通信电子线路 第 07 章 角度调制与解调-频谱非线性变换电路

第7章角度调制与解调－频谱非线性变换电路7.1概述7.2调角波的性质7.3调频方法及电路7.4调角信号解调7.5调频制的抗干扰(噪声)性能通信电子线路第7章角度调制与解调17.1概述角度调制： 用调制信号去控制载波信号角度参数的变化频率调制：受控参数为载波的频率解调：鉴频、频率检波相位调制：受控参数为载波的相位解调：鉴相、相位检波角度调制属于非线性调制：调制前后频谱结构发生了变化，是非线性频率变换优点：抗干扰能力强缺点：占用频带较宽，频带利用率低通信电子线路第7章角度调制与解调27.2调角波的性质瞬时频率与瞬时相位v(t)=Vcos(t)=Vcos(t+0)上式

为频率，(t)

为相位，0

为初始相位瞬时频率：(t)瞬时相位：(t)分析中常假设：0

=0例：求t=0时的瞬时频率0(t)t=0t=

t(t)0实轴通信电子线路第7章角度调制与解调37.2调角波的性质一、调频波和调相波的波形和数学表达式调制信号：v(t)=

Vm·f

(t)，|

f(t)|

1是归一化表达式载波信号：v0(t)=

V0mcos(t)=

V0mcos0t

，假设0

=0频率调制瞬时频率：调频比例常数

kf

：单位为rad/(s·V)已调信号：相位调制瞬时相位：调相比例常数

kp

：单位为rad/V已调信号：通信电子线路第7章角度调制与解调47.2调角波的性质单频调频信号

[v(t)=

Vmcost]m：最大频偏

(rad/s,Hz)mf：调频指数，即最大相移(rad)、普通调频信号通信电子线路第7章角度调制与解调57.2调角波的性质单频调相信号

[v(t)=

Vmcost]m：最大频偏mp：调相指数，即最大相移、普通调相信号通信电子线路第7章角度调制与解调67.2调角波的性质调频信号：调相信号：调频与调相信号的相同点：都是等幅波最大频偏与调制指数的数学关系一样：m=

mf,p若调制信号幅度变化，则m、mf,p随之正比变化VmmmfFMVmmmpPM通信电子线路第7章角度调制与解调77.2调角波的性质调频信号：调相信号：调频与调相信号的不同点：调频：最大频偏

m由Vm决定，与调制频率

无关； 调频指数mf与调制频率成反比。调相：调相指数mp由Vm决定，与调制频率

无关； 最大频偏m与调制频率成正比。mmfFMmmpPM通信电子线路第7章角度调制与解调87.2调角波的性质单频调频信号单频调相信号1.改变Vm2.改变通信电子线路第7章角度调制与解调9调制信号为：v(t)

载波信号为：V0mcos0t调频波调相波数学表达式瞬时频率瞬时相位最大频偏调制指数最大相移①⑤④③②⑩⑨⑧⑦⑥7.2调角波的性质v(t)=Vmcost通信电子线路第7章角度调制与解调107.2调角波的性质三角波调频信号三角波调相信号1.改变Vm2.改变通信电子线路第7章角度调制与解调117.2调角波的性质例：有一正弦调制信号，频率为300~3400Hz，调制信号中各频率分量的振幅相同，调频时最大频偏fm=75kHz，调相时最大相移mp=1.5rad。试求调频时调制指数mf

的最大范围和调相时最大频偏fm

的变化范围。调频时，最大频偏由调制信号幅度决定，与F

无关调相时，调相指数由调制信号幅度决定，与F

无关通信电子线路第7章角度调制与解调127.2调角波的性质二、调角信号的频谱与有效频带宽度1.调频波和调相波的频谱(仅分析单频调频信号)cos(mfsint)

和sin(mfsint)

用第一类贝塞尔函数展开n：阶数，：宗数通信电子线路第7章角度调制与解调137.2调角波的性质通信电子线路第7章角度调制与解调147.2调角波的性质J0(b)J1(b)J2(b)J3(b)J4(b)J5(b)J6(b)b=2.40

b=5.49

b=8.65b=3.83

b=7.05

b=10.2b=5.14

b=8.42

b=11.6b=6.38

b=8.42

b=11.6b=7.59

b=11.1

b=14.4b=8.77

b=12.3

b=15.7b=9.94

b=13.6

b=17.0通信电子线路第7章角度调制与解调157.2调角波的性质有无数边频。随n

增加，边频分量幅度总的趋势是减小。奇数次的上下边频相位相反，偶数次的相同。mf

越大，具有较大幅度的边频数量越多。在某些mf

时，载波或某些边频幅度为零。此特点可用于调制指数的测量。通信电子线路第7章角度调制与解调167.2调角波的性质2.调频波和调相波的功率和有效频带宽度根据帕塞瓦尔公式，调角波的平均功率

Pav

等于各个频率成分的平均功率之和。根据第一类贝塞尔函数的性质，可得带宽：忽略振幅小于载波振幅的10％的边频分量，留下的边频共2(mf+1)

个。 BW=2(mf

+

1)=2(m+)上式称为卡森公式通信电子线路第7章角度调制与解调177.2调角波的性质调频电台：88~108MHz，最大频偏75kHz

调制信号：30~15000Hz 频带宽度：150kHz、350kHz(立体声)校园广播：76~87MHz3.调频波与调相波的联系与区别调频波可视为调制信号为的调相波调相波可视为调制信号为的调频波以上是间接调制的理论依据通信电子线路第7章角度调制与解调187.2调角波的性质F=4kHzmf=32(mf+1)F=32kHz调相信号频谱F=1kHzmp=122(mp+1)F=26kHzF=2kHzmp=1252kHzF=4kHzmp=122(mp+1)F=104kHz调频信号频谱F=1kHzmf

=122(mf+1)F=26kHzF=2kHzmf

=628kHz通信电子线路第7章角度调制与解调197.3调频方法及电路要求：最大频偏尽量大、且与调制信号保持良好的线性关系中心频率稳定度尽量高一、实现调频的方法和基本原理1.直接调频法： 用调制信号直接控制振荡回路电抗元件的参数实现调频可控电容：变容二极管可控电感：铁氧体磁芯的电感线圈电抗管电路：场效应管、晶体三极管等组成的等效电抗优点：电路简单、可以得到较大的频偏缺点：在振荡器直接控制，频率稳定度不好，波形较差通信电子线路第7章角度调制与解调207.3调频方法及电路2.间接调频法用调相电路实现调频，继承了调相电路的特点优点：高频振荡器本身独立于调相电路，可以得到稳定度很好的载波缺点：由于调相器的限制，频偏较小通信电子线路第7章角度调制与解调217.3调频方法及电路二、变容二极管直接调频电路1.基本工作原理和定量分析变容二极管： 利用PN结反向偏置的势垒电容构成的可控电容变容二极管符号与变容特性曲线：Cj：变容二极管的结电容

vR：二极管两端的反向电压：变容指数。由结构与掺杂浓度决定VD：二极管的势垒电压，通常取硅管0.6V、锗管0.2V通信电子线路第7章角度调制与解调227.3调频方法及电路表示结电容的调制深度通信电子线路第7章角度调制与解调23中心频率线性频率调制失真项7.3调频方法及电路全部接入式变容二极管调频电路当

=2时，为线性调频电路当

2时，且m<1若

=1?最大频偏从减小失真与增大频偏来看，m和

应折衷考虑。通信电子线路第7章角度调制与解调247.3调频方法及电路部分接入式变容二极管调频电路变容二极管部分接入谐振回路，减小失真，改善波形互感耦合

LC振荡器VCCDL2C1L1CCC-++-Vv(t)通信电子线路第7章角度调制与解调257.3调频方法及电路2.变容二极管调频实际电路共基组态电容三点式振荡器，中心频率90MHz变容二极管直接调频特点：优点：电路简单、工作频率较高，容易获得较大频偏缺点：中心频率稳定度较差1000pF100WFM12kW3.3kW47kW1000pFL15p10p1000pF20p5/10p5p47mH22kW56kWC11000pF100kWvW+9VL2通信电子线路第7章角度调制与解调267.3调频方法及电路三、晶体振荡器直接调频优点：提高中心频率的稳定度缺点：最大频偏小300pF470pFJTCj68p+50/5pF50kW100WVCC1mF调制信号10kW470pF20kW510W300pF68pF50/5pF100kWvWVDFM输出通信电子线路第7章角度调制与解调277.3调频方法及电路四、间接调频方法使用调相器实现调频，中心频率稳定度高，应用广泛调相器分类：移相法调相可变延时法调相矢量合成法调相(阿姆斯特朗法)通信电子线路第7章角度调制与解调287.3调频方法及电路1.移相法调相移相网络 需要满足

即相移受调制信号v(t)

的控制，与其呈线性关系。输出信号：事实上，阻抗的值及输出信号的幅度也会随之变换。通信电子线路第7章角度调制与解调297.3调频方法及电路LC并联谐振回路构成的可控移相网络100kW1000p0.02100kW15kW1000p1000p+9V调相波CjvW调制信号v0载波R110kWLCjCjR1Cj=f(vW)v0R1LI0Cj+-v(t)通信电子线路第7章角度调制与解调307.3调频方法及电路2.可变时延法调相载波电压 v0(t)=

V0cos0t延迟时间可控的延时网络，输出电压为 v(t)=

V0cos[0(

t-

)]使延迟时间受调制信号的控制，且为线性关系 =

kv

=

kVcost输出电压 v(t)=

V0cos[0(

t-

)]

=

V0cos(0t-k0Vcost)调相指数mp=

k0V

可以很大优点：调制线性好，相位偏移大，能实现宽带调相通信电子线路第7章角度调制与解调317.3调频方法及电路3.矢量合成法调相(阿姆斯特朗法)当mp=kpVm/6时，即窄带调相时实现框图 可视作载波信号与一个DSB信号的合成通信电子线路第7章角度调制与解调327.3调频方法及电路上述框图与理想调相比较实质为调幅调相波幅度不恒定，受调制信号影响，称为寄生调幅。相位与调制信号不是线性关系，而是反正切关系。用于窄带调相时，失真较小。通信电子线路第7章角度调制与解调33矢量分析方法通信电子线路第7章角度调制与解调347.3调频方法及电路4.间接调频的实现－扩大频偏的方法采用倍频方法扩大频偏 0m

n倍频

n0nm例：产生载波100MHz，最大频偏75kHz的调频信号 设一间接调频器可实现最大频偏50Hz，载波200kHz

倍频方式：200k501500倍频

300M75k但倍频会导致中心频率过高，超过所需值常采用倍频、混频结合方式，以某一调频发射机为例 200k2564倍频

12.8M1.6k

与11.0~10.5M下混频1.8~2.3M1.6k

48倍频86.4~110.4M76.8k覆盖了88~108MHz频率范围，最大频偏75kHz通信电子线路第7章角度调制与解调357.4调角信号解调频率检波：鉴频；鉴频器：频率

电压变换相位检波：鉴相；鉴相器：相位

电压变换鉴相方法将调相信号的相位0t+

kpv(t)

与载波的相位0t

相减，取出它们的相位差

kpv(t)，实现相位检波应用广泛：例如在锁相系统中原理框图：相位/电压转换分类：乘积型鉴相器叠加型鉴相器通信电子线路第7章角度调制与解调367.4调角信号解调乘积型鉴相器结构：输入信号vi

=

Vicos[0t+i(t)]本地载波v0=

V0

cos[0t+0(t)+90]=

-V0

sin[0t+0(t)]为识别两输入的超前/滞后关系，两者须有90相位差输出电压vd

=Adsin[i(t)-0(t)]=Adsin[e(t)]输出电压vd与e(t)的关系曲线叫做鉴相特性曲线乘积型鉴相器具有正弦型鉴相特性曲线①线性鉴相范围是/6(或/3) 当e(t)/6时，

vd

=Adsin[e(t)]

Ade(t)②最大鉴相范围是/2(或)通信电子线路第7章角度调制与解调377.4调角信号解调叠加型鉴相器为识别超前/滞后关系，两输入信号必须有

90º相位差为了减少失真，两个输入 信号的大小应当相差较大， 即须满足：vi

v0

或v0

vi

vi(t)=

Vicos[0t+i(t)]

v0(t)=

V0

cos[0t+0(t)+90]设：V0

Vi输出电压(采用相量分析)： vd(t)

V0

+Visine随后的分析类似乘积型鉴相器ev0vi=90+0(t)

-i(t)

=90

-e(t)调相调幅波v通信电子线路第7章角度调制与解调387.4调角信号解调一、鉴频方法概述和鉴频器的主要技术指标将调频信号的频率i(t)=

0+(t)

与载波的频率0

相减，取出它们的差频

(t)，实现频率检波原理框图：频率/电压转换鉴频特性及主要技术指标鉴频跨导线性范围或带宽2max必须大于调频波的最大频偏鉴频灵敏度：可正常工作的最小输入调频信号的幅度。通信电子线路第7章角度调制与解调397.4调角信号解调实现鉴频的方法1.利用波形变换进行鉴频FM

FM-AM

振幅检波

2.相移乘法鉴频FM

FM-PM

乘积型鉴相器该方法在集成电路中广泛应用

3.利用锁相环分类问题说明：斜率鉴频器(1.)乘积型相位鉴频器(2.)叠加型相位鉴频器FMFM-PMPM-AM包络检波vtvFMtvFM-AMt利用波形变换相位鉴频器通信电子线路第7章角度调制与解调407.4调角信号解调4.脉冲计数式鉴频器利用单位时间内过零点的数目来检测频率的高低优点：线性好、频带宽、易集成通信电子线路第7章角度调制与解调417.4调角信号解调二、(叠加型)相位鉴频分类：电感耦合相位鉴频器、电容耦合相位鉴频器1.电路说明L1C1、L2C2：频率-相位转换C5：耦合电容，vL3=

v1L3

D1

D2

RL

C：叠加型