射频模拟电路_No8_频谱搬移电路-角度调制与解调

1、电子科技大学 电子工程学院第四章 频谱搬移电路-角度调制与解调 2角度调制是让载波的瞬时频率或瞬时相位与调制信号成线性关系，而载波的振幅不变。角度调制具有比振幅调制更强的抗干扰能力。由于角频率与相位的变化都会引起载波的相位角变化，所以把这两种调制称为角度调制。角度调制的基本概念 调频是使高频载波的瞬时频率按调制信号规律变化的一种调制方式；调相是使高频载波的瞬时相位按调制信号规律变化的一种调制方式。因为这两种调制都表现为高频振荡波的总瞬时相角受到调变，故将它们统称为角度调制(简称调角) 。瞬时频率瞬时相位0实轴4.5 调角波的基本性质调频设调制信号为v (t)，载波信号 0是未调制时的载波中心频

2、率；kfv (t)是瞬时频率相对于0的偏移，叫瞬时频率偏移，简称频率偏移或频移。可表示为最大频移，即最大频偏，表示为瞬时频率瞬时相位瞬时相移mf调频指数4.5.2 调频数学表达式与相关参数 Kf称为调频灵敏度,常数,rad/(s.v) ，调制信号幅值变化单位数值所产生的频偏称为调频灵敏度。FM表达式:最大相移调相0t+0是未调制时的载波相位；kpv (t)是瞬时相位相对于0t+ 0的偏移，叫瞬时相位偏移，简称相位偏移或相移。可表示为最大相移，即最大相偏，表示为瞬时相位瞬时频率 最大频偏调相指数设调制信号为v (t)，载波信号4.5.2 调相数学表达式与相关参数 Kp称为调相灵敏度,常数,rad

3、/(v)调相波的数学表达式 数学表达式瞬时频率瞬时相位最大频移调制指数FM波PM波4.5.2 调相数学表达式与相关参数 设调制信号为v (t)，载波信号以单音调制波为例调制信号调频瞬时频率瞬时相位已调频信号4.5.2 数学表达式与相关参数 调相瞬时频率瞬时相位已调相信号以单音调制波为例调制信号4.5.2 数学表达式与相关参数 以单音调制波为例调制信号调频调相瞬时频率瞬时相位瞬时频率瞬时相位4.5.2 数学表达式与相关参数 m pmmm f调频调相 可以看出相位调制信号的带宽随调制信号频率的升高而增加，而调频波则不变，有时把调频叫做恒定带宽调制。4.5.2 数学表达式与相关参数 4.5.2 数学

4、表达式与相关参数 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。已调频信号已调相信号其中是以mf为宗数的n阶第一类贝赛尔函数。一、频谱调制信号4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 已调频信号一、频谱4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 1、频谱数量?2、各分量相位关系？3、带宽？一、频谱4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 1、频谱数量?2、各分量相位关系？ 1) 单音调制时，调频波的频谱不是调制信号频谱的简单搬移，而是由载波和无数对边带分量所组成， 它们的振幅由对应的各阶贝塞尔函数值所确定。其中，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。

5、 一、频谱4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 1、频谱数量?2、各分量相位关系？3、带宽？ 2) 单音调制时，调频波边带分量振幅由对应的各阶贝塞尔函数值所确定。高阶贝塞尔函数的振幅迅速下降，宗数 mf 越小，一般情况下，函数值也越小。因此，如忽略小于某值的边频分量，调频波的频带宽度是有限的。调制指数mf越大，具有较大振幅的边频分量就越多，占的带宽就宽。这与调幅波不同，在单频信号调幅的情况下，边频数目与调制指数无关。4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 3)载波分量和各边带分量的振幅均随mf变化而变化。对于某些mf值，载频或某边频振幅为零。籍此可以测定调制指数mf 。4.5.3 调角波的频谱及频带

6、宽度 上式表明，当V一定时，不论mf为何值，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。换句话说，改变mf仅会引起载波分量和各边带分量之间功率的重新分配，但不会引起总功率的改变。 4) 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R上，调频波的平均功率应为4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 若V=1，R=1，则P=1/2 虽然调频波的边频分量有无数多个，但是，对于任一给定的mf值，高到一定次数的边频分量其振幅已经小到可以忽略，以致滤除这些边频分量对调频波形不会产生显著的影响。二、带宽 通常规定：凡是振幅小于未调制载波振幅的1(或10，根据不同要求而定)的边频分量均可忽略不

7、计，保留下来的频谱分量就确定了调频波的频带宽度。 如果将小于调制载波振幅l0的边频分量略去不计，则频谱宽度BW可由下列近似公式求出：4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 在实际应用中也常区分为： 从上面的讨论知道，调频波和调相波的频谱结构以及频带宽度与调制指数有密切的关系。总的规律是：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。这是它们共同的性质。 但是，由于调频与调相与调制频率F的关系不同，仅当F变化时，它们的频谱结构和频带宽度的关系就互不相同。4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 调频调相 对于调频，仅当F变化时，在常用的宽带调频制中，频率分量随mf变化而变化，

8、但同时带宽基本恒定。因此又把调频叫做恒定带宽调制。 对于调相制，仅当F变化时，频率分量不变，但带宽变化。特别是F增加时，带宽增加。对于Fmin Fmax而言， Fmax决定总的带宽，低端频率分量的频谱利用率不高 。因此，模拟通信系统中调频要比调相应用得广泛。4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 m pmmm f调频波频谱 调频波频谱例 在下列情况下计算调频波的（1） ， ；（2） ， ；（3） ， ；F变化了100倍，但 变化很小，所以FM又称为恒定带宽调制。解：（1）（2）（3）4.5.3 调角波的频谱及频带宽度 例题4.5.3 调角波的频谱及频带宽度例题 4.5.3 调角波的频谱及频带宽度例

9、题 4.5.3 调角波的频谱及频带宽度例题 4.5.3 调角波的频谱及频带宽度例题 例题：已知某调频电路调制信号频率为400Hz，振幅为2.4V，调制指数为60，求频偏。当调制信号频率减为250Hz，同时振幅上升为3.2V时，调制指数将变为多少？ 产生调频信号的电路叫做调频器。应完成1、已调波的瞬时频率与调制信号成比例地线性变化。 2、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。3、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。 产生调频信号的方法很多，归纳起来主要有两类：第一类是用调制信号直接控制载波的瞬时频率直接调频。第二类是由调相变调频间接调频。4.6 直接调频

10、电路 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。因此，凡是能直接影响载波振荡瞬时频率的元件或参数，只要能够用调制信号去控制它们，并从而使载波振荡瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，都可以完成直接调频的任务。 如果载波由LC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，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。4.6 直接调频电路在振荡回路中接入可变电抗可变电容或可变电感，让电抗值受调制信号控制，就能达到直接调频的目的，振荡器的相位平衡条件决定了振荡器的振荡频率。4.6.1 LC正弦波振荡器直接调频电路 LC反馈正弦波

11、振荡器的振荡频率主要取决于振荡回路的电感量和电容值。可变电抗的作用可认为是改变了回路的相移，必须在新的频率下重新满足相位平衡条件 用有源器件(场效应管或晶体管)构成可变电抗。铁氧体磁心绕制的线圈当电流流过附加线圈时，电流的大小可以改变磁芯的导磁率，使主线圈的电感量发生变化。一种特殊制造的PN结二极管。PN结电容主要由势垒电容和扩散电容构成，变容二极管工作在反偏状态，结电容主要由势垒电容组成，当反向偏压变化时，PN结阻挡层宽度发生变化，势垒电容也变化。变容二极管4.6.1 LC正弦波振荡器直接调频电路 4.6.1 LC正弦波振荡器直接调频电路 变容二极管变容二极管的主要指标：电压为零时的结电容

12、电压为变容管反向击穿电压时的结电容变容比越大振荡器频率变化范围越大工作频率越高越小变容二极管一般在谐振回路中使用，以取代传统的可变电容器，因此必须要有足够的Q值。显然，随着频率的升高，Q值会逐渐降低，因此定义Q=1是频率为截止频率，使用时工作频率必须低于截止频率。 变容二极管的选用 变容二极管是专门作为“压控可变电容器”的特殊二极管，它有很宽的容量变化范围，很高的Q值。变容二极管的导电特性与检波二极管相似，但结构却不同。变容二极管为获得较大的结电容和较宽的可变范围，多用面接触型和台面型结构。变容二极管适用于电视机的电子调谐电路；在调频收音机的AFC电路中，作为压控可变电容在振荡回路中使用。 选

13、用变容二极管时，要注意结电容和电容变化范围。使用变容二极管时，要避免变容二极管的直流控制电压与振荡电路直流供电系统之间的相互影响；通常采用电感或大电阻来作两者的隔离。另外，变容二极管的工作点要选择合适，即直流反偏压要选适当。一般要选用相对容量变化大的反向偏压小的变容二极管。 4.6.1 LC正弦波振荡器直接调频电路 4.6.1 LC正弦波振荡器直接调频电路 PN结的接触电位差 变容管的变容指数 与制造工艺有关 加到变容管上的电压 反向偏置直流电压 调制信号电压 变容二极管直接调频电路 变容二极管直接调频电路 变容二极管工作在反向偏置状态变容管的调制指数 变容二极管直接调频电路 变容管的调制指数

14、 回路的谐振频率 变容二极管直接调频电路 不加调制有无调制间的电容差为 变容二极管直接调频电路 有无调制间的电容差为 变容二极管直接调频电路 有无调制间的电容差为 变容二极管直接调频电路 有无调制间的电容差为 变容二极管直接调频电路的瞬时频率 变容二极管直接调频电路 变容二极管直接调频电路的瞬时频率 为减小中心频率的偏离及非线性失真使减小但有用的最大频偏项减小一般取变容管的变容指数 应尽可能接近1变容管的变容指数A0A2A30最佳为减小非线性失真及中心频率的偏离使振荡频率的变化，近似地与调制信号成线性关系。4.7 间接调频电路实现间接调频的关键是实现调相。 1、可变移相法调相电路 2、可变延时

15、法调相电路 1、可变移相法调相电路 4.7 间接调频电路变容管调相对于并联谐振回路：变容二极管：(t) 实现可控相移1、可变移相法调相电路 4.7 间接调频电路变容管调相对于并联谐振回路：变容二极管：(t) 实现可控相移可采用多级单回路变容管调相电路级联，增大mp4.7 间接调频电路 2、可变延时法调相电路 正弦波经过零检测，脉冲形成，形成窄脉冲序列，然后以它为周期形成锯齿波。把此锯齿电压与VQ及叠加后加到门限检测电路，达到检测电平，则输出电平跳变，触发脉冲发生器产生脉冲。锯齿波叠加VQ+后，基底变化，而门限电平是恒定值，于是延时发生变化。 4.8 调频波的解调 调频波解调又称为鉴频或频率检波

16、，调相波的解调称为鉴相或相位检波。 调频波或调相波都是等幅波，在接收的过程中，经过放大滤波后，振幅会发生变化。特别是干扰，一般都属幅度干扰，它也引起寄生幅度调制。解调器不是理想的，寄生调幅会反映在输出解调电压上。因此，解调前先要进行限幅处理。 谐振功率放大器工作在过压区就是限幅器。 ？二极管限幅器4.8 调频波的解调 调频信号的解调就是将瞬时频率变换成相应的电压幅度av，av与f的关系曲线称为鉴频特性。 调频波解调又称为鉴频或频率检波，调相波的解调称为鉴相或相位检波。 4.8 调频波的解调 调频信号的解调就是将瞬时频率的变化变换成相应的电压幅度av的变化，av与f的关系曲线称为鉴频特性。 调频

17、波解调又称为鉴频或频率检波，调相波的解调称为鉴相或相位检波。 4.8.2 斜率鉴频器利用频幅转换网络将调频信号转换成调频调幅信号, 然后再经过检波电路取出原调制信号, 这种方法称为斜率鉴频, 因为在线性解调范围内, 解调信号电压与调频信号瞬时频率之间的比值和频幅转换网络特性曲线的斜率成正比。某一线性网络线性系统理论输入信号输出信号的频谱函数输出信号微分网络可以将输入调频波的振幅变换成按瞬时频率变化的调频调幅波。 振幅与频率成正比！4.8.2 斜率鉴频器微分网络可以将输入调频波的振幅变换成按瞬时频率变化的调频调幅波。 调频调幅波4.8.2 斜率鉴频器对相频特性不苛求，能完成斜率鉴频器的线性网络单

18、失谐网络失谐点选在回路幅频特性斜坡直线部分的中间位置。4.8.2 斜率鉴频器为了扩大鉴频的 线性范围平衡电路检波器的电压传输系数 输出 两个谐振回路分别调谐在4.8.3 相位鉴频器第二部分是检出相位差的相位检波器。相位鉴频器由两部分组成第一部分是将调频波的瞬时频率的变化转变成附加相位的变化的频相转换网络；1频相转换网络理想的频相转换网络要求网络的相频特性是线性的，至少是在FM波瞬时频率变化的一定范围内是线性的。4.8.3 相位鉴频器1、LC谐振电路在一定的范围内，一定的条件下，具有线性的相频特性。 广义失谐 近似为线性函数 与 成线性关系 2乘积型相位鉴频器 理想乘法器 输出电压4.8.3 相位鉴频器经过低通滤波器的输出 与两个正交信号的相位差成正比 单位 模拟乘法器在一定条件下可作为鉴频器。 3叠加型相位鉴频器 4.8.3 相位鉴频器初级与次级之间采用了两种