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1、5.1 调角波的基本特征 5.2 变容管直接调频电路 5.3 间接调频电路 5.4 扩展线性频偏的方法 5.5 调角波的解调,第5章 调角与解调 （非线性频率变换电路）,引言,频率调制和相位调制合称为角度调制(简称调角)。因为相位是频率的积分，所以频率的变化必将引起相位的变化，反之亦然。所以调频信号与调相信号在时域特性、频谱宽度、调制与解调的原理和实现方法等方面都有密切的联系。 角度调制与解调属于非线性频率变换，比属于线性频率变换的振幅调制与解调在原理和电路实现上都要困难一些。由于角度调制信号在抗干扰方面比振幅调制信号要好得多，所以虽然要占用更多的带宽，但仍得到了广泛的应用。,其中，在模拟通信
2、方面，调频制比调相制更加优越，故大都采用调频制。 所以，本章在介绍电路时，以调频电路、鉴频(频率解调)电路为主题，但由于调频信号与调相信号的内在联系，调频可以用调相电路间接实现，鉴频也可以用鉴相(相位解调，也称相位检波)电路间接实现，所以实际上也介绍了一些调相与鉴相电路。,二、PM波的表示式 调制信号： 载波： 调相波： 其中， 调相指数最大相位偏移 所以 调相波最大角频偏 三、小结 1.FM波:,2.PM波：,5.1.2 调角波的频谱 1.将FM、PM写成统一的调角波表示式： 对该式进行分析，最终得到： 其中， 2.频谱特点分析： 调角信号可以用角频率为wc的载波分量，角频率为 的上、下边频
3、分量组成。,当n为偶数时，上、下边频幅度相等，符号相同 当n为奇数时，上、下边频幅度相等，符号相反 ，m的大小不影响Pav 频谱结构与m有关，调制指数m越大，较大振幅的边频分量就越多，这时意味着边频功率增加，使载波功率与边频分量之间功率重新分配，提高传输功率。 FM、PM非线性频谱变换不能用乘法器来实现。 5.1.3 调角波的频谱宽度 前提：略去分量振幅较小的分量部分，对于一定的m，随着n的增大，Jn(m)大小起伏，总的趋势减小,当n(m+1)时，Jn(m)均小于0.1，即Jm2(m)， Jm3(m)等1时， (宽带调角波)， 其中mF：最大频率偏移 ，与调制信号频率无关 当增加，BW增加 说
4、明：有效频谱宽度BW，最大频偏wm。 实际多音复杂信号调频时： 3. 一般情况下：,调频信号与调相信号的相同之处在于： (1) 二者都是等幅信号。 (2) 二者的频率和相位都随调制信号而变化，均产生频偏与相偏。 调频信号与调相信号的区别在于： 二者的频率和相位随调制信号变化的规律不一样，但由于频率与相位是微积分关系，故二者是有密切联系的。 (2) 调频信号的调频指数mf与调制频率有关，最大频偏与调制频率无关，而调相信号的最大频偏与调制频率有关，调相指数mp与调制频率无关。 ,(3) 从理论上讲，调频信号的最大角频偏mc，由于载频c很高，故m可以很大，即调制范围很大。由于相位以2为周期，所以调相
5、信号的最大相偏(调相指数)mf，故调制范围很小。,调频电路,调频有两种实现方法，分别为直接调频和间接调频。 直接调频的特点是它的调频信号瞬时频率按调制信号规律变化。 可以用调制信号直接控制振荡器的遮挡频率来实现直接调频。 间接调频是利用调频与调相的内在联系，将调制信号进行积分，用其值进行调相，便可得到所需的调频信号。 相应的原理框图见书259页 图521,正弦波 振荡器,调相器 （wc）,积分器,5.2 变容管直接调频电路,一、直接调频直接用控制信号去控制频率的变化 高频中常用L、C电路来产生振荡，并使L、C的电抗变化，从而实现直接调频。 1.定义：根据调频信号的瞬时频率随调制信号成线性变化这
6、一基本特性，可以将调制信号作为压控振荡器的控制电压，使其产生的振荡频率随调制信号规律而变化，压控振荡器的中心频率即为载波频率。显然，这是实现调频的最直接方法，故称为直接调频。 2.基本原理 主要器件：变容二极管，其伏安特性与普通一样。,变容二极管是利用结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种压控电抗元件。变容二极管的符号和结电容变化曲线如图4.5.1所示。 变容二极管结电容可表示为: 其中为变容指数，其值随半导体掺杂浓度和结的结构不同而变化，j0为外加电压V=0时的结电容值，VD为结的内建电位差。 静态工作点为VQ时，变容二极管结电容为:,设在变容二极管上加的调制信号电压为： V(t)=Vm
7、cos，则 ，所以 其中， 电容调制度,3.变容管作为振荡回路总电容时调频电路 等效交流电路见书267页 图528,为了使变容二极管能正常工作，必须正确地给其提供静态负偏压和交流控制电压，而且要抑制高频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干扰。所以，在电路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路电容、隔直流电容等器件。电容CC很大，对高频短路，对低频和直流开路所以与Cj串联时不考虑。 若变容管上加VQV(t)，就会使得Cj随时间变化（时变电容） 。若忽略高频电压对Cj的影响，此时振荡频率为：,，当V(t)0时的振荡频率，调频信号的中心频率受VQ控制,振荡频率随时间变化的曲线图,在(t)的表达式中，若=2
8、，则得：,m最大角频偏，与Vm（输入信号幅值）成正比。不失真的线性调频。 一般情况下，2，这时(t)可以展开成幂级数：,所以2时，会产生非线性失真，并受控于调制信号的2，3，等谐波分量。此时中心角频率也有偏移。,结论： 调频波最大角频偏 为减小非线性失真（2 ），应该设法使变容管工作在=2的情况下，即选用=2 的超突变结变容管。 为减小中心角频率偏移，应该使m下降。 4.变容管作为振荡回路部分电容的调频电路 在实际应用中，通常2，Cj作为回路总电容将会使调频特性出现非线性，输出信号的中心频率稳定度也将下降。因此，通常利用对变容二极管串联或并联电容的方法来调整回路总电容C与电压V之间的特性。这时
9、，加在变容管上的调制电压对整个LC回路的影响减小，故调频电路的最大线性频偏有所减小，但非线性失真和各种因素引起的载频不稳定性也有所减小。,变容二极管直接调频电路举例 （a）实际电路（b）等效电路 该图是一个变容二极管部分接入调频电路。在电路里采用了两个变容二极管背靠背连接，这也是一种常用方式。,在变容二极管的直流偏压上不仅加有低频调制电压，而且叠加有回路里的高频振荡电压，故变容二极管的实际电容值会受到高频振荡的影响。若高频振荡电压振幅太大，还可能使叠加后的瞬时电压造成变容二极管正偏。采用两个变容二极管对接，从图中所示高频等效电路可知，两管对于高频振荡电压来说是串联的，故加在每个管上的高频振荡电
10、压振幅减半。对于直流偏压和低频调制电压来说，两管是并联关系，故工作状态不受影响。这种方式的缺点是调频灵敏度有所降低， 因为两变容管串联后总结电容减半。,将上图（b）的振荡回路简化为下图，这就是变容管部分接入回路的情况。这样，回路的总电容为,所以瞬时角频率为：,式中，,当C1和C2的值确定后，可以求得 附加中心角频率偏移： 与调制信号成线性关系的一项： 分析：与全接入时2 的情况相比较 ，m一定时，部分接入的 ， 减小。 C2的引入的作用是减小高频信号对CjQ的影响，调节C1，C2和VQ有利于降低非线性失真。,5.3 间接调频电路,1.实现间接调频的关键是如何进行相位调制： 对以上两波，由于si
11、nwt与coswt就可通过微分或积分相互转化，所以它们的调制信号均为 。从而将PM波通过积分或微分变为FM波。 2.框图：其中关键电路是调相器 3.通常，实现相位调制的方法有如下三种：矢量合成法，变容二极管调相，可变延迟法。,5.3.1 矢量合成法,一、基本原理 这种方法主要针对的是窄带的调频或调相信号。对于单音调相信号：,当mp/12时，上式近似为： 二、框图： 下图所示的是普通调幅电路，调相电路和调频电路的基本原理框图比较。,5.3.2 变容二极管调相电路,可控相移网络是间接调频电路的关键部件，这种网络有多种实现电路，变容二极管相移网络是其中应用最广的一种。其电路原理就是利用调制信号控制移
12、相网络或谐振回路的电抗或电阻元件来实现调相。 一、电路 图7.3.4（a）给出了变容二极管相移网络的实用电路，（b）是其高频等效电路。对于高频载波来说，三个0.001F的小电容短路，对于低频调制信号来说，三个0.001 F的小电容开路，4.7F电容短路。 R3与C4为积分电路，L与Cj并联谐振回路，R1与R2为隔离电阻，C1与C2高频耦合电容。,二、分析 设调制信号V=Vmcost经4.7F电容耦合到变容二极管上，则由电感L和变容二极管组成的LC回路的中心角频率(t)将随调制电压而变化。当角频率为c的载波信号通过这个回路后，会发生什么变化呢? 图7.3.5所示为LC回路中心角频率(t)与输入信
13、号中心角频率c相互变化关系。若将输入视为电流信号，输出视为电压信号，借助图7.3.5所示并联LC回路阻抗的幅频特性和相频特性，我们来讨论以下三种不同的情况： 若LC回路中心角频率恒定为0，输入载波的角频率c=0，则称回路处于谐振状态，输出载波信号的频率不变，相移为零。 , 若LC回路中心角频率仍恒定为0，输入是载频c=0的等幅单频调频电流信号，瞬时角频偏为mcost，则回路处于失谐状态，如图7.3.5(a)所示。由于0附近的幅频特性曲线较平坦，故阻抗的幅值变化Z不大，最大变化量为Zm。若令输入电流振幅为I，则输出电压振幅就不是恒定的了，所产生的最大变化量为Vm=ZmI。然而，0附近的相频特性曲
14、线较陡峭，故产生的相移变化很大，最大变化量为m，即输出电压的相位与输入电流的相位不同，有一个最大相移为m的相位差。, 与情况相反，若输入是角频率恒为c的载波信号，LC回路的中心角频率(t)发生变化，满足(t)=0+mcost，且0=c，如图7.3.5(b)所示， 显然，回路也处于失谐状态，不过是由于回路阻抗特性曲线的左右平移而产生的。这时输出电压的振幅变化与相位变化与情况完全相似，从图 7.3.5 可以很清楚地看到。 、情况下的LC回路均称为失谐回路。 变容二极管相移网络属于第种情况。现在来分析这种情况下输出信号的相移表达式(t)。参照相同情况下LC回路中心角频率表达式，在m较小时，有:,在=
15、2或者m较小时，,因为输入载波角频率c=0， 所以瞬时角频率差为：,根据前面对LC并联谐振回路的分析，当失谐不大时，回路输出电压与输入电流的相位差可近似表示为： 当变容二极管相移网络的可变中心角频率(t)对于输入载波角频率c失谐不大时，二者之间的相位差，也就是载波信号通过相移网络产生的相移可用下式近似表示。,最大相移量,当m30o时，,由上式可见，变容二极管相移网络能够实现线性调相，但受回路相频特性非线性的限制，必须满足m30o，调制范围很窄，属窄带调相。为了增大调相指数，可以采用多个相移网络级联方式，之间用小电容耦合，对载频呈现较大的电抗，使各级之间相互独立。,谐振回路端电压：,则 所以最大
16、角频偏：,图7.3.6是一个三级单回路变容二极管相移网络，可产生的最大相偏为90o。其中22k可调电阻用于调节各回路的Qe值，使三个回路产生相同的相移。图中470k电阻和3个并联0.022F电容组成积分电路。调制信号u(t)经过5F电容耦合后输入积分电路，0.022F电容上的输出积分电压控制变容二极管的结电容变化，回路电感L对于低频积分电压可视为短路。,5.4 扩展线性频偏的方法,一、直接调频与间接调频的区别 直接调频 间接调频 载波不稳定 与fc无关，载波稳定 能获得较大的频偏，电路 最大角频偏受到限制 简单，调制功率小 二、提高直接调频的最大线性频偏方法 对于晶振直接调频电路来说，它的最大线性频偏也受到晶振特性fc的限制。显然，提
