高频电子线路第6章角度调制与解调.ppt

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1、1,概述 角度调制原理及特性 调频电路 调相电路 调角信号的解调,2,6.1 概 述,一、角度调制的定义与分类,定义：,相位调制（简称调相）：,频率调制（简称调频）：,二、角度调制的优点与用途,优点：,抗干扰能力强、,载波功率利用率高,用途：,FM：,调频广播、广播电视、通信及遥控遥测等,PM：,数字通信等,分类：,3,6.2 角度调制原理及特性,6.2.1 瞬时角频率与瞬时相位,当进行角度调制（FM或PM）后,其已调波的角频率将是时间的函数即(t)，可用旋转矢量表示。,t=t,t=0,设高频载波信号为：,设旋转矢量的长度为，且当t=0时，初相位为，t=t 时，矢量与实轴之间的瞬时相位为。,而

2、该矢量在实轴上的投影：,显然有：,4,6.2.2 调角信号的时域特性,一、调频信号,载波信号：,调制信号：,瞬时角频率：,(t)=c+kf u(t),rad/sV,=c+(t),瞬时相位：,相移,则FM信号为,角频移,5,u(t)=U m cos t,(t)=c+kf U m cos t,=c+fm cos t,调频指数（最大相移）,最大角频移,单频调制时,则,6,u(t)=U m cos t,调制信号,瞬时角频率,调频波,相移,特点：,调制信号电平最高处对应的瞬时正频移最大，波形最密集；调制信号电平最低处对应的瞬时负频移最大，波形最稀疏。,波形（等幅疏密波）：,7,二、调相信号,载波信号：,

3、调制信号：,故调相信号为,rad/V,瞬时相位：,相移,瞬时角频率：,角频移,8,调相指数（最大相移）,最大角频移,在振幅调制中，调幅指数ma1，否则会产生过调幅失真。而在角度调制中，无论是调频还是调相，调制指数均可大于1。,需要说明：,9,u(t)=U m cos t,调制信号,瞬时角频率,调相波,相移,波形（等幅疏密波）：,特点：,调制信号电平变化率（斜率）最大处对应的瞬时正频移最大，波形最密集；调制信号电平变化率最小处对应的瞬时负频移最大，波形最稀疏。,10,三、调频信号与调相信号的比较,调制信号u(t)=U m cos t,载波信号 uc(t)=Ucm cos c t,调 频,调相,瞬

4、时角频率(t),=c+kf u(t)=c+fm cos t,=c pm sin t,瞬时相位,=ct+kp u(t),=ct+mpcos t,最大角频移,=kf U m=mf,=kpU m=mp,最大相移,mp=kpU m,fm,pm,表达式,11,调频信号与调相信号的相同之处在于:,(1)二者都是等幅信号。,(2)二者的频率和相位都随调制信号而变化,均产生频移与相移，成为疏密波形。正频移最大处，即瞬时频率最高处，波形最密；负频移动最大处，即瞬时频率最低处，波形最疏。,调频信号与调相信号的区别在于:,(1)二者的频率和相位随调制信号变化的规律不一样，但由于瞬时频率与瞬时相位是微积分关系，故二者

5、是有紧密联系的。,(3)二者的最大角频移m均等于调制指数m与调制信号频率的乘积。,12,(2)调频信号的调频指数mf与调制信号频率 有关（成反比）,最大角频移fm与调制信号频率无关；而调相信号的最大角频移pm与调制信号频率 有关（成正比）,调相指数mp与调制信号频率无关。,(3)从理论上讲，调频信号的最大角频移fmc，由于载频c很高，故fm可以很大，即调制范围很大。由于相位以2为周期，因此调相信号的最大相移（调相指数）mp，故调制范围很小。,eg:将调制信号先微分，然后再对载波调频，则得调相信号；,将调制信号先积分，再对载波进行调相，则得调频信号。,13,例1,已知,u(t)=5 cos(2

6、103 t)V，,调角信号表达式为,uo(t)=10 cos(2 106 t)+10cos(2 103 t)V,试判断该调角信号是调频信号还是调相信号，并求调制指数、最大频移、载波频率和载波振幅。,解,=2 106 t+10cos(2 103 t),调相指数 mp=10 rad,载波频率 fc=106(Hz),fpm=mpF,最大频移,载波振幅 Ucm=10V,=10 103=10 kHz,相移 正比于调制信号，故为调相信号。,14,例2,一组频率为300 3000Hz的余弦调制信号，振幅相同，调频时最大频移为 75 kHz，调相时最大相移为 2 rad，试求调制信号频率范围内：(1)调频时m

7、f 的变化范围;(2)调相时 fpm的范围;,解,(1)调频时，ffm与调制信号频率无关，恒为75 kHz。,故,(2)调相时，mP 与调制信号频率无关，恒为2 rad。,故,15,6.2.3 调角信号的频谱与带宽,一、调角信号的频谱,FM信号和PM信号的频谱结构相同，下面仅讨论调频波的频谱。,设调制信号，,载波信号，则,根据贝塞尔函数理论有：,Jn(mf)称为以mf为参数的n阶第一类贝塞尔函数,16,可得,载频,第一对边频,第二对边频,第三对边频,第四对边频,17,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13,m,Jn(m),Jn(m)随m、n 变化的规律,1.0 0.8 0.

8、6 0.4 0.2 00.2 0.4,n=0,n=1,n=2,n=3,n增大时，总趋势使边频分量振幅减小。m越大，具有较大振幅的边频分量就越多；且有些边频分量振幅超过载频分量振幅。当m为某些值时，载频分量可能为零，m为其它某些值时，某些边频分量振幅可能为零。,18,（3）载频分量和各边频分量的振幅均随Jn(m)而变化。,调角信号频谱特点：,（1）调角信号的频谱是由载频 和无数对上、下边频分量 组成，它不是调制信号频谱的线性搬移。,（2）奇数项的上、下边频分量的振幅相等，极性相反；偶数项的上、下两边频分量的振幅相等，极性都相同。,19,二、调角信号的功率,第一类Bessel function的性

9、质：,（1）,，即,（2）对于任何mf值，均有,20,（1）因为调角波是等幅波，所以它的总功率为常数，不随调制指数mf的变化而变化，并且等于未调制前的载波功率。,讨论：,（4）调制后尽管部分功率由载频向边频转换，但大部分能量还是集中在载频附近的若干个边频之中。,（2）调制后，已调波出现许多频率分量，这个总功率就分配到各个分量。随m的不同，各频率分量之间功率分配数值不同。,（3）调制过程不需要外界供给边频功率，只是高频信号本身载频功率与边频功率的重新分配。,21,三、调角信号的带宽,实际上可以把调角信号认为是有限带宽的信号，这取决于实际应用中允许解调后信号的失真程度。,理论上：频带无限宽,凡是振

10、幅小于未调载波振幅的10%的边频分量可以忽略不计。即,常用的工程准则：,BW=2(m+1)F=2F+2 f m,由 Bessel function 可得调角信号的有效带宽为,22,当 m 1时，,BW 2 m F,=2 fm,，称为宽带调角信号。,当 m 1时，,BW 2 F,，其值近似为调制信号频率的两倍，相当于调幅波的带宽。,这时，调角信号的频谱由载波分量和一对幅值相同，极性相反的上、下边频分量组成，称窄带调角信号。,讨论：,（2）作为调相波时，由于 mp=kpUm与F无关。可见，BWPM=2(mp+1)F，在Um 不变条件下，BWPM 与 F 成正比的增加。,（1）作为调频信号时，与F成

11、反比。可见，BWFM=2(mf+1)F，在Um不变条件下，增大F，BWFM 变化不大。,23,BW=2(m+1)Fmax,当 m 1时，,BW 2 Fmax,当 m 1时，,BW 2 m F,=2 fm,其中，fm=mFmax,PM信号的有效带宽与调制信号的频率成正比。如果按最高调制频率设计信道，则在调制频率低时有很大余量，系统频带利用不充分，因此在模拟通信系统中，调频比调相应用更广。,对有限频带的调制信号，即F=FminFmax，则调角信号的带宽为,24,四、调角信号与调幅信号的比较,调角信号比之调幅信号的优缺点：,调角信号功率等于未调制时的载波功率，与调制指数m无关，因此不论m为多大，发射

12、机末级均可工作在最大功率状态，从而可提高发送设备的功率利用率。,故角度调制不宜在信道拥挤、且频率范围不宽的短波波段使用，而适合在频率范围很宽的超高频或微波波段使用。,优点：,（1）抗干扰能力强,（2）功率利用率高,因为调角信号为等幅信号，其幅度不携带信息，故可采用限幅电路消除干扰所引起的寄生调幅。,缺点：,有效带宽比调幅信号大得多，且有效带宽与m相关。,25,1.直接调频,用调制信号直接控制载波振荡器频率，使其与调制信号成正比。,调频输出,直接调频法优点：频偏较大缺点：中心频率易不稳定,6.3.1 调频电路的实现方法与主要性能要求,一、调频方法,直接调频,间接调频,可控的电容元件：变容二极管、

13、电抗管可控的电感元件：电抗管、具有铁氧体 磁芯的电感线圈,6.3 调频电路,26,2.间接调频,载波振荡器,Ucmcosct,u(t),积分器,调相器,（先对调制信号积分，后对载波进行调相）,间接调频法不在振荡器中进行，故优点：中心频率较稳定缺点：不易获得大频偏,27,二、调频电路的主要性能要求,（1）具有线性的调制特性，即,（2）调制灵敏度要高，即kf 要大,（3）载波的频率稳定度要高,（4）最大频偏与调制信号频率无关,（5）无寄生调幅,28,6.3.2 变容二极管直接调频电路,一、变容二极管,特点:(1)必须工作在反向偏压,符号:,压控特性,或,（电压控制可变电抗元件）,(2)结电容随外加

14、的反向电压变化而变化,ur=0 时的结电容,外加反向偏压,PN结势垒电压（导通电压）,变容指数取值1/36,29,二、工作原理,1.电路组成,互感耦合振荡器,变容二极管和它的偏置电路,低频旁路电容,加在Cj上的反向直流偏压,30,CjQ,2.具体分析,为电容调制度,对应的结电容为CjQ,调制状态时变容二极管的结电容Cj,此时,31,瞬时振荡频率:,最大频偏,未加调制信号时的载波频率：,即为调频振荡器的中心频率。,讨论：设=2,即实现线性调频。,（1）变容二极管作为振荡回路的总电容,32,当m很小可忽略三次方以上的高次项，则瞬时频率为：,可见 会导致如下影响：,1)中心频率会产生偏移，其偏移量为

15、：,2)调频波会产生非线性失真,二次谐波失真最大偏移为,当,33,3)调频波的最大频偏为：,当调频电路要求的相对频偏较小时，m值就很小，此时对 的要求就不高。,例：调频广播的中心频率为 若要求最大频偏为,则,可见m很小，则对应的中心频率偏移量和非线性失真就很小，故对 的要求不高,当调频电路要求的相对频偏较大时，对 的要求就严格些。,变容二极管直接接入振荡回路的缺点：调频电路的中心频率稳定度较差。,34,（2）变容二极管部分接入振荡回路,变容管部分接入回路所构成的调频电路，中心频率的稳定提高了，但调制灵敏度和最大频偏都降低。,35,三、电路实例,b,c,e,(1)是电容三点式振荡电路，通过变容二

16、极管的电容变化实现调频。,(2)高频扼流图 对直流和调制信号短路，而对载频开路。因而加在两个变容二极管上的反向电压是相同的。,+Ur_,(3)本电路的特殊点是采用了两个变容二极管反向串联接入振荡回路，对高频信号而言，使得每个变容二极管两端的高频电压减小一半，可减弱高频电压对变容二极管总电容的影响。,36,例1：,37,38,在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，可以采用直接对晶体振荡器调频的方法。,6.3.3 晶体振荡器直接调频电路,1晶体振荡器直接调频原理,其振荡频率为：,在电路中，当Cj变化时，CL变化，从而使晶体振荡器的振荡频率也发生变化，如果压控元件Cj受调制电压 控制，则

17、Pierce Oscillator就成为一个晶体调频振荡器。,b,c,e,39,注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，故只能工作于晶体的串联谐振频率f q与并联谐振频率f p之间,故调频波的最大相对频偏很小。,实现调频的最大频偏：,最大相对频偏:,2.实际电路举例,40,调相的实现方法:,矢量合成法调相,可变移相法调相,可变时延法调相,一、可变移相法调相电路,可控的移相网络,可控移相网络有多种实现电路，其中应用最广的是由变容二极管和电感组成的调谐回路。,41,载波输入,一、变容二极管调相电路,R3C3电路对调制信号构成积分电路,实际加到变容二极管上的调制电压u(t)为,就构成间接调频。,1.电

18、路组成,构成调相电路。,+u(t),42,2.工作原理,（1）当 时，,变容二极管反向电压加大，减小,附加相移在调制信号控制下变化，导致输出电压的相位也随调制信号变化，从而实现调相。,变容二极管反向电压,谐振回路的谐振频率为:,输出电压与输入电压同相,c,90,90,（2）当 时，,谐振回路的谐振频率为:,（3）当 时，,变容二极管反向电压减小，增大,谐振回路的谐振频率为:,输出电压的相位为,输出电压的相位为,43,3.调相分析,设输入载波信号,（1）变容二极管作为回路总电容，当m很小时，回路的谐振频率为,输出电压：,调制信号,+u(t),分别是谐振回路在 上呈现的阻抗幅值和相移。,44,在失

19、谐不大的条件下，,+u(t),实现线性调相的条件：,45,对于要求大的相移，可采用多级单回路构成的变容二极管调相电路。,三级单回路变容二极管调相电路,最大相移：,46,二、可变时延法调相电路,可控的时延网络,脉冲调相电路:,能得到较大的相移，调制线性较好，但电路复杂。,47,三、矢量合成法调相电路,(1)矢量合成法原理,单音调制时，调相信号可表示为,故,48,(2)矢量合成法实现模型,实现线性调相的条件：,49,四、扩展线性频偏的方法,可先用倍频器将载波频率和最大频偏同时扩展n倍，然后再用混频器将调频信号的载波频率改变为所需值。,调频振荡器,n倍频器,50,图所示为某调频设备的组成框图，已知间

20、接调频电路输出的调频信号中心频率fc1=100kHz，最大频偏fm1=97.64Hz，混频器的本振信号频率fL=14.8MHz，取下边频输出，试求输出调频信号uo(t)的中心频率fc和最大频偏fm。,例2,解：,fc2=443fc1=48100kHz=4.8 MHz,fm2=443fm1=4897.64 Hz=4.687 kHz,fc3=fL-fc2=(14.8-4.8)MHz=10 MHz,fm3=fm2=4.687kHz,fc=44fc3=1610 MHz=160 MHz,fm=44fm3=164.687 kHz=75 kHz,51,主要要求：,6.5 调角信号的解调,52,6.5.1 概

21、述,从调相波中取出原调制信号。,从调频波中取出原调制信号。,鉴频器,FM,输出与输入信号的瞬时频率偏移成正比。,鉴相器,PM,输出与输入信号的瞬时相位偏移成正比。,从频谱上看：调角信号的解调也是频谱的非线性搬移的过程,调频波的解调（鉴频）：,调相波的解调（鉴相）：,实现上述功能的电路称为鉴频器。,实现上述功能的电路称为鉴相器。,53,(1)鉴频特性曲线,或：,由调频信号的特征：,所以：,表明：要实现无失真鉴频，要求鉴频器的输出电压 与频偏 成线性关系。,一、鉴频器的主要质量指标,指鉴频器的输出电压uo(t)与输入FM信号瞬时频偏(t)或f(t)之间的关系曲线.,(S曲线）,54,表明了鉴频特性

22、曲线在原点（）处的斜率。,（3）鉴频线性范围：,Bm2fm,（2）鉴频跨导(鉴频灵敏度),定义：,（4）非线性失真：应尽可能小,SD值越大，鉴频曲线越陡，鉴频能力越强。,鉴频特性曲线接近于直线的频率范围。,55,二、鉴相器的主要质量指标,（1）鉴相特性曲线：,通常应大于调相波最大相移的二倍。,（2）鉴相跨导：,（3）鉴相线性范围：,鉴相器的输出电压与输入信号的瞬时相位偏移的关系。通常要求是线性关系。,鉴相特性在原点处的斜率。,（4）非线性失真，应尽可能小。,定义：,56,鉴相器可实现PM信号的解调，但也广泛用于解调FM信号，以及锁相技术及频率合成技术中。,鉴相器是用来比较两个同频输入电压 和

23、的相位，而输出电压 是两个输入电压相位差的函数，,即,当线性鉴相的情况下，输出电压 与两个输入电压的瞬时相位差成正比。,即,6.5.2 鉴相器,鉴相器,模拟鉴相器,数字鉴相器,叠加型,乘积型,57,(PM),(参考信号),一般来说，和 为正交关系，,一、乘积型鉴相器,而,为了分析方便,假设,58,（一）和 均为小信号,根据模拟乘法器的特性，其输出电流,（小于26mV）,经低通滤波器滤波，在负载 可得输出电压为,鉴相特性曲线,鉴相跨导：,线性鉴相范围:,59,展开为傅氏级数,根据模拟乘法器的特性，其输出电流,双曲线函数具有开关函数的形式,是大信号,60,经低通滤波器滤波，在负载 可得输出电压为,

24、鉴相特性曲线,鉴相跨导：,线性鉴相范围:,61,展开为傅氏级数,乘法器输出电流,62,经低通滤波器滤波，在负载 可得输出电压为,鉴相跨导：,线性鉴相范围:,可见乘积型鉴相器应尽量采用大信号工作状态,这样可获得较宽的线性鉴相范围。,63,二、门电路鉴相器,特点:电路简单、线性鉴相范围大，易于集成化,分类：,或门鉴相器,异或门鉴相器,64,（一）异或门鉴相器,2、异或门的特点:两个输入电平不同时，输出为“1”，其余为“0”。,3、经低通滤波器滤波后，输出电压 与 的关系为三角形，可表示为,两信号延时为，它反映了两信号的相位差，,其鉴相跨导为,65,斜率鉴频器,一、鉴频电路的分类,6.5.3 鉴频电

25、路,调频波FM,AMFM,(1),调频调幅调频变换型,相位鉴频器,比例鉴频器,66,相移乘积型,在集成电路调频机中较多采用的相移乘积鉴频器。它是将输入FM信号经移相网络后生成与FM信号电压正交的参考信号电压，它与输入的FM信号电压同时加入相乘器，相乘器输出再经低通滤波器滤波后，便可还原出原调制信号。,(2),67,脉冲计数式,低通滤波器,uFM,调频脉冲序列,u,(3),调频脉冲序列中的平均分量为,脉幅,脉宽,(4)锁相环路鉴频,(零比较器）,68,：,分析：鉴频特性曲线为鉴频器的输出电压与输入信号的瞬时频率偏移之间的关系，而鉴频跨导为鉴频特性曲线的斜率，所以有：,解：,例1,69,：,解:,

26、(1)鉴频跨导：,(2),(3)调制信号：,例2,70,上下对称包络检波,三个并联调谐回路组成的调频-调幅调频变换电路,二、双失谐回路斜率鉴频器,（一）电路结构,uo=uo1 uo2,71,(1)当输入调频波为,（二）鉴频原理,则瞬时频率为,瞬时频移为,（2）uo=uo1 uo2得到uo，可见uo与瞬时频移成线性，实现鉴频。,(5)当输入调频信号的频率为 时，两个回路的电压振幅相等，经两个检波器检波产生输出电压 和 是相等的，故鉴频器输出电压。,(3)当输入调频信号的频率从 向增大方向偏离时，回路电压大，而 回路电压小，经检波后，则鉴频器输出电压。,(4)当输入调频信号的频率从 向减小方向偏离

27、时，回路电压小，而 回路电压大，经检波后，则鉴频器输出电压。,鉴频特性曲线,72,三、相位鉴频器,（1）移相网络：,（2）u1经耦合电容CC在扼流圈LC上产生的电压为u1,（3）包络检波器：,(一)电路结构,互感耦合,电容耦合,73,（二）工作原理,上下检波器的输出电压为：,若设检波器的传输系数为 Kd1=Kd2=Kd,上下检波器的输入电压为：,74,而次级回路中产生的感应电动势,所以次级回路两端电压为：,初级回路品质因数较高，可忽略 的损耗电阻；,定性分析的两点假设:,(2)初、次级互感耦合较弱，可忽略次级损耗对初级的影响。,副边线圈电阻,75,讨论:（1）当输入FM波瞬时频率f 等于调频波

28、中心频率fc，即f=f c时，,则有：,即有：,76,（2）当瞬时频率f fc 时,则有：,即有：,且随,(次级回路呈容性),77,（3）当瞬时频率f fc 时,则有：,即有：,且随,(次级回路呈感性),78,互感耦合回路相位鉴频器中的耦合双回路是一个频相变换器，它把FM波变换成PMFM波，而FM波与PMFM波经叠加后变换成两个AMFM波，经包络检波器后即可恢复原调制信号，,根据上述分析，相位鉴频器具有下图所示的鉴频特性曲线。,其过程为：,79,各点波形：,80,讨论：,两个检波二极管D1 D2都调换极性，电路还能正常工作，只是鉴频特性与原鉴频特性反向。,只接反一个，,此时两者信号中的调制信号

29、分量将被抵消，而直流分量则加倍，电路不能实现鉴频,（1）相位鉴频器的两个检波二极管D1、D2都调换极性，电路还能否工作？,（2）只接反一个，电路还能否工作？,（3）一个损坏，电路还能否工作？,故电路仍能实现鉴频，但鉴频特性变差。,81,讨论：,(4)次级回路未调谐在中心频率fc上,(5)初级回路未调谐在中心频率fc上,f01 fc的鉴频特性曲线：,f01 fc的鉴频特性曲线：,f02 fc的鉴频特性曲线：,f02 fc的鉴频特性曲线：,82,（一）电路结构,四、比例鉴频器,三处改动：,（1）在比例鉴频器中D2反接,（2）在电阻两端并联一个大电容C0，C0与（R+R）组成较大的时间常数（约为0.

30、10.25s）。这样在检波过程中C0两端电压基本不变，等于Udc,（3）比例鉴频器输出电压取自中点d，e两点。,+uo-,（具有鉴频、限幅的功能）,83,（二）工作原理,两检波器的输出电压为：,则比例鉴频器的输出电压：,+uc3-,+uc4-,+uo-,+uR-,84,讨论:（1）当 f=f c时，,（2）当f fc 时,（3）当f fc 时,85,由此可见，比例鉴频器的鉴频特性曲线如右图所示，只要工作在鉴频特性的线性鉴频区，就可以还原出原调制信号。,（三）自动限幅原理,（1）当输入信号的频率变化时，与 的变化是一个增大，另一个减小，其比值 随频率变化而变，起到鉴频作用。,（2）当输入信号振幅变化时，与 随振幅增大同时增大，随振幅减小同时减小，其比值不变。也就是说，振幅变化对鉴频输出没有影响，达到自动限幅的作用。,