第10章 角度调制与解调.ppt

1、第10章 角度调制与解调,其中， 称为该余弦信号的全相角。（角频率是常数） 可以用旋转矢量在横轴上的投影表示。,一、调角信号的时域特性,角度调制信号的基本特性,一个余弦信号可以表示为：,1、 瞬时频率和瞬时相位,2、调频信号,在频率调制时，是使余弦信号的瞬时角频率与调制信号成线性关系变化，而初始相位不变。,调频信号,3、调相信号,在相位调制时，保持余弦信号的中心角频率 不变，而使 其瞬时相位与调制信号成线性关系变化。,调相信号,4、单音调角波的数学表示式、频移和相移,假定未调载波表示为：,假定调制信号为：,调频波的瞬时角频率为：,频移的幅度，称为最大频偏或简称频偏:,瞬时角频偏：,调频波的瞬时

2、相位,附加相移部分：,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。,最大附加相移：,调频波的数学表示式,调相波的数学表示式,调相波的瞬时相位为：,调相波的调制指数 称为最大附加相移：,调相波的瞬时角频率为：,调相波：,瞬时角频偏为：,单音调角信号参数比较,单音调制波形,二、调角信号的频域特性,调制信号为：,调频波的表示式为：,下面分析单频余弦信号调制下，调频波的频谱。,式中，出现了 两个特殊函数。,其中， 称为宗数为 的第一类贝塞尔函数。,利用三角函数公式，展开可得：,1、第一类贝塞尔函数 的性质：,（讲义下册49）,2、

3、调频波的频谱结构,包含载波频率分量（但是幅度小于1，与 有关。）；还包含无穷多个边频分量；,各边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。,0.77,0.44,0.44,0.11,0.11,0.02,0.02,调频波的频谱结构与调制指数 关系密切。 愈大，则具有一定幅度的边频数目愈多。（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。）,对于某些 值，载频分量或某次边频分量的幅度是零。,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，频率调制又称为非线性调制。,各频率分量间的

4、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。,3、调频波的频带宽度,1)调频波所占的带宽，理论上说是无穷宽的，因为它包含有 无穷多个频率分量。,2)但实际上，在调制指数一定时，超过某一阶数的贝塞尔函数的值已经相当小，其影响可以忽略，这时则可认为调频波所具有的频带宽度是近似有限的。,3)调频波的频带宽度有两种近似：,忽略了小于0.01的分量： （集中99%以上的功率）,忽略了小于 0.1的分量：,（集中98-99%的功率）,卡森（C

5、arson）公式,不同Mf 时的调频波带宽,上式表明，在调制指数较小的情况下，调频波只有角频率分别 为 和 的三个分量，它与用同样调制信号进行标准 调幅所得调幅波的频带宽度相同。通常，把这种情况的频率调 制称为窄带调频。,上式表明，在调制指数较大的情况下，调频波的带宽等于二倍 频偏。通常，把这种情况的频率调制称为宽带调频。又称为 恒定带宽调频。,第三种情况， 介于前两种情况之间。,复杂频率信号的调角信号的频谱,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。,复杂调角信号频带宽度

6、与单音调角信号频谱计算公式相同：,调频波的功率,两点补充说明：,1、调频波的三个频率槪念：,2、恒定带宽调频槪念：,调制指数较大时，调频波的带宽等于二倍频偏。,对于调频波， ，当 减小， 增加。,增加，则具有一定幅度的边频数目愈多，带宽增加。,减小，则各旁频分量之间的距离减小，带宽减小。,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。,调频电路,一、调制原理概述,实现方法：直接调频和间接调频。,1、直接调频,直接调频就是直接使振荡器的频率随调制信号成线性关系变化。例如，在一个由LC回路决定振荡频率的振荡器中，将一个可变电抗元件接入回路，使可变电

7、抗元件的电抗值随调制电压而变化。即可使振荡器的振荡频率随调制信号而变化。如：变容二极管直接调频电路。,优点：易于得到比较大的频偏。,缺点：中心频率的稳定度不易做得很高。,2、间接调频,优点：载波中心频率稳定度较好。,利用调频波与调相波之间的关系：,二、调频电路的技术指标,1、调制特性,定义：振荡器的频率偏移与调制电压的关系称为调制特性，表示为：,在一定电压范围内，调制特性应近似为直线特性。,2、调制灵敏度,单位调制电压变化产生的频偏,3、最大频偏,在调制电压作用下，所能达到的最大频率偏移。,4、中心频率稳定度,调频信号的瞬时频率是以稳定的中心频率（载波频率）为基准变化的。如果中心频率不稳定，就

8、有可能使调频信号的频谱落到接收机通带范围之外，以致不能保证正常通信。因此，对于调频电路，不仅要满足频偏的要求，而且要使中心频率保持足够高的稳定度。,三、变容二极管直接调频电路,1、变容二极管的特性,变容管是利用PN结来实现的。 PN结的 电容包括势垒电容和扩散电容两部分。,变容管利用势垒电容， 所以PN结是反向偏置的。,V = 0时变容管的等效电容为 。,变容指数为 ，大小取决于PN结的结构和杂质分布情况。,缓变结变容管， 其 = 1/3； 突变结变容管， 其 = 1/2 ； 超突变结变容管，其 = 14。,内建电位差为 ，硅管约为0.7V， 锗管约为0.2V。,因 ，故 。,2、变容管做回路

9、总电容,可展开为：,可得调制特性为：,利用展开式：,调制特性分析,与调制信号成正比的成分：,常数成分，产生了中心频率的偏移：,与调制信号频率各次谐波成比例的成分，从而使频率调制 过程产生了非线性失真：,为了减小非线性失真和中心频率的偏移，在变容管调频电路中，总是设法使变容管工作在 的区域。,改进电路,变容管背靠背联接 减小高频信号影响,对振荡信号来说，两只变容管是串联的，可以看出，在这种情况下，每个变容管上所加的振荡电压仅为谐振回路两端电压的一半。,对从A-A端加入的直流偏置电压和 调制电压来说，两只变容管相当于 并联。所以，两管所处的偏置点和 受调状态是相同的。,当加于变容管两端振荡电压幅度

10、较 大时，变容管可能工作于导通状态， 这将降低回路的Q值。,3、变容管部分接入的直接调频电路,变容管部分接入的振荡回路,电容C1C2对频率的影响,4、晶体振荡器直接调频电路,工作频率在 和 之间。,两个谐振频率十分接近。,电路中晶体当等效电感元件用。,频偏小，但中心频率稳定度高。,加大频偏的措施：串电感（ ）， 并电感（ ）。,直接调频电路,张驰振荡器直接调频电路,1、工作原理,2、调频方波,电流源受调制电压的控制得到调频方波。,调频非正弦波转换为调频波,调频方波的表达式：,调频非正弦波转换为调频波,可见调频方波可以分解为无数的调频波正弦波之和。且载波的频率分别为原载波的奇数倍 载波越大，调频

11、指数越大。 为了输出调频波，必须使相临的两个调频波的带宽不重叠。,四、间接调频,先将调制信号进行积分处理，再进行调相而得到调频波，其方框如下图所示。,优点：载波中心频率稳定度较好。,调相器： 可控相移法。 矢量合成法。 可变时延法。,1、矢量合成法调相电路,2、可变相移法调相电路,变容二极管实现的调相,变容二极管受调变的示意图,变容二极管的调制特性为：,载波频率为 ，回路对载波失谐，则并联回路失谐产生的相移是（失谐较小）：,并联回路产生的相移是按调制信号的规律变化。（即调相）,变容二极管移相电路,3、可变时延法调相电路,振荡器,可控延时网络,可变时延法调相电路,四、间接调频与直接调频电路比较,

12、直接调频电路可产生较大频偏 但最大相对频偏受调制非线性限制,间接调频电路最大线性相移小，即Mp（ Mf ）小 且最大频偏受调制非线性限制,五、扩展最大频偏的办法,倍频器：,混频器：,直接调频电路：相对频偏受限制， 可采用高频率调制，再降低载波。,间接调频电路：最大频偏受限制， 可采用低频率调制，提高相对频偏， 再提高载波。,调频波解调电路,作用：从已调波中检出反映在频率或相位上的调制信号。,调频波的解调称为频率检波，简称鉴频 调相波的解调称为相位检波，简称鉴相,限幅器在调频接收机中的使用,调频接受电路电路的频率响应的不一致使调频波的幅度发生变化。从而在解调时，寄生的解调电压反映在输出解调信号上

13、产生失真。一般要加限幅器保证加到鉴频器上的电压是等幅的。,一、鉴频电路的主要性能指标,1、鉴频线性,3、鉴频灵敏度,2、鉴频线性范围,鉴频特性：鉴频电路输出低频解调电压与输入调频信号瞬时频偏的关系。理想鉴频特性应该为线性。,单位频偏产生的输出电压的大小（鉴频跨导）,二、鉴频的实现方法,A、斜率鉴频器 将调频波转化为幅度随频率变化的调频-调幅波，后经过包络检波器检出。,方法一：锁相鉴频,方法二：非线性变换,其实现的电路主要有三种：,二、鉴频的实现方法,B、相位鉴频器 将调频波转化为附加相位随频率变化的调频-调相波，后经过相位检波器检出附加相位。,方法二：非线性变换,二、鉴频的实现方法,C、脉冲式

14、数字鉴频器 将调频波经过非线形变换网络，变换为等宽的脉冲序列，等宽的脉冲序列含有反映瞬时频率变化的平均分量，经过低通滤波器输出调制信号。,方法二：非线性变换,脉冲计数式鉴频器的原理,理想的微分网络和理想的时延网络,理想的微分网络,理想的微分网络和理想的时延网络,理想的时延网络,三、LC回路的频幅和频相转换特性,1、LC并联回路的频相转换特性,LC并联回路的频相转换特性,2、LC并联回路的频幅转换特性,LC频幅、频相转换特性分析中的几个问题,1、调频信号的频偏结构不改变：LC频幅、频相转换网络为线性网络。,2、调频信号的幅度和相位有改变：转换网络对每个频率分量的衰减程度不同，产生的相移大小不同。,3、 LC回路频幅、频相特性曲线的线性部分大小与其相对频率变化有关，所以要保证其线性转换范围大于鉴频系统的要求。,四、调角信号的解调的分析,A、乘积型鉴相器原理,1、鉴相器原理,B、叠加型鉴相原理,可通过采用平衡电路来消除叠加型鉴相器输出信号中的二次及以上偶次谐波分量。,五、鉴频器电路,1、斜率鉴频电路,LC构成单失谐回路 CRL构成低通滤波器,双失谐回路斜率鉴频器,由于单谐回路的线性范围很小，为扩展鉴频特性的线性范围，实际电路常采用两个单失谐回路构成的平衡电路。,2、相位鉴频电路,1）乘积型相位