通信电子线路角度调制与解调课件

1、本章重点：1、调频与调相的原理2、直接调频的变容二极管调频3、晶体振荡器直接调频4、间接调频的几种方法5、相位鉴频器原理6、比例鉴频器原理第6章 角度调制与解调第6章 角度调制与解调6.1 角度调制6.2 调频电路6.3 调角信号的解调6.4 调频电路实例分析与仿真第6章 角度调制与解调 当载波的频率按基带信号的规律变化时，则产生频率调制，又称调频（FM，frequency modulation）；当载波的相位按基带信号的规律变化时，则产生相位调制，又称调相（PM，phase modulation）。 调频波和调相波都表现为高频载波的角度随调制信号的变化而变化，而载波的振幅保持不变。因此，又称

2、调频和调相为角度调制。 角度调制是用调制信号去控制载波信号角度(频率或相位)变化的一种信号变换方式。 6.1.1 瞬时角频率与瞬时相位瞬时频率和瞬时相位间存在微分与积分的关系 6.1 角度调制6.1.2 调角信号的产生方法1、调频波表达式及波形 设调制信号为单一频率信号u(t)=Umcost,未调载波电压为uc(t)=Ucmcosct, 则根据频率调制的定义,调频信号的瞬时角频率为6.1 角度调制它是在c的基础上,增加了与u(t)成正比的频率偏移。式中kf为比例常数。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, 为信号的起始角频率。为了分析方便,不妨设 则上式 变为6.1

3、角度调制式中， 为调频指数。FM波的表示式为例62、设调制信号u(t)=2sin104t (V)，调频灵敏度Kf为220103rad/sV，若载波频率为10MHZ，载波振幅为6V。试求： (1)调频波的表达式； (2)调制信号的角频率，调频波的中心角频率c； (3)最大频率偏fm； (4)调频指数mf； (5)最大相位偏移为多少？ (6)最大角频偏和最大相偏与调制信号的频率变化有何关系？与振幅变化呢？6.1 角度调制调频波的瞬时频率和瞬时相位波形图6.1 角度调制2、调相波表达式及波形 调相高频振荡瞬时相位的变化量与调制信号成正比。根据定义瞬时相位随调制信号线性地变化，即为比例系数；mp= k

4、p Um，称为最大相移，或称调制指数。瞬时角频率为： 调相波是其瞬时相位以未调载波相位c为中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,则其瞬时相位为 (t)=ct+(t)=ct+kpu(t) =ct+mcost=ct+mpcost 从而得到调相信号表达式为 6.1 角度调制例63、有一调角波，其数学表达式为u(t)=10cos2105t+6cos(2104)tV，求：(1)、若调制信号u(t)=3cos(2104)t，指出该调角信号是调频信号还是调相信号？若u(t)=3sin(2104)t呢？(2)、载波频率fc是多少？调制信号频率F是多少？6.1 角度调制6.

5、1 角度调制6.1.3 调角信号的性质1、调角波的频谱（mf或mp用m代替 ）6.1 角度调制第一类贝塞尔函数曲线结论（1）载频分量上下有无数个分量；（2）调制系数mf越大，具有较大振幅的边频分量就越多；（3）对某些调制系数mf ，载频或某些边频振幅为零；（4）调频前后平均功率没有发生变化。单频调制时调频波的频谱6.1 角度调制2、调角波的功率调角波的平均功率与未调载波平均功率相等。当m由零增加时，已调制的载频功率下降，而分散给其他边频分量。也就是说，调制的过程只是进行功率的重新分配，而总功率不变，其分配的原则与调角指数m有关。6.1 角度调制6.1 角度调制3、调角波的带宽 通常采用的准则是

6、,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 对于一般情况,带宽为 BW= 2(mf+1)F = 2(fm+F) 对于宽带调制， fmF，即mf 1，有 BW = 2 fm 对于窄带调制， mf 1，有 BW = 2 F6.1 角度调制4、调频波与调相波的比较调制信号u(t)= Umcost；载波信号uc(t)=Ucmcosct项目调频信号调相信号瞬时角频率瞬时相位最大频偏m=kfUm=mfm= kpUm= mp调制指数（最大相偏）mf=m/= kfUm/mp=m/= kpUm已调波数学表示式信号带宽B=2(mf+1)Fmax（恒定带宽）B=2(mp

7、+1)Fmax（非恒定带宽）6.1 角度调制5、各种调制方式的比较抗干扰性、频带宽度和设备利用率三者是电子技术的三项主要性能指标。抗干扰性的强弱决定着信息传输的质量，频带宽度决定着给定频段的容量，而设备利用率影响着设备的造价、体积和重量。 6.2 调频电路调频波产生的方法主要有两种：一种是直接调频法；另一种是间接调频法。 对于下图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)中心频率(载波)稳定度要高。 (4) 最大频偏fm要恒定。 6.2 调频电路调频特性曲线6.2 调频电路6.2.1 直接调频电路分析 直接调频就是用调制信号去控制高频振荡器的振荡频率，使它

8、不失真地反映调制信号的变化规律。因此，凡是能直接影响振荡频率的元件或参数，只要用调制信号去控制，使振荡频率的变化量能随调制信号而线形变化，都可以完成直接调频的任务。 在正弦波振荡器中，由于其振荡频率主要取决于振荡回路的电感量和电容量，所以在振荡回路中接入可控电抗器，就可以实现直接调频。 1、直接调频法6.2 调频电路2、变容二极管直接调频电路在加反向偏压时，变容二极管呈现一个较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。利用了变容二极管这一特性，将变容二极管作为可控电容元件接到振荡器的振荡回路中，则回路的电容量会随调制电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。(1) 变容二极管静

9、态工作点为EQ时,变容二极管结电容为 设在变容二极管上加的调制信号电压为 u(t)=Ucost,则6.2 调频电路6.2 调频电路变容二极管的结电容变化曲线CjQ 为静态工作点的结电容，m为反映结电容调深度的调制指数。Cj为回路总电容。下图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（b）是图（a）振荡回路的简化高频电路。由此可知,若变容管上加u(t),就会使得Cj随时间变化（时变电容）, 此时振荡频率为（7.3.5）6.2 调频电路变容二极管直接调频电路 6.2 调频电路 在上式中,若=2,则得一般情况下,2,这时,式（725）可以展开成幂级数6.2 调频电路忽略高次项,上式可

10、近似为二次谐波失真系数可用下式求出:6.2 调频电路 调频灵敏度可以通过调制特性求出。根据调频灵敏度的定义,有6.2 调频电路(3)变容二极管直接调频实际电路 在实际应用中,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。 6.2 调频电路6.2 调频电路变容二极管调频器的实际电路 将上图的振荡回路简化为下图,这就是变容管部分接入回路的情况。这样,回路的总电容为变容二极管部分接入的振荡回路6.2 调频电路将上式代入振荡频率的计算公式，并在工作点处展开，有振荡频率为式中6.2

11、调频电路从上式可以看出,当Cj部分接入时,其最大频偏为6.2 调频电路3、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,如增加自动频率微调电路或锁相环路。还有一种稳频的简单方法是直接对晶体振荡器调频。6.2 调频电路下图（a）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6.2 调频电路晶体振荡器直接调频电路 6.2

12、调频电路6.2.2 间接调频电路分析1、间接调频法 如果对调制信号先积分，在去调相，得到的是调频信号。因此，调相电路是间接调频的关键电路。常用的调频方法有两种：一是谐振频率受调制电压的控制而变化，当载频振荡通过它时，相移发生变化；二是改变相移网络参数。 6.2 调频电路6.2 调频电路2、变容二极管单级调相电路 下图是一个变容二极管调相电路。它将受调制信号控制的变容管作为振荡回路的一个元件。Lc1、Lc2为高频扼流圈,分别防止高频信号进入直流电源及调制信号源中。 高Q并联振荡电路的电压、电流间相移为单回路变容二极管调相电路6.2 调频电路 当/6时,tan,上式简化为 设输入调制信号为Ucos

13、t,其瞬时频偏(此处为回路谐振频率的偏移)为 当/6时,tan,上式简化为6.2 调频电路三级单回路级联的变容二极管调相电路 3、扩大间接调频电路的频偏方法这是一个三级回路级联的移相器。三级相移叠加起来，从而增大频偏。6.2 调频电路6.3 调角信号的解调调角波的解调就是从调角波中恢复出原调制信号的过程。调频波的解调电路称为频率检波器或鉴频器（FD）,调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器（PD）。6.3.1 调频信号的解调方法调频接收机的组成大多是采用超外差式的，鉴频通常在中频频率上进行的。1、鉴频器的主要性能指标鉴频特性曲线6.3 调角信号的解调对于鉴频器来讲，要求线性范围宽(Bm2fA)

14、，线性度好。对鉴频器的另外一个要求,就是鉴频跨导要大。所谓鉴频跨导D, 就是鉴频特性在载频处的斜率,它表示的是单位频偏所能产生的解调输出电压。鉴频跨导又叫鉴频灵敏度,用公式表示为6.3 调角信号的解调2、鉴频方法 利用FM波过零信息实现鉴频，如脉冲计数式鉴频法。 将FM波变换成AM-FM波，再幅度检波，即可获得原调制信号，如斜率鉴频器等。 将FM波变换成FM-PM波，再相位检波，即可获得原调制信号，如相位鉴频器、比例鉴频器等。 利用锁相环路来实现频率解调6.3 调角信号的解调 (1) 脉冲计数式鉴频法 调频信号的信息寄托在已调波的频率上。从某种意义上讲，信号频率就是信号电压或电流波形单位时间内

15、过零点(或零交点)的次数。对于脉冲或数字信号，信号频率就是信号脉冲的个数。基于这种原理的鉴频器称为零交点鉴频器或脉冲计数式鉴频器。 6.3 调角信号的解调6.3 调角信号的解调脉冲计数式鉴频器原理(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。其工作原理如下图所示。6.3 调角信号的解调振幅鉴频电路原理6.3 调角信号的解调 1）直接时域微分法 设调制

16、信号为u=f(t),调频波为对此式直接微分可得 6.3 调角信号的解调微分鉴频电路6.3 调角信号的解调 2）斜率鉴频法 利用LC谐振回路也可以完成FM波到AM-FM波的转换。斜率鉴频法的工作频率在LC谐振曲线的斜边上变化，所以称为斜率鉴频器。斜率鉴频器通常有单失谐回路斜率鉴频器、双失谐回路斜率鉴频器以及集成电路中采用的差分峰值斜率鉴频器。6.3 调角信号的解调 (3) 相位鉴频法 相位鉴频法的原理框图如下图所示。图中的变换电路具有线性的频率相位转换特性，它可以将等幅的调频信号变成相位也随瞬时频率变化的、既调频又调相的FMPM波。 相位鉴频法原理框图6.3 调角信号的解调 相位鉴频法的关键是相

17、位检波器。相位检波器或鉴相器就是用来检出两个信号之间的相位差，完成相位差电压变换作用的部件或电路。设输入鉴相器的两个信号分别为 同时加于鉴相器，鉴相器的输出电压uo是瞬时相位差的函数，即6.3 调角信号的解调1) 乘积型相位鉴频法 利用乘积型鉴相器实现鉴频的方法称为乘积型相位鉴频法或积分(Quadrature)鉴频法。在乘积型相位鉴频器中，线性相移网络通常是单谐振回路(或耦合回路)，而相位检波器为乘积型鉴相器，如图所示。 乘积型鉴相器框图6.3 调角信号的解调 设乘法器的乘积因子为K，则经过相乘器和低通滤波器后的输出电压为 2) 叠加型相位鉴频法 利用叠加型鉴相器实现鉴频的方法称为叠加型相位鉴

18、频法。对于叠加型鉴相器，就是先将u1和u2相加，把两者的相位差的变化转换为合成信号的振幅变化，然后用包络检波器检出其振幅变化，从而达到鉴相的目的。 6.3 调角信号的解调6.3 调角信号的解调叠加型相位鉴频器框图 互感耦合相位鉴频器又称福斯特西利(FosterSeeley)鉴频器，下图是其典型电路。相移网络为耦合回路。 互感耦合相位鉴频器的工作原理可分为移相网络的频率相位变换，加法器的相位幅度变换和包络检波器的差动检波三个过程。(1) 电路结构和基本原理6.3.2 鉴频电路分析1、叠加型相位鉴频器6.3 调角信号的解调互感式叠加型相位鉴频器6.3 调角信号的解调 (2) 工作原理分析 1) 频

19、率相位变换 频率相位变换是由下图 (a)所示的互感耦合回路完成的。由下图 (b)的等效电路可知，初级回路电感L1中的电流为6.3 调角信号的解调频率相位变换网络6.3 调角信号的解调 考虑初、次级回路均为高Q回路，r1也可忽略。这样，上式可近似为初级电流在次级回路产生的感应电动势为感应电动势 在次级回路形成的电流 为6.3 调角信号的解调=2Qf/f0称为广义失谐 ,则上式变为6.3 调角信号的解调频率相位变换电路的相频特性 6.3 调角信号的解调6.3 调角信号的解调 可见，调频波瞬时频率的变化f通过耦合回路的频率相位变换之后，变成了瞬时相位变化，而且在一定条件下，两者近似成线性关系。因而互

20、感耦合回路可以作为线性相移网络，其中固定相差/2是由互感形成的。 2) 相位幅度变换 根据图中规定的 与 的极性，。这样，在两个检波二极管上的高频电压分别为6.3 调角信号的解调 合成矢量的幅度随 与 间的相位差而变化(FMPM AM信号)，如上图所示。 f=f0=fc时， 与 的振幅相等，即UD1=UD2; ff0=fc时，UD1UD2，随着f的增加，两者差值将加大； ff0=fc时，UD1fc时，UD1UD2, i1i2,输出电压为负； 当ffc时，UD1UD2, i1i2，输出电压为正。6.3 调角信号的解调 (3)自限幅原理 1)回路的无载Q0值要足够高，以便当检波器输入电阻Ri随输入电压幅度变化时，能引起回路Qe明显的变化。 2)要保证时常数(R1+R2)C大于寄生调幅干扰的几个周期。比例鉴频器存在着过抑制与阻塞现象。 6.3 调角信号的解调