第7章 角度调制与解调 高等教育出版社

1、高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 1第七章第七章 角度调制与解调角度调制与解调 7.1 角度调制信号分析角度调制信号分析 7.2 调频方法调频方法7.3 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路7.4 其他直接调频电路其他直接调频电路7.5 间接调频电路间接调频电路7.6 调频信号的解调调频信号的解调 7.7 相位鉴频电路相位鉴频电路 7.8 调频收发信机及附属电路调频收发信机及附属电路7.9 调频多重广播调频多重广播高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 2第一节第一节 角度调制信号分析角度调制信号分析 7.1.1 调频信号的表达式与波形调频信号的表

2、达式与波形 设调制信号为单一频率信号设调制信号为单一频率信号u(t)=Ucost,未调载未调载波电压为波电压为uC=UCcosct,则根据频率调制的定义则根据频率调制的定义,调频信调频信号的号的瞬时角频率瞬时角频率为为( )( )( )cosccfcmttk utt (71) 一、调频信号分析一、调频信号分析高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 3 它是它是在在c的基础上的基础上,增加了与增加了与u(t)成正比的频率偏成正比的频率偏移移。式中。式中kf为比例常数。调频信号的为比例常数。调频信号的瞬时相位瞬时相位(t)是瞬是瞬时角频率时角频率(t)对时间的积分对时间的积分,即即

3、 式中式中,0为信号的起始角频率。为了分析方便为信号的起始角频率。为了分析方便,不妨不妨设设0=0,则式（则式（72）变为）变为00( )( )ttd （72） 0( )( )sinsin( )tmccfctdtttmtt （73） 高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 4 式中，式中， 为为调频指数调频指数。FM波的表示式为波的表示式为mfmsin( )cos(sin)RefejmtjtFMCcfCutUtmtU ee(74) 高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 5图71 调频波波形t0t0u(a)(b)t0(t)(c)cmt0(d)IFM(t)t(t)

4、024Tc2Tcmf(t)c(e)高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 6 7.1.2 调频波的频谱调频波的频谱 1调频波的展开式调频波的展开式 因为式（因为式（74）中的）中的 是周期为是周期为2/的周的周期性时间函数期性时间函数,可以将它展开为傅氏级数可以将它展开为傅氏级数,其基波角频率其基波角频率为为,即即sinfjmtesin()fjmtjn tnfneJme（75） 式中式中Jn(mf)是宗数为是宗数为mf的的n阶阶第一类贝塞尔函数第一类贝塞尔函数,它可以用无穷级数进行计算它可以用无穷级数进行计算:20( 1) ()2()!()!fnnmnfmmJmm nm（76）

5、 高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 7 它随它随mf变化的曲线如图变化的曲线如图73所示所示,并具有以下特性并具有以下特性: Jn(mf)=J-n(mf), n为偶数为偶数 Jn(mf)=-J-n(mf), n为奇数为奇数 因而因而,调频波的级数展开式为调频波的级数展开式为()( )Re()()cos()cjt n tFMCnfnCnfcnutUJmeUJmnt （77） 高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 8图73 第一类贝塞尔函数曲线 01234567891011120.40.200.20.40.60.81.0Jn(mf)J0J1J2J3J4J5J

6、6J7J8J9J10mf高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 9 2调频波的调频波的频谱频谱结构和特点结构和特点 将上式进一步展开将上式进一步展开,有有 uFM(t)=UCJ0(mf)cosct+J1(mf)cos(c+)t -J1(mf)cos(c-)t+J2(mf)cos(c+2)t +J2(mf)cos(c-2)t+J3(mf)cos(c+3)t -J3(mf)cos(c-3)t+ （78） 高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 10图74 单频调制时FM波的振幅谱（a）为常数;（b）m为常数 cmf1cmf1mf2ccmf2cmf5cmf10Qcmf

7、15mf5cmf10mf20cc(a)(b)高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 11 7.1.3 调频波的信号带宽调频波的信号带宽 通常采用的准则通常采用的准则是是,信号的频带宽度应包括幅度大信号的频带宽度应包括幅度大于未调载波于未调载波1%以上的边频分量以上的边频分量,即即 |Jn(mf)| 0.01 由图可见由图可见,当当mf很大时很大时,n/mf趋近于趋近于1。因此当。因此当mf1时时,应将应将n=mf的边频包括在频带内的边频包括在频带内,此时此时带宽为带宽为 Bs=2nF=2mfF=2fm （79） 当当mf很小时很小时,如如mff0=fc时，时，UD1UD2，随着

8、，随着f的增加，两者差值将的增加，两者差值将加大；加大； ff0=fc时，时，UD1fc时，时，UD1UD2, i1i2,输出电压为负；输出电压为负； 当当ffc时，时，UD1UD2, i1i2，输出电压为正。，输出电压为正。高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 89 自动频率控制系统中要特别注意。当然，通过改自动频率控制系统中要特别注意。当然，通过改变两个二极管连接的方向或耦合线圈的绕向变两个二极管连接的方向或耦合线圈的绕向(同名端同名端)，可以使鉴频特性反向。另一方面，可以使鉴频特性反向。另一方面，输出电压也可由下输出电压也可由下式导出：式导出：1212122112121

9、1111()22221ccccccoccoococccuuuuuuuuuEEuEuuu(761)高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 90 3.自限幅自限幅原理原理 (1)回路的无载回路的无载Q0值要足够高，以便当检波器输值要足够高，以便当检波器输入电阻入电阻Ri随输入电压幅度变化时，能引起回路随输入电压幅度变化时，能引起回路Qe明显明显的变化。的变化。 (2)要保证时常数要保证时常数(R1+R2)C大于寄生调幅干扰的大于寄生调幅干扰的几个周期。比例鉴频器存在着过抑制与阻塞现象。几个周期。比例鉴频器存在着过抑制与阻塞现象。 高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解

10、调 91 三、乘积型相位鉴频器三、乘积型相位鉴频器 1. 鉴频原理鉴频原理 乘积型相位鉴频器乘积型相位鉴频器，由移相网络、乘法器和低通，由移相网络、乘法器和低通滤波器三部分组成。调频信号一路直接加至乘法器，滤波器三部分组成。调频信号一路直接加至乘法器，另一路经相移网络移相后另一路经相移网络移相后(参考信号参考信号)加至乘法器。由于加至乘法器。由于调频信号和参考信号同频正交，因此，称之为正交鉴调频信号和参考信号同频正交，因此，称之为正交鉴频器。频器。高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 92 其中，中， 可见，可见，u1与与u2(实际上是实际上是ur与与us)之间的相位差之间的

11、相位差为为20200011,(1)2,()cRfQQQLfL CC1112arctan2cos(sin)cos(sin)cfcfuUtmtuUtmt 相频特性曲线见图相频特性曲线见图749(b)。若设。若设 (764) 高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 93 当当f/f01时，上式可写为时，上式可写为22cos()sin22ooooQ fQ ffuUUUQfff(765) 可见，鉴频器的输出与输入调频信号的频偏成正比。可见，鉴频器的输出与输入调频信号的频偏成正比。 在上面电路中，调整在上面电路中，调整L、C和和C1均可改变回路谐振频均可改变回路谐振频率，只要满足率，只要满

12、足 011()cL CC(766) 高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 94u1CLRu2(a)0f0f2(b)C1 图749 移相网络机器相频特性 高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 95四、四、 其它鉴频电路其它鉴频电路 1.差分峰值斜率鉴频器差分峰值斜率鉴频器 差分峰值斜率鉴频器是一种在集成电路中常用的差分峰值斜率鉴频器是一种在集成电路中常用的振幅鉴频器振幅鉴频器。图。图750(a)是一个在电视接收机伴音信号是一个在电视接收机伴音信号处理电路处理电路(如如D7176AP ,TA7243P)等集成电路中采用的等集成电路中采用的差分峰值斜率鉴频器。差分

13、峰值斜率鉴频器。 高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 96 图750 差分峰值斜率鉴频器 C3V5V6RcI0uiV1V3V2V4EcL19u110u20f02f0f01U2U1U1、U2fuo0f02f0f01f(a)(b)(c)C4C1C2高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 97 移相网络接在集成电路的、移相网络接在集成电路的、10脚之间。设从脚之间。设从脚向右看的移相电路的谐振频率为脚向右看的移相电路的谐振频率为f01，从，从10脚向左看脚向左看的移相电路的谐振频率为的移相电路的谐振频率为f02，则，则 0111021121212()fLCfL C

14、C(767) (768) 高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 98 2.晶体鉴频器晶体鉴频器 晶体鉴频器的原理电路如图晶体鉴频器的原理电路如图751所示。电容所示。电容C与与晶体串联后接到调频信号源。晶体串联后接到调频信号源。VD1、R1 ,C1和和VD2、R2、C2为两个二极管包络检波器。为了保证电路平衡，通为两个二极管包络检波器。为了保证电路平衡，通常常VD1与与VD2性能相同，性能相同，R1=R2,C1=C2。高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 99图751 晶体鉴频器原理电路 uFM(t)R1R2C1CR3C2VD1VD2u高频电子线路第七章第七

15、章 频率调制与解调频率调制与解调 100 图752 电容晶体分压器(a)电抗曲线；(b)电容、晶体两端电压变化曲线 0fqXqfcXcXqf0UcUqfqf0fcf(a)(b)f0高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 101图753 晶体鉴频器的鉴频特性 Uo0fqf0fcf高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 102鉴频电路一览鉴频电路一览 直接鉴频：脉冲计数式鉴频法直接鉴频：脉冲计数式鉴频法间接鉴频：间接鉴频： 振幅鉴频法（振幅鉴频法（FM-AM ）：时域微分（微分鉴频器）：时域微分（微分鉴频器） 斜率鉴频：单回路（单回路斜率鉴频器）斜率鉴频：单回路（单

16、回路斜率鉴频器） 双回路（双离谐平衡鉴频器）双回路（双离谐平衡鉴频器） 晶体鉴频器晶体鉴频器 相位鉴频法（相位鉴频法（FM-PM）：乘积型：乘积型相位鉴频器（同步检波）：乘积型：乘积型相位鉴频器（同步检波） 正交鉴频器正交鉴频器 叠加型：互感耦合相位鉴频器叠加型：互感耦合相位鉴频器 电容耦合相位鉴频器电容耦合相位鉴频器 比例鉴频器比例鉴频器高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 103第八节第八节 调频收发信机及特殊电路调频收发信机及特殊电路 一、一、 调频发射机调频发射机 图图755是一种调频发射机的框图。其载频是一种调频发射机的框图。其载频fc=88108MHz,输入调制信

17、号频率为输入调制信号频率为50Hz15kHz，最大频偏为最大频偏为75kHz。由图可知，调频方式为。由图可知，调频方式为间接调频间接调频。由高稳定度晶体振荡器产生由高稳定度晶体振荡器产生fc1=200kHz的初始载波信的初始载波信号送入调相器，由经预加重和积分的调制信号对其调号送入调相器，由经预加重和积分的调制信号对其调相。调相输出的最大频偏为相。调相输出的最大频偏为25Hz，调制指数，调制指数mf0.5。高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 104 图755 调频发射机框图 载 波振荡器调相器多级倍频器1混频器多级倍频器2功 率放大器积分器预 加重电路200 kHzN164

18、fc1200 kHzf1m25 kHz12.8 MHz1.82.3 MHzfc88108 MHzfm75 kHz频率可变本振N248fL1110.5 MHzu(t)间接调频器高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 105 二、二、 调频接收机调频接收机 图图756为广播调频接收机典型方框图。为了获得为广播调频接收机典型方框图。为了获得较好的接收机灵敏度和选择性，除限幅级、鉴频器及较好的接收机灵敏度和选择性，除限幅级、鉴频器及几个附加电路外，其主要方框均与几个附加电路外，其主要方框均与AM超外差接收机相超外差接收机相同。调频广播基本参数与发射机相同。同。调频广播基本参数与发射机相

19、同。 高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 106 图756 调频接收机方框图 混频器射频放大88108 MHz本振中频放大限幅器鉴频器自动频率控制电路静噪电路去加重电路和音频放大电路输出高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 107 三、三、 附属电路与特殊电路附属电路与特殊电路 1.限幅电路限幅电路:鉴频前限幅鉴频前限幅;二极管、三极限幅管器二极管、三极限幅管器 2.瞬时频偏控制电路瞬时频偏控制电路：消除频偏大时可能干扰：消除频偏大时可能干扰 3.预加重及去加重电路预加重及去加重电路 理论证明，对于输入白噪声，理论证明，对于输入白噪声，调幅制调幅制的输出噪

20、声的输出噪声频谱呈矩形，在整个调制频率范围内，所有噪声都一频谱呈矩形，在整个调制频率范围内，所有噪声都一样大。样大。调频制调频制的的噪声频谱噪声频谱(电压谱电压谱)呈三角形，见图呈三角形，见图757(b)，随着调制频率的增高，噪声也增大。随着调制频率的增高，噪声也增大。调制调制频率范围愈宽，输出的噪声也愈大。频率范围愈宽，输出的噪声也愈大。 高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 108图757 调频解调器的输出噪声频谱 (a)功率谱；(b)电压谱 0Sno()0U()(a)(b)高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 109 由于调频噪声频谱呈三角形，或者说与

21、由于调频噪声频谱呈三角形，或者说与成线性关成线性关系，使我们联想到将信号作相应的处理，即要求预加系，使我们联想到将信号作相应的处理，即要求预加重网络的特性为重网络的特性为 H(j)=j 预加重：预加重： 在发射机的调制器前，有目的地、人为改变调制信号，在发射机的调制器前，有目的地、人为改变调制信号，使其高频端得到加强（提升），以提高调制频率高端的信噪比。使其高频端得到加强（提升），以提高调制频率高端的信噪比。去加重：去加重： 在接收端将高频端减弱，降低调制频率高端的信噪比。在接收端将高频端减弱，降低调制频率高端的信噪比。高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 110 图758

22、预加重网络及其特性 (a)预加重网络；(b)频率响应 R1CR2012|H(j)/dB(a)H(j) k1j/11j/2k(1j/1)(b)高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 111 去加重网络及其频响曲线如图去加重网络及其频响曲线如图759所示。从图看所示。从图看出，当出，当2时，预加重和去加重网络总的频率传递函时，预加重和去加重网络总的频率传递函数近似为一常数，这正是使信号不失真所需要的条件。数近似为一常数，这正是使信号不失真所需要的条件。图759 去加重网络及其特性 R1C(a)H(j)11j/101|H(j)|/dB(b)高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率

23、调制与解调 112 采用预、去加重网络后，对信号不会产生变化，采用预、去加重网络后，对信号不会产生变化，但对信噪比却得到较大的改善，如图但对信噪比却得到较大的改善，如图760所示。所示。图760预、去加重网络对信噪比的改善 Sno()去加重前去加重后(a)08160.11/dB10(b)m10高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 113 4. 静噪电路静噪电路 由于在调频接收中存在由于在调频接收中存在门限效应门限效应，因此在系统设，因此在系统设计时要尽可能地计时要尽可能地降低门限值降低门限值。为了获得较高的输出信。为了获得较高的输出信噪比，在鉴频器的输入端的输入信噪比要在门限

24、值之噪比，在鉴频器的输入端的输入信噪比要在门限值之上。但在调频通信和调频广播中，经常会遇到无信号上。但在调频通信和调频广播中，经常会遇到无信号或弱信号的情况，这时输入信噪比就低于门限值，输或弱信号的情况，这时输入信噪比就低于门限值，输出端的噪声就会急剧增加。出端的噪声就会急剧增加。 高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 114图761 静噪电路举例 50带 通滤波器5 kHz静噪0.16.2 k0.01100 k16 k1 k2.2100 k510 k112.2510 k14LM389音量鉴频器输 出100 k1 k15131210 k1612 V17 180.12.70.0

25、5100高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 115图762 静噪电路接入方式 鉴频低放静噪鉴频低放静噪高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 116第九节第九节 调频多重广播调频多重广播 7.7.1调频立体声广播调频立体声广播 1.调频立体声广播方式调频立体声广播方式 图图763示出了调频立体声广播的系统图。示出了调频立体声广播的系统图。左声道左声道信号信号(L)和右声道信号和右声道信号(R)经各自的预加重在矩阵电路中经各自的预加重在矩阵电路中形成和信号形成和信号(L+R)和差信号和差信号(L-R)。和信号和信号(L+R)照原样照原样成为主信道信号，成为主信

26、道信号，差信号差信号(L-R)经平衡调制器对副载波经平衡调制器对副载波进行抑制载波的调幅，成为副信道信号。进行抑制载波的调幅，成为副信道信号。高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 117图763 调频立体声广播发射机的系统图 预加重预加重LR矩阵电路L R平 衡调制器主信道信号L R副 信道信号副载波振荡器二分频38 kHzFM发射机导频信号高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 118 2. 调频立体声调频立体声接收接收机机 调频立体声接收机的框图如图调频立体声接收机的框图如图764所示，在鉴频所示，在鉴频器之前与单声道调频接收机的组成相同。器之前与单声道调频接收机的组成相同。 图764 调频立体声接收机的框图 混频器高频放大本振中频放大鉴频器立体声解调器低 放与功放低 放与功放左声道扬声器右声道扬声器高频电子线路第七章第七章 频率调制与解调频率调制与解调 119图765 立体声解调器工作方式 (