[信息与通信]高频电路原理与分析-第7章频率调制与解调ppt课件

1、高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 第第7章章 频率调制与解调频率调制与解调 7.1 调频信号分析调频信号分析 7.2 调频器与调频方法调频器与调频方法7.3 调频电路调频电路高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 7.1 调频信号分析调频信号分析 7.1.1 调频信号的参数与波形 设调制信号为单一频率信号u(t)=Ucost,未调载波电压为uC=UCcosct,那么根据频率调制的定义,调频信号的瞬时角频率为( )( )( )cosccfcmttk utt (71) 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 它是在c的根底上,添加了与u(t)成正比的频率偏移。式中kf为比例常数。调频信

2、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,无妨设0=0,那么式72变为00( )( )ttd 72 0( )( )sinsin( )tmccfctdtttmtt 73 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 式中， 为调频指数。FM波的表示式为mfmsin( )cos(sin)RefejmtjtFMCcfCutUtmtU ee(74) 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图71 调频波波形t0t0u(a)(b)t0(t)(c)cmt0(d)IFM(t)t(t)024Tc2Tcmf(t)c(e)高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调

3、 图72 调频波fm、mf与F的关系 Ffmmf0fmmf高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 7.1.2 调频波的频谱 1调频波的展开式 由于式74中的 是周期为2/的周期性时间函数,可以将它展开为傅氏级数,其基波角频率为,即sinfjmtesin()fjmtjn tnfneJme75 式中Jn(mf)是宗数为mf的n阶第一类贝塞尔函数,它可以用无穷级数进展计算:20( 1) ()2()!()!fnnmnfmmJmm nm76 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 它随mf变化的曲线如图73所示,并具有以下特性: Jn(mf)=J-n(mf), n为偶数 Jn(mf)=-J-n(mf

4、), n为奇数 因此,调频波的级数展开式为()( )Re()()cos()cjt n tFMCnfnCnfcnutUJmeUJmnt 77 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图73 第一类贝塞尔函数曲线 01234567891011120.40.200.20.40.60.81.0Jn(mf)J0J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10mf高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 2调频波的频谱构造和特点 将上式进一步展开,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

5、-2)t+J3(mf)cos(c+3)t -J3(mf)cos(c-3)t+ 78 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图74 单频调制时FM波的振幅谱a为常数;bm为常数 cmf1cmf1mf2ccmf2cmf5cmf10Qcmf15mf5cmf10mf20cc(a)(b)高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图75 调频信号的矢量表示 0载波0载波合成矢量0合成矢量(a) AM情况(b) NBFM情况mfsin t高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图76 |n(mf)|0.01时的n/mf曲线 mfn/mf0123448121620高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调

6、 7.1.3 调频波的信号带宽 通常采用的准那么是,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,即 |Jn(mf)| 0.01 由图可见,当mf很大时,n/mf趋近于1。因此当mf1时,应将n=mf的边频包括在频带内,此时带宽为 Bs=2nF=2mfF=2fm 79 当mf很小时,如mf0.5,为窄频带调频,此时 Bs=2F 710高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 对于普通情况,带宽为 Bs=2(mf+1)F=2(fm+F) 711 更准确的调频波带宽计算公式为 2(1)sffBmmF712 当调制信号不是单一频率时,由于调频是非线性过程,其频谱要复杂得多。比如有F1、F2

7、两个调制频率,那么根据式(7-7)可写出1122(sinsin)212( )Re()cos()ffcj mt mtjtFMCCnfcnkutU eeUJmnkt 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 7.1.4 调频波的功率 调频信号uFM(t)在电阻RL上耗费的平均功率为22222( )1()2()112FMAMLFMcnfnLnfnFMccLutPRPUJmRJmPUPR 由于余弦项的正交性,总和的均方值等于各项均方值的总和,由式77可得 713 714 715 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 7.1.5 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c为中

8、心按调制信号规律变化的等幅高频振荡。如u(t)=Ucost,并令0=0,那么其瞬时相位为 (t)=ct+(t)=ct+kpu(t) =ct+mcost=ct+mpcost 716 从而得到调置信号为 uPM(t)=UCcos(ct+mpcost) 717 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 调相波的瞬时频率为( )( )sinsincpcmdttmttdt 718 图78 调相波fm、mp与F的关系 Ffmmp0fmmp高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图77 调相波波形t0t0u(a)(b)(c)t0(f )iPM(t)tPM(t)0c(g)ic(t)t0(d)(t)t0(e)

9、(t)tc0m高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 至于PM波的频谱及带宽,其分析方法与FM一样。调置信号带宽为 Bs=2(mp+1)F (719) 图79 调频与调相的关系 FM积分调相u(a)PM微分调频u(b)高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 2调频波与调相波的比较 调频波与调相波的比较见表71。 在本节终了前,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调频的频谱构造与mf亲密相关。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。 高频电路原理与分析第7章 频率调制

10、与解调 表71 调频波与调相波的比较表 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 7.2 调频器与调频方法调频器与调频方法 7.2.1 调频器 对于图710的调频特性的要求如下:1调制特性线性要好。 2调制灵敏度要高。 3载波性能要好。 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图710 调频特性曲线 U0f高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 7.2.2 调频方法 1直接调频法 这种方法普通是用调制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。假设被控制的是LC振荡器,那么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,就可到达直接调频的目的。 高频

11、电路原理与分析第7章 频率调制与解调 2间接调频法 实现间接调频的关键是如何进展相位调制。通常,实现相位调制的方法有如下三种: (1矢量合成法。这种方法主要针对的是窄带的调频或调置信号。对于单音调置信号 uPM=Ucos(ct+mpcost) =Ucosctcos(mpcost)-Usin(mpcost)sinct 当mp/12时,上式近似为 uPMUcosct-Umpcostsinct 720高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图711 矢量合成法调 f (t)放大器cos ctAMf (t)放大器cos ctPMsin ct/2(a)(b)f (t)cos ctFMsin ct/2(

12、c)高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 (2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。 (3可变延时法。将载波信号经过一可控延时网络,延时时间受调制信号控制,即 =kdu(t) 那么输出信号为 u=Ucosc(t-)=Ucosct-kdcu(t) 由此可知,输出信号已变成调置信号了。 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 3.扩展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/fc的增大而增大。当最大相对频偏fm/fc限定时,对于特定的fc,fm也就被限定了,其值与调制频率的大小无关。 高频电路原理与分析第7

13、章 频率调制与解调 7.3 调频电路调频电路 7.3.1 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 其结电容Cj与在其两端所加反偏电压u之间存在着如下关系:0(1)jCCuu721 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图712 变容管的Cju曲线 0Cj21/31/2u/V(a)0Cj/pFu/V(b)2060402468高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 静态任务点为EQ时,变容二极管结电容为0(1)jQQCCCEu722 设在变容二极管上加的调制信号电压为 u(t)=Ucost,那么( )cosQQuEutEUt723 高频电路原理与分析第7章 频率调

14、制与解调 将式723代入式721,得00cos(1)1(1cos)(1)(1cos)jQQQQCCEUtuCEUtEuuCmt(724) 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 2) 变容二极管直接调频性能分析 1Cj为回路总电容。图713为一变容二极管直接调频电路,Cj作为回路总电容接入回路。图7-13b是图713a振荡回路的简化高频电路。 由此可知,假设变容管上加u(t),就会使得Cj随时间变化时变电容,如图714(a)所示,此时振荡频率为/2/211( )(1cos)(1cos)cjQtmtmtLCLC725高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图713 变容管作为回路总电容全部接

15、入回路 Rb2Rb1ReEcCcLCcVDuEQCbLcCjL(a)(b)Cc高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图714 变容管线性调频原理oCjCQtu oCjt(a)off0tCoft(b)off0toft(c)uEQCQEQ高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 振荡频率随时间变化的曲线如图714(b)所示。 在上式中,假设=2,那么得( )(1cos)( )cctmtt 726普通情况下,2,这时,式725可以展开成幂级数221( )1cos(1)cos22! 2 2otmtmt 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 忽略高次项,上式可近似为222( )(1)cos8 2

16、2(1)cos28 2coscos2ccccccmmtmmtmttt (727) 二次谐波失真系数可用下式求出:221(1)4 2mfmKm (728) 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 调频灵敏度可以经过调制特性或式727求出。根据调频灵敏度的定义,有222mcccffQQmkSUUEuE 729 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 2Cj作为回路部分电容接入回路。在实践运用中,通常2,Cj作为回路总电容将会使调频特性出现非线性,输出信号的频率稳定度也将下降。因此,通常利用对变容二极管串联或并联电容的方法来调整回路总电容C与电压u之间的特性。 高频电路原理与分析第7章 频率调制

17、与解调 图715 Cj与固定电容串、并联后的特性 C/pF7060502010510.10.5125u/VC1CjC2高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图716 变容二极管直接调频电路举例 a实践电路;b等效电路 1000 pF4.3 k 10 k 1 k 12 H3AG80D10 pF15 pF15 pF输出12 H33 pFL1000 pF20 H1000 pF1000 pF 12 V22CC1E12 H调制信号输入偏置电压33 pFL15 pF10 pF(a)(b)1000 pF高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 将图716b的振荡回路简化为图717,这就是变容管部分接入回

18、路的情况。这样,回路的总电容为212212(1cos)jjQQC CCCCCC CCCmtC730 图717 部分接入的振荡回路 LC1C2Cj高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 振荡频率为 221222221( )(1coscos)coscos222ccccctAmtA mtAAmAmtmt 式中 21212222111221()231(1)18421(1)(1)cQQC CL CCCApAppppppp pp 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 121212QQmccCpCCpCfAmfmfp从式732可以看出,当Cj部分接入时,其最大频偏为733 高频电路原理与分析第7章 频

19、率调制与解调 图718 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高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 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,如添加自动频率微调电路或锁相环路第8章讨论。还有一种稳频的简一方法是直接对晶体振荡器调频。高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图719变容管等效电容随高频电压振幅和偏压的变化 (aj随U1变化曲线;bCj随E变化曲线 Cj/pF353025201510500.5 0.7 1.01.52.0U1/VCj/pF40251574321.522.54E

20、Q/V2.55689102030356 7 8 9 10U11.5V1V0.5V(a)(b)EQ2 V2.6 V2.7 V3 V3.3 V3.5 V4 V4.5 V5 V6 V高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图720a为变容二极管对晶体振荡器直接调频电路,图b为其交流等效电路。由图可知,此电路为并联型晶振皮尔斯电路,其稳定度高于密勒电路。其中,变容二极管相当于晶体振荡器中的微调电容,它与C1、C2的串联等效电容作为石英谐振器的负载电容CL。此电路的振荡频率为1012()qqLCffCC734 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图720 晶体振荡器直接调频电路a实践电路;b交流等效电路 调制信号R3CjR4R2C2C1R5C3R1R6输出EcC2CjC1(a)(b)高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 3. 张弛振荡器直接调频电路 图721是一种调频三角波产生器的方框图。调制信号控制恒流源发生器,当调制信号为零时,恒流源输出电流为I;当有调制电压时,输出电流为I+I(t),I(t)与调制信号成正比。 高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图721 三角波调频方框图 恒流源发生器反相器调制电压积分器电压比较器IIabus调 频三角波uTI压控开关高频电路原理与分析第7章 频率调制与解调 图72