高频电子线路第二版第7章角度调制与解调电路

1、高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学第7章角度调制与解调电路教学基本要求 1.掌握调角信号的定义、表示式、波形、频谱等 基本特征。 2.掌握典型的角度调制与解调电路的结构、工作 原理、分析方法和性能特点。 3.了解数字角度调制的典型调制与解调方式及其 实现方法。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 本章教学内容 7.1 概述 7.2 频率调制电路 7.3 相位调制电路 7.4 集成调频发射机 7.5 调相信号解调电路(鉴相器) 7.6 调频信号解调电路(鉴频器) 7.7 数字角度调制与解调高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈

2、尔滨工程大学哈尔滨工程大学7.1概述 7.1.1 角度调制的定义、特点与用途 1.角度调制的定义 载波振荡的振幅不变，而其总瞬时相角随调制信号u(t)按一定关系变化。 角度调制分为相位调制和频率调制。 (1)相位调制的定义 载波振荡的振幅不变，而其瞬时相位随调制信号u(t)线性关系变化。这样的已调波称为调相波，常用PM表示。 (2)频率调制的定义 载波振荡的振幅不变，而其瞬时频率随调制信号u(t)线性关系变化。这样的已调波称为调频波，常用FM表示。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.角度调制的特点 具有抗干扰能力强和较高的载波功率利用系数等优点； 但占有更

3、宽的传送频带。 3.角度调制的用途 频率调制主要应用于调频广播、广播电视、通信及遥测 遥控等； 相位调制主要用于数字通信系统中的移相键控。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 7.1.2 调角波的数学表示式、瞬时频率和瞬时相位 高频振荡信号的一般表示式为 式中,Um为高频振荡的振幅,(t)为高频振荡的总瞬时相角。 在未调制状态, 即调制信号u(t)=0。高频振荡信号是载波信号, 称为载波状态。 设高频载波信号的角频率为c,初始相位为0, 其数学表示式为 1.调相波 根据定义，高频振荡的振幅Um不变，而瞬时相位隨调制信号u(t)线性关系变化。即 式中，KP为比例常

4、数，单位是弧度伏(radV)。 )(cos)(mtUtutUtuccmccos)(cmmUU)()(PctuKtt高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 调相波的一般数学表示式为 调相波的瞬时角频率为 2.调频波 根据定义，高频振荡的振幅Um不变，而瞬时角频率与隨调制信号u(t)线性关系变化。即 式中，Kf为比例常数，单位是弧度秒伏(radsV)。 调频波的瞬时相位为 则调频波的一般数学表示式为)(cos)(PccmtuKtUtuttuKtttd)(dd)(d)(pccmmUU)()(fctuKtttttuKtttt00fcd)(d)()(tttuKtUtu0fc

5、cmd)(cos)(高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 7.1.3 调角波的调制指数和最大频移 调相波与调频波的比较调相波调频波数学表示式瞬时相位瞬时角频率最大相移最大频移)(PctuKttttuKt0fcd)(ttuKd)(dpc)(fctuKmaxP)(tuKmax0fd)(tttuKmaxPd)(dttuKmaxf)(tuK)(cosPccmtuKtUtttuKtU0fccmd)(cos高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 1.调制指数 调角波调制指数的定义： 调角波的最大相移称为调制指数。 (1)调相波的调相指数 ， (

6、2)调频波的调频指数 。 例如,调制信号为u(t)=Umcost, 载波信号为uc(t)=Ucmcosct， 则调相波的数学表示式为 式中，mP为调相波的调制指数，其值为max0ffd)(tttuKmtmtUtUKtUtucoscoscoscos)(PccmmPccmmppUKm maxpp)(tuKm高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 而调频波的数学表示式为 式中，mf为调频波的调制指数，其值为tttUKtUtu0mfccmdcoscos)()sincos(sincosfccmmfccmtmtUtUKtUUKmmff高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈

7、尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2. 最大频移 调相波的最大频移 为 调频波的最大频移 为 3.结论 调相波的调制指数mP与调制信号频率无关，最大频移 与调制信号频率成正比。 调频波的调制指数mf与调制信号频率成反比，最大频移 与调制信号频率无关。 调相波和调频波的最大频移 均等于调制指数m与调制信号频率的乘积。 pmfmpmfmmmm)(mmFfmpmaxPpmd)(dUKttuKmfmaxffm)(UKtuK高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 三个频率参数的说明 单频调制时，调频波和调相波均包含有截然不同的三个频率参数。 (1)载波角频率c，它表示调制信号为零

8、时的信号角频率，即调角波的中心角频率； (2)最大角频移m，它表示调制信号变化时，瞬时角频率偏离中心角频率的最大值； (3)调制信号角频率，它表示调角波的瞬时角频率从最大值c+m到最小值c-m之间往返变化的角频率。 因为频率的变化总是伴随着相位的变化，因此也表示瞬时相位在其最大值和最小值之间变化的角频率。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 7.1.4 调角波的波形 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 例7.1.1 调制信号为三角波时，画出相对应的调相波和调频波的波形,并比较调相波和调频波的波形差别。 解：)()(ftuKt)(

9、)(fctuKtttuKtd)(d)(PttuKtd)(d)(pc高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 7.1.5 调角波的频谱和频谱宽度 单频调制时，调频波和调相波的表达式是相似的，因此，它们具有相同的频谱。下面仅讨论调频波的频谱。 设调制信号 ，载波信号uc(t)=Ucmcosct， 则调频波的表示式为 进行三角变换 式中， 和 均可直接展开成傅里叶级数 其中n均取正整数。 是 以为参数的n阶第一类贝塞尔函数。 tUtucos)(mtmtUtusincos)(fccm)sinsin(sin)sincos(cos)(fccmfccmtmtUtmtUtutnmm

10、tmnn1f2f0f2cos)(J2)(J)sincos(0f12f) 12sin()(J2)sinsin(nntnmtm)sincos(ftm)sinsin(ftm)(Jfmnfm高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 图7.1.3第一类贝塞尔函数曲线 其数值可查表7.1.2或查图7.1.3所示曲线。 利用三角变换式)(Jfmn)cos()cos(21coscos)cos()cos(21sinsin高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 由调频波的数学表示式 从上式可以看出，由单音频调制的调频波，其频谱特点 调频波的频谱不是调制信号

11、的频谱的简单搬移，而是由载波分量和无数对边频分量所组成。 奇数项的上、下边频分量振幅相等，极性相反；偶数项的上、下边频分量振幅相等，极性相同。 从上式可以看出，由单音频调制的调频波，其频谱具有以下特点 调频波的频谱不是调制信号的频谱的简单搬移，而是由载波分量和无数对边频分量所组成。 奇数项的上、下边频分量振幅相等，极性相反；偶数项的上、下边频分量振幅相等，极性相同。tmUtucf0cmcos)(J)(tmUtmU)cos()(J)cos()(Jcf1cmcf1cmtmUtmU)2cos()(J)2cos()(Jcf2cmcf2cmtmUtmU)3cos()(J)3cos()(Jcf3cmcf3

12、cmtmUtmU)4cos()(J)4cos()(Jcf4cmcf4cm+ 载频 第一对边频 第二对边频 第三对边频 第四对边频 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 载波分量和各边频分量的振幅均与mf有关。mf越大，有效边频分量越多。这与调幅波是不同的，单频调制下，调幅波的边频数目与调制指数ma无关。 对于某些mf值，载波或某边频振幅为零。 贝塞尔函数值可用下列无穷级数近似计算 调角波的频谱包含有无限多对边频分量，理论上它的频谱宽度是无限大。 在实际应用中，在工程应用上,应该怎样思考和近似估算? 作为信息传输,传输一路信号的频谱宽度是无限大,显然是不适用的。希

13、望其频谱宽度为有限值。)!3( ! 3)2/()!2( ! 2)2/()!1( ! 1)2/(!12)(J6f4f2fffnmnmnmnmmnn高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 为什么可近似认为调角波的频谱宽度是有限的? 因为当m(mf或mP)一定时，随着边频对数n的增加，Jn(m)的数值虽有起伏，但总的趋势是减小的。特别当nm时，Jn(m)的数值很小。并且，其值随着n的增加而迅速下降。因此，在忽略振幅很小的边频分量时，可认为调角波占有的有效频谱宽度是有限的。 工程上的近似，通常规定，凡是振幅小于未调制载波振幅10%(或1%，根据不同要求而定)的边频分量均可

14、忽略不计，保留下来的频谱分量就确定了调角波的频谱宽度。 (1)在高质量通信系统中，常以忽略小于1%未调制载波振幅的边频分量来决定频谱宽度。其确定方法是可查表7.1.2。若满足关系式 |Jn(m)|0.01，|Jn+1(m)|0.01 则频谱宽度为 B0.01=2nF (F为调制信号频率) 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (2)在中等质量通信系统中，以忽略小于10%未调制载波振幅的边频分量来决定频谱宽度。当nm+1时，Jn(m)恒小于0.1。因此频谱宽度为 BCR=2(m+1)F(计算通式)

15、 在一些特定条件下，计算式还可以简化， 当调制指数m1时，BCR2mF； 当调制指数m1时，BCR2F。 应该注意的是：调频波计算用调频指数mf； 调相波计算用调相指数mP。 对于调频波 对于调相波 FfUKmmmmffmppUKm 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 例7.1.2调角波 ,试计算说明：(1)调角波的载波频率 ；(2)调角波的调制信号频率F；(3)最大相移m；(4)最大频偏 ；(5)信号频谱宽BCR；(6)能否确定是调频波还是调相波? 解：(1)载波频率 ； (2)调制信号频率 ； (3)最大相移10rad； (4)最大频偏 ； (5)信号频谱

16、宽度 ； (6)由于不知道调制信号的类型，不能确定是调频波还是调相波。如果调制信号为正弦波，则为调频波。如果调制信号为余弦波，则为调相波。V)2000cos10102cos(10)(8tttucfmf100MHzHz108cf1kHzHz1000F10kHzkHz110mmFfkHz22kHz1) 110(2) 1(2CRFmB高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 例7.1.3已知某调频电路单位调制电压产生频偏为1 kHz，调频电路的输出载波电压 ，调制信号电压 。试求：(1)调频指数 (2)最大频偏 ； (3)有效频带宽度 ；(4)调频波的数学表示式 。 解：

17、(1)调频指数 式中， 的单位是rad/(sV)，而 的单位是Hz/V。它们都是单位调制电压产生的频率偏移，只不过 是单位调制电压产生的角频率偏移。在分析计算时应该特别注意是用 还是用 ，它们的单位是不同的。由题意知 ,则V102cos3)(8cttuV1000cos2)(ttufmmfCRB( )u tFUKFfUKmmfmmmfffKfKfKfKfKkHz/V1fK450021013mffFUKm高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (2)最大频偏 (3)有效频带宽度 (4)调频波的数学表示式 注意：以上例题只是单频调制信号的有关计算。 在实际应用中，调制信

18、号不是单频而是多频的复杂信号。实践表明，大多数多频调频信号占有的有效频谱宽度仍可用单频调制时的公式计算,但调制信号频率F用调制信号中的最高频率Fmax代替,fm用最大频偏(fm)max代替。例如, 在调频广播系统中, 按国家标准规定(fm)max=75kHz, 调制信号F为50Hz15kHz, 计算可得kHz221013mfmUKfkHz55 . 0) 14(2) 1(2fCRFmBV)1000sin4102cos(3)(8tttukHz180kHz1511575212maxmaxmaxCRFFfB高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 例7.1.4已知某调频电路

19、的调制灵敏度 ，调制信号电压 ，输出载波信号电压 。试写出输出调频波的数学表示式最大频率偏移和BCR。 解(1)因为 ，对 的调制信号 对 的调制信号 则调频波数学表示式为 kHz/V3fKV102cos3)(8cttuV106cos3102cos2)(33tttukHz/V3fKV102cos23t61012103331m1ff1FUKmV106cos33t31033103332m2ff2FUKmV)106sin3102sin6102cos(3)(338ttttu高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (2)最大频率偏移 因为 t=0时, 则 (3)BCR 例7

20、.2.5已知某调频电路要求最大频偏 ，调制信号 ，电路输出载波信号电压 ，试写出调频波的数学表示式及BCR。 解：因为15kHzkHz53)(maxfmtuKf36kHzkHz31315212maxmaxmCRFFfBkHz75mfV)5002cos(2102cos3)(3tttuV102cos5)(8cttuV106cos3102cos2)(33tttumaxfm)(tuKfV)5002cos(2102cos3)(3tttuV5)(maxtu高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 所以 对于 V的调制信号 对于 V的调制信号V5)(maxtukHz/V15V5k

21、Hz75)(maxmftufKt3102cos345101310153311mff1FUKm)5002cos(2t60105 . 021015332m2f2fFUKmV)5002sin60102sin45102cos(5)(38ttttu152kHzkHz11175212maxmaxmCRFFfB高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 7.1.6 角度调制电路的功能 1.相位调制电路的功能 将输入的调制信号和载波信号通过电路变换成高频调相波。 若输入调制信号为 时，且输出高频载波信号为 ，其输出调相波的数学表达式为 调相波的频谱宽度决定于 的大小。 调相电路的功能

22、可以用输入信号与输出信号的频谱表示 图7.1.4 调相电路功能的频谱表示 tUtucos)(mtUtuccmccos)()coscos()(PccmtmtUtuPm高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.频率调制电路的功能 将输入的调制信号和载波信号通过电路变换成高频调频波。 若输入调制信号为 ,且输出高频载波信号为 ，其输出调频波的数学表示式为 调频波的频谱宽度决定于 的大小。 调频电路的功能也可以用输入与输出频谱表示 图7.1.5 调频电路功能的频谱表示tUtucos)(mtUtuccmccos)()sincos()(fccmtmtUtufm高频电子线路高

23、频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 7.1.7 调角信号的解调电路的功能 1.调相波解调电路的功能 从调相波中取出原调制信号，也称为鉴相器。 当输入调相波 时，其输出电压 。因为 ，输入调相波的频谱为 、 、 、 ，经鉴相器解调输出频谱为 。)cos2cos()(ccm1ttUtutUtucos)(mo2Pmcc2c3c高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.调频波解调电路的功能 从调频波中取出原调制信号，也称鉴频器。 当输入调频波 时， 解调输出电压 。 因为 ，输入调频波的频谱为 、 、 、 ，经鉴频器解调输出频谱为 。)sin2cos

24、()(ccm1ttUtutUtucos)(mo2fmcc2c3c高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 7.2 频率调制电路 7.2.1 调频电路的分类与要求 1.调频电路的分类 因为频率调制不是频谱线性搬移过程，调频电路就不能采用乘法器和线性滤波器来构成。 直接调频电路 调频电路的分类 间接调频电路 (1)直接调频 利用调制信号直接控制载波振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号变化规律。 用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的可变电抗元件的电抗值，就能够实现直接调频。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 图7.2.1 可变

25、电抗调频示意图 可变电抗元件可以采用变容二极管或电抗管电路。目前，最常用的是变容二极管。 若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制电压去控制决定振荡频率的积分电容的充放电电流，从而控制振荡频率。 直接调频的优点是易于得到比较大的频偏，但其中心频率稳定度不易做得很高。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (2)间接调频 先将调制信号积分, 然后通过调相的方法间接实现调频。 图7.2.2间接调频原理方框图 若将调制信号先通过积分器得 ，然后再通过调相器进行调相，即可得到调制信号为 的调相波，即 实际上u(t)是调制信号为u(t)的调频波。 tttu0d)(ttt

26、u0d)(tttuKtUtu0pccmd)(cos)(高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.调频电路的要求 对于调频电路的性能指标，一般有以下几方面的要求： 具有线性的调制特性。即已调波的瞬时频率与调制信号成线性关系变化。 具有较高的调制灵敏度。即单位调制电压所产生的振荡频率偏移要大。 最大频率偏移fm与调制信号频率无关。 未调制的载波频率(即已调波的中心频率)应具有一定的频率稳定度。 无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 7.2.2 变容二极管直接调频电路 1.变容二极管的特性 变容二极管的反向

27、电压与其结电容 呈非线性关系。其结电容Cj与反向偏 置电压ur之间有如下关系： 式中， 为PN结的势垒电压， 为 时的结电容； 为电容变化系数。 将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会明显地随调制电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。Drj0j1UuCCDUj0C0ru高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2. 基本原理 变容二极管是振荡回路 的一个组成部分，加在变容 二极管上的反向电压为 式中，VQ=VCC-VB是加在变容 二极管上的直流偏置电压； u(t)为调制信号电压。 设 图7.2.3变容二极管调频电路 则反向电压

28、为 只要适当选取变容二极管的特性及工作状态，可以使振荡频率的变化与调制信号近似成线性关系，从而实现调频。 变容二极管偏置电路 正弦波振荡电路 高频扼流圈)()(QBCCrtuVtuVVutUtucos)(mtUVtucos)(mQr高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.电路分析 加在变容二极管上的控制电压为相应的变容二极管结电容变化规律为 当调制信号电压u(t)=0时， 即为载波状态。此时ur(t)=VQ ， 对应的变容二极管结电容为CjQtUVtucos)(mQrDrj0j1UuCCDQj0jQ1UVCC高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大

29、学哈尔滨工程大学 当调制信号电压u(t)=Umcost时，对应的变容二极管的结电容与载波状态时变容二极管的结电容的关系是 令m=Um(UD+VQ)为电容调制度，则可得 上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关系。 QDmDQDj0DmQj0jcos1cos1VUtUUVUCUtUVCCt)cos(1jQjmCCQDmjQjcos1VUtUCC高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (1)变容二极管作为振荡回路的总电容 设C1未接入，Cc较大，即回路的 总电容仅是变容二极管的结电容。 并认为加在变容二极管上的高频电压 很小，可忽略其对变容二极管电容量 变化的影响

30、，则瞬时振荡角频率为 因为未加调制信号时的载波频率 ，所以j11)(CLt jQ1c1CL2cjQ1)cos1 ()cos1 (11)(tmtmCLt高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 根据线性调频的要求，当变容二极管的结电容作为回路总电容时，实现线性调频的条件是变容二极管的电容变化系数=2。 即 结论：当变容二极管的结电容作为回路总电容时，实现线性调频的条件是变容二极管的电容变化系数=2。 若变容二极管的电容变化系数2,会产生什么不良后果呢?)cos1 ()(ctmt)(coscosfcmQDcccctuKtUVUtm)cos1 ()cos1 ()(c2ct

31、mtmt高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 若变容二极管的电容变化系数不等于2， 设u(t)=Umcost,则 对于 ，可以在mcost=0处展开成为泰勒级数，得 通常m1，上列级数是收敛的。因此，可以忽略三次方项以上的各项，则2c)cos1 ()(tmt2)cos1 (tmtmtmtm222cos! 2122cos21)cos1 (3)cos(! 322122tm高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 从上式可知，输出调频波会产生非线性失真和中心频率偏移。其结果如下： 调频波的最大角频率偏移tmtmt22ccos! 2122co

32、s21)(tmtmtm22222ccos4cos8cos21tmtmm2cos128cos2128122cc2m高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 调频波会产生二次谐波失真，其二次谐波失真的最大角频率偏移 调频波的二次谐波失真系数为 调频波会产生中心频率偏移，其偏离值为 中心角频率的相对偏离值为 若要调频的频偏大就需增大m，这样中心频率偏移量和非线性失真量也会增大。c22128m1242f2mKc2c128m2cc128m高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 需注意的是： 在某些应用中，要求的相对频偏较小，而所需要的m也就较小，

33、因此，这时即使不等于2，二次谐波失真和中心频率偏移也不大。 例如在调频广播发射机中，中心频率fc=88108MHz，要求的最大频偏fm=75kHz，若所用变容二极管的=1，由 可得m=1.610-31.410-3，这时对应的 和 都很小。由此可见，在相对频偏较小的情况下，对变容二极管值的要求并不严格。 c2mf2Kcc/ ff高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (2)变容二极管部分接入振荡回路 变容二极管在温度变化或反向偏压VQ不稳时会引起结电容的变化，引起中心频率较大变化。为了减小中心频率不稳，提高中心频率稳定度，通常采用部分接入的办法来改善性能。 变容二极

34、管部分接入振荡回路的等效电路如图所示。 振荡回路总电容C 加调制信号u(t)=Umcost后， jcjc1CCCCCCjQcjQc1jQcjQc1)cos1 ( )cos1 ()cos1 (CtmCCCCtmCCtmCCCC高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 相应的调频特性方程为 调频特性取决于回路的总电容 ，而 可以看成一个等效的变容二极管， 随调制电压 的变化规律不仅决定于变容二极管的结电容 随调制电压 的变化规律，而且还与 和 的大小有关。 因为变容二极管部分接入振荡回路，其中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，但其最大频偏要减小。jQcjQc111)c

35、os1 (C11)(CtmCCCLCLtCC)(tuCjC)(tu1CcC高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.实际电路举例 (1)变容二极管调频电路 高频扼流圈 电容三点式振荡电路2/2/j5j53232CCCCCCCCCP4P3P2P1,LLLL高频扼流圈 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 电路说明： 是某通信机中的变容二极管调频电路。它是一个电容三点式振荡器，两个串联的变容二极管经电容C5接入谐振回路，调整电感L的电感量和变容二极管的偏置电压VB可使振荡器的中心频率在50MHz到100MHz范围内变化。 调制电压u(

36、t)通过高频扼流圈LP2加 到变容二极管的负极上实现调频。由于是 低频信号，高频扼流圈LP1和LP2相当于短 路,加在两个变容二极管上的调制电压是 相同的。采用两个变容二极管背靠背串接 的方式，由两个变容二极管代替一个变容 二极管。对高频振荡电压来说，每一个变 容二极管只有原来高频振荡电压的一半， 这样就能减小高频振荡电压对变容二极管 总电容的影响。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (2) MC1648集成压控振荡器直接调频 图7.2.7 MC1648集成振荡器直接调频电路 图7.2.7是由MC1648集成压控振荡器外接变容二极管与电感组成的并联谐振回路构

37、成的变容二极管直接调频电路。其中两个变容二极管的接法也是采用背靠背串联连接的形式, 特点与前面讨论的变容二极管直接调频电路是相同的。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 变容二极管直接调频电路的优缺点 变容二极管直接调频电路的优点是电路简单，工作频率高，易于获得较大的频偏，而且在频偏较小的情况下，非线性失真可以很小。因为变容二极管是电压控制器件，所需调制信号的功率很小。 这种电路的缺点是偏置电压漂移和温度变化等会改变变容二极管的结电容，即调频振荡器的中心频率稳定度不高，而在频偏较大时，非线性失真较大。 采用简单的直接调频振荡器难于实现高稳定度的要求。目前，稳定中

38、心频率的办法有：对石英晶体振荡器进行直接调频；采用自动频率微调电路；利用锁相环路稳频。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 7.2.3 晶体振荡器直接调频 在某些对中心频率稳定度要求很高的场合，可以采用直接对石英晶体振荡器进行调频。例如，在88MHz108MHz波段的调频电台，为了减小邻近电台的相互干扰，通常规定各电台调频信号中心频率的绝对稳定度不劣于2kHz，也就是在整个波段，其相对频率稳定度不劣于10-5数量级。 晶体振荡器直接调频电路通常是将变容二极管接入并联型晶体振荡器的回路中实现调频。 变容二极管接入振荡回路有两种形式 与石英晶体串联； 与石英晶体并联

39、。 变容二极管与石英晶体串联的连接方式应用得比较广泛，其作用是改变振荡支路中的电抗，以实现调频。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 图7.2.8石英晶体振荡器直接调频电路 图7.2.8是一个晶体振荡器直接调频电路，其中变容二极管与晶体串联连接，C4、C5、C6、 C7对高频短路，L为高频扼流圈。 从高频等效电路来看，它是一个典型的电容三点式振荡电路。晶体振荡器的振荡频率只能在fq与fP之间变化。因为晶体的并联谐振频率与串联谐振频率相差很小，其调频的频偏不可能大。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 晶体的并联谐振频率与串联谐振频

40、率之差为 所以调频波的最大频偏为 最大相对频偏为 的值一般为10-3 10-4数量级，因此最大相对频偏很难超过10-3。qoqqp21fCCffqoqm41fCCfoqqm41CCffoq/CC高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学7.3相位调制电路 7.3.1 调相电路的分类与要求 可变移相法调相； 调相的方法 可变时延法调相； 矢量合成法调相。 对调相电路的要求 具有线性调制特性； 未调制的载波频率的频率稳定度要高； 有较高的调制灵敏度（即KP要大）； 寄生调幅要尽可能小。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 7.3.2 可变相

41、移法调相电路 1.基本原理 图7.3.1 可变相移法调相电路实现模型 将载波振荡信号电压通过一个受调制信号电压控制的相移网络，即可以实现调相。 可控相移网络是受调制信号电压控制在 上产生相移 , 且呈线性关系, 即 ，则输岀电压为c)(c)()(PctuK)(cosccmotUu高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.变容二极管调相电路 这是单回路变容二极管调相电路,它是利用由电感L和变容 二极管组成的谐振回路的谐振频率隨变容二极管结电容变化而 变化来实现调相的。谐振频率受调制信号控制。 载波信号经相移网络,得到载频为 的受调制信号控制的调相波输出。 等效谐振

42、回路可控相移网络载波信号输入调制信号输入调制信号控制的相移网络c高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3. 调相过程 (1)当调制电压u(t)=0时，9V直流 电压给变容二极管提供反向直流偏压 VQ=9V。对应结电容CjQ ,谐振回路谐 振频率为 对应相频特性如所示。 由于输入信号为载波电压,经过 相移网络时,对应相频特性如所示, 对载波频率 相移为0。输出电压与输入载波相位 相同。 jQc1LCctc高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (2)当调制电压u(t)0时,变容二极 管的反向电压增大,结电容减小,谐振回 路谐振频率增大

43、,对应相频特性如所示, 对载波频率 相移为 。输出电压的相 位为 。 (3)当调制电压u(t) fc时，X20， 这时L2C2回路总阻抗为 式中，|Z2|是 的模，是 的相角，其值为 得 0)(D2D1doUUKuj2222ejZXRZ2Z22222XRZ0arctan22RX2Z2j -12212-j1221abe1e1UZCLMUZCLMU高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 表明，L2C2回路电压 比L1C1回路 电压 滞后 ，对应的矢量 图如图7.6.6(b)所示。 从图中可知UD1UD2，则鉴频器 的输出电压为 f 与fc差值越大, UD1比UD2 小

44、得越多, 输出电压负得越大。 (3)当输入信号频率f fc时，X2UD2， 则鉴频器的输出电压 f 与fc差值越大, UD1比UD2 大得越多,输出电压正得越大。 综合上述三点分析可得鉴频器输出电压uo与频率f的关系曲线如图7.6.7所示。 2j -1221abe1UZCLMUabU1U0)(D2D1doUUKu高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 图7.6.7鉴频特性曲线 在f =fc 点，uo=0，随着失谐的加大，UD1与UD2幅度的差值增大，uo的绝对值加大。当f fc时,uo为负。当f fc时, 的振幅隨频率增大而减小, 的振幅隨频率增大而增大；f fc

45、时, 的振幅隨频率增大而增大, 的振幅隨频率增大而减小。因而在输入为等幅调频波时, 和 的波形为调幅调频波, 如图7.6.8所示。 图7.6.8 和 的波形图1DU2DU1DU2DU1DU2DU1DU2DU2DU1DU2DU1DU高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 4.相位鉴频器的鉴频特性 对于实际电路，应该考虑回路损耗和耦合强弱的影响。 设一次、二次回路的谐振频率都为fc， 且品质因数QL和谐振电阻RP都相同，一般 来说，一次回路是接在晶体管的集电极电 路中，可用图7.6.9所示等效电路表示。 根据耦合回路分析方法，可求得 式中， 称为回路广义失谐, ,。

46、P221)j1 (j1RIUP22ab)j(1jRIUcL00L2ffQffffQcfffLkQLMLLMk21耦合因数 耦合系数 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 可得 它们的幅值相应为22Pab11D)j1 (2jj12RIUUU22Pab12D)j1 (2jj12RIUUU22222P1D4)1)2/(1（IRU22222P2D4)1)2/(1（IRU高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 因此鉴频器的输出电压 3范围内鉴频特性的非线性又严重起来，为了确保鉴频特性曲线的线性好，通常取1.53。 当1时,对应于曲线最大值的广

47、义失谐量m近似等于。 所以鉴频特性曲线两个最大值之间的宽度(鉴频宽度)为 Bm=2fmax=kfc ),(4)1)2/(1)2/(1)(Pd222222PdD2D1doIRKIRKUUKu（高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 7.6.4 比例鉴频器 相位鉴频器前通常是需加一级限幅放大，以消除寄生调幅。对于要求不太高的设备，例如调频广播接收机中，常采用一种兼有抑制寄生调幅能力的鉴频器，这就是比例鉴频器。 1.比例鉴频器的基本电路及工作原理 它与相位鉴频器在调频-调幅调频波变换部分相同，但检波器部分有较大变化，主要差别是图7.6.11比例鉴频器的基本电路高频电子线

48、路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 在ab两端并接一个大电容Co，其电容量约为10F，由于Co和(R+R)组成电路的时间常数很大,通常约为(0.10.2)秒左右,这样在检波过程中,对于15Hz以上的寄生调幅变化，电容Co上的电压UDC基本保持不变。 两个二极管中一个与相位鉴频器接法方向相反。这样除了保证两个二极管的直流通路外，还使得两个检波器的输出电压变成极性相同。因此，ab两端就是两个检波电压之和，即 。 把两个检波电容C3和C4的连接点d与两个电阻连接点e分开，鉴频器的输出电压uo从d、e两点取出。 因为波形变换电路与相位鉴频器相同，所以电压 与 的关系相同，即DC

49、C4C3baUUUUabU1U12221abj1jUXRCLMU高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 两个检波器的输入电压 和 为 检波器输出为 因为 , 鉴频器的输出电压uo为 可见比例鉴频器的输出也取决于两个检波器输入电压之差，但输出电压值为相位鉴频器的一半。D1UD2U2/ab1D1UUU)2/(2/ab1ab1D2UUUUUD1dC3UKUD2dC4UKUDCC4C3UUU2/DCRUU)(212C4C3C4DCC4oUUUUUu)(21)(21D2D1dC3C4UUKUU高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.比例鉴频

50、器抑制寄生调幅的原理 比例鉴频器的输出电压为 因为UDC不变，所以uo的大小取决于| |与| |的比值，而不取决于它本身的大小。在调频信号的瞬时频率变化时,| |与 | |一个增大,一个减小,其比值随频率变化而变化,这就实现了鉴频作用。 1221122121C4C3C4DCDCC4DCDCC4oUUUUUUUUUuD1UD2U1122111221D2D1DCC4C3DCUUUUUUD1UD2U高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 但是，当输入调频信号的幅度发生变化时,| |与| |同时增大或同时减小，但其比值可保持不变，这样比例鉴频器输出电压uo就不随输入调频信

51、号的振幅变化而变化，起到抑制寄生调幅作用。 从电路的动态工作中定性进行说明抑制寄生调幅的作用 由于电容器C0的作用，两端电压UDC保持不变，相当于给两个检波二极管加一个固定的直流偏压。当输入调频信号的振幅增大时， 和 增大，则| |和| |都增大，检波电流I增大。 D1UD2UD1UD2U1UabU高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 因为UDC不变，则检波器的等效负载电阻R减小，使得检波器的导通角增大，从而使检波器的电压传输系数Kd=cos减小。 另外，由于等效R减小，使得检波器的等效输入电阻Ridd=R/2减小，使二次与一次回路的品质因数QL2和QL1减小，

52、又使前面放大器的负载电导增大,使电压增益减小。二者的综合作用能起到自动调整输出电压不受输入振幅变化的影响。同理，输入调频信号的振幅减小时，其过程与上相反，也能达到自动调整的作用。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 7.6.5 相移乘法鉴频器 1.相移乘法鉴频器的组成与要求图7.6.12相移乘法鉴频器方框图 它是将输入的调频波经移相器变换为调相调频波, 并将输入调频波和调相调频波送给乘法器进行鉴相(两信号的瞬时相位比较) ,然后经低通滤波器取岀输入调频波的原调制信号。 相移乘法鉴频需理解两个关键点： (1)用乘法器实现鉴相, 要求具有正弦鉴相特性, 则要求乘法器

53、的两个输入信号在载波状态时相位差应为/2； (2)移相器的作用是对载波频率移相/2，而对调频信号瞬时频率变化的移相应有线性的变化关系。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.移相网络的原理分析 由电容C1和单调谐回路LC2R组成的 分压传输移相网络,设输入电压为 ， 则输出电压 为 令 , ，则在在c附近变化时，可简化为1U2ULCRCLCRUUj1j1/1j1j1j1/121212LCCRCUj1)(j1j2111)(/121cCCL)()/(21ccLCCRLRQ高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 式中 为广义失谐量。 可

54、得移相网络传输的幅频特性K()和相频特性 分别为ccL/ )(2 Qj1j)(2 j1j11cc112RCUQRCUUL211)(RCKarctan2)()(高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 由特性曲线知 当变化较小，即arctan/6时，tan。 对于输入调频信号来说，其瞬时频率 由于移相网络的中心频率与输入调频信号的载频都为c，则输入调频信号后产生的相移为ccL222)(Q)()()(cfcttuKtcfLcL)(22)(22)(tukQtQ高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.相移乘法鉴频器的分析与实现 图7.6.1

55、4相移乘法鉴频器原理 设输入调频波为 其原调制信号为 调频波u1经移相器产生调相调频波u2为)sincos(fc1m1tmtUutUtucos)(m)(sincos)(fc1m2tmtUKu高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 在u1和u2均为小信号的条件下，乘法器的输出电流为 设低通滤波器在通带内的传输系数KL=1，负载电阻为RL，则乘法器输出电流经低通滤波后在RL上得到电压为 可见鉴频特性为正弦形。 )(sincos)sincos()(fcfc21mM21MtmttmtUKKuuK)()sin(2cos)(21)(cos)(21fc21mM21mMtmtUK

56、KUKK)(cos)(212imLMoURKKu cfL21mLM)(22cos)(21tukQURKKcfL21LM)(2sin)(21tukQURKKm高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 当 时，则 这种鉴频电路能实现线性解调，在集成电路中被广泛采用。例如集成调频接收电路MC3362、MC3363等均采用内部集成乘法器和运算放大器外接移相网络和滤波元件构成鉴频器。这种鉴频电路的性能良好，片外电路简单，通常只有一个可调电感，调整非常方便。6/ )(2cfLtuKQtUKQURKKucos2)(21mcfL21mLMo高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈

57、尔滨工程大学哈尔滨工程大学 7.6.6 脉冲均值型鉴频器(脉冲计数式鉴频器) 调频信号瞬时频率的变化，直接表现为单位时间内调频信号过零值点(简称过零点)的疏密变化，如图7.6.15所示。 图7.6.15调频信号变换成单向矩形脉冲序列 调频信号每周期有两个过零点，由负变为正的过零点称为“正过零点”,如01、03、05等,由正变为负的过零点称为“负过零点”,02、04、06等。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 如果在调频信号的每一个正过零点处由电路产生一个振幅为Um，宽度为的单极性矩形脉冲，即将原始调频信号转换成了重复频率与调频信号的瞬时频率相同的单向矩形脉冲

58、序列。 这时单位时间内矩形脉冲的数目就反映了调频波的瞬时频率，该脉冲序列振幅的平均值能直接反映单位时间内矩形脉冲的数目。脉冲个数越多，平均分量越大，脉冲个数越少，平均分量越小。 让这一脉冲序列通过传输系数为KL的低通滤波器进行滤波，则滤波后的输出电压uo可写成 式中，uav表示一个周期内脉冲振幅的平均值；是脉冲宽度；Um是脉冲振幅；KL是低通滤波器的传输系数；f是重复频率，也就是调频信号的瞬时频率；T是重复周期。 滤波后输出电压与调制信号的瞬时频率f成正比。 优点线性好,频带宽,易于集成化,工作在10MHz左右 。fKUTKUuuLmLmavo/高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工

59、程大学哈尔滨工程大学7.7 数字角度调制与解调 7.7.1 数字频率调制与解调 1. 数字频率调制 数字频率调制又称频移键控（FSK）,是用数字基带信号控制载波信号的频率，不同的载波频率代表数字信号的不同电平。 二进制数字频移键控（2FSK）信号的数学表达式为 式中, g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲； 是 的反码 。 FSK信号的产生有两种方法，直接调频法和频率键控法。tnTtgatnTtgatunnnn2s1scos)(cos)()(101npap 概率为 概率为_011-npap 概率为 概率为nana高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (1)直接调频

60、法 直接调频是用数字基带信号直接控制载波振荡器的振荡频率。 第6章介绍的模拟信号的直接调频电路都可以用来产生2FSK信号，它具有电路简单和相位连续的优点，但频率稳定度较低。 (2)频率键控法 频率键控法如图7.7.1所示。它 有两个独立振荡源和数字基带信号 控制转换开关组成。数字基带信号 控制电子开关，在两个独立振荡源 之间进行转换以输出对应的不同频 图7.7.1 频率键控法原理图 率。这种方法的频率稳定度高，转 换速度较快，但其转换时相位不连续。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 为了兼顾相位连续和频率稳定高，常用图7.7.2所示的数字式调频器来产生2FSK