Ch10角度调制解调课件

10角度调制与解调10.2调角波的性质10.3调频方法概述10.4变容二极管调频10.5晶体振荡器直接调频10.1

概述

End10.7可变延时调频10.8相位鉴频器10.9比例鉴频器10.10其他形式的鉴频器10.6间接调频:由调相实现调频10角度调制与解调1、频率调制又称调频(FM)——模拟信号调制，它是使高频振荡信号的频率按调制信号的规律变化(瞬时频率变化的大小与调制信号成线性关系)，而振幅保持恒定的一种调制方式。调频信号的解调称为鉴频或频率检波。

而数字信号频率调制称为频率键控（FSK)2、相位调制又称调相(PM)——模拟信号调制，它的相位按调制信号的规律变化，振幅保持不变。调相信号的解调称为鉴相或相位检波。类似的，数字信号相位调制称为相位键控（PSK)10.1概述3、角度调制特点：调频和调相统称为角(度)调(制)，角度调制属于频谱的非线性变换，即已调信号的频谱结构不再保持原调制信号频谱的内部结构，且调制后的信号带宽通常比原调制信号带宽大得多，因此角度调制信号的频带利用率不高，但其抗干扰和噪声的能力较强。

另外，角度调制的分析方法和模型等都与频谱线性搬移电路不同。10.1概述4、调频与调相的关系调频波和调相波都表现为高频载波瞬时相位随调制信号的变化而变化，只是变化的规律不同而已。由于频率与相位间存在微分与积分的关系，调频与调相之间也存在着密切的关系，即调频必调相，调相必调频。同样，鉴频和鉴相也可相互利用，即可以用鉴频的方法实现鉴相，也可以用鉴相的方法实现鉴频。一般来说，在模拟通信中，调频比调相应用广泛，而在数字通信中，调相比调频应用普遍。10.1概述调频波的指标寄生调幅频谱宽度抗干扰能力10.1概述图10.1.1利用波形变换电路进行鉴频10.1概述鉴频10.1概述图10.1.2鉴频特性曲线鉴频跨导线性范围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10.1概述10.2.1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10.2.1频率连续变化的简谐振荡10.2.1瞬时频率与瞬时相位10.2.2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)10.2.2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10.2.2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10.2.2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。10.2.2调频波和调相波的数学表示式10.2.3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一、频谱调制信号是周期为2π/Ω的周期性时间函数，可以将它展开为傅氏级数，其基波角频率为Ω，即式中Jn(mf)是宗数为mf的n阶第一类贝塞尔函数，它可以用无穷级数进行计算:10.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度已调频信号Jn(mf)=J-n(mf)n为偶数Jn(mf)=－J-n(mf)，n为奇数10.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度已调频信号调制信号a(t)=V0［J0(mf)cosω0t+J1(mf)cos(ω0+Ω)t-J1(mf)cos(ω0-Ω)t+J2(mf)cos(ω0+2Ω)t+J2(mf)cos(ω0-2Ω)t+J3(mf)cos(ω0+3Ω)t-J3(mf)cos(ω0-3Ω)t+…］10.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度单频调制时FM波的振幅谱（a）Ω为常数;（b）Δωm为常数(图中忽略了幅度较小的边频分量)a(t)=V0［J0(mf)cosω0t+J1(mf)cos(ω0+Ω)t-J1(mf)cos(ω0-Ω)t+J2(mf)cos(ω0+2Ω)t+J2(mf)cos(ω0-2Ω)t+J3(mf)cos(ω0+3Ω)t-J3(mf)cos(ω0-3Ω)t+…］一、频谱10.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度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。2)调制指数mf越大，具有较大振幅的边频分量就越多。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。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。

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10.2.3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：10.2.3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。10.2.3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。10.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度a(t)=V0［J0(mf)cosω0t+J1(mf)cos(ω0+Ω)t-J1(mf)cos(ω0-Ω)t+J2(mf)cos(ω0+2Ω)t+J2(mf)cos(ω0-2Ω)t+J3(mf)cos(ω0+3Ω)t-J3(mf)cos(ω0-3Ω)t+…］调制信号瞬时频率瞬时相位已调频信号调频原理调频波频谱结构理论上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频率：，F各频率分量的幅度由贝塞尔函数决定：Jn(MF)奇次旁频分量的相位相反：J-(2k+1)(MF)=-J(2k+1)(MF)包含载波频率分量其幅度小于1，与调制指数有关

---J0(MF)MF=1时调频波各频率分量分布及幅度mFJ0J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10J11J12J13J140.0010.250.980.120.500.940.240.031.000.770.440.110.021.500.510.560.230.060.012.000.220.580.350.130.032.400.000.520.430.200.060.022.50-.050.500.450.220.070.020.013.00-.260.340.490.310.130.040.014.00-.40-.070.360.430.280.130.050.025.00-.18-.330.050.360.390.260.130.050.025.450.00-.34-.120.260.400.320.190.090.030.016.000.15-.28-.240.110.360.360.250.130.060.027.000.300.00-.30-.170.160.350.340.230.130.060.028.000.170.23-.11-.29-.100.190.340.320.220.130.060.038.650.000.270.06-.24-.230.030.260.340.280.180.100.050.029.00-.090.250.14-.18-.27-.060.200.330.310.210.120.060.030.0110.0-.250.050.250.06-.22-.23-.010.220.320.290.210.120.060.030.01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。m01m02m03m04m05m06m07m082.40485.52018.053711.791514.930918.071121.211624.3525Bessel函数零值法测量频偏频谱分析仪End多频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。10.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度(2)把

先微分后再调频，可以得间接调相（indirectPM）

(1)如果把

先积分后，再经过调相器，也可得到对

而言的调频波，也称为间接调频。（indirectfrequencymodulation）调频波和调相波关系10.3调频方法概述10.3.1直接调频原理10.3.2间接调频原理10.3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。调频特性曲线。（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。不同的调频系统对最大频偏有不同的要求调频广播：75kHz；电视伴音：50kHz；无线电话：5kHz10.3.1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。调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有二极管和场效应管。End10.3.2间接调频原理瞬时频率瞬时相位图10.3.1借助于调相器得到调频波10.4变容二极管调频10.4.1基本原理10.4.2电路分析10.4.1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：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=1～5变容管的Cj～u曲线缓变结突变结超突变结10.4.1基本原理一、变容管全部接入振荡回路(理想直接调频)1.理想振荡回路振荡回路由L、Cj构成，C1为高频耦合电容，为高频扼流圈，为高频旁路电容等效回路10.4.1基本原理图10.4.1用调制信号控制变容二极管结电容10.4.1基本原理CjQC

jvRV0其中：

为静态工作点的结电容。

10.4.1基本原理反向电压理想线性调制条件10.4.1基本原理10.4.1基本原理10.4.1基本原理◆实现理想直接调频的条件：γ=210.4.1基本原理◆最大角频偏◆缺点：中心频率不稳定二、变容二极管部分接入直接调频10.4.1基本原理1.电容串并分析①Cj不串也不并②Cj串C2③Cj并C1④Cj串C2并C110.4.1基本原理二、变容二极管部分接入直接调频

●串并后调制的线性改善，但牺牲了调制灵敏度，即kf↓●实际γ

≠2，应取γ＞2，通过电容串并后使γ↓≈2，即可实现近似理想的调频。2.求部分接入直接调频的10.4.1基本原理◆结论：●减低P倍，中心频率稳定度提高P倍●非线性失真系数即取小的m，取小的A，经过电容串、并后可使A2→0，可实现近似理想直接调频。●提高频率稳定度和减小非线性失真均应使10.4.2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，等效的振荡回路主体是LC互感耦合正弦振荡电路。图10.4.2变容二极管调频电路图10.4.3振荡回路的等效电路End图10.4.490MHz直接调频电路及其高频通路举例：10.4.2电路分析变容二极管直接调频特点主要优点：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。10.5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。另外：AFCPLL。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10.5.1变容管与晶体的两种连接方式及其电抗曲线10.5晶体振荡器直接调频图10.5.2晶体振荡器直接调频电路PierceOscillators(c－b)型振荡器

10.5晶体振荡器直接调频End图10.5.3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

10.5晶体振荡器直接调频10.6间接调频:由调相实现调频10.6.1调相的方法10.6.2间接调频的实现10.6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。10.6.1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（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：10.6.1调相的方法（2）利用移相网络调相图10.6.1RC移相网络10.6.1调相的方法

10.6.1调相的方法图10.6.2RC移相网络矢量图图10.6.3利用变容二极管改变移相网络的电抗10.6.1调相的方法2.矢量合成法［阿姆斯特朗法］10.6.1调相的方法图10.6.5实现矢量合成法的方框图10.6.1调相的方法图10.6.6用载波振荡与双边带调幅波叠加以实现调相10.6.1调相的方法10.6.1调相的方法End10.6.1调相的方法End10.6.2间接调频的实现图10.6.9间接调频的典型方框图角调波的解调频率振幅包络检波非线性变换低通计数器频率相位相位检波频率解调方法角调波的解调角调波的解调角调波的解调角调波的解调角调波的解调角调波的解调10.8相位鉴频器10.8.1相位鉴频器的工作原理10.8.2相位鉴频器回路参数的选择10.8.1相位鉴频器的工作原理上述两个信号同时作用于鉴相器，鉴相器的输出电压vo是瞬时相位差的函数，即：通常v2为调相波，v1为参考信号。与调幅信号的解调类似，也有乘积型和叠加型两类。变换电路鉴相器vFMvFM-PMvov2v1则相乘器的输出信号 为：1、乘积型鉴相器（productphasedetector）设：鉴相器输入PM信号。即：而而另一输入信号为 的同频正交载波。即：其中k为相乘器的乘积因子。经低通滤波器后，输出电压 为：可见：乘积型鉴相器具有正弦形鉴相特性相乘器低通滤波器π-π如果满足，则有 。所以经低通滤波器后，输出电压为：其中1、乘积型鉴相器（productphasedetector）相乘器低通滤波器π-π注意：乘积型鉴相器在电路结构上与同步检波器是相同的，即只要输入调相信号与的载波正交，同步检波器就变成了乘积型鉴相器。即输出电压与成线性关系，可实现线性鉴相。10.8.1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2.叠加型相位鉴频器模型但输出与Δθ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。相加器相加器包络检波器包络检波器相加器在实际电路中，为了减小失真，广泛采用平衡鉴相电路。10.8.1相位鉴频器的工作原理2.叠加型相位鉴频器模型图10.8.1相位鉴频器原理电路实现电路移相网络

包络检波

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