位相反，包括载频分量在内的各频率分量的振幅均由贝塞尔函数在内的各频率分量的振幅均由贝塞尔函数J Jn n(m mf f)值决定。值决定。通信电子线路通信电子线路-3 a af f(t)(t)=Vo(7-25)第29页/共128页 图图7-57-5所示频谱图是调制频率相等所示频谱图是调制频率相等(即各频率分量的间隔即各频率分量的间隔距离距离)、调制系数、调制系数m mf f不等的调频波频谱图。不等的调频波频谱图。为简化起见，图中各频率分量均取振幅的绝对值。为简化起见，图中各频率分量均取振幅的绝对值。图图7-5 单频调制的调频波的频谱图单频调制的调频波的频谱图通信电子线路通信电子线路-3 对于某
28、些对于某些m mf f值，载频或某些边频分量的振幅为零，利用值，载频或某些边频分量的振幅为零，利用这一现象，可以测量调频波和调相波的调制指数。这一现象，可以测量调频波和调相波的调制指数。由图可知，不论由图可知，不论mfmf为何值，为何值，随着阶数随着阶数n n的增大，边频的增大，边频分量的振幅总的趋势是减分量的振幅总的趋势是减小的；小的；mfmf越大，具有较大振幅的越大，具有较大振幅的边频分量就越多；边频分量就越多；第30页/共128页 对于调制信号为包含多频率分量的多频调制情况，调频波和对于调制信号为包含多频率分量的多频调制情况，调频波和调相波的频谱结构将更加复杂，这时不但存在调制信号各频率
29、分调相波的频谱结构将更加复杂，这时不但存在调制信号各频率分量的各阶与载频的组合，还存在调制信号各频率分量间相互组合量的各阶与载频的组合，还存在调制信号各频率分量间相互组合后与载频之间产生的无穷多个组合形成的边频分量。后与载频之间产生的无穷多个组合形成的边频分量。通信电子线路通信电子线路-3FM，PM第31页/共128页2.2.调频波和调相波的功率和有效频带宽度调频波和调相波的功率和有效频带宽度 调频波和调相波的平均功率与调幅波一样，也为载频功率调频波和调相波的平均功率与调幅波一样，也为载频功率和各边频功率之和。单频调制时，调频波和调相波的平均功率和各边频功率之和。单频调制时，调频波和调相波的平
30、均功率均可由式均可由式(7-26)(7-26)求得，此处略去调制系数的下角标，即求得，此处略去调制系数的下角标，即(7-26)(7-26)根据第一类贝塞尔函数的性质，上式括弧中各项之和恒等根据第一类贝塞尔函数的性质，上式括弧中各项之和恒等于于1 1，所以调频波和调相波的平均功率为，所以调频波和调相波的平均功率为(7-27)(7-27)m(J)m(J)m(J 2)m(JRV21P2n22120L2oavLL+=2通信电子线路通信电子线路-3第32页/共128页 调频波和调相波的平均功率与调制前的等幅载波功率相等调频波和调相波的平均功率与调制前的等幅载波功率相等。说明，调制的作用仅是将原来的载频功
31、率重新分配到各个边频上，说明，调制的作用仅是将原来的载频功率重新分配到各个边频上，而总的功率不变。这一点与调幅波完全不同。而总的功率不变。这一点与调幅波完全不同。进一步分析表明，调制后尽管部分功率由载频向边频转换，进一步分析表明，调制后尽管部分功率由载频向边频转换，但大部分能量还是集中在载频附近的若干个边频之中。由贝塞但大部分能量还是集中在载频附近的若干个边频之中。由贝塞尔函数可以发现，当阶数尔函数可以发现，当阶数n nm m时，时，Jn(m)Jn(m)值随值随n n的增大迅速下降，的增大迅速下降，当当n n(m+1)(m+1)时，时，Jn(m)Jn(m)的绝对值小于的绝对值小于0.10.1或
32、相对功率值小于或相对功率值小于0.010.01。通信电子线路通信电子线路-3第33页/共128页通常将振幅小于载波振幅通常将振幅小于载波振幅10%10%的边频分量忽略不计，有效的上的边频分量忽略不计，有效的上下边频分量总数则为下边频分量总数则为2(m+1)2(m+1)个，即调频波和调相波的有效频带个，即调频波和调相波的有效频带宽度定为宽度定为 BW=2(m+1)F=2(BW=2(m+1)F=2(f+F)f+F)(7-28)(7-28)可见，调频波和调相波的有效频带宽度与它们的调制系数可见，调频波和调相波的有效频带宽度与它们的调制系数m m有关，有关，m m越大，有效频带越宽。但是，越大，有效频
33、带越宽。但是，对于用同一个调制信号对对于用同一个调制信号对载波进行调频和调相时，两者的频带宽度因载波进行调频和调相时，两者的频带宽度因m mf f和和m mp p的不同而互的不同而互不相同。不相同。调频波和调相波的有效频带宽度通信电子线路通信电子线路-3第34页/共128页根据调频波的数学表达式根据调频波的数学表达式 调频波可以看成调制信号为调频波可以看成调制信号为 而调相波则可以看成调制信号为而调相波则可以看成调制信号为 的调频波的调频波.的调相波，的调相波，联系:通信电子线路通信电子线路-3三、调频波与调相波的联系与区别和调相波的数学表达式和调相波的数学表达式可以看出可以看出FMFM与与P
34、MPM两者之间的关系两者之间的关系:这种关系为间接调频方法奠定了理论基础第35页/共128页当调制信号频率当调制信号频率F F发生变化时，调频波的调制指数发生变化时，调频波的调制指数m mf f与与F F成反成反比变化，其频宽宽度基本不变，故称比变化，其频宽宽度基本不变，故称恒带调制恒带调制 当调制信号频率当调制信号频率F F变化时，调相波的调制指数变化时，调相波的调制指数m mp p与与F F无关，其无关，其频带宽度随调制频率频带宽度随调制频率F F变化变化 FMPM区别:通信电子线路通信电子线路-3f f=K Kf fV V p p=K Kp pV V 第36页/共128页图图7-6 7-
35、6 调制频率不同时调制频率不同时FMFM及及PMPM信号的频谱信号的频谱通信电子线路通信电子线路-3f f=K Kf fV V p p=K Kp pV V BW=2(m+1)F=2(f+F)第37页/共128页 设设F=1kHzF=1kHz，m mf f=m=mp p=12=12，这时，这时，FMFM与与PMPM信号的谱信号的谱宽相等，为宽相等，为26kHz26kHz。但是当调制信号幅度不变而频率增。但是当调制信号幅度不变而频率增加到加到2kHz2kHz及及4kHz4kHz时，时，对对FMFM波来说，虽然调制频率提高，但因波来说，虽然调制频率提高，但因m mf f减小，使有效减小，使有效边频数
36、目减小，所以有效谱宽只增加到边频数目减小，所以有效谱宽只增加到28kHz28kHz及及32kHz32kHz，即增加是有限的。，即增加是有限的。对对PMPM波来说，波来说，m mp p不变，故谱宽随不变，故谱宽随F F成正比例地增加到成正比例地增加到52kHz52kHz及及104kHz104kHz，因而占用的频带很宽，极不经济。，因而占用的频带很宽，极不经济。通信电子线路通信电子线路-3BW=2(m+1)F=2(f+F)第38页/共128页7.3 7.3 调频方法及电路调频方法及电路一、实现调频的方法和基本原理一、实现调频的方法和基本原理 频率调制是对调制信号频谱进行非线性频率变换，而频率调制是
37、对调制信号频谱进行非线性频率变换，而不是线性搬移，因而不是线性搬移，因而不能简单地用乘法器和滤波器来实现。不能简单地用乘法器和滤波器来实现。实现调频的方法分为两大类：实现调频的方法分为两大类：直接调频法直接调频法和和间接调频法间接调频法。1.1.直接调频法直接调频法 用调制信号直接控制振荡器的瞬时频率变化的方法称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。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LCLC振荡器，振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。将受到调则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连
38、接，就可以使振荡频制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。率按调制信号的规律变化，实现直接调频。通信电子线路通信电子线路-3第39页/共128页 可变电抗器件的种类：可变电抗器件的种类：变容二极管变容二极管 具有铁氧体磁芯的电感线圈具有铁氧体磁芯的电感线圈 电抗管电路电抗管电路 直接调频法的优点：原理简单，频偏较大直接调频法的优点：原理简单，频偏较大 缺点：中心频率不易稳定缺点：中心频率不易稳定 在正弦振荡器中，若使可控电抗器连接于晶体振荡在正弦振荡器中，若使可控电抗器连接于晶体振荡器中，可以提高频率稳定度，但频偏减小。器中，可以提高频率稳定度，
39、但频偏减小。通信电子线路通信电子线路-3第40页/共128页 先将调制信号进行积分处理，然后用它控制载波的瞬先将调制信号进行积分处理，然后用它控制载波的瞬时相位变化，从而实现间接控制载波的瞬时频率变化的方时相位变化，从而实现间接控制载波的瞬时频率变化的方法，称为间接调频法。法，称为间接调频法。间接调频法的优点：间接调频法的优点：实现调相的电路独立于高频载波振荡器以外，所以实现调相的电路独立于高频载波振荡器以外，所以这种调频波突出的优点是载波中心频率的稳定性可以做得这种调频波突出的优点是载波中心频率的稳定性可以做得较高。较高。间接调频法的缺点：间接调频法的缺点：可能得到的最大频偏较小。可能得到的
40、最大频偏较小。2.间接调频法间接调频法 调频波可以看成调制信号为调频波可以看成调制信号为 的调相波，的调相波，通信电子线路通信电子线路-3第41页/共128页间接调频实现的原理框图如图所示间接调频实现的原理框图如图所示图图7-7 7-7 借助于调相器得到调频波借助于调相器得到调频波通信电子线路通信电子线路-3第42页/共128页 无论是直接调频，还是间接调频，无论是直接调频，还是间接调频，主要技术要求是：主要技术要求是：频偏尽量大，并且与调制信号保持良好的线性关系；频偏尽量大，并且与调制信号保持良好的线性关系；中心频率的稳定性尽量高；中心频率的稳定性尽量高；寄生调幅尽量小；寄生调幅尽量小；调制
41、灵敏度尽量高。调制灵敏度尽量高。频偏增大与调制线性度之间是矛盾的频偏增大与调制线性度之间是矛盾的通信电子线路通信电子线路-3第43页/共128页二、变容二极管直接调频电路二、变容二极管直接调频电路 变容二极管调频电路是一种常用的直接调频电路，变容二极管调频电路是一种常用的直接调频电路，广泛应用于移动通信和自动频率微调系统。广泛应用于移动通信和自动频率微调系统。1.1.基本工作原理和定量分析基本工作原理和定量分析 变容二极管是利用半导体变容二极管是利用半导体PNPN结的结电容随反向电压变结的结电容随反向电压变化这一特性而制成的一种半导体二极管。化这一特性而制成的一种半导体二极管。结电容结电容Cj
42、Cj与反向电压与反向电压v vR R的关系：的关系：通信电子线路通信电子线路-3v vR R：反向偏置电压，反向偏置电压，V VD D：PNPN结势垒电位差。结势垒电位差。：结电容变化指数，通常：结电容变化指数，通常=1/2=1/21/31/3，经特殊工艺制成，经特殊工艺制成 的超突变结电容的超突变结电容=1=13,3,C Cj0j0:静态工作点的结电容静态工作点的结电容.第44页/共128页 加到变容管上的反向电压，加到变容管上的反向电压，包括直流偏压包括直流偏压V V0 0和调制信号和调制信号电压电压v v(t)=V(t)=V coscos t t，v vR R(t)=V(t)=V0 0+
43、V+V coscos t t用调制信号控制变容二极管结电容用调制信号控制变容二极管结电容通信电子线路通信电子线路-3第45页/共128页图图7-9 7-9 变容二极管调频电路变容二极管调频电路 在图在图7-97-9中，虚线左边是典型的正中，虚线左边是典型的正弦波振荡器，右边是变容管电路。加到弦波振荡器，右边是变容管电路。加到变容管上的反向偏压为变容管上的反向偏压为v vR R=V=VCCCCV+V+v v(t)=V(t)=V0 0+v v(t)(t)(7-31)式中，式中，V V0 0=V=VCCCCV V是反向直流偏压。是反向直流偏压。图中，图中，是变容管与是变容管与L L1 1C C1 1
44、回路之间的耦合电容，同时回路之间的耦合电容，同时起到隔直流的作用；起到隔直流的作用；C C 为对调制信号的旁路电容；为对调制信号的旁路电容；L2L2是是高频扼流圈，但让调制信号通过。高频扼流圈，但让调制信号通过。通信电子线路通信电子线路-3第46页/共128页 把受到调制信号控制的变容二极把受到调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，如图管接入载波振荡器的振荡回路，如图7-107-10所示，则振荡频率亦受到调制信所示，则振荡频率亦受到调制信号的控制。适当选择变容二极管的特号的控制。适当选择变容二极管的特性和工作状态，可以使振荡频率的变性和工作状态，可以使振荡频率的变化近似地与调制信号
45、成线性关系。这化近似地与调制信号成线性关系。这样就实现了调频。样就实现了调频。图图7-10 7-10 通信电子线路通信电子线路-3目标：分析目标：分析 (t)(t)与与 v v(t)(t)的关系的关系1.1.c c(t)(t)与与v v(t)(t)的关系的关系2.2.(t)(t)与与 c c(t)(t)的关系的关系第47页/共128页1.1.c c(t)(t)与与v v(t)(t)的关系的关系总电容总电容时时总电容总电容表示结电容调制深度的调制指数。第48页/共128页图中图中 (7-32)经整理可得经整理可得 C(t)C(t)c c0 0(m,(m,)(7-33)式中式中P P为变容二极管与
46、振荡回路之间的接入系数，为变容二极管与振荡回路之间的接入系数，m=V m=V/V/VD D+V+V0 0 为调制深度为调制深度.通信电子线路通信电子线路-31.1.c c(t)(t)与与v v(t)(t)的关系的关系第49页/共128页根据频率稳定度的概念可知，当根据频率稳定度的概念可知，当 0 0时时(7-34)式中式中 0 0是未调制时载波角频率；是未调制时载波角频率；C C是调制信号为零时的回路是调制信号为零时的回路总电容。总电容。(t)=K(t)=K 0 0(m,(m,)=K)=K 0 0AA0 0+A+A1 1coscos t+At+A2 2cos2cos2 t+t+或或 f(t)=
47、Kff(t)=Kf0 0AA0 0+A+A1 1coscos t+At+A2 2cos2cos2 t+t+=f f0 0+f f1 1+f f2 2+f f3 3+(7-35)通信电子线路通信电子线路-32.2.(t)(t)与与 c c(t)(t)的关系的关系 C(t)C(t)c c0 0(m,(m,)代入代入(7-34)(7-34)得得将将第50页/共128页该式说明，瞬时频率的变化中含有以下成份：该式说明，瞬时频率的变化中含有以下成份：与调制信号成线性关系的成份与调制信号成线性关系的成份 f f1 1 f f1 1=KA=KA1 1f f0 0=rm8+(=rm8+(1)(1)(2)Kf2
48、)Kf0 0 (7-36)与调制信号各次谐波成线性关系的成份与调制信号各次谐波成线性关系的成份 f2f2、f3f3 f f2 2=KA=KA2 2f f0 0=(1)Kf1)Kf0 0 (7-37)中心频率相对于未调制时的载波频率产生的偏移为中心频率相对于未调制时的载波频率产生的偏移为 f f0 0=KA=KA0 0f f0 0=(1)Kf1)Kf0 0 (7-39)f f3 3=KA=KA3 3f f0 0=(1)(1)(2)Kf2)Kf0 0 (7-38)f(t)=f(t)=f f0 0+f f1 1+f f2 2+f f3 3+通信电子线路通信电子线路-32.2.(t)(t)与与 c c
49、(t)(t)的关系的关系第51页/共128页 f1f1是调频时所需要的频偏。是调频时所需要的频偏。f0f0是引起中心频率不稳是引起中心频率不稳定的一种因素。定的一种因素。f2f2和和 f3f3是频率调制的非线性失真。由以是频率调制的非线性失真。由以上各式可知，若选取上各式可知，若选取=1=1，则二次、三次非线性失真以及，则二次、三次非线性失真以及中心频率偏移均可为零。中心频率偏移均可为零。f f与与v v(t)(t)成线性关系。成线性关系。以上讨论的是以上讨论的是 C C相对于回路总电容相对于回路总电容C C很小（即小频偏）很小（即小频偏）的情况。的情况。若若 C C比较大则属于大频偏调频。（
50、参见有关文献分析）比较大则属于大频偏调频。（参见有关文献分析）通信电子线路通信电子线路-32.2.(t)(t)与与 c c(t)(t)的关系的关系第52页/共128页2.变容二极管调频实际电路分析变容二极管调频实际电路分析 90MHz90MHz变容管直接调频电路变容管直接调频电路 (a)(b)图图7-11 变容管直接调频实例变容管直接调频实例 通信电子线路通信电子线路-3 电容三端式电路，变容管部分接入振电容三端式电路，变容管部分接入振荡回路，它的固定反偏电压由荡回路，它的固定反偏电压由+9V+9V电源电源经电阻经电阻56k56k 和和22k22k 分压后取得，调制分压后取得，调制信号信号v