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1、LOGO1 1第五章第五章 角度调制与解调角度调制与解调光学与电子信息工程学院 通信工程系2 2概述概述o模拟频率调制和相位调制合称为模拟角度调制(简称调角)。因为相位是频率的积分,故频率的变更必将引起相位的变更,反之亦然,所以调频信号与调信任号在时域特性、频谱宽度、调制与解调的原理和实现方法等方面都有亲密的联系。o角度调制信号在抗干扰方面比振幅调制信号要好得多,因此，虽然要占用更多的带宽,但仍得到了广泛的应用3 35.1 5.1 调角波的性质调角波的性质o调频波调频波设高频载波 vc=Vcmcosct,调制信号为 v(t),调频信号的瞬时角频率为(t)=c+kfv(t)v调频信号其中，kf为
2、比例系数，初始相位0=0。v瞬时相位为4 45.1 5.1 调角波的性质调角波的性质(t)=c+kfv(t)角频偏角频偏(t)相偏相偏(t)v调频指数(最大相偏)mfq若调制信号是单频信号,即 v(t)=Vmcost 则调频信号5 55.1 5.1 调角波的性质调角波的性质6 65.1 5.1 调角波的性质调角波的性质o调相波调相波o设高频载波设高频载波 vc=Vcmcos vc=Vcmcos ct,ct,调制信号调制信号v v(t)(t)o调信任号的瞬时相位为调信任号的瞬时相位为o (t)=(t)=ct+kpvct+kpv(t)(t)调信任号为 vPM=Vcmcosct+kpv(t)其中，k
3、p为比例系数，初始相位0=0。瞬时角频率为7 75.1 5.1 调角波的性质调角波的性质o (t)=ct+kpv(t)相偏相偏(t)调相指数(最大相偏)mp角频偏角频偏(t)q调制信号是单频信号,即v(t)=Vmcos t p 相应的调信任号p vPM=Vcmcos(ct+kpV mcost)p =Vcmcos(ct+mp cost)8 85.1 5.1 调角波的性质调角波的性质设调制信号v(t)=Vmcost当 恒定时，调频波 当 恒定时，调相波 9 95.1 5.1 调角波的性质调角波的性质oFM信号与信号与PM信号时域特性比较信号时域特性比较o相同处相同处o二者都是等幅信号二者都是等幅信
4、号o二者的频率和相位都随调制信号而变更二者的频率和相位都随调制信号而变更,均产生频偏与相均产生频偏与相偏，成为疏密波形。正频偏最大处，即瞬时频率最高处，偏，成为疏密波形。正频偏最大处，即瞬时频率最高处，波形最密；负频偏最大处，即瞬时频率最低处，波形最疏波形最密；负频偏最大处，即瞬时频率最低处，波形最疏o不同处不同处o二者的频率和相位随调制信号变更的规律不一样二者的频率和相位随调制信号变更的规律不一样,但频率但频率与相位是微积分关系与相位是微积分关系,故二者是有亲密联系的。例，对故二者是有亲密联系的。例，对FM信号，调制信号电平最高处对应的瞬时正频偏最大，波形信号，调制信号电平最高处对应的瞬时正
5、频偏最大，波形最密；对于最密；对于PM信号，调制信号电平变更率（斜率）最大信号，调制信号电平变更率（斜率）最大处对应的瞬时正频偏最大，波形最密。处对应的瞬时正频偏最大，波形最密。o从理论上讲从理论上讲,FM信号的最大角频偏信号的最大角频偏m c,由于载频由于载频 c 很高很高,故故m可以很大可以很大,即调制范围很大。即调制范围很大。而相位以而相位以2为周期为周期,因此因此PM信号的最大相偏信号的最大相偏(调相指数调相指数)mp,故调故调制范围很小制范围很小10105.1 5.1 调角波的性质调角波的性质单频调频信号与单频调信任号参数比较 11115.1 5.1 调角波的性质调角波的性质o 调制
6、信号v(t)为周期重复的三角波.画出FM波和PM波的(t)、(t)曲线，及FM、PM波形。12125.1 5.1 调角波的性质调角波的性质调频波调频波调相波调相波13135.2 5.2 调角波的频谱调角波的频谱oFM、PM波的数学表示式相像，统一写成调角波表示式利用角函数绽开：在贝塞尔函数理论中，已经证明存在下列关系：式中Jn(m)是以m为宗数的n阶第一类贝塞尔函数。14145.2 5.2 调角波的频谱调角波的频谱宗数为m的n阶第一类贝塞尔函数曲线图 Jn(m)m15155.2 5.2 调角波的频谱调角波的频谱调角的频谱1616 o单频调角信号的频谱特点 o由载频和无限多对上下边频重量 ,组成
7、o 当n为偶数，上下边频重量振幅相同，相位相同；o 当n为奇数，上下边频重量振幅相同，相位相反。5.2 5.2 调角波的频谱调角波的频谱说明调角是完全不同于调幅的一种说明调角是完全不同于调幅的一种非线性频率变换非线性频率变换过程过程调制指数m确定时,各边频重量振幅值并不随n单调变更,甚至有时为零。当m增大时，具有较大振幅的边频重量增加，载频重量振幅呈衰减振荡趋势。m值变更,则总功率不变,但载频与各边频重量的功率将重新安排。17175.2 5.2 调角波的频谱调角波的频谱o m 1(工程上只需m1有效频谱宽度为：事实上，调制信号中包括很多频率重量，设最高频率 Fmax19195.2 5.2 调角
8、波的频谱调角波的频谱o例：若调角信号为 试确定fm，m，BW，单位电阻上的信号功率，能否确定是FM波还是PM波？解：解：5.2 5.2 调角波的频谱调角波的频谱o某FM信号的表达式为 其载波频率fc=Hz，调制信号频率F=Hz最大频偏fm=Hz，调频指数mf=rad，信号带宽BFm=Hz。202021215.3 5.3 调频的方法调频的方法o调频电路的指标调频电路的指标调制线性特性调制线性特性调频电路输出信号的频率偏移f与调制电压V要线性要线性22225.3 5.3 调频的方法调频的方法o调制灵敏度调制灵敏度(要大要大)o单位调制电压变更所产生的频率偏移单位调制电压变更所产生的频率偏移o o中
9、心频率中心频率(载波频率载波频率)()(要稳定要稳定)o最大线性频偏最大线性频偏fm (fm (要大要大)o 1%1%大频偏大频偏o 1%1 超突变结+Cj25255.3 5.3 调频的方法调频的方法v变容二极管须工作在反向偏压状态,所以工作时需加负的静态直流偏压-VQ。若限制电压为v，变容管上的电压:v=-(VQ+v)=-(VQ+Vm cost)变容二极管结电容-电压曲线26265.3 5.3 调频的方法调频的方法m:结电容的调制度结电容的调制度静态时的结电容：27275.3 5.3 调频的方法调频的方法o全接入变容二极管干脆调频：大频偏干脆全接入变容二极管干脆调频：大频偏干脆调制电路调制电
10、路C1：很大，隔直电容作用，对开路C2：高频滤波电容(对高频短路，对开路)L1：高频扼流圈应满足：应满足：|VQ|V m28285.3 5.3 调频的方法调频的方法瞬时振荡角频率为:29295.3 5.3 调频的方法调频的方法调制特性分析:线性调制线性调制此时调频波获得最大角频偏中心频率偏移中心频率偏移基波分量基波分量两次谐波分量两次谐波分量30305.3 5.3 调频的方法调频的方法最大角频偏最大角频偏增大增大m会增加最大角频偏会增加最大角频偏,但也但也增加非线性失真增加非线性失真和和减小载频稳定度减小载频稳定度,所以所以,最大角频偏受最大角频偏受m的限制。的限制。31315.3 5.3 调
11、频的方法调频的方法o变容管部分接入振荡回路变容管部分接入振荡回路:小频偏的干脆调小频偏的干脆调频电路频电路C3为高频滤波电容C1、C2 的引入，使的引入，使Cj 对回路总电容的影响减小，从而对回路总电容的影响减小，从而 c 的稳定性提高，的稳定性提高，但最大角频偏但最大角频偏 m减小减小,调制灵敏度调制灵敏度kf下降。下降。32325.3 5.3 调频的方法调频的方法o实际电路常接受变容二极管部分接入回路的方式，而且将变容二极管作为压控电容接入LC振荡器中,就组成了LC压控振荡器。一般可接受各种形式的三点式电路。o为了使变容二极管能正常工作,必需正确地给其供应静态负偏压和沟通限制电压,而且要抑
12、制高频振荡信号对直流偏压和低频限制电压的干扰,所以,在电路设计时要适当接受高频扼流圈、旁路电容、隔直流电容等。33335.3 5.3 调频的方法调频的方法例：例：直流通路交流通路变容二极管直流、交流反偏置电路3434变容二极管部分接入调频电路 c5p变容管的实际电容值会受到直流偏压、低频调制电压、高频振荡电压影响；变容管的实际电容值会受到直流偏压、低频调制电压、高频振荡电压影响；若高频振荡电压振幅太大若高频振荡电压振幅太大,可能造成变容二极管正偏。可能造成变容二极管正偏。p 两个变容二极管对接两个变容二极管对接,对高频振荡电压是串联的对高频振荡电压是串联的,故加在每个管上的高频振故加在每个管上
13、的高频振荡电压振幅减半；且两管上高频振荡电压相位相反，这样高频信号作用下变荡电压振幅减半；且两管上高频振荡电压相位相反，这样高频信号作用下变容管的电容量作相反变更，可免除高频电压对调频效果的干扰，且抵消一部容管的电容量作相反变更，可免除高频电压对调频效果的干扰，且抵消一部分分Cj-u曲线的非线性；曲线的非线性；p对于直流偏压和低频调制电压对于直流偏压和低频调制电压,两管并联两管并联,故工作状态不受影响故工作状态不受影响例：例：c1c135355.3 5.3 调频的方法调频的方法o晶振变容二极管调频电路晶振变容二极管调频电路o接受晶振与变容二极管串联的方式接受晶振与变容二极管串联的方式晶振作为一
14、个电感元件。限制电压调整变容二极管的电容值,使其与晶振串联后的总等效电感变更,从而变更振荡器的振荡频率。晶振的频率限制范围很窄晶振的频率限制范围很窄,仅在串仅在串联谐振频率联谐振频率fs与并联谐振频率与并联谐振频率fp之之间间,所以晶振调频电路的最大相对所以晶振调频电路的最大相对频偏频偏fm/fc只能达到只能达到0.01%左右左右,最最大线性频偏大线性频偏fm也就很小。也就很小。晶振变容二极管调频电路的突晶振变容二极管调频电路的突出优点是出优点是载频载频(中心频率中心频率)稳定度稳定度高高,可达可达10-5左右左右,因而在调频通因而在调频通信发送设备中得到了广泛应用。信发送设备中得到了广泛应用
15、。36365.3 5.3 调频的方法调频的方法-间接调频电路间接调频电路o间接调频原理间接调频原理 调制信号v(t)先积分(例如RC积分电路)再进行调相,所得就是调频波。这里,接受高稳定的晶振作为主振级,调相是在后级进行,对晶振频率无影响。37375.5.3 3 调频的方法调频的方法o扩展线性频偏的方法扩展线性频偏的方法倍频倍频n倍频电路可将调频信号的载频和最大频偏同时扩大为原来的n倍,但最大相对频偏仍保持不变。38385.5.3 3 调频的方法调频的方法混频倍频混频倍频若将瞬时角频率为若将瞬时角频率为2的调频信号与固定角频率为的调频信号与固定角频率为3=(n+1)c的的高频正弦信号进行混频高
16、频正弦信号进行混频,则差频为则差频为混频使调频信号最大频偏保持不变混频使调频信号最大频偏保持不变,最大相对频偏发生变更。最大相对频偏发生变更。39395.4 5.4 调相电路调相电路40405.4 5.4 调相电路相移网络调相电路相移网络恒流源激励并谐回路恒流源激励并谐回路相移特性曲线相移特性曲线相移曲线的移动规律相移曲线的移动规律v激励电流源Is的频率fc固定,并联谐振回路参数变更，C增大，回路容性失谐，为负，相移曲线下移；反之，相移曲线上移qLC并联失谐回路并联失谐回路41415.4 5.4 调相电路调相电路q变容管移相电路：用调制信号变容管移相电路：用调制信号v v(t)(t)限制限制C
17、jCj变更，高频变更，高频载波载波fcfc以恒流源形式激励并联谐振回路以恒流源形式激励并联谐振回路对于高频载波来说,3个0.001F的小电容短路；对于低频调制信号来说,3个0.001F的小电容开路,4.7F电容短路。调制信号输入载波信号输入调相波输出7V42425.4 5.4 调相电路调相电路在m较小时,有 当当|(t t)|)|/6/6时时,有近似式：有近似式：上式表明，在小频偏时，输出电压的相移(t)与调制信号v成正比，实现线性调相43435.4 5.4 调相电路调相电路o由以上分析可知：变容二极管相移网络能够实现线性调相,但受回路相频特性非线性的限制,除了选 用 2或 者 m为 较 小
18、值 外，还 必 需 满 足mp/6，调制范围很窄,属窄带调相。o为了增大调相指数,可以接受多个相移网络级联方式,各级之间用小电容耦合,对载频呈现较大的电抗,使各级之间相互独立。44445.4 5.4 调相电路调相电路o三级单回路变容二极管相移网络三级单回路变容二极管相移网络,可产生的最大相偏为可产生的最大相偏为/2。调节回路调节回路Q值值积分电路积分电路调频波调频波45455.4 5.4 调相电路调相电路o可变时延法调相电路可变时延法调相电路o 如何实现可控时延呢？如何实现可控时延呢？46465.4 5.4 调相电路调相电路脉冲输出位置受可控电压v幅度的限制，脉冲输出时延与v之间线性，用带通滤
19、波器取出基频或某谐波可得正弦调相波。m为最大时延差，n为谐波次数理论上m=0.5Tc，而事实上限制m 0.4Tc 脉冲调相电路途性脉冲调相电路途性相移较大相移较大各点波形各点波形47475.5 5.5 鉴频器鉴频器o 调频波的解调称为频率检波，简称鉴频调频波的解调称为频率检波，简称鉴频o 调相波的解调称为相位检波，简称鉴相调相波的解调称为相位检波，简称鉴相斜率鉴频斜率鉴频(振幅鉴频振幅鉴频)相位鉴频相位鉴频脉冲计数式鉴频脉冲计数式鉴频锁相环鉴频锁相环鉴频48485.5 5.5 鉴频器鉴频器o主要指标主要指标鉴频特性曲线鉴频特性曲线 （S曲线）曲线）v灵敏度大灵敏度大v非线性失真小非线性失真小v
20、线性范围（鉴频频带宽度）大线性范围（鉴频频带宽度）大 BPP 2fm49495.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器o斜率鉴频器斜率鉴频器利用利用LC谐振回路的谐振特性对不同频率的信号呈现不谐振回路的谐振特性对不同频率的信号呈现不同的阻抗，对调频波进行调频同的阻抗，对调频波进行调频-调幅变换，得到调频调幅变换，得到调频-调幅波，再进行振幅检波，得到解调输出电压。调幅波，再进行振幅检波，得到解调输出电压。调频调频-调幅变换特性取决于谐振特性曲线的斜率，故称调幅变换特性取决于谐振特性曲线的斜率，故称斜率鉴频器。斜率鉴频器。实现框图：实现框图：V(t)包络检波器包络检波器FM线性网络线性网
21、络 (变换器)FM AMFM5.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器5050变换电路变换电路包络检波器包络检波器q单失谐的斜率鉴频器单失谐的斜率鉴频器(LC互感耦合回路互感耦合回路)51515.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器单调谐回路的谐振曲线，其倾斜部分的线单调谐回路的谐振曲线，其倾斜部分的线性范围很小，为了扩展鉴频特性的线性范性范围很小，为了扩展鉴频特性的线性范围，好用的斜率鉴频器都是接受两个单失围，好用的斜率鉴频器都是接受两个单失谐回路构成的平衡电路。谐回路构成的平衡电路。v2(t)变为幅度反映瞬时频率变为幅度反映瞬时频率变更的调频波，而后通过包变更的调频波，而
22、后通过包络检波器完成鉴频功能。络检波器完成鉴频功能。52525.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器o平衡斜率鉴频器（双失谐平衡斜率鉴频器（双失谐回路鉴频器）回路鉴频器）相减后的鉴频特性不但线性好相减后的鉴频特性不但线性好,而且线性鉴频范围增大而且线性鉴频范围增大对称失谐：对称失谐：1 c c 2；两个检波器参数相同；两个检波器参数相同；53535.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器o集成电路中应用的鉴频器（差分峰值斜率鉴频）集成电路中应用的鉴频器（差分峰值斜率鉴频）调频信号变换电路调频调幅信号调频调幅信号V1,V2射随V3,V4峰值包络检波V5,V6双端输入,单端输出差
23、分放大输出电压与u1,u2的振幅差值成正比54545.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器L1C1回路与C2串并联后的电抗特性L1C1并联回路与C2串联谐振角频率L1C1并联回路谐振角频率输入调频信号瞬时角频率位于2与1之间。设X1和X2为L1C1并联回路和C2的电抗55555.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器v考虑到V1、V2基极输入电阻特别大,故输入调频信号us在负载上产生的电压u1的振幅U1m主要由电抗曲线X1+X2确定。当=2时,L1C1C2处于串联谐振,等效阻抗最小,故U1m最小；当=1时,L1C1C2处于并联谐振,等效阻抗最大,故U1m最大。56565.5
24、5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器v V2基极朝左看时，由于源电阻Rs很小，近似短路，C2上电压u2的振幅U2m主要由电抗曲线X1X2确定。当=2时,L1C1C2处于并联谐振,故U2m最大；当=1时,L1C1C2等效容抗很小,故U2m很小。57575.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器鉴频特性曲线调频信号us经L1C1C2网络转换成两个不同的调频调幅信号u1和u2。u1、u2分别从差分电路两端输入,先经V1、V2射随,然后经V3、V4峰值包络检波,V5、V6差分放大,最终由V6集电极单端输出解调信号uo课后练习课后练习o某FM信号的表达式为 o 其载波频率fc=Hz,调制信号频率F=Hz，最大频偏fm=Hz,调频指数mf=rad，信号带宽BFm=Hz。o变容二极管是利用PN结的结电容随 变更这一特性制成的一种电压限制的可控电抗器。其结电容可表示为 ,式中为 。o 当变容二极管作为调频振荡电路回路总电容时，应取 以便实现不失真调频。5858o鉴频器依据工作原理可分为：；o ；。5959