第5章角度调制与解调电路.ppt

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1、第5章角度调制与解调电路 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望基本内容与基本要求：基本内容与基本要求：重点与难点：调角信号特点；变容管直接调频电路的性能重点与难点：调角信号特点；变容管直接调频电路的性能特点；相位鉴频器的性能特点。特点；相位鉴频器的性能特点。基本要求与基本知识点：掌握调角信号特点（时域、频基本要求与基本知识点：掌握调角信号特点（时域、频域）及其联系、区别，变容管直接调频电路的组成原理及性能域）及其联系、区别，变容管直接调频电路的组成原理及

2、性能特点；理解变容管间调频电路的工作原理，相位鉴频器的电路特点；理解变容管间调频电路的工作原理，相位鉴频器的电路组成和工作原理。组成和工作原理。角度调制信号的基本特性角度调制信号的基本特性调频波解调电路调频波解调电路调角信号的表达式调角信号的表达式调角信号的频谱调角信号的频谱调角信号的频谱宽度调角信号的频谱宽度调频电路概述调频电路概述调频电路调频电路在正弦波振荡器中实现直接调频在正弦波振荡器中实现直接调频间接调频电路间接调频电路扩展最大频偏扩展最大频偏的方法的方法限幅鉴频实现方法概述限幅鉴频实现方法概述斜率鉴频电路斜率鉴频电路相位鉴频电路相位鉴频电路概述概述频谱变换频谱变换1频谱搬移：振幅调制

3、、解调、混频频谱搬移：振幅调制、解调、混频2非线性变换：角度调制与解调非线性变换：角度调制与解调频谱变换电路频谱变换电路频谱搬移电路频谱搬移电路频谱非线性变换电路频谱非线性变换电路功功能能用用途途输入信号频谱沿频输入信号频谱沿频率轴搬移率轴搬移输入信号的频谱做特定输入信号的频谱做特定的非线性变换的非线性变换调幅、检波、混频调幅、检波、混频角度调制与解调电路角度调制与解调电路特特点点位位置置两信号仅在频谱线上两信号仅在频谱线上移动，不产生与原频移动，不产生与原频谱无关的频谱分量谱无关的频谱分量频频谱谱变变换换，将将产产生生新新的丰富的频谱分量。的丰富的频谱分量。第第4章章第第5章章5.1角度调制

4、信号的基本特性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信号和调相信号5.1.2调角信号的频谱调角信号的频谱5.1.3调角信号的频谱宽度调角信号的频谱宽度5.1.4小结小结1角度调制角度调制(调角调角)(1)调频调频(FM)：载波信号的载波信号的频率频率按调制信号规律变化按调制信号规律变化(2)调相调相(PM)：载波信号的载波信号的相位相位按调制信号规律变化按调制信号规律变化两种调制方式统称为两种调制方式统称为角度调制角度调制，简称，简称调角调角。调角优点：抗干扰能力强调角优点：抗干扰能力强 缺点：频谱宽度增加缺点：频谱宽度增加5.1.1调频信号和调相信号调频信号和调相信号(1)调

5、调频（频（FM）信号）信号 使高频载波信号使高频载波信号的频率按调制信号的频率按调制信号的规律的规律线性变化，而振幅保持恒定。设：线性变化，而振幅保持恒定。设：载波频率，为调频波的中心频率。载波频率，为调频波的中心频率。由定义，得调频波的角频率：由定义，得调频波的角频率：单位调制信号产生的频（率）偏（移）；单位调制信号产生的频（率）偏（移）；单位为单位为 rad/s V。2两种调制信号的基本特性两种调制信号的基本特性：瞬时频（率）偏（移）：瞬时频（率）偏（移）调频波的相位：调频波的相位：调频信号表达式：调频信号表达式：（2）、调相信号）、调相信号 使高频载波信号使高频载波信号的相位按调制信号的

6、相位按调制信号的规律的规律线性变化，而振幅保持恒定。线性变化，而振幅保持恒定。调相信号相位表达式：调相信号相位表达式：调相信号表达式：调相信号表达式：单位调制信号产生的相（位）偏（移）；单位调制信号产生的相（位）偏（移）；：瞬瞬时时相相（位位）偏偏（移移）调相信号频率：调相信号频率：Vmcos ct+kf+0类型类型物理量物理量Vm(t)(t)v(t)调调幅幅信信号号调调频频信信号号调调相相信信号号Vm0+kav(t)c ct+0Vm0+kav(t)cos(ct+0)恒恒 值值 c+kfv(t)恒恒 值值 ct+kpv(t)+0Vmcos ct+kpv(t)+03三种调制方法的基本特性，调频、

7、调相的比较三种调制方法的基本特性，调频、调相的比较调频信号可以看成为调频信号可以看成为 (t)按调制信号的时间按调制信号的时间积分值规律变化的调相信积分值规律变化的调相信号号调相信号可看成调相信号可看成 (t)按调按调制信号的时间导数值规律变化制信号的时间导数值规律变化的调频信号的调频信号相相同同调调频频信信号号调调相相信信号号(t)和和(t)都同时变化都同时变化随调制信号规律线性变化随调制信号规律线性变化的物理量的物理量 (t)随调制信号规律线性变化的随调制信号规律线性变化的物理量物理量 (t)联联系系区区别别4调频与调相指数调频与调相指数 设单音调制设单音调制:v(t)=V mcos t

8、(1)调频调频(t)=c+kfV mcos t =c+mcos t式式中中：m=2fm=kfV m，最最大大角角频频偏偏，与与调调制制信信号号振振幅幅V m成正比；成正比；(t)=ct+sin t+0=ct+Mfsin t+0Mf=kfV m/=，调频指数，调频指数，与调频波的最与调频波的最大相移大相移 m m成正比，与成正比，与 成反比，其值可大于成反比，其值可大于1。v(t)=Vmcos ct+Mfsin t+0按调制信号对时间的按调制信号对时间的积分值变化的调相信号积分值变化的调相信号(2)调相调相(t)=ct+kpV mcos t+0 =ct+Mpcos t+0式中，式中，Mp =kp

9、V m：调相指数调相指数，与与V m成正比成正比；(t)=c-Mp sin t =c-msin t最大角频偏最大角频偏 m =Mp =kpV m ，与与V m 成正比。成正比。v(t)=Vmcos(ct+Mpcos t+0)按调制信号对时间的导数值变化的调频信号。按调制信号对时间的导数值变化的调频信号。单单音音调调制制时时，两两种种已已调调信信号号的的 (t)和和 (t)均均为为简简谐波，且谐波，且 m随随V m和和 的变化规律不同。的变化规律不同。当当V m一定，一定，由小增大时：由小增大时：FM中中的的 m(=kf V m)不不变变，而而Mf(=kfV m/)随随 成反比地减小。成反比地减

10、小。PM中中的的Mp(=kpV m)不不变变，而而 m(=Mp)呈呈正正比比地增加。地增加。两种已调波均有含义截然不同的两种已调波均有含义截然不同的三个频率参数：三个频率参数：载波角频率载波角频率 c：瞬时角频率变化的平均值。：瞬时角频率变化的平均值。调制角频率调制角频率 ：瞬时角频率变化的快慢程度。：瞬时角频率变化的快慢程度。最大角频率最大角频率 m：瞬时角频率偏离：瞬时角频率偏离 c 的最大值。的最大值。5.1.2调角信号的频谱调角信号的频谱1单音调频信号的频谱单音调频信号的频谱将将单单音音调调制制调调频频信信号号v(t)=Vmcos(ct+Mfsin t)用用指数函数表示：指数函数表示：

11、v(t)=Vmcos(ct+Mfsin t)是是 的周期性函数，它的傅里叶级数展开式为的周期性函数，它的傅里叶级数展开式为式中式中是宗数为是宗数为Mf的的n 阶第一类贝塞尔函数阶第一类贝塞尔函数，它满足等式，它满足等式Jn(Mf)=因而，调频波的傅里叶级数展开式为因而，调频波的傅里叶级数展开式为v(t)=VmRe(Mf)ej(ct+n t)t=Vmcos(c+n)tv(t)=Vmcos(c+n)t=VmJ0(Mf)cos ct 载频载频+VmJ1(Mf)cos(c+)t-cos(c-)t第一对边频第一对边频+VmJ2(Mf)cos(c+2)t+cos(c-2)t第第二二对对边边频频+VmJ3(

12、Mf)cos(c+3)t-cos(c-3)t第第三三对对边边频频+单音调频信号的频谱由单音调频信号的频谱由载波载波分量分量和无数对和无数对边频边频分量分量组成组成:n 为为奇奇数数的的上上、下下边边带带分分量量的的振振幅幅相相等等，极极性性相相反反；而而n 为偶数的上、下边频分量的振幅相等，极性相同。为偶数的上、下边频分量的振幅相等，极性相同。载载波波和和各各边边频频分分量量振振幅随幅随Mf变化情况。变化情况。当当Mf=0.5，1，5时调频信号频谱：时调频信号频谱：频频谱谱不不再再是是调调制制信信号号频频谱谱的的简简单单搬搬移移，而而是是由由载载波波分分量量和和无无数数对对边边频频分分量量所所

13、组组成成，每每一边频之间相隔一边频之间相隔。n 为为奇奇数数的的上上、下下边边频频分分量量振振幅幅相相等等，极极性性相相反反；而而n 为偶数的上、下边频分量振幅相等，极性相同。为偶数的上、下边频分量振幅相等，极性相同。n 次次边边频频分分量量的的振振幅幅与与贝贝塞塞尔尔函数值函数值Jn(Mf)成比例。成比例。载载波波与与各各边边频频分分量量的的振振幅幅均均与与调调频频指指数数Mf有有关关。Mf越越大大，有有效效边边频分量越多。频分量越多。对对于于某某些些Mf值值，载载波波或或某某边边频频振幅振幅为为零。零。1调调频（频（FM）信号）信号载波频率，为调频波的中心频率。载波频率，为调频波的中心频率

14、。调频波的角频率：调频波的角频率：单位调制信号产生的频（率）偏（移）；单位调制信号产生的频（率）偏（移）；单位为单位为 rad/s V一一调角信号的基本特性调角信号的基本特性单音调制的调频波单音调制的调频波 (t)=c+kfV mcos t =c+mcos t m=2fm=kfV m，最大角频偏，最大角频偏(t)=ct+sin t+0=ct+Mfsin t+0Mf=kfV m/=，调频指数。调频指数。v(t)=Vmcos ct+Mfsin t+02 调调相相（PM）信号信号调相信号相位：调相信号相位：单位调制信号产生的相（位）偏（移）；单位调制信号产生的相（位）偏（移）；按调制信号对时间的积分

15、值变化的调相信号。按调制信号对时间的积分值变化的调相信号。单音调制的调相波单音调制的调相波(t)=ct+kpV mcos t+0 =ct+Mpcos t+0(t)=c-Mp sin t =c-msin t最大角频偏最大角频偏 m =Mp =kpV m ，与与V m 成正比。成正比。v(t)=Vmcos(ct+Mpcos t+0)按调制信号对时间的导数值变化的调频信号。按调制信号对时间的导数值变化的调频信号。Mp =kpV m：调相指数，与调相指数，与V m成正比；成正比；2调频信号的平均功率调频信号的平均功率根根据据帕帕塞塞瓦瓦尔尔定定理理，调调频频信信号号的的平平均均功功率率等等于于各各频频

16、谱谱分分量平均功率之和，在单位电阻上，其值为量平均功率之和，在单位电阻上，其值为由由第一类贝塞尔函数第一类贝塞尔函数的特性：的特性：即即当当Vm一一定定时时，调调频频波波的的平平均均功功率率等等于于未未调制时的载波功率，其值与调制时的载波功率，其值与Mf无关。无关。1调角信号的频宽调角信号的频宽 忽忽略略振振幅幅小小于于 Vm(为为某某一一小小值值)的的边边频频分分量量，则则调调角角信号实际占据的有效频谱宽度为信号实际占据的有效频谱宽度为:L：有效边频对分量的数目，：有效边频对分量的数目，F：调制频率。：调制频率。在在高高质质量量通通信信系系统统中中，取取 =0.01，相相应应的的BW 用用B

17、W0.01表示；表示；在在中中等等质质量量通通信信系系统统中中，取取 =0.1，相相应应的的BW 用用BW0.1表示。表示。5.1.3调角信号的频谱宽度调角信号的频谱宽度BW=2LF图图5-1-5L随随M的变化特性的变化特性2卡森公式卡森公式 若若L 不不是是正正整整数数，则则应应该该用用大大于于并并最最靠靠近该值的正整数取代。近该值的正整数取代。当当n M+1时时，Jn(M)恒恒小小于于0.1。工工程程上上，为为了了方方便便起起见，调角信号的有效频谱宽度可用见，调角信号的有效频谱宽度可用卡森公式卡森公式进行估算进行估算BWCR=2(M+1)F 当当M 1时：有时：有 BWCR 2MF=2 f

18、m(M=)称为称为宽带调角信号宽带调角信号。讨论：讨论：作作为为调调频频信信号号时时，由由于于 fm与与V m成成正正比比，因因而而，当当V m即即 fm一定时，一定时，BWCR也就一定，与也就一定，与F 无关。无关。作作为为调调相相波波时时，由由于于 fm=MPF ，其其中中MP与与V m成成正正比比(MP=kpV m)，因因而而当当V m 一一定定时时，BWCR与与F 成成正正比比的增加。的增加。3复杂调制信号谱宽复杂调制信号谱宽复复杂杂信信号号调调制制时时，调调频频信信号号占占有有的的频频谱谱宽宽度度仍仍可可用用单单音音调调制制时时的的公公式式表表示示，仅仅需需将将其其中中的的F 用用调

19、调制制信信号号中中最最高高调制频率调制频率Fmax取代，取代，fm用最大频偏取代。用最大频偏取代。例例1：在在调调频频广广播播系系统统中中，按按国国家家标标准准规规定定(fm)max=75kHz，Fmax=15kHz，通过计算求得，通过计算求得BW0.01=2LFmax=2 8 15kHz=240kHz因因此此，实实际际选选取取的的频频谱谱宽宽度度为为200kHz，即即二二值值的的折折中中值。值。例例2：利用近似公式计算以下情况的调频波的频带宽度。：利用近似公式计算以下情况的调频波的频带宽度。(1)fm=75kHz，Fmax=0.1kHz，(2)fm=75kHz，Fmax=1kHz，(3)fm

20、=75kHz，Fmax=10kHz。解：解：BWCR=2(M+1)F=2(fm+F)(1)BWCR=2(75+0.1)kHz 150kHz(2)BWCR=2(75+1)kHz=152kHz(3)BWCR=2(75+10)kHz=170kHz尽管调制频率变化了尽管调制频率变化了100倍，但频带宽度变化很小。倍，但频带宽度变化很小。5.1.4小结小结 调调频频和和调调相相是是两两种种幅幅度度Vm恒恒定定的的已已调调信信号号，它它们们的平均功率的平均功率Pav仅取决于仅取决于Vm，而与，而与Mf(或或Mp)无关。无关。调调频频和和调调相相均均是是由由无无限限频频谱谱分分量量组组成成的的已已调调信信号

21、号，它它没没有有确确定定的的频频谱谱宽宽度度，工工程程上上根根据据一一个个准准则则来来确确定定有有效效的的频谱宽度，且其值与频谱宽度，且其值与M 的大小密切相关。的大小密切相关。实实现现方方法法：工工程程上上，调调制制与与解解调调电电路路，在在做做某某些些近近似似后后，相相乘乘器器仍仍可可作作为为构构成成电电路路的的主主要要器器件件(例例：矢矢量量合合成成法调相电路、乘积型鉴相电路法调相电路、乘积型鉴相电路)。例例1 1、一调角波受单频正弦信号、一调角波受单频正弦信号调制，其瞬时调制，其瞬时频率为频率为，已知此调角波的幅度为，已知此调角波的幅度为10V10V1 1）、此调角波是调频波还是调相波？写出数学表达式。）、此调角波是调频波还是调相波？写出数学表达式。2 2）、求）、求2 2）、若为调相波，求）、若为调相波，求BWBW、，若要求，若要求例例2 2、已知音频信号的最低频率、已知音频信号的最低频率最高频率最高频率1 1）、求调频指数）、求调频指数、带宽、带宽BWBW，画出，画出的频谱图；的频谱图；