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1、第5章角度调制与解调电路,5.1概述 5.2角度调制 5.3调频电路 5.4调频波的解调 5.5角调制与解调电路的制作、调试和检测,5.1概述,图5-1信号传输方式除了前面介绍的振幅调制外.还有角度调制。角度调制包括频率调制和相位调制两种方式。频率调制(Frequency Modulation, FM)是用调制信号去控制高频载波的频率.使高频载波的瞬时频率按调制信号的规律变化;相位调制(Phase Modulation, PM)是用调制信号去控制高频载波的相位.使高频载波的瞬时相位按调制信号的规律变化。在这两种调制过程中.载波信号的振幅都保持不变.而频率和相位的变化都表现为总相角的变化.因此.
2、把调频和调相统称为角度调制。 角度调制的特点是抗干扰能力强、效率高、耗电少。调频常用于调频广播、电视广播、通信及遥感等方面;调相常用于数字通信以及实现间接调频等方面。,返回,5. 2角度调制,5 .2.1调频信号的数学分析 在进行频率调制时.高频正弦载波的频率将不再是恒定不变的、产而是随着调制信号的大小变化随时改变的。当调制信号幅度增大时.瞬时频率随之增高;当调制信号幅度减小时.瞬时频率随之下降;当调制信号为零时.瞬时频率恢复到载波频率wc 。这里载波频率wc称为调频信号的中心频率。 调频波的瞬时频率可以表示为 w(t)的最大值称为最大频偏.用wm表示.即,下一页,返回,5. 2角度调制,单音
3、调制时.对于调频信号.它的w(t)为 (5-8) 式(5-8)表明.频偏与调制信号的振幅成正比.而与调制信号的频率无关。这是调频波的基本特征之一。 将式(5-8)代入式(5一5)即可得到调频信号的数学表达式为 若初相角=0则得,下一页,上一页,返回,5. 2角度调制,因此.调频波的数学表达式为 5.2.2调相信号的数学分析 调相时.载波高频振荡信号的瞬时相位随调制信号线性变化。总的瞬时相角可表示为 (5-13),下一页,上一页,返回,5. 2角度调制,(t)的最大值叫做最大相移也称为调相系数用mp表示即 在单音调制时.调相系数mp为 (5-14) 将式(5-13)代入式(5-6)中并设初相角
4、=0 ,可得调相波的数学表达式为 调相波形随调制信号的变化情况如图5-4所示,下一页,上一页,返回,5. 2角度调制,为便于比较.将调频信号和调相信号的基本特征列于表5-1中。 5. 2. 3调角信号的频谱和频谱宽度 1.调角信号的频谱 调频波和调相波的形式类似.其频谱也类似.下面以调频波的频谱分析为例.进一步了解调角信号的特点和频谱宽度。 为此.把式(5-12)用三角公式展开.可得,下一页,上一页,返回,5. 2角度调制,得到单音调制调频信号的完全展开式.即,下一页,上一页,返回,5. 2角度调制,为了便于直观地理解角度调制中频谱的变换.图5-6绘出了不同mf值时调频信号的频谱图。 2.调角
5、信号的频谱宽度 从理沦上说.调角信号的边频分量有无限多对.也就是说.它的频谱是无限宽的。一路信号要占用无限宽的频带.通常不是希望的。实际上.已调信号的能量的绝大部分集中在载频及其附近的一些边频中。对于每一调频系数mf ，从某一边频起.它的幅度便非常小.以致滤去这些边频分量不会引起已调信号的波形产生明显的失真。,上一页,返回,5. 3调频电路,5. 3. 1直接调频电路 1.变容二极管直接调频电路 1)变容二极管 变容二极管是一种特殊的二极管.取其结电容Cj随外加电压的变化而制成。变容二极管两端对外呈现的电容量Cj与加在二极管两端的反向电压uD的关系是,下一页,返回,5. 3调频电路,变容二极管
6、的电路符号以及Cj-uD的关系如图5一9所示。 2)变容二极管调频原理 现在将变容二极管作为LC振荡器回路的总电容.如图5-10(a)所示.振荡频率等于由回路电感五和回路电容Cj所决定的谐振频率.即 若取 则,下一页,上一页,返回,5. 3调频电路,将式(5-26)代入式(5-25)中.得到振荡频率随U (t)变化的表达式.即 式中,fc是u (t) =0时的振荡器的振荡频率.即载波频率.也称为调频波的中心频率。若r=2.则,下一页,上一页,返回,5. 3调频电路,可见.振荡频率的变化量与调制信号成正比.由此实现了线性的调频.而且可以获得较大的最大频偏.其值为 2.电抗管直接调频电路 电抗管电
7、路通常是由一只晶体管或场效应管与电抗和电阻元件构成的移相网络所组成的.可等效为一个电抗元件(电感或电容)。不过.它与普通的电抗元件不同.其参量可以随调制信号而变化。所以.将电抗管接入振荡器的谐振回路.在低频调制信号控制下.电抗管的等效电抗就会发生变化.使振荡器的瞬时振荡频率随调制电压而变.从而获得调频波。,下一页,上一页,返回,5. 3调频电路,图5-13是场效应管电抗管调频原理图。 3.非正弦波产生器直接调频电路 方波和三角波等非正弦波产生器又称为弛张振荡器。如果用调制信号u(t)控制弛张振荡器的振荡频率(非正弦信号的频率又叫重复频率).使其跟随着u(t)变化.则可得到非正弦波调频信号。在实
8、际应用中主要是方波调频信号和三角波调频信号.图5-15所示为方波受调制信号控制后频率的变化规律.即调频方波信号的波形。 方波和三角波调频电路不需要电感元件.因此易于集成化.故集成频率调制器多采用这种调制。图5-16所示为集成频率调制器中常用的射极稠合方波振荡器原理电路。,下一页,上一页,返回,5. 3调频电路,5. 3. 2间接调频电路 若先对调制信号u (t )进行积分.再用积分结果去调相.最后得到的同样是调频信号.这就是间接调频。实现间接调频的关键是选择合适的调相电路.目前常用的调相电路有可变移相电路和可变延时电路。 1.可变移相法调相电路 典型的单回路相位调制电路如图5-17(a)所示。
9、 由于并联谐振回路相移特性的线性范围很小.这种间接调频电路得到的线性频偏也很小.为了获得较大的频偏.可以采用多个并联谐振调相回路级联。图5-17(b)所示的是三级级联调相电路.各级间采用1pF小电容藕合.以减小各回路之间的相互影响。每个回路的Q值由22k电阻调节.以使3个回路产生相同的相移.这样电路总相移近似为3个回路各自相移之和。,下一页,上一页,返回,5. 3调频电路,2.可变延时法调相电路 可变延时法调相主要用于脉冲振荡信号的相位调制中.脉冲相位调制又称为脉冲位置调制.其原理框图如图5-18所示。,上一页,返回,5. 4调频波的解调,5. 4. 1相位检波电路 从调角波中恢复原来调制信号
10、的过程称为解调.完成解调的电路叫做解调器。通常调相波的解调电路称为相位检波器.也叫鉴相器。它用来检出两个信号之间的相位差.完成相位差一电压的变换作用。相位鉴频器的组成方框图如图5-2 0所示。由方框图可见.相位鉴频器由具有频率一相位变换特性的线性网络和相位检波器两个基本部分组成。 1.互感搞合相位检波电路 图5-21(a)所示为互感藕合相位鉴频器的原理图。 2.电容搞合相位检波电路 为了便于调整初、次级回路之间的藕合量.可以采用如图5一25所示的电容藕合相位鉴频器。 与互感藕合相位鉴频器相比.其主要区别有以下3点。,下一页,返回,5. 4调频波的解调,(1)初、次级回路线圈是各自屏蔽的.相互之
11、间无磁藕合存在.初、次级回路线圈之间仅通过电容C3进行藕合.次级回路电压 是由初级回路电压 通过C0的藕合作用得到的。 (2)将两个检波电路的两个负载电阻和旁路电容合成一个.并将中心接地改为单端接地。 (3)取消了作为直流通路的电感L3而增加了与检波管并联的电阻R1, R2作为检波负载。这两个电阻可作为泄放C3上电荷的直流通路。,下一页,上一页,返回,5. 4调频波的解调,3.比例鉴频器 在通信系统中.由于干扰、噪声及处理信号的许多电路(如放大器)的幅频特性并不都是水平的.这些都将引起调频信号的幅度变化.解调前的调频信号将不再是等幅信号.这种现象叫寄生调幅.寄生调幅会造成鉴频器出现非线性失真。
12、所以.相位鉴频器的输入端通常要接一个限幅电路.如三极管限幅放大器等.使 变成等幅调频信号。 比例鉴频器是互感藕合相位鉴频器的一种变形电路.它具有自动限幅功能.不需要外接专门的限幅电路.因此电路结构比互感藕合相位鉴频器简单。 图5-27 (a)所示是比例鉴频器的基本电路。可以看到.它也是由两部分组成的,即变换器和相位检波器。,下一页,上一页,返回,5. 4调频波的解调,5.4.2频率检波电路 频率检波又称鉴频.用来检出输入调频波中的频率随调制信号变化的规律.完成频率一电压的变换作用。完成这种作用的电路称为频率检波电路或鉴频电路。 1.抖率鉴频器 斜率鉴频器又称为失谐回路鉴频器.按谐振回路的数目可
13、分为单失谐回路鉴频器和双失谐回路鉴频器。斜率鉴频器的基本工作原理是利用波形变换电路将等幅调频波变换成调频一调幅波.然后利用包络检波器检出幅度的变化成分完成解调。在这里.波形变换是利用LC并联谐振回路工作在非谐振状态来实现的。,下一页,上一页,返回,5. 4调频波的解调,1)单回路斜率鉴频器 图5-29(a)所示的是单回路斜率鉴频器的原理电路. 2)双回路斜率鉴频器 双回路斜率鉴频器原理电路如图5-30所示 2.脉冲计数式鉴频器 这种鉴频器的工作原理与前面几种鉴频器不同。由于这种鉴频器是利用计过零点脉冲数目的方法实现的.所以叫做脉冲计数式鉴频器。它的突出优点是线性好、频带很宽.因此得到了广泛应用
14、.并可做成集成电路。 它的基本原理是将调频波变换为重复频率等于调频波频率的等幅等宽的脉冲序列.再经低通滤波器取出其直流平均分量.原理方框图和波形图分别如图5-3 2和图5-33所示。,上一页,返回,5. 5角调制与解调电路的制作、 调试和检测,1.变容二极管调频振荡器电路 1)制作电路 制作电路图5-34所示。 2)电路的检测与调试 (1)静态调制特性测试。 (2)动态测试(需利用相位鉴频器作辅助测试)。,下一页,返回,5. 5角调制与解调电路的制作、 调试和检测,2.相位鉴频器电路 1)制作电路 制作电路如图5-35所示。 2)鉴频器电路的调试和检测 (1)用扫频仪调整鉴频器的鉴频特性。 (
15、2)调整波形变换电路的回路频率。 (3)调整鉴频特性S形。 (4)用高频信号发生器逐点测出鉴频特性。,上一页,返回,表5-1调频信号和调相信号的基本特征,返回,图5-1角度调制波形图样,返回,图5-4调相时波形示意图,返回,图5-6调频信号在不同mf值时的频潜,返回,图5-9变容二极管结电容的变化规律,返回,图5-10变容二极管作为回路电容,返回,图5-13场效应管电抗管调频原理图,返回,图5一15调频方波信号,返回,图5一16射极藕合力波振荡器原理,返回,图5一17变容二极管调相电路,返回,图5-18脉冲相位调制原理框图,返回,图5-20相位鉴频器的组成方框图,返回,图5一21互感藕合相位鉴频器 原理电路及其等效电路,返回,图5-25电容藕合相位鉴频器,返回,图5-27比例鉴频器,返回,图5-29单回路斜率鉴频器原理电路 及波形,返回,图5一30双回路斜率鉴频器原理图,返回,图5-32脉冲计数式鉴频器方框图,返回,图5-33脉冲计数式鉴频器波形图,返回,图5-34变容二极管调频振荡器,返回,图5-35鉴频器,返回,
