通信电子电路第6章

1、第一节 调角波的性质第六章 角度调制与解调第二节 调频方法及电路第三节 限幅器第四节 鉴频器 第六章 角度调制与解调 上一章讲的调幅是以上一章讲的调幅是以u去控制载波振幅，反映去控制载波振幅，反映到频谱上是频率搬移，其频谱结构不变，所以到频谱上是频率搬移，其频谱结构不变，所以属于线性调制。属于线性调制。 本章讲的调角是以本章讲的调角是以u去控制载波的频率或相位，去控制载波的频率或相位，反映到频谱上是一种复杂的变换（增加了许多反映到频谱上是一种复杂的变换（增加了许多组合频率），属于非线性调制。组合频率），属于非线性调制。 调角的优点调角的优点：抗干扰能力强。：抗干扰能力强。 以调制信号以调制信号

2、u去控制载波的频率或相位，使载波的频去控制载波的频率或相位，使载波的频率或相位随调制信号的规律变化，这样得到的已调波率或相位随调制信号的规律变化，这样得到的已调波称调频波或调相波，统称称调频波或调相波，统称调角波调角波。设载波设载波 uo(t)=Ucos(t+ o)=Ucos(t),tt0)(第一节第一节 调角波的性质调角波的性质 未调制时未调制时 =常数；调角后常数；调角后 常数常数,其其dttdt)()( tdttt00)()( 显见，不论是显见，不论是FM还是还是PM，都会引起，都会引起 ( (t t) )的变化，的变化，所以统称为调角。所以统称为调角。 瞬时相位：瞬时相位：其中，其中，

3、 ( (t t) ) =t+ o或或瞬时频率：瞬时频率：第一节 调角波的性质一、调角波的表示式一、调角波的表示式（一）调频（一）调频（FM）波表示式）波表示式设设u(t)=Ucost,载波载波uc(t)=Uccos(ct+ o)，据调频定义：，据调频定义：FM波的瞬时频率：波的瞬时频率： (t)= C+kfu= = C+kfUcost =cost = C+fcostcost其中其中, C载频，载频，FM波中的中心频率波中的中心频率 kf比例系数，单位调制信号强度引起的频率变化，比例系数，单位调制信号强度引起的频率变化， 表明控制能力的大小表明控制能力的大小 f最大频偏，即最大频偏，即FM瞬时频

4、率偏离瞬时频率偏离 C的最大值的最大值FM波的表示式：波的表示式：u(t)=Uccos(ct+mfSint+ o)000sinsin)()(tmtttdtttfCtfC其中其中: mf 称称调频指数调频指数，是载波，是载波 相位上附加的最大相移，相位上附加的最大相移， 它表明调制深度。它表明调制深度。FM波的瞬时相位：波的瞬时相位：调频引起的附加相移调频引起的附加相移特点：特点：频率变化与频率变化与u成正比，成正比， 附加相移与附加相移与u相差相差90。具体波形如图具体波形如图uttt tu(t)(t) (t)(t)mffcPM波瞬时频率：波瞬时频率：其中：其中：mp=kpU：称：称调相指数调

5、相指数，代表调相波的最大相偏，代表调相波的最大相偏，kp的的物理意义是单位调制信号强度引起的相位变化。物理意义是单位调制信号强度引起的相位变化。ttmdttdtpCpCsinsin)()(第一节 调角波的性质据调相定义，据调相定义，PM波的瞬时相位随波的瞬时相位随u线性变化，即线性变化，即 PM波的瞬时相位波的瞬时相位:(t) )=ct+ o +KpU cost=ct+ o +mpcost（二）调相波的表示式（二）调相波的表示式p=mp 调相中瞬时频率偏移的最大值调相中瞬时频率偏移的最大值PM波也存波也存在在 变化。变化。其中其中：第一节 调角波的性质PMPM波表示式：波表示式： U(t)=U

6、U(t)=Uc ccos(cos(ct+ + o + +mpcost) )波形分析见图波形分析见图瞬时相位变化与瞬时相位变化与u成正比，成正比，瞬时频率瞬时频率p的变化与的变化与u u的的微分成正比。微分成正比。特点：特点：uttt tu(t)(t) (t)(t)mppc第一节 调角波的性质FM、PM波的比较FMPM数学表达式)0)(cos(0tdttuktUfCC)(cos(0tuktUpCC瞬时频率C+kfu(t)dttdukpC)(瞬时相位tfCdttukt00)(0)(tuktpC最大频偏maxukffmax)(dttdukpp最大相偏max0)(tdttukmffmaxukmpp 值

7、得强调的两点差别值得强调的两点差别: : 1、调频时：fU ，与无关 调相时：在mp一定时，p 2、调频时：mf1/ (f一定时) 调相时：mpU ，(与无关)第一节 调角波的性质mffmf= f mpp=mp用曲线表示：用曲线表示：fmpp 例例6-1 6-1 设一组正弦调制信号，信号频率最低为设一组正弦调制信号，信号频率最低为F Fminmin=300H=300HZ Z, ,最高最高为为3400H3400HZ Z调制信号的幅度都一样，调制时，最大频偏调制信号的幅度都一样，调制时，最大频偏 f ff f=75kH=75kHZ Z; ;调相时，最大相偏调相时，最大相偏m mp p=1.5rad

8、/s=1.5rad/s试求调频时，试求调频时，m mf f的变化范围；调相时，的变化范围；调相时， f fp p的变化范围。的变化范围。 解：解：1 1、调频时，、调频时，m mf f= =f f/ / = = f ff f/F/F (m (mf f) )maxmax= = f ff f/F/Fminmin=75=75 10103 3/300=250rad/s /300=250rad/s (m (mf f) )minmin= = f ff f/F/Fmaxmax=75=75 10103/3/3400=22rad/s3400=22rad/s第一节 调角波的性质 2 2、调相、调相 f fp p=

9、m=mp p(F(FminminF Fmaxmax)=1.5 )=1.5 (300(300 3400)=4503400)=450 5100H5100HZ Z可见调相时可见调相时m mp p=k=kp pU U 是不变的是不变的, ,但但 f fp p F F 二、调角信号的频谱和有效带宽二、调角信号的频谱和有效带宽( (二二) )调角信号的频谱调角信号的频谱FMFM：u(t)=Uu(t)=UC Ccos(cos(c ct+mt+mf fsint+sint+ 0 0) )PMPM：u(t)=Uu(t)=UC Ccos(cos(c ct+mt+mp pcost+cost+ 0 0) ) 由由u u

10、引起的相移相差引起的相移相差 /2/2，无本质区别。，无本质区别。第一节 调角波的性质归并成通式：归并成通式：u(t)=Uu(t)=UC Ccos(cos(ct+msint+t+ 0 0) ) 利用和角公式利用和角公式 u(t) =Uu(t) =UC Ccos(cos(msint)cos(t)cos(ct+ 0 0)-sin()-sin(msint)sin(t)sin(ct+ 0 0)在贝塞尔函数理论中有以下关系：在贝塞尔函数理论中有以下关系：cos(cos(msint)=Jt)=J0 0(m)+2J(m)+2J2 2(m)cos2t+2J(m)cos2t+2J4 4(m)cos4t+(m)c

11、os4t+sin(msint)=2Jsin(msint)=2J1 1(m)sint +2J(m)sint +2J3 3(m)sin3t +(m)sin3t +第一节 调角波的性质所以所以 ,u(t)=UCJo(m）Cos( ct+ o) +UCJ1(m)Cos ( c+)t+ o - Cos ( c-)t+ o +UCJ2(m)Cos ( c+2)t+ o + Cos ( c-2)t+ o +UCJ3(m)Cos ( c+3)t+ o - Cos ( c-3)t+ o +其中其中:J0(m)以以m为宗量的载频分量的振幅系数为宗量的载频分量的振幅系数Jn(m)以以m为宗量的边频分量为宗量的边频分

12、量 n c的振幅系数的振幅系数由式可以看出由式可以看出调角波频谱特点调角波频谱特点：（1 1）频率成分：）频率成分：c、cnn，n=1,2,n=1,2,（2 2）边频分量的幅度：）边频分量的幅度：U Un n=U=Uc cJ Jn n（m m） (3 (3）相位：当）相位：当n=n=奇数时，上、下边频相位相反；奇数时，上、下边频相位相反； 当当n=n=偶数时，上下边频相位相同；偶数时，上下边频相位相同； 当当m,nm,n为已知时，以为已知时，以m m为变量的振幅系数可由贝塞尔函数曲为变量的振幅系数可由贝塞尔函数曲线（线（P234P234图图7-37-3）或）或P276P276的附表的附表查得。

13、查得。查曲线方法查曲线方法: :例例m=4,m=4,则由则由P234P234图图7-37-3可查得可查得J J0 0(4)=-39.71% (4)=-39.71% J J1 1(4)=-6.6% J(4)=-6.6% J2 2(4)=36.42%(4)=36.42%第一节 调角波的性质横坐标为横坐标为m,m,纵坐标为纵坐标为n,Jn,Jn n(m)%(m)%表示振幅系数值表示振幅系数值, ,显然其正负、大小无规律。查表可知，当显然其正负、大小无规律。查表可知，当m m变量变量相同时，查的结果与查曲线所得结果相同相同时，查的结果与查曲线所得结果相同。查表的方法查表的方法: : 由由P276P27

14、6的附表的附表可以看出：可以看出：当调制指数当调制指数 时，有较大振幅的边时，有较大振幅的边频分量也增多，而它的功率增加正是由于载频分量功率下频分量也增多，而它的功率增加正是由于载频分量功率下降的结果。降的结果。只要载频振幅不变，则调角波的平均功率就不只要载频振幅不变，则调角波的平均功率就不变。变。m的变化只是使各频率分量间的功率重新分配。的变化只是使各频率分量间的功率重新分配。即：即：niimJmJP1220%100)(2)( （二）调角波的频谱宽度（二）调角波的频谱宽度第一节 调角波的性质窄带调制（窄带调制（m1m1m1）。）。1 1窄带调制（窄带调制（m1m1m1） 完整的频谱由完整的频

15、谱由U(t)U(t)式决定。理论上说，调角波的频谱应是式决定。理论上说，调角波的频谱应是无限宽的，但能量大都集中在载频附近的边频分量。所以无限宽的，但能量大都集中在载频附近的边频分量。所以在通信中，一般认为边频幅度小于载波幅度的在通信中，一般认为边频幅度小于载波幅度的10%10%即可忽即可忽略。这样做不太影响传输质量。由略。这样做不太影响传输质量。由P276P276的附表的附表显见，当显见，当n(m+1)n(m+1)时，边频幅度均小于载频振幅的时，边频幅度均小于载频振幅的10%10%。第一节 调角波的性质所以，绝大部分能量都集中在所以，绝大部分能量都集中在n(m+1)n(m+1)边频分量。边频

16、分量。其有效带宽可表示为其有效带宽可表示为: :B=2(m+1)B=2(m+1) 或或 B BHZHZ=2(m+1)F=2(m+1)F例如例如: :当当m=4m=4，B=2(4+1)=10B=2(4+1)=10所以所以B BHZHZ=2(75+15)=180KH=2(75+15)=180KHZ Z( (单声道单声道) ) 立体声为立体声为198kH198kHZ Z一般广播系统中选取一般广播系统中选取B BHzHz=200kH=200kHZ Z调频广播中规定最高频偏调频广播中规定最高频偏 f fmaxmax=75kH=75kHZ Z Fmax=15kH Fmax=15kHZ Z当信号为非简谐信号

17、时，当信号为非简谐信号时，maxmaxmax12FFfB 应该指出应该指出，最大频偏与频谱宽度概念是不同的。前者，最大频偏与频谱宽度概念是不同的。前者指在指在U的作用下，瞬时频率偏离的作用下，瞬时频率偏离f fc c的最大值；而频谱的最大值；而频谱宽度则是获得主要调制信号能量的频率范围。宽度则是获得主要调制信号能量的频率范围。第一节 调角波的性质三、调制方式的比较三、调制方式的比较指标FM、PM AM抗干扰性强原因：(1)mf(mp)1，信噪比大；(2)解调前可用限幅消除寄生干扰(3)工作在超短波（30300MHZ） ，天电干扰能量小较差原因：(1)ma1 所以信噪比低；2、有寄生调幅；3 、

18、 工 作 于 中 短 波330MHZ 有天电干扰第一节 调角波的性质收听效果好因为 FM 可将高音频率扩至15KHZ,所以音域宽,画面音丰富。差 音域受限功率利用率高Pmax=Pav 幅度不变表明:要求最大功率储备=实际提供的平均功率低 ma=1Pmax=(1+ma)2Po=4Po而平均功率Pav=(1+0.5ma2)Po=1.5Po实际 ma=0.3所以 Pav=1.05PoPo要求最大功率储备=4Pav频带宽度宽BHZ=2(m+1)Fmax，而 m1，所以只能工作在超短波，否则电台挤不下。我国 FM 频率范围为88108MHZ较窄 B=2Fmax 传播距离近因为超短波遇电离层时穿透不反射,

19、所以只能用地面直射传播远因为反射传播技术设备及造价复杂、成本高除比例鉴频器检波外,还需高放,去加重电路,收立体声还需解码电路简单,经济第一节 调角波的性质 FM、PM的比较指标FM 指标PM 指标抗干扰性较强，因为 mf时， B不多，所以 mf可取大较差， 因为 mP时， B 激增，所以 mp不可太大第一节 调角波的性质带宽接近于恒带宽变带宽若mf1=12 Fmin=1KHZBHZ=2(12+1)1=26KHZ当Fmax=4kHZ， mf2=12/4=3BHZ=2(3+1)4=32KHZFmax=4KHZ，mp=12BHZ=2(12+1)4=104KHZ综合说：综合说：调角优于调幅，而调频又优

20、于调相。调角优于调幅，而调频又优于调相。一、调频电路主要指标及实现方法（一）调频器的主要技术指标（1 1）调制特性的线性调制特性的线性：调频波频偏与调制电压关系特性：调频波频偏与调制电压关系特性f=f(Uf=f(U) )称调制特性，即要求称调制特性，即要求fufu。（2 2）调制灵敏度调制灵敏度：指单位调制电压变化能产生的频偏：指单位调制电压变化能产生的频偏S=f/uS=f/u，S S越大越好。越大越好。第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路（3）载频稳定度载频稳定度：越高越好。载频稳定是保证正常通信的必要：越高越好。载频稳定是保证正常通信的必要条件。条件。（4）最大频偏最大频偏ff：在正

21、常调制电压作用下能获得的最大频偏。：在正常调制电压作用下能获得的最大频偏。要求要求ff与与F无关。无关。(在整个波段内保持不变在整个波段内保持不变)。相对频偏相对频偏10-2时称大频偏时称大频偏 用于卫星通信、微波中继用于卫星通信、微波中继 （二）调频方法 有二种：有二种：(1)直接调频直接调频：u 变化变化LC回路的回路的L或或C变化变化变化变化 特点特点：简单，：简单，ff大，但大，但fc稳定性较差。稳定性较差。(因为变频管偏置因为变频管偏置电压漂移、温度电压漂移、温度T变化变化fc变化变化)第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路（2）间接调频）间接调频:首先首先 u (t)dt 再调

22、相再调相得调频波得调频波 特点特点：fc稳定，但稳定，但ff小。小。 二、直接调频电路（一）变容二极管直接调频电路（一）变容二极管直接调频电路电路如图电路如图LCT等效回路等效回路第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路图中图中C1为隔直电容为隔直电容 C2高频旁路电容高频旁路电容 RFC高频扼流圈通直隔交高频扼流圈通直隔交nTTUUCC)/1 (0变容管电容当外加电压变容管电容当外加电压U=0，CT=CT0Lc1RFC-UBUC2CT原理电路原理电路 -UB保证变容管工作的反向直流偏压。保证变容管工作的反向直流偏压。UBU m U 调制调制电压电压第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路

23、nTTQTtmCC)cos1 (其中：其中：BDmTUUUm变容管的电容调制度变容管的电容调制度nDBTTQUUCC)/1/(0u =0时的结电容时的结电容将其代入将其代入U=UB+u =UB+U mcos t由图变容管两端电压由图变容管两端电压 回路振荡频率回路振荡频率2/)cos1 (11nTTQTtmLCLC2/)cos1(nTCtm第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路若令电容指数若令电容指数n=2，则有，则有 = C(1-mTcos t) = C-mT C cos t = C-mcos t 其中：其中：m=mT C为为 FM波最大角频偏。波最大角频偏。c=mcos t 即即c U

24、 (t)当电容指数当电容指数n 2时，令时，令x=mTcos t,将将展成麦格劳林级数展成麦格劳林级数 =c) 12(2! 2121 2xnnxn(当x1时)c) 12(2! 2121 2xnnxnc2cos)12(8)12(8cos21 22tmnnmnntmnTTT 第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路)12(2!2121 )1 (22xnnxnxn由m 可由可由cos t项决定，即项决定，即m= cnmT/2 U m一定时，一定时，m越大越好。越大越好。调制灵敏度调制灵敏度：Sm=m/ U m=n c/2(U -UB)固定频偏由直流项决定固定频偏由直流项决定 co= n(n/2-1

25、)/8 mT2 c 它存在使它存在使载频不稳，所以载频不稳，所以co越小越好。越小越好。二次谐波失真的最大频偏二次谐波失真的最大频偏2m由由cos2 t项决定，项决定，2m = n(n/2-1)/8 mT c 它使失真增加，所以它使失真增加，所以2m越小越好。越小越好。第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路结论：结论：若若n一定，一定，mT m (频偏增大频偏增大)Sm 但但 mT co ，2m ， 因此必须合理的选择因此必须合理的选择mT。 为了避免高频振荡电压对为了避免高频振荡电压对CT的影响，常用对称直接调的影响，常用对称直接调频电路如图：频电路如图：c1RFCc2RFCUBuRFC

26、CTCTL对对u ,UB来说，两变容管并联；来说，两变容管并联；对高频振荡电压，两变容管串联，相互抵消。对高频振荡电压，两变容管串联，相互抵消。第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路 (二二)石英晶体调谐振荡器石英晶体调谐振荡器实际电路见实际电路见P248图图7-20优点：优点：中心频率稳定性高中心频率稳定性高(因为晶体振荡器因为晶体振荡器)缺点：缺点：频偏小频偏小三、间接调频电路三、间接调频电路(阿姆斯特朗系统阿姆斯特朗系统)1）间接调频原理）间接调频原理先将调制信号积分，再去调相，所得结果就是先将调制信号积分，再去调相，所得结果就是FM波（如图）波（如图）u调频波调相器晶体振荡器CRu

27、间接调频原理框图第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路若设若设: U = U mcos t 用用U 去调相，其相偏去调相，其相偏(t)=kp u =kp U msin t/RC =kfU m sin t/ =mfsin t(其中，其中，kf=kp/RC,mf=kfU m/ )显然，这与调频波的瞬时相偏表示式完全一致，显然，这与调频波的瞬时相偏表示式完全一致， 所以可所以可实现间接调频。实现间接调频。第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路则则u 积分后积分后,tURCtdtCOSURCdttuRCummsin11)(1 C1C3 隔直电容隔直电容 -9V提供反偏直流提供反偏直流 C4,R

28、4 为积分器，以获得为积分器，以获得u L，CT组成并联谐振回路组成并联谐振回路 当当u =0时，时，CT=CTQ,f=fc,电路呈纯阻电路呈纯阻 u CT 对载频信号而言，对载频信号而言，回路呈容性回路呈容性 U滞后滞后I第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路uCR1C1C2R2FM波LC4CTR4R3C3uI2)间接调频电路间接调频电路电路如图电路如图 u CT 对载频信号而言，回路呈感性 U导前I 所以u 改变 CT改变改变，实现调相 分析：若u= Umcost 则经积分后，U= UmsintBmTnTTQTUUUmtmCC)sin1 (，其中2/2/)sin1 ()sin1 (11

29、nTcnTTQTotmtmLCLC第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路 展成麦格劳林级数：sin)12(2! 21sin21 220 tmnntmnTTC 因为mT2fmax，fmax为为FM波波的最大频偏的最大频偏BUff0 基本思想基本思想：FM波FM-AM波uL=UL+u峰包检波变换器一、斜率鉴频器一、斜率鉴频器1单端斜率鉴频器单端斜率鉴频器电路如图：电路如图：第四节第四节 鉴频器鉴频器0DCCLRLLupuLttttupupupuLu 优点优点：简单缺点缺点：线性范围窄大时失真严重。为克服此缺点引出平衡斜率鉴频器。UL原理原理：Up曲线如图0c输入FM波的C0，使之处于失谐状态。

30、2.平衡斜率鉴频器(1)电路如图电路如图第四节 鉴频器要求：要求：D1=D2 C3=C4 R1=R2, 2 00时，U2导前U1小于900（+或20） 0时，U2导前U1大于900（-或2 0时时 R3、R4，其分流作用忽略，所以，其分流作用忽略，所以UAB UR3+UR4可见，在参数相同时，比例鉴频器的灵敏度低了一半。可见，在参数相同时，比例鉴频器的灵敏度低了一半。212134343411(22DDDDABCCCCCCUUUUUUUUUUU)(21)(211234DDdccUUKUUU)（2）U只与21DDUU结论：结论：（1）UAB=常数,由于C5大，对突变信号起限幅作用。 它的大小取决于

31、FM的振幅。 （3）灵敏度不高，相当于相位鉴频器的1/2。 第四节 鉴频器（4）调节麻烦，对FM幅度缓慢的寄生调幅，C5不起限幅 作用。有关，寄生调幅使UD1、UD2同时变化，21DDUU不变，所以抑制寄生调幅无需限幅器。 但 移相器作用：把移相器作用：把FM波变换为波变换为FM-PM波波 相位检波器：由乘法器构成，把相位检波器：由乘法器构成，把U1、U2的相位差检出的相位差检出下面我们分析一下移相器的波形变换原理下面我们分析一下移相器的波形变换原理：最大优点：最大优点：适合于集成化适合于集成化，因而有发展前景。(一）工作原理一）工作原理 框图：框图：常用的移相器如图：常用的移相器如图：C1L

32、CU1U2R限幅器限幅器移相器移相器相位相位检波器检波器低通低通滤波器滤波器uiu1u2u 四、符合鉴频器四、符合鉴频器 移相器的电压传输函数为：，)1(11112LCCjRCjRUUk代入上式令01202,)(1ffQLRQCCLejKjLCjQjQLCjQKo1) 1(1122212，012122221ffQtgLCQk变换变换可见f相位检波过程：相位检波过程：FM波经限幅放大后，波经限幅放大后，u1、u2接近于方波，如图接近于方波，如图电压平均值电压平均值=面积面积/2 显然显然U 与与 （U1U2的相位差）成线性关系的相位差）成线性关系第四节 鉴频器u2u1U1U2tt23422221

33、21UUUUKUm2121UUKm红阴影面积红阴影面积蓝阴影面积蓝阴影面积将将 代入上式，得到：代入上式，得到：022ffQ相乘后得到幅为相乘后得到幅为U0=KmU1U2，u0仍近似为脉冲波形。仍近似为脉冲波形。u0KmU1U2t02102144ffQUKKffQUUKUmm当当 f较小时，较小时， 较小，较小，fUK常数第四节 鉴频器U大信号小信号Q02ff 由此可得出符合鉴频器由此可得出符合鉴频器的鉴频特性曲线如图：的鉴频特性曲线如图：结论：1.大信号鉴频时，斜率较大大信号鉴频时，斜率较大（灵敏度高）线性范围较（灵敏度高）线性范围较宽，但由于宽，但由于B较宽，所以较宽，所以噪声较大噪声较大 2 .小信号鉴频时，小信号鉴频时，B较窄，所以引入噪声小，信噪比高，但较窄