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角度调制与解调第1页，本讲稿共75页其中，称为该余弦信号的全相角全相角。（角频率是常数角频率是常数）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一、调角信号的时域特性角度调制信号的基本特性角度调制信号的基本特性 t=0 时的初始相位为 。瞬时角频率瞬时角频率 ：某一时刻的角频率为该时刻的瞬时角频率。瞬时相位瞬时相位 ：某一时刻的全相角全相角为该时刻的瞬时相位。一个余弦信号可以表示为：1、瞬时频率和瞬时相位瞬时频率和瞬时相位0t0=t1tt=)(tw第2页，本讲稿共75页2 2、调频信号、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。关系变化，而初始相位不变。调频信号调频信号第3页，本讲稿共75页3 3、调相信号、调相信号在相位调制时，保持余弦信号的中心角频率 不变，而使而使其瞬时相位与调制信号成线性关系变化其瞬时相位与调制信号成线性关系变化。调相信号调相信号第4页，本讲稿共75页4、单音、单音调角波的数学表示式、频移和相移调角波的数学表示式、频移和相移假定未调载波表示为：假定未调载波表示为：假定调制信号为：假定调制信号为：调频波的瞬时角频率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频移的幅度，称为最大频偏或简称频偏:瞬时角频偏：瞬时角频偏：第5页，本讲稿共75页调频波的瞬时相位调频波的瞬时相位附加相移部分附加相移部分：调频波的调制指数调频波的调制指数 称为最大附加相移称为最大附加相移：第6页，本讲稿共75页 与标准调幅情况不同，与标准调幅情况不同，可以小于可以小于1，也可大于，也可大于1，而且，而且一般都应用于大于一般都应用于大于1的情况。的情况。正比于 ，反比于 。最大附加相移最大附加相移：第7页，本讲稿共75页调频波的数学表示式调频波的数学表示式对于一个以单频余弦波作调制信号的调频波，其主要性质有：对于一个以单频余弦波作调制信号的调频波，其主要性质有：频偏决定于调制信号的振幅，瞬时频率的变化规律决定于调制频偏决定于调制信号的振幅，瞬时频率的变化规律决定于调制信号的变化规律。信号的变化规律。调频波的幅度为常数。调频波的幅度为常数。调频波的调制指数可大于调频波的调制指数可大于1，而且通常应用于大于，而且通常应用于大于1的情况。的情况。调制指数与频偏成正比，与调制频率成反比。调制指数与频偏成正比，与调制频率成反比。第8页，本讲稿共75页调相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：调相波的瞬时相位为：调相波的调制指数调相波的调制指数 称为最大附加相移称为最大附加相移：调相波的瞬时角频率为调相波的瞬时角频率为：调相波：调相波：瞬时角频偏为瞬时角频偏为：第9页，本讲稿共75页单音调角信号参数比较单音调角信号参数比较频率调制相位调制瞬时角频率瞬时角频偏瞬时相位附加相位最大频偏最大附加相移（调制指数）表达式第10页，本讲稿共75页单音调制波形单音调制波形第11页，本讲稿共75页二、调角信号的频域特性二、调角信号的频域特性调制信号为：调制信号为：调频波的表示式为：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。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。第12页，本讲稿共75页其中，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：第13页，本讲稿共75页1、第一类贝塞尔函数、第一类贝塞尔函数 的性质的性质：（讲义下册49）第14页，本讲稿共75页2、调频波的频谱结构、调频波的频谱结构 包含载波频率分量（但是幅度小于包含载波频率分量（但是幅度小于1，与，与 有关。）；还有关。）；还包含无穷多个边频分量；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各频率分量的幅度由贝塞尔函数 决定决定；奇次旁频分量的相位相反。奇次旁频分量的相位相反。0.770.440.440.110.110.020.02第15页，本讲稿共75页调频波的频谱结构与调制指数调频波的频谱结构与调制指数 关系密切。关系密切。愈大，则具有愈大，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调制指数可大于1，而且通常应用于大于，而且通常应用于大于1的情况。）的情况。）对于某些对于某些 值，载频分量或某次边频分量的幅度是零。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,而是将信号各频而是将信号各频率分量进行非线性变换。率分量进行非线性变换。因此，频率调制又称为非线性调制频率调制又称为非线性调制。各频率分量间的功率分配各频率分量间的功率分配。因为调频波是一个等幅波，所以它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。随就分配到各分量。随 的不同，各频率分量之间功率分配的的不同，各频率分量之间功率分配的数值不同。数值不同。第16页，本讲稿共75页3、调频波的频带宽度、调频波的频带宽度1)调频波所占的带宽调频波所占的带宽，理论上说是无穷宽的理论上说是无穷宽的，因为它包含有因为它包含有无穷多个频率分量。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。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：调频波的频带宽度有两种近似：忽略了小于忽略了小于0.01的分量：的分量：（集中（集中99%以上的功率）以上的功率）忽略了小于忽略了小于 0.1的分量：的分量：（集中（集中98-99%的功率）的功率）卡森（卡森（Carson）公式）公式第17页，本讲稿共75页不同不同Mf 时的调频波带宽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为 和和 的三个分量，它与用同样调制信号进行标准的三个分量，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。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。恒定带宽调频。第三种情况，介于前两种情况之间。第18页，本讲稿共75页复杂频率信号的调角信号的频谱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，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所得调频波的频谱中，除有载波角频率分量 及及 和和 分量外，还有分量分量外，还有分量 ，它们，它们是两个调制信号频率之间的组合频率分量。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与单音调角信号频谱计算公式相同：复杂调角信号频带宽度与单音调角信号频谱计算公式相同：第19页，本讲稿共75页调频波的功率调频波的功率第20页，本讲稿共75页两点补充说明：两点补充说明：1、调频波的三个频率槪念：、调频波的三个频率槪念：2、恒定带宽调频槪念：、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，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。带宽增加。减小，则各旁频分量之间的距离减小，带宽减小。带宽减小。对于调相波，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。第21页，本讲稿共75页调频电路调频电路一、调制原理概述一、调制原理概述实现方法：直接调频和间接调频。实现方法：直接调频和间接调频。1、直接调频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，在一个由化。例如，在一个由LC回路决定振荡频率的振荡器中，将一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，使可变电抗元件的电抗值随调制个可变电抗元件接入回路，使可变电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。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。变容二极管直接调频电路。优点：易于得到比较大的频偏。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。缺点：中心频率的稳定度不易做得很高。第22页，本讲稿共75页2、间接调频、间接调频 优点：载波中心频率稳定度较好。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：利用调频波与调相波之间的关系：第23页，本讲稿共75页二、调频电路的技术指标二、调频电路的技术指标1、调制特性、调制特性定义：振荡器的频率偏移与调制电定义：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：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。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、调制灵敏度单位调制电压变化产生的频偏单位调制电压变化产生的频偏3、最大频偏、最大频偏在调制电压作用下，所能达到的在调制电压作用下，所能达到的最大频率偏移。最大频率偏移。第24页，本讲稿共75页4、中心频率稳定度、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，就有可能使率）为基准变化的。如果中心频率不稳定，就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。要求，而且要使中心频率保持足够高的稳定度。第25页，本讲稿共75页三、变容二极管直接调频电路三、变容二极管直接调频电路1、变容二极管的特性、变容二极管的特性 变容管是利用变容管是利用PN结来实现的。结来实现的。PN结的结的电容包括势垒电容和扩散电容两部分。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结是反向偏置的结是反向偏置的。0VC V=0时变容管的等效电容为时变容管的等效电容为 。变容指数为变容指数为 ，大小取决于，大小取决于PN结结的结构和杂质分布情况。的结构和杂质分布情况。缓变结变容管，缓变结变容管，其其 =1/3；突变结变容管，突变结变容管，其其 =1/2；超突变结变容管，其超突变结变容管，其 =14。内建电位差为内建电位差为 ，硅管约为，硅管约为0.7V，锗管约为锗管约为0.2V。第26页，本讲稿共75页因 ，故 。第27页，本讲稿共75页2、变容管做回路总电容、变容管做回路总电容可展开为：可得调制特性为可得调制特性为：利用展开式：第28页，本讲稿共75页调制特性分析调制特性分析与调制信号成正比的成分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：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电路中，总是设法使变容管工作在 的区域的区域。第29页，本讲稿共75页0V第30页，本讲稿共75页改进电路改进电路变容管背靠背联接变容管背靠背联接减小高频信号影响减小高频信号影响 对振荡信号来说，两只变容管是串两只变容管是串联的联的，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，两只变容管相当于两只变容管相当于并联并联。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较大时，变容管可能工作于导通状态，这将降低回路的Q值。第31页，本讲稿共75页3、变容管部分接入的直接调频电路、变容管部分接入的直接调频电路第32页，本讲稿共75页变容管部分接入的振荡回路变容管部分接入的振荡回路第33页，本讲稿共75页第34页，本讲稿共75页电容电容C1C2对频率的影响对频率的影响第35页，本讲稿共75页第36页，本讲稿共75页4、晶体振荡器、晶体振荡器直接调频电路直接调频电路工作频率在工作频率在 和和 之间。之间。两个谐振频率十分接近。两个谐振频率十分接近。电路中晶体当等效电感元件用。电路中晶体当等效电感元件用。n 频偏小，但中心频率稳定度高。频偏小，但中心频率稳定度高。加大频偏的措施：串电感（加大频偏的措施：串电感（），），并电感（并电感（）。）。第37页，本讲稿共75页 直接调频电路第38页，本讲稿共75页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。第39页，本讲稿共75页调频非正弦波转换为调频波调频方波的表达式：第40页，本讲稿共75页调频非正弦波转换为调频波n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n载波越大，调频指数越大。n为了输出调频波，必须使相临的两个调频波的带宽不重叠。第41页，本讲稿共75页四、间接调频四、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。n 优点：载波中心频率稳定度较好。优点：载波中心频率稳定度较好。调相器：调相器：可控相移法。可控相移法。矢量合成法。矢量合成法。可变时延法。可变时延法。第42页，本讲稿共75页1、矢量合成法调相电路、矢量合成法调相电路振荡器移相网络相乘器加法器第43页，本讲稿共75页2、可变相移法调相电路、可变相移法调相电路振荡器可控相移网络第44页，本讲稿共75页变容二极管实现的调相变容二极管实现的调相第45页，本讲稿共75页变容二极管受调变的示意图第46页，本讲稿共75页变容二极管的调制特性为变容二极管的调制特性为：载波频率为载波频率为 ，回路对载波失谐，则并联回路失谐，回路对载波失谐，则并联回路失谐产生的相移是（失谐较小）：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）并联回路产生的相移是按调制信号的规律变化。（即调相）第47页，本讲稿共75页变容二极管移相电路变容二极管移相电路高频通路高频通路 载波载波调制调制信号信号+9v输出输出调制信号通路调制信号通路第48页，本讲稿共75页3、可变时延法调相电路、可变时延法调相电路振荡器可控延时网络第49页，本讲稿共75页可变时延法调相电路可变时延法调相电路第50页，本讲稿共75页四、间接调频与直接调频电路比较四、间接调频与直接调频电路比较直接调频电路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第51页，本讲稿共75页五、扩展最大频偏的办法五、扩展最大频偏的办法倍频器：倍频器：混频器：混频器：直接调频电路：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：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。第52页，本讲稿共75页调频波解调电路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。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。第53页，本讲稿共75页一、鉴频电路的主要性能指标一、鉴频电路的主要性能指标1 1、鉴频线性、鉴频线性3 3、鉴频灵敏度、鉴频灵敏度2 2、鉴频线性范围、鉴频线性范围鉴频特性鉴频特性：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）第54页，本讲稿共75页二、鉴频的实现方法nA、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：锁相鉴频方法一：锁相鉴频方法二：非线性变换方法二：非线性变换变换器变换器幅频转换幅频转换网络网络包络检波包络检波斜率鉴频斜率鉴频其实现的电路主要有三种：第55页，本讲稿共75页二、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：非线性变换方法二：非线性变换变换器变换器频相转换频相转换网络网络鉴相鉴相相位鉴频相位鉴频第56页，本讲稿共75页二、鉴频的实现方法C、脉冲式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：非线性变换方法二：非线性变换变换器变换器非线性非线性变换网络变换网络低通或低通或脉冲计数器脉冲计数器脉冲计数式鉴频脉冲计数式鉴频第57页，本讲稿共75页脉冲计数式鉴频器的原理脉冲计数式鉴频器的原理限幅器限幅器微分网络微分网络脉冲形成电路脉冲形成电路低通滤波器低通滤波器非线性变换网络非线性变换网络第58页，本讲稿共75页理想的微分网络和理想的时延网络理想的微分网络第59页，本讲稿共75页理想的微分网络和理想的时延网络理想的时延网络第60页，本讲稿共75页三、三、LC回路的频幅和频相转换特性回路的频幅和频相转换特性1、LC并联并联回路的频相转换特性回路的频相转换特性第61页，本讲稿共75页LC并联并联回路的频相转换特性回路的频相转换特性第62页，本讲稿共75页2、LC并联并联回路的频幅转换特性回路的频幅转换特性第63页，本讲稿共75页LC频幅、频相转换特性分析中的几个问题频幅、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。第64页，本讲稿共75页四、调角信号的解调的分析四、调角信号的解调的分析A、乘积型鉴相器原理、乘积型鉴相器原理乘法器乘法器LP载波提取载波提取900相移相移1、鉴相器原理鉴相器原理第65页，本讲稿共75页第66页，本讲稿共75页B、叠加型鉴相原理、叠加型鉴相原理包络检波器第67页，本讲稿共75页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。第68页，本讲稿共75页五、鉴频器电路五、鉴频器电路1、斜率鉴频电路斜率鉴频电路LC构成单失谐回路CRL构成低通滤波器第69页，本讲稿共75页双失谐回路斜率鉴频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。第70页，本讲稿共75页2、相位鉴频电路、相位鉴频电路1）乘积型相位鉴频器）乘积型相位鉴频器第71页，本讲稿共75页2）叠加型相位鉴频器）叠加型相位鉴频器耦合回路叠加型相位鉴频电路耦合回路叠加型相位鉴频电路第72页，本讲稿共75页六、限幅电路六、限幅电路限幅器鉴频器的输出信号为：鉴频器的输出电压能线性跟随输入调频波瞬时频率变化，要求输入信号幅度Vcm恒定。限幅器的作用是维持等幅高频信号输出。削波器选频回路限幅器组成框图第73页，本讲稿共75页限幅电路实例限幅电路实例三极管限幅器二极管限幅器差分对管限幅器第74页，本讲稿共75页数字调制与解调数字调制与解调数字调制：数字调制：调制信号为数字信号的调制方式，又称键控。优点：优点：抗干扰能力强，可以同时传输语言、图像和数据，保密性强。分类：分类：振幅键控、频率键控、相位键控通信原理的课程里进一步的讲解。第75页，本讲稿共75页