高頻電子技術-朱小祥課件第6章 角度調制與解調

知識目標

通過本章學習，應熟練掌握調角信號的表示式、波形、頻譜、帶寬、功率以及調頻信號和調相信號的關系。掌握調頻信號的產生方法；了解直接調頻，間接調頻的原理；掌握變容二極管直接調頻電路的工作原理和性能分析，晶體振蕩器直接調頻工作原理和擴展頻偏的方法；了解變容二極管間接調頻電路原理；掌握波形變換法、乘積型相位檢頻器和疊加型相位檢頻器等調解方法和電路組成。能力目標

能力目標知識要點相關知識權重自測分數(shù)角度調制的概念及信號的表達方式、調角波的頻譜結構、分類調頻信號與調相信號原理及相互比較調頻與調相波形區(qū)別30%變容二極管調頻電路的組成及電路分析、調頻波的解調方法及組成變容二極管調頻電路工作原理及解調調頻原理及其電路應用40%斜率鑒頻器和相位鑒頻器的電路組成及工作原理鑒頻電路工作原理調相原理及其電路應用30%（a）調頻收音機（b）電視機伴音圖6-1調頻信號解調設備

圖6-2全自動衛(wèi)星通信天線系統(tǒng)組成

6.1概述角度調制是頻率調制和相位調制的合稱，是用調制信號控制載波信號的頻率或相位來實現(xiàn)調制的。如果載波信號的瞬時頻率隨調制信號線性變化則稱頻率調制(簡稱調頻FM)。如果載波信號的瞬時相位隨調制信號線性變化則稱相位調制(簡稱調相PM)。由于調頻或調相的結果都可以看作是載波總相位的變化，故又把調頻FM和調相PM統(tǒng)稱為角度調制。與幅度調制不同，角度調制在頻譜變換過程中，信號的頻譜不再保持調制信號的頻譜結構，所以常把角度調制稱為非線性調制，而把幅度調制稱為線性調制。

角度調制信號與幅度調制信號相比，要占據更多的頻帶寬度，但角度調制信號具有較好的抗干擾能力。在不增加信號發(fā)射功率的前提下，用增加帶寬的方法可以換取高質量通信信號。因此，角度調制在通信系統(tǒng)中得到廣泛的應用。圖6-3給出了調幅、調頻和調相三種信號的波形。

圖6-3調幅、調頻和調相波形與幅度調制信號制相比，角度調制信號具有以下優(yōu)點。

1．抗干擾能力強2．設備的功率利用率高3．角度調制信號傳輸保真度高6.2調頻信號與調相信號6.2.1調頻信號設載波信號表達式為

為簡化分析，令＝0

設調制信號為根據調頻的定義，載波信號的瞬時頻率隨調制信號線性變化，可寫出

為與調頻電路有關的比例常數(shù)，單位是rad／s.v,又稱為調頻靈敏度。

表示瞬時頻率的線性變化部分，稱為瞬時頻偏，簡稱角頻偏。

用表示其最大值，則

表示瞬時角頻率偏離中心頻率的最大值。

習慣上把最大角頻偏稱為角頻偏。

根據瞬時相位與瞬時角頻率的關系可知，對式(6-3)積分可得調頻波的瞬時相位：

式中

表示調頻波瞬時相位與載波信號相位的偏移量，簡稱相移。調頻波的數(shù)學表達式為

以上分析表明，在調頻時，瞬時角頻率的變化與調制信號成線性關系，瞬時相位的變化與調制信號積分成線性關系。

設調制信號為：

代入上面表達式可得瞬時角頻率

瞬時相位

調頻信號數(shù)學表達式

式中，

為調頻波的最大相移，又稱調頻指數(shù)。

值可大于1如圖6-4所示，給出了調制信號、瞬時頻偏、瞬時相偏、對應的波形圖。圖6-4調頻信號的波形圖

6.2.2調相信號設載波信號和調制信號分別為：

根據調相波定義，載波信號的瞬時相位隨調制信號線性變化，即

式中，為與調相電路有關的比例常數(shù)，稱為調相靈敏度，單位是rad／v。

令，則表示瞬時相位中與調制信號成線性變化的部分，稱為瞬時相位的相位偏移量，簡稱相移。用表示最大相移，則稱為調相波的調相指數(shù)。

根據瞬時頻率和瞬時相位之間的關系，對式(6-12)兩邊求導，可得調相波的瞬時頻率

令，稱為調相波的頻偏或頻移。

調相波數(shù)學表達式為

將調制信號分別代入式(6-12)、(6-14)、(6-15)得調相波相移

角頻偏

數(shù)學表達式

式中為調相波的最大相移，又稱為調相指數(shù)。

圖6-5調相波的波形圖6.2.3調頻與調相信號的比較1．無論是調頻波還是調相波，它們的瞬時頻率和瞬時相位都隨時間發(fā)生變化，但變化的規(guī)律不同。

調頻時，瞬時頻偏的變化與調制信號成線性關系，瞬時相偏的變化與調制信號的積分成線性關系，即

調相時，瞬時相偏的變化與調制信號成線性關系，瞬時頻偏的變化與調制信號的微分成線性關系，即

2．調頻波和調相波的最大角頻偏和調制系數(shù)均與調制幅度成正比，但它們與調制角頻率Ω的關系則不同。

調頻波的最大角頻偏與調制角頻率Ω無關，調制系數(shù)與調制角頻率Ω成反比；調相波的最大角頻偏與調制角頻率Ω成正比，調制系數(shù)與調制角頻率Ω無關，即

調頻時：

調相時：

比較調頻波和調相波的數(shù)學表達式及其基本性質，可以畫出實現(xiàn)調頻及調相的方框圖，如圖6-6所示。圖6-6調頻及調相方框圖

6.2.4調頻波的頻譜與頻帶寬度1．調角信號的頻譜調頻波和調相波的數(shù)學表達式基本上是一樣的，由調制信號引起的附加相移是正弦變化還是余弦變化并沒有根本差別，兩者只是在相位上相差。因此，只要用調制指數(shù)m代替相應的或，它們就可以寫成統(tǒng)一的調角表達式，即

根據三角函數(shù)公式，

在貝塞爾函數(shù)理論中，存在下列關系式

式中是n階第一類貝塞爾函數(shù)，將式（6-29）、（6-30）帶入式（6-28）中

根據上式繪出的貝塞爾函數(shù)曲線如圖6-7所示，可以得出調角波頻譜的特點：

1）單頻率調制的調角波，有無窮多對邊頻分量，對稱的分布在載頻兩邊，各頻率分量的間隔為F。所以FM，PM實現(xiàn)的是調制信號頻譜的非線性搬移。

2）各邊頻分量振幅為，由對應的貝塞爾函數(shù)確定。奇數(shù)次分量上下邊頻振幅相等，相位相反；偶數(shù)次分量上下邊頻振幅相等，相位相同。

3）由貝塞爾函數(shù)特性知：對應于某些m值，載頻和某些邊頻分量為零，利用這一點，可以將載頻功率轉移到邊頻分量上去，使傳輸效率增加。

4）當一定時，調角信號的平均功率與調制指數(shù)m無關，其值等于未調制的載波功率，改變m僅使載波分量和各邊頻分量之間的功率重新分配，而總功率不變。

圖6-7貝塞爾函數(shù)曲線

圖6-8所示為在調制信號頻率相同、載波相同的情況下，其調制指數(shù)m分別為1、2.4和5時調角波的頻譜圖。從圖中可以看出，m越大，具有較大振幅的邊頻分量就越多，并且某些邊頻分量的振幅超過了載波分量的幅度。

圖6-8調角信號頻譜圖2．調角信號的帶寬理論上，調角信號的帶寬為無限寬，但通常規(guī)定振幅小于載頻振幅10%的邊頻分量都略去，即。可以證明，當n>(m+1)時，的數(shù)值都小于0.1。

所以調角波頻譜的寬度為

當m遠小于1時：BW=2F（窄帶調角信號）；

當m遠大于1時：BW≈2mF=2（寬帶調角信號）。

6.3調頻原理及其電路6.3.1調頻實現(xiàn)方法由調頻波和調相波的表達式可以看出，無論是調頻或調相，都是使載波瞬時相位發(fā)生變化。說明二者之間可以相互轉化的。圖6-9給出了調頻信號產生的兩種方法。圖6-9（a）為直接調頻法圖6-9（b）為間接調頻法。

（a）直接調頻（b）間接調圖6-9調頻信號產生原理方框圖

1.直接調頻法直接調頻是用調制信號直接控制載波振蕩器振蕩元件的參數(shù)，如控制振蕩回路的電容（或電感）,使振蕩頻率隨調制信號變化而變化，從而產生調頻波的方法。目前廣泛采用的是變容二極管直接調頻電路，這種電路簡單，性能良好。變容二極管是利用PN結的結電容隨反向電壓變化這一特性制成的一種壓控電抗元件。電路符號和特性曲線如圖6-10所示。當變容二極管工作于反向偏壓狀態(tài)時，由特性曲線可知，變容二極管的結電容隨外加反向偏置電壓變化而變化。若將變容二極管接入LC正弦波振蕩器的諧振電路中，則可實現(xiàn)直接調頻。

如圖6-11所示為變容二極管直接調頻原理圖。

圖6-10變容二極管符號和特性曲線圖5-11變容二極管直接調頻原理圖

2.間接調頻法由于調頻信號與調相信號之間存在一定的聯(lián)系，若先將調制信號積分，再加到調相器對載頻信號調相，則從調相器輸出的便是對調制信號而言的調頻信號。圖6-12所示為間接調頻原理框圖，這種利用調相器實現(xiàn)調頻的方法稱為間接調頻法?？梢?，實現(xiàn)間接調頻的關鍵電路是調相器。

圖6-12間接調頻法原理框圖

6.3.2調頻電路1．調頻電路的質量指標1）調制特性是指調頻波頻率偏移與調制電壓之間的關系曲線。要求它們之間呈線性關系。曲線的線性范圍越寬，實現(xiàn)線性調頻的范圍也越寬，最大頻偏也越大。

2）調制靈敏度單位調制電壓所產生的頻率偏移大小稱為調制靈敏度。提高靈敏度，可提高調制信號的控制作用。

3）中心頻率穩(wěn)定度調頻波的中心頻率就是載波頻率。雖然調頻信號的瞬時頻率隨調制信號變化。但要求調頻電路中心頻率要有足夠的穩(wěn)定度。例如，調頻廣播發(fā)射機，要求中心頻率頻移不超出±2kHz。

4）頻偏是指在正常調制電壓作用下，所能達到的最大頻率偏移量。它是根據對調頻指數(shù)的要求確定的，要求其數(shù)值在整個調制信號所占有的頻帶內保持穩(wěn)定。

2．變容二極管直接調頻電路1）變容二極管饋電電路圖6-13變容二極管饋電電路

（a）直流饋電等效電流(b)調制信號饋電等效電路圖6-14變容二極管饋電等效電路

2）變容二極管直接調頻電路圖6-15變容二極管直接調頻電路圖6-16變容二極管直接調頻交流等效電路

3）晶體振蕩器直接調頻電路圖6-17晶體振蕩器調頻電路圖5-18晶體振蕩器調頻電路交流等效電路4）變容二極管間接調頻間接調頻的基本方法是：先對調制信號積分，將積分后的信號加到調相器對載波調相，從調相器輸出的便是對調制信號而言的調頻信號。

圖6-19變容二極管間接調頻電路6.4鑒頻器調頻信號的解調稱為頻率檢波，也稱鑒頻；調相信號的解調稱為相位檢波，也稱鑒相。它們的作用是分別從調頻信號和調相信號中檢出原調制信號。

6.4.1鑒頻概述1.鑒頻特性及鑒頻的實現(xiàn)方法1）鑒頻特性圖6-20鑒頻特性曲線

通常將鑒頻特性曲線在中心頻率處的斜率稱為鑒頻靈敏度（也稱鑒頻跨導），即

的單位為V／Hz。鑒頻特性曲線越陡峭，就越大，表明鑒頻電路將輸入信號頻率變化轉換為電壓變化的能力就越強。

為了不失真地解調，要求鑒頻特性在附近應有足夠寬的線性范圍，用2表示，如圖6-20所示。要求2應大于調頻信號的最大頻偏的兩倍，即2＞2。2也稱為鑒頻電路的帶寬。

2）鑒頻的實現(xiàn)方法

⑴斜率鑒頻器

實現(xiàn)模型如圖6-21所示。先將等幅調頻信號送入頻率—振幅線性變換網絡，變換成幅度與頻率成正比變化的調幅一調頻信號，然后用包絡檢波器進行檢波，還原出原調制信號。

圖6-21斜率鑒頻器實現(xiàn)模型

⑵相位鑒頻器

實現(xiàn)模型如圖6-21所示。先將等幅調頻信號送入頻率—振幅線性變換網絡，變換成幅度與頻率成正比變化的調幅一調頻信號，然后用包絡檢波器進行檢波，還原出原調制信號。

圖6-22相位鑒頻器實現(xiàn)模型

⑶脈沖計數(shù)式鑒頻器

實現(xiàn)模型如圖6-23所示。先將等幅的調頻信號送入非線性變換網絡，將它變?yōu)檎{頻等寬脈沖序列，該等寬脈沖序列含有反映瞬時頻率變化的平均分量，通過低通濾波器就能輸出反映平均分量變化的解調電壓。

圖6-23脈沖計數(shù)式鑒頻器實現(xiàn)模型⑷鎖相鑒頻器

利用鎖相環(huán)路進行鑒頻，這種方法在集成電路中應用甚廣，鎖相鑒頻器工作原理將在后面鎖相環(huán)路中介紹。6.4.2斜率鑒頻器1.基本原理（a）變換網絡（b）調頻信號變?yōu)檎{幅－調頻信號（c）單失諧回路鑒頻器圖6-24斜率鑒頻器工作原理2.雙失諧回路斜率鑒頻器（a）電路（b）電壓諧振曲線（c）鑒頻特性圖6-25雙失諧回路斜率鑒頻器

3．集成斜率鑒頻器電路（a）鑒頻器電路（b）頻幅變換網絡電抗曲