第7章 角度调制电路

1、 高频电子线路高频电子线路第七章第七章 角度调制电路角度调制电路 第一节第一节 概述概述第二节第二节 调角波的基本性质调角波的基本性质第三节第三节 调频方法的概述调频方法的概述第四节第四节 变容二极管调频电路变容二极管调频电路第五节第五节 石英晶体振荡器直接调频石英晶体振荡器直接调频第六节第六节 调相电路调相电路主要内容：主要内容：高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页第一节第一节 概述概述)(tu)(tu)(tu高频振荡的振幅不变，而角度随调制信号 按一定关系变化。二、角度调制的优点与用途二、角度调制的优点与用途1.优点优点:抗干扰能力强，载波功率利用系数高。2.作用作用:调频主要用于调频

2、广播、广播电视、通信与遥控遥测等。调相主要用于数字通信。高频振荡的振幅不变，而其瞬时频率随调制信号 线性关系变化，这样的已调波称为调频波，常用FM表示。高频振荡的振幅不变，而其瞬时相位随调制信号 线性关系变化。这样的已调波称为调相波，常用PM表示。角度调制分为相位调制和频率调制两类，统称为调角。一、角度调制电路的功能与分类一、角度调制电路的功能与分类1.角度调制角度调制2.角度调制的分类角度调制的分类3.相位调制相位调制4.频率调制频率调制高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页第二节第二节 调角波的基本性质调角波的基本性质tUtuccmccos)(cmUc一、调角波的数学表示式一、调角波的数

3、学表示式 1.调相波调相波数学表示式数学表示式cmmUU)()(tuKttpcdttdukdttdtpc)()()(pk)(cos)(cos)(tuktUtUtupccmcm 振幅不变振幅不变 瞬时相位瞬时相位 瞬时角频率瞬时角频率 式中， 为比例常数，单位是rad/v。设载波振荡信号电压为 其中 为载波振幅， 为载波角频率。 调制信号调相波的一般表示式调相波的一般表示式根据调相波的定义根据调相波的定义)(tu高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页cmmUU)()(tuktfcttfcttuktttt00d)(d)()(fkd)(cos)(cos)(0tfccmcmttuktUtUtu根据调

4、频波定义根据调频波定义 振幅不变振幅不变 瞬时角频率瞬时角频率 瞬时相位瞬时相位 式中， 为比例常数，单位是rad/sv调频波的一般表示式调频波的一般表示式2.调频波调频波的数学表示式的数学表示式tUtuccmccos)(cmUc设载波振荡信号电压为 其中 为载波振幅， 为载波角频率。 调制信号)(tu高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页二、调角波的基本性质二、调角波的基本性质max0d)(tffttukmmax)(tukmppfm调频波的调频指数调频波的调频指数pm2.调角波的调制指数调角波的调制指数调制指数的定义调制指数的定义调角波的最大相移定义为调制指数。cos()mcPUt ku

5、t0cos( )dtmcfUtku t t( )cPtk ut0( )dtcftkuttd( )dPCutkt( )cfk utmax( )Pkutmax0d)(tfttukm axd( )dPutktmax( )fk ut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调相波的调相指数调相波的调相指数3.调角波的最大频移调角波的最大频移m调相波的最大频移调相波的最大频移pmmax)(dttdukppm调频波的最大频移调频波的最大频移fmmax)(tukffm1.调相波与调频波的比较见右表调相波与调频波的比较见右表高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页tUtumcos)(tUtucc

6、mccos)(coscoscoscos)(tmtUtUktUtupccmmpccmsincossincosdcoscos)(0tmtUtUktUttUktUtufccmmfccmtmfccm若已知调制信号 ,载波信号为 。 4、单音频调角信号的性质单音频调角信号的性质ppmmffmm 调相波数表示式调相波数表示式： 调相波数表示式调相波数表示式:ppmmk UmffUmk 结论结论:调相波 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 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与调制频率的乘积。fmpmpmfmmmm即高频

7、电子线路高频电子线路退出下页上页首页)sinsin(sin)sincos(cossincos)(tmtUtmtUtmtUtufccmfccmfccm122cos)(2)()sincos(nfnfoftnmJmJtm012) 12sin()(2)sinsin(nfnftnmJtmmu (t)=Ucostcos(sin)sin(sin)ffmtmt和式中， 可展开为傅里叶级数)(fnmJfm其中，n为正整数， 是以 为参数的n阶第一类贝塞尔函数。tmJUtucfocmcos)()(tmJUtmJUcfcmcfcm)cos()()cos()(11tmJUtmJUcfcmcfcm)2cos()()2c

8、os()(22 载频 第一对边频 第二对边频三、调角波的频谱三、调角波的频谱1、单频调制时，调相波与调频波的数学表示式相似，它们具有相同的频谱，故分析时以单频调制的调频波为例进行说明2、调制信号是调制信号是 的调频波为的调频波为高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页第一类贝塞尔函数曲线第一类贝塞尔函数曲线)(mJn)(mJn)(pfmmm或)(mJnmn )(mJn实际应用中，由于边频分量的振幅与 有关，而 在 一定时，随n的增加， 的数值虽有起伏，但总趋势是减小。当 时， 数值很小。如图所示。所以忽略振幅小的边频分量，频谱宽度就为有限值。c)(fnmJ)(fnmJfm各边频分量的振幅取决于

9、 ，而 与 有关。注意：对于调相波，其频谱结构与调频波相似。3、调频波频谱的特点、调频波频谱的特点 以载频 为中心，由无数对边频分量组成。它不是调制信号频谱的简单搬移。理论上看，调角波的频谱包含无限多对边频分量，频谱宽为无限大。4、调角波的频谱宽度、调角波的频谱宽度高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页振幅比边频次数Jn(0.5)Jn(1)Jn(2)Jn(3)Jn(4)Jn(5)Jn(6)Jn(7)00.9390.7650.224-0.260-0.397-0.1780.1510.30010.2420.4400.5770.339-0.066-0.328-0.277-0.00520.0300.1

10、150.3530.4860.3640.047-0.243-0.30130.0030.0200.1290.3090.4300.3640.115-0.16840.0030.0340.1320.2810.3910.3580.15850.0070.0430.1320.2610.3620.34860.0010.0110.0490.1310.2460.33970.0030.0150.0530.1300.23480.0040.0180.0570.12090.0060.0210.056100.0020.0070.024110.008高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页对于高质量的通信系统，以忽略振幅小于0

11、.01Ucm 的边频分量决定频谱宽度。1( )0.01 ,( )0.01nnJmJm若满足则频谱宽为 B=2nF式中，F为调制信号频率。 n可查表。中等质量通信系统，以忽略振幅小于0.1Ucm的边频分量来决定频谱宽度当 时 恒小于0.1。因此有效频谱宽度为 1 mn)(mJnFmBCR) 1(2高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 四、角度调制电路的功能四、角度调制电路的功能1、调相电路的功能、调相电路的功能将输入调制信号和载波信号通过电路变换成高频调相波。调相电路功能的频谱表示调相电路功能的频谱表示输入输出频谱表示法输入输出频谱表示法调相电路mp =1ccc 2c调相电路mp=2c图7-

12、2 调相电路功能的频谱表示cc 2c3c)coscos()(tmtUtupccmtUtuccmccos)(tUtuncos)(若输入调制信号 ，且载波信号为 时，其输出调相波 。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 调频电路功能的频谱表示调频电路功能的频谱表示2、调频电路的功能、调频电路的功能将输入调制信号和载波信号通过电路变换成高频调频波。输入输出频谱表示法。调 频 电 路mf=1ccc 2c调 频 电 路mf=2c图 7-3 调 频 电 路 功 能 的 频 谱 表 示cc 2c3ctUtuccmccos)(tUtuncos)(若输入调制信号 ，且载波信号为 时，其输出调频波 。)sin

13、cos()(tmtUtufccm高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页第三节第三节 调频方法概述调频方法概述二、调频方法分类二、调频方法分类 调频方法可分为直接调频直接调频和间接调频间接调频两大类。三、直接调频原理三、直接调频原理 1、利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号变化规律。 2、实际应用中，是用调制信号去控制决定振荡器振荡频率的振荡回路的可变电抗值。 从而使振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性改变。)()(tuktfcfkmf1、具有线性的调制特性、具有线性的调制特性。即 。4、未调制的载波频率、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

14、。5、无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。、无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。3、最大频率偏移、最大频率偏移 与调制信号频率无关。2、具有较高的调制灵敏度、具有较高的调制灵敏度。即 要大，单位调制电压产生的振荡频率偏移要大。一、对调频电路的要求一、对调频电路的要求高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 间接调频原理方框图间接调频原理方框图d)(cos)(0tfccmttuktUtu1、由调频波的一般表示式、由调频波的一般表示式)(tutttu0d)()(tu)(tu2、将调制信号 先通过积分电路得到 ，然后进行相位调制，输出电压 对 是调频波,称其为间接调频。3、间接调频电路的载波振荡器可采用频率稳定

15、度很高的晶体振荡器，其载波频率稳定变高。四、间接调频原理四、间接调频原理高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页第四节第四节 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路一、变容二极管的特性一、变容二极管的特性1、变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压变化而变化的原理设 计的一种特殊二 极管。它的极间结构、伏安特性与一般检波二极 管没有多大差别。2、变容二极管应用时，只能加反向电压。反向电压的变化能使变容 二极管结电容随其变化。3、变容二极管的反向电压与其结电容的关系为0(1)jjDCCuUDUu0jC0u式中， 为PN结的势垒电压； 为反向电压； 为 时的结电容； 为电容变化系数。 高频电

16、子线路高频电子线路退出下页上页首页二、变容二极管直接调频电路的基本原理二、变容二极管直接调频电路的基本原理2、变容二极管是振荡回路的一个组成部分。加在变容二极管的反向电压为)()(tuVtuVVuQBcc式中， 是加在变容二极管的直流偏置电压； 为调制信号电压QV)(tuL1C1LC正弦波振荡器变容二极管和它的偏置电路变容二极管和它的偏置电路高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 结电容随调制电压变化关系结电容随调制电压变化关系3、，调制信号 反向电压为变容二极管结电容 将在 的控制下随时间变化。则振荡器的振荡频率要随 变化。只要电路参数选取合适,是能够实现线性调频。tUtumcos)(tU

17、VtumQcos)(jC)(tu)(tu高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页三、电路分析三、电路分析1、在反向电压、在反向电压 作用下，变容二极管的电容值作用下，变容二极管的电容值u (t)jC0( )1jjDCCu tUjQCDQjjQUVCC10tmCVUtUUVUCVtUVCCjQQDmDQDjdmQjjcos1cos1cos100)/(QDmVUUm 变容二极管的结电容表示式变容二极管的结电容表示式载波状态时变容二极管的结电容载波状态时变容二极管的结电容( )0,( )Qutu tV载波状态时，则调制状态时变容二极管的结电容调制状态时变容二极管的结电容jC式中， 为电容调制度。 高

18、频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 振荡回路的等效电路振荡回路的等效电路当振荡回路中的 未接入， 较大时，即回路的总电容仅是变容二极管的结电容，等效回路如图所示。调变容二极管上的高频电压很小，忽略其对变容二极管电容量变化的影响。1CcC瞬时振荡频率瞬时振荡频率为211)cos1 ()cos1 (111)(tmtmCLCLtcjQjjQcCL1/10)(tu式中：为时的载波频率。2、变容二极管作为回路总电容实现调频、变容二极管作为回路总电容实现调频高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页实现线性调频的条件实现线性调频的条件222)(1cos1)cos1 ()(QDcQDmccVUtutVUU

19、tmt结论结论:当当 时，能实现线性调频。时，能实现线性调频。 2当 时，会产生什么影响？22cos1tm0costm3222112222221cos1coscoscos22!3!mtmtmtmt 通常 ，可以忽略三次方以上各项，则1m22222( )(1cos)12 21coscos11cos1cos222!8 228 2ccctmtmtmtmmtmt 由于 可以在 处展开成泰勒级数，得高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页结论结论:当变容二极管作为回路总电容时，当变容二极管作为回路总电容时， 调频波会产生中心频调频波会产生中心频率偏离和非线性失真率偏离和非线性失真.会产生如下影响：会产生

20、如下影响：2调频波的中心频率会产生偏移。其偏移量为ccm2128cm22128cm2当调频电路要求的相对频偏较小时，m值很小，电路对 的要求不严格。 例如，调频广播 ，要求最大频偏 。MHz10888cfKHz75mf)104 . 1106 . 1 (133m 很小。对应中心频率偏移量和非线性失真量很小，故对 的要求不严格。显然，当调频电路的相对频偏较大时，对 的要求就应严格些。 2调频波的最大频偏调频波会产生非线性失真。其二次谐波失真最大频偏高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页变容二极管全部接入时变容二极管全部接入时( , 作为回路总电容作为回路总电容)调频调频电路的特点电路的特点:2j

21、C优点优点:调频灵敏度高, 频偏很大缺点缺点:中心频率稳定度不好DQcfUVkDQmccUVUjcLCf1变容二极管作为回路总电容实现调频时，由于变容二极管的结电容随温度、偏置电压的不稳会引起结电容变化。因此其中心频率稳定度差。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页3、变容二极管部分接入振荡回路、变容二极管部分接入振荡回路变容二极管作为回路总电容的等效回路如图 所示。回路总电容 为C11/(1cos)/(1cos)cjcjQcjcjQC CC CmtCCCCCCCmt相应的调频特性方程为jQcjQcCtmCCCCLCLt)cos1 (11)(1111(1cos)cjQcjQCCCCmtC 与

22、 是同数量级的小电容ccjc高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页四、应用举例四、应用举例1、8MHz变容二极管调频振荡电路变容二极管调频振荡电路 8MHz变容二极管调频振荡电路变容二极管调频振荡电路高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页12RR、上图是一个8MHz变容二极管调频振荡电路和高频等效电路。变容二极管的直流偏压由 和电位器W组成分压电路供给。偏置电压为-4V时， 。而偏置电压由（0-8）V变化时， 为（23060）PF。jCPFCj100调制信号通过 和高频扼流图ZL加到变容二极管上。加在变容二极管上电压为直流偏置电压与调制信号电压之和。1C电路为电容三点式振荡电路，振荡频率为

23、CLfc121jCCCCCCC1111111165987电路中心频率为8MHz，最大线性频偏为200kHz。其中高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页2、某通信机中的变容二极管调频电路、某通信机中的变容二极管调频电路 变容二极管调频振荡电路变容二极管调频振荡电路高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页高频扼流图 对直流和调制信号短路，而对载频开路。因而加在两个变容二极管上的反向电压是相同的。3、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缺点优点：优点：电路简单，工作频率高，易于获得大的频偏。在频偏小时，非线性失真很小。所需调制信号功率很小。缺点：缺点：中心频率稳定度不高。频偏

24、较大时，非线性失真较大。12ppLL、上图所示是电容三点式振荡电路，通过变容二极管的电容变化实现调频。本电路的特殊点是采用了两个变容二极管，并且同极性相对接的方式接入振荡回路。由于回路中两个二极管代替一个二极管，使得每个变容二极管两端的高频电压减小。这样就减小了高频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第五节第五节 石英晶体振荡器直接调频石英晶体振荡器直接调频 一、一、稳定调频振荡器中心频率的办法稳定调频振荡器中心频率的办法 1、对石英晶体振荡器进行直接调频；、对石英晶体振荡器进行直接调频； 2、采用自动频率微调电路；、采用自动频率微调电路； 3、利用锁相环路稳

25、频。、利用锁相环路稳频。 二、晶体振荡器直接调频的主要形式二、晶体振荡器直接调频的主要形式晶体振荡器采用变容二极管实现调频的形式有两种1、变容二极管与并联型晶、变容二极管与并联型晶 体振荡器的晶体相串联体振荡器的晶体相串联2、变容二极管与并联型晶、变容二极管与并联型晶 体振荡器的晶体相并联体振荡器的晶体相并联高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页三、三、 实际电路举例实际电路举例无论变容二极管的接入方式是与晶体串联或并联，晶体在电路中必须等效为电感。因此，振荡频率的变化范围要小于 。其最大频偏)(qpff qqqpmfccfff041)(21最大相对频偏041ccffqqm由于 ，故最大相对

26、频偏很小最大相对频偏很小。 0ccq高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页第六节第六节 调相电路调相电路 一、调相方法的分类一、调相方法的分类 1、可变移相法调相；、可变移相法调相； 2、可变时延法调相；、可变时延法调相； 3、矢量合成法调相。、矢量合成法调相。2、基本原理、基本原理 将载波振荡信号通过一个受调制信号电压控制的相移网络，即可实现调相。可控相移网络有多种实现电路，其中应用最广的是由变容二极管组成的相移网络， 例如由电感L和变容二极管组成的单调谐回路。1、组成方框图、组成方框图二、可变移相法调相电路二、可变移相法调相电路晶体晶体振荡器振荡器可控移可控移相网络相网络调相波调相波高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页下图所示是变容二极管单调谐回路调相