第5章角度调制与解调..ppt

LOGO1 1第五章第五章 角度调制与解调角度调制与解调光学与电子信息工程学院 通信工程系2 2概述概述o模拟频率调制和相位调制合称为模拟角度调制(简称调角)。因为相位是频率的积分,故频率的变化必将引起相位的变化,反之亦然,所以调频信号与调相信号在时域特性、频谱宽度、调制与解调的原理和实现方法等方面都有密切的联系。o角度调制信号在抗干扰方面比振幅调制信号要好得多,因此，虽然要占用更多的带宽,但仍得到了广泛的应用3 35.1 5.1 调角波的性质调角波的性质o调频波波设高频载波 vc=Vcmcosct,调制信号为 v(t),调频信号的瞬时角频率为(t)=c+kfv(t)v调频信号其中，kf为比例系数，初始相位0=0。v瞬时相位为4 45.1 5.1 调角波的性质调角波的性质(t)=c+kfv(t)角角频偏偏(t)相偏相偏(t)v调频指数(最大相偏)mfq若调制信号是单频信号,即 v(t)=Vmcost 则调频信号5 55.1 5.1 调角波的性质调角波的性质6 65.1 5.1 调角波的性质调角波的性质o调相波相波设高频载波 vc=Vcmcosct,调制信号v(t)调相信号的瞬时相位为 (t)=ct+kpv(t)调相信号为 vPM=Vcmcos ct+kpv(t)其中，kp为比例系数，初始相位0=0。瞬时角频率为7 75.1 5.1 调角波的性质调角波的性质o (t)=ct+kpv(t)相偏相偏(t)调相指数(最大相偏)mp角角频偏偏(t)q调制信号是单频信号,即v(t)=Vmcos t p 相应的调相信号 vPM=Vcmcos(ct+kpV mcost)=Vcmcos(ct+mp cost)8 85.1 5.1 调角波的性质调角波的性质设调制信号v(t)=Vmcost当 恒定时，调频波 当 恒定时，调相波 9 95.1 5.1 调角波的性质调角波的性质oFM信号与信号与PM信号信号时域特性比域特性比较相同处v二者都是二者都是等幅等幅信号信号v二者的二者的频率和相位都随率和相位都随调制信号而制信号而变化化,均均产生生频偏与相偏偏与相偏，成成为疏密波形疏密波形。正。正频偏最大偏最大处，即瞬，即瞬时频率最高率最高处，波形最密；，波形最密；负频偏最大偏最大处，即瞬，即瞬时频率最低率最低处，波形最疏，波形最疏不同不同处v二者的二者的频率和相位随率和相位随调制信号制信号变化的化的规律不一律不一样,但但频率与相率与相位是微位是微积分关系分关系,故二者是有密切故二者是有密切联系的。例，系的。例，对FM信号信号，调制信号制信号电平最高平最高处对应的瞬的瞬时正正频偏最大，波形最密；偏最大，波形最密；对于于PM信号信号，调制信号制信号电平平变化率（斜率）最大化率（斜率）最大处对应的瞬的瞬时正正频偏最大，波形最密。偏最大，波形最密。v从理从理论上上讲,FM信号的最大角信号的最大角频偏偏m c,由于由于载频 c 很高很高,故故m可以很大可以很大,即即调制范制范围很大。很大。而相位以而相位以2 为周期周期,因此因此PM信号的最大相偏信号的最大相偏(调相指数相指数)mp ,故故调制范制范围很小很小10105.1 5.1 调角波的性质调角波的性质单频调频信号与单频调相信号参数比较 11115.1 5.1 调角波的性质调角波的性质o 调制信号v(t)为周期重复的三角波.画出FM波和PM波的(t)、(t)曲线，及FM、PM波形。12125.1 5.1 调角波的性质调角波的性质调频波波调相波相波13135.2 5.2 调角波的频谱调角波的频谱oFM、PM波的数学表示式相似，统一写成调角波表示式利用角函数展开：在贝塞尔函数理论中，已经证明存在下列关系：式中Jn(m)是以m为宗数的n阶第一类贝塞尔函数。14145.2 5.2 调角波的频谱调角波的频谱宗数为m的n阶第一类贝塞尔函数曲线图 Jn(m)m15155.2 5.2 调角波的频谱调角波的频谱调角的频谱1616 o单频调角信号的频谱特点 由载频和无限多对上下边频分量 ,组成 当n为偶数，上下边频分量振幅相同，相位相同；当n为奇数，上下边频分量振幅相同，相位相反。5.2 5.2 调角波的角波的频谱说明明调角是完全不同于角是完全不同于调幅的一种幅的一种非非线性性频率率变换过程程调制指数m确定时,各边频分量振幅值并不随n单调变化,甚至有时为零。当m增大时，具有较大振幅的边频分量增加，载频分量振幅呈衰减振荡趋势。m值变化,则总功率不变,但载频与各边频分量的功率将重新分配。17175.2 5.2 调角波的频谱调角波的频谱o m 1(工程上只需m1有效频谱宽度为：实际上，调制信号中包括很多频率分量，设最高频率 Fmax19195.2 5.2 调角波的频谱调角波的频谱o例：若调角信号为 试确定fm，m，BW，单位电阻上的信号功率，能否确定是FM波还是PM波？解：解：5.2 5.2 调角波的频谱调角波的频谱o某FM信号的表达式为 其载波频率fc=Hz，调制信号频率F=Hz最大频偏fm=Hz，调频指数mf=rad，信号带宽BFm=Hz。202021215.3 5.3 调频的方法调频的方法o调频电路的指路的指标调制制线性特性性特性调频电路输出信号的频率偏移f与调制电压V要要线性性22225.3 5.3 调频的方法调频的方法o调制灵敏度制灵敏度(要大要大)单位位调制制电压变化所化所产生的生的频率偏移率偏移 q中心中心频率率(载波波频率率)(要要稳定定)q最大最大线性性频偏偏fm (要大要大)1%大大频偏偏 1 超突超突变结+Cj25255.3 5.3 调频的方法调频的方法v变容二极管须工作在反向偏压状态,所以工作时需加负的静态直流偏压-VQ。若控制电压为v，变容管上的电压:v=-(VQ+v)=-(VQ+Vm cost)变容二极管结电容-电压曲线26265.3 5.3 调频的方法调频的方法m:结电容的容的调制度制度静态时的结电容：27275.3 5.3 调频的方法调频的方法o全接入全接入变容二极管直接容二极管直接调频：大大频偏直接偏直接调制制电路路C1：很大，隔直电容作用，对开路C2：高频滤波电容(对高频短路，对开路)L1：高频扼流圈应满足：足：|VQ|V m28285.3 5.3 调频的方法调频的方法瞬时振荡角频率为:29295.3 5.3 调频的方法调频的方法调制特性分析:线性性调制制此时调频波获得最大角频偏中心中心频率偏移率偏移基波分量基波分量两次两次谐波分量波分量30305.3 5.3 调频的方法调频的方法最大角最大角频偏偏增大增大m会增加最大角会增加最大角频偏偏,但也但也增加非增加非线性失真性失真和和减小减小载频稳定度定度,所以所以,最大角最大角频偏受偏受m的限制。的限制。31315.3 5.3 调频的方法调频的方法o变容管部分接入振容管部分接入振荡回路回路:小小频偏的直接偏的直接调频电路路C3为高频滤波电容C1、C2 的引入，使的引入，使Cj 对回路回路总电容的影响减小，从而容的影响减小，从而 c 的的稳定性提高，定性提高，但最大角但最大角频偏偏 m减小减小,调制灵敏度制灵敏度kf下降。下降。32325.3 5.3 调频的方法调频的方法o实际电路常采用变容二极管部分接入回路的方式，而且将变容二极管作为压控电容接入LC振荡器中,就组成了LC压控振荡器。一般可采用各种形式的三点式电路。o为了使变容二极管能正常工作,必须正确地给其提供静态负偏压和交流控制电压,而且要抑制高频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干扰,所以,在电路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路电容、隔直流电容等。33335.3 5.3 调频的方法调频的方法例：例：直流通路交流通路变容二极管直流、交流反偏置电路3434变容二极管部分接入调频电路 c5p变容管的容管的实际电容容值会受到直流偏会受到直流偏压、低、低频调制制电压、高、高频振振荡电压影响；影响；若高若高频振振荡电压振幅太大振幅太大,可能造成可能造成变容二极管正偏。容二极管正偏。p 两个两个变容二极管容二极管对接接,对高高频振振荡电压是串是串联的的,故加在每个管上的高故加在每个管上的高频振振荡电压振幅减半；且两管上高振幅减半；且两管上高频振振荡电压相位相反，相位相反，这样高高频信号作用下信号作用下变容管的容管的电容量作相反容量作相反变化，可免除高化，可免除高频电压对调频效果的干效果的干扰，且抵消一部，且抵消一部分分Cj-u曲曲线的非的非线性；性；p对于直流偏于直流偏压和低和低频调制制电压,两管并两管并联,故工作状故工作状态不受影响不受影响例：例：c1c135355.3 5.3 调频的方法调频的方法o晶振变容二极管调频电路晶振变容二极管调频电路采用晶振与变容二极管串联的方式晶振作为一个电感元件。控制电压调节变容二极管的电容值,使其与晶振串联后的总等效电感变化,从而改变振荡器的振荡频率。晶振的晶振的频率控制范率控制范围很窄很窄,仅在串在串联谐振振频率率fs与并与并联谐振振频率率fp之之间,所以所以晶振晶振调频电路的最大相路的最大相对频偏偏fm/fc只能达到只能达到0.01%左右左右,最大最大线性性频偏偏fm也就很小。也就很小。晶振晶振变容二极管容二极管调频电路的突路的突出出优点是点是载频(中心中心频率率)稳定度定度高高,可达可达10-5左右左右,因而在因而在调频通通信信发送送设备中得到了广泛中得到了广泛应用。用。36365.3 5.3 调频的方法调频的方法-间接调频电路间接调频电路o间接调频原理间接调频原理 调制信号v(t)先先积分分(例如RC积分电路)再再进行调相相,所得就是调频波。这里,采用高稳定的晶振作为主振级,调相是在后级进行,对晶振频率无影响。37375.5.3 3 调频的方法调频的方法o扩展线性频偏的方法扩展线性频偏的方法倍频倍频n倍频电路可将调频信号的载频和最大频偏同时扩大为原来的n倍,但最大相对频偏仍保持不变。38385.5.3 3 调频的方法调频的方法混频倍频混频倍频若将瞬若将瞬时角角频率率为2的的调频信号与固定角信号与固定角频率率为3=(n+1)c的的高高频正弦信号正弦信号进行混行混频,则差差频为混混频使使调频信号信号最大最大频偏保持不偏保持不变,最大相最大相对频偏偏发生生变化化。39395.4 5.4 调相电路调相电路40405.4 5.4 调相电路相移网络调相电路相移网络恒流源激励并恒流源激励并谐回路回路相移特性曲相移特性曲线相移曲相移曲线的移的移动规律律v激励电流源Is的频率fc固定,并联谐振回路参数变化，C增大，回路容性失谐，为负，相移曲线下移；反之，相移曲线上移qLC并并联失失谐回路回路41415.4 5.4 调相电路调相电路q变容管移相电路：变容管移相电路：用调制信号用调制信号v(t)控制控制Cj变化，高频载变化，高频载波波fc以恒流源形式激励并联谐振回路以恒流源形式激励并联谐振回路对于高频载波来说,3个0.001F的小电容短路；对于低频调制信号来说,3个0.001F的小电容开路,4.7F电容短路。调制信号输入载波信号输入调相波输出7V42425.4 5.4 调相电路调相电路在m较小时,有 当当|(t t)|)|/6/6时时,有近似式：有近似式：上式表明，在小频偏时，输出电压的相移(t)与调制信号v成正比，实现线性调相43435.4 5.4 调相电路调相电路o由以上分析可知：变容二极管相移网络能够实现线性调相,但受回路相频特性非线性的限制,除了选用 2或者m为较小小值外，还必必须满足足mp/6，调制范围很窄,属窄带调相。o为了增大调相指数,可以采用多多个个相相移移网网络级联方式,各级之间用小电容耦合,对载频呈现较大的电抗,使各级之间相互独立。44445.4 5.4 调相电路调相电路o三三级单回路回路变容二极管相移网容二极管相移网络,可可产生的最大相偏生的最大相偏为/2。调节回路回路Q值积分分电路路调频波波45455.4 5.4 调相电路调相电路o可变时延法调相电路可变时延法调相电路o 如何如何实现可控可控时延呢？延呢？46465.4 5.4 调相电路调相电路脉冲输出位置受可控电压v幅度的控制，脉冲输出时延与v之间线性，用带通滤波器取出基频或某谐波可得正弦调相波。m为最大时延差，n为谐波次数理论上m=0.5Tc，而实际上限制m 0.4Tc 脉冲脉冲调相相电路路线性性相移相移较大大各点波形各点波形47475.5 5.5 鉴频器鉴频器o 调频波的解波的解调称称为频率率检波，波，简称称鉴频o 调相波的解相波的解调称称为相位相位检波，波，简称称鉴相相斜率斜率鉴频(振幅振幅鉴频)相位相位鉴频脉冲脉冲计数式数式鉴频锁相相环鉴频48485.5 5.5 鉴频器鉴频器o主要指标主要指标鉴频特性曲线鉴频特性曲线 （S曲线）曲线）v灵敏度大灵敏度大v非线性失真小非线性失真小v线性范围（鉴频频带宽度）大线性范围（鉴频频带宽度）大 BPP 2fm49495.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器o斜率斜率鉴频器器利用利用LC谐振回路的振回路的谐振特性振特性对不同不同频率的信号呈率的信号呈现不不同的阻抗，同的阻抗，对调频波波进行行调频-调幅幅变换，得到，得到调频-调幅波，再幅波，再进行振幅行振幅检波，得到解波，得到解调输出出电压。调频-调幅幅变换特性取决于特性取决于谐振特性曲振特性曲线的斜率，故称的斜率，故称斜率斜率鉴频器。器。实现框框图：V(t)包包络检波器波器FM线性网性网络 (变换器)FM AMFM5.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器5050变换电路路包包络检波器波器q单失失谐的斜率的斜率鉴频器器(LC互感耦合回路互感耦合回路)51515.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器单调谐回路的回路的谐振曲振曲线，其，其倾斜部分的斜部分的线性范性范围很小，很小，为了了扩展展鉴频特性的特性的线性范性范围，实用的斜率用的斜率鉴频器都是采用两个器都是采用两个单失失谐回路构成的平衡回路构成的平衡电路。路。v2(t)变为幅度反映瞬幅度反映瞬时频率率变化的化的调频波，而后通波，而后通过包包络检波器完成波器完成鉴频功能。功能。52525.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器o平衡斜率鉴频器（双失谐平衡斜率鉴频器（双失谐回路鉴频器）回路鉴频器）相减后的相减后的鉴频特性不但特性不但线性好性好,而且而且线性性鉴频范范围增大增大对称失称失谐：1 c c 2；两个两个检波器参数相同；波器参数相同；53535.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器o集成集成电路中路中应用的用的鉴频器（差分峰器（差分峰值斜率斜率鉴频）调频信号变换电路调频调幅信号调频调幅信号V1,V2射随V3,V4峰值包络检波V5,V6双端输入,单端输出差分放大输出电压与u1,u2的振幅差值成正比54545.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器L1C1回路与C2串并联后的电抗特性L1C1并联回路与C2串联谐振角频率L1C1并联回路谐振角频率输入调频信号瞬时角频率位于2与1之间。设X1和X2为L1C1并联回路和C2的电抗55555.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器v考虑到V1、V2基极输入电阻非常大,故输入调频信号us在负载上产生的电压u1的振幅U1m主要由电抗曲线X1+X2决定。当=2时,L1C1C2处于串联谐振,等效阻抗最小,故U1m最小；当=1时,L1C1C2处于并联谐振,等效阻抗最大,故U1m最大。56565.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器v V2基极朝左看时，由于源电阻Rs很小，近似短路，C2上电压u2的振幅U2m主要由电抗曲线X1X2决定。当=2时,L1C1C2处于并联谐振,故U2m最大；当=1时,L1C1C2等效容抗很小,故U2m很小。57575.5 5.5 鉴频器鉴频器-斜率鉴频器斜率鉴频器鉴频特性曲线调频信号us经L1C1C2网络转换成两个不同的调频调幅信号u1和u2。u1、u2分别从差分电路两端输入,先经V1、V2射随,然后经V3、V4峰值包络检波,V5、V6差分放大,最后由V6集电极单端输出解调信号uo课后练习课后练习o某FM信号的表达式为 其载波频率fc=Hz,调制信号频率F=Hz，最大频偏fm=Hz,调频指数mf=rad，信号带宽BFm=Hz。o变容二极管是利用PN结的结电容随 变化这一特性制成的一种电压控制的可控电抗器。其结电容可表示为 ,式中为 。当变容二极管作为调频振荡电路回路总电容时，应取 以便实现不失真调频。5858o鉴频器根据工作原理可分为：；。5959