工学高频电子电路课件.ppt

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1、第第第第 2 2 章章章章 高频小信号放大器高频小信号放大器高频小信号放大器高频小信号放大器7.17.1概述概述概述概述7.27.2角度调制与解调原理角度调制与解调原理角度调制与解调原理角度调制与解调原理 7.37.3调频电路调频电路调频电路调频电路 7.47.4鉴频电路鉴频电路鉴频电路鉴频电路 第第第第 4 4 章章章章 正弦波振荡器正弦波振荡器正弦波振荡器正弦波振荡器第第第第 7 7 章章章章 角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调角度调制与解调第第第第 8 8 章章章章 反馈控制电路反馈控制电路反馈控制电路反馈控制电路第第第第 3 3 章章章章 高频功率放大器高频功率放大器高频功率放

2、大器高频功率放大器第第第第 6 6 章章章章 调幅、检波、混频调幅、检波、混频调幅、检波、混频调幅、检波、混频第第第第 1 1 章章章章 基础知识基础知识基础知识基础知识第第第第 5 5 章章章章 频率变换电路基础频率变换电路基础频率变换电路基础频率变换电路基础第 7 章 角度调制与解调第第第第 0 0 章章章章 绪论绪论绪论绪论任意正弦波信号：任意正弦波信号：其中：其中：为总相角，为总相角，Uom振幅，振幅，角频率，角频率，为初相角为初相角 如果利用调制信号如果利用调制信号 去控制三个参量中的某个，去控制三个参量中的某个，可产生调制的作用可产生调制的作用:Amphitude Modulati

3、on AM:Frequency Modulation FM:Phase Modulation PM:角度角度调制调制 AM调制方式中调制方式中 AM DSB 属属于于频频谱谱线线性性搬搬移移电电路路,调调制制信信号号寄寄生生于于已已调调信号的振幅变化中信号的振幅变化中FMPM 调调制制方方式式中中：属属于于频频谱谱的的非非线线性性搬搬移移电电路路,已已调调波波为为等等幅幅波波,调调制信息寄生于已调波的频率和相位变化中制信息寄生于已调波的频率和相位变化中 SSB 7.1 概述概述FM，PM从已调波中检取出原调制信号的过程称为解调从已调波中检取出原调制信号的过程称为解调(AM)振幅解调振幅解调检波

4、检波(FM)频率解调频率解调鉴频鉴频 detection(frequency discrimination)(PM)相位解调相位解调鉴相鉴相(phase detection)AM 1.抗干扰能力强调幅信号的边频功率最大只能等于载波功率的一半(当调幅系数Ma=1时)，而调角信号的边频功率远较调幅信号强。边频功率是运载有用信号的，因此调角制具有更强的抗干扰能力。另外，对于信号传输过程中常见的寄生调幅，调角制可以通过限幅的方法加以克服，而调幅制则不行。和调幅制相比，调角制具有以下优点和调幅制相比，调角制具有以下优点2.设备的功率利用率高因为调角信号为等幅信号，最大功率等于平均功率，所以不论调制度为多

5、少，发射机末级功放管均可工作在最大功率效率状态，功率管得到了充分利用。而调幅制则不然，调幅制的平均功率远低于最大功率，因而功率管的利用率不高。3.调角信号传输的保真度高因为调角信号的频带宽且抗干扰能力强，因而具有较高的保真度。主要要求：掌握瞬时角频率与瞬时相位的关系掌握调频和调相信号的概念、异同和关系掌握调频和调相信号的典型表达式、主要参数和波形特点。7.2 角度调制与解调原理 了解调角信号的频谱，理解其带宽。当进行角度调制当进行角度调制（FM或或PM）后）后,其已调波的角频率将是其已调波的角频率将是时间的函数时间的函数(t)7.2角度调制与解调原理角度调制与解调原理 7.2.1 调角信号的时

6、域特性调角信号的时域特性1.瞬时频率和瞬时相位（瞬时频率和瞬时相位（instantaneous frequency and phase）如果设高频载波信号为如果设高频载波信号为：调制信号：调制信号：（1）调频）调频FM：由于：由于已调波频率随调制信号线性变化已调波频率随调制信号线性变化，则有：，则有：其中：其中：:载波角频率，载波角频率，FM波的中心频率波的中心频率.：调频灵敏度，调频灵敏度，单位调制信号振幅引起的频率偏移单位调制信号振幅引起的频率偏移.,瞬时频率偏移瞬时频率偏移（简称（简称频偏频偏）,寄载了调制信息，表示瞬时频率相对于载波频率的偏移寄载了调制信息，表示瞬时频率相对于载波频率的

7、偏移.最大频偏最大频偏 另外，由瞬时频率与所对应的瞬时相位的关系，若设另外，由瞬时频率与所对应的瞬时相位的关系，若设 则有：则有：其中：其中：瞬时相位偏移，瞬时相位偏移，2.调频信号与调相信号的数学表示：调频信号与调相信号的数学表示：设：载波：设：载波：最大相位偏移：最大相位偏移：一般令一般令，称为，称为FM波的调频指数，于是一般调频信号的波的调频指数，于是一般调频信号的 数学表达式：数学表达式：所以有：所以有：注意：与注意：与AM波不同，波不同，m f 一般可大于一般可大于1，且且m f 越大，抗干扰性能越大，抗干扰性能 越好，但频带越宽。越好，但频带越宽。对于单一频率调制的对于单一频率调制

8、的FM波，由于波，由于 由于由于已调波的相位随调制信号线形变化已调波的相位随调制信号线形变化，则有：，则有：其中：其中：为：为载波的相位角载波的相位角。：调相灵敏度调相灵敏度，单位调制信号振幅引起的相位偏移单位调制信号振幅引起的相位偏移.：瞬时相位偏移瞬时相位偏移，即，即 相对于相对于 的偏移量。的偏移量。(2)相位调制：相位调制：最大相位移：最大相位移：（调相指数调相指数）另外，由瞬时相位与所对应的瞬时频率之间的关系，可得：另外，由瞬时相位与所对应的瞬时频率之间的关系，可得：式中：式中：；PM波波瞬时频偏瞬时频偏最大频偏最大频偏:PM波的表达式为：波的表达式为：对于单一频率调制信号对于单一频

9、率调制信号 的的PM波：波：如果设载波：如果设载波：，调制信号：调制信号：FM波波 PM波波(1)瞬时频率：瞬时频率：3.调频信号与调相信号的比较调频信号与调相信号的比较(2)瞬时相位：瞬时相位：(3)最大频偏最大频偏(4)最大相位：最大相位：(5)表达式表达式:讨论：（讨论：（1）一般调角信号的表达式：）一般调角信号的表达式：mp mmmf（2）FM波：波：（3）PM波：波：可以看出调相制的可以看出调相制的最大频偏最大频偏随调制信号频率的升高而增加，而调随调制信号频率的升高而增加，而调 频波则不变，有时把调频制叫做恒定带宽调制。频波则不变，有时把调频制叫做恒定带宽调制。（3）调频波的波形）调

10、频波的波形7.2.2 调角信号的频谱与带宽一、调角信号的频谱 FM信号和PM信号的数学表达式的差别仅仅在于附加相位的不同，前者的附加相位按正弦规律变化，而后者的按余弦规律变化。按正弦变化还是余弦变化只是在相位上相差/2 而已，所以这两种信号的频谱结构是类似的。分析时可将调制指数mf 或mp用m代替，从而把它们写成统一的调角信号表示式 7.2.2 调角信号的频谱与带宽一、调角信号的频谱根据贝塞尔函数理论有：Jn(m)称为以m为宗数的n阶第一类贝塞尔函数上边频下边频可得7.2.2 调角信号的频谱与带宽一、调角信号的频谱 可见：调角信号频谱不是调制信号频谱的线性搬移。而是由载频分量和角频率为（cn）

11、的无限对上、下边频分量构成。这些边频分量和载频分量的角频率相差n。当n为奇数时，上、下边频分量的振幅相同但极性相反；当n为偶数时，上、下两边频分量的振幅和极性都相同。而且载频分量和各边频分量的振幅均随Jn(m)而变化。7.2.2 调角信号的频谱与带宽一、调角信号的频谱o-FM/PM的频谱的频谱o+oo+2o+3o+4o-2o-3o-41 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13mJn(m)Jn(m)随m、n 变化的规律 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 00.2 0.4n=0n=1n=2n=3 n增大时，总趋势使边频分量振幅减小。m越大，具有较大振幅的边频分量就越多；且有些

12、边频分量振幅超过载频分量振幅。当m为某些值时，载频分量可能为零，m为其它某些值时，某些边频分量振幅可能为零。表7.2.2 贝塞尔函数表 从理论上说，调频波的边频分量有无数多个，其频带宽度应为无穷从理论上说，调频波的边频分量有无数多个，其频带宽度应为无穷大，但是对于任一给定的大，但是对于任一给定的mf值，高到一定次数的边频分量的振幅已值，高到一定次数的边频分量的振幅已经小到可以忽略，以至忽略这些边频分量对调频波形不会产生显著经小到可以忽略，以至忽略这些边频分量对调频波形不会产生显著影响。因此，调频信号的频谱宽度实际上可以认为是有限的。影响。因此，调频信号的频谱宽度实际上可以认为是有限的。如果将小

13、于载波振幅如果将小于载波振幅10%的边频分量略去不计，则频谱的有效的边频分量略去不计，则频谱的有效带宽带宽BWFM可由下列近似公式求出可由下列近似公式求出 BWFM=2(mf+1)F在实际应用中也常区分为：在实际应用中也常区分为：7.2.3 3 调频信号的带宽调频信号的带宽 对有限频带的调制信号，即对有限频带的调制信号，即F=F minF max，调角信号的频带为：调角信号的频带为：例已知u(t)=5 cos(2 103 t)V，调角信号表达式为uo(t)=10 cos (2 106 t)+10cos(2 103 t)V试判断该调角信号是调频信号还是调相信号，并求调制指数、最大频偏、载波频率和

14、载波振幅。解=2 106 t+10cos(2 103 t)附加相位正比于调制信号，故为调相信号。调相指数 mp=10 rad载波频率 fc=106(Hz)fm=mpF最大频偏振幅 Um=10V=10 103=10 kHz【例例7.1】已已知知音音频频调调制制信信号号的的最最低低频频率率Fmin=20 Hz,最最高高频频率率Fmax=15 kHz,若若要要求求最最大大频频偏偏fm=45 kHz,求求出出相相应应调调频频信信号号的的调调频频指指数数Mf、带带宽宽BW和和带带宽宽内内各各频频率率分分量量的的功功率率之之和和(假假定定调调频频信信号号总总功功率率为为1 W),画画出出F=15 kHz时

15、时对对应应的的频频谱谱图图,并并求求出出相相应应调调相信号的调相指数相信号的调相指数Mp、带宽和最大频偏。带宽和最大频偏。解解：调调频频信信号号的的调调频频指指数数Mf与与调调制制频频率率成成反反比比,即即Mf=m/=fm/F,所以所以BW=2(3+1)15103=120 kHz 因为因为F=15 kHz对应的对应的Mf=3,从表从表7.2.2可查出可查出J0(3)=-0.261,J1(3)=0.339,J2(3)=0.486,J3(3)=0.309,J4(3)=0.132,由此由此可画出对应调频信号带宽内的频谱图可画出对应调频信号带宽内的频谱图,共共9条谱线条谱线,如图如图所示。所示。调调频

16、频信信号号是是等等幅幅波波，故故单单位位负负载载情情况况下下功功率率Po与与振振幅幅Ucm的的关关系系式式为为Po=U2cm/2。由由于于调调频频信信号总功率为号总功率为1 W,故故 ,所以所以 带宽内功率之和带宽内功率之和=调调相相信信号号的的最最大大频频偏偏是是与与调调制制信信号号频频率率成成正正比比的的,为为了了保保证证所所有有调调制制频频率率对对应应的的最最大大频频偏偏不不超超过过45 kHz,故故除除了了最最高高调调制制频频率率外外,其其余余调调制制频频率率对对应应的的最最大大频频偏偏必必然然小小于于45 kHz。另另外外,调相信号的调相指数调相信号的调相指数Mp与调制频率无关。与调

17、制频率无关。所以所以 fmmin=M pFmin=320=60 Hz BW=2(3+1)15103=120 kHz例 一组频率为300 3000Hz的余弦调制信号，振幅相同，调频时最大频偏为 75 kHz，调相时最大相移为 2 rad，试求调制信号频率范围内：(1)调频时mf 的变化范围;(2)调相时 fm的范围;解(1)调频时，fm与调制频率无关，恒为75 kHz。故(2)调相时，mP 与调制频率无关，恒为2 rad。故由相位与频率之间的关系：由相位与频率之间的关系：在同一调制信号在同一调制信号 的控制下，形成的的控制下，形成的FM波和波和PM波的表达式为：波的表达式为：以上的过程为以上的过

18、程为直接调频或直接调相直接调频或直接调相 仿真仿真7.2.4调角信号的调制原理调角信号的调制原理(2)把把 先微分后再调频，可以得先微分后再调频，可以得间接调相间接调相（indirect PM）(1)如果把如果把 先积分后，再经过调相器，也可得到对先积分后，再经过调相器，也可得到对 而而 言言 的的 调调 频频 波波，也也 称称 为为 间间 接接 调调 频频。（indirect frequency modulation）仿真仿真uPM=Ucmcosct+(t)令令(t)=kpu(t)7.2.5 调角信号的解调原理调角信号的解调原理 1.正交乘积鉴相原理正交乘积鉴相原理 调频信号的解调是从调频波

19、调频信号的解调是从调频波 中中恢恢复复出出原原调制信号调制信号 过程，完成调频波解调过程的电路称为频率检波器过程，完成调频波解调过程的电路称为频率检波器第第一一种种方方法法，将将调调频频波波通通过过频频率率幅幅度度线线性性变变换换网网络络，将将调调频频波波变变换换成成调调频频调调幅幅波波，再再通通过过包包络络检检波波器器检检测测出出反反映映幅幅度度变变化化的的解解调调电电压压。把这种鉴频器称为把这种鉴频器称为斜率鉴频器，或称振幅鉴频器斜率鉴频器，或称振幅鉴频器。将将调调频频波波进进行行特特定定的的波波形形变变换换，根根据据波波形形变变换换特特点点的的不不同同，可可归归纳以下几种实现方法：纳以下

20、几种实现方法：7.2.5 调角信号的解调原理调角信号的解调原理 2.2.鉴频方法鉴频方法 频率频率幅度线幅度线性变换网络性变换网络包络检波器包络检波器utuFMtuFM-AMt第第二二种种方方法法，将将调调频频波波通通过过频频率率相相位位线线性性变变换换网网络络，变变换换成成调调频频调调相相波波，再再通通过过鉴鉴相相器器检检测测出出反反映映相相位位变变化化的的解解调调电电压压。把把这这种种鉴鉴频频器称为器称为相位鉴频器相位鉴频器。第第三三种种方方法法，是是随随着着近近年年来来集集成成电电路路的的广广泛泛应应用用，在在集集成成电电路路调调频频机机中中较较多多采采用用的的移移相相乘乘积积鉴鉴频频器器。它它是是将将输输入入FM信信号号经经移移相相网网络络后后生生成成与与FM信信号号电电压压正正交交的的参参考考信信号号电电压压，它它与与输输入入的的FM信信号号电电压压同同时时加加入入相相乘乘器器，相相乘乘器器输输出出再再经经低低通通滤滤波波器器滤滤波波后后，便便可可还还原原出出原调制信号。原调制信号。频率频率相位线相位线 性变换网络性变换网络 相位检波器相位检波器uFMuFM-PMu 相乘器相乘器 低通滤波器低通滤波器uFMu 90o移相网络移相网络