角度调制与解调课件

第8章角度调制与解调8.1 概述8.2 调角波性质8.3 调频方法概述8.4 变容二极管调频8.8 相位鉴频器1w0+Dwmw0–DwmAMFM8.1概述2调频波的指标寄生调幅频谱宽度抗干扰能力8.1概述3利用波形变换电路进行鉴频8.1概述5鉴频器的指标鉴频灵敏度鉴频跨导鉴频频带宽度寄生调幅抑制能力失真和稳定性8.1概述6鉴频特性曲线8.1概述78.2.1瞬时频率与瞬时相位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98.2.2调频波和调相波的数学表示式调频设调制信号为vΩ(t)，载波信号ω0是未调制时的载波中心频率；kfvΩ(t)是瞬时频率相对于ω0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，即频偏，表示为瞬时频率瞬时相位相移调制指数10调相ω0t+θ0是未调制时的载波相位；kpvΩ(t)是瞬时相位相对于ω0t+θ0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，即相偏，表示为瞬时相位瞬时频率频偏调制指数设调制信号为vΩ(t)，载波信号8.2.2调频波和调相波的数学表示式11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8.2.2调频波和调相波的数学表示式13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8.2.2调频波和调相波的数学表示式14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8.2.2调频波和调相波的数学表示式158.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度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已调频信号其中是以mf为参数的n阶第一类贝赛尔函数。一、频谱调制信号17一、频谱8.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度188.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度

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上式表明，当V0一定时，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)根据帕塞瓦尔(Parseval)定理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8.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度21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：8.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度22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，由于调频与调相制与调制频率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。8.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度23End下面分析一下含多个频率成分信号调制的调频信号的频谱，以双频信号为例此时增加了许多组合频率，使频谱组成大为复杂。因此，调频与调相制属于非线性调制。8.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度258.3调频方法概述8.3.1直接调频原理8.3.2间接调频原理26产生调频信号的电路叫调频器。对它有四个主要要求（1）已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化。（2）未调制时的载波频率，即已调波的中心频率有一定的稳定度（视应用场合不同而有不同的要求）。（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：用调制信号直接控制载波的瞬时频率——直接调频。由调相变调频——间接调频。8.3调频方法概述27瞬时频率瞬时相位借助于调相器得到调频波8.3.2间接调频原理298.4变容二极管调频8.4.1基本原理8.4.2电路分析308.4.1基本原理变容二极管的结电容与反向电压的关系为式中，为PN结的势垒电压（内建电势差）；为时的结电容；为系数。上图表示变容管结电容随反向电压变化的关系曲线。31加到变容管上的反向电压包括直流偏压和调制信号电压，如图(b)所示，即此处假定调制信号为单音频简谐信号。结电容在的控制下随时间发生变化，如图(c)所示。8.4.1基本原理32变容二极管调频电路++--8.4.1基本原理33在图中，虚线左边是典型的正弦波振荡器，右边是变容管电路。加到变容管上的反向偏压为式中，是反向直流偏压。图中，是变容管与回路之间的耦合电容，同时起到隔直流的作用；为对调制信号的旁路电容；是高频扼流圈，但让调制信号通过。把受到调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，如图上所示，则振荡频率亦受到调制信号的控制。适当选择变容二极管的特性和工作状态，可以使振荡频率的变化近似地与调制信号成线性关系。这样就实现了调频。8.4.1基本原理34下图是等效电路。图中表示加有反向电压的变容二极管电容。当调制信号时，变容二极管结电容为常数，它对应于反向直流偏压的结电容，得这时，振荡回路总电容为8.4.2电路分析35当调制信号为单音频简谐信号，即时，变容二极管结电容随时间变化，可以得到这时的结电容为令，这里的m称为调制深度。于是，上式可化为8.4.2电路分析36由调制信号所引起的振荡回路总电容变化量：

由所引起的频率变化为8.4.2电路分析37令P是变容二极管与振荡回路之间的接入系数。而此处8.4.2电路分析38该式说明，瞬时频率的变化中，含有a）与调制信号成线性关系的成分，其最大频移为b）与调制信号的二次、三次谐波成线性关系的成分，其最大频移分别为8.4.2电路分析39c）中心频率相对于未调制时的载波频率产生的偏移为二次非线性失真系数为三次非线性失真系数为总的非线性失真系数为8.4.2电路分析40为了使调制线性良好，应尽可能减小Δf2和Δf3

，亦即减小k2和k3

。为了使中心频率稳定度尽量少受变容二极管的影响，就应尽可能减小Δf0

。从式（10.4.22）至式（10.4.27）诸式可以看出，如果选取较小的m值（即调制信号振幅较小，或者说变容二极管应用于曲线比较窄的范围内），则非线性失真以及中心频率偏移均很小。但是，有用频偏也同时减小。为了兼顾频偏和非线性失真的要求，常取m=0.5。从以上各式还可看出，若选取γ=1，则二次、三次非线性失真系数以及中心频率偏移均可为零。这是预料之中的结论。

8.4.2电路分析41

需要强调指出，以上讨论的是相对于回路总电容C很小（即频偏很小）的情况。如果比较大，这时式（10.4.18）不再成立，所以最后得出的结论将与上面有所不同。经过分析知道（参看附录10.2），在大频偏情况下，只有当γ=2时，才可能真正实现没有非线性失真的调频这就是说，在小频偏情况，选择γ=1的变容二极管即可近似地实现线性调频；而在大频偏情况，必须选择接近γ=2的超突变结变容二极管，才能使调制具有良好的线性。

8.4.2电路分析42直接调频的主要优点是可以获得较大的频偏，但是中心频率的稳定性（主要是长期稳定性）较差。在某些情况下，对中心频率的稳定度提出了比较严格的要求。例如，在88～108MHz(波段的调频电台，为了减小邻近电台间的相互干扰，通常规定各电台调频信号中心频率的绝对稳定度不劣于2kHz。若中心频率为100MHz，这就意味着其相对频率稳定度不劣于2×10-5。这种稳定度要求，变容二极管调频无法达到。目前，稳定中心频率常采用以下三种方法：1）对石英晶体振荡器进行直接调频；2）采用自动频率控制电路；3）利用锁相环路稳频。第二、三种方法将在第10章介绍。8.5晶体振荡器直接调频43从第6章已知，晶体振荡器有两种类型。一种是工作在石英晶体的串联谐振频率上，晶体等效为一个短路元件，起着选频作用。另一种是工作于晶体的串联与并联谐振频率之间，晶体等效为一个高品质因数的电感元件，作为振荡回路元件之一。通常是利用变容二极管控制后一种晶体振荡器的振荡频率来实现调频。

变容二极管接入振荡回路有两种方式。一种是与石英晶体相串联，另一种是与石英晶体相并联。无论哪一种接入方式，当变容二极管的结电容发生变化时，都引起晶体的等效电抗发生变化。在变容二极管与石英晶体相串联的情况下，变容管结电容的变化，主要是使晶体串联谐振频率发生变化，从而引起石英晶体的等效电抗的大小变化；当变容二极管与石英晶体相并联时，变容二极管结电容的变化，主要是使晶体的并联谐振频率发生变化，这也会引起晶体的等效电抗的大小发生变化。8.5晶体振荡器直接调频44总之，如果用调制信号控制变容二极管的结电容，由于石英晶体的等效电抗也受到控制，因而亦使振荡频率受到调制信号的控制，即获得了调频信号。但所产生的最大相对频移很小，约只有10-4数量级。变容二极管与晶体并联联接方式有一个较大的缺点，就是变容管参数的不稳定性直接严重地影响调频信号中心频率的稳定度。因而用得比较广泛的还是变容管与石英晶体相串联的方式。

最后指出，对晶体振荡器进行调频时，由于振荡回路中引入了变容二极管，因此频率稳定度相对于不调频的晶体振荡器有所降低。一般，其短期频率稳定度达到10-6数量级，长期频率稳定度达到10-5数量级。8.5晶体振荡器直接调频458.8相位鉴频器8.8.1相位鉴频器的工作原理8.8.2相位鉴频器回路参数选择46第一类鉴频方法利用回路相位—频率特性实现调幅—调频波形变换aba’b’-+++--c8.8.1相位鉴频器的工作原理47图8.8.1相位鉴频器原理电路初级回路的C1、L1和次级回路C2、L2均调谐于调频波中心频率f0,完成波形变换，将等幅调频波变换成幅度随瞬时频率变化的调频波(调幅—调频波)。D1、R、C3和D2、R、C3组成上下两个振幅检波器，特性完全相同，将振幅的变化检测出来。+aba’b’-++--c8.8.1相位鉴频器的工作原理48对高频C2、C3、C4的电抗远小于负载电阻R，因此有：8.8.1相位鉴频器的工作原理1212221VVVVVabbcD&&&&&+-=+=1212121VVVVVabacD&&&&&+=+=aba’b’-++--c一个检波器的输入是两电压之和另一个检波器输入是两电压之差只要处于耦合回路的通频带范围内，当调频波频率变化时，两电压振幅都是恒定不变的，但它们之间相位关系随频率而变化。49图8.8.2次级回路的等效电路ab+-+12-+在次级产生的感应电动势为：取其中负号有：假设初、次级回路Q值较高，耦合较弱，则原电路等效为下图：8.8.1相位鉴频器的工作原理-121VLMVs&&-=1IMjVs&&±=w50其中X2=XL2-XC2是次级回路总阻抗，可正可负，还可为零。这取决于信号频率。次级回路电压为：8.8.1相位鉴频器的工作原理51设输入信号频率为f，则有：1）当f=f0时有X2=0即：8.8.1相位鉴频器的工作原理528.8.1相位鉴频器的工作原理2）当f>f0时有X2>03）当f<f0时有X2<053结论：输入信号频率等于、大于、小于谐振频率时，次级输出电压的相位分别超前初级电压相位、、

8.8.1相位鉴频器的工作原理54得到相位鉴频的矢量图：图8.8.3相位鉴频器矢量图检波器的输出电压的振幅正比于VD1、VD2的振幅，因此鉴频器输出电压为0008.8.1相位鉴频器的工作原理55所以有：8.8.1相位鉴频器的工作原理56经证明，得鉴频特性的数学表示式式中显然，鉴频特性主要取决于上式。8.8.2相位鉴频器回路参数的选择57图8.8.4对应于不同耦合因数的鉴频特性曲线8.8.2相位鉴频器回路参数的选择58从该曲线可以大致看出，鉴频特性曲线的峰值大约发生在处。已知广义失谐表示式为得由上式，根据所选择的η值、中心频率f0及所允许的最大频移Δf，求出回路的品质因数QL。根据式η=k

QL便求出初次级回路之间的耦合系数8.8