第7章-角度调制与解调

第7章_角度调制与解调第一页，共82页。

7.1概述

高频振荡的振幅不变，而瞬时相位随调制信号按一定关系变化。（简称调角）一、角度调制的定义与分类定义：相位调制（简称调相）：

高频振荡的振幅不变，而其瞬时角频率随调制信号线性关系变化。

FM频率调制（简称调频）：

高频振荡的振幅不变，而其瞬时相位随调制信号线性关系变化。

PM二、角度调制的优点与用途优点：抗干扰能力强、载波功率利用率高用途：FM：调频广播、广播电视、通信及遥控遥测等PM：数字通信等分类：2第二页，共82页。二、

调角信号的时域特性（一）调频信号载波信号：调制信号：瞬时角频率：(t)=c+kfu(t)rad/s·V=c

+(t)瞬时相位：

相移则FM信号为角频移3第三页，共82页。u(t)=Um

cost(t)=c+kfUm

cost=c+fm

cost调频指数（最大相移）最大角频移单频调制时则ΔωfmΩmf4第四页，共82页。

u(t)=Um

cost(t)=c+fm

cost调制信号瞬时角频率调频波相移最高最密特点：调制信号电平最高处对应的瞬时正频移最大，波形最密集；调制信号电平最低处对应的瞬时负频移最大，波形最稀疏。最低最稀波形（等幅疏密波）：5第五页，共82页。（二）调相信号载波信号：调制信号：故调相信号为rad/V瞬时相位：相移瞬时角频率：角频移6第六页，共82页。设u(t)=Um

cost，单频调制时，则调相指数（最大相移）mpΔωpmΩ最大角频移在振幅调制中，调幅指数ma≤1，否则会产生过调幅失真。而在角度调制中，无论是调频还是调相，调制指数均可大于1。需要说明：7第七页，共82页。

u(t)=Um

cost调制信号瞬时角频率调相波相移波形（等幅疏密波）：特点：调制信号电平变化率（斜率）最大处对应的瞬时正频移最大，波形最密集；调制信号电平变化率最小处对应的瞬时负频移最大，波形最稀疏。最大最密最小最稀8第八页，共82页。（三）调频信号与调相信号的比较调制信号u(t)=Um

cost载波信号uc(t)=Ucm

cosc

t调频调相瞬时角频率(t)

=

c+kf

u(t)=c+fmcost=c–

pmsin

t

瞬时相位=ct+kp

u(t)=ct+mpcos

t

最大角频移=kfUm=mf=kpUm

=mp最大相移mp=kpUm

fm

pm表达式9第九页，共82页。调频信号与调相信号的相同之处在于:(1)

二者都是等幅信号。(2)

二者的频率和相位都随调制信号而变化,均产生频移与相移，成为疏密波形。正频移最大处，即瞬时频率最高处，波形最密；负频移动最大处，即瞬时频率最低处，波形最疏。调频信号与调相信号的区别在于:(1)

二者的频率和相位随调制信号变化的规律不一样，但由于瞬时频率与瞬时相位是微积分关系，故二者是有紧密联系的。(3)

二者的最大角频移m均等于调制指数m与调制信号频率的乘积。10第十页，共82页。

从理论上讲，调频信号的最大角频移fm<c，由于载频c很高，故fm可以很大，即调制范围很大。由于相位以2π为周期，因此调相信号的最大相移（调相指数）mp<π，故调制范围很小。11第十一页，共82页。例1已知u(t)=5cos(2103t)V，调角信号表达式为uo(t)=10cos[(2106t)+10cos(2103t)]V试判断该调角信号是调频信号还是调相信号，并求调制指数、最大频移、载波频率和载波振幅。[解]=2106t+10cos(2103t)调相指数mp=10rad载波频率fc

=106(Hz)fpm=mpF最大频移载波振幅Ucm

=10V=10103=10kHz相移正比于调制信号，故为调相信号。12第十二页，共82页。例2一组频率为3003000Hz的余弦调制信号，振幅相同，调频时最大频移为

75kHz，调相时最大相移为

2rad，试求调制信号频率范围内：(1)调频时mf的变化范围;(2)调相时fpm的范围;[解](1)调频时，ffm与调制信号频率无关，恒为75kHz。故(2)调相时，mP与调制信号频率无关，恒为2rad

。故13第十三页，共82页。三、

调角信号的频谱与带宽（一）调角信号的频谱FM信号和PM信号的频谱结构相同，下面仅讨论调频波的频谱。设调制信号，载波信号，则根据贝塞尔函数理论有：

Jn(mf)称为以mf为参数的n阶第一类贝塞尔函数14第十四页，共82页。可得载频第一对边频第二对边频第三对边频第四对边频15第十五页，共82页。12345678910111213mJn(m)Jn(m)随m、n

变化的规律1.00.80.60.40.20–0.2–0.4n=0n=1n=2n=3

n增大时，总趋势使边频分量振幅减小。

m越大，具有较大振幅的边频分量就越多；且有些边频分量振幅超过载频分量振幅。当m为某些值时，载频分量可能为零，m为其它某些值时，某些边频分量振幅可能为零。

16第十六页，共82页。（3）载频分量和各边频分量的振幅均随Jn(m)而变化。调角信号频谱特点：（1）调角信号的频谱是由载频和无数对上、下边频分量组成，它不是调制信号频谱的线性搬移。（2）奇数项的上、下边频分量的振幅相等，极性相反；偶数项的上、下两边频分量的振幅相等，极性都相同。ωc-ΩΩΩωFM/PM的频谱ωc+Ωωcωc+2Ωωc+3Ωωc+4Ωωc-2Ωωc-3Ωωc-4ΩΩωcω调制信号uΩ载波uc17第十七页，共82页。（二）调角信号的带宽

实际上可以把调角信号认为是有限带宽的信号，这取决于实际应用中允许解调后信号的失真程度。

理论上：频带无限宽凡是振幅小于未调载波振幅的10%的边频分量可以忽略不计。即

常用的工程准则：

BW=2(m+1)F=2F

+2

fm由Besselfunction

可得调角信号的有效带宽为18第十八页，共82页。当

m>>1时，BW2m

F=2fm

，称为宽带调角信号。当

m<<1时，BW2F

，其值近似为调制信号频率的两倍，相当于调幅波的带宽。这时，调角信号的频谱由载波分量和一对幅值相同，极性相反的上、下边频分量组成，称窄带调角信号。讨论：（2）作为调相波时，由于

mp=

kpUm与F无关。可见，BWPM=2(mp+1)F，在Um

不变条件下，BWPM与

F成正比的增加。（1）作为调频信号时，与F成反比。可见，BWFM=2(mf+1)F，在Um不变条件下，增大F，BWFM变化不大。19第十九页，共82页。BW=2(m+1)Fmax当

m<<1时，BW2Fmax当

m>>1时，BW2m

F=2fm其中，

fm=mFmax

PM信号的有效带宽与调制信号的频率成正比。如果按最高调制频率设计信道，则在调制频率低时有很大余量，系统频带利用不充分，因此在模拟通信系统中，调频比调相应用更广。

对有限频带的调制信号，即F=Fmin～Fmax，则调角信号的带宽为

20第二十页，共82页。四、调角信号与调幅信号的比较调角信号比之调幅信号的优缺点：

调角信号功率等于未调制时的载波功率，与调制指数m无关，因此不论m为多大，发射机末级均可工作在最大功率状态，从而可提高发送设备的功率利用率。

故角度调制不宜在信道拥挤、且频率范围不宽的短波波段使用，而适合在频率范围很宽的超高频或微波波段使用。

优点：（1）抗干扰能力强（2）功率利用率高

因为调角信号为等幅信号，其幅度不携带信息，故可采用限幅电路消除干扰所引起的寄生调幅。缺点：有效带宽比调幅信号大得多，且有效带宽与m相关。21第二十一页，共82页。振荡电路LC

有源电路1.直接调频用调制信号直接控制载波振荡器频率，使其与调制信号成正比。调频输出可控电抗元件调制电压直接调频法

优点：频偏较大

缺点：中心频率易不稳定7.2.1调频电路的实现方法与主要性能要求一、调频方法直接调频间接调频可控的电容元件：变容二极管、电抗管可控的电感元件：电抗管、具有铁氧体 磁芯的电感线圈7.2调频电路22第二十二页，共82页。2.间接调频载波振荡器Ucmcosctu(t)积分器调相器（先对调制信号积分，后对载波进行调相）间接调频法不在振荡器中进行，故

优点：中心频率较稳定

缺点：不易获得大频偏23第二十三页，共82页。二、调频电路的主要性能要求（1）具有线性的调制特性，即（2）调制灵敏度要高，即kf

要大（3）载波的频率稳定度要高（4）最大频偏与调制信号频率无关

（5）无寄生调幅24第二十四页，共82页。7.2.2变容二极管直接调频电路一、变容二极管urCjo特点:(1)必须工作在反向偏压符号:压控特性或（电压控制可变电抗元件）(2)结电容随外加的反向电压变化而变化ur

=0时的结电容外加反向偏压PN结势垒电压（导通电压）变容指数取值1/3～625第二十五页，共82页。二、工作原理1.电路组成互感耦合振荡器变容二极管和它的偏置电路+-低频旁路电容加在Cj上的反向直流偏压26第二十六页，共82页。CjurVQurtCjtCjQ2.具体分析为电容调制度对应的结电容为CjQ调制状态时变容二极管的结电容Cj载波状态时，此时27第二十七页，共82页。瞬时振荡频率:最大频偏未加调制信号时的载波频率：即为调频振荡器的中心频率。讨论：①设γ=2即实现线性调频。（1）变容二极管作为振荡回路的总电容28第二十八页，共82页。当m很小可忽略三次方以上的高次项，则瞬时频率为：中心角频率偏移项二次谐波失真项可见会导致如下影响：线性调频所需项1)中心频率会产生偏移，其偏移量为：2)调频波会产生非线性失真,二次谐波失真最大偏移为

②

当29第二十九页，共82页。3)调频波的最大频偏为：当调频电路要求的相对频偏较小时，m值就很小，此时对的要求就不高。例：调频广播的中心频率为若要求最大频偏为,则可见m很小，则对应的中心频率偏移量和非线性失真就很小，故对的要求不高当调频电路要求的相对频偏较大时，对的要求就严格些。变容二极管直接接入振荡回路的缺点：调频电路的中心频率稳定度较差。30第三十页，共82页。（2）变容二极管部分接入振荡回路

变容管部分接入回路所构成的调频电路，中心频率的稳定提高了，但调制灵敏度和最大频偏都降低。31第三十一页，共82页。三、电路实例bce(1)是电容三点式振荡电路，通过变容二极管的电容变化实现调频。(2)高频扼流图对直流和调制信号短路，而对载频开路。因而加在两个变容二极管上的反向电压是相同的。+Ur_(3)本电路的特殊点是采用了两个变容二极管反向串联接入振荡回路，对高频信号而言，使得每个变容二极管两端的高频电压减小一半，可减弱高频电压对变容二极管总电容的影响。32第三十二页，共82页。例1：33第三十三页，共82页。34第三十四页，共82页。

在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，可以采用直接对晶体振荡器调频的方法。

7.2.3晶体振荡器直接调频电路

1．晶体振荡器直接调频原理其振荡频率为：

在电路中，当Cj变化时，CL变化，从而使晶体振荡器的振荡频率也发生变化，如果压控元件Cj受调制电压 控制，则PierceOscillator就成为一个晶体调频振荡器。C2ClCjJTbce35第三十五页，共82页。注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，故只能工作于晶体的串联谐振频率f

q与并联谐振频率fp之间故调频波的最大相对频偏很小。实现调频的最大频偏：最大相对频偏:2.实际电路举例36第三十六页，共82页。调相的实现方法:矢量合成法调相可变移相法调相可变时延法调相一、可变移相法调相电路可控的移相网络可控移相网络有多种实现电路，其中应用最广的是由变容二极管和电感组成的调谐回路。7.3调相电路37第三十七页，共82页。载波输入一、变容二极管调相电路R3C3电路对调制信号构成积分电路实际加到变容二极管上的调制电压uΩ’(t)为

就构成间接调频。1.电路组成构成调相电路。+u

(t)–38第三十八页，共82页。2.工作原理（1）当时，变容二极管反向电压加大，减小附加相移在调制信号控制下变化，导致输出电压的相位也随调制信号变化，从而实现调相。变容二极管反向电压谐振回路的谐振频率为:输出电压与输入电压同相cZ90º–90º（2）当时，谐振回路的谐振频率为:＋－（3）当时，变容二极管反向电压减小，增大谐振回路的谐振频率为:输出电压的相位为输出电压的相位为39第三十九页，共82页。3.调相分析设输入载波信号（1）变容二极管作为回路总电容，当m很小时，回路的谐振频率为输出电压：调制信号+u

(t)–分别是谐振回路在上呈现的阻抗幅值和相移。40第四十页，共82页。在失谐不大的条件下，+u

(t)–实现线性调相的条件：41第四十一页，共82页。对于要求大的相移，可采用多级单回路构成的变容二极管调相电路。三级单回路变容二极管调相电路最大相移：42第四十二页，共82页。二、可变时延法调相电路可控的时延网络脉冲调相电路:能得到较大的相移，调制线性较好，但电路复杂。43第四十三页，共82页。三、矢量合成法调相电路(1)矢量合成法原理单音调制时，调相信号可表示为故44第四十四页，共82页。(2)矢量合成法实现模型实现线性调相的条件：45第四十五页，共82页。四、扩展线性频偏的方法可先用倍频器将载波频率和最大频偏同时扩展n倍，然后再用混频器将调频信号的载波频率改变为所需值。

调频振荡器n倍频器

混频器

本地振荡器46第四十六页，共82页。图所示为某调频设备的组成框图，已知间接调频电路输出的调频信号中心频率fc1=100kHz，最大频偏Δfm1=97.64Hz，混频器的本振信号频率fL=14.8MHz，取下边频输出，试求输出调频信号uo(t)的中心频率fc和最大频偏Δfm。例2解：fc2=4×4×3×fc1=48×100kHz=4.8MHz

Δfm2=4×4×3×Δfm1=48×97.64Hz=4.687kHz

fc3=fL-fc2=(14.8-4.8)MHz=10MHz

Δfm3=Δfm2=4.687kHzfc=4×4×fc3=16×10MHz=160MHzΔfm=4×4×Δfm3=16×4.687kHz=75kHz47第四十七页，共82页。主要要求：

掌握鉴频的实现方法7.5调角信号的解调掌握相位鉴频器和比例鉴频器的工作原理了解鉴频和鉴相电路的主要指标了解鉴相器的工作原理48第四十八页，共82页。7.5.1概述从调相波中取出原调制信号。从调频波中取出原调制信号。鉴频器FM输出与输入信号的瞬时频率偏移成正比。鉴相器PM输出与输入信号的瞬时相位偏移成正比。从频谱上看：调角信号的解调也是频谱的非线性搬移的过程调频波的解调（鉴频）：调相波的解调（鉴相）：实现上述功能的电路称为鉴频器。实现上述功能的电路称为鉴相器。49第四十九页，共82页。(1)鉴频特性曲线0Δfuo(t)或：

由调频信号的特征：所以：

表明：要实现无失真鉴频，要求鉴频器的输出电压 与频偏成线性关系。

一、鉴频器的主要质量指标

指鉴频器的输出电压uo(t)与输入FM信号瞬时频偏Δω(t)或Δf(t)之间的关系曲线.(S曲线）50第五十页，共82页。0Δfuo(t)Bm表明了鉴频特性曲线在原点（ ）处的斜率。（3）鉴频线性范围：Bm>2Δfm

（2）鉴频跨导(鉴频灵敏度)定义：（4）非线性失真：应尽可能小SD值越大，鉴频曲线越陡，鉴频能力越强。鉴频特性曲线接近于直线的频率范围。51第五十一页，共82页。二、鉴相器的主要质量指标

（1）鉴相特性曲线：通常应大于调相波最大相移的二倍。（2）鉴相跨导：（3）鉴相线性范围：鉴相器的输出电压与输入信号的瞬时相位偏移的关系。通常要求是线性关系。鉴相特性在原点处的斜率。（4）非线性失真，应尽可能小。定义：52第五十二页，共82页。鉴相器可实现PM信号的解调，但也广泛用于解调FM信号，以及锁相技术及频率合成技术中。

鉴相器是用来比较两个同频输入电压 和 的相位，而输出电压是两个输入电压相位差的函数，

即当线性鉴相的情况下，输出电压与两个输入电压的瞬时相位差成正比。

鉴相器其中：的瞬时相位。的瞬时相位。即7.5.2鉴相器鉴相器模拟鉴相器数字鉴相器叠加型门电路鉴相器乘积型53第五十三页，共82页。乘法器低通滤波器u2uo(t)u1(PM)(参考信号)一般来说，和为正交关系，一、乘积型鉴相器而为了分析方便,假设54第五十四页，共82页。（一）和均为小信号根据模拟乘法器的特性，其输出电流（小于26mV）uo(t)乘法器低通滤波器u2u1经低通滤波器滤波，在负载可得输出电压为鉴相特性曲线鉴相跨导：线性鉴相范围:π-π55第五十五页，共82页。uo(t)乘法器低通滤波器u2u1（二）

为小信号，为大信号展开为傅氏级数根据模拟乘法器的特性，其输出电流双曲线函数具有开关函数的形式是大信号,56第五十六页，共82页。经低通滤波器滤波，在负载可得输出电压为鉴相特性曲线鉴相跨导：线性鉴相范围:57第五十七页，共82页。uo(t)乘法器低通滤波器u2u1（三）

为大信号，为大信号展开为傅氏级数乘法器输出电流58第五十八页，共82页。经低通滤波器滤波，在负载可得输出电压为鉴相跨导：线性鉴相范围:可见乘积型鉴相器应尽量采用大信号工作状态,这样可获得较宽的线性鉴相范围。59第五十九页，共82页。二、门电路鉴相器特点:电路简单、线性鉴相范围大，易于集成化分类：或门鉴相器异或门鉴相器60第六十页，共82页。（一）异或门鉴相器

2、异或门的特点:两个输入电平不同时，输出为“1”，其余为“0”。3、经低通滤波器滤波后，输出电压与的关系为三角形，可表示为两信号延时为，它反映了两信号的相位差，信号和两方波信号，1、其鉴相跨导为61第六十一页，共82页。斜率鉴频器一、鉴频电路的分类频率—幅度线性变换网络包络检波器uΩtuFMtuFM-AMt7.6鉴频电路调频波FMAM－FM(1)调频－调幅调频变换型相位鉴频器比例鉴频器62第六十二页，共82页。相移乘积型在集成电路调频机中较多采用的相移乘积鉴频器。它是将输入FM信号经移相网络后生成与FM信号电压正交的参考信号电压，它与输入的FM信号电压同时加入相乘器，相乘器输出再经低通滤波器滤波后，便可还原出原调制信号。

相乘器低通滤波器uFMuΩ90o移相网络(2)63第六十三页，共82页。脉冲计数式非线性变换网络低通滤波器uFM调频脉冲序列uΩ(3)调频脉冲序列中的平均分量为脉幅脉宽(4)锁相环路鉴频(零比较器）64第六十四页，共82页。例1：分析：鉴频特性曲线为鉴频器的输出电压与输入信号的瞬时频率偏移之间的关系，而鉴频跨导为鉴频特性曲线的斜率，所以有：解：65第六十五页，共82页。例2：100-1001-1解:(1)鉴频跨导：(2)(3)调制信号：66第六十六页，共82页。上下对称包络检波三个并联调谐回路组成的调频-调幅调频变换电路+-二、双失谐回路斜率鉴频器（一）电路结构uo=uo1–uo267第六十七页，共82页。(1)当输入调频波为（二）鉴频原理则瞬时频率为

瞬时频移为（2）uo=uo1–uo2得到uo，可见uo与瞬时频移成线性，实现鉴频。(5)当输入调频信号的频率为时，两个回路的电压振幅相等，经两个检波器检波产生输出电压和是相等的，故鉴频器输出电压。(3)当输入调频信号的频率从向增大方向偏离时，回路电压大，而回路电压小，经检波后，则鉴频器输出电压。(4)当输入调频信号的频率从向减小方向偏离时，回路电压小，而回路电压大，经检波后，则鉴频器输出电压 。鉴频特性曲线68第六十八页，共82页。三、相位鉴频器（（1）移相网络：（2）u1经耦合电容CC在扼流圈LC上产生的电压为u1（3）包络检波器：(一)电路结构-++--+-+互感耦合电容耦合69第六十九页，共82页。（二）工作原理上下检波器的输出电压为：若设检波器的传输系数为 Kd1=Kd2=Kd上下检波器的输入电压为：70第七十页，共82页。而次级回路中产生的感应电动势所以次级回路两端电压为：初级回路品质因数较高，可忽略的损耗电阻；定性分析的两点假设:(2)初、次级互感耦合较弱，可忽略次级损耗对初级的影响。副边线圈电阻71第七十一页，共82页。讨论:（1）当输入FM波瞬时频率f等于调频波中心频率fc，即f=f

c时，

则有：即有：72第七十二页，共82页。（2）当瞬时频率f>