第7章频率调制与解调061120

1、第7章 频率调制与解调 第第7章章 频率调制与解调频率调制与解调 7.1 调频信号分析调频信号分析 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 第7章 频率调制与解调 u 熟练掌握频率调制的原理与实现。熟练掌握频率调制的原理与实现。u熟练掌握频率鉴频的原理。熟练掌握频率鉴频的原理。u 熟掌握频率调制的原理与实现熟掌握频率调制的原理与实现。学习目的重点难点第7章 频率调制与解调 7.1 调频信号分析调频信号分析 角度调制角度调制(angle modulation)：频率调制频率调制(frequecy modu

2、lation)和和相位调制相位调制(phase modulation)。频率调制：频率调制：调频信号的调频信号的频率频率与与调制信号调制信号成成正比正比，振振幅恒定幅恒定。调频信号的解调。调频信号的解调鉴频鉴频。相位调制：相位调制：调相信号的调相信号的相位相位与与调制信号调制信号成成正比正比，振振幅恒定幅恒定。调相信号的解调。调相信号的解调鉴相鉴相。第7章 频率调制与解调 7.1.1 7.1.1 调频信号的参数与波形调频信号的参数与波形设调制信号设调制信号: : u(t)=Ucost 未调载波信号：未调载波信号： uC=UCcosct调频信号的调频信号的瞬时角频率瞬时角频率：( )( )( )

3、cosccfcmttk utt (71) 第7章 频率调制与解调 Kf：比例常数。比例常数。 最大角频偏最大角频偏。调频信号的瞬时相位调频信号的瞬时相位 ： ：信号的起始角频率。：信号的起始角频率。不妨设不妨设 =0，则有：，则有：Ukwfm00( )( )ttd （72） 0( )( )sinsin( )tmccfctdttt mtt （73） 0)(t0第7章 频率调制与解调 调频指数：调频指数： FM波的表示式为波的表示式为mfmsin( )cos(sin)RefejmtjtFMCcfCutUt mtU ee (74) 第7章 频率调制与解调 三个重要的参数：三个重要的参数：Kf：调频灵

4、敏度。调频灵敏度。最大角频偏最大角频偏(frequency deviation)： ；最；最大频偏：大频偏： 。衡量信号。衡量信号频率受调制程度的重要参数。频率受调制程度的重要参数。调频指数调频指数mf：mw2/mmwfUkwfmFfwmmmf/第7章 频率调制与解调 7.1.2 调频波的频谱、带宽和功率调频波的频谱、带宽和功率调频波频谱：调频波频谱：由许多分量组成：由许多分量组成：wc， ，即由即由载波频率载波频率和和对称的边频对称的边频。各频率幅度取决于调制指数各频率幅度取决于调制指数mf。带宽带宽：所有的频率范围。但无实际意义。：所有的频率范围。但无实际意义。 nwc第7章 频率调制与解

5、调 调频波的带宽公式：调频波的带宽公式： Bs=2(mf+1)F=2(fm+F) （711)更准确的调频波带宽计算公式为更准确的调频波带宽计算公式为 2(1)sffBmmF（712） CLFMURP221调频功率为：调频功率为：结论：结论：调频波的平均功率等于载波的平均功率，调频波的平均功率等于载波的平均功率，即总功率不变，只是分配到边频即总功率不变，只是分配到边频。第7章 频率调制与解调 7.1.5 调频波与调相波的比较调频波与调相波的比较 1调相波调相波调相波：调相波：瞬时相位瞬时相位以未调以未调载波相位载波相位c为中心为中心按按调制信号规律变化调制信号规律变化的等幅高频振荡。的等幅高频振

6、荡。u(t)=Ucost，并令，并令0=0，则，则调相波的调相波的瞬时相瞬时相位：位： (t)=ct+(t)=ct+kpu(t) =ct+mcost=ct+mpcost 第7章 频率调制与解调 调相信号调相信号： uPM(t)=UCcos(ct+mpcost)调相波的最大相偏调相波的最大相偏(phase deviation)：mp=kpU调相波的瞬时频率调相波的瞬时频率最大频偏：最大频偏：( )( )sinsincpcmdttmttdt Ummwppm第7章 频率调制与解调 调相信号带宽：调相信号带宽： Bs=2(mp+1)F (719) 调频与调相异同分析调频与调相异同分析。 图图79 调频

7、与调相的关系调频与调相的关系 FM积分调相u(a)PM微分调频u(b)第7章 频率调制与解调 结论：结论：角度调制角度调制是是非线性调制非线性调制：在单频调制时会出现：在单频调制时会出现（cn）分量，在多频调制时还会出现交叉调分量，在多频调制时还会出现交叉调制（制（cn1k2+）分量。）分量。调频的频谱结构与调频的频谱结构与mf密切相关。密切相关。mf大大，频带宽频带宽。 角调方式与角调方式与AM制相比，有两点优势：制相比，有两点优势：设备利用率高，因其平均功率与最大功率一样。设备利用率高，因其平均功率与最大功率一样。 抗干扰性能好。抗干扰性能好。第7章 频率调制与解调 7.2 调频器与调频方

8、法调频器与调频方法 7.2.1 调频器调频器调频特性：调频特性：调频器的调制特性。调频器的调制特性。调频特性曲线。调频特性曲线。调频特性的要求：调频特性的要求：调制特性线性要好。调制特性线性要好。 调制灵敏度要高。调制灵敏度要高。 载波性能要好。载波性能要好。 第7章 频率调制与解调 7.3 调频电路调频电路(frequency modulation circuit)调频电路调频电路：直接调频电路直接调频电路和和间接调频电路间接调频电路。直接调频电路直接调频电路：变容二极管（变容二极管（varactor diode）直直接调频电路接调频电路；晶体振荡器直接调频电路；晶体振荡器直接调频电路；张弛

9、张弛振荡器（振荡器（relaxation oscillator）直接调频电路。直接调频电路。间接调频电路：间接调频电路：变容二极管调相电路。变容二极管调相电路。 第7章 频率调制与解调 7.3.1 直接调频电路直接调频电路 1.变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路 1) 调频原理调频原理变容二极管变容二极管结电容结电容C Cj j与在其两端所加与在其两端所加反偏电压反偏电压u u之间存在着如下关系之间存在着如下关系: :C C0 0: :零偏时的结电容值零偏时的结电容值；u u: :势垒电位差势垒电位差。0(1)jCCuu（721） 第7章 频率调制与解调 结电容变化指数结电容变化指数

10、r：由由PN结的杂质分布决定。结的杂质分布决定。缓变结：缓变结：1/3；突变结：突变结：1/2；超突变结：超突变结：15。 静态工作点为静态工作点为EQ时，变容二极管结电容：时，变容二极管结电容：0(1)jQQCCCEu（722） 第7章 频率调制与解调 在变容二极管上加的调制信号电压为在变容二极管上加的调制信号电压为u(t)=Ucost，则：，则：( )cosQQuEutEUt（723） 第7章 频率调制与解调 将式（将式（723）代入式（）代入式（721）, 得：得：m: 电容调制度，结电容随调制信号调变的电容调制度，结电容随调制信号调变的程度。程度。00cos(1)1(1cos)(1)(

11、1cos)jQQQQCCEUtuCEUtEuuCmt(724) 第7章 频率调制与解调 2) 调频性能分析调频性能分析实际电路中实际电路中Cj可以作为可以作为回路总电容回路总电容，也可，也可部分部分接入接入。Cj为回路总电容为回路总电容。此时振荡频率为：。此时振荡频率为：/2/211( )(1cos)(1cos)cjQtmtmtLCLC第7章 频率调制与解调 当当=2，则有：，则有：结论：结论：瞬时频率瞬时频率与与调制电压调制电压成正比成正比。达到。达到调频的目的。调频的目的。( )(1cos)( )cctmtt )()(tuuEwtwQc第7章 频率调制与解调 全接入型缺点：全接入型缺点：

12、22，会产生非线性调制失真。，会产生非线性调制失真。振荡频率稳定度不好：振荡频率稳定度不好：C CQ Q决定决定中心频率中心频率，而，而C CQ Q随随温度温度、电源电压的变化电源电压的变化等外界因素的影等外界因素的影响很大。响很大。部分接入：部分接入：通过对通过对变容二极管变容二极管串并联电容串并联电容实现实现回路总电容回路总电容与与两端电压两端电压的特性关系调整。使的特性关系调整。使C Cu u之间的关系接近于之间的关系接近于当当=2。 ( (特性曲线特性曲线) )( (实际线路）实际线路）第7章 频率调制与解调 2. 晶体振荡器直接调频电路晶体振荡器直接调频电路晶体振荡器晶体振荡器(cr

13、ystal oscillator)：把可调电容：把可调电容C3由由变容二极管变容二极管替代。替代。主要主要目的目的：稳频稳频。 （实际线路）（实际线路）振荡频率：振荡频率： )(21 01CCCffLqq第7章 频率调制与解调 优点优点：频率稳定度高频率稳定度高。缺点缺点：工作频段处于：工作频段处于fq和和f0之间，且电容之间，且电容的串联，的串联，造成最大频偏非常小。造成最大频偏非常小。解决办法：解决办法：晶体支路串接小电感，可扩展工作频率区域。晶体支路串接小电感，可扩展工作频率区域。进行阻抗变换，实现扩展。进行阻抗变换，实现扩展。第7章 频率调制与解调 3. 张弛振荡器直接调频电路张弛振荡

14、器直接调频电路张弛振荡器张弛振荡器(relaxation oscillator)：可实现可实现三角三角波波和和方波方波的调频。的调频。工作原理工作原理：兵分两路：兵分两路：恒流源产生电流恒流源产生电流I I，电流化电流化分分两路两路，一路为一路为I I，一路为一路为I I。勇闯南天门勇闯南天门：门（：门（压控开关压控开关）；看门）；看门人（人（电压比较器电压比较器输出值输出值u us s）。）。第7章 频率调制与解调 修成正果：修成正果：正果（正果（三角波三角波 u uT T ） 。看门人：看门人： u uT T与比较器与比较器门限值门限值U1,U2U1,U2比较，比较，来决定来决定比较器输出

15、信号比较器输出信号u us s的的高电平高电平还是还是低低电平电平，从而决定是打开上边的门，从而决定是打开上边的门（a a：I I通过）通过）还是下面的门还是下面的门（b b：I I通过）通过）。电压比较器：输出为电压比较器：输出为方波方波u us s 。方波方波u us s，三角波，三角波 u uT T频率与电流频率与电流I I成正比成正比。 第7章 频率调制与解调 当当有调制电压有调制电压时，时，调制信号调制信号控制恒流源发生控制恒流源发生器器，输出电流为，输出电流为I I+I I(t)(t)，且，且I I(t)(t)与调制信与调制信号成正比。号成正比。方波方波u us s，三角波，三角波

16、u uT T的频率就会随着调制信号的频率就会随着调制信号线性变化线性变化，完成频率的调制。，完成频率的调制。I I对应的频率对应的频率为中心频率。为中心频率。 三角波调频可以转化为正弦波调频。三角波调频可以转化为正弦波调频。 sin2TomTuuUU第7章 频率调制与解调 调制实现电路总结调制实现电路总结直接调频三种办法：直接调频三种办法：变容二极管，晶体振荡器，变容二极管，晶体振荡器，张驰振荡器。张驰振荡器。变容二极管：变容二极管：可分为可分为C Cj j作为作为回路总电容回路总电容和和回路回路部分电容部分电容两种接入方法。两种接入方法。频率稳定相对较差频率稳定相对较差。晶体振荡器：晶体振荡

17、器：频率稳定好，但最大频偏小。频率稳定好，但最大频偏小。张驰振荡器张驰振荡器：可实现方波、三角波调频。：可实现方波、三角波调频。第7章 频率调制与解调 7.4 鉴频器与鉴频方法鉴频器与鉴频方法 7.4.1 鉴频器鉴频器角调波的解调：角调波的解调：从从角调波角调波中中恢复恢复出出原调制信号原调制信号的的过程。过程。鉴频器鉴频器(frequency demodulation, FD）：调频波的解调：调频波的解调电路，功能：将电路，功能：将调频波的瞬时频率调频波的瞬时频率f变换为相应的变换为相应的解调输出电压解调输出电压uo。第7章 频率调制与解调 鉴相器鉴相器(phase demodulation

18、, PD)：调相波的解调电路。：调相波的解调电路。鉴频特性鉴频特性：变换器的变换特性。变换器的变换特性。峰值带宽峰值带宽Bm：鉴频特性曲线的频率间隔。反映鉴频特性曲线的频率间隔。反映鉴频线鉴频线性度。性度。鉴频跨导鉴频跨导SD：鉴频特性在载频处的鉴频特性在载频处的斜率斜率，又称，又称鉴频灵鉴频灵敏度敏度。反映输入频率转换为输出电压的能力。反映输入频率转换为输出电压的能力。第7章 频率调制与解调 7.4.2 鉴频方法鉴频方法鉴频方法：鉴频方法：直接鉴频方法直接鉴频方法和和间接鉴频方法间接鉴频方法。直接鉴频法：直接提取，脉冲计数式鉴频法。直接鉴频法：直接提取，脉冲计数式鉴频法。间接鉴频法：先进行各

19、种变换，再提取。间接鉴频法：先进行各种变换，再提取。波形变波形变换换，锁相环解调，锁相环解调，调频负反馈解调调频负反馈解调以及以及正交鉴频正交鉴频。第7章 频率调制与解调 1. 直接脉冲计数式鉴频法直接脉冲计数式鉴频法 脉冲计数式鉴频器脉冲计数式鉴频器：信号频率就是信号电压或信号频率就是信号电压或电流波形单位时间内过零点电流波形单位时间内过零点(或零交点或零交点)的次数，的次数， 又称零交点鉴频器又称零交点鉴频器。对于脉冲或数字信号，信对于脉冲或数字信号，信号频率就是信号脉冲号频率就是信号脉冲的个数。的个数。实现原理实现原理：对调频信号实施限幅放大；对调频信号实施限幅放大；微分，半波整流、单稳

20、处理形成脉冲波。微分，半波整流、单稳处理形成脉冲波。对脉冲波直接计数或通过低通滤波实现电压的解调。对脉冲波直接计数或通过低通滤波实现电压的解调。 第7章 频率调制与解调 图图71 调频波波形调频波波形第7章 频率调制与解调 图图72 调频波调频波fm、mf与与F的关系的关系 Ffmmf0fmmf第7章 频率调制与解调 图图74 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 第7章 频率调制与解调 （718） 图图78 调相波调相波fm、mp与与F的关系的关系 Ffmmp0fmmp第7章 频率调制与解调 图图77 调相波波形调相波波形第7章 频率调制与解调

21、 图图71 调频波波形调频波波形第7章 频率调制与解调 表表71 调频波与调相波的比较表调频波与调相波的比较表 第7章 频率调制与解调 图图710 调频特性曲线调频特性曲线 U0f第7章 频率调制与解调 图图712 变容管的变容管的Cju曲线曲线 0Cj21/31/2u/V(a)0Cj/pFu/V(b)2060402468第7章 频率调制与解调 图图713 变容管作为回路总电容全部接入回路变容管作为回路总电容全部接入回路 Rb2Rb1ReEcCcLCcVDuEQCbLcCjL(a)(b)Cc第7章 频率调制与解调 图图714 变容管线性调频原理变容管线性调频原理第7章 频率调制与解调 图图715 Cj与固定电容串、并联后的特性与固定电容串、并联后的特性 C/pF7060502010510.10.5125u/VC1CjC2第7章 频率调制与解调 图图716 变容二极管直接调频电路举例变容二极管直接调频电路举例 （a）实际电路）实际电路;（b）等效电路）等效电路 1000 pF4.3