《模拟电子技术》课件第9章

9.1角度调制的基本原理

由调制的概念可知，除了振幅调制外，还可以实现角度调制。所谓角度调制就是用调制信号去控制高频载波的频率或相位，从而使待传输的低频调制信号同样载到高频上去。因此，从原理上讲，角度调制也是一个频谱的搬移过程。采用角度调制的目的是为了进一步提高传输信号的抗干扰能力，因为高频载波的角度（频率或相位）比振幅更不容易受外来信号的干扰。9.1.1调角信号的基本概念

1.调频信号

（1）定义调频是频率调制（FrequencyModulation，FM）的简称，它的定义是高频载波的频率完全按照调制信号变化规律而变化的一种调制方式，相应产生的调制信号称为调频信号，亦称调频波。（9－1）式中，kf为比例系数，单位为rad/s·V。则相应调频波的相位变化为式中，φ0为高频载波的初始相位，为分析简单，通常设其为零。则可得到调频波的表达式为（9－3）由此可见，调频波的瞬时角频率的变化与调制信号成正比；而瞬时相位变化与调制信号的积分值成正比。由于频率与相位之间的固有关系，因此，调频时一定有相位变化。（9－4）式中，kp为比例系数，单位为rad/V。则相应调相波的频率变化为（9－5）则调相波的表达式为（9－6）由此可见，调频波的瞬时相位的变化与调制信号成正比；而瞬时角频率的变化与调制信号的微分值成正比。同理，由于相位与频率之间的固有关系，调相时一定有频率变化。9.1.2调角信号的基本特性

1.调角波的基本参数

为了说明问题，以单音调制为例，即：uΩ(t)=UΩmcosΩt，则对于调频波，根据式（9－1）可得FM波的频率变化为（9－7）式中（9－8）称为最大角频偏，单位为rad/s；或称最大频偏（对Δfm），单位为Hz。同样，根据式（9－2）可得FM波的相位变化为（9－9）式中（9－10）称为调频指数，其实际上就是FM波的最大相位变化量，单位为rad。由此可得到单音调制时FM波的表达式为（9－11）对于调相波，根据式（9－4）可得其相位变化表达式（9－12）式中（9－13）称为调相指数，也就是PM波的最大相位变化量，单位为rad。根据式（9－5）可得PM波的频率变化表达式为（9－14）式中（9－15）它是调相波的最大角频偏，单位为rad/s。由此可得到单音调制时PM波的表达式为（9－16）图9－1单音调制时的调角信号波形

（a）调频信号;（b）调相信号

2.调角信号的频谱与带宽

为了分析简单，仍以单音调制为例来说明调角波的频谱与带宽。比较式（9－11）和式（9－16）可以发现，调频波和调相波的表达式非常类似，因此它们的频谱结构也类似。

将式（9－11）调频波的表达式用傅立叶级数展开得（9－17）式中，Jn(Mf)是宗数为Mf的n阶第一类贝塞尔函数。

由此可见，原来单音调制信号的一根频谱，经过调频后被搬移到高频载波频率的两边，变成无数对边频分量。其中，n为奇数的上、下边频分量振幅相等，极性相反；n为偶数的上、下边频分量振幅相等，极性也相同。因此，调频波的频谱已不再是对调制信号的频谱进行线性的搬移，而是进行非线性的搬移。（9－18） 9.2调频电路

9.2.1直接调频电路

1.变容二极管直接调频原理

图9－2所示为变容管直接调频电路的原理图。其中，图（a）为变容管及其控制电路接入到高频振荡回路的原理电路，图中的和为隔直耦合和旁路电容，它们对高频近视短路，对低频调制信号近视开路，为高频扼流圈，它通直流、隔高频，为变容管的反向直流偏置电压，这样就能保证变容管的结电容在直流偏压的基础上，受控于调制信号。图（b）为图（a）的高频通路，并且结电容作为振荡回路的总电容，则振荡器的振荡角频率为：（9－19）根据变容管的特性有（9－20）图9－2变容管直接调频电路的原理图

（a）变容管及其控制电路接入振荡回路；（b）高频通路（9－21）（9－22）（9-23）是调频波的最大角频偏，它与调制信号的振幅和载波频率成正比，相应的调制灵敏度为或（9－25）

2.实际电路介绍

在实际变容管直接调频电路中，变容管的结电容Cj接入振荡回路有两种情况，一是选择n=2的变容管，它的结电容Cj作为振荡回路的总电容，如图9－2（b）所示，称为全部接入，其特点是调制灵敏度高、产生频偏大，但其载频稳定度较差；二是选择n＞2的变容管，它的Cj作为振荡回路电容的一部分，如图9－4（b）所示，称为部分接入，其特点是虽然降低了调制灵敏度和最大频偏，但却相应提高了载频稳定度。

图9－3所示是中心频率为140MHz的变容管直接调频电路，用于卫星通信地面站的调频发射机中。图中，晶体管T和电感L及变容管结电容Cj构成电感三点式振荡器，变容管采用全部接入，该调频电路能产生的最大频偏达3MHz。图9－3变容管全部接入的直接调频电路

图9－4（a）所示是变容管部分接入的直接调频电路。其中，晶体管T和电感L和电容C1、C2、C3及结电容Cj构成电容三点式振荡器，结电容Cj先与C3串联，再与C1、C2的串联电容并联作为回路的总电容，实现典型的部分接入，其回路等效电路如图9－4（b）所示。图9－4变容管部分接入的直接调频电路

(a)实际电路；(b)回路等效电路9.2.2间接调频电路

1.间接调频原理

直接调频电路的调制作用是直接在高频载波的振荡器中进行，因此，其载频稳定度受到影响而达不到一些高质量广播、通信的要求。根据调频与调相之间的内在关系可知，只要对调制信号先进行积分，然后再对其进行调相，就能得到相应的调频信号，这样就避免了调制在振荡器中进行，从而可采用高稳定度的晶体振荡器产生载波信号，使载频稳定度大大的提高，图9－5所示为间接调频的原理框图。图9－5间接调频电路的原理框图设振荡器输出的高频载波信号为调制信号为uΩ(t)，其积分后为则高频载波通过调相器产生附加相移Δφ(t)，调相器输出信号为若调相器能实现线性调相，即则调相器输出为（9－26）它与式（9－3）调频波的表达式在形式上完全一致，即对调制信号uΩ(t)而言是调频波。（9－27）（9－28）式中（9－29）由此可见，变容管调相电路要实现近似的线性调相，必须选用n=2的变容管和限制调制信号的幅度等，使Mp小于30°。图9－6变容管调相电路原理图

2）矢量合成法调相电路

对于单音调制的PM信号有（9－30）上式的第一项为高频载波，第二项为一个双边带信号，即当Mp＜15°的窄带调相时，调相波近似由高频载波和一个双边带信号的叠加而成，即是由两个矢量合成的，其相应的实现模型如图9－7所示。图9－7矢量合成法调相的原理框图

3.间接调频的线性频偏扩展

间接调频的主要优点是载频稳定度高，但它的频偏却很小，往往满足不了要求。由上述分析可知，在间接调频中，其最大的相位偏移量不能超过调相器的线性调制范围，即（9－31）无论是直接调频还是间接调频，扩展线性频偏通常可以采用倍频和混频两种方法实现。若设某一调频波的瞬时角频率为对其n倍频得：【例9－2】若调频广播发射机采用矢量合成调相电路，已知其载频fc1=100kHz，产生的线性频偏Δfm1=24.41Hz，调制信号的频率范围为100~15000Hz，要求最后输出100MHz载频，75kHz频偏的调频信号，试确定扩展线性频偏的方案。

解：由题意可知，要扩展的频偏倍数为一般倍频器的n小于5，因为所以采用6级倍频和1级混频来实现，如图9－8所示。图9－8采用矢量合成调相的调频广播发射机框图

9.3鉴频电路

9.3.1鉴频方法概述

对调频信号的解调称为鉴频，对调相信号的解调称为鉴相，鉴频电路或鉴相电路的功能就是从已调波中检测出反映在频率或相位变化上的调制信号电压。图9－9典型的鉴频特性曲线

1.鉴频特性

对于鉴频，从原理上讲就是把频率变化转换成电压变化，这种转换特性曲线称为鉴频特性曲线，图9－9所示为典型的鉴频特性曲线。

（1）鉴频灵敏度SD

鉴频灵敏度表示为鉴频器把输入频率变化转换成输出电压变化的能力，其定义为（V/Hz）（9－32）图9－10斜率鉴频原理框图

2.鉴频的实现方法

实现鉴频的方法有很多，归纳其工作原理大致有：斜率鉴频、相位鉴频、脉冲计数式鉴频和锁相鉴频等。

（1）斜率鉴频若让等幅调频波通过一个线性网络，并将其频率变化转换成幅度变化，使输出为调幅调频波，然后再用包络检波器检出其幅度变化，从而实现鉴频，图9－10为斜率鉴频的原理框图。

（2）相位鉴频若让等幅调频波通过一个线性网络，并将其频率变化转换成相位变化，使输出为调相调频波，然后再用相位检波器检出其相位变化，从而实现鉴频，图9－11为相位鉴频的原理框图。图9－11相位鉴频原理框图（3）脉冲计数式鉴频若让调频波通过一个非线性网络，如图9－12（a）所示，经过放大、限幅、微分、脉冲形成后输出一串调频脉冲序列，由于该脉冲序列的疏密反映了输入调频信号的瞬时频率变化，再将其通过低通滤波器，取出平均分量，便可得到原调制电压，如图9－12（b）所示。图9－12脉冲计数式鉴频实现框图

(a)电路组成框图；(b)波形图9.3.2斜率鉴频电路

1.单失谐回路斜率鉴频电路

图9－13（a）所示为单失谐回路斜率鉴频电路，它是由并联谐振回路和包络检波器组成。由并联谐振回路的幅频特性曲线可知，当输入信号的载频不等于回路的谐振频率时，即所谓的失谐，则幅频特性曲线有一段斜线近似为直线，在这段直线范围内，就能把频率变化转换成振幅变化。因此，只要把输入等幅调频波的载频设置在这段直线的中点，并且最大频偏不超过直线范围，就能输出调幅调频波，如图9－13（b）所示，而调幅调频波再通过包络检波器，就能把反映调制信号变化规律的包络检测出来，完成了鉴频功能。图9－13单失谐回路斜率鉴频电路

(a)电路；(b)波形图9－14双失谐回路斜率鉴频电路

(a)电路；(b)双失谐回路幅频特性；(c)合成的鉴频特性曲线

9.3.3相位鉴频电路

1.频－相转换网络

实现相位鉴频的关键之一是频－相转换网络，其功能是线性地把反映调制信号变化规律的频率变化转换成相位变化。图9－15所示是典型的频相转换网络，它是由电容C1和LC并联谐振回路构成。图9－15频－相转换网络由图可写出频－相转换网络的传递函数为（9－33）(9－