高频第6章角度调制与解调.ppt

第第6章章角度调制与解调角度调制与解调1本章知识点及结构本章知识点及结构角角度度调调制制与与解解调调调角波的性质调角波的性质（数学表达式、频谱特征、功率）数学表达式、频谱特征、功率）调频波的解调调频波的解调（电路，评价指标（电路，评价指标）调频波的产生调频波的产生（原理，电路，评价指标原理，电路，评价指标）2第第6章章 角度调制与解调角度调制与解调n6.1 概述概述n6.2 调角波的性质调角波的性质（重点）（重点）n6.3 调频信号的产生调频信号的产生n6.4 调频电路调频电路（重点）（重点）n6.5 调频波的解调调频波的解调（重点）（重点）n6.6 限幅器限幅器n6.7 调制方式的比较调制方式的比较36.1 概概 述述回顾问题：（第回顾问题：（第5章章 调幅系统概念）调幅系统概念）2.“调制调制”与与“解调解调”的方式有哪些？的方式有哪些？1.“调制调制”与与“解调解调”的过程如何实现？的过程如何实现？3.“调制调制”对应的波形特征？对应的波形特征？4.4.调制器、解调器调制器、解调器在无线电收发系统中的在无线电收发系统中的位置？位置？41.“调制调制”与与“解调解调”的过程的过程:人人飞机的参数（如飞机的参数（如重量、速度等）重量、速度等）控制控制 飞机飞机（载体）（载体）载有人的飞机载有人的飞机调调制制人人解解调调低频信号低频信号高频信号高频信号（载波）（载波）载波的参数（如幅度、载波的参数（如幅度、频率、相位）频率、相位）已调波已调波还原还原低频信号低频信号装装载载卸卸载载52.调制的方式调制的方式:控制控制调调制制低频信号低频信号高频信号高频信号（载波）（载波）载波的参数载波的参数已调波已调波幅度调制（简称幅度调制（简称“调幅调幅”，AM）频率调制（简称频率调制（简称“调频调频”，FM）相位调制（简称相位调制（简称“调相调相”，PM）幅度幅度 频率频率 相位相位角度调制角度调制相角相角62.解调的方式：解调的方式：控制控制调调制制低频信号低频信号高频信号高频信号（载波）（载波）载波的参数载波的参数调幅波调幅波幅度幅度 频率频率 相位相位调频波调频波 调相波调相波检波检波低频信号低频信号解解调调鉴频鉴频鉴相鉴相调幅波调幅波 调频波调频波 调相波调相波7信信号号 载波信号（高频信号）：载波信号（高频信号）：（等幅）高频正弦波振荡信号（等幅）高频正弦波振荡信号 调制信号（低频信号）：调制信号（低频信号）：需要传输的电信号需要传输的电信号语言语言图像图像 数据数据已调已调(波波)信号（高频信号）：信号（高频信号）：经过调制后的高频信号经过调制后的高频信号3.总结：总结：（原始信号）（原始信号）84、调制器在发射机中位置、调制器在发射机中位置94、解调器在接收机中的位置、解调器在接收机中的位置105.5.调频与鉴频的典型电路：调频与鉴频的典型电路：116.2 调角波的性质调角波的性质(重点重点)调角波的性质：调角波的性质：调频波（调频波（FM）的性质（重点）的性质（重点）调相波调相波（PM）的性质的性质（类比的方法学习）（类比的方法学习）调频波与调相波的比较调频波与调相波的比较12一、调频（相）波一、调频（相）波数学表达式数学表达式及及波形特征波形特征如何如何？二、调频二、调频（相）（相）波的波的频谱频谱有什么特征？有什么特征？如何根据频谱计算如何根据频谱计算频带宽度频带宽度？三、如何计算调频三、如何计算调频（相）（相）波的波的功率功率？问题：问题：13一、调频波数学表达式一、调频波数学表达式调制信号调制信号载波信号的频率载波信号的频率控制控制载波信号载波信号调频波的频率调频波的频率已调信号已调信号即：调频波即：调频波调频波的相位调频波的相位1、调频的过程、调频的过程142.调频过程的数学表达调频过程的数学表达:15角频率偏移程度由调制信号幅度决定角频率偏移程度由调制信号幅度决定又称作调频波的又称作调频波的调制指数调制指数m mf f，它可以大于它可以大于1.1.(1).瞬时频率偏移瞬时频率偏移:(2).最大频率偏移最大频率偏移(也简称频偏也简称频偏):(3).(3).最大相移最大相移几个关键参量：几个关键参量：16根据调相过程，写出调相波数学表达式根据调相过程，写出调相波数学表达式调制信号调制信号载波信号的相位载波信号的相位控制控制载波信号载波信号调相波的相位调相波的相位已调信号已调信号即：调相波即：调相波在理解调频过程与调相波数学表达式之间的关后，在理解调频过程与调相波数学表达式之间的关后，二、调相波数学表达式二、调相波数学表达式类比法类比法17又称作又称作 调相指数调相指数 它它与调制信号的幅度成正比，与调制信号的幅度成正比，而与调制频率无关。而与调制频率无关。最大相移最大相移关键参量：关键参量：18讨论：调频信号与调相信号的比较讨论：调频信号与调相信号的比较如果设载波：如果设载波：调制信号：调制信号：FMFM波波 PMPM波波(1)(1)瞬时频率：瞬时频率：(2)(2)瞬时相位：瞬时相位：(3)(3)最大频偏：最大频偏：(4)(4)最大相位：最大相位：(5)(5)表达式表达式:19三、调频与调相的关系三、调频与调相的关系总结总结 载波信号：载波信号：1.调制指数调制指数调频时调频时调相时调相时 2.最大频率偏移最大频率偏移频偏频偏与调制信号振幅与调制信号振幅成正比，频率成成正比，频率成反比。反比。与调制信号频率无关。与调制信号频率无关。与调制信号的幅度成与调制信号的幅度成正比，与其频率无关正比，与其频率无关FMPM203.FM与与PM的共同点的共同点频偏（即最大频率偏移）频偏（即最大频率偏移）与调制指数与调制指数m 之间都满足：之间都满足：=m 21已知载波频率为已知载波频率为100100MHzMHz，载波电压幅度为载波电压幅度为5 5V V，调制信号调制信号试写出调频波的数学表示式（设两个调制信号试写出调频波的数学表示式（设两个调制信号的最大频偏均为的最大频偏均为2020kHzkHz）应用例应用例1：22频谱分析的方法：频谱分析的方法：2.以每一余弦（或正弦）项的频率以每一余弦（或正弦）项的频率 或或 为为横坐标上的点横坐标上的点，其幅度其幅度 为纵坐标上的点，为纵坐标上的点，画出频谱分布图。画出频谱分布图。1.将调角波（电压）信号的数学表达式展开成将调角波（电压）信号的数学表达式展开成余弦（或正弦）项之和的形式，即余弦（或正弦）项之和的形式，即四、调角波的频谱四、调角波的频谱23利用贝塞尔函数理论中的两个公式：利用贝塞尔函数理论中的两个公式：调频波的频谱调频波的频谱24结论：结论：1.1.一个一个FMFM波，除有载频波，除有载频 分量外，分量外，2.2.还有无穷多个边频分量，边频之间还有无穷多个边频分量，边频之间的的3.3.间隔仍为间隔仍为 。调频波的频谱调频波的频谱2.2.边频幅度的大小为边频幅度的大小为 ，由由BessellBessell函数决定。函数决定。25可见，可见，mf值越大，贝塞尔函数的阶数将增多。值越大，贝塞尔函数的阶数将增多。这意味着，这意味着，mf值越大值越大，调频波频谱中的边频数调频波频谱中的边频数目增多，从而使频带加宽。目增多，从而使频带加宽。26mf相同时，随着贝塞尔函数阶数升高，其值变化不一定越小。相同时，随着贝塞尔函数阶数升高，其值变化不一定越小。这意味着，调频波的频谱幅度不是线性递减的。这意味着，调频波的频谱幅度不是线性递减的。27五、调频波的频带宽度五、调频波的频带宽度或或由由BessellBessell函数的特点，当阶数函数的特点，当阶数 时时则认为则认为 ，边频总数为，边频总数为（1）mf1当当 mf1 时，即时，即称为：宽带调频称为：宽带调频28（2）对于）对于窄带调频窄带调频 mf1 时时则：则：边频分量很少，只有边频分量很少，只有1到到3项项29例：已知调制信号例：已知调制信号求求FMFM和和PMPM波的带宽波的带宽（2 2）若）若 不变，不变，F F增大一倍，两种已调信号的带宽如何增大一倍，两种已调信号的带宽如何（1 1）若）若F F不变，不变，增大一倍，两种已调信号的带宽如何增大一倍，两种已调信号的带宽如何（3 3）若）若F F与与 都增大一倍，两种已调信号的带宽如何都增大一倍，两种已调信号的带宽如何说明：说明：PM PM 波的频带利用率不如波的频带利用率不如 FM FM 波好。波好。因而，调相因而，调相PM PM 一般只作为产生调频波的一种一般只作为产生调频波的一种间接手段来应用，没有调频间接手段来应用，没有调频 FM FM 应用得广。应用得广。（3）调角信号频谱与调制信号的关系）调角信号频谱与调制信号的关系30（3）调角信号频谱与调制信号的关系）调角信号频谱与调制信号的关系 续续说明：说明：在调制频率在调制频率F F的高端和低端，的高端和低端，PMPM波的频带宽度波的频带宽度变化极大，所以其频带的利用是不经济的。变化极大，所以其频带的利用是不经济的。即：即：PM PM 波的频带利用率不如波的频带利用率不如 FM FM 波好。波好。这正是模拟通信系统中调频这正是模拟通信系统中调频FMFM制比调相制比调相PMPM制应制应用得广泛的主要原因。用得广泛的主要原因。一般一般PMPM只作为产生调频只作为产生调频FMFM波的一种间接手段来波的一种间接手段来应用。应用。31六、调角波的功率六、调角波的功率计算方法计算方法：(设调角波电压加于负载电阻设调角波电压加于负载电阻R上）上）1.将调幅（电压）信号的数学表达式展开成余将调幅（电压）信号的数学表达式展开成余弦（或正弦）项弦（或正弦）项之和之和的形式，即的形式，即2.32结论：结论：调角波在调制前后总的功率不变，只调角波在调制前后总的功率不变，只是将原来载波功率中的一部分转入边频中是将原来载波功率中的一部分转入边频中去。去。六、调角波的功率六、调角波的功率因此，调制过程不需要外界供给边频功率。因此，调制过程不需要外界供给边频功率。33一、调频方法一、调频方法二、调频电路的性能指标二、调频电路的性能指标6.3 调频信号的产生调频信号的产生34一、调频方法一、调频方法直接调频：直接调频：调制信号直接控制载波振荡器的频率调制信号直接控制载波振荡器的频率间接调频间接调频:利用调相来实现调频利用调相来实现调频35二、调频电路的性能指标二、调频电路的性能指标 1.1.调制特性调制特性2.2.调制灵敏度调制灵敏度3.3.3.3.最大频偏最大频偏在正常调制电压作用下，在正常调制电压作用下，所能达到的最大频率偏移值。所能达到的最大频率偏移值。调制电压变化单位数值，所产生的频率偏移。调制电压变化单位数值，所产生的频率偏移。相对频率偏移与调制电压之间的关系相对频率偏移与调制电压之间的关系366.4 调频电路调频电路一、变容二极管调频电路一、变容二极管调频电路（重点）（重点）二、电抗管调频电路二、电抗管调频电路三、晶体振荡器调频电路三、晶体振荡器调频电路37一、变容二极管调频电路一、变容二极管调频电路电路分析电路分析3.3.变容二极管调频原理变容二极管调频原理 调频调频过程分析过程分析4.4.调频电路的调频电路的性能分析性能分析 性能指标性能指标381.变容二极管变容二极管特性特性 受电压控制的可变电抗元件受电压控制的可变电抗元件（1 1）符号、等效电路）符号、等效电路（2 2）结电容与反向电压关系）结电容与反向电压关系等效电路等效电路符号符号A A：常数，取决于二极常数，取决于二极管本身的属性管本身的属性U U：外加反向偏压外加反向偏压U U：PNPN结的势垒电压结的势垒电压(Si:0.7V Ge:Si:0.7V Ge:0.3V)0.3V)n n：结电容变化系数结电容变化系数392.2.变容二极管实际调频电路分析变容二极管实际调频电路分析分析思路：分析思路：变容二极管上要加直流偏压和调制信号变容二极管上要加直流偏压和调制信号变容二极管要作为高频振荡电路的一部分变容二极管要作为高频振荡电路的一部分403.变容二极管调频原理变容二极管调频原理a.定性分析定性分析 b.定量分析定量分析当当 时时,414、调频电路的性能指标、调频电路的性能指标 1.1.调制特性调制特性2.2.调制灵敏度调制灵敏度3.3.3.3.最大频偏最大频偏在正常调制电压作用下，在正常调制电压作用下，所能达到的最大频率偏移值。所能达到的最大频率偏移值。调制电压变化单位数值，所产生的频率偏移。调制电压变化单位数值，所产生的频率偏移。相对频率偏移与调制电压之间的关系相对频率偏移与调制电压之间的关系42二、电抗管调频电路二、电抗管调频电路1.电抗管调频原理电抗管调频原理2.等效电抗的推导等效电抗的推导3.电抗管调频电路的特点电抗管调频电路的特点电抗管：电抗管：由一只晶体管或场效应管加上由电抗和由一只晶体管或场效应管加上由电抗和 电阻元件构成的移相网络组成。电阻元件构成的移相网络组成。它等效为一个电抗元件它等效为一个电抗元件（电感或电容）（电感或电容）且其参数可以随调制信号而变化。且其参数可以随调制信号而变化。43a.等效电抗是一个电容等效电抗是一个电容b.等效电抗是一个电感等效电抗是一个电感44优点：能获得较大的频偏；便于做成集成电路。优点：能获得较大的频偏；便于做成集成电路。缺点：载频不能很高，频率稳定度较低。缺点：载频不能很高，频率稳定度较低。45三、晶体振荡器调频电路三、晶体振荡器调频电路1.1.石英晶体振荡器变容管调频电路石英晶体振荡器变容管调频电路较之前两种直接调频电路，提高了载波频率的稳定度，较之前两种直接调频电路，提高了载波频率的稳定度，但但频偏不太大频偏不太大2.2.用用 型网络变换获得较大频偏型网络变换获得较大频偏46四、间接调频电路四、间接调频电路 1、积分电路积分电路RC电路电路 2、调相电路调相电路失谐法失谐法47已知已知FM波：波：即即FM波相角偏移的最大值需满足：波相角偏移的最大值需满足：则，间接调频的实现过程：则，间接调频的实现过程：3、间接调频电路原理、间接调频电路原理48（1）积分电路积分电路RC电路电路其中其中（2）调相电路）调相电路失谐法失谐法 实现实现实现：实现：494.间接调频电路特点间接调频电路特点优点：中心频率稳定度高优点：中心频率稳定度高缺点：为了实现线性调相，缺点：为了实现线性调相，因而最大，因而最大频偏小。频偏小。改善：可以通过倍频法，提高频偏和载频。改善：可以通过倍频法，提高频偏和载频。506.5 6.5 调频波的解调调频波的解调从从FM波中得到原来的调制信号波中得到原来的调制信号 频率检波或鉴频频率检波或鉴频。完成鉴频功能的电路完成鉴频功能的电路鉴频器鉴频器一、鉴频器的性能指标一、鉴频器的性能指标二、鉴频电路二、鉴频电路51一、鉴频电路一、鉴频电路1.斜率鉴频器斜率鉴频器2.相位鉴频器相位鉴频器（重点）（重点）3.比例鉴频器比例鉴频器4.脉冲计数式鉴频器脉冲计数式鉴频器521.1.斜率鉴频器斜率鉴频器(slope discriminator)slope discriminator)2.2.振幅鉴频振幅鉴频器器电路与工作原理电路与工作原理 斜率鉴频器由失斜率鉴频器由失谐单谐振回路和谐单谐振回路和二极管包络检波二极管包络检波器组成器组成f c fp优点：优点：电路简单电路简单缺点：缺点：灵敏度与线性范围矛盾灵敏度与线性范围矛盾Q大，灵敏度高，但线性范围窄；大，灵敏度高，但线性范围窄；Q小，灵敏度低，但线性范围宽。小，灵敏度低，但线性范围宽。（一般用于质量要求不高的简易（一般用于质量要求不高的简易接收机中）接收机中）532、相位鉴频器、相位鉴频器 利用回路的利用回路的频率频率-相位相位特性来实现将特性来实现将调频波变换为调幅调频波。调频波变换为调幅调频波。常用的相位鉴频器：常用的相位鉴频器：电容耦合相位鉴频器电容耦合相位鉴频器电感耦合相位鉴频器电感耦合相位鉴频器（重点）（重点）54a.电路与工作原理电路与工作原理 线性变换电路部分（频相转换网络）线性变换电路部分（频相转换网络）幅度检波部分幅度检波部分 L3高频扼流圈：高频扼流圈：把原边电压引入副边回路把原边电压引入副边回路 提供直流及低频电路通路提供直流及低频电路通路(1)电感耦合相位鉴频器电感耦合相位鉴频器55原理：原理：（1 1）变，变，对对 的相位随的相位随 变，变，的大小随的大小随 变，变，正是利用这种相位变化的特点，将正是利用这种相位变化的特点，将频率的频率的变化转换为幅度的变化变化转换为幅度的变化。（2 2）幅度检波：）幅度检波：每一个检波器的输出电压每一个检波器的输出电压 也随也随 变，所以总输出也随变，所以总输出也随 变。变。5657鉴频器的性能指标：鉴频器的性能指标：1.鉴频跨导（利用鉴频跨导（利用S曲线定义）曲线定义）2.鉴频频带宽度鉴频频带宽度 B（大于等于大于等于2倍的倍的FM波频偏）波频偏）58优点：优点：S曲线线性度好，检波失真小曲线线性度好，检波失真小 S曲线斜率大，鉴频灵敏度高曲线斜率大，鉴频灵敏度高 S曲线线性范围大曲线线性范围大缺点：线路复杂；调整较困难。缺点：线路复杂；调整较困难。电感耦合相位鉴频器电感耦合相位鉴频器59（2）电容耦合相位鉴频器）电容耦合相位鉴频器a.与电感耦合相位鉴频器的不同点与电感耦合相位鉴频器的不同点b.优点：结构简单，调整方便优点：结构简单，调整方便603、比例鉴频器、比例鉴频器 比例鉴频器是一种类似于相位鉴频器，而又具有比例鉴频器是一种类似于相位鉴频器，而又具有自限幅能力的鉴频器。自限幅能力的鉴频器。(1)(1)两个二极管顺接；两个二极管顺接；(2)(2)在电阻在电阻(R R1 1+R R2 2)两端并接一个两端并接一个大电容大电容C C，容量约在容量约在1010FF数量级。数量级。(3)(3)接地点和输出点改变。接地点和输出点改变。是相位鉴频器的一半是相位鉴频器的一半61相位鉴频相位鉴频鉴频特性比较鉴频特性比较 626.6 6.6 限幅器限幅器限幅器的作用限幅器的作用限幅特性曲线限幅特性曲线限幅电路限幅电路 1 1、二极管限幅器、二极管限幅器 2 2、三极管限幅器三极管限幅器631.1.抗干扰性能抗干扰性能2.2.2.2.频带宽度频带宽度3.3.发射功率和耗电量发射功率和耗电量4.4.强信号堵塞现象强信号堵塞现象问题：为什么目前广播电视采用宽带调问题：为什么目前广播电视采用宽带调频，而一般移动通信设备采用窄带调频频，而一般移动通信设备采用窄带调频？问题：若广播要提高声音质量（音质），问题：若广播要提高声音质量（音质），采用哪种调制方式较好？为什么？采用哪种调制方式较好？为什么？问题：相同载波功率的条件下，调频发射问题：相同载波功率的条件下，调频发射机所需的功率要比调幅发射机小，为什么机所需的功率要比调幅发射机小，为什么？问题：若发生强信号堵塞现象，对调幅波有什么影响？问题：若发生强信号堵塞现象，对调幅波有什么影响？6.7 调制方式（调制方式（FM、AM）的比较的比较64本章总结本章总结n理解：理解：调角波的一般表达式、波形、频谱特点等调角波的一般表达式、波形、频谱特点等 调频波产生、解调的方法，及基本原理调频波产生、解调的方法，及基本原理 评价调频、鉴频电路的主要性能指标。评价调频、鉴频电路的主要性能指标。n计算：计算：调角波带宽、功率，频偏、调制指数调角波带宽、功率，频偏、调制指数n分析：分析：相位鉴频器实现鉴频的过程（矢量图，相位鉴频器实现鉴频的过程（矢量图，鉴频特性曲线）鉴频特性曲线）65