第6章信号变换二：角度调制与解调.ppt

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1、6.1 角度调制原理角度调制原理6.2 调频电路调频电路6.3 角度调制的解调角度调制的解调6.4 自动频率控制自动频率控制6.5 实训一：实训一：49.67MHz窄带调频窄带调频 发射器的制作发射器的制作 6.6 实训二：实训二：49.67MHz窄带调频窄带调频 接收器的制作接收器的制作第第6章章 信号变换二：角度调制与解调信号变换二：角度调制与解调6.1 角度调制原理角度调制原理6.1.1调频信号数学表达式设载波信号电压为uc(t)Ucmcos(ct+0)式中，ct+0为载波的瞬时相位；c为载波信号的角频率；0为载波初相角（一般地，可以令0=0）。设调制信号电压（单音频信号）为(t)=c+

2、(t)=c+kfu(t)(61)式中，kf为与调频电路有关的比例常数，单位为rad/(sV)；(t)=kfu(t)，称为角频率偏移，简称角频移。(t)的最大值叫角频偏，m=kf|u(t)|max，它表示瞬时角频率偏离中心频率c的最大值。对式(61)积分可得调频波的瞬时相位f(t)(62)表示调频波的相移，它反映调频信号的瞬时相位按调制信号的时间积分的规律变化。调频信号的数学表达式(63)将单音频信号u(t)Umcost分别代入式(61)、(62)、(63)，得(64)(65)(66)图6.1给出了调频波的u(t)、f、(t)和u(t)的波形。图6.1调频波的波形图6.1.2调相信号数学表达式根

3、据调相的定义，载波信号的瞬时相位p(t)随调制信号u(t)线性变化，即(67)对式(67)求导，可得调相波的瞬时角频率(t)为(68)调相信号的数学表达式为(69)将单音频信号u(t)Umcost分别代入式(67)、(68)、(69)，得(610)(611)(612)图6.2调相波的波形图6.1.3调角信号的频谱和频谱宽度1.调角信号的频谱用式(66)来说明调角波的频谱结构特点。利用三角函数变换式cos(A+B)=cosAcosB-sinAsinB,将式(6-6)变换成图6.3第一贝塞尔函数曲线在贝塞尔函数理论中，可得下述关系：将式(614)和式(615)代入式(613)，得图6.4不同mf的

4、调频信号频谱图2.频谱宽度(617)下面写出调频波和调相波的频带宽度调频：调相：(618)(619)图6.5Um不变时调频波频谱图图6.6Um不变时调相波频谱图根据调制后载波瞬时相位偏移大小，可以将角度调制分为窄带和宽带两种。从卡森公式可得：当m1时(621)3.调频波的平均功率根据帕塞瓦尔定理，调频波的平均功率等于各个频率分量平均功率之和。因此，单位电阻上的平均功率为根据第一类贝塞尔函数特性得调频波的平均功率(622)(623)6.2 调频电路调频电路 调频电路的主要要求如下：1)调制特性为线性2)调制灵敏度要高3)中心频率的稳定度要高4)最大频偏6.2.1直接调频电路1.变容二极管直接调频

5、电路(624)变容二极管的反向电压随调制信号变化，即(625)图6.7变容二极管接入振荡回路振荡频率可由回路电感L和变容二极管结电容Cj所决定，即(626)变容二极管结电容随调制信号电压变化规律，即式中，mc为变容管电容调制度；CjQ为UQ处电容。将式(627)代入式(626)，则得(628)下面分析0时的工作情况，令x=mccost，可将式(628)改写成(629)设x足够小，将式(629)展开成傅里叶级数，并忽略式中的三次方及其以上各次方项，则(630)由上式求得调频波的最大角频偏为二次谐波失真分量的最大角频偏为(631)中心角频率偏离c的数值为相应地，调频波的二次谐波失真系数为(632)

6、(633)(634)中心角频率的相对偏离值为(635)图6.8变容二极管对接方式图6.9变容二极管的部分接入2.直接调频实际电路图6.1090MHz直接调频电路及其高频通路图6.1170MHz变容管直接调频电路图6.12100MHz晶体振荡器的变容管直接调频电路图6.13间接调频电路框图6.2.2间接调频电路间接调频的方法是：先将调制信号u积分，再加到调相器对载波信号调相，从而完成调频。间接调频电路方框图如图6.13所示。设调制信号u=Umcost经积分后得设调制信号u=Umcost经积分后得(636)式中，k为积分增益。用积分后的调制信号对载波uc(t)=Ucmcosct进行调相，则得式中(

7、637)图6.14变容二极管调相电路设输入载波电流为则回路的输出电压为(638)由于并联谐振回路谐振频率0是随调制信号而变化的，因而相移(c)也是随调制信号而变化的。根据并联谐振回路的特性，可得式 中，Q为 并 联 回 路 的 有 载 品 质 因 数。当|(c)|30，失谐量不大时(式中分母0c)，上式简化为积分后的调制信号为根据式(627)可得式中，变容管电容调制度为(639)当=2或mc较小，略去二次方以上各项，则可得将式(640)代入式(639)，可得将式(641)代入式(638)，可得(640)(641)(642)图6.15三级单回路变容管调相电路6.2.3扩展最大频偏的方法例1一调频

8、设备，采用间接调频电路。已知间接调频电路输出载波频率100Hz，最大频偏为24.41Hz。要求产生载波频率为100MHz，最大频偏为75kHz。扩展最大频偏方法见图6.16。图6.16扩展最大频偏的方法6.3 角度调制的解调角度调制的解调6.3.1相位检波电路鉴相电路的功能是从输入调相波中检出反映在相位变化上的调制信号，即完成相位-电压的变换作用。鉴相器有多种电路，一般可分为双平衡鉴相器、模拟乘积型鉴相器和数字逻辑电路鉴相器。下面重点讨论乘积型鉴相电路。1.乘积型鉴相器乘积型鉴相器组成方框图如图6.17所示。图中，两个输入信号分别为调相波u1=U1msin(ct+)本地参考信号u2=U2mco

9、sct(643)图6.17乘积型鉴相器组成方框图1)u1和u2均为小信号当|U1m|26mV、|U2m|26mV时，由式(643)可得输出电流为式中，K=Io/(4U2T)，为乘法器的相乘增益因子。通过低通滤波器后，上式中第二项被滤除，于是可得输出电压为(644)图6.18乘积型鉴相器的鉴相特性曲线鉴相器灵敏度为(645)2)u1为小信号，u2为大信号当|U1m|26mV、|U2m|100mV时，由式(6-43)可得输出电流为3)u1和u2均为大信号当|U1m|100mV,|U2m|100mV时，由式(643)可得输出电流为鉴相器灵敏度为图6.19两个开关函数相乘后的电流波形在/23/2内，通

10、过低通滤波器后，可求得输出电压为(649)鉴相器灵敏度为图6.20三角形鉴相特性曲线图6.21不同的起始固定相移的鉴相特性(a)起始固定相移等于90；(b)起始固定相移等于0；(c)起始固定相移等于-90；(d)起始固定相移等于180图6.22由MC1596组成的鉴相电路(a)电路；(b)大信号输入和输出方波；(c)线性鉴相特性u1和u2为同频率、相位差为的信号。当相位差在0时，、及uom的波形如图6.22(b)所示。在/2时，方波uom的阴影面积A1A2，经低通滤波器输出直流电压Uo为=/2时，Uo=0；=0时，Uo=-IEERe；在0内，Uo与之间有良好的线性特性。同样，在2范围内，亦具有

11、线性相位特性:6.3.2频率检波电路鉴频的方法很多，根据波形变换的不同特点可以分为四种：斜率鉴频器;相位鉴频器;脉冲计数鉴频器;锁相鉴频器。下面重点讨论斜率鉴频器，相位鉴频器。1.斜率鉴频器图6.23斜率鉴频器实现模型1)单失谐回路斜率鉴频器图6.24单失谐回路鉴频原理电路当输入调频信号为us1=Us1mcos(ct+mfsint)时，通过起着频幅变换作用的时域微分器(并联失谐回路)后，其输出为图6.25单失谐回路斜率鉴频器2)双失谐回路斜率鉴频器回路对调频波中心频率fc的失谐量为f，并且有f=f01-fc=fc-f02，如图6.27(a)所示。显然有(650)图6.26双失谐回路斜率鉴频器图

12、6.27双失谐回路斜率鉴频器鉴频特性曲线2.相位鉴频器图6.28相位鉴频器实现模型1)频率相位变换网络由图可写出输出电压表达式整理上式，并令(651)由上式可画出网络的幅频特性曲线和相频特性曲线，如图6.29(b)所示。只有在arctan/2时，A()可近似为直线，此时有假定输入调频波的中心频率c=0，将输入调频波的瞬时角频率=c-mcost=c+代入上式，得(652)图6.29频率一相位变换网络(653)2)乘积型相位鉴频器3)实际应用电路图6.30乘积型相位鉴频器实现模型图6.31用MC1596构成乘积型相位鉴频器6.4 自动频率控制自动频率控制6.4.1AFC的原理图6.32所示为AFC

13、的原理框图。其中，标准频率源的振荡频率为fi，压控振荡器VCO的振荡频率为fs。图6.32AFC的原理框图6.4.2AFC的应用1.采用AFC的调频器图6.33为采用AFC的调频器组成框图。图6.33采用AFC电路的调频器组成框图图6.34采用AFC电路的调幅接收机组成框图6.5实训一：实训一：49.67MHz窄带调频窄带调频发射器的制作发射器的制作1.制作内容及要求(1)用集成电路MC2833制作窄带调频器。(2)设计印刷板电路（利用Protel绘制电路板软件）。(3)调整机电路时，要确定最佳调制工作点。2.制作原理(1)49.67MHz窄带调频发射器是以Motorola公司推出的窄带调频发

14、射集成电路MC2833为核心。该集成电路具有以下特点：工作电压范围宽为2.89.0。低功耗，当UCC=4.0V时，无信号调制时消耗的电流典型值为2.9mA。外围元器件很少。具有60MHz的射频输出，典型运用频率49MHz左右。(2)MC2833的引脚和内部功能框图见图6.35所示。MC2833的内部功能主要包括可压控的射频振荡器、音频电压放大器和辅助晶体管放大器等。(3)输入信号（语音信号）从引脚5输入，经过高增益运算放大电路后从引脚4输出，再加到引脚3，通过可变电抗控制振荡频率变化，在晶体直接调频工作方式下，产生2.5kHz左右频偏。图6.35MC2833的引脚和内部功能框图3.制作电路说明

15、(1)49.67MHz窄带调频发射器的典型电路见图6.36。(2)引脚9处接输出负载回路，49.67MHz窄带调频信号通过拉杆天线辐射。(3)若要制作窄带调频接收，可采用MC3363类集成电路。参看本章实训二。图6.3649.67MHz窄带调频发射器6.6实训二：实训二：49.67MHz窄带调频窄带调频接收器的制作接收器的制作1.制作内容及要求(1)用集成电路MC3363制作窄带调频接收器。(2)设计印刷板电路（利用Protel绘制电路板软件），印刷板上的元器件要合理安排，注意地线宽度，信号的走线要避免过长。2.制作原理(1)49.67MHz窄带调频接收器是以Motorola公司推出的窄带调频

16、接收集成电路MC3363为核心。该集成电路特点可查阅Motorola公司通信器件手册。(2)MC3363的引脚和内部功能框图见图6.37所示。MC3363的内部功能主要包括第一混频、第二混频、第一本振、第二本振、限幅中放、正交检波电路等。(3)引脚说明：图6.37MC3363的引脚和内部功能框图引脚11stMixerInput1st混频信号的输入引脚2Base基极（基带信号输入）引脚3Emitter发射极引脚4Collector集电极引脚52ndLOEmitter2ndLO发射极引脚62ndLOBase2ndLO基极（基带信号输入）引脚72ndMixerOutput混频信号的输出引脚8VCC电

17、源电压，也用UCC表示引脚9LimiterInput限制输入（限幅输入端）引脚10LimiterDecoupling限制减弱引脚11LimiterDecoupling限制减弱引脚12MeterDrive(RSSI)（米、公尺、计、表）驱动引脚13CarrierDetect载波检测引脚14QuadratureCoil积分环引脚15MuteInput弱音输入引脚16RecoveredAudio音量调整引脚17ComparatorInput比较输入引脚18ComparatorOutput比较输出引脚19Mute-Ouput弱音输出引脚20VEE电源电压，也用UEE表示引脚212ndMixerInpu

18、t2nd混频信号的输入引脚222ndMixerInput2nd混频信号的输入引脚231stMixeroutput1st混频信号的输出引脚241stLOOutput1stLO（本振）输出引脚251stLOTank1stLO接外部信号引脚261stLOTank1stLO接外部信号引脚27VaricapControlVaricap控制引脚281stMixerInput1st混频信号的输入(4)49.67MHz窄带调频接收器的典型电路见图6.38。3.制作电路说明对 于 MC3363集 成 电 路 来 说，在 信 噪 失 真 比（SINAD）为12dB时，具有优于0.3V的灵敏度。信噪失真比的意义(简称信纳比)为图6.3849.67MHz窄带调频接受机