角度调制与解调第6章

角度调制与解调第6章第一页，共68页。第6章角度调制与解调6.1概述6.2调角波的性质6.3调频信号的产生6.4调频电路6.5调频波的解调6.6限幅器6.7调制方式的比较6.8集成调频、解调电路芯片介绍第二页，共68页。6.1概述

1.非线性调制

任何一个简谐信号，总是由振幅、频率和相位三个基本参数来描述的。

线性调制——频谱的线性搬移（调幅）

非线性调制：①频率调制②相位调制

2.非线性调制中，瞬时频率和瞬时相位之间的关系设载波，调制后

瞬时频率

瞬时相位

瞬时相位是瞬时频率的积分瞬时频率是瞬时相位的导数第三页，共68页。第6章角度调制与解调6.1概述6.2调角波的性质6.3调频信号的产生6.4调频电路6.5调频波的解调6.6限幅器6.7调制方式的比较6.8集成调频、解调电路芯片介绍第四页，共68页。6.2调角波的性质6.2.1调频及其数学表达式

1.定义载波信号的瞬时频率随调制信号线性变化。

Kf——调频系数，是一个由调频电路决定的常数。瞬时相位

调频信号的数学表达式第五页，共68页。2.参数

角频率的最大偏移（最大频偏）

调频指数（最大相移）第六页，共68页。6.2.2调相及其数学表达式1.定义载波信号的瞬时相位随调制信号线性变化。

Kp——调相系数，取决于调相电路。瞬时频率

调相信号的数学表达式

2.参数角频率的最大偏移（最大频偏）调相指数（最大相移）第七页，共68页。表6－1调频信号和调相信号比较（单音调制）调频信号调相信号瞬时频率瞬时相位最大频偏最大相移数学表达式第八页，共68页。单音调制时的调频和调相信号波形第九页，共68页。课堂练习1.调角波，试确定：

①最大频偏；②最大相移；③能否确定这是FM波或是PM波？

2.调角波，试求它的、的表达式。如果它是调频波或调相波，试问，它们相应的调制电压各为多少？（设调频、调相系数Kf，Kp已知）第十页，共68页。6.2.3调角波的频谱与有效频带宽度

讨论单音调制的情况

1.窄带调频（NBFM）：mf<<1

频带宽度：B=2F第十一页，共68页。2.宽带调频（WBFM）：mf>>1其中，这里，Jn(mf)是以mf为参数的n阶第一类贝塞尔函数，其值有曲线和函数表可查。

第十二页，共68页。

由图可见：

①阶数n或数值mf越大，Jn(mf)的变化范围越小；

②Jn(mf)随mf的增大作正负交替变化；

③mf在某些数值上，Jn(mf)为0，例如mf=2.40，5.52，8.65，11.79时，J0(mf)为0。图6-6贝塞尔函数曲线第十三页，共68页。表6-2贝塞尔函数表mfJ0(mf)J1(mf)J2(mf)J3(mf)J4(mf)J5(mf)J6(mf)J7(mf)J8(mf)0.011.00.0050.200.99.1000.500.940.240.031.000.770.440.110.022.000.220.580.350.130.043.000.260.340.490.310.130.040.014.000.390.060.360.430.280.130.050.015.000.180.330.050.360.390.260.130.050.02第十四页，共68页。

贝塞尔函数具有下列性质：

①

②因此，调频波的数学表达式可表示为第十五页，共68页。

（1）调频波的频谱

单音调制调频波的频谱具有以下特点：

①调频信号的频谱不是调制信号频谱的线性搬移，而是由载频和无数对边频分量组成。

②各分量的幅度由相应的贝塞尔函数值决定，当mf为某些特定值时，可使载频或某些边频幅度为0。

③各分量之间的间隔均为Ω，其中n为奇数的上、下边频分量极性相反，n为偶数的上、下边频分量极性相同。

第十六页，共68页。

（2）有效频带宽度

理论上：边频分量有无穷多对

频谱无限宽；

实际上：n↑→Jn(mf)

↓，当n大到一定数值后，更高次的边频可忽略不计。

工程上规定，振幅小于未调制载波振幅10%的边频分量可忽略不计。因此，调频波的有效频带宽度B=2(mf+1)F=2(Δf+F)第十七页，共68页。6.2.4调角信号频谱与调制信号的关系

对于FM波当mf>>1时，B=2(mf+1)F≈2Δf，由于Δf与F无关，所以B近似与F无关。因此，FM被称为恒定带宽调制。

对于PM波当mp>>1时，B≈2Δf，此时Δf=KpUΩmΩ，与Ω成正比，即PM信号的带宽随调制信号频率而近似线性变化。

因此，在模拟调制时，除利用调相来获得FM信号外，很少采用PM调制。第十八页，共68页。6.2.5调角波的功率

单音调制时，，因此，调角波的平均功率利用贝塞尔函数的性质，则调角波的平均功率为因此，调制的过程是一个信号功率重新分配的过程。第十九页，共68页。作业教材6－56－86－96－11第二十页，共68页。第6章角度调制与解调6.1概述6.2调角波的性质6.3调频信号的产生6.4调频电路6.5调频波的解调6.6限幅器6.7调制方式的比较6.8集成调频、解调电路芯片介绍第二十一页，共68页。6.3调频信号的产生一、调频方法

1.直接调频调制信号直接控制决定振荡器振荡频率的某个参数，使振荡器瞬时频率随调制信号大小线性变化。

直接调频的电路基础是一个振荡器电路。其优点是能够获得较大的频偏，缺点是频率稳定度较低。第二十二页，共68页。2.间接调频

间接调频就是利用调相来实现调频，其框图为间接调频的振荡器和调制器是分开的，因此可以获得较高的频率稳定度。但受线性调制的限制，相移、最大频偏都较小，通常不能满足要求，因此需加倍频器，以扩展频偏。积分器相位调制器倍频器载波第二十三页，共68页。二、调频电路的性能指标1.调制特性要求为线性调制特性是描述瞬时频率偏移Δf(t)随调制电压uΩ(t)变化的特性，要求它在特定调制电压范围内是线性的。

2.调制灵敏度单位调制信号电压变化所产生的频率偏移，用S表示。在线性调频范围内，S相当于Kf。第二十四页，共68页。3.最大频偏

当UΩm一定，在调制信号频率范围内，△fm应保持不变。调频广播系统的要求是75kHz，调频电视伴音系统的要求是50kHz。

4.载波频率稳定性调频广播系统要求载频漂移不超过±2kHz，调频电视伴音系统要求载频漂移不超过±500Hz。第二十五页，共68页。第6章角度调制与解调6.1概述6.2调角波的性质6.3调频信号的产生6.4调频电路6.5调频波的解调6.6限幅器6.7调制方式的比较6.8集成调频、解调电路芯片介绍第二十六页，共68页。6.4调频电路6.4.1变容二极管调频电路

1.变容二极管利用PN结的势垒电容随反偏压大小而变化的特性而制成的一种半导体二极管，它是一种电压控制可变电抗元件。

2.结电容与反向电压u的关系

其中，

——u＝0时的结电容，

——PN结的势垒电位差，

——变容指数，取决于PN结的工艺结构。第二十七页，共68页。3.变容二极管调频原理

由于变容二极管接在振荡器回路中，其结电容成为回路电容的一部分。

当调制电压uΩ加在变容二极管上

→使加在变容二极管上的反向电压受uΩ控制；

→从而使得变容二极管的结电容Cd受uΩ控制；

→则回路总电容C也要受uΩ控制；

→最后使得振荡器的振荡频率受uΩ控制，即瞬时频率随uΩ的变化而变化。第二十八页，共68页。

（1）变容二极管作为振荡回路总电容第二十九页，共68页。

存在问题：

叠加在变容二极管两端的高频电压不仅影响振荡频率随调制电压的变化规律，而且还影响振荡幅度和频率稳定度等性能。第三十页，共68页。

（2）变容管部分接入振荡回路（小频偏）

C2的作用：

①使变容二极管部分接入振荡回路，提高中心频率的稳定性；

②由于C2的分压，加到变容二极管上的高频振荡电压也相应减小。问题：电容C1可不可以不加，为什么要加C1？因为高频电路中存在分布电容，加大C1提高稳定性，但频偏减小。第三十一页，共68页。

分析思路：

①变容二极管上需加固定偏压及uΩ；

②变容二极管是高频振荡电路的一部分。

C2

——

对音频和直流容抗大，可看作开路。

ZL——

对音频和直流容抗忽略不计，可看作短路。4.变容二极管调频原理电路第三十二页，共68页。音频时等效电路高频时等效电路第三十三页，共68页。5.变容二极管调频实际电路

采用两个变容二极管对接的方式，来减小高频振荡电压对变容二极管特性的影响。缺点：两管串联后总电容减半，调制灵敏度有所下降。第三十四页，共68页。6.4.2电抗管调频电路1.电抗管调频原理（1）组成由一只晶体管或场效应管加上由电抗和电阻元件构成的移相网络组成。（2）调频原理

将电抗管接入振荡器谐振回路，在低频调制信号控制下，电抗管的等效电抗发生变化，从而使振荡器的瞬时振荡频率随调制电压而变，获得调频。第三十五页，共68页。2.等效电抗的推导

（1）晶体管电抗管的等效电抗

①等效电抗是一个电容

②等效电抗是一个电感（复习时推导）（2）场效应管电抗管的等效电抗第三十六页，共68页。6.4.3晶体振荡器调频电路

1.调频原理用调制信号控制变容二极管的结电容，以引起晶体等效电抗的变化，从而使振荡频率受调制信号控制。第三十七页，共68页。2.应用举例高频通路

第三十八页，共68页。

晶体振荡器调频，可以获得较高的中心频率稳定度，但相对频偏很小（10－4量级）。

因此，利用晶体振荡器直接调频产生FM信号时必须扩展频偏，方法有两种：

①利用倍频和混频器分别扩展绝对频偏和相对频偏；

②在晶体支路中串联一个小电感，使晶体的串联谐振频率从fs降低到fs1，扩展fs到fp之间的范围。第三十九页，共68页。第6章角度调制与解调6.1概述6.2调角波的性质6.3调频信号的产生6.4调频电路6.5调频波的解调6.6限幅器6.7调制方式的比较6.8集成调频、解调电路芯片介绍第四十页，共68页。6.5调频波的解调

实现鉴频的方法：

1.将调频波通过频率-幅度变换网络变成幅度随瞬时频率变化的调幅调频波，再经包络检波器检出调制信号。

2.将调频波通过频率-相位变换网络变成调频调相波，然后通过相位检波器检出调制信号。第四十一页，共68页。6.5.1鉴频器的质量指标1.鉴频跨导gd（鉴频灵敏度）

单位频偏所产生输出电压的大小

2.鉴频频带宽度B

B>2△f3.非线性失真

4.对寄生调幅应有一定的抑制能力第四十二页，共68页。6.5.2斜率鉴频器1.斜率鉴频器的理论模型

2.单失谐回路斜率鉴频器（1）电路形式与工作原理调频调幅变换器实际上是一个以LC回路为负载的调谐放大器，但回路失谐；波形变换原理：利用谐振回路对不同频率呈现不同阻抗的传输特性。第四十三页，共68页。图6－27斜率鉴频器的工作原理第四十四页，共68页。

（2）鉴频特性分析

①鉴频灵敏度的大小与变换器幅频特性f0处的斜率成正比——斜率鉴频器；

②变换器幅频特性线性范围较窄，若要增大，就要降低LC回路的Q值，但又使鉴频灵敏度降低；

③对输入信号寄生调幅没有抑制作用。第四十五页，共68页。3.参差调谐鉴频器（双失谐回路斜率鉴频器）

（1）电路

初级LC回路调谐在输入调频信号的中心频率fc上，次级上下两个回路分别调谐在f1和f2上。设f1>fc，f2<fc，且f1-fc＝fc-f2＝△fc。

（2）鉴频工作原理

载波状态Uo1＝Uo2，Uo＝0；

f>fc时，Uo1>Uo2，Uo为正值；f<fc时，Uo1<Uo2，Uo为负值。第四十六页，共68页。

（3）鉴频特性曲线第四十七页，共68页。

（4）优缺点

①优点鉴频灵敏度较高，其输出电压比单失谐回路斜率鉴频器的输出大一倍。

②缺点要求上下两个回路严格对称，三个回路要分别调谐到三个不同的准确频率上，给实际调整增加了困难。第四十八页，共68页。6.5.3相位鉴频器

相位鉴频器由两部分组成：①将调频信号的瞬时频率变化变换到附加相移上的频相转换网络；②检出附加相移变化的相位检波器。

相位检波器又称鉴相器，有乘积型和叠加型两种实现电路。频相变换包络检波器频相变换低通滤波器第四十九页，共68页。叠加型鉴频器各点波形（红色为FM-PM信号）第五十页，共68页。第五十一页，共68页。第五十二页，共68页。第五十三页，共68页。1.电感耦合相位鉴频器

（1）电路频相变换包络检波器第五十四页，共68页。

（2）工作原理ω变，U2对U1的相位差随ω变；检波器输入电压Ud1、Ud2的大小随ω变；每一检波器的输出电压Uo1、Uo2也随ω变；总的检波器输出电压Uo随ω变。第五十五页，共68页。①副边电压U2对于原边电压U1的相位差随ω变

L1C1和L2C2为互感耦合双调谐回路，作为鉴频器的频相转换网络。

为便于分析，将电路中的频相转换网络单独画出。

因为互感电势由另线圈的电流引起的，所以写互感电势的式子时，只要考虑它的参考方向与引起这个电势或电压的电流的参考方向对同名端是否一致。第五十六页，共68页。

当时，超前90º；当时，超前小于90º；当时，超前大于90º；第五十七页，共68页。②检波器的输入电压幅度Ud1、Ud2随ω变

实际加到上、下包络的输入电压图6-32在不同频率下的Ud1和Ud2

③每一检波器的输出电压Uo1、Uo2随ω变

④总的检波器输出电压Uo随ω变第五十八页，共68页。2.电容耦合相位鉴频器第五十九页，共68页。6.5.4比例鉴频器1.电路特点①两个二极管顺接；②在电阻R3+R4两端并接了一个大电容C5；③输出电压取自M，E两端。第六十页，共68页。2.工作原理

加到上、下两包络的输入电压比例鉴频器的输出电压+-Uo1Uo2Uo+-第六十一页，共68页。3.限幅原理

由于Uc恒定不变，Uo只取决于比值Uo2/Uo1，所以把这种鉴频器称为比例鉴频器。

如果输入调频信号伴随有寄生调幅现象，使Uo1和Uo2同时增大或减小，比值Uo2/Uo1可维持不变，因而输出电压与输入调频波的幅度变化无关，该电路有抑制寄生调幅作用。第六十二页，共68页。第6章角度调制与解调6.1概述6.2调角波的性质6.3调频信号的产生6.4调频电路6.5调频波的解调6.6限幅器6.7调制方式的比较6.8集成调频、解调电路芯片介绍第六十三页，共68页。1.抗干扰性能在高输入信噪比