《高频第六章少》PPT课件.ppt

1、2020/9/12,第一节 调角波的性质,第六章 角度调制与解调,第二节 调频方法及电路,第三节 限幅器,第四节 鉴频器,2020/9/12,第六章 角度调制与解调,上一章讲的调幅是以u去控制载波振幅，反映到频谱上是频率搬移，其频谱结构不变，所以属于线性调制。 本章讲的调角是以u去控制载波的频率或相位，反映到频谱上是一种复杂的变换（增加了许多组合频率），属于非线性调制。 调角的优点：抗干扰能力强。,2020/9/12,以调制信号u去控制载波的频率或相位，使载波的频率或相位随调制信号的规律变化，这样得到的已调波称调频波或调相波，统称调角波。 设载波 uo(t)=Ucos(t+o)=Ucos(t)

2、,第一节 调角波的性质,未调制时=常数；调角后 常数。,显然：不论是FM还是PM，都会引起(t)的变化， 所以统称为调角。,瞬时相位：,其中：(t) =t+o ；,瞬时频率：,2020/9/12,（一）调频（FM）波表示式 设u(t)=Ucost，载波uc(t)=Uccos(ct+o)，据调频定义： 1）FM波的瞬时频率： (t)=C+kfu=C+kfUcost=C+fcost,其中： C载频，FM波中的中心频率。 kf比例系数，单位调制信号强度引起的频率变化， 表明控制能力的大小。 f最大频偏，即FM瞬时频率偏离C的最大值。,第一节 调角波的性质,一、调角波的表示式：,2020/9/12,F

3、M波的表示式： u(t)=Uccos(ct+mfsint+o),其中: mf称调频指数，是载波 相位上附加的最大相移， 它表明调制深度。,2）FM波的瞬时相位：,特点：频率c变化与u成正比， 附加相移(t)与u相差90。,具体波形如图,u,t,t,t, t,u(t),(t),(t),mf,f,c,第一节 调角波的性质,(t)=C+kfUcost =C+fcost,调频引起的附加相移,2020/9/12,PM波瞬时频率：,其中： mp=kpU：称调相指数，代表调相波的最大相偏： kp的物理意义是单位调制信号强度引起的相位变化。,据调相定义，PM波的瞬时相位随u线性变化，即 PM波的瞬时相位: (

4、t) =ct+o+KpU cost=ct+o+mpcost,（二）调相波的表示式,第一节 调角波的性质,2020/9/12, PM波表示式：,波形分析见图,瞬时相位变化与u成正比； 瞬时频率的变化与u的 微分成正比。与 u相差90。,特点：,u,t,t,t, t,u(t),(t),(t),mp,p,c,第一节 调角波的性质,U(t)=Uccos(ct+o+mpcost),2020/9/12,FM、PM波的比较,第一节 调角波的性质,FM波的表示式： u(t)=Uccos(ct+mfsint+o),PM波表示式：,U(t)=Uccos(ct+o+mpcost),2020/9/12,1、调频时：

5、最大相偏mf1/ (f一定时)；最大频偏fU ，与无关； 2、调相时： 最大相偏mpU ，(与无关)；最大频偏在mp一定时，p,mf,f,mf=,mp,p=mp,用曲线表示：,f =KfU,mp=KPU,p,第一节 调角波的性质,值得强调的两点差别:,最大频偏,最大频偏,最大相偏,最大相偏,调频时：,调相时,2020/9/12,例6-1 设一组正弦调制信号，信号频率最低为Fmin=300HZ,最高为3400HZ调制信号的幅度都一样，调频时，最大频偏ff=75kHZ；调相时，最大相偏 mp=1.5rad/s 试求：调频时，mf的变化范围；调相时，fp的变化范围。 解：1、调频时： 调频指数：mf

6、=f/=ff/F (mf)max=ff/Fmin=75103/300=250rad/s (mf)min=ff/Fmax=75103/3400=22rad/s,2、调相时： 最大频偏：fp=mp(FminFmax)=1.5 (3003400)=4505100HZ 可见，调相时mp=kpU是不变的，但fpF,第一节 调角波的性质,可见，调频时最大频偏不变ff ，最大相偏变化mfF,2020/9/12,二、调角信号的频谱和有效带宽 (二)调角信号的频谱 FM：u(t)=UCcos(ct+mfsint+0) PM：u(t)=UCcos(ct+mpcost+0) 由u引起的相移相差/2，无本质区别。,利

7、用和角公式: u(t)=UCcos(msint)cos(ct+0)-sin(msint)sin(ct+0),在贝塞尔函数理论中有以下关系： cos(msint)=J0(m)+2J2(m)cos2t+2J4(m)cos4t+ sin(msint)=2J1(m)sint 2J3(m)sin3t +,第一节 调角波的性质,归并成通式：u(t)=UCcos(ct+msint+0),2020/9/12,所以 ,u(t)=UCJo(m）cos(ct+o) +UCJ1(m)cos(c+)t+o - cos(c-)t+o +UCJ2(m)cos(c+2)t+o + cos(c-2)t+o +UCJ3(m)co

8、s(c+3)t+o - cos(c-3)t+o +,J0(m)以m为宗数的第一类贝塞尔函数载频分量的振幅系数,Jn(m)以m为宗量的边频分量 nc的振幅系数,由式可以看出调角波频谱特点： （1）频率成分：c、cn，n=1,2, （2）边频分量的幅度：Un=UcJn（m）,(3）相位：当n=奇数时，上、下边频相位相反；,当n=偶数时，上下边频相位相同；,第一节 调角波的性质,2020/9/12,当m，n为已知时，以m为变量的振幅系数可由贝塞尔函数曲线（P110图6-4）或P110的表6-2查得。,第一节 调角波的性质,查表方法:当m=4时,由表6-2可查得J0(4)=-39.71% , J1(4

9、)=-6.6% J2(4)=36.42%,由曲线可知： 当m为特定值时，载频或某一边频振幅为零。 如： m=2.405 ； J0(m)=0 利用此特点可用来测量频偏和调制指数。,横坐标为m；纵坐标为n, Jn(m)%表示振幅系数值，其正负、大小无规律。查表可知，当m变量相同时，结果与查表相同。,查曲线方法:,2020/9/12,（二）调角波的频谱宽度,窄带调制（m1）；,宽带调制（m1）。,1窄带调制（m1）,当m很小时，cos(msint)1 sin(msint) msint,显然，和AM波的频谱相似，只是上、下边频相位相反。,频带宽度：B=2 把B=2的FM波调制称窄带调制，它广泛用于移动

10、通信。,据m 的大小，调角信号分为两种：,频谱如图所示：,第一节 调角波的性质,2020/9/12,2宽带调制（m1） 完整的频谱由U(t)式决定。 理论上说，调角波的频谱应是无限宽的，但能量大都集中在载频附近的边频分量。 在通信中，一般认为边频幅度小于载波幅度的10%即可忽略。,第一节 调角波的性质,其有效带宽可表示为:B=2(m+1) 或 BHZ=2(m+1)F 例如:当m=4，B=2(4+1)=10,所以BHZ=2(75+15)=180KHZ(单声道) ；立体声为198kHZ 一般广播系统中选取BHz=200kHZ,调频广播中规定最高频偏fmax=75kHZ ；Fmax=15kHZ,当信

11、号为非简谐信号时：,由表6-2显见，当n(m+1)时，边频幅度均小于载频振幅的10%。绝大部分能量都集中在n(m+1)边频分量。,2020/9/12,应该指出：最大频偏与频谱宽度概念是不同的。 最大频偏：指在U的作用下，瞬时频率偏离fc的最大值； 频谱宽度：则是获得主要调制信号能量的频率范围。,三、调制方式的比较,第一节 调角波的性质,2020/9/12,第一节 调角波的性质,2020/9/12,第一节 调角波的性质,2020/9/12,FM、PM的比较,第一节 调角波的性质,综合说：调角优于调幅，而调频又优于调相。,2020/9/12,一、调频电路主要指标及实现方法 （一）调频器的主要技术指

12、标 （1）调制特性的线性：调频波频偏与调制电压关系特性f=f(U)称调制特性，即要求fu。 （2）调制灵敏度：指单位调制电压变化能产生的频偏S=f/u，S 越大越好。,第二节 调频方法及电路,（3）载频稳定度：越高越好。载频稳定是保证正常通信的必要条件。 （4）最大频偏ff：在调制电压作用下能获得的最大频偏。要求ff与 F 无关。(在整个波段内保持不变)。,相对频偏,ff /f c10-2时称大频偏：用于卫星通信、微波中继,2020/9/12,(1)直接调频： u变化 LC回路的 L或C变化 变化 特点： 简单，频偏ff大; 但载频fc的稳定性较差。（因为变频管偏置电压漂移、温度T变化fc变化

13、）,第二节 调频方法及电路,（2）间接调频: 首先u(t)dt 再调相 得调频波 特点：fc稳定，但ff小。,（二）调频方法,2020/9/12,二、直接调频电路 （一）变容二极管直接调频电路 电路如图,C1为隔直电容 ;C2高频旁路电容 ; RFC高频扼流圈通直隔交; U调制电压; -UB保证变容管工作的反向直流偏压。 UBUm,第二节 调频方法及电路,2020/9/12,其中：, 变容管的电容调制度,U=0时的结电容,将其代入得：,u=UB+U=UB+Umcost,由图变容管两端电压：,第二节 调频方法及电路,变容管电容当外加电压 :u=0，CT=CT0（零偏） ； UD为PN结内建电位。

14、,2020/9/12,回路振荡频率：,若令电容指数n=2，则有 ：=C(1-mTcost) =C-mTC cost =C-mcost 其中：m=mTC为 FM波最大角频偏。,c=mcost 即cU(t)实现线性调频。,第二节 调频方法及电路,注意： 对实际的变容二极管随u而变，在一定的电压范围内n=2； 要得到线性调频，调制信号电压幅度不能太大。即c不能太大。否则，将出现非线性失真。,2020/9/12,为了避免高频振荡电压对CT的影响，常用对称直接调频电路如图：,对u ， UB来说，两变容管并联； 对高频振荡电压，两变容管串联，相互补偿、抵消。,第二节 调频方法及电路,2020/9/12,第

15、二节 调频方法及电路,(二)石英晶体调谐振荡器：,实际电路见下图：,优点：中心频率稳定性高（因为晶体振荡器） 缺点：频偏小,克拉泼振荡器,调节CT可调节振荡频率,1）间接调频原理:,u(t)=Uccos(ct+o+mpcost),u(t)=Uccos(ct+mfSint+o),三、间接调频电路（阿姆斯特朗系统）,先将调制信号积分; 再去调相，所得结果就是FM波（如图）,FM波,PM波,2020/9/12,用U去调相，其相偏 (t)=kp u=（kp Umsint）/RC =（kfUm sint）/=mfsint (其中：kf=kp/RC，mf=kfUm/),则u 积分后：,第二节 调频方法及电

16、路,显然，这与调频波的瞬时相偏表示式完全一致， 所以可实现间接调频。,若设: U= Umcost,2020/9/12,C1C3 隔直电容 -9V提供反偏直流。 C4,R4 为积分器，以获得u L，CT组成并联谐振回路 当u =0时，CT=CTQ，f=fc，电路呈纯阻。 u CT 对载频信号而言失谐，回路呈感性 U导前I。,2)间接调频电路：电路如图,第二节 调频方法及电路,-9V,u CT 对载频信号而言失谐，回路呈容性 U滞后I 所以u 改变 CT改变 改变，实现调相。,u,2020/9/12,第三节 限幅器,问题：调角波中带有的寄生调幅。 原因：1）在调制过程中产生。如图 2）在传输过程中

17、产生。 危害：对发射端功放、和接收端的解调都很不利。 解决办法：用限幅器来消除调角波的寄生调幅。 限幅器的的组成： 非线性元件 + 谐振回路,削去幅值 的变化,除去新产 生的谐波,常用的限幅器有： 二极管限幅器、三极管限幅器、差分对限幅器。,对限幅器的主要技术要求： （1）限幅区应具有平坦特性： 进入限幅区后，输出电压应维持在限幅值基本不变。 （2）限幅门限要低： 进入限幅区时，对输入电压幅值要求越低越好。 （3）进入限幅区之前： 应具有尽可能高的线性放大系数。,一、晶体二极管限幅器,1.组成：如图,参数满足： r d RRL,D1 D2参数： 导通电阻为 r d 导通电压UD,1) |ui|

18、UD时：,输出电压：,2) |ui|UD时：,输出电压：,r d R,斜率r d / R,斜率为： RL /(R+ RL),UD,线性范围,D1 D2均截止无限幅作用：,D1 D2分别在正负半周导通：,uo,限幅的结果：使uo的尖峰被削平。 二极管限幅器特点：工作频率高、限幅特性对称。,2.原理：,斜率越小（平坦） 限幅效果越好,t,二、晶体三极管限幅器,1.组成：如图,1) 当ui较小时：,电路相当于一般的放大器。,2)当ui较大时：如图,由于线性范围的限制消除波峰，从而消除寄生振幅。,特点：工作频率低，但具有一定的放大能力。,与普通调谐放大器类似； 但工作点低、线性范围小。,普通放大器 的

19、工作状态,限幅器的 工作状态,三、差分对限幅器,1.组成：如图 由单入单出差放组成；,1) 当ui Ut时：,2)当ui继续增大时：如图,正弦波成为方波。,特点：1）门限电压低，可降低对前一极增益的要求。 2） Re用恒流源代替，易于集成。,iCZ ui 传输特性具有限幅作用,iCZ波形上下被削平。,ui,0,ui,Ut,iCZ,iCZmax,iCZ,t,0,2020/9/12,第四节 鉴频器,鉴频器 -实现FM波解调的装置 实现鉴频方法有三种： （1）将等幅的FM波变换成振幅与调频波频率成正比的FM-AM波，再进行振幅检波，得到u。 优点是：电路简单可靠，应用最广泛。 （2）利用移相器，得到

20、与调频波的 f 变化成正比的FM-PM波，再通过鉴相器检出u。 优点是：性能好，便于集成，是发展方向。 （3）利用计过零点脉冲数目的方法，称脉冲计数式鉴频器。 优点是：线性好，但 f 受限。,2020/9/12,即鉴频器输出电压 U与调频信号的频率 f 之间的关系；,鉴频器的主要质量指标： （1）鉴频跨导gD （亦称鉴频灵敏度）,鉴频器的主要特性是鉴频特性：,鉴频特性曲线,它的形状象S形， 又称S曲线。,表示单位频偏能产生输出电压的大小。 gD越大，S越陡，灵敏度越高。,（2）频带宽度B： 指S曲线的线性范围；B=2fmax。,fmax为FM波 的最大频偏,（3）非线性失真： B内S曲线为直线

21、，无非线性失真，要求鉴频器工作在B内。 gD灵敏度高但B；反之BgD，必须兼顾。,2020/9/12,基本思想： FM波FM-AM波up 经检波,峰包检波,变换器,t,t,t,t,up,up,up,uL,u ,优点：简单 缺点：线性范围窄；大时失真严重。,UL,原理：Up曲线如图,0,c,输入FM波的C0； 处于失谐状态。,一、斜率鉴频器,1单斜率鉴频器：如图：,2020/9/12,2.平衡斜率鉴频器,要求： D1=D2 C3=C4 R1=R2,0,(2)工作原理,初级回路调谐于0 = c ；两次级回路分别调谐于1 、2 ； 且201 ；=1-0=0-2 ； up1=up2经检波后得|u1|=

22、|u2| 但极性相反。 则 U=u1-u2即为u1幅值的二倍。,(1)电路如图：,up1,0,1,2,t,up2,t,（3）优点：, u为单斜率的2倍。（电路完全对称） 输出无直流，无偶次谐波成分，失真小。 B较宽，可用于宽带通信接收机。,（4）缺点： 调试不方便，难以做到严格对称。,2020/9/12,利用耦合谐振回路初、次级间相移随 f 变化的特性实现鉴频。,1.电路（如图）,要求： 检波电路完全对称； 即：C3=C4 D1=D2 R3=R4,Ld的作用：,（1） Ld对FM波开路；提供检波器的直流通路; （2）加 U1 于 Ld 两端 (C0、C4对FM波短路 )。,二、相位鉴频器,20

23、20/9/12,2.工作原理： 检波等效电路如图：,由图可得: UD1=U1+U2/2 UD2=U1-U2/2,下面分析U1、U2与频率 f 的关系 : 设初、次级回路参数完全相同： 即: L1=L2=L , r1= r2= r ； Q1=Q2=Q, 1=2=,U= U1 -U2 = kd（UD1- UD2 ）=F(U1，U2),对高频信号C3和C4可以看成短路 。,U1=kd1UD1 U2=kd1UD2,U1,U2,kd上下电路的 检波效率相等,2020/9/12,根据：,UD1,UD2,U1,UD1,UD2,U1,UD2,UD1,U1,= 0时：=0、=0 U2导前U1900,0时：、0 U2导前U1小于900, 0时：、0 U2导前U1大于900,2020/9/12,U,0,由此得到S曲线：,当很高严重失谐时，使U1、U2U,出现拐点的原因：,峰包检波后：,U 随 f 变化的规律而变化；实现了鉴频。,U,t,相位鉴频器的优点：电路简单，线形较好，灵敏度较高。 缺点：工作频带较窄。,2020/9/12,移相器作用：把FM信号变换为PM信号。 相位检波器：由乘法器构成，把U1、U2的相位差检出。,最大优点：适合于集成化，因而有发展前景。 （一）工作原理： 如 框图：,常用的移相器如图：,四、符合鉴频器,下面分析移相器的波形变换原理