第8章 角度调制与解调

1、8.1 概述概述8.2 调角波的性质调角波的性质8.3 调频方法概述调频方法概述8.4 变容二极管调频变容二极管调频8 8 角度调制与解调角度调制与解调8.5 晶体振动器直接调频晶体振动器直接调频8.6 间接调频：由调相实现调频间接调频：由调相实现调频8.7 相位鉴频器相位鉴频器 教学目的一、概述一、概述角度调制和解调电路都属于角度调制和解调电路都属于频谱频谱非线性变换非线性变换电路。电路。无论是调频还是调相最终都表现为已调波的总相位（角度）无论是调频还是调相最终都表现为已调波的总相位（角度）受到调制信号的控制，故统称为角度调制。受到调制信号的控制，故统称为角度调制。角度调制可分为两种：角度调

2、制可分为两种：频率调制或调频频率调制或调频：FM(Frequency Modulation) 振幅不变，振幅不变，瞬时频率瞬时频率随调制信号的振幅线性变化随调制信号的振幅线性变化相位调制或调相：相位调制或调相：PM(Phase Modulation) 振幅不变，振幅不变，相位相位随调制信号的振幅线性变化随调制信号的振幅线性变化 8.1 概述概述 调幅：将调制信号的低频频谱结构线性搬移到载波附近的高频区。调幅：将调制信号的低频频谱结构线性搬移到载波附近的高频区。 载波的振幅随调制信号的变化而变化，载波的频率和相载波的振幅随调制信号的变化而变化，载波的频率和相 位不受调制信号的控制，属于位不受调制

3、信号的控制，属于线性频谱搬移技术。线性频谱搬移技术。二、调幅与调角的区别：二、调幅与调角的区别：调角：已调波的频谱结构与原调制信号的频谱结构完全不同。载调角：已调波的频谱结构与原调制信号的频谱结构完全不同。载 波的振幅不变，它的频率和相位受调制信号的控制，属于波的振幅不变，它的频率和相位受调制信号的控制，属于 非线性频谱搬移技术。非线性频谱搬移技术。8.1 概述概述8.1 概述概述AMFMtV000cosvtVcosvtV000cosvtVcosv 0D D m 0+D D m8.1 概述概述三、调频的优缺点：三、调频的优缺点：调频优点：调频优点： 抗干扰性强抗干扰性强 功率管利用率高功率管利

4、用率高 信号传输保真度高信号传输保真度高调频缺点：调频缺点： 只能工作在超短波以上波段只能工作在超短波以上波段 电路结构复杂电路结构复杂8.1 概述概述四、调频与调相的比较四、调频与调相的比较在数字通信中，相位键控的抗干扰能力优于频率在数字通信中，相位键控的抗干扰能力优于频率键控和幅度键控，因而调相制获得广泛应用键控和幅度键控，因而调相制获得广泛应用。在模拟通信中，系统带宽相同时，调频系统接收机在模拟通信中，系统带宽相同时，调频系统接收机输出端的信噪比明显优于调相系统，故广泛采用调输出端的信噪比明显优于调相系统，故广泛采用调频制。广泛用于广播、电视、通信、遥感技术。频制。广泛用于广播、电视、通

5、信、遥感技术。8.1 概述概述1.调频波的指标调频波的指标寄生调幅寄生调幅频谱宽度频谱宽度抗干扰能力抗干扰能力五、调频波的指标、鉴频方法和鉴频指标五、调频波的指标、鉴频方法和鉴频指标2. 鉴频方法鉴频方法利用波形变换电路进行鉴频利用波形变换电路进行鉴频脉冲计数式鉴频器脉冲计数式鉴频器符合门鉴频器符合门鉴频器3.鉴频器的指标鉴频器的指标（2）鉴频灵敏度）鉴频灵敏度（1）鉴频跨导）鉴频跨导（3）鉴频频带宽度）鉴频频带宽度（4）寄生调幅抑制能力）寄生调幅抑制能力（5）失真和稳定性）失真和稳定性8.1 概述概述调频：使高频载波的瞬时频率随调制信号线性变化的调频：使高频载波的瞬时频率随调制信号线性变化的

6、一种调制方式。一种调制方式。调相：使高频载波的瞬时相位随调制信号线性变化的调相：使高频载波的瞬时相位随调制信号线性变化的一种调制方式。一种调制方式。 这两种调制都表现为高频载波的总瞬时相角受到这两种调制都表现为高频载波的总瞬时相角受到调变，故将它们统称为调变，故将它们统称为角度调制角度调制(简称调角简称调角) 。8.2 调频波的性质调频波的性质8.2 调频波的性质调频波的性质8.2 调频波的性质调频波的性质瞬时频率瞬时频率)(t瞬时相位瞬时相位)(t00t0实轴实轴)(ttt )(t00)(tttd)(ttdd1、调频波数学表达式、调频波数学表达式)()(0tktvf设：调制信号为设：调制信号

7、为v (t)，瞬时频率偏移，简称频移。瞬时频率偏移，简称频移。)()(tktDvf最大频移（即频偏）最大频移（即频偏）,表示为：表示为：max)(tkDvf载波信号载波信号)cos()(000tVtv瞬时频率瞬时频率:000)()(ttkttdfv000)(dttkttvf瞬时相位：瞬时相位：相移：相移：；ttkttdffD0)()(vmax0)(ttktdffDvfm8.2 调频波的性质调频波的性质以单音调制波为例以单音调制波为例调制信号调制信号tVtcos)(vtVktcos)(0f00sin)(tVkttf瞬时频率瞬时频率瞬时相位瞬时相位已调频信号：已调频信号：)sincos()(000

8、tVktVtaf)sincos(000tmtVfVkmffDf8.2 调频波的性质调频波的性质2、调相波数学表达式、调相波数学表达式00)()(tkttvp)()(00tktttvpdd瞬时瞬时相位相位偏移，简称偏移，简称相相移。移。)()(tktDvp最大相移（即相偏）最大相移（即相偏）,表示表示为：为：max)(tkDvp)(0ttkvddp瞬时相位：瞬时相位：瞬时频率瞬时频率:频偏频偏:max)()(ttktDvddpppm调制指数（最大相移）调制指数（最大相移）00cos)(tVkttptVktsin)(0p瞬时频率瞬时频率瞬时相位瞬时相位已调相信号：已调相信号：)coscos()(0

9、00tVktVtap)coscos(000tmtVpppVkm DpDm以单音调制波为例：以单音调制波为例：调制信号调制信号tVtcos)(v8.2 调频波的性质调频波的性质附：上述比较中的调制信号附：上述比较中的调制信号 v (t)，载波，载波V0mcos 0(t)数学表达式数学表达式ttktVtd)(cos0f00v瞬时频率瞬时频率瞬时相位瞬时相位频偏频偏调制指数调制指数FM波波PM波波ttkddp)(0vtttkt0f0d)(vmaxpmd)(dttkDvmax0fd )(ttkmtfvmaxpp)(tkmv)(cosp00tktV v)(f0tvk)(p0tkt vmaxfm)(tkD

10、v8.2 调频波的性质调频波的性质m pmmm f调频：调频：调相：调相： 可以看出调相制的信号带宽随调制信号频率的可以看出调相制的信号带宽随调制信号频率的升高而增加，而调频波则不变，有时把调频制叫做升高而增加，而调频波则不变，有时把调频制叫做恒定带宽调制。恒定带宽调制。VkmffDfVkmppDpDVkffDVkpp 由于调频波和调相波的方程式相似，因此只要分析其中一由于调频波和调相波的方程式相似，因此只要分析其中一种的频谱，则对另一种也完全适用。种的频谱，则对另一种也完全适用。已调频信号已调频信号)sincos()(00tmtVtaf已调相信号已调相信号)coscos()(00tmtVta

11、p已调频信号已调频信号)sincos()(00tmtVtaf)sinsin(sin)sincos(cos000tmttmtVff其中其中tnmJmJtmn2cos)(2)()sincos(120fnfftnmJtmn) 12sin()(2)sinsin(012fnf)(fnmJ是以是以mf为参数的为参数的n阶第一类贝赛尔函数。阶第一类贝赛尔函数。1、频谱、频谱调制信号调制信号tVtcos)(v) 12sin()(2sin2cos)(2)(cos)(0f1n201fn2f000tnmJttnmJmJtVtannsin) 12sin()(2cos2cos)(2cos)(00f1n201fn20f0

12、0ttnmJttnmJtmJVnn)12(cos)12(cos)()2cos()2cos()(cos)(000f1n20001fn20f00tntnmJVtntnmJtmJVnn 1) 调频波的频谱不是调制信号频谱的简单搬移，是调频波的频谱不是调制信号频谱的简单搬移，是由载波和无数对边带分量所组成，由载波和无数对边带分量所组成， 振幅由对应的各振幅由对应的各阶贝塞尔函数值所确定。奇次的上、下边带分量振阶贝塞尔函数值所确定。奇次的上、下边带分量振幅相等、极性相反；偶次的振幅相等、极性相同。幅相等、极性相反；偶次的振幅相等、极性相同。 2) 调制指数调制指数mf越大，具有较大振幅的边频分量就越大，

13、具有较大振幅的边频分量就越多。越多。 3) 对于某些对于某些mf值，载频或某边频振幅为零。籍此可值，载频或某边频振幅为零。籍此可以测定调制指数以测定调制指数mf。 频谱特点：频谱特点： 4)调频波的平均功率恒为定值，并且等于未调制时调频波的平均功率恒为定值，并且等于未调制时的载波功率。的载波功率。 )(2)(2)(202121222020nnmJmJmJRVPfnfnff fnf )(2)(2122020nmJmJRVRV220 根据帕塞瓦尔根据帕塞瓦尔(Parseval)定理调频波的平均功率定理调频波的平均功率等于各频谱分量平均功率之和。因此，在电阻等于各频谱分量平均功率之和。因此，在电阻R

14、上，上，调频波的平均功率应为调频波的平均功率应为2、带宽、带宽 通常规定：凡是振幅小于未调制载波振幅的通常规定：凡是振幅小于未调制载波振幅的1(或或10，根据不同要求而定，根据不同要求而定)的边频分量均可忽略的边频分量均可忽略不计，保留下来的频谱分量就确定了调频波的频带不计，保留下来的频谱分量就确定了调频波的频带宽度。宽度。 如果将小于调制载波振幅如果将小于调制载波振幅l0的边频分量略去的边频分量略去不计，则频谱宽度不计，则频谱宽度BW可由下列近似公式求出：可由下列近似公式求出：)(2) 1(2fFfFmBWD1）频带宽度）频带宽度在实际应用中：在实际应用中：)AM(2, 1f波波频频带带相相

15、同同与与窄窄带带调调频频FBWmFmBWm)1(2, 1ff宽宽带带调调频频)(22,10mmff为为最最大大频频偏偏ffFmBWmDD 调制指数越大，应当考虑的边频分量的数目调制指数越大，应当考虑的边频分量的数目就越多，无论对于调频还是调相均是如此。就越多，无论对于调频还是调相均是如此。2）频带宽度与调制指数的关系）频带宽度与调制指数的关系（1）调频波的频带宽度与调制频率的关系）调频波的频带宽度与调制频率的关系VkmffffFDD在常用的宽带调频制中，仅当在常用的宽带调频制中，仅当F变化时：变化时：3）频带宽度与调制频率的关系）频带宽度与调制频率的关系 mf随随F降低而增大，应考虑到边频分量

16、增多；但降低而增大，应考虑到边频分量增多；但同时各边频之间的距离缩小，两种变化对带宽的影同时各边频之间的距离缩小，两种变化对带宽的影响是相反的，总的趋势是使带宽基本恒定。因此又响是相反的，总的趋势是使带宽基本恒定。因此又把调频叫做恒定带宽调制。把调频叫做恒定带宽调制。调频波的频谱调频波的频谱VkmppDp（2）调相波的频带宽度与调制频率的关系）调相波的频带宽度与调制频率的关系 mp不随不随F变化，应考虑到边频数目不变；但各边变化，应考虑到边频数目不变；但各边频之间的距离随频之间的距离随F变化，因此频带宽度随变化，因此频带宽度随F变化。变化。 4）多个频率成分调制信号的调频信号的频谱）多个频率成

17、分调制信号的调频信号的频谱)sinsinsin(sin)sinsincos(cos)sinsincos()(22f11f022f11f0022f11f00tmtmttmtmtVtmtmtVta以双频信号为例以双频信号为例tnmJmJtmn2cos)(2)()sincos(120fnfftnmJtmn) 12sin()(2)sinsin(012fnf 此时增加了许多组合频率，使频谱组成大为复杂。因此，此时增加了许多组合频率，使频谱组成大为复杂。因此，调频与调相制属于非线性调制。调频与调相制属于非线性调制。对调频电路的主要要求：对调频电路的主要要求：产生调频信号的方法：产生调频信号的方法：（1）已

18、调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化。）已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化。（2）未调制时的载波频率，即已调波的中心频率具）未调制时的载波频率，即已调波的中心频率具有一定的稳定度（视应用场合不同而有不同的要求）。有一定的稳定度（视应用场合不同而有不同的要求）。（3）最大频移与调制频率无关。）最大频移与调制频率无关。（4）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。直接调频直接调频用调制信号直接控制载波的瞬时频率。用调制信号直接控制载波的瞬时频率。间接调频间接调频由调相变调频。（先对调制信号积分，由调相变调频。（先对调制信号积分，然后对载波进行调相）然后对载波进行调相）8.

19、3 调频方法概述调频方法概述8.3 调频方法概述调频方法概述 直接调频的基本原理是用调制信号直接线性地改直接调频的基本原理是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。变载波振荡的瞬时频率。 如果载波由如果载波由LC自激振荡器产生，则振荡频率主自激振荡器产生，则振荡频率主要由谐振回路的电感元件和电容元件所决定。因此，要由谐振回路的电感元件和电容元件所决定。因此，只要能用调制信号去控制回路的电感或电容，就能只要能用调制信号去控制回路的电感或电容，就能达到控制振荡频率的目的。达到控制振荡频率的目的。8.3 调频方法概述调频方法概述瞬时频率瞬时频率)(t瞬时相位瞬时相位)(t00)(tttd)(tt

20、dd借助于调相器得到调频波借助于调相器得到调频波tttkt0)()(dfDv)(cos)(000ttktAtatdpv间接调频中若间接调频中若载波采用石英载波采用石英晶体振荡器，晶体振荡器，则调频波的中则调频波的中心频率的稳定心频率的稳定度很高。度很高。主要优点：能够获得较大的频移（相对于间接调频而主要优点：能够获得较大的频移（相对于间接调频而言），线路简单，并且几乎不需要调制功率。言），线路简单，并且几乎不需要调制功率。主要缺点：中心频率稳定度低。主要缺点：中心频率稳定度低。应用范围：在移动通信以及自动频率微调系统中。应用范围：在移动通信以及自动频率微调系统中。8.4 变容二极管调频变容二极

21、管调频 利用半导体利用半导体PNPN结的结电容随反向电压变化特性结的结电容随反向电压变化特性制成的一种半导体二极管制成的一种半导体二极管( (变容变容二极管二极管）。结电容）。结电容C Cj j与反向电压与反向电压vR R存在如下关系：存在如下关系：反向电压反向电压tVVtcos)(0RvjjD)1 (0VCCRv式中式中 Cj0： 0RvRv：反向偏置电压，：反向偏置电压，VD：PN结势垒电位差。结势垒电位差。 ：结电容变化指数，通常：结电容变化指数，通常=1/21/3，经特殊工，经特殊工艺制成的超突变结电容艺制成的超突变结电容=15。 tmCtmVVCtVVVVVVCVtVVCVtVVCC

22、jjjjcos1cos11cos1cos1)cos(10D000DD0D0D00D00j其中其中： D0001VVCCj为静态工作点为静态工作点(即调制信即调制信号为零）的结电容。号为零）的结电容。 m为调制深度为调制深度 LC互感耦合正弦振荡电路。互感耦合正弦振荡电路。CLCCCCCCcc100011,则振荡频率为：当调制信号为零时，振荡回路总电容为： ：时，振荡回路总电容为当调制信号tVtcos)(v)cos1 (110111tmCCCCCCCCCCCCCCccjccjcjc001)cos1 (1)(CCCtmCCCCCtCccccDCCCLCCLCLDDD111)(111110振荡频率变

23、为：02020002)1 ()(2111DDDDDDDCCCC可得：CCDD210，上式可简化为：小频偏时：D0tmtmtmtm3322cos)2)(1(61cos) 1(21cos1)cos1 (),(12coscos12cos) 1(41cos)2)(1(8 81) 1(411210222mtAtAAtmtmmm)1)(,(1 ),(1),(1 1)(0000200CCmCCCCmCCCCCmCCCtCccccccccD）通常满足条件：0020021),(C(),()1 (CCmCmCCCCcccc),(2)()(0200mCCCCCftfccDCCpKCCCpcc2,020令：2cosc

24、os),()(:21000DtAtAAKfmKftf则 与调制信号成线性关系的成份，其最大频移为：02011)2)(1(881KfmmfKAfDKfmfKAfKfmfKAf303302022)2)(1(241) 1(41DD数。三次、总非线性失真系分别为二次、2322133122,kkkffkffkDDDD02000) 1(41KfmfKAfD 直接调频的主要优点是可以获得较大的频偏，直接调频的主要优点是可以获得较大的频偏，但是中心频率的稳定性（主要是长期稳定性）较差。但是中心频率的稳定性（主要是长期稳定性）较差。稳定中心频率可以采用对石英晶体振荡器进行直接稳定中心频率可以采用对石英晶体振荡器

25、进行直接调频。变容二极管接入振荡回路有两种方式。调频。变容二极管接入振荡回路有两种方式。 变容二极管接入振荡回路有两种方式。一种是变容二极管接入振荡回路有两种方式。一种是与石英晶体相串联，另一种是与石英晶体相并联。与石英晶体相串联，另一种是与石英晶体相并联。变容二极管与晶体并联连接方式有一个较大的缺点，变容二极管与晶体并联连接方式有一个较大的缺点，就是变容管参数的不稳定性直接严重地影响调频信就是变容管参数的不稳定性直接严重地影响调频信号中心频率的稳定度。因而用得比较广泛的还是变号中心频率的稳定度。因而用得比较广泛的还是变容管与石英晶体相串联的方式。容管与石英晶体相串联的方式。8.5 晶体振动器

26、直接调频晶体振动器直接调频 8.5 晶体振动器直接调频晶体振动器直接调频Pierce Oscillators (cb)型振荡器型振荡器8.5 晶体振动器直接调频晶体振动器直接调频高稳定度高稳定度载波振荡载波振荡器器 相位相位调制器调制器积分积分 电路电路多级倍频多级倍频和混频器和混频器宽带宽带 )(tFMv)(tvtt d)(v窄带窄带)(tFMv 采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个稳定的载频信号进行调相，这样一来就可得到中心频率稳定稳定的载频信号进行调相，这样一来就可得到中心频率稳定度高的调频信号。度高的调频信号。8.6 间接调频

27、：由调相实现调频间接调频：由调相实现调频 调相的方法通常有三类：一类是用调制信号控制谐振回路调相的方法通常有三类：一类是用调制信号控制谐振回路或移相网络的电抗或电阻元件以实现调相。第二类是矢量合成或移相网络的电抗或电阻元件以实现调相。第二类是矢量合成法调相。第三类是脉冲调相。法调相。第三类是脉冲调相。1）谐振回路或移相网络的调相方法）谐振回路或移相网络的调相方法（1）利用谐振回路调相）利用谐振回路调相)2arctan(0ffQDD8.6.1 调相的方法调相的方法（2）利用移相网络调相）利用移相网络调相iViViV28.6.1 调相的方法调相的方法2）合成调相法阿姆斯特朗法）合成调相法阿姆斯特朗法)(sinsin)(coscos)(0000tAtAtAtAtappvv6|)(|ptkvttAAtAta0000sin)(cos)(pvtA00costtAA00sin)(pv8.6.1 调相的方法调相的方法实现矢量合成法的方框图实现矢量合成法的方框图8.6.1 调相的方法调相的方法用载波振荡与双边带调幅波叠加以实现调相用载波振荡与双边带调幅波叠加以实现调相8.6.1 调相的方法调相的方法8.6.1 调相的方法调相的方法1.电路电路8.7 相位鉴频器相位鉴频器12122121212121VVVVVVVVVVabbcDabacD1121,I