通信电子电路 第六章 第1～4节教学材料

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1、6.1 引 言 6.2 调角波的性质 6.3 调频信号的产生 6.4 调频电路 6.5 调频信号的解调 6.6 限幅器 6.7 调制方式的比较 6.8 集成调频、鉴频电路芯片介绍,本章内容,本章重点与难点,（一）本章重点 1）调频的概念以及调频信号的基本性质及特点 2）变容二极管调频电路及典型电路分析； 3）电抗管调频电路及典型电路分析； 4）晶体振荡器调频电路； 5）调频信号的产生及调频波的频谱； 6）鉴频的概念，相位、比例鉴频器。 （二）本章难点 1）调相的概念与调相波形 2）相位鉴频器,一个固定频率的等幅载波 载波信号的幅度； 载波信号的角频率； 载波信号的初相角。 在时间间隔 内， 相

2、角改变 ， 当t足够小时，角频率就是 (6-3),二、调频和调相统称为调角的原因,用旋转矢量在横轴上的投影表示高频信号， 有 （6-4） 将式（6-3）代入式（6-4）中得 （6-5） 这说明了无论角频率的变化或相角的变化都可以归结为式（6-5）中载波角度 也即 的变化，这正是调频与调相统称“角度调制”的原因。,图6-3 调频波的波形示意图 图6-4 调相波的波形示意图,6.2 调角波的性质,一、调频及其数学表示式 二、调相及其数学表达式 三、调频与调相的关系 四、调角波的频谱 五、调角信号的频带宽度 六、调角信号频谱与调制信号的关系,一、调频及其数学表示式,设调制信号为,载波信号为,（6-7

3、）,是由调制信号 所引起的角频率偏移，称频偏或频移。它与调制信号成正比，调频时，载波高频振荡的瞬时频率随调制信号 呈线性变化，其比例系数为Kf 即,式中， 是最大频偏。,将式（6-7） 代入式（6-5） 就得到调频信号的数学表达式，即有,（6-8）,的最大值称为最大频偏，用 表示。,叫调频波的调制指数，以符号mf 表示 它是最大频偏与调制信号角频率之比。mf 值可以大于1（这与调幅波不同，调幅指数总是小于1的）。所以调频波的数学表达式为 （6-11）,若,二、调相及其数学表达式,对于调相波，其瞬时相位除了原来的载波相位 外，又附加了一个变化部分，这个变化部分与调制信号成比例关系，因此总的相角可

4、表示为 （6-12） 称为调相指数，以符号 mp 表示， 即 将式（6-12） 代入式,（6-14）,图6-3 调频波的波形示意图 图6-4 调相波的波形示意图,三、调频与调相的关系,1) 两者在相位上相差 ? 2) 调制指数 调频时调制指数， 与调制信号的振幅成正比，而与调制频率成反比。 调相时调制指数，它与调制信号的振幅成正比，而与调制频率无关。,3)最大频率偏移的比较 调频时，它的最大频偏 与调制信号的振幅成正比，而与调制信号 频率无关。 调相时的最大频偏 不仅与调制信号的振幅成正比，而且还和调制 信号的角频率成正比。 调相时，因调相波相位变化，必然产生频率变化。此时角频率的瞬时值为,图

5、6-5 和 随 的变化关系,四、调角波的频谱与有效频带宽度,设 ，得,第一对边频,第二对边频,第三对边频,载频,这里，n 均取正整数， 是以mf 为参量的n阶第一类贝塞尔函数， 、 等分别是以mf 为参量的零阶、一阶、二阶第一类贝塞尔函数。 它们的数值可以查有关贝塞尔函数曲线（贝塞尔函数值与参量的关系）,或直接查表。,图6-6 贝塞尔函数曲线,调角信号的有效频带宽度,1) 理论上，调角信号的边频分量是无限多的，也就是说，它的频谱是无限宽的。 2) 实际上，已调信号的能量绝大部分是集中在载频附近的一些边频分量上，从某一边频起，它的幅度便非常小。工程上习惯，凡是振幅小于未调制载波振幅的10%的边频

6、分量可以忽略不计。,有效的高低边频的总数等于 个， 因此调频波的频谱有效宽度（频带宽度）为 ( 适用于mf1的情况，也就是宽带调频) 对于mf1,窄频带调频频谱宽度为,五、调角信号频谱与调制信号的关系,1. 保持 固定，改变 时 1) 当 （窄频带调频） 2) 当 增大时（即调制信号加强时），边频数目增多而频带加宽。这与调幅波的频谱结构有着根本的区别。,2. 保持 固定，改变 时(固定 ，改变F ) 调频指数： 边频数： 频带宽度：,调频波和调相波的平均功率与调幅波一样，也为载波功率和各边频功率之和。由于调频和调相的幅度不变，所以调角波在调制后总的功率不变，只是将原来载波功率中的一部分转入边频

7、中去。所以载波成分的系数 小于，表示载波功率减小了。,六、调角波的功率,单音调制时，调频波和调相波的平均功率可由式（6-21）求得，此处调制系数的下角标略去，即 利用贝塞尔函数的性质，则调频波和调相波的平均功率为 可见，调频波和调相波的平均功率与调制前的等幅载波功率相等。,6.3 调频信号的产生,一、调频方法调频的方法和电路很多，最常用的可分为两大类：直接调频和间接调频。 1.直接调频：就是用调制电压直接去控制载频振荡器的频率，以产生调频信号。 例如：被控电路是振荡器，那么，它的振荡频率主要由振荡回路电感与电容 C 的数值来决定。,若在振荡回路中加入可变电抗，并用低频调制信号去控制可变电抗的参

8、数，即可产生振荡频率随调制信号变化的调频波。 其调频电路原理，如图6-9所示。 在实际电路中，可变电抗元件的类型有许多种，如变容二极管、电抗管、晶体振荡器、锁相环调频等，所以直接调频的方法很多。,2.间接调频 就是保持振荡器的频率不变，而用调制电压 去改变载波输出的相位，这实际上是调相。由于调 相和调频有一定的内在联系，所以只要附加一个简 单的变换网络，就可以从调相获得调频。所以间接 调频，就是先进行调相，再由调相变为调频。 二、调频电路的性能指标 调制特性 受调振荡器的频率偏移与调制电压的关系称为 调制特性，表示为,是调制作用引起的频率偏移， fc 为中心频率 调制灵敏度S 调制电压变化单位

9、数值所产生的振荡频率偏移称为调制灵敏度；若调制电压变化 ，相应的频率偏移为 ，灵敏度S 的表示式为 显然，S 越大，调频信号的控制作用越强，越容易产生大频偏的调频信号。,3最大频偏 在正常调制电压作用下，所能达到的最大频偏值以 表示，它是根据对调频指数 mf 的要求来选定的。通常要求 的数值在整个波段内保持不变。 .载波频率稳定度 虽然，调频信号的瞬时频率随调制信号在改变。但这种变化是以稳定的载波（中心频率）为基准的。如果载频稳定，接收机就可以正常地接收调频信号；若载频不稳，就有可能使调频信号的频谱落到接收机通常范围之外，以致不能保证正常通信。,因此，对于调频电路，不仅要满足一定频偏要求，而且

10、振荡中心频率必须保持足够高的频率稳定度，频率稳定度可用下式表示，即 -经过时间间隔后中心频率的偏移值 -中心频率。,6.4 调频电路,一、变容二极管调频电路 用变容二极管实现调频，电路简单，性能良好，是目前最为广泛使用的一种调频电路。 1.变容二极管 变容二极管是利用半导体PN 结的结电容随外加反向电压而变化这一特性，所制成的一种半导体二极管。 它是一种电压控制可变电抗元件。变容二极管与普通二极管相比，所不同的是在反向电压作用下的结电容变化较大.,图6-10 变容二极管的表示符号及其等效电路,变容二极管的电容C 随着所加的反向偏压U 而变化。 图6-11是我们用C-V 特性测试仪对变容二极管2

11、CC13C 进行实测所绘制的 CU 特性曲线。可知，反偏压越大，则电容越小。这种特性可表示为,变容二极管调频原理,由于变容二极管接在振荡器回路中，其结电 容成为回路电容的一部分。 当调制电压加在变容二极管上 使加在变容二极管上的反向电压受u控制 从而使得变容二极管的结电容受u控制 则回路总电容C也要受u控制 最后使得振荡器的振荡频率受u控制，即瞬时 频率随u的变化而变化。,由变容二极管的电容和电感组成振荡器的 谐振电路，其谐振频率近似为 在变容二极管上加一固定的反向直流偏 压 和调制电压 （图6-12），则变容 二极管电容量将随 改变，通过二极管 的变容特性（图6-12）可以找出电容 时间的变

12、化曲线（图6-12）。,此电容 C 由两部分组成，一部分是 为固定值；另一部分是 为变化值 ， 是变化部分的幅度，则有,在 1 的条件下，将上式用二项 式定理展开，并略去平方项以上各项，可 得,式中,是频率的变化部分,是变化部分的幅值，称为频偏。,式中的负号表示当回路电容增加时， 频率是减小的。,fc 称为中心频率,比较图（图6-12 a）及图（图6-12 e），可见频率是在随调制电压而变，从 而实现了调频。 由以上分析可知，因为变容二极管势垒电容随反向偏压而变，如果将变容二极管接在谐振回路两端，使反向偏压受调制信号所控制，这时回路电容有一部分按正弦规律变化，必然引起振荡频率作相应的变化。,它

13、以 为中心作上下偏移，其偏移大小 （频偏）与电容变化最大值 成比例。所以回路的振荡频率是随调制信号变化的，这就是变容二极管调频的基本原理。 由于 和 两条曲线并不是成 正比的，最后得到的 曲线形状将不与 曲线完全一致，这就意味着调制失真。,失真的程度不仅与变容二极管的变容特性有关，而且还决定于调制电压的大小。显然，调制电压愈大，则失真愈大。为了减小失真，调制电压不宜过大，但也不宜太小，因为太小则频移太小。实际上应兼顾二者，一般取调制电压比偏压小一半多，即,3.小频偏变容二极管调频器的分析,小频偏调制，大多用于无线电调频广播、电视台的伴音系统和小容量无线多路通信设备。 它们的频偏范围约在几十千赫

14、到几百千赫。,图6-13 变容二极管部分 部分接入振荡电路,分析思路,1)在未加调制信号时回路总电容,式中， n1 和n2 是电容的接入系数,未加调制信号时的结电容,（6-32）,2) 当加入调制信号后，回路总电容,当加入调制信号后，这时变容二极管的等效电容为Cd ，回路总电容为,3) 回路总电容变化量,分析上式，只有C2 /Cd 是随调制信号变化的。,（6-33）,经变换(展开成幂级数，再利用三角关系,由于是小频偏情况)可得总电容变化量为,（6-41）,式中,4)总电容C变化引起频率的变化,总电容变化使它偏离未调制时总电容C0 的值为 ，这时所引起的高频振荡角频率 偏离值为 ，根据LC振荡原

15、理，有,上式两边同除以 得,小频偏时， ，上式可简化为,或,（6-31）,5) 谐振回路频偏 与调制电压的变化规律,将式（6-32）和（6-41）代入式（6-31）中，可得,令,则,即,（6-44）,6) 结论,(1) 在瞬时频率的变化中，含有与调制信号成线 性关系的成分，其最大偏移为 此外，还有与调制信号的二次、三次等谐波成分成线性 关系的成分，其最大偏移为 另外还有中心频率相对于未调制时的载波频率 产生的偏移为,()为了使调制线性良好，应尽可能减小频 率调制的非线性失真( 和 ) 以及 (它是引起中心频率不稳定的一种因素)。也就是希望m 值愈小愈好（即减小调制信号），但是有用频偏 也同时减小。为了兼顾频偏 和减小非线性失真要求，m 值多取在0.5或0.5以下。,4.利用变容二极管调频的原理电路举例,1)电路,6-14（a）利用变容二极管调频的原理电路,2）分析思路,（1）变容二极管上需加固定偏压及u （2）变容二极管是高