角度调制与解调PPT课件

1、 6.1 从导频制立体声调频广播谈起 6.2 角度调制与解调原理 6.3 调频电路 6.4 鉴频电路 6.5 数字信号调制与解调 6.6 实训第1页/共130页 6.1从导频制立体声调频广播谈起 调频（FM），是用调制信号控制高频载波的瞬时频率，使其按调制信号的变化规律变化，振幅保持不变化。 经过频率调制的载波称为调频波。 调相（PM），是用调制信号控制高频载波的瞬时相位，使其按调制信号的变化规律变化，振幅保持不变化。 经过相位调制的载波称为调相波。第2页/共130页 角频率是相位角对时间的变化率，调频和调相都会产生相位角的变化，所以调频和调相合称为角度调制。 通信和广播一般只用调频。第3页/

2、共130页 无线电广播有调幅广播和调频广播两种方式。 调幅广播的工作频段为525kHz26MHz，传送的语言和音乐的频率范围定为200Hz4.5kHz。 调频广播的工作频段为88MHz108MHz，传送的语言和音乐的频率范围是100Hz15kHz，比调幅广播传送的信号的频率范围宽，所以高、低音丰富，音色饱满。第4页/共130页 导频制立体声调频广播是一种典型的调频广播制式。 图6-1（a）、（b）所示为导频制立体声调频广播发送系统组成框图和信号频谱。 主信道信号、副信道信号、导频信号在相加器中混合组成立体声复合信号，对载波进行频率调制，经高频功率放大后，由天线发射到空中向接收机传送。 第5页/

3、共130页（a）发送系统组成框图 第6页/共130页（b）复合信号频谱 图6-1 导频制调频立体声广播发送系统组成与信号频谱 第7页/共130页 调频广播接收机即调频收音机，由天线、FM接收电路、双声道立体声恢复电路、功率放大器和扬声器组成，如图6-2所示。 FM接收电路包括高频放大、混频、中频放大、鉴频等电路。第8页/共130页图6-2 调频广播接收机电路组成 第9页/共130页 鉴频输出信号送到双声道立体声恢复电路后分为3路。 一路由低通滤波器取出L+R信号， 另一路由带通滤波器取出L-R双边带调幅信号， 第三路有调谐电路取出19kHz导频信号。第10页/共130页 导频信号2倍频为38k

4、Hz副载波，对L-R双边带调幅信号同步检波，取出L-R信号。 L+R信号和L-R信号送入矩阵电路加减运算输出L左声道信号和R右声道信号。 送功率放大器放大后，由扬声器播放。 在调频发射系统中，立体声复合信号对载波进行频率调制需要用调频电路； 在调频收音机中，从调频载波中解调出立体声复合信号需要用鉴频电路。 第11页/共130页 6.2角度调制与解调原理 调角信号的时域特性 1. 调频电路和调相电路组成 频率调制用调频电路来实现，直接调频电路的组成如图6-3所示。 在振荡器电路中附设可变电抗元件，用调制信号控制可变电抗元件的电抗值，使之随调制信号变化规律变化，从而使振荡器的振荡频率随调制信号的变

5、化规律变化，达到调频的目的。第12页/共130页振荡器可变电抗元件调制信号调频输出图6-3 调频电路组成框图第13页/共130页 调相电路的组成如图6-4所示。 在振荡器振荡信号产生后，在其输出端附设可变电抗元件移相电路，用调制信号控制可变电抗元件的电抗值，使之随调制信号变化规律变化，从而使移相电路的移相值随调制信号的变化规律变化，达到对振荡器振荡输出信号调相的目的。第14页/共130页振荡器可变电抗元件调制信号图6-4 调相电路组成框图移相电路调相输出第15页/共130页第16页/共130页第17页/共130页图6-5 调频信号波形及瞬时频率偏移第18页/共130页第19页/共130页第20

6、页/共130页第21页/共130页第22页/共130页第23页/共130页第24页/共130页第25页/共130页图6-6 调相信号的波形和瞬时角频率偏移第26页/共130页 4. 调频信号与调相信号时域特性的比较 相同在于： (1) 二者都是等幅信号，为高频载波的振幅。 (2) 二者的频率和相位都随调制信号而变化，均产生频偏与相偏。 区别在于： (1) 二者的频率和相位变化的规律不一样。 (2)调频信号的调频指数Mf与调制频率有关，调相信号的最大频偏与调制频率有关。第27页/共130页时域参数调频信号调相信号表6-1 调频信号与调相信号时域参数比较第28页/共130页第29页/共130页第3

7、0页/共130页第31页/共130页 图6-7给出了宗数为M的n阶第一类贝塞尔函数曲线，表6-2给出了M为几个离散值时的贝塞尔函数值。 第32页/共130页图6-7 宗数为M的n阶第一类贝塞尔函数曲线图第33页/共130页Jn(M)nJn(0)Jn(0.5)Jn(1)Jn(2)Jn(3)Jn(4)Jn(5)Jn(6)010.9390.765 0.224 -0.261 -0.397 -0.178 0.15110.2420.440 0.577 0.339-0.066 -0.328 -0.27720.0300.115 0.353 0.4860.3640.047-0.24330.020 0.129 0

8、.3090.4300.3650.11540.003 0.034 0.1320.2810.3910.35850.007 0.0430.1320.2610.36260.001 0.0110.0490.1310.24670.0030.0150.0530.13080.0040.0180.057表6-2 宗数M为几个离散值时的贝塞尔函数值第34页/共130页 （1）调角信号由载频分量fc和无穷多组上、下边频分量组成，这些频率分量的频率为fcnF，振幅为Ucm Jn(M)，式中n=0，1，2，。 n为偶数时，上、下边频分量相位相同；n为奇数时，上、下边频分量相位相反。第35页/共130页 （2）当M确定后

9、, 各边频分量的振幅随n的增加，总趋势是减小，但不是单调减小，而有高低起伏，且有时候会为零。 （3）载频分量的振幅有可能为正值也可能为负值，在个别M 值（如M=2.405、5.520）时，载频分量振幅为零。第36页/共130页 图6-8所示为M3的调角信号的频谱。 图中谱线只画到n7为止，各谱线上标注的数值乘以Ucm即为载波分量或边频分量的振幅。图6-8 M3调角信号的频谱第37页/共130页第38页/共130页第39页/共130页第40页/共130页第41页/共130页 例6.1 已知调频广播的音频信号最低频率Fmin=20Hz，最高频率Fmax=15kHz，若要求调频频偏fm=75kHz，

10、问相应调频信号的调频指数Mf和带宽BW是多少？在88108MHz调频广播频段中可以安排多少个调频广播电台？ 解： 由（6-4）式可知，调频信号频偏由调频比例系数和调制信号振幅确定，与调制信号频率无关，高频、低频都一样。第42页/共130页第43页/共130页第44页/共130页 例6.2 已知音频信号最低频率Fmin=20Hz，最高频率Fmax=15kHz，若进行调相，由电路确定调相指数MP为5，问调相信号的带宽为多少？最高频率和最低频率的频偏分别为多少？ 解：由(6-15)式可知，调相信号的频偏与调制信号频率成正比，调相指数与调制信号频率无关。第45页/共130页第46页/共130页第47页

11、/共130页 6.3 调频电路 实现频率调制的方式一般有两种：一种是直接调频，另一种是间接调频，相应有直接调频电路和间接调频电路两种电路形式。 调频电路的主要性能指标 1调频线性 调频电路输出信号的瞬时频偏与调制电压的关系称为调频特性，理想调频特性应该是线性的。第48页/共130页 2调频灵敏度 单位调制电压产生的角频偏称为调频灵敏度。 在线性调频范围内，相当于调频比例系数kf。 3线性频偏 实际调频电路的调频特性只有一部分是线性的，其他是非线性的。线性部分称为最大线性频偏。 调频广播系统的要求是75kHz, 调频电视伴音系统的要求是50 kHz。第49页/共130页 4载频稳定度 调频电路的

12、载频稳定性是接收电路能够正常接收，而且不会造成邻近信道互相干扰的重要保证，应尽可能稳定。 调频广播系统要求载频漂移不超过2kHz，调频电视伴音系统要求载频漂移不超过500Hz。 第50页/共130页 直接调频电路 直接调频是将调制信号作为压控振荡器的控制电压，使压控振荡器的振荡频率不失真地随调制信号规律变化。 1变容二极管调频电路 变容二极管的pn结的结电容随反向电压（反偏）变化，将变容二极管接入LC振荡器的振荡回路，用调制电压去控制变容二极管的电容量，从而控制振荡器的振荡频率，达到调频的目的。第51页/共130页 （1）变容二极管的性能 变容二极管是利用PN结反向偏置的势垒电容构成的可控电容

13、，其电容量随所加的反向电压的变化而变化。 图6-9所示为变容二极管的结电容Cj与管子两端所加的反向电压uD的关系曲线和电路符号。第52页/共130页图6-9 不同值的变容二极管特性曲线和电路符号（a）特性曲线 （b）电路符号第53页/共130页第54页/共130页 （2）变容二极管直接调频电路 变容二极管直接调频电路如图6-10所示。 图中，晶体管和电容C1、C2电感L1组成电容三点式振荡器，变容二极管和电容C3串联后与电感L1并联。 加在变容二极管VD两端的电压为（5V）（u），分别为直流工作点电压和调制信号电压，使变容二极管的结电容产生变化，如图6-11所示。 与电感L1并联的等效电感也就

14、产生变化，振荡器的振荡频率也就产生变化，达到调频的目的。第55页/共130页图6-10 变容二极管直接调频电路第56页/共130页图6-11 偏压固定后变容二极管电容值随调制信号变化第57页/共130页 2. 晶体振荡器调频电路 如图6-12所示，晶体管VT2和两个100PF电容，以及晶体JT组成皮尔斯晶体振荡器电路，晶体JT标称频率为30MHz，与变容二极管VD串联。 9V电源电压经3k电阻降压后，经2.2H高扼圈给VD加负偏压。 传声器信号经VT1放大后，经2.2H高扼圈加在变容二极管两端。 第58页/共130页图6-12 晶体振荡器直接调频电路第59页/共130页 变容二极管结电容随传声

15、器信号变化，则晶体振荡器振荡频率随传声器信号变化，完成直接调频。 VT2集电极所接LC并联回路谐振于3倍晶振频率，作为3倍频负载，取出90MHz载波调频信号，由天线发射输出。第60页/共130页 晶振的频率控制范围很窄，仅在串联谐振频率fs与并联谐振频率fp之间，所以晶振调频电路的最大相对频偏只能达到0.01%左右，最大线性频偏fm也就很小。 3倍频输出可使最大线性频偏fm增加2倍。 晶振变容二极管调频电路的优点是载频稳定度高，可达10-5左右，因而在调频通信发送设备中得到了广泛应用。第61页/共130页第62页/共130页第63页/共130页图6-13 间接调频原理图第64页/共130页 间

16、接调频，调制不直接作用于振荡器电路元件，振荡没有受到影响，显然，这时调频信号的载波频率稳定度就等于LC振荡器或晶体振荡器的频率稳定度。 1. 变容二极管相移网络 相位调制器是间接调频电路的关键部件，通常采用变容二极管相移网络来实现。 图6-14(a)所示为变容二极管相移网络，图(b)是其高频等效电路。第65页/共130页图6-14 变容二极管相移网络与高频等效电路（a）变容二极管相移网络 （b）高频等效电路第66页/共130页 图中C3对高频载波短路，变容二极管结电容和电感L组成并联回路。 电感L对直流短路，+9V直流电压经R3和R4以及电感L给变容二极管加负偏压，以选定静态工作点。并联谐振角

17、频率0由静态工作点结电容CjQ和电感L决定，并设定其等于载波角频率c。第67页/共130页 调制信号经电容C4耦合和电阻R3、电容C3滤去高频杂波后，加到变容二极管上，变容二极管结电容则随调制电压变化，并联回路的谐振角频率0也随调制电压而变化。 当结电容增大时，谐振角频率减小，阻抗频率特性和相频特性向左移；当结电容减小时，谐振角频率增大，阻抗频率特性和相频特性向右移。如图6-15所示。第68页/共130页图6-15 阻抗频率特性和相频特性变化（a）阻抗频率特性 （b）相频特性第69页/共130页 载波信号角频率c=0，由R1、C1隔直，耦合输入并联回路，由R2、C2隔直，耦合输出。 调制信号电

18、压幅度为0时，并联回路阻抗对载波角频率c呈现为纯电阻，相移为零。第70页/共130页 调制信号电压幅度向正值变化时，变容二极管结电容减小，并联回路谐振频率增大，特性曲线向右移。 并联回路阻抗对载波角频率c呈现为感性，相移为正相角，相移大小按调制电压幅度变化规律变化第71页/共130页 调制信号电压幅度向负值变化时，变容二极管结电容增大，并联回路谐振频率减小，特性曲线向左移。 并联回路阻抗对载波角频率c呈现为容性，相移为负相角，相移大小按调制电压幅度变化规律变化。第72页/共130页 图6-14中，若将R3、C3的数值加大，也就是将时间常数RC加大，则使R3、C3不仅有高频滤波的功能，而且具有对

19、低频调制信号积分的功能。 这样，加到变容二极管相移网络的是调制信号的积分，并联回路输出的则是调频信号。第73页/共130页 LC并联回路相频特性线性范围很小，只有中间一小段，不超过/6，则最大相偏不能超过/6。 最大相偏就是调相指数，在间接调频时就是调频指数。 这就使得间接调频的频偏不大，调制不够深。 一般可用多级LC并联回路相移叠加的方法增大相移角度，以增大间接调频的频偏。第74页/共130页 图6-16所示为3级变容二极管相移网络间接调频电路，可产生的最大相偏为/2。 图中470k电阻和0.022F电容组成积分电路，调制信号u(t)经过5F电容耦合到积分电路。 3个0.022F电容上的积分

20、电压分别控制3个变容二极管的结电容变化，实现3级间接调频，输出调频信号。第75页/共130页图6-16 3级变容二极管相移网络间接调频电路第76页/共130页 2. 扩展间接调频电路最大线性频偏的方法 为了扩展间接调频电路的最大线性频偏，可以采用倍频和混频的方法。 图6-17所示为调频广播电台间接调频电路组成框图。 高稳定度晶体振荡器产生100kHz初始载波信号，音乐和话音信号经积分电路积分后对初始载波信号进行调相，实现间接调频。第77页/共130页图6-17 调频广播间接调频电路框图第78页/共130页 调相器的线性范围限定调相指数MP0.5，对于间接调频来说，就是调频指数Mf0.5。 根据

21、音乐和话音信号电压幅度Um和公式fmkPUm,选取调相电路的调相比例系数kP（在间接调频电路中就是调频比例系数kf），使频偏fm24.415Hz。第79页/共130页 音乐和话音信号经带通滤波器选通的频率范围为100Hz15kHz。 根据公式Mffm/F，在低音频F100Hz时，计算得到Mf0.25，符合Mf0.5的要求。 在高音频F15kHz时,由于频偏与调制频率无关，fm24.415Hz不会改变，由公式Mffm/F可知，更符合Mf0.5的要求。第80页/共130页 100kHz初始载波频率，24.415Hz频偏，经1个3倍频器、3个4倍频器的192次倍频后，载波频率增大为19.2MHz，调

22、频频偏增大为4.68768kHz。 该调频信号再输入混频器，与频率等于25.45 MHz的本振信号频率相减，得到载频为6.25MHz的调频信号，而调频信号的频偏不会因混频而改变，仍为4.68768kHz。第81页/共130页 再通过2个4倍频器的16次倍频，载波频率增大为超高频频率100MHz，频偏增大为75kHz，送高频功率放大器放大后，由天线发射到空中。 各调频广播电台的电路组成基本相同，只是送入混频器的本振信号频率在24.725.95MHz范围内各不相同，从而产生的超高频载波频率在88108 MHz范围内各不相同。 频偏都是75kHz。第82页/共130页 6.4 鉴频电路 调频信号的解

23、调称为鉴频，调相信号的解调称为鉴相。 调频信号直接鉴频的电路实现很困难，通常采用两种间接方法来实现调频信号的鉴频。第83页/共130页 一种方法如图6-18（a）所示，先将调频信号通过频幅转换网络变成调频调幅信号, 然后利用包络检波的方式取出调制信号。第84页/共130页 另一种方法如图6-18（b）所示，先将调频信号通过频相转换网络变成调频调相信号, 然后利用鉴相的方式取出调制信号。 图6-18 两种间接鉴频方法 （a）调频-调幅转换法 （b）调频-调相转换法第85页/共130页 鉴频电路性能指标 鉴频电路的性能指标集中表现在鉴频特性上，鉴频特性为鉴频输出电压的大小，与输入调频信号的瞬时频率

24、偏移之间的关系，如图6-19所示。 图中，横坐标f为调频信号瞬时频率偏移，f =0对应载波频率fc，纵坐标u为低频输出电压。第86页/共130页图6-19 鉴频特性曲线第87页/共130页 鉴频特性技术指标为 1鉴频线性 输出电压与输入调频信号频率偏移应成正比。 2鉴频线性范围 实际鉴频电路的鉴频特性都会是S形曲线，f =0两边的最大线性部分称为鉴频线性范围。 3鉴频灵敏度 单位频率偏移输出的低频解调电压大小。 第88页/共130页 斜率鉴频电路 利用频幅转换网络特性曲线的斜线部分，将调频信号转换成调频调幅信号，然后再经过包络检波取出原调制信号，这种鉴频电路称为斜率鉴频电路。 1单失谐回路斜率

25、鉴频器 用单个LC并联回路做的鉴频器，称为单失谐回路斜率鉴频器，如图6-20所示。 LC并联回路的谐振角频率为0，在0点幅频特性输出最大。第89页/共130页图6-20 单失谐回路斜率鉴频器第90页/共130页 调频信号载波角频率为c，位于LC并联回路幅频特性曲线下降段中点A点（或B点），如图6-21所示。 等幅的调频信号通过电感耦合给LC并联回路，载波角频率c附近的瞬时角频率偏移，使LC并联回路输出电压U(t)的幅度发生变化，通过对c失谐的LC回路，将频率偏移携带的信息复制到了包络上。 LC并联回路输出的调频调幅信号，经二极管VD包络检波，输出原低频调制信号u(t)。第91页/共130页图6

26、-21 单失谐回路频幅转换图形第92页/共130页 2. 双失谐回路鉴频器 单个LC并联回路谐振特性的斜线部分有弯曲，不够直，所以单失谐回路鉴频器的鉴频特性线性不好。 图6-22所示为由两个LC并联回路组成的双失谐回路鉴频器。 两个LC并联回路电感的同名端设置相反，如图6-22 (a)所示。谐振频率分别为1和2，谐振特性如图6-22(b)中两条虚线所示，载波角频率c处于1与2的中点。第93页/共130页图6-22 双失谐回路鉴频器和鉴频特性。 (a) 双失谐回路鉴频器 (b)鉴频特性第94页/共130页第95页/共130页 相位鉴频电路 通过频相转换网络把调频信号转换成调频调相信号，再用鉴相电

27、路取出调制信号，这种间接鉴频电路称为相位鉴频电路。 1. 频相转换网络特性 在LC并联回路输入端串联一个小电容C1，如图6-23（a）所示，可以组成频相转换网络，实现调频信号到调频调相信号的转换。第96页/共130页第97页/共130页图6-23 频相转换网络及其相频特性 (a) 频相转换网络 (b) 相频特性第98页/共130页第99页/共130页第100页/共130页第101页/共130页 式中为输入信号角频率对回路谐振角频率的偏移。 可见，该网络不仅产生了90固定相移，而且产生了与角频率偏移成正比的相移，所以称为90频相转换网络。第102页/共130页 2. 相位鉴频电路 图6-24所示

28、为双差分正交移相式鉴频电路，由90频相转换网络和双差分乘积型鉴相器组成，根据（6-27）式调节L的电感量，使回路谐振角频率等于调频信号载波角频率。第103页/共130页图6-24 双差分正交移相式鉴频电路第104页/共130页 调频信号uFM（t）经VT1射极跟随器放大后分为两路，一路由500电阻上输出大信号u1，从VT7的基极单端输入双差分电路； 另一路由50电阻上输出小信号u4，经C1、L、C和R组成的90频相转换网络转换为调频调相信号u5，再由VT2射极跟随器放大为u2，从VT3、VT6的基极双端输入双差分电路。 电源VCC经4个二极管正向压降稳压，给VT4、 VT5的基极加固定偏置电压

29、。第105页/共130页第106页/共130页第107页/共130页 限幅电路 调频信号在发送、传输和接收过程中，不可避免地要受到各种干扰。 这些干扰会使调频信号的振幅发生变化，产生寄生调幅，使鉴频输出信号叠加有干扰信号而产生失真。 由于调频信号原本是等幅信号，可以先用限幅电路，在鉴频之前，把叠加的寄生调幅消除，使其重新成为等幅信号，然后再进行鉴频。第108页/共130页 1. 二极管限幅器 图6-25（a）所示为双二极管限幅器，二极管VD1和VD2正负极性反向并联。 当输入电压ui正、负半周幅度大于二极管截止电压Vbz时，二极管VD1和VD2导通，将输出电压uo正、负半周幅度箝位于二极管截止

30、电压Vbz，达到限幅目的。 图6-25（b）、（c）所示为限幅输入、输出波形。 调频信号要先放大到足够大，限幅才能起作用。第109页/共130页（a）第110页/共130页 图6-25 双二极管限幅器（a）双二极管限幅器电路（b）输入信号（c）限幅输出信号第111页/共130页 2. 晶体管限幅器 图6-26所示为用晶体管放大器作限幅电路。 当输入信号很大时，超过了晶体管输出特性的放大区域，正半周波峰部分被饱和削波，负半周波谷部分被截止削波，起了限幅作用。 为了提高限幅效果，可适当降低集电极电源电压，也可以降低基极偏置电压，或增大集电极负载电阻。第112页/共130页图6-26 晶体管限幅器第

31、113页/共130页 6.5 数字信号调制与解调 数字信号调制 数字通信传输的是数字信号，数字调制与解调电路是数字通信系统必不可少的重要部件。 数字信号对载波的调制，同样可以控制载波振荡信号的振幅、频率或相位，分别称为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。 如图6-27所示。第114页/共130页图6-27 二进制数字调制的波形和方框图（a）幅移键控 （b）频移键控 （c）相移键控第115页/共130页 幅移键控（ASK）是用数字信号u（t）控制键控开关，“1”时合上有载波fC输出，“0”时放开无载波fC输出。 频移键控（FSK）是用数字信号u（t）控制键控开关，“1”时

32、接载波发生器，输出载波fC1，“0”时接载波发生器，输出载波fC2。 相移键控（PSK）是用数字信号u（t）控制键控开关，“1”时接载波发生器，输出载波fC，“0”时接移相器，输出移相的载波fC。第116页/共130页 数字信号解调 数字信号解调的方法有很多种，例如同步解调法，包络解调法，相干解调法，等等。 部分二进制数字信号解调方框图如图6-28所示。 幅移键控（ASK）用包络解调。接收机接收的UASK（t）信号经带通滤波器滤去干扰杂波，取出fC载波信号，由包络检波为高低电平信号。 再由取样判决器，再生输出方方正正的数字信号。第117页/共130页 图6-28 二进制数字解调方框图（a）AS

33、K包络解调 （b）FSK同步解调 （c）PSK极性比较解调第118页/共130页 频移键控（FSK）用同步解调。 接收机接收的UFSK（t）信号分为两路，分别由fC1和fC2带通滤波器取出频率为fC1和fC2载波信号，与同频同相的本振信号相乘，分别输出高低电平信号。 再由取样判决器，再生输出方方正正的数字信号。第119页/共130页 相移键控（PSK）用极性比较解调。 接收机接收的UPSK（t）信号由fC带通滤波器滤去杂波，取出频率为fC和频率为fC相移的载波信号，与频率为fC相位为0的本振信号相乘，同相输出为正，反相输出为负。 再由取样判决器，再生输出方方正正的数字信号。第120页/共130页 6.6 实训 单片集成调频发射机装配与调试 Motorola公司生产的MC2831A和MC2833都是单片集成FM低功率发射机电路, 适用于调频通信、无线控制设备。 图6-29所示为用MC2833构成的调频发射机电路，产生