通信電子線路角度調(diào)制與解調(diào)課件

1、本章重點(diǎn)：1、調(diào)頻與調(diào)相的原理2、直接調(diào)頻的變?nèi)荻O管調(diào)頻3、晶體振蕩器直接調(diào)頻4、間接調(diào)頻的幾種方法5、相位鑒頻器原理6、比例鑒頻器原理第6章 角度調(diào)制與解調(diào)第6章 角度調(diào)制與解調(diào)6.1 角度調(diào)制6.2 調(diào)頻電路6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)6.4 調(diào)頻電路實(shí)例分析與仿真第6章 角度調(diào)制與解調(diào) 當(dāng)載波的頻率按基帶信號(hào)的規(guī)律變化時(shí)，則產(chǎn)生頻率調(diào)制，又稱調(diào)頻（FM，frequency modulation）；當(dāng)載波的相位按基帶信號(hào)的規(guī)律變化時(shí)，則產(chǎn)生相位調(diào)制，又稱調(diào)相（PM，phase modulation）。 調(diào)頻波和調(diào)相波都表現(xiàn)為高頻載波的角度隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，而載波的振幅保持不變。因此，又稱

2、調(diào)頻和調(diào)相為角度調(diào)制。 角度調(diào)制是用調(diào)制信號(hào)去控制載波信號(hào)角度(頻率或相位)變化的一種信號(hào)變換方式。 6.1.1 瞬時(shí)角頻率與瞬時(shí)相位瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位間存在微分與積分的關(guān)系 6.1 角度調(diào)制6.1.2 調(diào)角信號(hào)的產(chǎn)生方法1、調(diào)頻波表達(dá)式及波形 設(shè)調(diào)制信號(hào)為單一頻率信號(hào)u(t)=Umcost,未調(diào)載波電壓為uc(t)=Ucmcosct, 則根據(jù)頻率調(diào)制的定義,調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)角頻率為6.1 角度調(diào)制它是在c的基礎(chǔ)上,增加了與u(t)成正比的頻率偏移。式中kf為比例常數(shù)。調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)相位(t)是瞬時(shí)角頻率(t)對(duì)時(shí)間的積分,即式中, 為信號(hào)的起始角頻率。為了分析方便,不妨設(shè) 則上式 變?yōu)?.1

3、角度調(diào)制式中， 為調(diào)頻指數(shù)。FM波的表示式為例62、設(shè)調(diào)制信號(hào)u(t)=2sin104t (V)，調(diào)頻靈敏度Kf為220103rad/sV，若載波頻率為10MHZ，載波振幅為6V。試求： (1)調(diào)頻波的表達(dá)式； (2)調(diào)制信號(hào)的角頻率，調(diào)頻波的中心角頻率c； (3)最大頻率偏fm； (4)調(diào)頻指數(shù)mf； (5)最大相位偏移為多少？ (6)最大角頻偏和最大相偏與調(diào)制信號(hào)的頻率變化有何關(guān)系？與振幅變化呢？6.1 角度調(diào)制調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位波形圖6.1 角度調(diào)制2、調(diào)相波表達(dá)式及波形 調(diào)相高頻振蕩瞬時(shí)相位的變化量與調(diào)制信號(hào)成正比。根據(jù)定義瞬時(shí)相位隨調(diào)制信號(hào)線性地變化，即為比例系數(shù)；mp= k

4、p Um，稱為最大相移，或稱調(diào)制指數(shù)。瞬時(shí)角頻率為： 調(diào)相波是其瞬時(shí)相位以未調(diào)載波相位c為中心按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化的等幅高頻振蕩。 如u(t)=Ucost,并令0=0,則其瞬時(shí)相位為 (t)=ct+(t)=ct+kpu(t) =ct+mcost=ct+mpcost 從而得到調(diào)相信號(hào)表達(dá)式為 6.1 角度調(diào)制例63、有一調(diào)角波，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為u(t)=10cos2105t+6cos(2104)tV，求：(1)、若調(diào)制信號(hào)u(t)=3cos(2104)t，指出該調(diào)角信號(hào)是調(diào)頻信號(hào)還是調(diào)相信號(hào)？若u(t)=3sin(2104)t呢？(2)、載波頻率fc是多少？調(diào)制信號(hào)頻率F是多少？6.1 角度調(diào)制6.

5、1 角度調(diào)制6.1.3 調(diào)角信號(hào)的性質(zhì)1、調(diào)角波的頻譜（mf或mp用m代替 ）6.1 角度調(diào)制第一類貝塞爾函數(shù)曲線結(jié)論（1）載頻分量上下有無數(shù)個(gè)分量；（2）調(diào)制系數(shù)mf越大，具有較大振幅的邊頻分量就越多；（3）對(duì)某些調(diào)制系數(shù)mf ，載頻或某些邊頻振幅為零；（4）調(diào)頻前后平均功率沒有發(fā)生變化。單頻調(diào)制時(shí)調(diào)頻波的頻譜6.1 角度調(diào)制2、調(diào)角波的功率調(diào)角波的平均功率與未調(diào)載波平均功率相等。當(dāng)m由零增加時(shí)，已調(diào)制的載頻功率下降，而分散給其他邊頻分量。也就是說，調(diào)制的過程只是進(jìn)行功率的重新分配，而總功率不變，其分配的原則與調(diào)角指數(shù)m有關(guān)。6.1 角度調(diào)制6.1 角度調(diào)制3、調(diào)角波的帶寬 通常采用的準(zhǔn)則是

6、,信號(hào)的頻帶寬度應(yīng)包括幅度大于未調(diào)載波1%以上的邊頻分量,即 |Jn(mf)| 0.01 對(duì)于一般情況,帶寬為 BW= 2(mf+1)F = 2(fm+F) 對(duì)于寬帶調(diào)制， fmF，即mf 1，有 BW = 2 fm 對(duì)于窄帶調(diào)制， mf 1，有 BW = 2 F6.1 角度調(diào)制4、調(diào)頻波與調(diào)相波的比較調(diào)制信號(hào)u(t)= Umcost；載波信號(hào)uc(t)=Ucmcosct項(xiàng)目調(diào)頻信號(hào)調(diào)相信號(hào)瞬時(shí)角頻率瞬時(shí)相位最大頻偏m=kfUm=mfm= kpUm= mp調(diào)制指數(shù)（最大相偏）mf=m/= kfUm/mp=m/= kpUm已調(diào)波數(shù)學(xué)表示式信號(hào)帶寬B=2(mf+1)Fmax（恒定帶寬）B=2(mp

7、+1)Fmax（非恒定帶寬）6.1 角度調(diào)制5、各種調(diào)制方式的比較抗干擾性、頻帶寬度和設(shè)備利用率三者是電子技術(shù)的三項(xiàng)主要性能指標(biāo)?？垢蓴_性的強(qiáng)弱決定著信息傳輸?shù)馁|(zhì)量，頻帶寬度決定著給定頻段的容量，而設(shè)備利用率影響著設(shè)備的造價(jià)、體積和重量。 6.2 調(diào)頻電路調(diào)頻波產(chǎn)生的方法主要有兩種：一種是直接調(diào)頻法；另一種是間接調(diào)頻法。 對(duì)于下圖的調(diào)頻特性的要求如下: (1)調(diào)制特性線性要好。 (2)調(diào)制靈敏度要高。 (3)中心頻率(載波)穩(wěn)定度要高。 (4) 最大頻偏fm要恒定。 6.2 調(diào)頻電路調(diào)頻特性曲線6.2 調(diào)頻電路6.2.1 直接調(diào)頻電路分析 直接調(diào)頻就是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻振蕩器的振蕩頻率，使它

8、不失真地反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律。因此，凡是能直接影響振蕩頻率的元件或參數(shù)，只要用調(diào)制信號(hào)去控制，使振蕩頻率的變化量能隨調(diào)制信號(hào)而線形變化，都可以完成直接調(diào)頻的任務(wù)。 在正弦波振蕩器中，由于其振蕩頻率主要取決于振蕩回路的電感量和電容量，所以在振蕩回路中接入可控電抗器，就可以實(shí)現(xiàn)直接調(diào)頻。 1、直接調(diào)頻法6.2 調(diào)頻電路2、變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路在加反向偏壓時(shí)，變?nèi)荻O管呈現(xiàn)一個(gè)較大的結(jié)電容。這個(gè)結(jié)電容的大小能靈敏地隨反向偏壓而變化。利用了變?nèi)荻O管這一特性，將變?nèi)荻O管作為可控電容元件接到振蕩器的振蕩回路中，則回路的電容量會(huì)隨調(diào)制電壓而變化，從而改變振蕩頻率，達(dá)到調(diào)頻的目的。(1) 變?nèi)荻O管靜

9、態(tài)工作點(diǎn)為EQ時(shí),變?nèi)荻O管結(jié)電容為 設(shè)在變?nèi)荻O管上加的調(diào)制信號(hào)電壓為 u(t)=Ucost,則6.2 調(diào)頻電路6.2 調(diào)頻電路變?nèi)荻O管的結(jié)電容變化曲線CjQ 為靜態(tài)工作點(diǎn)的結(jié)電容，m為反映結(jié)電容調(diào)深度的調(diào)制指數(shù)。Cj為回路總電容。下圖為一變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路,Cj作為回路總電容接入回路。圖（b）是圖（a）振蕩回路的簡化高頻電路。由此可知,若變?nèi)莨苌霞觰(t),就會(huì)使得Cj隨時(shí)間變化（時(shí)變電容）, 此時(shí)振蕩頻率為（7.3.5）6.2 調(diào)頻電路變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路 6.2 調(diào)頻電路 在上式中,若=2,則得一般情況下,2,這時(shí),式（725）可以展開成冪級(jí)數(shù)6.2 調(diào)頻電路忽略高次項(xiàng),上式可

10、近似為二次諧波失真系數(shù)可用下式求出:6.2 調(diào)頻電路 調(diào)頻靈敏度可以通過調(diào)制特性求出。根據(jù)調(diào)頻靈敏度的定義,有6.2 調(diào)頻電路(3)變?nèi)荻O管直接調(diào)頻實(shí)際電路 在實(shí)際應(yīng)用中,通常2, Cj作為回路總電容將會(huì)使調(diào)頻特性出現(xiàn)非線性,輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定度也將下降。因此,通常利用對(duì)變?nèi)荻O管串聯(lián)或并聯(lián)電容的方法來調(diào)整回路總電容C與電壓u之間的特性。 6.2 調(diào)頻電路6.2 調(diào)頻電路變?nèi)荻O管調(diào)頻器的實(shí)際電路 將上圖的振蕩回路簡化為下圖,這就是變?nèi)莨懿糠纸尤牖芈返那闆r。這樣,回路的總電容為變?nèi)荻O管部分接入的振蕩回路6.2 調(diào)頻電路將上式代入振蕩頻率的計(jì)算公式，并在工作點(diǎn)處展開，有振蕩頻率為式中6.2

11、調(diào)頻電路從上式可以看出,當(dāng)Cj部分接入時(shí),其最大頻偏為6.2 調(diào)頻電路3、晶體振蕩器直接調(diào)頻電路 變?nèi)荻O管（對(duì)LC振蕩器）直接調(diào)頻電路的中心頻率穩(wěn)定度較差。為得到高穩(wěn)定度調(diào)頻信號(hào),須采取穩(wěn)頻措施,如增加自動(dòng)頻率微調(diào)電路或鎖相環(huán)路。還有一種穩(wěn)頻的簡單方法是直接對(duì)晶體振蕩器調(diào)頻。6.2 調(diào)頻電路下圖（a）為變?nèi)荻O管對(duì)晶體振蕩器直接調(diào)頻電路,圖（b）為其交流等效電路。由圖可知,此電路為并聯(lián)型晶振皮爾斯電路,其穩(wěn)定度高于密勒電路。其中,變?nèi)荻O管相當(dāng)于晶體振蕩器中的微調(diào)電容,它與C1、C2的串聯(lián)等效電容作為石英諧振器的負(fù)載電容CL。此電路的振蕩頻率為6.2 調(diào)頻電路晶體振蕩器直接調(diào)頻電路 6.2

12、調(diào)頻電路6.2.2 間接調(diào)頻電路分析1、間接調(diào)頻法 如果對(duì)調(diào)制信號(hào)先積分，在去調(diào)相，得到的是調(diào)頻信號(hào)。因此，調(diào)相電路是間接調(diào)頻的關(guān)鍵電路。常用的調(diào)頻方法有兩種：一是諧振頻率受調(diào)制電壓的控制而變化，當(dāng)載頻振蕩通過它時(shí)，相移發(fā)生變化；二是改變相移網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。 6.2 調(diào)頻電路6.2 調(diào)頻電路2、變?nèi)荻O管單級(jí)調(diào)相電路 下圖是一個(gè)變?nèi)荻O管調(diào)相電路。它將受調(diào)制信號(hào)控制的變?nèi)莨茏鳛檎袷幓芈返囊粋€(gè)元件。Lc1、Lc2為高頻扼流圈,分別防止高頻信號(hào)進(jìn)入直流電源及調(diào)制信號(hào)源中。 高Q并聯(lián)振蕩電路的電壓、電流間相移為單回路變?nèi)荻O管調(diào)相電路6.2 調(diào)頻電路 當(dāng)/6時(shí),tan,上式簡化為 設(shè)輸入調(diào)制信號(hào)為Ucos

13、t,其瞬時(shí)頻偏(此處為回路諧振頻率的偏移)為 當(dāng)/6時(shí),tan,上式簡化為6.2 調(diào)頻電路三級(jí)單回路級(jí)聯(lián)的變?nèi)荻O管調(diào)相電路 3、擴(kuò)大間接調(diào)頻電路的頻偏方法這是一個(gè)三級(jí)回路級(jí)聯(lián)的移相器。三級(jí)相移疊加起來，從而增大頻偏。6.2 調(diào)頻電路6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)調(diào)角波的解調(diào)就是從調(diào)角波中恢復(fù)出原調(diào)制信號(hào)的過程。調(diào)頻波的解調(diào)電路稱為頻率檢波器或鑒頻器（FD）,調(diào)相波的解調(diào)電路稱為相位檢波器或鑒相器（PD）。6.3.1 調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)方法調(diào)頻接收機(jī)的組成大多是采用超外差式的，鑒頻通常在中頻頻率上進(jìn)行的。1、鑒頻器的主要性能指標(biāo)鑒頻特性曲線6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)對(duì)于鑒頻器來講，要求線性范圍寬(Bm2fA)

14、，線性度好。對(duì)鑒頻器的另外一個(gè)要求,就是鑒頻跨導(dǎo)要大。所謂鑒頻跨導(dǎo)D, 就是鑒頻特性在載頻處的斜率,它表示的是單位頻偏所能產(chǎn)生的解調(diào)輸出電壓。鑒頻跨導(dǎo)又叫鑒頻靈敏度,用公式表示為6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)2、鑒頻方法 利用FM波過零信息實(shí)現(xiàn)鑒頻，如脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻法。 將FM波變換成AM-FM波，再幅度檢波，即可獲得原調(diào)制信號(hào)，如斜率鑒頻器等。 將FM波變換成FM-PM波，再相位檢波，即可獲得原調(diào)制信號(hào)，如相位鑒頻器、比例鑒頻器等。 利用鎖相環(huán)路來實(shí)現(xiàn)頻率解調(diào)6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào) (1) 脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻法 調(diào)頻信號(hào)的信息寄托在已調(diào)波的頻率上。從某種意義上講，信號(hào)頻率就是信號(hào)電壓或電流波形單位時(shí)間內(nèi)

15、過零點(diǎn)(或零交點(diǎn))的次數(shù)。對(duì)于脈沖或數(shù)字信號(hào)，信號(hào)頻率就是信號(hào)脈沖的個(gè)數(shù)?；谶@種原理的鑒頻器稱為零交點(diǎn)鑒頻器或脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻器。 6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻器原理(2) 振幅鑒頻法 調(diào)頻波振幅恒定,故無法直接用包絡(luò)檢波器解調(diào)。鑒于二極管峰值包絡(luò)檢波器線路簡單、性能好,能否把包絡(luò)檢波器用于調(diào)頻解調(diào)器中呢？顯然,若能將等幅的調(diào)頻信號(hào)變換成振幅也隨瞬時(shí)頻率變化、既調(diào)頻又調(diào)幅的FMAM波,就可以通過包絡(luò)檢波器解調(diào)此調(diào)頻信號(hào)。用此原理構(gòu)成的鑒頻器稱為振幅鑒頻器。其工作原理如下圖所示。6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)振幅鑒頻電路原理6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào) 1）直接時(shí)域微分法 設(shè)調(diào)制

16、信號(hào)為u=f(t),調(diào)頻波為對(duì)此式直接微分可得 6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)微分鑒頻電路6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào) 2）斜率鑒頻法 利用LC諧振回路也可以完成FM波到AM-FM波的轉(zhuǎn)換。斜率鑒頻法的工作頻率在LC諧振曲線的斜邊上變化，所以稱為斜率鑒頻器。斜率鑒頻器通常有單失諧回路斜率鑒頻器、雙失諧回路斜率鑒頻器以及集成電路中采用的差分峰值斜率鑒頻器。6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào) (3) 相位鑒頻法 相位鑒頻法的原理框圖如下圖所示。圖中的變換電路具有線性的頻率相位轉(zhuǎn)換特性，它可以將等幅的調(diào)頻信號(hào)變成相位也隨瞬時(shí)頻率變化的、既調(diào)頻又調(diào)相的FMPM波。 相位鑒頻法原理框圖6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào) 相位鑒頻法的關(guān)鍵是相

17、位檢波器。相位檢波器或鑒相器就是用來檢出兩個(gè)信號(hào)之間的相位差，完成相位差電壓變換作用的部件或電路。設(shè)輸入鑒相器的兩個(gè)信號(hào)分別為 同時(shí)加于鑒相器，鑒相器的輸出電壓uo是瞬時(shí)相位差的函數(shù)，即6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)1) 乘積型相位鑒頻法 利用乘積型鑒相器實(shí)現(xiàn)鑒頻的方法稱為乘積型相位鑒頻法或積分(Quadrature)鑒頻法。在乘積型相位鑒頻器中，線性相移網(wǎng)絡(luò)通常是單諧振回路(或耦合回路)，而相位檢波器為乘積型鑒相器，如圖所示。 乘積型鑒相器框圖6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào) 設(shè)乘法器的乘積因子為K，則經(jīng)過相乘器和低通濾波器后的輸出電壓為 2) 疊加型相位鑒頻法 利用疊加型鑒相器實(shí)現(xiàn)鑒頻的方法稱為疊加型相位鑒

18、頻法。對(duì)于疊加型鑒相器，就是先將u1和u2相加，把兩者的相位差的變化轉(zhuǎn)換為合成信號(hào)的振幅變化，然后用包絡(luò)檢波器檢出其振幅變化，從而達(dá)到鑒相的目的。 6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)疊加型相位鑒頻器框圖 互感耦合相位鑒頻器又稱福斯特西利(FosterSeeley)鑒頻器，下圖是其典型電路。相移網(wǎng)絡(luò)為耦合回路。 互感耦合相位鑒頻器的工作原理可分為移相網(wǎng)絡(luò)的頻率相位變換，加法器的相位幅度變換和包絡(luò)檢波器的差動(dòng)檢波三個(gè)過程。(1) 電路結(jié)構(gòu)和基本原理6.3.2 鑒頻電路分析1、疊加型相位鑒頻器6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)互感式疊加型相位鑒頻器6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào) (2) 工作原理分析 1) 頻

19、率相位變換 頻率相位變換是由下圖 (a)所示的互感耦合回路完成的。由下圖 (b)的等效電路可知，初級(jí)回路電感L1中的電流為6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)頻率相位變換網(wǎng)絡(luò)6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào) 考慮初、次級(jí)回路均為高Q回路，r1也可忽略。這樣，上式可近似為初級(jí)電流在次級(jí)回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為感應(yīng)電動(dòng)勢 在次級(jí)回路形成的電流 為6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)=2Qf/f0稱為廣義失諧 ,則上式變?yōu)?.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)頻率相位變換電路的相頻特性 6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào) 可見，調(diào)頻波瞬時(shí)頻率的變化f通過耦合回路的頻率相位變換之后，變成了瞬時(shí)相位變化，而且在一定條件下，兩者近似成線性關(guān)系。因而互

20、感耦合回路可以作為線性相移網(wǎng)絡(luò)，其中固定相差/2是由互感形成的。 2) 相位幅度變換 根據(jù)圖中規(guī)定的 與 的極性，。這樣，在兩個(gè)檢波二極管上的高頻電壓分別為6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào) 合成矢量的幅度隨 與 間的相位差而變化(FMPM AM信號(hào))，如上圖所示。 f=f0=fc時(shí)， 與 的振幅相等，即UD1=UD2; ff0=fc時(shí)，UD1UD2，隨著f的增加，兩者差值將加大； ff0=fc時(shí)，UD1fc時(shí)，UD1UD2, i1i2,輸出電壓為負(fù)； 當(dāng)ffc時(shí)，UD1UD2, i1i2，輸出電壓為正。6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào) (3)自限幅原理 1)回路的無載Q0值要足夠高，以便當(dāng)檢波器輸入電阻Ri隨輸入電壓幅度變化時(shí)，能引起回路Qe明顯的變化。 2)要保證時(shí)常數(shù)(R1+R2)C大于寄生調(diào)幅干擾的幾個(gè)周期。比例鑒頻器存在著過抑制與阻塞現(xiàn)象。 6.3 調(diào)角信號(hào)的解調(diào)