(精品)高频电子线路第7章.ppt
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1、第第7章章角度调制与解调角度调制与解调7.1调频信号分析调频信号分析7.2调频器与调频方法调频器与调频方法7.3调频电路调频电路7.4鉴频器与鉴频方法鉴频器与鉴频方法7.5鉴频电路鉴频电路7.6调频收发信机及特殊电路调频收发信机及特殊电路7.7调频多重广播调频多重广播 在通信系统中,角度及解调电路不同于频谱搬移电路。在通信系统中,角度及解调电路不同于频谱搬移电路。它是用低频信号去调制高频振荡的相角,或是从已调波中解它是用低频信号去调制高频振荡的相角,或是从已调波中解出调制信号所进行的频谱变换,这种变换不是线形变换,而出调制信号所进行的频谱变换,这种变换不是线形变换,而是非线形变换。因此,我们把
2、角度调制及调角波的解调电路是非线形变换。因此,我们把角度调制及调角波的解调电路称为称为频谱非线形变换电路频谱非线形变换电路。调频()调频():如果高频振荡器的:如果高频振荡器的频率变化量频率变化量和调制信和调制信号号成正比成正比,则称调频。,则称调频。调相()调相():如果高频振荡器的:如果高频振荡器的相位变化量相位变化量和调制信和调制信号号成正比成正比,则称调相。,则称调相。由于频率的变化和相位的变化都表现为总相角的变化,由于频率的变化和相位的变化都表现为总相角的变化,因此,因此,将调频和调相统称为调角将调频和调相统称为调角。7.17.1调角波的基本性质调角波的基本性质式中,式中,Am为简谐
3、振荡的幅度,为简谐振荡的幅度,为简谐振荡的总相角为简谐振荡的总相角式中式中为瞬时角频率,为瞬时角频率,为初始相位。为初始相位。7.1.1 7.1.1 瞬时相位和瞬时频率的概念瞬时相位和瞬时频率的概念对于简谐振荡可以写成一般形式对于简谐振荡可以写成一般形式如果如果是随时间变化的,瞬时相位为是随时间变化的,瞬时相位为7.1.2 7.1.2 调频波调频波设设调调制制信信号号为为单单一一频频率率信信号号u(t)=Ucost,未未调调载载波波电电压压为为uC=UCcosct,则则根根据据频频率率调调制制的的定定义义,调调频频信信号号的的瞬瞬时时角角频频率为率为(7.1.1)它是在它是在c的基础上的基础上
4、,增加了与增加了与u(t)成正比的频率偏移。式中成正比的频率偏移。式中kf为比例常数。调频信号的瞬时相位为比例常数。调频信号的瞬时相位(t)是瞬时角频率是瞬时角频率(t)对时对时间的积分间的积分,即即(7.1.2)式中式中,为信号的起始角频率。为了分析方便为信号的起始角频率。为了分析方便,不妨设不妨设则上式则上式变为变为(7.1.3)式中,式中,为调频指数。为调频指数。FM波的表示式为波的表示式为(7.1.4)7.1.3 7.1.3 调相波调相波 调相调相高频振荡瞬时相位的变化量与调制信号成正比。高频振荡瞬时相位的变化量与调制信号成正比。根据定义瞬时相位随调制信号线性地变化,即根据定义瞬时相位
5、随调制信号线性地变化,即为比例系数;为比例系数;为瞬时相位偏移;为瞬时相位偏移;称为最大相移,或称调制指数,以称为最大相移,或称调制指数,以mp表示表示瞬时角频率为:瞬时角频率为:于是于是调相波是其瞬时相位以未调载波相位调相波是其瞬时相位以未调载波相位c为中心按调制信为中心按调制信号规律变化的等幅高频振荡。如号规律变化的等幅高频振荡。如u(t)=Ucost,并令并令0=0,则则其瞬时相位为其瞬时相位为(t)=ct+(t)=ct+kpu(t)=ct+mcost=ct+mpcost(7.1.6)从而得到调相信号表达式为从而得到调相信号表达式为(7.1.7)7.1.4 7.1.4 调频波的频谱结构和
6、特点调频波的频谱结构和特点将将FM表达式进一步展开表达式进一步展开,有有uFM(t)=UCJ0(mf)cosct+J1(mf)cos(c+)t-J1(mf)cos(c-)t+J2(mf)cos(c+2)t+J2(mf)cos(c-2)t+J3(mf)cos(c+3)t-J3(mf)cos(c-3)t+(7.1.8)单频调制时单频调制时FM波的振幅谱波的振幅谱(a)为常数为常数;(b)m为常数为常数结论(结论(1)载频分量上下有)载频分量上下有无数个分量;无数个分量;(2)调制系数)调制系数mf越大,具越大,具有较大振幅的边频分量就有较大振幅的边频分量就越多;越多;(3)对某些调制系数)对某些调
7、制系数mf,载频或某些边频振幅为零;载频或某些边频振幅为零;(4)调频前后平均功率没)调频前后平均功率没有发生变化。有发生变化。7.1.3 7.1.3 调频波的信号带宽调频波的信号带宽通通常常采采用用的的准准则则是是,信信号号的的频频带带宽宽度度应应包包括括幅度大于未调载波幅度大于未调载波1%以上的边频分量以上的边频分量,即即|Jn(mf)|0.01对于一般情况对于一般情况,带宽为带宽为BW=2(mf+1)F=2(fm+F)(7.1.9)对于宽待调制,对于宽待调制,fmF,即即mf1,有BW=2fm(7.1.10)对于窄带调制,对于窄带调制,mf1,有有 BW=2F(7.1.11)7.2调频器
8、与调频方法7.2.1调频器调频器对于下图的调频特性的要求如下对于下图的调频特性的要求如下:(1)调制特性线性要好。)调制特性线性要好。(2)调制灵敏度要高。)调制灵敏度要高。(3)载波性能要好。)载波性能要好。调频特性曲线调频特性曲线1.直接调频方法直接调频方法 直接调频就是用调制信号去控制高频振荡器的振荡频率,使直接调频就是用调制信号去控制高频振荡器的振荡频率,使它不失真地反映调制信号的变化规律它不失真地反映调制信号的变化规律。因此,凡是能直接影响振因此,凡是能直接影响振荡频率的元件或参数,只要用调制信号去控制,使振荡频率的变荡频率的元件或参数,只要用调制信号去控制,使振荡频率的变化量能随调
9、制信号而线形变化,都可以完成直接调频的任务。化量能随调制信号而线形变化,都可以完成直接调频的任务。在正弦波振荡器中,由于其振荡频率主要取决于振荡回在正弦波振荡器中,由于其振荡频率主要取决于振荡回路的电感量和电容量,所以在振荡回路中接入可控电抗器,就可路的电感量和电容量,所以在振荡回路中接入可控电抗器,就可以实现直接调频。以实现直接调频。可控电抗器的种类很多,有声波控制的电容式话筒或驻极体可控电抗器的种类很多,有声波控制的电容式话筒或驻极体话筒,有电压控制的变容二极管和电抗管,还有电流控制的可变话筒,有电压控制的变容二极管和电抗管,还有电流控制的可变电感等。只要将可控电抗器接入振荡器的振荡回路,
10、就能利电感等。只要将可控电抗器接入振荡器的振荡回路,就能利用振荡器产生调频波。用振荡器产生调频波。7.2.2调频方法调频方法 2间接调频法间接调频法先先将将调调制制信信号号积积分分,然然后后再再对对载载波波调调相相,这这样样得得到的调频波的中心频率的稳定度很高。到的调频波的中心频率的稳定度很高。实实现现间间接接调调频频的的关关键键是是如如何何进进行行相相位位调调制制。通通常常,实现相位调制的方法有如下三种实现相位调制的方法有如下三种:(1)矢矢量量合合成成法法。这这种种方方法法主主要要针针对对的的是是窄窄带带的的调调频或调相信号。对于单音调相信号频或调相信号。对于单音调相信号 uPM=Ucos
11、(ct+mpcost)=Ucosctcos(mpcost)-Usin(mpcost)sinct 当当mp/12时时,上式近似为上式近似为uPMUcosct-Umpcostsinct(7.2.1)上式表明,在调相指数较小时,调相波可以由两个上式表明,在调相指数较小时,调相波可以由两个信号合成得到,即矢量合成法。信号合成得到,即矢量合成法。(2)可变移相法。)可变移相法。可可变变移移相相法法就就是是利利用用调调制制信信号号控控制制移移相相网网络或谐振回路的电抗或电阻元件来实现调相。络或谐振回路的电抗或电阻元件来实现调相。(3)可可变变延延时时法法。将将载载波波信信号号通通过过一一可可控控延时网络延
12、时网络,延时时间延时时间受调制信号控制受调制信号控制,即即=kdu(t)则输出信号为则输出信号为u=Ucosc(t-)=Ucosct-kdcu(t)由此可知由此可知,输出信号已变成调相信号了。输出信号已变成调相信号了。7.3调频电路调频电路7.3.1直接调频电路直接调频电路1.变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路1)变容二极管调频原理变容二极管调频原理其其结结电电容容Cj与与在在其其两两端端所所加加反反偏偏电电压压u之之间存在着如下关系间存在着如下关系:(7.3.1)变容管的变容管的Cju曲线曲线静态工作点为静态工作点为EQ时时,变容二极管结电容为变容二极管结电容为(7.3.2)设在变
13、容二极管上加的调制信号电压为设在变容二极管上加的调制信号电压为u(t)=Ucost,则则(7.3.3)将式(将式(7.3.3)代入式()代入式(7.3.1),得得(7.3.4)将该变容二极管接入振荡回路,将会引起电容的将该变容二极管接入振荡回路,将会引起电容的变化,进而引起回路谐振频率的变化,从而实现调频。变化,进而引起回路谐振频率的变化,从而实现调频。2)变容二极管直接调频性能分析变容二极管直接调频性能分析(1)Cj为为回回路路总总电电容容。下下图图为为一一变变容容二二极极管管直直接接调调频频电电路路,Cj作作为为回回路路总总电电容容接接入入回回路路。图(图(b)是图(是图(a)振荡回路的简
14、化高频电路。振荡回路的简化高频电路。由由此此可可知知,若若变变容容管管上上加加u(t),就就会会使使得得Cj随时间变化(时变电容)随时间变化(时变电容),此时振荡频率为此时振荡频率为(7.3.5)变容管作为回路总电容全部接入回路变容管作为回路总电容全部接入回路在上式中在上式中,若若=2,则得则得(7.3.6)一一般般情情况况下下,2,这这时时,式式(725)可可以以展展开开成成幂幂级级数数忽略高次项忽略高次项,上式可近似为上式可近似为(7.3.7)二次谐波失真系数可用下式求出二次谐波失真系数可用下式求出:(7.3.8)调调频频灵灵敏敏度度可可以以通通过过调调制制特特性性或或式式(7.3.7)求
15、求出出。根据调频灵敏度的定义根据调频灵敏度的定义,有有(7.3.9)(2)Cj作为回路部分电容接入回路。作为回路部分电容接入回路。在在实实际际应应用用中中,通通常常2,Cj作作为为回回路路总总电电容容将将会会使使调调频频特特性性出出现现非非线线性性,输输出出信信号号的的频频率率稳稳定定度度也也将将下下降降。因因此此,通通常常利利用用对对变变容容二二极极管管串串联联或或并并联联电电容容的的方方法法来来调调整整回回路路总总电电容容C与电压与电压u之间的特性。之间的特性。Cj与固定电容串、并联后的特性与固定电容串、并联后的特性变容二极管直接调频电路举例变容二极管直接调频电路举例(a)实际电路实际电路
16、;(b)等效电路等效电路将将上上图图(b)的的振振荡荡回回路路简简化化为为下下图图,这这就就是是变变容容管部分接入回路的情况。这样管部分接入回路的情况。这样,回路的总电容为回路的总电容为(7.3.10)部分接入的振荡回路部分接入的振荡回路将上式代入振荡频率的计算公式,并在工作点处展开,有振荡频率为振荡频率为式中式中从式(7.3.10)可以看出,当Cj部分接入时,其最大频偏为(7.3.11)加在变容管上的电压加在变容管上的电压变容管等效电容随高频电压振幅和偏压的变化变容管等效电容随高频电压振幅和偏压的变化(a)j随随U1变化曲线变化曲线;(b)Cj随随E变化曲线变化曲线2.晶体振荡器直接调频电路
17、晶体振荡器直接调频电路变变容容二二极极管管(对对LC振振荡荡器器)直直接接调调频频电电路路的的中中心心频频率率稳稳定定度度较较差差。为为得得到到高高稳稳定定度度调调频频信信号号,须须采采取取稳稳频频措措施施,如如增增加加自自动动频频率率微微调调电电路路或或锁锁相相环环路路(第第8章章讨讨论论)。还还有有一一种种稳稳频的简单方法是直接对晶体振荡器调频。频的简单方法是直接对晶体振荡器调频。下下图图(a)为为变变容容二二极极管管对对晶晶体体振振荡荡器器直直接接调调频频电电路路,图图(b)为为其其交交流流等等效效电电路路。由由图图可可知知,此此电电路路为为并并联联型型晶晶振振皮皮尔尔斯斯电电路路,其其
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