5.角度调制与解调电路1.ppt

本章首先讨论角度调制信号的时域、频域和功率特性，在提出直接调频和间接调频两种实现方法的基础上，着重讨论了变容管直接调频和由变容管调相电路组成的间接调频的电路组成及其性能特点，扩展线性频偏的方法。而后在分析调频波通过线性网络的准静态条件的基础上，提出了斜率鉴频、相位鉴频和脉冲计数式鉴频三种实现方法，并着重介绍了失调回路相位鉴频器的实现电路和性能特点。第5章 角度调制与解调电路教学要求1.掌握调频、调相信号的特点及它们的区别；2.掌握变容管直接调频电路的组成原理及特点；3.掌握间接调频电路的工作原理；4.了解变容管间接调频电路的组成原理；5.掌握斜率鉴频器、相位鉴频器、脉冲计数式鉴频器的工作原理，熟悉相位鉴频器的性能特点.5.1 角度调制信号的基本特性5.1.1 调频信号和调相信号 调频是使载波信号的频率按调制信号规律变化的一种调制方式；调相是使载波信号的相位按调制信号规律变化的一种调制方式。两种调制方式都表现为载波信号的瞬时相位受到调变，故统称为角度调制，简称调角。设载波信号为 v=Vmcos(t)若用矢量表示,Vm是矢量的长度,(t)是矢量转动的瞬时角度(类似于圆周运动中的角位移).作为调相信号,相应的矢量长度为恒值Vm,而矢量的瞬时相角在参考值ct上叠加按调制信号规律变化的附加相角(t)=kp v(t),即(t)=c t+(t)+0=c t+kp v(t)+0式中kp是比例常数.相应的调相信号表示为 v(t)=Vmcos c t+kp v(t)+0 大家知道，瞬时频率是瞬时相位的导数(t)=瞬时相位是瞬时频率对时间的积分(t)=()d+0所以,调相信号的瞬时角频率即(t)的时间导数值为(t)=c+kp=c+(t)可见,在调相信号中,叠加在ct上的附加相角,按调制信号规律变化,而叠加在c上的瞬时角频率(t)则按调制信号的时间导数值规律变化.dtd(t)t0dtdv(t)作为调频信号,相应的矢量长度为恒值Vm,而矢量的转动角速度在载波角频率c上叠加按调制信号规律变化的瞬时角频率(t)=kf v(t),即(t)=c+(t)=c+kf v(t)式中kf是比例常数.调频信号的总瞬时相角为(t)=(t)dt+0=ct+kf v(t)dt+0=ct+(t)+0则调频信号的一般表达式为 v(t)=Vmcos c t+kf v(t)dt+0t0t0t0可见,在调频信号中,叠加在c上的瞬时角频率,按调制信号规律变化,而叠加在ct上的瞬时相角,则按调制信号的时间积分值规律变化.类型 物理量调幅信号 调频信号 调相信号VmVm+kav(t)恒值 恒值(t)cc+kf v(t)c+kp(t)c t+0ct+kf v(t)dt+0c+kpv(t)+0v(t)Vm)+kav(t)cos(c t+0)Vm cosc t+kf v(t)+0Vm cosc t+kpv(t)+0dtdv(t)0t0t 由表可见，无论是调频信号还是调相信号，它们的(t)和(t)都同时受到调变，其区别仅在于按调制信号规律线性变化的物理量不同，这个物理量在调相信号中是(t)，在调频信号中是(t)。由于(t)与(t)之间的确定关系，因此，两种已调信号又是相互联系的。一个调频信号可以看成(t)按调制信号的时间积分值规律变化的调相信号；一个调相信号也可以看成(t)按调制信号的时间导数值规律变化的调频信号。可见,调频波中的瞬时相位必将随瞬时频率的变化而变化。同理，调相波中的瞬时频率也必将随瞬时相位的变化而变化。但它们之间有着实质的区别。调频波中瞬时频率的变化和调制信号的变化成正比，(t)=c+(t)，(t)=kf v(t)因而其瞬时相位就随调制信号对时间的积分值成正比。(t)=c t+kf v()d+0t0 根据这一关系，如果将调制信号的积分值进行调相，得到的调相波实际上就是调频波。反之，调相波中的瞬时相位的变化和调制信号的变化成正比。(t)=ct+(t)，(t)=k p v(t)因而其瞬时频率必和调制信号对时间的微分值成正比。(t)=c+k p 如果将调制信号的微分值进行调频，则得到的波实际上就是调相波。d td v(t)综上所述，调频波和调相波可以统一表示为 v=Vmcos ct+(t)对于PM波：(t)=k p v(t)+0(t)=kpdv(t)dt v p=V m cos ct+k p v(t)+0对于FM波：(t)=k f v(t)(t)=k f v(t)dt+0 v f=V m cos ct+k f v(t)dt+0t0t0当调制信号为单音信号时，对应的表达式为：对于PM波(t)=k pVmcos t=Mp cos t MP=k p Vm 为调相指数（即最大相移）(t)=-Mp sin t+0=-m sin t m为最大频偏 v p=V m cos（ct+M p cos t+0）对于FM波(t)=k f Vmcos t=m cos t m=k f Vm 为最大频偏(t)=sin t+0=Mf sin t+0Mf=为调频指数（即最大相移）v f=V m cos（ct+M f sin t+0）c为载波角频率，即中心频率；m为最大频偏，即偏离载波频率的最大值；为调制信号频率，表示瞬时频率变化的快慢。k f Vmk f Vm m 单音调制时,调频和调相两种已调信号中的(t)和(t)均为简谐波，不过他们的m和M f(或M p)随Vm和的变化规律不同。当Vm一定、由小增大时，FM中的m不变，而Mf 则呈反比地减小；PM中的M p 不变，而m则呈正比地增大。5.1.2 调角信号的频谱 以单音调制的调频信号为例，用指数函数表示 v(t)=V m cos（ct+M f sin t+0）=V m Ree jM f sin te j(ct+0)式中,Rex(t)表示函数x(t)的实部.e jM f sin t是的周期性函，它的傅立叶级数展开式为 e jM f sin t=J n(M f)e jn t 式中，J n(M f)=e jM f sin te-jn td t 是宗数为M f的n阶第一类贝塞尔函数，满足下列等式 J-n(M f)n为偶数时-J n(M f)n为奇数时因而，调频波的傅立叶级数展开式为 v(t)=V m Re J n(M f)e j(ct+n t+0)nn=-12J n(M f)=-nn=-=V m J n(M f)cos(ct+n)t+0 为了简化起见，令 0=0，上式可表示为v(t)=V mJ 0(M f)cosct+V mJ 1(M f)cos(c+)t-cos(c-)t+V mJ 2(M f)cos(c+2)t-cos(c-2)t+V mJ 3(M f)cos(c+3)t-cos(c-3)t+这表明，单音调制时，调频信号的频谱不是调制信号频谱的不失真搬移，而是由载波分量和无数对边频分量所组成。其中，n为奇数的上、下边频分量的振幅相等，极性相反；而偶数的极性相同。而且，载波分量和各边频分量的振幅均随M f变化，特别当M f=2.4,5.52,8.65,时载波分量振幅等于零；而当M f nn=-为某些其它特定值时，又可使某些边频分量振幅等于零。根据帕塞瓦尔定理，调频信号的平均功率，等于各频谱分量功率之和，在单位电阻上，其值为 P av=Jn2(M f)由第一类贝塞尔函数的下列特性：Jn2(M f)=1将P av 化简为 P av=Vm22n=-Vm22n=-这表明，当Vm一定时，调频波的平均功率也一定，且等于未调频时的载波功率，其值与M f无关。换句话说，改变Mf仅引起载波分量和各边频分量之间功率的重新分配，但不会引起总功率的改变。而上一章介绍的调幅信号却不是这样，其平均功率不仅与Vm有关，还与Ma有关，且随着Vm和Ma增大而增大。5.1.3 调角信号的频谱宽度 既然调角信号的频谱包含无限多对边频分量，它的频谱宽度就应无限大。不过，实际上当M一定时，随着n的增加，J n(M)的数值虽有起伏，但它的趋势是减小的。特别是当nM时，J n(M)的数值已很小，且其值随着n的增加而迅速下降。因此，忽略振幅小于V m的边频分量，则调角信号实际占据的有效频谱宽度是有限的。其值为 BW=2LF L为有效的上（或下）边频分量的数目，F为调制频率。一单音调制的调角波有无限对边带分量，相应有无限大频谱宽度。实际上，随着边带分量越远离载波。其幅度就越小。因此，工程上常用有效频谱宽度定义。最常用的有效频谱宽度公式为卡森带宽公式 BWCR=2(M+1)F(包括了98%的信号功率)对于FM波：M=Mf，当Mf 1时,BWCR=2MfF=2fm,为宽带调频,与F无关。当Mf 1时,BWCR2F，为窄带调频波。其频谱宽度和调幅波的频谱带宽相同，但其上下边频振幅的相位相反。对于PM波：M=Mp，为调相指数，BWCR=2(Mp+1)F，因为Mp=kpVm，与调制频率无关，所以当F增加时，BWCR增加，这是调相波的特点，因此在模拟调制时，不宜采用调相波。调角波为等幅波，其平均功率Pav=Vm22，其值只与未调制前的振幅有关，与调制指数M无关。M不同，仅表明平均功率在载波和各边带分量上的分配不同。5.2 调频电路调频有两种实现方法，直接调频和间接调频。5.2.1 调频电路概述 一、直接调频和间接调频 1.直接调频 调频信号的基本特点是它的瞬时频率按调制信号规律变化。用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号的变化规律。这种直接调变振荡器频率的方法，即直接调频。2.间接调频 根据调频与调相的内在联系，将调制信号进行积分，用其值进行调相，就可以得到所需的调频信号。这种通过调相实现调频的方法，称为间接调频。积分器正弦波振荡器调相器(c)V m cosctvO(t)tk 1 v(t)d t0v(t)由正弦振荡器产生角频率为c的载波电压Vmcosct，在通过调相器后，引入一附加相移(c)，即vO(t)=Vmcosct+(c)。若这个附加相移受到 vO(t)的积分值k 1 v(t)d t的控制，且控制特性为线性，则输出的调相信号就是调制信号为vO(t)的调频信号，即vO(t)=Vmcosct+kpk 1 v(t)d t当v(t)=Vmcost 时，vO(t)=Vmcosct+kpk1 sin t=Vmcos（ct+Mfsin t）可见，调相器的作用是产生线性控制的附加相移(c)，它是实现间接调频的关键。0t0tVm二、调频电路性能要求 调频电路的作用是产生瞬时角频率按调制信号规律变化的调频信号，因此，调频电路的基本特性是描述瞬时频率偏移 f（=f-fc）随调制电压v变化的调频特性，要求它在特定调制电压范围内是线性的，原点上的斜率 称为调频灵敏度，单位为Hz/V，显然SF越大，调制信号对瞬时频率的控制能力就越强。调频电路应保持足够高的中心频率准确度和稳定度，否则调频信号的有效频谱分量就会落到收音机通频带以外，造成信号失真，并干扰邻近电台。SF=d(f)d vv=05.2.2 在正弦振荡器中实现直接调频 一、工作原理及其性能分析 在工作原理上，正弦振荡器的振荡频率是根据振荡环路的相位平衡条件确定的，即T(osc)=2n。如果在振荡环路中，引入相移网络，并使其相移量受调制信号控制，就能达到调频的目的。在LC正弦振荡器中，T()主要取决于LC谐振回路，工程上可以认为它的振荡频率近似等于回路的固有谐振频率。因此，用一可变电抗器件，它的电容量或电感量受调制信号控制，将它接入振荡回路中，就能实现调频。可变电抗器件的种类狠多。例如在便携式调频发射机中，广泛使用驻极体话筒或电容式话筒作为可变电容器件，这种器件可以直接将声波的强弱变化，转换成电容量的变化。因此，将它接入振荡回路中，就可以直接产生瞬时频率按讲话声音强弱而变化的调频信号。在扫频图示测量仪中，广泛采用铁氧体磁芯绕制的线圈作为可变电感器件。这种器件中的主线圈作为振荡回路的电感。若改变附加线圈的电流来控制磁场的变化，就能使磁芯的导磁率变化，从而使主线圈的电感量变化。可见，只要附加线圈中的电流受调制信号控制，就能调频。目前应用最广泛的可变电抗器件是利用反偏工作的PN结呈现的势垒电容而构成的变容二极管，它具有工作频率高、固有损耗小和使用方便等优点。1.变容管作为振荡回路总电容的直接调频电路2.振荡器的振荡频率近似等于3.回路的谐振频率，即4.osc 0=5.已知变容管结电容Cj随外6.加电压v变化的变容特性如下：VLCjLCj1Cj(v)=Cj(0)(1-v/VB)n为了保证变容管在调制信号电压变化范围内保持反偏，必须外加反偏工作电压-VQ，因此，加在变容管上的总电压 v=-(VQ+v)，且|v|VQ，所以其中CjQ为变容管在静态工作点上的结电容，x为归一化的调制信号电压，其值恒小于1。代入角频率 osc(x)=0(x)=c(1+x)2,c=1/LCjQ是v=0 时的振荡角频率，也就是调频信号的载波角频率，它的值由VQ控制。Cj=CjQ(1-x)n CjQ=Cj(0)(1-VQ/VB)n，x=vVQ+VBnf/fcx-1.0 0.8-0.6-0.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.02.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20根据前式，可以画出不同n值时，f（=fosc-fc）随x变化的曲线，见下图，称为归一化调频特性曲线。由图可以看出，调频特性曲线，除n=2时为理想直线外，其余都是非线性曲线。因此，在在变容管作为振荡回路总电容的情况下，要实现不失真的线性调频，必须选用的超突变结变容二极管。否则，频率调制器产生的调频波不仅出现非线性失真，还会使其中心频率偏离c值。n=1n=4n=22.变容管部分接入振荡回路的直接调频电路 变容二极管作为振荡回路总电容时，它的最大优点是调制信号对振荡频率的调变能力强，即调频灵敏度高，较小的m值就能产生较大的相对频偏。但同时，因温度等外界因素变化引起VQ变化时，造成载波频率的不稳，也必然相对地增大。而且振荡回路上的高频电压又全部加到变容管上。为了克服这些缺点，在直接调频的LC正弦振荡电路中，一般都采用变容管部分接入振荡回路。且要选择n2的变容管。LCjC1CC2V二、电路组成1.在电路组成上，关键是变容管的控制电路如何接入振荡回路。要求控制电路不影响振荡回路，振荡回路也不影响变容管的控制电路。为此一般都必须采用高频扼流圈和隔直流电容将振荡回路与变容管控制电路隔离。变容管控制电路中包含直流偏置电压和调制信号电压，它们都必须各自与变容管形成通路。2.在变容管直接调制电路中，其性能可以 用归一化的调频特性曲线方程表述。直接调频的性能有如下特点：(1)最大相对频偏受非线性失真和中心频率相对偏离值的限制，其值不能太大。在满足非线性失真和中心频率相对偏离值的条件下，为了增大最大角频偏，可在较高的载波频率c上直接调频。(2)当n=2时，c=0，2m=0，实现不失真调频。(3)变容管由PN结组成，其性能受温度影响较大，为了减少这种影响，可采用变容管部分接入电路。(4)变容管部分接入后，应适当加大变容指数n，使等效变容管的等效变容指数趋近于2，同时还应合理调整C1和C2值，在较大范围内保证直接调频电路的调制线性。