第8章调角与解调

1、第第8章章 角度调制与解调角度调制与解调 1、角度调制信号分析2、调频器与调频方法3、鉴频器与鉴频方法4、鉴频器与鉴频方法5、鉴频电路概概 述述 在无线通信中，在无线通信中，频率调制和相位调制是又一类重要的调是又一类重要的调制方式。制方式。 1、频率调制又称调频(FM)模拟信号调制，它是使高，它是使高频振荡信号的频率按调制信号的规律变化频振荡信号的频率按调制信号的规律变化(瞬时频率变化的瞬时频率变化的大小与调制信号成线性关系大小与调制信号成线性关系)，而振幅保持恒定的一种调制，而振幅保持恒定的一种调制方式。调频信号的解调称为鉴频或频率检波。方式。调频信号的解调称为鉴频或频率检波。 而而数字信号

2、频率调制称为频率键控（FSK) 2、相位调制又称调相(PM) 模拟信号调制，它的相，它的相位按调制信号的规律变化，振幅保持不变。调相信号的解位按调制信号的规律变化，振幅保持不变。调相信号的解调称为鉴相或相位检波。调称为鉴相或相位检波。 类似的，数字信号相位调制称为相位键控（PSK) 3、角度调制得特点：调频和调相统称为调频和调相统称为角(度)调(制)，角度调制角度调制属于频谱的非线性变换，即已调信号的频谱结构，即已调信号的频谱结构不再保持原调制信号频谱的内部结构，且调制后的信号带不再保持原调制信号频谱的内部结构，且调制后的信号带宽通常比原调制信号带宽大得多，因此宽通常比原调制信号带宽大得多，因

3、此角度调制信号的频带利用率不高，但其抗干扰和噪声的能力较强。 另外，角度调制的分析方法和模型等都与频另外，角度调制的分析方法和模型等都与频谱线性搬移电路不同。谱线性搬移电路不同。 4、调频与调相的关系、调频与调相的关系 调频波和调相波都表现为高频载波瞬时相位随调制信号的变化而变化，只是变化的规律不同而已。由于频率与相位间存在微分与积分的关系，调频与调相之间也存在着密切的关系，即调频必调相，调相必调频。同样，鉴频和鉴相也可相互利用，即可以用鉴频的方法实现鉴相，也可以用鉴相的方法实现鉴频。 一般来说，在模拟通信中，调频比调相应用广泛，而在数字通信中，调相比调频应用普遍。本章只者重讨论模拟调频。8.

4、1 角度调制信号分析 一、调频信号的时域分析 1、调频信号的表达式与波形 设调制信号为单一频率信号v(t)=vcost，未调载波电压为v0=v0cos0t，则根据频率调制的定义，调频信号的瞬时角频率为：000( )( )( )cosfmttk vtt 它是在它是在0的基础上，增加了与的基础上，增加了与v(t)成正比的频率偏移。成正比的频率偏移。式中式中kf为比例常数。为比例常数。（8-1） 调频信号的瞬时相位(t)是瞬时角频率(t)对时间的积分，即：式中，0为信号的起始角频率。为了分析方便，不妨设0=0，则式（8-2）变为：00( )( )ttd （8-2） 0000( )( )sinsin(

5、 )tmftdtttmtt （8-3） 式中， 为调频指数。FM波的表示式为mfm0sin000( )cos(sin)RefjmtjtFMfvtVtmtV ee 图画出了图画出了频率调制过程中调制信号、调频信号及相频率调制过程中调制信号、调频信号及相应的瞬时频率和瞬时相位波形应的瞬时频率和瞬时相位波形。图8-1 调频波波形t0t0u(a)(b)t0(t)(c)cmt0(d)IFM(t)t(t)024Tc2Tcmf(t)c(e)2、调频信号的基本参数 在调频信号中，有三个基本参数： (1) 载波角频率0：是没有受调时的载波角频率。 (2) 调制信号角频率：它反映了受调制的信号的瞬时频率变化的快慢

6、。 (3) 最大角频偏m：是相对于载频的最大角频偏，与之对应的频偏fm=m/2，也反映了瞬时频率摆动的幅度。 在频率调制中，最大角频偏m是衡量信号频率受调制的程度的重要参数，也是衡量调频信号质量的重要参数。2、调频信号的基本参数 在调频发射机中允许将最大频偏限制在75KHZ。我国的调频频率规定范围为87-108MHZ。学校一般规定在70-87MHZ之间，一般调频收音机接收不到信号。 (4) 调频波的调制指数调频波的调制指数mf： mf= m/ = ffm/ F。 由于由于mf与与V成正比，因此也称为调制深度。成正比，因此也称为调制深度。二、调频信号的频域分析 1调频波的展开式 参见8.2.3

7、2调频波的频谱结构和特点 单一频率调频波是由许多频率分量组成的，而不像振幅调单一频率调频波是由许多频率分量组成的，而不像振幅调制那样，单一低频调制时只产生两个边频制那样，单一低频调制时只产生两个边频(AM、DSB)，因，因此调频属于非线性变换。其分布规律如下图所示。此调频属于非线性变换。其分布规律如下图所示。图10.2.6 单频调制时FM波的振幅谱（a）为常数;（b）m为常数 (图中忽略了幅度较小的边频分量)cmf 1cmf 1mf 2ccmf 2cmf 5cmf 10Qcmf 15mf 5cmf 10mf 20cc(a )(b ) (1) 调频波的频谱是由载波0和无数边频0n构成，这些边频对

8、称地分布在载频两边，其幅度取决于调制指数mf ； (2) 由于mf=m/=fm/F，且m=kfV，因此调制指数mf既取决于最大频偏，又取决于调制信号频率F。 (3) 由于相邻两根谱线的间隔为调制信号频率，因此调制信号频率越大，谱线间隔越大，在相同的调制指数mf时，最大频偏也越大。 mf=m/=kfV/ (4) 在调制信号频率一定时，调制信号幅度越大，其最大频偏也越大，即调制指数mf也越大。 (5) mf 相同时，频谱的结构相同。mf越大，有影响的边频分量越多，即最大频偏内包含的谱线越多：m= mf。 3、调频信号的带宽 从原理上讲，调频波包含无穷多频率分量，其带宽是没有意义的。但从工程上看，幅

9、度较大的边频分量是不多的。 (1) 确定带宽的准则 通常选取有影响边频分量的的准则是：信号的频带宽度应包括幅度大于未调载波1%以上的边频分量。不过，在要求不高的场合，此标准也可定为5%甚至10%。 (2) 宽带调频与窄带调频及带宽 宽带调频(WBFM)：是指调频时其调制指数mf1的调频。此时带宽为： Bw=2mfF=2fm 窄带调频(NBFM)：是指调频时其调制指数mf很小的调频，如mf0.5。此时 Bw=2F (3) 卡森带宽：对于一般情况，调频波的带宽可以取为： Bw=2(mf +1)F=2(fm +F) 更准确的调频波带宽计算公式为：2(1)ffBWmmF三、调频波的功率 调频波的平均功

10、率与未调载波的平均功率相等。当调制指数mf由零增加时，已调制的载波功率下降，而分散给其他边频分量。这就是说，调频的过程就是进行功率的重新分配，而总功率不变，即调频器可以看作是一个功率分配器。四、调频波与调相波的比较四、调频波与调相波的比较 1调相波 调相波是其瞬时相位以未调载波相位0为中心按调制信号规律变化的等幅高频振荡。如v(t)=Vcost，并令0=0，则其瞬时相位为 (t)=0t+(t)=0t+kPv(t) =0t+mcost=0t+mPcost （8-16） 从而得到调相信号为 vPM(t)=V0cos(0t+mPcost) （8-17） 式中(t)= kPV=mP称为最大相偏，mp称

11、为调相指数。 kp = (t)/V称为调相灵敏度。调相波的波形如下图 图8-7 调相波波形t0t0u(a)(b)(c)t0(f )iPM(t)tPM(t)0c(g)ic(t)t0(d)(t)t0(e)(t)tc0m调频与调相的关系FM积分调相u(a)PM微分调频u(b)表8-1 调频波与调相波的比较表 在本节结束前，要强调几点: （1）角度调制是非线性调制，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制（cn1k2+）分量。 （2）调频的频谱结构与mf密切相关。mf大，频带宽。 3）与AM制相比，角调方式的设备利用率高，因其平均功率与最大功率一样。 8.2 调频器与调频方法一、调

12、频器 调频器：实现调频的电路称为调频器(频率调制器)或调频电路。 调频特性：是指调频器的调制特性，即是指输出已调信号频率(或频偏)随输入信号(调制信号)的变化规律。 一般而言，调频特性如图下所示，其要求如下: （1）调制特性线性要好。 （2）最大频偏要满足要求。 （3）调制灵敏度要高。 （4）载波性能要好。 图8-10 调频特性曲线 U0f二、调频方法调频方法 1直接调频法 a、变容二极管调频 b、晶体振荡器直接调频 2间接调频法（利用调相的方式调频） a、矢量合成调相法（阿姆斯特朗法） b、利用移向网络调相 c、脉冲调相 d、可变延时法二、调频方法调频方法 1直接调频法 这种方法一般是用调制

13、电压直接控制振荡器的振荡频率，使振荡频率f(t)按调制电压的规律变化。若被控制的是LC振荡器，则只需控制振荡回路的某个元件(L或C)，使其参数随调制电压变化，就可达到直接调频的目的。 特点：A 振荡器与调制器合二为一； B 在实现线性调频的要求下，可以获得 较大的频偏； C 频率稳定度差。 2间接调频法 基本思想是：先将调制信号积分，然后对载波进行调相。 实现间接调频的关键是如何进行相位调制。通常，实现相位调制的方法有: （a）矢量合成法。这种方法主要针对的是窄带的调频或调相信号。对于单音调相信号 uPM=Vcos(ct+m Pcost) =Vcosctcos(mPcost)-Vsin(mPc

14、ost)sinct 当mP/12时，上式近似为： vPMVcosct-Vmpcostsinct （8-20）FM积分调相u(a)PM微分调频u(b)从(8-20)可以看出：当调相指数较小时，调相波可由两个信号合成得到窄带调相方法(NBPM) .窄带调相方法(NBPM)方法与普通AM波(乘法器实现载波与调制信号相乘）的实现方法(8-11(a)非常相似，其主要区别仅在载波的相位上（在NBPM中，乘法器载波的相位要移相90度sin）。分析图8-11。 vPMVcosct-Vmpcostsinctf (t)放大器cos ctAMf (t)放大器cos ctPMsin ct/2(a)(b)f (t)co

15、s ctFMsin ct/2(c)图8-11 矢量合成法调幅、调相和调频 积分电路 (b) 可变移相法 可变移相法就是利用调制信号控制移相网络或谐振回路的电抗或电阻元件来实现调相。应用最广的变容二极管调相。 (c) 可变延时法 可变延时法是将载波信号通过一可控延时网络，延时时间受调制信号控制，即 =kdv(t) 则输出信号为 v=Vcosc(t-)=Vcosct-kdcu(t)由此可知，输出信号已变成调相信号了。 3、扩大调频器线性频偏的方法 对于直接调频电路，调制特性的非线性随最大相对频偏fm/f0的增大而增大。当最大相对频偏fm/f0限定时，对于特定的f0，f0也就被限定了，其值与调制频率

16、的大小无关。因此，如果在较高的载波频率上实现调频，在相对频偏一定的条件下，可得到较大的绝对频偏。 （读教材P272） 10.3 调频电路一、直接调频电路 1、变容二极管直接调频电路 (1) 变容二极管调频原理 变容二极管结电容Cj与在其两端所加反偏电压u之间存在着如下关系:0(1)jCCuu（10-21） 式中C0为变容二极管零偏时的电容，v为变容二极管为变容二极管PN结的结的势垒电位差势垒电位差，为结电容变化指数为结电容变化指数。 图10-12 变容管的Cjv曲线 0Cj21/31/2u/V(a)0Cj/pFu/V(b)2060402468缓变结突变结超突变结 静态工作点为VQ时，变容二极管

17、结电容为0(1)jQQCCCUu（10-22） 设在变容二极管上加的调制信号电压为设在变容二极管上加的调制信号电压为v(t)=Vcost，则：( )cosQQvVvtVVt（10-23） 图10-13 变容管作为回路总电容全部接入回路 Rb2Rb1ReEcCcLCcVDuEQCbLcCjL(a)(b)Cc图10-14 变容管线性调频原理oCjCQtu oCjt(a)off0tCoft(b)off0toft(c)uEQCQEQCj随时间变化振荡频率随时间变化线性调频 调频灵敏度222mcccffQQmkSUUEuE （10-29） 特点：A、输出频偏大，调制灵敏度高；B、调频振荡器的中心频率由C

18、Q决定，而由于CQ随温度、电源电压变化大，故频率稳定度低C、振荡回路的高频电压完全作用在变容管上，因此存在寄生调制，如图10-15所示。D、当偏压较小时，若变容管生高频电压过大，可能导致二极管正向导通，也将引起中心频率不稳。图10-15 加在变容管上的电压0Cj直流偏置点高频电压低频调制信号u图10-19 变容二极管直接调频电路举例 （a）实际电路;（b）等效电路 1000 pF4.3 k10 k1 k12 H3AG80D10 pF15 pF15 pF输出12 H33 pFL1000 pF20 H1000 pF1000 pF12 V22CC1E12 H调制信号输入偏置电压33 pFL15 pF

19、10 pF(a)(b)1000 pF 2. 晶体振荡器直接调频电路 变容二极管（对LC振荡器）直接调频电路的中心频率稳定度较差。为得到高稳定度调频信号，须采取稳频措施。有一种稳频的简单方法是：直接对晶体振荡器调频。 图10-20 晶体振荡器直接调频电路（a）实际电路;（b）交流等效电路 调制信号R3CjR4R2C2C1R5C3R1R6输出EcC2CjC1(a)(b)特点: 石英晶体工作于感性区，振荡频率介于晶体的串联振荡频率和并联振荡频率之间，其相对频偏很窄，只有10-3 10-4 。扩大频偏的方法：A、在晶体两端并联小电感，该法简单有效，但扩展范围有限，同时会使中心频率稳定度下降；B、利用型

20、网络进行阻抗变换；C、在调频振荡器的输出端增设多次倍频和混频的方法，该法不不仅满足了载频的要求，也增加了频偏。（7-34） 二、间接调频电路二、间接调频电路 间接调频的关键是调相，下面介绍常用的调相电路。1、回路参数移相电路 图10-23 单回路变容管调相器 高频振荡输入Rb2Rb1Lc1VReCeLC1CVDR2R1EcC3Lc2C2调相信号输 出调制信号输 入图10-24 三级回路级联的移相器 接下级放大管4703 pF22 k1 pF0.00222 k0.00222 k1 pF0.00247 ku47 k8 V5 pF 2 RC网络移相电路网络移相电路 见教材 3. 可变延时法调相电路可

21、变延时法调相电路 见教材 10.4 鉴频器与鉴频方法 一、鉴频器一、鉴频器1、概念 角调波的解调就是从角调波中恢复出原调制信号的过程。频率检波器(鉴频器)：调频波的解调电路称为频率检波器或鉴频器（FD），为了消除干扰，通常鉴频器中包含限幅器。相位检波器(鉴相器)：调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器（PD）。图10-28 鉴频器及鉴频特性 变换器fuofBuomaxuofcfAf(a)(b)2、鉴频器的主要参数、鉴频器的主要参数 (1) 鉴频特性鉴频特性(曲线曲线)：是：是指鉴频器的输出电压指鉴频器的输出电压u0与输入电压与输入电压瞬时频率瞬时频率f或频偏之间的关系曲线或频偏之间的关系曲线。

22、 理想鉴频特性曲线应是一条直线，但实际上往往有弯曲，理想鉴频特性曲线应是一条直线，但实际上往往有弯曲，呈呈S形，如下图所示。形，如下图所示。 （2）鉴频器的主要参数1）鉴频器的中心频率f0 鉴频器的中心频率f0调对应于鉴频特性曲线原点处的频率。通常，由于鉴频器在中频放大器之后，故中心频率中频频率相同。2）鉴频带宽Bm 鉴频带宽Bm:是指鉴频器能够不失真地解调所允许输入信号频率变化的最大范围。 在图7-28中：若fA=fA-fc=fc-fB，则Bm= 2fA3）鉴频器的线性度 鉴频器的线性度：是指鉴频特性曲线在鉴频带宽内的线性特性。4）鉴频跨导SD 鉴频跨导SD :是指鉴频器在载频处的斜率，它表

23、示单位频偏所能产生的解调输出电压。鉴频跨导又叫做鉴频灵敏度。用公式表示为：0cooDfffduduSdfd f （10-42） 鉴频跨导也可以理解为将输入频率转换为输出电压的能鉴频跨导也可以理解为将输入频率转换为输出电压的能力或效率，因此又称为鉴频效率力或效率，因此又称为鉴频效率。二、鉴频方法二、鉴频方法 1、鉴频方法的分类直接鉴频法 脉冲计数鉴频法间接鉴频法 1、振幅鉴频法 (a) 直接时域微分法 (b) 斜率鉴频法 2、相位鉴频法二、鉴频方法二、鉴频方法 1、鉴频方法的分类 (1) 直接鉴频法：是直接从调频信号的频率中提取原来调制信号的方法。主要有脉冲计数鉴频法。 (2) 间接鉴频法：就是

24、先对调频信号进行变换或处理，再从变换后的信号中提取原调制信号的鉴频方法。又可分为振幅鉴频法和相位鉴频法两大类。 下面分别介绍。2、振幅鉴频法 调频波振幅恒定，故无法直接用包络检波器解调。鉴于二极管峰值包络检波器线路简单、性能好，能否把包络检波器用于调频解调器中呢？ 显然，若能将等幅的调频信号变换成振幅也随瞬时频率变化、既调频又调幅的FMAM波，就可以通过包络检波器解调此调频信号。用此原理构成的鉴频器称为振幅鉴频器。其工作原理如图10-29所示。 (a)振幅鉴频器框图；(b)变换电路特性 图10-29 振幅鉴频器原理 uFM变换电路包络检波uuo(b)0uc(a) (1) 直接时域微分法 原理：

25、设调制信号为v=f(t)，调频为：00( )cos( )( )( )sin( )tFMcftFMcfcfvtVtkfdutvVk f ttkfddt （10-43） （10-44） 对此式直接微分可得 由上式可以看出：电压v的振幅与瞬时相位成正比，故上式为一个FM-AM波。然后利用包络检波器从此FM-AM波提取出原调制信号即可。( )( )cftk vt图7-30 微分鉴频原理uFM包络检波uuoddt 由上面的分析可以看出，直接时域微分法鉴频器由两大部分组成，即微分器和包络检波器。 直接时域微分法鉴频器的特点：直接时域微分法鉴频器的特点：原理简单，但由于器件原理简单，但由于器件的非线性等原因，其鉴频线性范围是相当有限的。的非线性等原因，其鉴频线性范围是相当有限的。 下图为一微分法鉴频器原理电路。下图为一微分法鉴频器原理电路。图10-31 微分鉴频电路 ui(t)EcCuc(t)ii(t)RCcEcRoCouo平衡支路 (2) 斜率鉴频法 概述：前面鉴频器的微分器的作用也可以用其他网络来完成，如低通、高通、带通网络等。使用得最多的是带通网络。 1) 单调谐回路斜率鉴频法 原理：图10-32为单调谐回路斜率鉴频原理电路及工作原理，这是利用调谐回路幅频特性倾斜部分对FM波解调的，因此成为斜率鉴频法。另外由于是利用调谐回路的失(离)谐状态，所以又称为失(