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1、10 角度调制与解调,10.2 调角波的性质,10.3 调频方法概述,10.4 变容二极管调频,10.5 晶体振荡器直接调频,10.1 概述,End,10.7 可变延时调频,10.8 相位鉴频器,10.9 比例鉴频器,10.10 其他形式的鉴频器,10.6 间接调频:由调相实现调频,10 角度调制与解调,1、频率调制又称调频(FM)模拟信号调制,它是使高频振荡信号的频率按调制信号的规律变化(瞬时频率变化的大小与调制信号成线性关系),而振幅保持恒定的一种调制方式。调频信号的解调称为鉴频或频率检波。 而数字信号频率调制称为频率键控(FSK) 2、相位调制又称调相(PM) 模拟信号调制,它的相位按调
2、制信号的规律变化,振幅保持不变。调相信号的解调称为鉴相或相位检波。 类似的,数字信号相位调制称为相位键控(PSK),10.1 概述,10.1 概述,AM,FM,3、角度调制特点: 调频和调相统称为角(度)调(制),角度调制属于频谱的非线性变换,即已调信号的频谱结构不再保持原调制信号频谱的内部结构,且调制后的信号带宽通常比原调制信号带宽大得多,因此角度调制信号的频带利用率不高,但其抗干扰和噪声的能力较强。 另外,角度调制的分析方法和模型等都与频谱线性搬移电路不同。,10.1 概述,4、调频与调相的关系 调频波和调相波都表现为高频载波瞬时相位随调制信号的变化而变化,只是变化的规律不同而已。由于频率
3、与相位间存在微分与积分的关系,调频与调相之间也存在着密切的关系,即调频必调相,调相必调频。同样,鉴频和鉴相也可相互利用,即可以用鉴频的方法实现鉴相,也可以用鉴相的方法实现鉴频。 一般来说,在模拟通信中,调频比调相应用广泛,而在数字通信中,调相比调频应用普遍。,10.1 概述,调频波的指标,寄生调幅,频谱宽度,抗干扰能力,10.1 概述,幅度调制,角度调制,调频FM,调相PM,载波信号 的受控参量,振幅,频率,相位,解调方式,相干解调或 非相干解调,鉴频或 频率检波,鉴相或 相位检波,解调方式 的差别,频谱线性搬 移频谱结构 无变化,频谱非线性 频谱结构发 生变化 属于非线性频率变换,特点,频带
4、窄 频带利 用率高,频带宽 频带利 用不经 济、抗 干扰性 强,用途,广播 电视 通信 遥测,数字 通信,调幅AM,10.1 概述,图 10.1.1 利用波形变换电路进行鉴频,10.1 概述,鉴频,10.1 概述,图 10.1.2 鉴频特性曲线,鉴频跨导,线性范围,End,鉴频器的指标,鉴频灵敏度,鉴频跨导,鉴频频带宽度,寄生调幅抑制能力,失真和稳定性,10.1 概述,10.2 调角波的性质,10.2.1 瞬时频率与瞬时相位,10.2.2 调频波和调相波的 数学表示式,10.2.3 调频波和调相波的 频谱和频带宽度,10.2.1 瞬时频率与瞬时相位,调频是使高频载波的瞬时频率按调制信号规律变化
5、的一种调制方式;调相是使高频载波的瞬时相位按调制信号规律变化的一种调制方式。因为这两种调制都表现为高频振荡波的总瞬时相角受到调变,故将它们统称为角度调制(简称调角) 。,瞬时频率,瞬时相位,End,图 10.2.1 频率连续变化的简谐振荡,10.2.1 瞬时频率与瞬时相位,10.2.2 调频波和调相波的数学表示式,调频,设调制信号为v (t),,载波信号,0是未调制时的载波中心频率;kfv (t)是瞬时频率相对于0的偏移,叫瞬时频率偏移,简称频率偏移或频移。可表示为,最大频移,即频偏,表示为,瞬时频率,瞬时相位,相移,调制指数,调相,0t+0是未调制时的载波相位;kpv (t)是瞬时相位相对于
6、0t+0的偏移,叫瞬时相位偏移,简称相位偏移或相移。可表示为,最大相移,即相偏,表示为,瞬时相位,瞬时频率,频偏,调制指数,10.2.2 调频波和调相波的数学表示式,数学表达式,瞬时频率,瞬时相位,最大频偏,调制指数,FM波,PM波,附:上述比较中的调制信号 v(t),载波V0mcos0(t),10.2.2 调频波和调相波的数学表示式,以单音调制波为例,调制信号,调频,瞬时频率,瞬时相位,已调频信号,10.2.2 调频波和调相波的数学表示式,调相,瞬时频率,瞬时相位,已调相信号,以单音调制波为例,调制信号,10.2.2 调频波和调相波的数学表示式,以单音调制波为例,调制信号,调频,调相,瞬时频
7、率,瞬时相位,瞬时频率,瞬时相位,10.2.2 调频波和调相波的数学表示式,End,调频,调相,可以看出调相制的信号带宽随调制信号频率的升高而增加,而调频波则不变,有时把调频制叫做恒定带宽调制。,10.2.2 调频波和调相波的数学表示式,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,由于调频波和调相波的方程式相似,因此只要分析其中一种的频谱,则对另一种也完全适用。,已调频信号,已调相信号,已调频信号,一、频谱,调制信号,是周期为2/的周期性时间函数,可以将它展开为傅氏级数,其基波角频率为,即,式中Jn(mf)是宗数为mf的n阶第一类贝塞尔函数,它可以用无穷级数进行计算:,10.2.3 调频波和
8、调相波的频谱和频带宽度,已调频信号,Jn(mf)=J-n(mf) n为偶数 Jn(mf)=J-n(mf), n为奇数,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,已调频信号,调制信号,a(t)=V0J0(mf)cos0t+J1(mf)cos(0+)t -J1(mf)cos(0-)t+J2(mf)cos(0+2)t +J2(mf)cos(0-2)t+J3(mf)cos(0+3)t -J3(mf)cos(0-3)t+,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,单频调制时FM波的振幅谱 (a)为常数;(b)m为常数 (图中忽略了幅度较小的边频分量)
9、,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,已调频信号,其中,调制信号,教材思路:,一、频谱,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,a(t)=V0J0(mf)cos0t+J1(mf)cos(0+)t -J1(mf)cos(0-)t+J2(mf)cos(0+2)t +J2(mf)cos(0-2)t+J3(mf)cos(0+3)t -J3(mf)cos(0-3)t+,一、频谱,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,1) 单音调制时,调频波的频谱不是调制信号频谱的简单搬移,而是由载波和无数对边带分量所组成, 它们的振幅由对应的各阶贝塞尔函数值所确定。其中,奇次的上、下边带分量振幅
10、相等、极性相反;偶次的振幅相等、极性相同。,2) 调制指数mf越大,具有较大振幅的边频分量就越多。这与调幅波不同,在单频信号调幅的情况下,边频数目与调制指数无关。,3)载波分量和各边带分量的振幅均随mf变化而变化。对于某些mf值,载频或某边频振幅为零。籍此可以测定调制指数mf。,上式表明,当V0一定时,不论mf为何值,调频波的平均功率恒为定值,并且等于未调制时的载波功率。换句话说,改变mf仅会引起载波分量和各边带分量之间功率的重新分配,但不会引起总功率的改变。,4) 根据帕塞瓦尔(Parseval)定理调频波的平均功率等于各频谱分量平均功率之和。因此,在电阻R上,调频波的平均功率应为,10.2
11、.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,虽然调频波的边频分量有无数多个,但是,对于任一给定的mf值,高到一定次数的边频分量其振幅已经小到可以忽略,以致滤除这些边频分量对调频波形不会产生显著的影响。,二、带宽,通常规定:凡是振幅小于未调制载波振幅的1(或10,根据不同要求而定)的边频分量均可忽略不计,保留下来的频谱分量就确定了调频波的频带宽度。,如果将小于调制载波振幅l0的边频分量略去不计,则频谱宽度BW可由下列近似公式求出:,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,在实际应用中也常区分为:,从上面的讨论知道,调频波和调相波的频谱结构以及频带宽度与调制指数有密切的关系。总的规律是:调制指数越
12、大,应当考虑的边频分量的数目就越多,无论对于调频还是调相均是如此。这是它们共同的性质。,但是,由于调频与调相制与调制频率F的关系不同,仅当F变化时,它们的频谱结构和频带宽度的关系就互不相同。,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,调频,调相,对于调频制,仅当F变化时,在常用的宽带调频制中,频率分量随mf变化而变化,但同时带宽基本恒定。因此又把调频叫做恒定带宽调制。,对于调相制,仅当F变化时,频率分量不变,但带宽变化。特别是F增加时,带宽增加。对于Fmin Fmax而言, Fmax决定总的带宽,低端频率分量的频谱利用率不高 。因此,模拟通信系统中调频制要比调相制应用得广泛。,10.2.3
13、 调频波和调相波的频谱和频带宽度,a(t)=V0J0(mf)cos0t+J1(mf)cos(0+)t -J1(mf)cos(0-)t+J2(mf)cos(0+2)t +J2(mf)cos(0-2)t+J3(mf)cos(0+3)t -J3(mf)cos(0-3)t+,调制信号,瞬时频率,瞬时相位,已调频信号,调频原理,调频波频谱结构,理论上包含无穷多个旁频分量 各旁频分量之间的距离是调制信号频率:,F 各频率分量的幅度由贝塞尔函数决定:Jn(MF) 奇次旁频分量的相位相反:J-(2k+1)(MF) = -J(2k+1)(MF),包含载波频率分量 其幅度小于1,与 调制指数有关 - J0(MF)
14、,MF=1时调频波各频率分量分布及幅度,载波分量和各边带分量的振幅均随mf变化而变化。对于某些mf值,载频或某边频振幅为零。籍此可以测定调制指数mf。,Bessel函数零值法测量频偏,频谱分析仪,End,多频信号调制的调频信号的频谱:,以双频信号为例,此时增加了许多组合频率,使频谱组成大为复杂。因此,调频与调相制属于非线性调制。,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,调频波和调相波关系,10.3 调频方法概述,10.3.1 直接调频原理,10.3.2 间接调频原理,10.3 调频方法概述,产生调频信号的电路叫做调频器。对它有四个主要要求: (1)已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化。
15、调频特性曲线。 (2)未调制时的载波频率,即已调波的中心频率具有一定的稳定度。 (3)最大频移与调制频率无关。 (4)无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。,产生调频信号的方法归纳起来主要有两类: 第一类是用调制信号直接控制载波的瞬时频率直接调频。 第二类是由调相变调频间接调频。,不同的调频系统对最大频偏有不同的要求 调频广播:75kHz;电视伴音:50kHz;无线电话:5kHz,10.3.1 直接调频原理,直接调频的基本原理是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。因此,凡是能直接影响载波振荡瞬时频率的元件或参数,只要能够用调制信号去控制它们,并从而使载波振荡瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变
16、,都可以完成直接调频的任务。,如果载波由LC自激振荡器产生,则振荡频率主要由谐振回路的电感元件和电容元件所决定。因此,只要能用调制信号去控制回路的电感或电容,就能达到控制振荡频率的目的。,调频电路中 常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。 常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路, 而可控电阻元件有二极管和场效应管。,End,10.3.2 间接调频原理,图 10.3.1 借助于调相器得到调频波,10.4 变容二极管调频,10.4.1 基本原理,10.4.2 电路分析,10.4.1 基本原理,变容二极管是利用半导体PN结的结电容随反向电压变化这一特性而制成的一种半导体二极管
17、。结电容Cj与反向电压vR存在如下关系:,式中Cj0:,时的电容值(零偏置电容),反向偏置电压,VD:PN结势垒电位差。,:结电容变化指数,通常=1/21/3,经特殊工艺制成的超突变结电容=15,变容管的Cju曲线,缓变结,突变结,超突变结,10.4.1 基本原理,一、变容管全部接入振荡回路(理想直接调频),1 . 理想振荡回路,振荡回路由L、Cj构成,C1为高频耦合电容, 为高频扼流圈, 为高频旁路电容,等效回路,10.4.1 基本原理,图 10.4.1 用调制信号控制变容二极管结电容,10.4.1 基本原理,C j Q,C j,vR,V0,10.4.1 基本原理,反向电压,理想线性调制条件
18、,10.4.1 基本原理,10.4.1 基本原理,10.4.1 基本原理,实现理想直接调频的条件:=2,10.4.1 基本原理,最大角频偏,缺点:中心频率不稳定,二、变容二极管部分接入直接调频,10.4.1 基本原理,1. 电容串并分析,Cj不串也不并,Cj串C2,Cj并C1,Cj串C2并C1,10.4.1 基本原理,二、变容二极管部分接入直接调频, 串并后调制的线性改善,但牺牲了调制灵敏度,即kf , 实际 2,应取2 ,通过电容串并后使 2 ,即可实现近似理想的调频。,2 . 求部分接入直接调频的,10.4.1 基本原理,结论:, 减低P倍,中心频率稳定度提高P倍,非线性失真系数,即取小的
19、m,取小的A,经过电容串、并后可使A20,可实现近似理想直接调频。, 提高频率稳定度和减小非线性失真均应使,10.4.2 电路分析,Cc是变容管与LlC1回路之间的耦合电容,同时起到隔直流的作用;C为对直流电压的旁路电容; L2是高频扼流圈,但让调制信号通过。它的作用都是将振荡回路和变容管的控制电路隔离防止它们之间的相互影响。,因此,等效的振荡回路主体是LC互感耦合正弦振荡电路。,图 10.4.2 变容二极管调频电路,图 10.4.3 振荡回路的等效电路,End,图 10.4.4 90MHz直接调频电路及其高频通路,举例:,10.4.2 电路分析,变容二极管直接调频特点,主要优点:能够获得较大
20、的频移(相对于间接调频而言),线路简单,并且几乎不需要调制功率。,主要缺点:中心频率稳定度低。,应用范围:在移动通信以及自动频率微调系统中。,10.5 晶体振荡器直接调频,直接调频的主要优点是可以获得较大的频偏,但是中心频率的稳定性(主要是长期稳定性)较差。稳定中心频率可以采用对石英晶体振荡器进行直接调频。 另外:AFC PLL。,变容二极管接入振荡回路有两种方式。一种是与石英晶体相串联,另一种是与石英晶体相并联。变容二极管与晶体并联连接方式有一个较大的缺点,就是变容管参数的不稳定性直接严重地影响调频信号中心频率的稳定度。因而用得比较广泛的还是变容管与石英晶体相串联的方式。,图 10.5.1
21、变容管与晶体的两种连接方式及其电抗曲线,10.5 晶体振荡器直接调频,图 10.5.2 晶体振荡器直接调频电路,Pierce Oscillators (cb)型振荡器,10.5 晶体振荡器直接调频,End,图 10.5.3 晶体振荡器的变容管直接调频电路,应用举例:,调制信号,Pierce 型振荡器,调制信号放大,10.5 晶体振荡器直接调频,10.6 间接调频:由调相实现调频,10.6.1 调相的方法,10.6.2 间接调频的实现,10.6 间接调频:由调相实现调频,宽带,窄带,采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级,然后再对这个稳定的载频信号进行调相,这样一来就可得到中心频率稳定度高的调频信号
22、。,10.6.1 调相的方法,调相的方法通常有三类:一类是用调制信号控制谐振回路或移相网络的电抗或电阻元件以实现调相。第二类是矢量合成法调相。第三类是脉冲调相.,1. 谐振回路或移相网络的调相方法,(1)利用谐振回路调相,(1)利用谐振回路调相,f0,一般当 时,则有:,如果设CCj,则,所以回路的谐振频率:,而回路频率的频偏移为:,所以:,10.6.1 调相的方法,(2)利用移相网络调相,图 10.6.1 RC移相网络,10.6.1 调相的方法,10.6.1 调相的方法,图 10.6.2 RC移相网络矢量图,图 10.6.3 利用变容二极管改变移相网络的电抗,10.6.1 调相的方法,2.
23、矢量合成法阿姆斯特朗法,10.6.1 调相的方法,图 10.6.5 实现矢量合成法的方框图,10.6.1 调相的方法,图 10.6.6 用载波振荡与双边带调幅波叠加以实现调相,10.6.1 调相的方法,10.6.1 调相的方法,End,10.6.1 调相的方法,End,10.6.2 间接调频的实现,图 10.6.9 间接调频的典型方框图,角调波的解调,频率解调方法,角调波的解调,角调波的解调,角调波的解调,角调波的解调,角调波的解调,角调波的解调,10.8 相位鉴频器,10.8.1 相位鉴频器的工作原理,10.8.2 相位鉴频器回路参数的选择,10.8.1 相位鉴频器的工作原理,上述两个信号同
24、时作用于鉴相器,鉴相器的输出电压vo是瞬时相位差的函数,即:,通常v2为调相波,v1为参考信号。与调幅信号的解调类似,也有乘积型和叠加型两类。,则相乘器的输出信号 为:,1、乘积型鉴相器(product phase detector),设:鉴相器输入PM信号。,即:,而,而另一输入信号 为 的同频正交载波。,即:,可见:乘积型鉴相器具有正弦形鉴相特性,-,如果满足 ,则有 。,所以,经低通滤波器后,输出电压为:,其中,1、乘积型鉴相器(product phase detector),-,注意:乘积型鉴相器在电路结构上与同步检波器是相同的,即只要输入调相信号 与 的载波正交,同步检波器就变成了乘
25、积型鉴相器。,即输出电压 与 成线性关系,可实现线性鉴相。,10.8.1 相位鉴频器的工作原理,先将输入调频信号和经过相移网络后的信号相加(或相减),产生振幅反映附加相位变化的调幅波,而后通过包络检波器检出振幅的变化,就可完成鉴相功能。,2. 叠加型相位鉴频器模型,但输出与之间的关系是非线性的,因而包络检波器的输出解调电压是失真的。,在实际电路中,为了减小失真,广泛采用平衡鉴相电路。,10.8.1 相位鉴频器的工作原理,2. 叠加型相位鉴频器模型,图 10.8.1 相位鉴频器原理电路,实现电路,移相网络,包络检波,10.8.1 相位鉴频器的工作原理,图 10.8.4 对应于不同耦合因数的鉴频特
26、性曲线,10.8.2 相位鉴频器回路参数的选择,由该曲线可以看出,耦合很弱(即很小)时,线性范围小,鉴频跨导高。一般,当1.5以后,非线性就已经相当严重。反之,耦合比较紧,线性范围就大,而鉴频跨导就小。但当以上时,非线性又严重起来。因此,通常选取。,由于,当回路品质因数L不变时,逐渐加强耦合,鉴频跨导随之下降,但线性范围则随之加宽。,10.9 比例鉴频器,以上分析时假定理想调频波,即输入信号V12振幅恒定。,能否对相位鉴频器的电路作某些改动来获得一定的限幅作用,以省掉限幅器呢?,实际中,当噪声、各种干扰以及电路频率特性的不均匀性所引起的输入信号的寄生调幅,都可能直接在相位鉴频器的输出信号中反映
27、出来。,为了去掉这种虚假信号,就必须在鉴频之前预先进行限幅。,为了回答这个问题,需要从一个新的观点对相位鉴频器进行深入一步的分析。,1. 实现电路,10.9 比例鉴频器,为实现,为实现,2. 工作原理,比例鉴频器的输出恰好等于相位鉴频器输出的一半。,10.9 比例鉴频器,End,3. 动态限幅特性,V 12 ,iD , VC6不变, Rid ,Av ,V 12 ,10.9 比例鉴频器,1、调频发射机,典型FM整机原理,预加重电路:,1、语音和图像信号低频段能量大,高频段信号能量明显小;而鉴频器输出噪声的功率谱密度随频率的平方而增加(低频噪声小,高频噪声大),造成信号的低频信噪比很大,而高频信噪比明显不足,使高频传输困难。,2、频率调制有一个很重要的性质,就是调制后的信号,高频部分会有衰减,也就是频率越高的部分衰减的越厉害,对输入信号高频分量的提升,频率合成技术,2、调频接收机,典型FM整机原理,去加重电路,反馈控制技术,总结,1、掌握调频和调相的原理以及二者异同点。,2、掌握变容二极管直接调频的分析方法。,3、熟悉间接调频的几种方法:谐振回路、移相网络、矢量合成。,4、熟悉频率解调的几种方法:直接微分、频域微分(失谐)、相位鉴频。,5、掌握相位鉴频器原理:乘积型、叠加型。,6、熟悉比例鉴频器原理及特点。,
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