高频电子线路 第八章课件

八角度调制与解调8角度调制与解调8.2调角波的性质8.3调频方法概述8.4变容二极管调频8.5晶体振荡器直接调频8.1

概述

8.7可变延时调频8.8相位鉴频器8.9比例鉴频器8.10其他形式的鉴频器8.6间接调频:由调相实现调频8角度调制与解调8.1概述w0–Dwmw0+DwmAMFM一、调频、调相利用高频振荡的频率或相位的变化来携带信息成为调频（FrequencyModulation，简称FM）或调相（PhaseModulation，简称PM），即在调频或调相中，载波的瞬时频率或瞬时相位受调制信号的控制，作周期性的变化，变化的大小与瞬时信号的强度成线性关系，变化的周期由调制信号的频率，但已调波的振幅保持不变，不受调制信号的影响。8.1概述二、调频波的指标1）频谱宽度调频波的频谱从理沦上来说，是无限宽的，但实际上，如果略去很小的边频分量，则它所占频带宽度是有限的根据频宽分为宽带调频和窄带调频。2)寄生调幅调频波应是等幅波，但易引起调幅，应尽量避免。3）抗干扰能力调频波有较强的抗干扰能力。8.1概述三、鉴频器（鉴相器）鉴频器（鉴相器）要求输出信号幅度与输入调频（调相）信号的瞬时频率（瞬时相位）的变化成正比。四、鉴频器实现方法1.波形变换法调频波->调幅－调频波->振幅检波->输出信号。2.脉冲计数鉴频法通过对调频波过零点的数目计数实现频率－幅度转换。3.符合门鉴频器利用移相器与符合门配合实现，移相大小与频率偏移有关。8.1概述图8.1.1利用波形变换电路进行鉴频8.1概述幅度调制角度调制调频FM调相PM载波信号的受控参量振幅频率相位解调方式相干解调或非相干解调鉴频或频率检波鉴相或相位检波解调方式的差别频谱线性搬移频谱结构无变化频谱非线性频谱结构发生变化属于非线性频率变换特点频带窄频带利用率高频带宽频带利用不经济、抗干扰性强用途广播电视通信遥测数字通信调幅AM8.1概述8.1概述图8.1.2鉴频特性曲线End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8.2调角波的性质8.2.1瞬时频率与瞬时相位8.2.2调频波和调相波的 数学表示式8.2.3调频波和调相波的 频谱和频带宽度8.2.1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End图8.2.1频率连续变化的简谐振荡8.2.1瞬时频率与瞬时相位8.2.2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调频波的调制指数称为最大附加相移：与标准调幅情况不同，可以小于1，也可大于1，而且一般都应用于大于1的情况。例如，在调频广播中，对于F=15kHz，其=75kHz，故=5。

正比于，反比于。8.2.2调频波和调相波的数学表示式调频波的数学表示式：对于一个以单频余弦波作调制信号的调频波，其主要性质有：频偏决定于调制信号的振幅，瞬时频率的变化规律决定于调制信号的变化规律。调频波的幅度为常数。调频波的调制指数可大于1，而且通常应用于大于1的情况。调制指数与频偏成正比，与调制频率成反比。8.2.2调频波和调相波的数学表示式调相

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调相波的数学表示式：8.2.2调频波和调相波的数学表示式数学表达式瞬时频率瞬时相位最大频偏调制指数FM波PM波附：上述比较中的调制信号v(t)，载波V0mcos0(t)8.2.2调频波和调相波的数学表示式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Endm

pΔωmΔωmΩm

fΩ调频调相可以看出调相制的信号带宽随调制信号频率的升高而增加，而调频波则不变，有时把调频制叫做恒定带宽调制。8.2.2调频波和调相波的数学表示式8.2.3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阶第一类贝塞尔函数。一、频谱调制信号一、频谱8.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度（1）第一类贝塞尔函数的性质：2、1、随着的增加，近似周期性地变化，且其峰值下降。3、4、对于某一固定的，有如下近似关系：5、对于某些值，8.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度对于某一固定的，有如下近似关系：忽略了小于0.1的分量。注意：载频分量有可能小于旁频分量。调频波的频谱特点1、调频波的频谱结构中：包含载波频率分量（但是幅度小于1，与有关。）；还包含无穷多个旁频分量；各旁频分量之间的距离是调制信号角频率；各频率分量的幅度由贝塞尔函数决定；奇次旁频分量的相位相反。0。770。440。440。110。110。020。028.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度2、调频波的频谱结构与调制指数关系密切。愈大，则具有一定幅度的旁频数目愈多，这是调频波频谱的主要特点。（与标准调幅情况不同，调频波的调制指数可大于1，而且通常应用于大于1的情况。）3、对于某些值，载频分量或某次旁频分量的幅度是零。举例：，载频分量的幅度是零。4、频率调制不是将信号的频谱在频率轴上平移,而是将信号各频率分量进行非线性变换。因此，频率调制是一种非线性过程，又称为非线性调制。5、各频率分量间的功率分配。因为调频波是一个等幅波，所以它的总功率为常数，不随调制指数的变化而变化，并且等于未调载波的功率。调制后，已调波出现许多频率分量，这个总功率就分配到各分量。随的不同，各频率分量之间功率分配的数值不同。8.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度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调频调相对于调频制，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，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制要比调相制应用得广泛。8.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度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当两个频率不同的信号同时对一个载波进行频率调制时，所得调频波的频谱中，除有载波角频率分量及和分量外，还有分量，它们是两个调制信号频率之间的组合频率分量。频带宽度是近似有限的，公式相同。只是：8.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度几点说明调频波的三个频率槪念：调频波的中心角频率；调频波的最大频偏；调频波的调制信号角频率。恒定带宽调频概念：在调制指数较大的情况下，调频波的带宽等于二倍频偏。对于调频波，，当减小，增加。增加，则具有一定幅度的旁频数目愈多，带宽增加。减小，则各旁频分量之间的距离减小，带宽减小。因此调频又称为恒带调制。8.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度对于调相波，。调相波频带宽度在调制信号频率的高端和低端相差很大，所以对频带的利用是不经济的。8.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度调频波和调相波的功率与载波功率相同根据第一类贝塞尔函数的性质，大括号内各项之和恒等于1，因此有：调频波与调相波的联系是：调频波可看成调制信号为的调相波，而调相波可以看成是调制信号为的调频波。End8.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度8.3调频方法概述8.3.1直接调频原理8.3.2间接调频原理8.3调频方法概述产生调频信号的电路叫做调频器。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。这是基本要求。（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（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：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。8.3.1直接调频原理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。End8.3.2间接调频原理瞬时频率瞬时相位图8.3.1借助于调相器得到调频波8.4变容二极管调频8.4.1基本原理8.4.2电路分析8.4变容二极管调频主要优点：能够获得较大的频移（相对于间接调频而言），线路简单，并且几乎不需要调制功率。主要缺点：中心频率稳定度低。应用范围：在移动通信以及自动频率微调系统中。8.4.1基本原理 变容二极管是利用半导体PN结的结电容随反向电压变化这一特性而制成的一种半导体二极管。结电容Cj与反向电压vR存在如下关系：反向电压式中Cj0：

时的电容值（零偏置电容）反向偏置电压，VD：PN结势垒电位差。

γ：结电容变化指数，通常γ=1/2～1/3，经特殊工艺制成的超突变结电容γ=1～5CjQC

jvRV0其中：

为静态工作点的结电容。

8.4.1基本原理图8.4.1用调制信号控制变容二极管结电容8.4.1基本原理理想线性调制条件小频偏条件下，近似线性。End8.4.1基本原理8.4.2电路分析Cc是变容管与LlC1回路之间的耦合电容，同时起到隔直流的作用；Cφ为对直流电压的旁路电容；

L2是高频扼流圈，但让调制信号通过。它的作用都是将振荡回路和变容管的控制电路隔离防止它们之间的相互影响。

因此，等效的振荡回路可画成右图，主体是LC互感耦合正弦振荡电路。图8.4.2变容二极管调频电路图8.4.3振荡回路的等效电路End图8.4.490MHz直接调频电路及其高频通路举例：8.4.2电路分析8.5晶体振荡器直接调频

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。稳定中心频率可以采用对石英晶体振荡器进行直接调频。变容二极管接入振荡回路有两种方式。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。变容二极管与晶体并联连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。

图8.5.1变容管与晶体的两种连接方式及其电抗曲线8.5晶体振荡器直接调频图8.5.2晶体振荡器直接调频电路PierceOscillators(c－b)型振荡器

8.5晶体振荡器直接调频End图8.5.3晶体振荡器的变容管直接调频电路应用举例：调制信号

Pierce型振荡器

调制信号放大

8.5晶体振荡器直接调频8.6间接调频:由调相实现调频8.6.1调相的方法8.6.2间接调频的实现8.6间接调频:由调相实现调频高稳定度载波振荡器相位调制器积分电路多级倍频和混频器宽带窄带采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个稳定的载频信号进行调相，这样一来就可得到中心频率稳定度高的调频信号。8.6.1调相的方法

调相的方法通常有三类：一类是用调制信号控制谐振回路或移相网络的电抗或电阻元件以实现调相。第二类是矢量合成法调相。第三类是脉冲调相。1）谐振回路或移相网络的调相方法（1）利用谐振回路调相ff0一般当 时，则有：如果设C>>Cj，则所以回路的谐振频率：而回路频率的频偏移为:所以：8.6.1调相的方法（2）利用移相网络调相图8.6.1RC移相网络8.6.1调相的方法

图8.6.2RC移相网络矢量图8.6.1调相的方法图8.6.3利用变容二极管改变移相网络的电抗8.6.1调相的方法2）合成调相法［阿姆斯特朗法］8.6.1调相的方法图8.6.5实现矢量合成法的方框图8.6.1调相的方法图8.6.6用载波振荡与双边带调幅波叠加以实现调相8.6.1调相的方法3）脉冲调相图8.6.7实现脉冲调相的方框图8.6.1调相的方法End图8.6.8脉冲调相各部分的波形图8.6.1调相的方法End8.6.2间接调频的实现图8.6.9间接调频的典型方框图积分电路线性可控延时电路

设延时器件的延时是可控的，如将调制信号积分之后，去线性地控制延时时间，若延时器件此时的输入信号为载波振荡，则经延时以后，得到延时器件的输出信号。8.7可变延时调频End8.8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的选择对角度解调器的主要要求8.8相位鉴频器鉴频的主要方法1、利用锁相环路实现解调。2、微分法

8.8相位鉴频器3、相移法4、脉冲均值鉴频器(过零检测)8.8相位鉴频器8.8.1相位鉴频器的工作原理先将输入调频信号和经过相移网络后的信号相加(或相减)，产生振幅反映附加相位Δθ变化的调幅波，而后通过包络检波器检出振幅的变化，就可完成鉴相功能。相加器包络检波器1.数学模型0调频信号8.8.1相位鉴频器的工作原理O令当当较小时，例如 上述分析表明，包络V(t)的变化反映Δθ的变化，8.8.1相位鉴频器的工作原理相加器相加器包络检波器包络检波器相加器但它们之间的关系是非线性的，因而包络检波器的输出解调电压是失真的。在实际电路中，为了减小失真，广泛采用平衡鉴相电路。8.8.1相位鉴频器的工作原理

O8.8.1相位鉴频器的工作原理

比较可见，用平衡鉴相电路可在输出解调电压中抵消直流项和sinΔθ的二次方项及其以上的各偶次方项，并使sinΔθ项幅值增强为二倍。8.8.1相位鉴频器的工作原理图8.8.1相位鉴频器原理电路2.实现电路移相网络

包络检波

8.8.1相位鉴频器的工作原理O

L1C1和L2C2构成互感耦合的双调谐回路，作为相位鉴频器的相移网络；两个二极管包络检波器构成相位鉴频器的平衡鉴相电路，L3为高频扼流圈，C4为耦合电容，对输入信号频率呈短路；R对输入信号频率呈开路，用来为包络检波器的平均电流提供通路。

End8.8.1相位鉴频器的工作原理图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由该曲线可以看出，耦合很弱（即η很小）时，线性范围小，鉴频跨导高。一般，当η＜1.5以后，非线性就已经相当严重。反之，耦合比较紧，线性范围就大，而鉴频跨导就小。但当η＞３以上时，非线性又严重起来。因此，通常选取η＝１～３。

由于η＝ｋＱ，当回路品质因数ＱL不变时，逐渐加强耦合，鉴频跨导随之下降，但线性范围则随之加宽。End8.8.2相位鉴频器回路参数的选择8.9比例鉴频器以上分析时假定理想调频波，即输入信号V12振幅恒定。能否对相位鉴频器的电路作某些改动来获得一定的限幅作用，以省掉限幅器呢?实际中，当噪声、各种干扰以及电路频率特性的不均匀性所引起的输入信号的寄生调幅，都可能直接在相位鉴频器的输出信号中反映出来。为了去掉这种虚假信号，就必须在鉴频之前预先进行限幅。为了回答这个问题，