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1、第五章 角度调制与解调电路,重点：,1. 调频波的基本特性（数学表达式，波形图，频谱图，频带宽度， ）,2变容二极管直接调频电路的典型电路，工作原理及分析,3变容二极管调相间接调频电路。,4鉴频的原理与实现方法。,难点：,1调频与调相的区别。,2变容二极管直接调频电路。,8.1 概述,调频（FM）、调相（PM）-统称为调角,调频（FM）：用调制信号去控制高频振荡频率，使高频振荡的瞬时频率随调制信号规律作线性变化的过程。 调相（PM）：用调制信号去控制高频振荡相位，使高频振荡的瞬时相位随调制信号规律作线性变化的过程。,若为振幅调制（AM），则,设：调制信号为,载波信号为,调幅波的数学表达式,数，
2、表示单位调制信号电压引起的载波振幅的变化量。,一、调频波、调相波的瞬时频率、瞬时相位,（一）、调频（Frequency Modulation 简称FM）,设高频载波,调制信号为,根据定义，FM波的瞬时角频率为：,为中心角频率。,表示单位电压引起的角频率的变化量。,8.2 角度调制与解调原理,FM波的瞬时相位为：,调频波的瞬时角频偏,最大角频偏,（二）、调相（Phase Modulation 简称PM）,设高频载波为,调制信号为,瞬时相位,瞬时角频率,表示单位电压引起的相位变化量。,调相信号的瞬时相位偏移：,瞬时角频偏：,最大相偏：,最大角频偏：,二、单音频信号调制时调频波、调相波的数学表达式,
3、调制信号为单音频信号,1. 调频（FM）,瞬时角频率：,瞬时相位：,调频波的数学表达式,结论：(1),(2),2. 调相（PM）,其中,调相波的数学表达式,结论：（1）,（2）,三、调频波、调相波的时域波形,单音频调制时调频波、调相波波形,单频调制时两种调角信号的比较,例 设一调角信号的表示式为 u=10cos2106t-5cos(2103t)。 试求该调角信号的最大频偏fm并写出载波的表示式； 若该调角信号为一调频信号，且kf=22103（rad/s)/V，写出调制信号的表示式； 若该调角信号为一调相信号，且kp=2rad/V,写出调制信号的表示式,最大频偏为,载波表示式为： uc=10co
4、s(2106t)(V),解： 根据调频信号或调相信号的表示式可知，无论该调角信号为调频信号还是调相信号，调频指数或调相指数均为 Mf=Mp=5 调制信号频率为,若为调频信号，则调制电压振幅为：,调制信号的表示式为 uW(t)=UWmsin(2103t)(V)=2.5sin(2103t)(V),若为调相信号，则调制电压振幅为：,调制信号的表示式为,uW(t)=2.5cos(2103t)(V),或,例 有一正弦调制信号，频率为3003400Hz，调制信号中各频率分量的振幅相同，调频时最大频偏,的变化范围。,所以,而,所以,而,调相时，因为,与,无关，当F（ ）,四、调角信号的频谱,和,相似；,瞬时
5、相偏,调角信号（调频、调相信号）写成统一的表达式：,的频谱。,的周期性函数，其傅立叶级数展开式为：,式中,是以M为参数的n阶第一类贝塞尔函数,贝塞尔函数曲线,具有下列性质,峰值下降；,（2）,（3）,代入调角信号表达式得：,其傅立叶级数展开式为：,+,+,+,振幅：,第n对边频：,结论：调角波的特点,（1）单频率调制的调角波，有无穷多对边频分量，对称的分布在载频两边，各频率分量的间隔为F。所以FM，PM实现的是调制信号频谱的非线性搬移。,贝塞尔函数确定。奇数次分量上下边频振幅相等，相位相反；偶数次分量上下边频振幅相等，相位相同。,调角波的频谱,调角信号的平均功率（在单位负载上）,载波功率,所以
6、，调制前后功率不变，只是功率的重新分配。,调角信号的频谱宽度,理论上，调角信号的带宽为无限宽，但通常规定,的 1%（或10%）可忽略。,保留下来的边频分量确定了带宽。,调角信号实际占据的有效频谱宽度为：,式中，L为有效的上边频（或下边频）分量的数目，F为调制信号的频率。,如果L不是整数，应该用大于并靠近该数值的正整数取代。用卡森公式近似表示调角信号的有效频谱宽度，即,显然，窄带调频时，频带宽度与调幅波基本相同，窄带调频广泛应用于移动通信台中。,8.3 调频电路,1. 直接调频：用调制信号直接控制振荡器振荡频率，使其不失真地反映调制信号的规律。,2. 间接调频：用调制信号的积分值控制调相器实现调
7、频。,3. 调频电路性能指标,(1) 调频灵敏度SF：,当uW(t)= UWmcosWt时， 若调频特性线性，则： Df(t)= SFUWmcosWt = DfmcosWt,当uW(t)= UWmcosWt时， 若调频特性非线性，则： Df(t)= Df0+ Dfm1cosWt + Dfm2cos2Wt+,(2) 非线性失真系数THD：,(3) 中心频率准确度和稳定度,（1）电路组成：,（2）变容二极管特性：,一、直接调频电路,1、变容二极管调频电路,（3）调频原理分析,由于振荡回路中仅包含一个电感L和一个变容二极管,回路振荡角频率，即调频特性方程为,直流偏置电路,高频信号通路,正电源部分,负
8、电源部分,调制信号通路,（4）变容二极管作为回路部分电容的调频电路,原理电路：,调频方程为：,C1和C2对调频特性的影响,I、 C1对调频特性的影响（C2）,C2的接入使总电容减小，振荡频率升高。,II、 C2对调频特性的影响（C1=0）,C1的接入使总电容增加，振荡频率降低。,C1 C1 C1,C1,C1,C1,C2 C2 C2,Cj部分接入时的最大频偏,其中：,变容管部分接入时电路的最大角频偏是全部接入时的1/p。 载波频率稳定度提高p倍。 加到变容管上的高频振荡电压振幅也相应减小，对减小调制失真等都是有利的。,当C1和C2调节到最佳值后，最大角频偏为：,式中：,高频信号通路,调制信号通路
9、,直流偏置电路,高频信号通路,调制信号通路,直流偏置电路,调制信号通路,直流偏置电路,高频信号通路,调制信号放大,振荡倍频,2、晶体振荡器调频电路,为了进一步提高频率稳定度，可采用变容二极管晶体直接调频电路。 下图是由变容管晶体直接调频振荡电路组成的无线话筒发射机。,变容二极管晶体直接调频振荡电路,二、间接调频电路调相电路,实现方法：矢量合成法，可变相移法，可变时延法。,1、矢量合成法,（1） 实现原理,调相信号的数学表示式为：u=Umcosct+kpu(t)； 将上式展开，得 u=Umcoskpu(t)cosct-Umsinkpu(t)sinct 若最大相移很小，满足 则： coskpu(t
10、)1(误差小于3%) sinkpu(t)kpu(t) 所以：u=Umcosct-Umkpu(t)sinct,（2） 实现模型：,（3）矢量合成原理,Umkpu(t),Umcosct,2、可变相移法,（1）实现原理,若： (wc)=kpuW(t)=MpcosWt 则： uo(t)=Umcosct+ (c)= Umcos(ct+MpcosWt),（2） 原理电路：,调制信号通路,直流偏置电路,高频信号通路,回路等效电路,相频特性,+,-,当m很小时，,输出电压：,Mp应限制在30以下，对于要求大的Mp可采用多级电路,当w=wc时,3、可变时延法,（1）实现原理,若： t =kduW(t)= kdU
11、Wm cosWt 则： uo(t)=Umcosc( t-t) = Umcos(ct-ckdUWm cosWt) = Umcos(ct-MpcosWt),（2） 实现电路框图（脉冲调相）：,时延t受电压u的控制，如果锯齿波线性，则t受电压u的线性控制,其中，k为锯齿波电压变化的斜率。,取：,则：,时延与调制电压呈线性关系,单音调制时，调相信号的调相指数为：,Dtm为UWm引起的最大时延，理论上可达0.5Tc，一般限制在0.4Tc,间接调频电路： 当W一定时， Dwm就受到限制，其值与载频wc无关，即最大绝对频偏受限。,三、间接调频电路和直接调频电路性能上的差别,直接调频电路： 最大相对频偏(Dw
12、m/wc)受限，最大频偏Dwm其值与载频wc成正比，提高wc可以增大Dwm,如果调制信号是由包含minmax的众多频率分量组成的复杂信号，则间接调频电路：,所以：,四、扩展线性频偏的方法,=c+mcost,假设调频信号的瞬时角频率为：,通过n倍频器后：,再通过混频器降低载频。,=nc+nmcost,绝对频偏扩大n倍,实现方法,直接调频电路：提高fc，增大Dfm，再通过混频器降低载频,间接调频电路：降低fc，增大Dfm/ fc ，再通过倍频器提高和扩大Dfm,例：载频100MHz，最大频偏75kHz，调制信号频率100-15000Hz。,采用矢量合成器，在100kHz的调制频率上产生的最大频偏为
13、26Hz。,100/12=26.1,8.4 鉴频电路,调角信号的解调：,调频信号的解调，称为频率检波，即鉴频（FD）,调相信号的解调，称为相位检波，即鉴相（PD）,鉴频器的功能,fc,鉴频实现原理,1鉴频线性范围：鉴频线性范围是指鉴频特性曲线中近似直线段的频率范围，用,表示。,表明鉴频器实现不失真的解调所允许的频率变化范围。因此要求,应大于输入调频波最大频偏的两倍，即,也可以称为鉴频器的带宽。,鉴频器的主要指标,的解调输出电压的大小。,或,显然，鉴频灵敏度越高，意味着鉴频特性曲线越陡峭，鉴频能力越强。,限幅电路,1. 分类：,2. 作用：使输出信号的幅度稳定,3. 电路举例,1）工作于过压状态
14、的谐振功率放大器,2）差分对管,3）正反向对接的二极管,原理电路,特性曲线,斜率鉴频原理,利用波形变换电路实现鉴频,相位鉴频原理,脉冲计数 式鉴频原理,一、斜率鉴频,单失谐回路斜率鉴频器,单失谐回路斜率鉴频器，由LC并联回路构成线性频幅转换网络，二极管D与RC构成包络检波器。,1、单失谐回路斜率鉴频器,一、 斜率鉴频器,单失谐回路斜率鉴频器,图5.6.12所示电路为单失谐回路斜率鉴频器，由LC并联回路构成线性频幅转换网络，二极管D与RC构成包络检波器。,1、单失谐回路斜率鉴频器,下面定性讨论LC并联回路的频幅转换特性。,1、单失谐回路鉴频器,输入的调频波经LC失谐回路变换为调幅-调频波，然后经
15、V、C、R所组成的包络检波器解调出原调制信号。,电路组成,工作原理,一、斜率鉴频,频-幅转换原理,谐振回路的谐振频率f0和调频信号中心频率fc不相等,2、双失谐回路,电路组成,工作原理,电路鉴频特性曲线,3、 集成斜率鉴频电路,电路组成及工作原理：,5.3.3 相位鉴频电路,一、频率-相位转换网络,1. 单回路频相转换网络,要求：在调频信号的瞬时频率变化范围内，转换网络的相频特性j(w)是线性。,组成：频率-相位转换网络和相位检波器,令：,则，在失谐不大的情况下:,电压传输系数Au为：,相频特性：,当arctan30时，arctan,若： 输入调频信号的瞬时角频率为w(t)=wc+Dw(t)，并且 ： w0=wc，则：,相移与瞬时频率增量呈线性关系。,2. 双调谐回路频相转换网络,原理电路及等效电路,电路初级和次级对称：即L1=L2=L, C1=C2=C, r1=r2=r,次级的感应电动势为：E=jMI1,I1为次级开路时，初级电感支路的电流，其值为：,忽略初级发反射阻抗，次级电流为：,次级电压为：,继续,幅频特性和相频特性分别为：,网络的传输特性为：,当arctan30，且 w0=wc时,相移与瞬时频率增量呈线性关系,二、相位检波器（鉴相器）,1. 乘积型鉴相器,要求：在调相信号的瞬时相位变化范围内，网络的输出与输入信号相位差成正比。,u
