通信电子电路第6章.pptx

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1、数字调制技术第1页/共65页 第六章 角度调制与解调上一章讲的调幅是以u去控制载波振幅，反映到频谱上是频率搬移，其频谱结构不变，所以属于线性调制。本章讲的调角是以u去控制载波的频率或相位，反映到频谱上是一种复杂的变换（增加了许多组合频率），属于非线性调制。调角的优点：抗干扰能力强。第2页/共65页 以调制信号u去控制载波的频率或相位，使载波的频率或相位随调制信号的规律变化，这样得到的已调波称调频波或调相波，统称调角波。设载波 uo(t)=Ucos(t+o)=Ucos(t),第一节第一节 调角波的性质调角波的性质 未调制时=常数；调角后 常数,其显见，不论是FM还是PM，都会引起(t t)的变化

2、，所以统称为调角。瞬时相位：其中，(t t)=t+o或瞬时频率：第3页/共65页第一节 调角波的性质一、调角波的表示式（一）调频（FM）波表示式设u(t)=Ucost,载波uc(t)=Uccos(ct+o)，据调频定义：FM波的瞬时频率：(t)=C+kfu=C+kfUcost=cost=C+fcostcost其中,C载频，FM波中的中心频率 kf比例系数，单位调制信号强度引起的频率变化，表明控制能力的大小 f最大频偏，即FM瞬时频率偏离 C的最大值第4页/共65页FM波的表示式：u(t)=Uccos(ct+mfSint+o)其中:mf 称调频指数，是载波 相位上附加的最大相移，它表明调制深度。

3、FM波的瞬时相位：调频引起的附加相移特点：频率变化与u成正比，附加相移与u相差90。具体波形如图uttt tu(t)(t)(t)(t)mffc第5页/共65页PM波瞬时频率：其中：mp=kpU：称调相指数，代表调相波的最大相偏，kp的物理意义是单位调制信号强度引起的相位变化。第一节 调角波的性质据调相定义，PM波的瞬时相位随u线性变化，即 PM波的瞬时相位:(t)=ct+o+KpU cost=ct+o+mpcost（二）调相波的表示式p=mp 调相中瞬时频率偏移的最大值PM波也存在 变化。其中其中：第6页/共65页第一节 调角波的性质PMPM波表示式：U(t)=UU(t)=Uc ccos(co

4、s(ct+o+mpcost)波形分析见图瞬时相位变化与u成正比，瞬时频率p的变化与u u的微分成正比。特点：uttt tu(t)(t)(t)(t)mppc第7页/共65页第一节 调角波的性质FM、PM波的比较第8页/共65页 值得强调的两点差别:1、调频时：fU，与无关 调相时：在mp一定时，p 2、调频时：mf1/(f一定时)调相时：mpU，(与无关)第一节 调角波的性质mffmf=mpp=mp用曲线表示：fmpp第9页/共65页 例6-1 6-1 设一组正弦调制信号，信号频率最低为F Fminmin=300H=300HZ Z,最高为3400H3400HZ Z调制信号的幅度都一样，调制时，最

5、大频偏 f ff f=75kH=75kHZ Z;调相时，最大相偏m mp p=1.5rad/s=1.5rad/s试求调频时，m mf f的变化范围；调相时，f fp p的变化范围。解：1 1、调频时，m mf f=f f/=f ff f/F/F (m (mf f)maxmax=f ff f/F/Fminmin=75=75 10103 3/300=250rad/s /300=250rad/s (m (mf f)minmin=f ff f/F/Fmaxmax=75=75 10103/3/3400=22rad/s3400=22rad/s第一节 调角波的性质 2 2、调相 f fp p=m=mp p(

6、F(FminminF Fmaxmax)=1.5)=1.5(300(300 3400)=4503400)=450 5100H5100HZ Z可见调相时m mp p=k=kp pU U 是不变的,但f fp p F F第10页/共65页 二、调角信号的频谱和有效带宽(二)调角信号的频谱FMFM：u(t)=Uu(t)=UC Ccos(cos(c ct+mt+mf fsint+sint+0 0)PMPM：u(t)=Uu(t)=UC Ccos(cos(c ct+mt+mp pcost+cost+0 0)由u u引起的相移相差/2/2，无本质区别。第一节 调角波的性质 归并成通式：u(t)=Uu(t)=U

7、C Ccos(cos(ct+msint+t+0 0)利用和角公式 u(t)=Uu(t)=UC Ccos(cos(msint)cos(t)cos(ct+0 0)-sin()-sin(msint)sin(t)sin(ct+0 0)在贝塞尔函数理论中有以下关系：cos(cos(msint)=Jt)=J0 0(m)+2J(m)+2J2 2(m)cos2t+2J(m)cos2t+2J4 4(m)cos4t+(m)cos4t+sin(msint)=2Jsin(msint)=2J1 1(m)sint+2J(m)sint+2J3 3(m)sin3t+(m)sin3t+第11页/共65页图73 第一类贝塞尔函数

8、曲线 第12页/共65页第一节 调角波的性质所以,u(t)=UCJo(m）Cos(ct+o)+UCJ1(m)Cos(c+)t+o -Cos(c-)t+o +UCJ2(m)Cos(c+2)t+o +Cos(c-2)t+o +UCJ3(m)Cos(c+3)t+o -Cos(c-3)t+o +其中:J0(m)以m为宗量的载频分量的振幅系数Jn(m)以m为宗量的边频分量 n c的振幅系数由式可以看出调角波频谱特点：（1 1）频率成分：c、cnn，n=1,2,n=1,2,（2 2）边频分量的幅度：U Un n=U=Uc cJ Jn n（m m）(3 (3）相位：当n=n=奇数时，上、下边频相位相反；当n

9、=n=偶数时，上下边频相位相同；第13页/共65页图74 单频调制时FM波的振幅谱（a）为常数;（b）m为常数 第14页/共65页 当m,nm,n为已知时，以m m为变量的振幅系数可由贝塞尔函数曲线（P234P234图7-37-3）。查曲线方法:例m=4,m=4,则由图7-37-3可查得J J0 0(4)=-39.71%(4)=-39.71%J J1 1(4)=-6.6%J(4)=-6.6%J2 2(4)=36.42%(4)=36.42%第一节 调角波的性质横坐标为m,m,纵坐标为n,Jn,Jn n(m)%(m)%表示振幅系数值,显然其正负、大小无规律。查表可知，当m m变量相同时，查的结果与

10、查曲线所得结果相同。查表的方法:由表6-26-2可以看出：当调制指数 时，有较大振幅的边频分量也增多，而它的功率增加正是由于载频分量功率下降的结果。只要载频振幅不变，则调角波的平均功率就不变。m的变化只是使各频率分量间的功率重新分配。即：第15页/共65页 （二）调角波的频谱宽度第一节 调角波的性质窄带调制（m1m1m1）。1 1窄带调制（m1m1m1）完整的频谱由U(t)U(t)式决定。理论上说，调角波的频谱应是无限宽的，但能量大都集中在载频附近的边频分量。所以在通信中，一般认为边频幅度小于载波幅度的10%10%即可忽略。这样做不太影响传输质量。当n(m+1)n(m+1)时，边频幅度均小于载

11、频振幅的10%10%。第一节 调角波的性质所以，绝大部分能量都集中在n(m+1)n(m+1)边频分量。其有效带宽可表示为:B=2(m+1)B=2(m+1)或 B BHZHZ=2(m+1)F=2(m+1)F例如:当m=4m=4，B=2(4+1)=10B=2(4+1)=10所以B BHZHZ=2(75+15)=180KH=2(75+15)=180KHZ Z(单声道)立体声为198kH198kHZ Z一般广播系统中选取B BHzHz=200kH=200kHZ Z调频广播中规定最高频偏f fmaxmax=75kH=75kHZ Z Fmax=15kH Fmax=15kHZ Z当信号为非简谐信号时，第17

12、页/共65页应该指出，最大频偏与频谱宽度概念是不同的。前者指在U的作用下，瞬时频率偏离f fc c的最大值；而频谱宽度则是获得主要调制信号能量的频率范围。第一节 调角波的性质三、调制方式的比较第18页/共65页第一节 调角波的性质第19页/共65页 第一节 调角波的性质第20页/共65页 FM、PM的比较第一节 调角波的性质综合说：调角优于调幅，而调频又优于调相。第21页/共65页一、调频电路主要指标及实现方法（一）调频器的主要技术指标（1 1）调制特性的线性：调频波频偏与调制电压关系特性f=ff=f(U(U)称调制特性，即要求fufu。（2 2）调制灵敏度：指单位调制电压变化能产生的频偏S=

13、f/uS=f/u，S S越大越好。第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路（3）载频稳定度：越高越好。载频稳定是保证正常通信的必要条件。（4）最大频偏ff：在正常调制电压作用下能获得的最大频偏。要求ff与F无关。(在整个波段内保持不变)。相对频偏10-2时称大频偏 用于卫星通信、微波中继第22页/共65页 （二）调频方法 有二种：(1)直接调频：u 变化LC回路的L或C变化变化 特点：简单，ff大，但fc稳定性较差。(因为变频管偏置电压漂移、温度T变化fc变化)第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路（2）间接调频:首先u(t)dt 再调相得调频波 特点：fc稳定，但ff小。第23页/共6

14、5页 二、直接调频电路（一）变容二极管直接调频电路电路如图LCT等效回路第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路图中C1为隔直电容 C2高频旁路电容 RFC高频扼流圈通直隔交变容管电容当外加电压U=0，CT=CT0Lc1RFC-UBUC2CT原理电路第24页/共65页-UB保证变容管工作的反向直流偏压。UBU m U 调制电压第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路其中：变容管的电容调制度u=0时的结电容将其代入U=UB+u=UB+U mcos t由图变容管两端电压第25页/共65页 回路振荡频率第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路若令电容指数n=2，则有 =C(1-mTcos t)

15、=C-mT C cos t =C-mcos t 其中：m=mT C为 FM波最大角频偏。c=mcos t 即cU(t)当电容指数n2时，令x=mTcos t,将展成麦格劳林级数 第26页/共65页 =c(当x1时)cc第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路由第27页/共65页m 可由cos t项决定，即m=cnmT/2 U m一定时，m越大越好。调制灵敏度：Sm=m/U m=n c/2(U-UB)固定频偏由直流项决定 co=n(n/2-1)/8 mT2 c 它存在使载频不稳，所以co越小越好。二次谐波失真的最大频偏2m由cos2 t项决定，2m=n(n/2-1)/8 mT c 它使失真增加

16、，所以2m越小越好。第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路结论：若n一定，mT m(频偏增大)Sm 但 mT co，2m，因此必须合理的选择mT。第28页/共65页 为了避免高频振荡电压对CT的影响，常用对称直接调频电路如图：c1RFCc2RFCUBuRFCCTCTL对u,UB来说，两变容管并联；对高频振荡电压，两变容管串联，相互抵消。第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路第29页/共65页 (二)石英晶体调谐振荡器实际电路见P116图6-9优点：中心频率稳定性高(因为晶体振荡器)缺点：频偏小三、间接调频电路(阿姆斯特朗系统)1）间接调频原理先将调制信号积分，再去调相，所得结果就是FM

17、波（如图）u调频波调相器晶体振荡器CRu间接调频原理框图第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路若设:U=U mcos t第30页/共65页 用U 去调相，其相偏(t)=kp u=kp U msin t/RC=kfU m sin t/=mfsin t(其中，kf=kp/RC,mf=kfU m/)显然，这与调频波的瞬时相偏表示式完全一致，所以可实现间接调频。第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路则u 积分后,第31页/共65页 C1C3 隔直电容 -9V提供反偏直流C4,R4 为积分器，以获得u L，CT组成并联谐振回路当u =0时，CT=CTQ,f=fc,电路呈纯阻u CT 对载频信号而

18、言，回路呈感性 U导前I第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路uCR1C1C2R2FM波LC4CTR4R3C3uI2)间接调频电路电路如图第32页/共65页 u CT 对载频信号而言，回路呈容性 U滞后I 所以u 改变 CT改变改变，实现调相分 析：若 u=Umcost 则 经 积 分 后，U=Umsint第二节第二节 调频方法及电路调频方法及电路第33页/共65页 展成麦格劳林级数：因为mT2fmax，fmax为FM波的最大频偏BUff0第40页/共65页 基 本 思 想：FM波 FM-AM波uL=UL+u峰包检波变换器一、斜率鉴频器1单端斜率鉴频器电路如图：第四节第四节 鉴频器鉴频器0

19、DCCLRLLupuLttttupupupuLu 优点：简单缺点：线性范围窄大时失真严重。为克服此缺点引出平衡斜率鉴频器。UL原理：Up曲线如图0c输入FM波的C0，使之处于失谐状态。第41页/共65页2.平衡斜率鉴频器(1)电路如图第四节 鉴频器要求：D1=D2 C3=C4 R1=R2,2 00时，U2导前U1小于900（+或20）0时，U2导前U1大于900（-或2 0时 R3、R4，其分流作用忽略，所以UABUR3+UR4可见，在参数相同时，比例鉴频器的灵敏度低了一半。)第55页/共65页（2）U只与结论：（1）UAB=常数,由于C5大，对突变信号起限幅作用。它的大小取决于FM的振幅。（

20、3）灵敏度不高，相当于相位鉴频器的1/2。第四节 鉴频器（4）调节麻烦，对FM幅度缓慢的寄生调幅，C5不起限幅 作用。有关，寄生调幅使UD1、UD2同时变化，不变，所以抑制寄生调幅无需限幅器。但第56页/共65页 移相器作用：把FM波变换为FM-PM波相位检波器：由乘法器构成，把U1、U2的相位差检出下面我们分析一下移相器的波形变换原理：最大优点：适合于集成化，因而有发展前景。(一）工作原理 框图：常用的移相器如图：C1LCU1U2R限幅器移相器相位检波器低通滤波器uiu1u2u 四、符合鉴频器第57页/共65页 移相器的电压传输函数为：第58页/共65页相位检波过程：FM波经限幅放大后，u1

21、、u2接近于方波，如图电压平均值=面积/2 显然U 与（U1U2的相位差）成线性关系第四节 鉴频器u2u1U1U2tt234红阴影面积蓝阴影面积将 代入上式，得到：相乘后得到幅为U0=KmU1U2，u0仍近似为脉冲波形。u0KmU1U2t第59页/共65页当 f较小时，较小，第四节 鉴频器U大信号小信号Q由此可得出符合鉴频器的鉴频特性曲线如图：结论：1.大信号鉴频时，斜率较大（灵敏度高）线性范围较宽，但由于B较宽，所以噪声较大 2.小信号鉴频时，B较窄，所以引入噪声小，信噪比高，但鉴频灵敏度较低，线性范围窄。第60页/共65页 它是限幅器、鉴相器集成在一块芯片上，移相器和低通滤波器作为外接电路

22、由三部分构成：1.T1T15组成六级差分中放（含限幅）2.D1D5、T16与外接元件配合构成偏置电路 3.T18T21、T23T25等构成模拟乘法器（鉴相器）(二）集成符合鉴频器7CD13：第四节 鉴频器第61页/共65页 五、脉冲计数式鉴频器：利用计数过零值脉冲数目的方法实现鉴频。方框图和波形图如图：uiFM波b放大限幅c微分d削波e脉冲发生器f低通u第四节 鉴频器(b)(c)(d)(e)(f)经处理后得到幅度相同的矩形脉冲，如图(f)对给定的单一频率，这些脉冲具有恒定的平均值，其密度与FM波的频率成正比。所以平均幅度随调制信号而线性变化。滤波器去掉无用成分就可得到原调制信号。第62页/共6

23、5页这种方法的优点：解调失真小；便于集成。这种方法的缺点：工作频率较低（受限于脉冲发生器的分辨率）。若能生成的最小脉冲为 min，则fmax=(fc+ff)1/min第四节第四节 鉴频器鉴频器第63页/共65页1角度调制/解调的基本原理和调角波的性质2调频方法及实现电路3各种调制方式的比较4鉴频器指标、原理电路及其优缺点：本章小结单端斜率鉴频器：电路简单，线性范围窄；平衡斜率鉴频器：线性范围宽，B大，失真小，难调对称；相位鉴频器：简单、线性好，灵敏度，B小；比例鉴频器：可省去限幅器，但灵敏度；符合鉴频器：S/N高、易集成，线性范围窄，灵敏度；脉冲计数器：失真小，易集成，工作f第64页/共65页感谢您的观看！第65页/共65页