w第6章-1角度调制电路

1、高频电路高频电路第6章 角度调制与解调电路高频电路高频电路6.1 概概 述述6.1.1 角度调制的定义与分类角度调制的定义与分类角度调制的定义：高频振荡的振幅Um保持不变，而总瞬时相角(t)却以一定的关系随调制信号u(t)变化。)(cos)cos()(0tUtUtumm高频振荡的表达式：振幅总瞬时相位初始相位分类:两类瞬时角频率随u(t)作线性变化，称频率调制（FM）初始相位0随u(t)作线性变化，称相位调制（PM）两种都表现为高频振荡的总瞬时相角(t)受到调制，统称角度调制高频电路高频电路6.1 概述概述6.1.2 角度调制的优角度调制的优缺缺点与用途点与用途优优、缺、缺点点：1、抗干扰能力

2、强（比调幅波）；2、较高的载波功率利用系数；3、占用的频带宽。用途用途：1、调频主要应用于调频广播、广播电视、通信等；2、调相主要应用于数字通信系统中的移相键控。高频电路高频电路1、调角波的数学表达式、瞬时频率和瞬时相位、调角波的数学表达式、瞬时频率和瞬时相位0( )( )(cos)( )cosccmcccmcu tu tUtu tUt低频调制信号：高频载波：( )cos( )mu tUt表达一般:式调角波固定值,06.1.3 调角波的基本性质调角波的基本性质0,( )( )( )( )( )( )coslim( )( )pcmcpcmcmctpk utUUUtttk utdutu ttdtt

3、tdtkdt （1）调相波的定义，与调制信号成线性关系因此调相波的一般表示式为瞬时角频率初始相位高频电路高频电路( )cos ( )mu tUt调角波00000( )( )c( )( )( )(os( )lim( )( )( )( )ftcftcmmcmcttcftcfUUttdtttdttdtk ut dtu tk uttkut dtUtkut dt （2）调频波的定义，；瞬时角频率与调制信号成线性关系因为，所以，调频波的瞬时相位：因此调频波的一般表达式为：高频电路高频电路2. 调角波的基本性质调角波的基本性质 调相波和调频波的瞬时相位、瞬时角频率都同时受调制信号调相波和调频波的瞬时相位、瞬

4、时角频率都同时受调制信号调变。差别是，调相波的瞬时相位的变化（相移）与调制信号成调变。差别是，调相波的瞬时相位的变化（相移）与调制信号成线性关系，调频波的瞬时角频率与调制信号成线性关系。线性关系，调频波的瞬时角频率与调制信号成线性关系。调相指数mp调频指数mf（1）调相波与调频波的比较）调相波与调频波的比较高频电路高频电路2. 调角波的基本性质调角波的基本性质( )cos( )cos( )cos( )coscoscosscoccmcmcmcpcmcpmpcmcpppmutUtutUtu tUtk utUtUtmtmk Utk Um高 频 载 波 ：，调 制 信 号 ：调 相 波 的 具 体 表

5、 示 式 为式 中 ，为 调 相 波 的 调 制 指 数 ，当调制为单音频时，求调相波、调频波的相应表达式当调制为单音频时，求调相波、调频波的相应表达式max( )ppmpmpdutkdtk Um最大频移调相波调相波与无关与成正比调制指数调制指数m定定义：调角波的义：调角波的最大相移。最大相移。调相指数调相指数mp，调频指数调频指数mf（2）调制指数、）调制指数、 （3）最大频移最大频移高频电路高频电路2. 调角波的基本性质调角波的基本性质00c o s (s i()c o s ()c o s c o sc o s s inntc mcftc mcfmc mcffmc mcffmfutUtku

6、t d tUtkkUtd tUttUUttkmmmU调 频 波 的 具 体 表 示 式 为式 中 ，为 调 频 波 的 调 制 指 数 ，max( )fmfmffkutk Um最大频移调频波调频波与无关与成反比高频电路高频电路2. 调角波的基本性质调角波的基本性质=22mmmmfmFfFm最 大 频 移式 中，总结：调相波和调频波的最大频移总结：调相波和调频波的最大频移m m均等于调均等于调制指数制指数m与调制频率与调制频率的乘积。的乘积。（4）最大频移）最大频移m、最大相移、最大相移m和调制信号频率和调制信号频率之间之间的关系的关系高频电路高频电路2. 调角波的基本性质调角波的基本性质（5）

7、调角波的波形）调角波的波形 (P158)高频电路高频电路3. 调角波的频谱及频谱宽度调角波的频谱及频谱宽度021210( )cos(sin)coscos(sin)sinsin(sin)cos(sin)sin(sin)cos(sin)()2()cos2sin(sin)2()sin(21)cmcfcmcfcmcfffffnfnfnfnu tUtmtUtmtUtmtmtmtmtJmJmn tmtJmnt，均为周期性（角频率为 ）函数。可展开成傅里叶级数，如下：调频波和调相波的表达式是相似的，因此，它们具调频波和调相波的表达式是相似的，因此，它们具有相同的频谱。以有相同的频谱。以调频波为例调频波为例（

8、1）调频波的频谱分析）调频波的频谱分析fmfk Um高频电路高频电路J n (mf )是以是以mf为参数的为参数的n阶第一类贝塞尔函数阶第一类贝塞尔函数高频电路高频电路Jn(mf)是以是以mf为参数的为参数的n阶第一类贝塞尔函数阶第一类贝塞尔函数发现：发现：mf 越大，有效越大，有效n越多；越多；当当n mf +1时，时，Jn(m)恒小于恒小于0.1同一同一mf，在，在n较大时，随较大时，随n变大，变大， Jn(m)变小，且快速变小变小，且快速变小高频电路高频电路0212112001( )coscos(sin)sinsin(sin)cos()()2()(cos2sin2()sin(21)cos

9、)cos()cos()cos()()2cmcfcmcfcmcfnfncmcnfncmccmccmccffcffmJmJmu tUtmtUtmtUt JmJmntUtJmntUtUtUtJmJmU 23344)cos(2)cos(3)c()()(os(3)cos(4)co)()()s(4fffffcmccmccmccmccmctUtUtUtUtJmJmJmJmJUmt 021cos(sin)()2() cos 2ffnfnmtJmJmnt210sin(sin)2() sin(21)fnfnmtJmnt载波载波边频对边频对1边频对边频对2边频对边频对3边频对边频对4高频电路高频电路调频波频谱的特点

10、：调频波频谱的特点：调频波的频谱不是调制信号的频谱的简单搬移，调频波的频谱不是调制信号的频谱的简单搬移，而是由载波分量和无数对边频分量所组成。而是由载波分量和无数对边频分量所组成。奇数项的上、下边频分量振幅相等，极性相反；奇数项的上、下边频分量振幅相等，极性相反；偶数项的上、下边频分量振幅相等，极性相同。偶数项的上、下边频分量振幅相等，极性相同。载波分量和各边频分量的振幅均与载波分量和各边频分量的振幅均与mf有关。有关。mf越越大，有效边频分量越多。大，有效边频分量越多。对于某些对于某些mf值，载波或某边频振幅为零。值，载波或某边频振幅为零。高频电路高频电路（2）调角波的频谱宽度）调角波的频谱

11、宽度频谱宽度：频谱宽度：调角波从理论上看它的频谱宽度调角波从理论上看它的频谱宽度无限大无限大。n表示边频对数，表示边频对数，m(mf ，或或mp )是调制指数。是调制指数。当当n m时，时，Jn(m)的数值很小。的数值很小。因此，在忽略振幅很小的边频分量时，调角波实际占因此，在忽略振幅很小的边频分量时，调角波实际占有的有的有效频谱宽度是有限的有效频谱宽度是有限的。高频电路高频电路调角波的有效频谱宽度估算调角波的有效频谱宽度估算在中等质量通信系统中，以忽略小于在中等质量通信系统中，以忽略小于10% Ucm 的边频分量来决的边频分量来决定频谱宽度。定频谱宽度。发现：当发现：当n m+1时，时，Jn

12、(m)恒小于恒小于0.1，可以忽略。频谱宽度为：，可以忽略。频谱宽度为：0.12(12,12,1)CRCRCRppBBmBmFmBFmmmmF，（最窄）要取靠近原数值的整数值。上述公式是调角波的通式 调相波用调频波用在高质量通信系统中，以忽略小于在高质量通信系统中，以忽略小于1% Ucm的边频分量来的边频分量来决定频谱宽度。可查表确定。决定频谱宽度。可查表确定。当当| Jn(m) | 0.01，|Jn+1(m) | 0.01时时,则频谱宽度为：则频谱宽度为：B = 2nF高频电路高频电路调频波的频谱宽度特点调频波的频谱宽度特点22,22(1)2()fmfmfmmffmmfCRfmk Uk Uf

13、mFFFk Ufm FFBmFfF与 无关当调制信号频率当调制信号频率F变化时，调频波的有效频谱宽度变化时，调频波的有效频谱宽度BCR变化变化不大。不大。原因是在最大频移原因是在最大频移fm一定的条件下，调频波的调幅指数一定的条件下，调频波的调幅指数mf与调制频率与调制频率F成反比，调制频率成反比，调制频率F越高，越高，mf越小，而振幅大越小，而振幅大于于10%的变频对数减小，故频谱宽度变化不大。的变频对数减小，故频谱宽度变化不大。不随F变高频电路高频电路例例1 调频波举例调频波举例 调频广播系统，调频波的最大频偏调频广播系统，调频波的最大频偏f fmax max = 75 kHzminmax

14、maxmin75502(1)2(15001)505015001515075152(1)2(51) 151805mmfffCRffCRfffm FmFkHzFmHzBmFFmBmF当，则kHzkHz当，kHz则kHzHzkHzkHz高频电路高频电路调相波的频谱宽度特点调相波的频谱宽度特点()2(1)ppmCRpmk UBmF不随调制信号频率改变假设调相波的调相指数假设调相波的调相指数mp = 5为常数，以下证明：为常数，以下证明：调相波的频谱宽度随调制频率调相波的频谱宽度随调制频率F增大而增加。增大而增加。minmax2 502(1)2 (5 1) 50600152(1)2 (5 1) 1518

15、0CRpCRpFBmFFBmF 例 调相波举例HzHzkHzkHzkHz高频电路高频电路6.2 频率调制电路频率调制电路（1）直接调频）直接调频原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号变化规律。使其不失真地反映调制信号变化规律。1. 调频电路分类调频电路分类改变振荡回路的元件参数实现调频改变振荡回路的元件参数实现调频 (LC选频振荡，改变选频振荡，改变L或或C的大小）的大小） 控制振荡器的工作状态实现调频控制振荡器的工作状态实现调频 （微波发射机）（微波发射机）6.2.1 调频电路的分类与要求调频电路的分类与要求高频电路高

16、频电路（2）间接调频）间接调频0( )cos( )tfcmcu tUtut dtk1100( )cos( )( )( )( )cos( )FMcmcpttFpMcmcutUtk u tu tut dtutUtut dtk这符合调频波的一般数学表达式1ucu高频电路高频电路6.2.1 调频电路的分类与要求调频电路的分类与要求具有线性调制特性具有线性调制特性调制灵敏度高调制灵敏度高最大频偏与与调制信号最大频偏与与调制信号频率无关频率无关载波频率稳定度高载波频率稳定度高无寄生调幅或寄生调幅小无寄生调幅或寄生调幅小0( )( )( )cos( )mcmcftcmcfUUtk utu tUtkut dt

17、调频波的定义：，；调频波的一般表达式为：2. 调频电路的要求调频电路的要求高频电路高频电路6.2.2 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路 变容二极管在加变容二极管在加反偏电压反偏电压时，其呈时，其呈现一个较大的结电容，而且这个结电容现一个较大的结电容，而且这个结电容的大小，能灵敏地随反向偏压的变化而的大小，能灵敏地随反向偏压的变化而变化。变化。0001jrDjrjjrDCCCUCuuUu结电容， 结反向偏置电压，为pn结的势垒电压,为时的结电容， 为电容变化系数1. 变容二极管的特性变容二极管的特性高频电路高频电路01jjrDCCuU高频电路高频电路2. 基本原理基本原理212( )

18、( )cos( )cos100BccQQBcBccBccrcmrmVVVVuututUtuVVVVtVUVt 要求：例如,假设高频电路高频电路3. 电路分析电路分析,1cosmDjQjQCCmmUtUV令为电容调制度。000coscoscos1(1)jjjjQmDQmDQmDDDDDQCCCCVUtUVUtUVUtUUUUUV000( )cos( )0( )1(1( )0)cosjjrDrQrQmjQDmjjQDQDutVUtutCVUutCCutUtUutVCCUVU，当调制信号电压时当调制信号电,压时高频电路高频电路（一）变容二极管作为振荡回路的总电容（一）变容二极管作为振荡回路的总电容1

19、1121122( )0,( )cos,1cos11cos11( )1( )1cocos)s(1cjmjQjQmcjcDcDQjQcQCCCCututUtmtCL CtL CL CtmtutUVLmtUtUV设未 接 入 ，是 耦 合 电 容 ， 较 大，当 调 制 信 号即 载 波 状 态 时当 调 制 信 号则 调 制 波1cosmDQjQjUmUVCCmt高频电路高频电路2( )cos,( )( )( )1cos2( )1coscosco,smcfcccmcfmmmcfccutk UtUttk uttmttmttmk Uff mm当调制信号根据调频波的定义瞬时角频率再看：（1）当时，符合调

20、频波定义 实现了线性调频讨论：mDQUmUV11cjQL C高频电路高频电路222233( )1cos1cos112222221coscoscos223!ctmtmtmtmtmt ，按 泰 勒 级 数 展 开！mDQUmUV2（2）若2211cos1cos 282282cmmtmt221 ,122()1c o sc o s22cmtmtmt因为忽略三次方项以上的各项！21c o s 21221c o s222ctmtm！高频电路高频电路2222221( )cos( )coscos2(1)18842(c)8222122cfmmfmcmfcccccmtk Utk Utttmmmmmm 根据调频波定

21、义，(a)调频波的最大角频率偏移b)二次谐波失真引起附加的最大角频率偏移调频波的二次谐波失真系数调频波会产生中心22182182ccccmm频率偏移中心角频率的相对偏离值为mDQUmUV讨论：若要调频的频偏大讨论：若要调频的频偏大, ,就需增大就需增大m m, ,这样中心频率偏移量、非这样中心频率偏移量、非线性失真量也会增大。线性失真量也会增大。m=1.6m=1.61010-3 -3实际很小实际很小end高频电路高频电路（二）变容二极管部分接入振荡电路（二）变容二极管部分接入振荡电路111cjcjC CCCCCL C11cjQLC01jjQQDCCVU变容二极管的结电容作为回路总电变容二极管的

22、结电容作为回路总电容的调频电路的容的调频电路的中心中心 频率频率 f fc c ( ( c c) )稳稳定度较差，这是因为中心频率决定定度较差，这是因为中心频率决定于变容二极管结电容的稳定性。于变容二极管结电容的稳定性。11cjQLC为了减少中心频率不稳，提高中心频为了减少中心频率不稳，提高中心频率稳定度，通常采用部分接入率稳定度，通常采用部分接入( (图图7-5(a)7-5(a)的办法来改善性能。的办法来改善性能。中心频率稳定度中心频率稳定度比全部接入振荡电路比全部接入振荡电路要要高高，但其，但其最大频偏最大频偏要减要减少少。随温度变随温度变VQ不不稳定稳定高频电路高频电路振荡频率计算振荡频

23、率计算111111/(1cos)/(1cos)(1cos)11(1cos)cjcjQcjcjQcjQcjQcjQcjQC CC CmtCCCCCCCmtC CCCmtCLCC CL CCmtC1cosmDQjQjUmUVCCmt( )cosmu tUt加调制信号后说明： 被调制信号调频高频电路高频电路4. 实际电路举例实际电路举例(西勒振荡电路）西勒振荡电路）（1 1）变容二极管的直）变容二极管的直流偏压由流偏压由R R1 1，R R2 2，WW定，定，正极接正极接 -4V-4V，负极，负极接地，接地，C Cj Qj Q 100PF100PF -4V（2 2）调制电压加到）调制电压加到变容二极

24、管的正极。变容二极管的正极。当偏压由当偏压由(0-8 )V(0-8 )V， 二极管的结电容二极管的结电容(23060) PF(23060) PF （3 3）共集电极的电）共集电极的电容三点式振荡器容三点式振荡器 1789561211111111jfLCCCCCCCC（4 4）振荡频率）振荡频率f f，最，最大线性频偏大线性频偏200kHz200kHz（5）AFC电路2703302075051023060 高频电路高频电路（1）载波频率可调）载波频率可调（2）双变容二极）双变容二极管，可减轻高频压管，可减轻高频压降对降对变容二极管电变容二极管电容的影响容的影响，又可增，又可增强调制灵敏度强调制灵

25、敏度高频电路高频电路6.2.3 石英晶体振荡器直接调频石英晶体振荡器直接调频 在对在对中心频率稳定度中心频率稳定度要求很高的场合，要求很高的场合，如调频广播的绝对（相对）频率稳定度如调频广播的绝对（相对）频率稳定度要求不劣于要求不劣于2kHz（10-5数量级），可数量级），可采用直接对石英晶体振荡器进行调频。采用直接对石英晶体振荡器进行调频。晶体振荡器直接调频电路通常是将变容晶体振荡器直接调频电路通常是将变容二极管接入二极管接入并联型并联型晶体振荡器的回路中晶体振荡器的回路中实现调频。实现调频。变容二极管接入振荡回路变容二极管接入振荡回路有有两种两种接入形接入形式：与式：与石英晶体相串联石英晶

26、体相串联、与与石英晶体相石英晶体相并联。并联。动态电容动态电容Cq= 10-3 pF量级，量级，静态电容静态电容C0 = 25 pF，Cq / C0的值一般为的值一般为10-3 10-4数量级。数量级。高频电路高频电路1）电路）电路共基极共基极电电容三点式容三点式振荡器振荡器2）频差）频差012qqqpCfffC晶体振荡器晶体振荡器的振荡频率的振荡频率只能在只能在 fq与与 fp之间变化。之间变化。高频电路高频电路晶体在电路中等效为电感，因此晶体振晶体在电路中等效为电感，因此晶体振荡器的振荡频率只能在荡器的振荡频率只能在fq与与fp 之间变化。之间变化。0011qpqqqqqL CCCLCC，

27、动态电容动态电容Cq=10-3 pF量级；静态电容量级；静态电容C0=25 pF；Cq / C0的值的值一般为一般为10-3 10-4 数量级，因此最大相对频偏很难超过数量级，因此最大相对频偏很难超过10-3 。最大频偏的计算最大频偏的计算00011221112pqqqqqqqqqffC CL CLCCCCL C012qqCfC014qmqCffC最大频偏，0014qmmqCffffC最大相对频偏高频电路高频电路6.3 相位调制电路相位调制电路调相电路的分类：调相电路的分类：（1）可变移相法调相）可变移相法调相（2）可变时延法调相）可变时延法调相（3）矢量合成法调相）矢量合成法调相6.3.1

28、调相电路的分类与要求调相电路的分类与要求对调相电路的要求：对调相电路的要求：（1）具有线性调相特性）具有线性调相特性（2）载波频率的稳定度高）载波频率的稳定度高（3）具有较高的调制灵敏度）具有较高的调制灵敏度（4）寄生调幅小）寄生调幅小高频电路高频电路6.3.2 可变移相法调相电路可变移相法调相电路c()( )utcosmcUt1 1、调相原理、调相原理晶体振荡器晶体振荡器可控移相网络可控移相网络cos()omccuUt ()( )cput 满足2 2、变容二极管调相电路、变容二极管调相电路高频电路高频电路（3 3）调相原理：利用由电感）调相原理：利用由电感L L和变容二极管组成的谐振回路的和

29、变容二极管组成的谐振回路的谐振频率随变容二极管结电容变化而变化来实现调相的谐振频率随变容二极管结电容变化而变化来实现调相的（1 1）元件的作用）元件的作用: :C1、C2、C3隔直通交；隔直通交；R1、R2、R3、R4隔离电阻隔离电阻（2 2）直流负偏压、调制信号）直流负偏压、调制信号11( )Csu tiR单回路变容二极管调相电路分析单回路变容二极管调相电路分析高频电路高频电路0( )01jjrDCCutuU， 使，谐振回路相谐振回路相频特性曲线频特性曲线00,1( )0,-( ),12jcrQjQcjutuVutCLLCCLC回路的（输入载波频率）谐振回路的相频特性为输出与输入同相负压增谐

30、振频率曲少线大减-9rQjjQuVVCC，0,1( )0,-( ),( )( )13ccrQjcjcctutuVutCLCtutut谐振回路对有一个正的附加相移输出电压的相位负压减少增大谐振回路对有一个负的附加相移输出电压的相位是由控制的变容二极管产生的这曲线个输出电压的相位就随变化而变化，曲线从而实现调相3. 调相定性分析调相定性分析1高频电路高频电路0001( )0,( )0,( )cos( )1cos( )2jjQcjQmccutCCLCututUttmtt 4. 电路定量分析电路定量分析10( )()cos()( )()()()=ocmccccccutIZttZZ 移相电路输出是谐振频率和是在上呈