角度調(diào)制與解調(diào)課件

1、2022/9/26第一節(jié) 調(diào)角波的性質第六章 角度調(diào)制與解調(diào)第二節(jié) 調(diào)頻方法及電路第三節(jié) 限幅器第四節(jié) 鑒頻器2022/9/24第一節(jié) 調(diào)角波的性質第六章 角度調(diào)制與2022/9/26 第六章 角度調(diào)制與解調(diào)上一章講的調(diào)幅是以u去控制載波振幅，反映到頻譜上是頻率搬移，其頻譜結構不變，所以屬于線性調(diào)制。本章講的調(diào)角是以u去控制載波的頻率或相位，反映到頻譜上是一種復雜的變換（增加了許多組合頻率），屬于非線性調(diào)制。調(diào)角的優(yōu)點：抗干擾能力強。2022/9/24 第六章 角度調(diào)制與解調(diào)上一章2022/9/26 以調(diào)制信號u去控制載波的頻率或相位，使載波的頻率或相位隨調(diào)制信號的規(guī)律變化，這樣得到的已調(diào)波稱

2、調(diào)頻波或調(diào)相波，統(tǒng)稱調(diào)角波。設載波 uo(t)=Ucos(t+o)=Ucos(t),第一節(jié) 調(diào)角波的性質 未調(diào)制時=常數(shù)；調(diào)角后 常數(shù)。顯然：不論是FM還是PM，都會引起(t)的變化，所以統(tǒng)稱為調(diào)角。 瞬時相位：其中：(t) =t+o ；瞬時頻率：2022/9/24 以調(diào)制信號u去控制載波的頻率2022/9/26（一）調(diào)頻（FM）波表示式設u(t)=Ucost，載波uc(t)=Uccos(ct+o)，據(jù)調(diào)頻定義：1）FM波的瞬時頻率： (t)=C+kfu=C+kfUcost=C+fcost其中： C載頻，F(xiàn)M波中的中心頻率。 kf比例系數(shù)，單位調(diào)制信號強度引起的頻率變化， 表明控制能力的大小。

3、 f最大頻偏，即FM瞬時頻率偏離C的最大值。第一節(jié) 調(diào)角波的性質一、調(diào)角波的表示式：2022/9/24（一）調(diào)頻（FM）波表示式其中： C載2022/9/26FM波的表示式：u(t)=Uccos(ct+mfsint+o)其中: mf稱調(diào)頻指數(shù)，是載波 相位上附加的最大相移， 它表明調(diào)制深度。2）FM波的瞬時相位：特點：頻率c變化與u成正比， 附加相移(t)與u相差90。具體波形如圖uttt tu(t)(t)(t)mffc第一節(jié) 調(diào)角波的性質(t)=C+kfUcost =C+fcost調(diào)頻引起的附加相移2022/9/24FM波的表示式：其中: mf稱調(diào)頻指2022/9/26PM波瞬時頻率：其中：

4、mp=kpU：稱調(diào)相指數(shù)，代表調(diào)相波的最大相偏：kp的物理意義是單位調(diào)制信號強度引起的相位變化。據(jù)調(diào)相定義，PM波的瞬時相位隨u線性變化，即 PM波的瞬時相位: (t) =ct+o+KpU cost=ct+o+mpcost（二）調(diào)相波的表示式p=mp調(diào)相中瞬時頻率偏移的最大值。PM波也存在變化。其中：第一節(jié) 調(diào)角波的性質2022/9/24PM波瞬時頻率：其中：據(jù)調(diào)相定義，PM波的2022/9/26 PM波表示式：波形分析見圖瞬時相位變化與u成正比；瞬時頻率的變化與u的微分成正比。與 u相差90。特點：uttt tu(t)(t)(t)mppc第一節(jié) 調(diào)角波的性質U(t)=Uccos(ct+o+m

5、pcost)2022/9/24 PM波表示式：波形分析見圖瞬時相位變化2022/9/26FM、PM波的比較第一節(jié) 調(diào)角波的性質FM波的表示式：u(t)=Uccos(ct+mfsint+o) PM波表示式：U(t)=Uccos(ct+o+mpcost)2022/9/24FM、PM波的比較第一節(jié) 調(diào)角波的性質F2022/9/261、調(diào)頻時：最大相偏mf1/ (f一定時)；最大頻偏fU ，與無關；2、調(diào)相時：最大相偏mpU ，(與無關)；最大頻偏在mp一定時，pmffmf=mpp=mp用曲線表示：f =KfUmp=KPUp第一節(jié) 調(diào)角波的性質值得強調(diào)的兩點差別:最大頻偏最大頻偏最大相偏最大相偏調(diào)頻時

6、：調(diào)相時2022/9/241、調(diào)頻時：mffmf=mpp=m2022/9/26 例6-1 設一組正弦調(diào)制信號，信號頻率最低為Fmin=300HZ,最高為3400HZ調(diào)制信號的幅度都一樣，調(diào)頻時，最大頻偏ff=75kHZ；調(diào)相時，最大相偏 mp=1.5rad/s試求：調(diào)頻時，mf的變化范圍；調(diào)相時，fp的變化范圍。解：1、調(diào)頻時： 調(diào)頻指數(shù)：mf=f/=ff/F (mf)max=ff/Fmin=75103/300=250rad/s (mf)min=ff/Fmax=75103/3400=22rad/s2、調(diào)相時： 最大頻偏：fp=mp(FminFmax)=1.5 (3003400)=4505100

7、HZ可見，調(diào)相時mp=kpU是不變的，但fpF第一節(jié) 調(diào)角波的性質可見，調(diào)頻時最大頻偏不變ff ，最大相偏變化mfF2022/9/24 例6-1 設一組正弦調(diào)制信號，2022/9/26二、調(diào)角信號的頻譜和有效帶寬(二)調(diào)角信號的頻譜FM：u(t)=UCcos(ct+mfsint+0)PM：u(t)=UCcos(ct+mpcost+0) 由u引起的相移相差/2，無本質區(qū)別。利用和角公式: u(t)=UCcos(msint)cos(ct+0)-sin(msint)sin(ct+0)在貝塞爾函數(shù)理論中有以下關系：cos(msint)=J0(m)+2J2(m)cos2t+2J4(m)cos4t+sin

8、(msint)=2J1(m)sint 2J3(m)sin3t +第一節(jié) 調(diào)角波的性質歸并成通式：u(t)=UCcos(ct+msint+0)2022/9/24二、調(diào)角信號的頻譜和有效帶寬利用和角公式:2022/9/26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 +J0(m)以m為宗數(shù)的第一類貝塞爾函數(shù)載頻分量的振幅系數(shù)Jn(m)以m為宗量的邊頻分量 nc的振幅系數(shù)由式可以看出調(diào)角波頻譜特點

9、：（1）頻率成分：c、cn，n=1,2,（2）邊頻分量的幅度：Un=UcJn（m） (3）相位：當n=奇數(shù)時，上、下邊頻相位相反；當n=偶數(shù)時，上下邊頻相位相同；第一節(jié) 調(diào)角波的性質2022/9/24所以 ,u(t)=UCJo(m）cos(2022/9/26當m，n為已知時，以m為變量的振幅系數(shù)可由貝塞爾函數(shù)曲線（P110圖6-4）或P110的表6-2查得。第一節(jié) 調(diào)角波的性質查表方法:當m=4時,由表6-2可查得J0(4)=-39.71% , J1(4)=-6.6% J2(4)=36.42%2022/9/24當m，n為已知時，以m為變量的振幅系數(shù)可由由曲線可知：當m為特定值時，載頻或某一邊頻

10、振幅為零。如： m=2.405 ； J0(m)=0利用此特點可用來測量頻偏和調(diào)制指數(shù)。 橫坐標為m；縱坐標為n,Jn(m)%表示振幅系數(shù)值，其正負、大小無規(guī)律。查表可知，當m變量相同時，結果與查表相同。查曲線方法:由曲線可知：橫坐標為m；縱坐標為n,查曲線方法:2022/9/26 （二）調(diào)角波的頻譜寬度窄帶調(diào)制（m1）。1窄帶調(diào)制（m1）完整的頻譜由U(t)式?jīng)Q定。理論上說，調(diào)角波的頻譜應是無限寬的，但能量大都集中在載頻附近的邊頻分量。在通信中，一般認為邊頻幅度小于載波幅度的10%即可忽略。第一節(jié) 調(diào)角波的性質2022/9/24 2寬帶調(diào)制（m1）第一節(jié) 其有效帶寬可表示為:B=2(m+1)

11、或 BHZ=2(m+1)F例如:當m=4，B=2(4+1)=10所以BHZ=2(75+15)=180KHZ(單聲道) ；立體聲為198kHZ一般廣播系統(tǒng)中選取BHz=200kHZ調(diào)頻廣播中規(guī)定最高頻偏fmax=75kHZ ；Fmax=15kHZ當信號為非簡諧信號時：由表6-2顯見，當n(m+1)時，邊頻幅度均小于載頻振幅的10%。絕大部分能量都集中在n(m+1)邊頻分量。其有效帶寬可表示為:B=2(m+1) 或 BHZ=22022/9/26應該指出：最大頻偏與頻譜寬度概念是不同的。最大頻偏：指在U的作用下，瞬時頻率偏離fc的最大值；頻譜寬度：則是獲得主要調(diào)制信號能量的頻率范圍。三、調(diào)制方式的比

12、較第一節(jié) 調(diào)角波的性質2022/9/24應該指出：最大頻偏與頻譜寬度概念是不同的。2022/9/26第一節(jié) 調(diào)角波的性質2022/9/24第一節(jié) 調(diào)角波的性質2022/9/26 第一節(jié) 調(diào)角波的性質2022/9/24 第一節(jié) 調(diào)角波的性質2022/9/26FM、PM的比較：第一節(jié) 調(diào)角波的性質綜合說：調(diào)角優(yōu)于調(diào)幅，而調(diào)頻又優(yōu)于調(diào)相。2022/9/24FM、PM的比較：第一節(jié) 調(diào)角波的性質綜2022/9/26一、調(diào)頻電路主要指標及實現(xiàn)方法（一）調(diào)頻器的主要技術指標（1）調(diào)制特性的線性：調(diào)頻波頻偏與調(diào)制電壓關系特性f=f(U)稱調(diào)制特性，即要求fu。（2）調(diào)制靈敏度：指單位調(diào)制電壓變化能產(chǎn)生的頻偏

13、S=f/u，S 越大越好。第二節(jié) 調(diào)頻方法及電路（3）載頻穩(wěn)定度：越高越好。載頻穩(wěn)定是保證正常通信的必要條件。（4）最大頻偏ff：在調(diào)制電壓作用下能獲得的最大頻偏。要求ff與 F 無關。(在整個波段內(nèi)保持不變)。相對頻偏ff /f c10-2時稱大頻偏：用于衛(wèi)星通信、微波中繼2022/9/24一、調(diào)頻電路主要指標及實現(xiàn)方法第二節(jié) 調(diào)2022/9/26(1)直接調(diào)頻：u變化 LC回路的 L或C變化 變化特點：簡單，頻偏ff大;但載頻fc的穩(wěn)定性較差。(因為變頻管偏置電壓漂移、溫度T變化fc變化) 第二節(jié) 調(diào)頻方法及電路（2）間接調(diào)頻: 首先u(t)dt 再調(diào)相 得調(diào)頻波 特點：fc穩(wěn)定，但ff小

14、。（二）調(diào)頻方法2022/9/24(1)直接調(diào)頻：第二節(jié) 調(diào)頻方法及電路（2022/9/26二、直接調(diào)頻電路（一）變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路電路如圖LCT等效回路C1為隔直電容 ;C2高頻旁路電容 ; RFC高頻扼流圈通直隔交; U調(diào)制電壓; -UB保證變?nèi)莨芄ぷ鞯姆聪蛑绷髌珘骸?UBUm Lc1RFC-UBUC2CT原理電路第二節(jié) 調(diào)頻方法及電路2022/9/24二、直接調(diào)頻電路LCT等效回路C1為隔直2022/9/26其中： 變?nèi)莨艿碾娙菡{(diào)制度U=0時的結電容將其代入得：u=UB+U=UB+Umcost由圖變?nèi)莨軆啥穗妷海旱诙?jié) 調(diào)頻方法及電路變?nèi)莨茈娙莓斖饧与妷?:u=0，CT=CT0（零偏

15、） ； UD為PN結內(nèi)建電位。2022/9/24其中： 變?nèi)莨艿碾娙菡{(diào)制度U=0時的2022/9/26回路振蕩頻率：若令電容指數(shù)n=2，則有 ：=C(1-mTcost) =C-mTC cost =C-mcost 其中：m=mTC為 FM波最大角頻偏。c=mcost 即cU(t)實現(xiàn)線性調(diào)頻。第二節(jié) 調(diào)頻方法及電路注意：對實際的變?nèi)荻O管，隨u而變，在一定的電壓范圍內(nèi)n=2；要得到線性調(diào)頻，調(diào)制信號電壓幅度不能太大。即c不能太大。否則，將出現(xiàn)非線性失真。2022/9/24回路振蕩頻率：若令電容指數(shù)n=2，則有 2022/9/26 為了避免高頻振蕩電壓對CT的影響，常用對稱直接調(diào)頻電路如圖：c1R

16、FCc2RFCUBURFCCTCTL對u ， UB來說，兩變?nèi)莨懿⒙?lián)；對高頻振蕩電壓，兩變?nèi)莨艽?lián)，相互補償、抵消。第二節(jié) 調(diào)頻方法及電路2022/9/24 為了避免高頻振蕩電壓對CT的影2022/9/26第二節(jié) 調(diào)頻方法及電路(二)石英晶體調(diào)諧振蕩器：實際電路見下圖：優(yōu)點：中心頻率穩(wěn)定性高（因為晶體振蕩器）缺點：頻偏小克拉潑振蕩器調(diào)節(jié)CT可調(diào)節(jié)振蕩頻率2022/9/24第二節(jié) 調(diào)頻方法及電路(二)石英晶體調(diào)諧1）間接調(diào)頻原理:u調(diào)頻波調(diào)相器晶體振蕩器CRu間接調(diào)頻原理框圖u(t)=Uccos(ct+o+mpcost)u(t)=Uccos(ct+mfSint+o)三、間接調(diào)頻電路（阿姆斯特朗系

17、統(tǒng)）先將調(diào)制信號積分;再去調(diào)相，所得結果就是FM波（如圖）FM波PM波1）間接調(diào)頻原理:u調(diào)頻波調(diào)相器晶體振蕩器CRu間接調(diào)2022/9/26用U去調(diào)相，其相偏(t)=kp u=（kp Umsint）/RC =（kfUm sint）/=mfsint(其中：kf=kp/RC，mf=kfUm/)則u 積分后：第二節(jié) 調(diào)頻方法及電路顯然，這與調(diào)頻波的瞬時相偏表示式完全一致， 所以可實現(xiàn)間接調(diào)頻。u調(diào)頻波調(diào)相器晶體振蕩器CRu間接調(diào)頻原理框圖若設: U= Umcost2022/9/24用U去調(diào)相，其相偏則u 積分后：第二2022/9/26 C1C3 隔直電容 -9V提供反偏直流。C4,R4 為積分器，

18、以獲得u L，CT組成并聯(lián)諧振回路當u =0時，CT=CTQ，f=fc，電路呈純阻。u CT 對載頻信號而言失諧，回路呈感性 U導前I。uCR1C1C2R2FM波LC4CTR4R3C3uI2)間接調(diào)頻電路：電路如圖第二節(jié) 調(diào)頻方法及電路-9V u CT 對載頻信號而言失諧，回路呈容性 U滯后I 所以u 改變 CT改變 改變，實現(xiàn)調(diào)相。u2022/9/24 C1C3 隔直電容 -2022/9/26第三節(jié) 限幅器問題：調(diào)角波中帶有的寄生調(diào)幅。原因：1）在調(diào)制過程中產(chǎn)生。如圖 2）在傳輸過程中產(chǎn)生。危害：對發(fā)射端功放、和接收端的解調(diào)都很不利。解決辦法：用限幅器來消除調(diào)角波的寄生調(diào)幅。限幅器的的組成：

19、 非線性元件 + 諧振回路削去幅值的變化除去新產(chǎn)生的諧波2022/9/24第三節(jié) 限幅器問題：調(diào)角波中帶有的寄生調(diào)常用的限幅器有：二極管限幅器、三極管限幅器、差分對限幅器。對限幅器的主要技術要求：（1）限幅區(qū)應具有平坦特性： 進入限幅區(qū)后，輸出電壓應維持在限幅值基本不變。（2）限幅門限要低： 進入限幅區(qū)時，對輸入電壓幅值要求越低越好。（3）進入限幅區(qū)之前： 應具有盡可能高的線性放大系數(shù)。常用的限幅器有：對限幅器的主要技術要求：一、晶體二極管限幅器1.組成：如圖RD2RLuiuoD1參數(shù)滿足： r d RRLD1 D2參數(shù)：導通電阻為 r d 導通電壓UD1) |ui|UD時：輸出電壓：r d

20、Ut時：2)當ui繼續(xù)增大時：如圖正弦波成為方波。特點：1）門限電壓低，可降低對前一極增益的要求。 2） Re用恒流源代替，易于集成。ReLupuo-EeCui+ECiCZ iCZ ui 傳輸特性具有限幅作用iCZ波形上下被削平。三、差分對限幅器1.組成：如圖1) 當ui Ut時：2)ui0uiUtiCZiCZmaxiCZt0ui0uiUtiCZiCZmaxiCZt02022/9/26第四節(jié) 鑒頻器 鑒頻器 -實現(xiàn)FM波解調(diào)的裝置 實現(xiàn)鑒頻方法有三種：（1）將等幅的FM波變換成振幅與調(diào)頻波頻率成正比的FM-AM波，再進行振幅檢波，得到u。 優(yōu)點是：電路簡單可靠，應用最廣泛。（2）利用移相器，得

21、到與調(diào)頻波的 f 變化成正比的FM-PM波，再通過鑒相器檢出u。 優(yōu)點是：性能好，便于集成，是發(fā)展方向。（3）利用計過零點脈沖數(shù)目的方法，稱脈沖計數(shù)式鑒頻器。 優(yōu)點是：線性好，但 f 受限。2022/9/24第四節(jié) 鑒頻器 鑒頻器 -實現(xiàn)FM波解2022/9/26即鑒頻器輸出電壓 U與調(diào)頻信號的頻率 f 之間的關系；BUff0鑒頻器的主要質量指標：（1）鑒頻跨導gD （亦稱鑒頻靈敏度）鑒頻器的主要特性是鑒頻特性：鑒頻特性曲線它的形狀象S形，又稱S曲線。表示單位頻偏能產(chǎn)生輸出電壓的大小。gD越大，S越陡，靈敏度越高。（2）頻帶寬度B：指S曲線的線性范圍；B=2fmax。fmax為FM波的最大頻偏

22、（3）非線性失真：B內(nèi)S曲線為直線，無非線性失真，要求鑒頻器工作在B內(nèi)。gD靈敏度高但B；反之BgD，必須兼顧。2022/9/24即鑒頻器輸出電壓 U與調(diào)頻信號的頻率 f2022/9/26基本思想：FM波FM-AM波up 經(jīng)檢波峰包檢波變換器ttttupupupuLu 優(yōu)點：簡單缺點：線性范圍窄；大時失真嚴重。UL原理：Up曲線如圖0c輸入FM波的C0；處于失諧狀態(tài)。一、斜率鑒頻器1單斜率鑒頻器：如圖：0DCCLRLLupuui2022/9/24基本思想：峰包檢波變換器ttttupu2022/9/262.平衡斜率鑒頻器R1R2C3C4D2C1C2L1L2LCD112u up2u2u1up1要求

23、：D1=D2 C3=C4 R1=R2, 0(2)工作原理初級回路調(diào)諧于0 = c ；兩次級回路分別調(diào)諧于1 、2 ； 且200時：、0U2導前U1小于900 0時：、0U2導前U1大于9002022/9/24根據(jù)：UD1UD2U1UD1UD2U1UD2022/9/26U0由此得到S曲線：當很高嚴重失諧時，使U1、U2U出現(xiàn)拐點的原因：峰包檢波后： U 隨 f 變化的規(guī)律而變化；實現(xiàn)了鑒頻。Ut相位鑒頻器的優(yōu)點：電路簡單，線形較好，靈敏度較高。 缺點：工作頻帶較窄。2022/9/24U0由此得到S曲線：出現(xiàn)拐點的原因：2022/9/26 移相器作用：把FM信號變換為PM信號。相位檢波器：由乘法器構成，把U1、U2的相位差檢出。最大優(yōu)點：適合于集成化，因而有發(fā)展前景。（一）工作原理： 如 框圖：常用的移相器如圖：C1LCU1U2R限幅器移相器相位檢波器低通濾波器uiu1u2u四、符合鑒頻器下面分析移相器的波形變換原理：2022/9/24 移相器作用：把FM信號變換2022/9/26相位檢波過程：電壓平均值=面積/2顯然U與（U1U2的相位差）成線性關系。第四節(jié) 鑒頻器KmU1U2u0tu2u1U1U2tt234紅陰影面積藍陰影面積2)相乘后得到幅值為：U0=KmU1U2 的波形u0仍近似為脈沖波形。1)FM波經(jīng)限幅放大后，