第7章角度調制與解調－頻譜非線性變換電路7.1概述7.2調角波的性質7.3調頻方法及電路7.4調角信號解調7.5調頻制的抗干擾(噪聲)性能通信電子線路第7章角度調制與解調17.1概述角度調制： 用調制信號去控制載波信號角度參數(shù)的變化頻率調制：受控參數(shù)為載波的頻率解調：鑒頻、頻率檢波相位調制：受控參數(shù)為載波的相位解調：鑒相、相位檢波角度調制屬于非線性調制：調制前后頻譜結構發(fā)生了變化，是非線性頻率變換優(yōu)點：抗干擾能力強缺點：占用頻帶較寬，頻帶利用率低通信電子線路第7章角度調制與解調27.2調角波的性質瞬時頻率與瞬時相位v(t)=Vcos(t)=Vcos(t+0)上式

為頻率，(t)

為相位，0

為初始相位瞬時頻率：(t)瞬時相位：(t)分析中常假設：0

=0例：求t=0時的瞬時頻率0(t)t=0t=

t(t)0實軸通信電子線路第7章角度調制與解調37.2調角波的性質一、調頻波和調相波的波形和數(shù)學表達式調制信號：v(t)=

Vm·f

(t)，|

f(t)|

1是歸一化表達式載波信號：v0(t)=

V0mcos(t)=

V0mcos0t

，假設0

=0頻率調制瞬時頻率：調頻比例常數(shù)

kf

：單位為rad/(s·V)已調信號：相位調制瞬時相位：調相比例常數(shù)

kp

：單位為rad/V已調信號：通信電子線路第7章角度調制與解調47.2調角波的性質單頻調頻信號

[v(t)=

Vmcost]m：最大頻偏

(rad/s,Hz)mf：調頻指數(shù)，即最大相移(rad)、普通調頻信號通信電子線路第7章角度調制與解調57.2調角波的性質單頻調相信號

[v(t)=

Vmcost]m：最大頻偏mp：調相指數(shù)，即最大相移、普通調相信號通信電子線路第7章角度調制與解調67.2調角波的性質調頻信號：調相信號：調頻與調相信號的相同點：都是等幅波最大頻偏與調制指數(shù)的數(shù)學關系一樣：m=

mf,p若調制信號幅度變化，則m、mf,p隨之正比變化VmmmfFMVmmmpPM通信電子線路第7章角度調制與解調77.2調角波的性質調頻信號：調相信號：調頻與調相信號的不同點：調頻：最大頻偏

m由Vm決定，與調制頻率

無關； 調頻指數(shù)mf與調制頻率成反比。調相：調相指數(shù)mp由Vm決定，與調制頻率

無關； 最大頻偏m與調制頻率成正比。mmfFMmmpPM通信電子線路第7章角度調制與解調87.2調角波的性質單頻調頻信號單頻調相信號1.改變Vm2.改變通信電子線路第7章角度調制與解調9調制信號為：v(t)

載波信號為：V0mcos0t調頻波調相波數(shù)學表達式瞬時頻率瞬時相位最大頻偏調制指數(shù)最大相移①⑤④③②⑩⑨⑧⑦⑥7.2調角波的性質v(t)=Vmcost通信電子線路第7章角度調制與解調107.2調角波的性質三角波調頻信號三角波調相信號1.改變Vm2.改變通信電子線路第7章角度調制與解調117.2調角波的性質例：有一正弦調制信號，頻率為300~3400Hz，調制信號中各頻率分量的振幅相同，調頻時最大頻偏fm=75kHz，調相時最大相移mp=1.5rad。試求調頻時調制指數(shù)mf

的最大范圍和調相時最大頻偏fm

的變化范圍。調頻時，最大頻偏由調制信號幅度決定，與F

無關調相時，調相指數(shù)由調制信號幅度決定，與F

無關通信電子線路第7章角度調制與解調127.2調角波的性質二、調角信號的頻譜與有效頻帶寬度1.調頻波和調相波的頻譜(僅分析單頻調頻信號)cos(mfsint)

和sin(mfsint)

用第一類貝塞爾函數(shù)展開n：階數(shù)，：宗數(shù)通信電子線路第7章角度調制與解調137.2調角波的性質通信電子線路第7章角度調制與解調147.2調角波的性質J0(b)J1(b)J2(b)J3(b)J4(b)J5(b)J6(b)b=2.40

b=5.49

b=8.65b=3.83

b=7.05

b=10.2b=5.14

b=8.42

b=11.6b=6.38

b=8.42

b=11.6b=7.59

b=11.1

b=14.4b=8.77

b=12.3

b=15.7b=9.94

b=13.6

b=17.0通信電子線路第7章角度調制與解調157.2調角波的性質有無數(shù)邊頻。隨n

增加，邊頻分量幅度總的趨勢是減小。奇數(shù)次的上下邊頻相位相反，偶數(shù)次的相同。mf

越大，具有較大幅度的邊頻數(shù)量越多。在某些mf

時，載波或某些邊頻幅度為零。此特點可用于調制指數(shù)的測量。通信電子線路第7章角度調制與解調167.2調角波的性質2.調頻波和調相波的功率和有效頻帶寬度根據(jù)帕塞瓦爾公式，調角波的平均功率

Pav

等于各個頻率成分的平均功率之和。根據(jù)第一類貝塞爾函數(shù)的性質，可得帶寬：忽略振幅小于載波振幅的10％的邊頻分量，留下的邊頻共2(mf+1)

個。 BW=2(mf

+

1)=2(m+)上式稱為卡森公式通信電子線路第7章角度調制與解調177.2調角波的性質調頻電臺：88~108MHz，最大頻偏75kHz

調制信號：30~15000Hz 頻帶寬度：150kHz、350kHz(立體聲)校園廣播：76~87MHz3.調頻波與調相波的聯(lián)系與區(qū)別調頻波可視為調制信號為的調相波調相波可視為調制信號為的調頻波以上是間接調制的理論依據(jù)通信電子線路第7章角度調制與解調187.2調角波的性質F=4kHzmf=32(mf+1)F=32kHz調相信號頻譜F=1kHzmp=122(mp+1)F=26kHzF=2kHzmp=1252kHzF=4kHzmp=122(mp+1)F=104kHz調頻信號頻譜F=1kHzmf

=122(mf+1)F=26kHzF=2kHzmf

=628kHz通信電子線路第7章角度調制與解調197.3調頻方法及電路要求：最大頻偏盡量大、且與調制信號保持良好的線性關系中心頻率穩(wěn)定度盡量高一、實現(xiàn)調頻的方法和基本原理1.直接調頻法： 用調制信號直接控制振蕩回路電抗元件的參數(shù)實現(xiàn)調頻可控電容：變容二極管可控電感：鐵氧體磁芯的電感線圈電抗管電路：場效應管、晶體三極管等組成的等效電抗優(yōu)點：電路簡單、可以得到較大的頻偏缺點：在振蕩器直接控制，頻率穩(wěn)定度不好，波形較差通信電子線路第7章角度調制與解調207.3調頻方法及電路2.間接調頻法用調相電路實現(xiàn)調頻，繼承了調相電路的特點優(yōu)點：高頻振蕩器本身獨立于調相電路，可以得到穩(wěn)定度很好的載波缺點：由于調相器的限制，頻偏較小通信電子線路第7章角度調制與解調217.3調頻方法及電路二、變容二極管直接調頻電路1.基本工作原理和定量分析變容二極管： 利用PN結反向偏置的勢壘電容構成的可控電容變容二極管符號與變容特性曲線：Cj：變容二極管的結電容

vR：二極管兩端的反向電壓：變容指數(shù)。由結構與摻雜濃度決定VD：二極管的勢壘電壓，通常取硅管0.6V、鍺管0.2V通信電子線路第7章角度調制與解調227.3調頻方法及電路表示結電容的調制深度通信電子線路第7章角度調制與解調23中心頻率線性頻率調制失真項7.3調頻方法及電路全部接入式變容二極管調頻電路當

=2時，為線性調頻電路當

2時，且m<1若

=1?最大頻偏從減小失真與增大頻偏來看，m和

應折衷考慮。通信電子線路第7章角度調制與解調247.3調頻方法及電路部分接入式變容二極管調頻電路變容二極管部分接入諧振回路，減小失真，改善波形互感耦合

LC振蕩器VCCDL2C1L1CCC-++-Vv(t)通信電子線路第7章角度調制與解調257.3調頻方法及電路2.變容二極管調頻實際電路共基組態(tài)電容三點式振蕩器，中心頻率90MHz變容二極管直接調頻特點：優(yōu)點：電路簡單、工作頻率較高，容易獲得較大頻偏缺點：中心頻率穩(wěn)定度較差1000pF100WFM12kW3.3kW47kW1000pFL15p10p1000pF20p5/10p5p47mH22kW56kWC11000pF100kWvW+9VL2通信電子線路第7章角度調制與解調267.3調頻方法及電路三、晶體振蕩器直接調頻優(yōu)點：提高中心頻率的穩(wěn)定度缺點：最大頻偏小300pF470pFJTCj68p+50/5pF50kW100WVCC1mF調制信號10kW470pF20kW510W300pF68pF50/5pF100kWvWVDFM輸出通信電子線路第7章角度調制與解調277.3調頻方法及電路四、間接調頻方法使用調相器實現(xiàn)調頻，中心頻率穩(wěn)定度高，應用廣泛調相器分類：移相法調相可變延時法調相矢量合成法調相(阿姆斯特朗法)通信電子線路第7章角度調制與解調287.3調頻方法及電路1.移相法調相移相網(wǎng)絡 需要滿足

即相移受調制信號v(t)

的控制，與其呈線性關系。輸出信號：事實上，阻抗的值及輸出信號的幅度也會隨之變換。通信電子線路第7章角度調制與解調297.3調頻方法及電路LC并聯(lián)諧振回路構成的可控移相網(wǎng)絡100kW1000p0.02100kW15kW1000p1000p+9V調相波CjvW調制信號v0載波R110kWLCjCjR1Cj=f(vW)v0R1LI0Cj+-v(t)通信電子線路第7章角度調制與解調307.3調頻方法及電路2.可變時延法調相載波電壓 v0(t)=

V0cos0t延遲時間可控的延時網(wǎng)絡，輸出電壓為 v(t)=

V0cos[0(

t-

)]使延遲時間受調制信號的控制，且為線性關系 =

kv

=

kVcost輸出電壓 v(t)=

V0cos[0(

t-

)]

=

V0cos(0t-k0Vcost)調相指數(shù)mp=

k0V

可以很大優(yōu)點：調制線性好，相位偏移大，能實現(xiàn)寬帶調相通信電子線路第7章角度調制與解調317.3調頻方法及電路3.矢量合成法調相(阿姆斯特朗法)當mp=kpVm/6時，即窄帶調相時實現(xiàn)框圖 可視作載波信號與一個DSB信號的合成通信電子線路第7章角度調制與解調327.3調頻方法及電路上述框圖與理想調相比較實質為調幅調相波幅度不恒定，受調制信號影響，稱為寄生調幅。相位與調制信號不是線性關系，而是反正切關系。用于窄帶調相時，失真較小。通信電子線路第7章角度調制與解調33矢量分析方法通信電子線路第7章角度調制與解調347.3調頻方法及電路4.間接調頻的實現(xiàn)－擴大頻偏的方法采用倍頻方法擴大頻偏 0m

n倍頻

n0nm例：產(chǎn)生載波100MHz，最大頻偏75kHz的調頻信號 設一間接調頻器可實現(xiàn)最大頻偏50Hz，載波200kHz

倍頻方式：200k501500倍頻

300M75k但倍頻會導致中心頻率過高，超過所需值常采用倍頻、混頻結合方式，以某一調頻發(fā)射機為例 200k2564倍頻

12.8M1.6k

與11.0~10.5M下混頻1.8~2.3M1.6k

48倍頻86.4~110.4M76.8k覆蓋了88~108MHz頻率范圍，最大頻偏75kHz通信電子線路第7章角度調制與解調357.4調角信號解調頻率檢波：鑒頻；鑒頻器：頻率

電壓變換相位檢波：鑒相；鑒相器：相位

電壓變換鑒相方法將調相信號的相位0t+

kpv(t)

與載波的相位0t

相減，取出它們的相位差

kpv(t)，實現(xiàn)相位檢波應用廣泛：例如在鎖相系統(tǒng)中原理框圖：相位/電壓轉換分類：乘積型鑒相器疊加型鑒相器通信電子線路第7章角度調制與解調367.4調角信號解調乘積型鑒相器結構：輸入信號vi

=

Vicos[0t+i(t)]本地載波v0=

V0

cos[0t+0(t)+90]=

-V0

sin[0t+0(t)]為識別兩輸入的超前/滯后關系，兩者須有90相位差輸出電壓vd

=Adsin[i(t)-0(t)]=Adsin[e(t)]輸出電壓vd與e(t)的關系曲線叫做鑒相特性曲線乘積型鑒相器具有正弦型鑒相特性曲線①線性鑒相范圍是/6(或/3) 當e(t)/6時，

vd

=Adsin[e(t)]

Ade(t)②最大鑒相范圍是/2(或)通信電子線路第7章角度調制與解調377.4調角信號解調疊加型鑒相器為識別超前/滯后關系，兩輸入信號必須有

90o相位差為了減少失真，兩個輸入 信號的大小應當相差較大， 即須滿足：vi

v0

或v0

vi

vi(t)=

Vicos[0t+i(t)]

v0(t)=

V0

cos[0t+0(t)+90]設：V0

Vi輸出電壓(采用相量分析)： vd(t)

V0

+Visine隨后的分析類似乘積型鑒相器ev0vi=90+0(t)

-i(t)

=90

-e(t)調相調幅波v通信電子線路第7章角度調制與解調387.4調角信號解調一、鑒頻方法概述和鑒頻器的主要技術指標將調頻信號的頻率i(t)=

0+(t)

與載波的頻率0

相減，取出它們的差頻

(t)，實現(xiàn)頻率檢波原理框圖：頻率/電壓轉換鑒頻特性及主要技術指標鑒頻跨導線性范圍或帶寬2max必須大于調頻波的最大頻偏鑒頻靈敏度：可正常工作的最小輸入調頻信號的幅度。通信電子線路第7章角度調制與解調397.4調角信號解調實現(xiàn)鑒頻的方法1.利用波形變換進行鑒頻FM

FM-AM

振幅檢波

2.相移乘法鑒頻FM

FM-PM

乘積型鑒相器該方法在集成電路中廣泛應用

3.利用鎖相環(huán)分類問題說明：斜率鑒頻器(1.)乘積型相位鑒頻器(2.)疊加型相位鑒頻器FMFM-PMPM-AM包絡檢波vtvFMtvFM-AMt利用波形變換相位鑒頻器通信電子線路第7章角度調制與解調407.4調角信號解調4.脈沖計數(shù)式鑒頻器利用單位時間內過零點的數(shù)目來檢測頻率的高低優(yōu)點：線性好、頻帶寬、易集成通信電子線路第7章角度調制與解調417.4調角信號解調二、(疊加型)相位鑒頻分類：電感耦合相位鑒頻器、電容耦合相位鑒頻器1.電路說明L1C1、L2C2：頻率-相位轉換C5：耦合電容，vL3=

v1L3

D1

D2

RL

C：疊加型