第6章 角度调制和解调 54页 1.6M PPT版

《第6章 角度调制和解调 54页 1.6M PPT版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章 角度调制和解调 54页 1.6M PPT版（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第 6 章 角度调制和解调 （angle modulation and demodulation ）6.1 概述 6.2 调角信号的分析 6.3 调频电路 6.4 调频波的解调原理及电路 6.6 FM发射机与接收机 6.5 调频制的抗干扰性及特殊电路 休息 1 休息 2任意正弦波信号： 其中： , 总相角 ，振幅 ， 角频率 ， 为初相角 如果利用调制信号 去控制三个参量中的某个， 可产生调制的作用:amphitude modulation AM: frequency modulation FM :phase modulation PM: 角度调制 AM调制方式中 AM DSB 属于频谱线性搬

2、移电路,调制信号寄生于已调 信号的振幅变化中FMPM 调制方式中：属于频谱的非线性搬移电路,已调波为等幅波,调 制信息寄生于已调波的频率和相位变化中 SSB 6.1 概述休息 1 休息 2FM，PM从已调波中检取出原调制信号的过程称为解调(AM)振幅解调检波 (FM)频率解调鉴频 detection(frequency discrimination)(PM)相位解调检相(phase detection) AM休息 1 休息 2当进行角度调制 （FM或PM）后 , 其已调波的角频率将是时间的函数 即 。可用右图所示的旋转 矢量表示 (t)t= t(t)t =0实轴设旋转矢量的长度为, 且当t=0

3、时， 初相角为 ，t= t时刻 ， 矢量与实轴之间的瞬时相角为 ，显然有： 而该矢量在实轴上的投影：6.2 调角信号的分析 一.调角信号的分析与特点 1.瞬时频率和瞬时相位（ instantaneous frequency and phase）如果设高频载波信号为 ： 休息 1 休息 2调制信号： （1）调频FM：由于已调波频率随调制信号线形变化，则有：其中：: 载波角频率，FM波的中心频率. ： 调频灵敏度， 单位调制信号振幅引起的频率偏移 . ,瞬时频率偏移（简称频偏）,寄载了调制信息，表示瞬时频率相对于载波频率的偏移 .最大频偏 另外，由瞬时频率与所对应的瞬时相位的关系，若设 则有 ：

4、其中： ：瞬时相位偏移， 2. 调频信号与调相信号的数学表示： 设：载波：最大相位偏移： 一般令 ，称为FM波的调频指数，于是一般调频信号的 数学表达式： 所以有： 注意：与AM波不同，m f 一般可大于1，且m f 越大，抗干扰性能 越好，但频带越宽。 对于单一频率调制的FM波，由于 由于已调波的相位随调制信号线形变化，则有：其中： ：为载波的相位角。 ：调相灵敏度 ， ，单位调制信号振幅引起的相位偏移. ：瞬时相位偏移，即 相对于 的偏移量 。2相位调制：最大相位移： （调相指数）另外，由瞬时相位与所对应的瞬时频率之间的关系，可得： 式中： ； PM波瞬时频偏最大频偏: PM波的表达式为：

5、 对于单一频率调制信号 的PM波： 如果设载波： ， 调制信号： FM波 PM波 (1) 瞬时频率 ： 3. 调频信号与调相信号的比较(2)瞬时相位 ： (3)最大频偏 (4)最大相位： (5) 表达式: 讨论：（1）一般调角信号的表达式 ：mpmmmf（2）FM波： （3）PM波 ： 可以看出调相制的信号带宽随调制信号频率的升高而增加，而调 频波则不变，有时把调频制叫做恒定带宽调制。 （3）调频波的波形休息1 休息2如果用m代替mf 或 mp ，把 FM 和 PM信号用统一的调角信号来表示且令 ，则单位频率调制的调角信号的表示式可统一 表达成为 ： （利用三角公式： 可展开成以下级数 ： 6

6、.2.3调角信号的频谱与带宽 式中： 称为第一类Bessel function，当m，n一定时， 为定系数，其值可以由曲线和函数表查出。所以： 又利用三角函数积化和差公式：休息1 休息2所以上式最终可表示为： 讨论：在单一频率信号调制下，调角信号频谱具有的特点： 1 FM/PM 信号的频谱由载频 和无限对上，下边频分量 组成. 其中： 分量： ，其大小决定于m :上,下边频分量 ,与m和n的大小有关。o- FM / PM的频谱o+oo+2o+3o+4o-2o-3o-4o调制信号u载波uo一般有 :2由第一类Bessel function的性质： 所以有 :各边频分量与载频分量之间的频率间距为n

7、 ，且当n为偶数时，上下 边频分量符号相同，而当n=奇数时，上下边频分量符号相反。 凡是振幅小于未调载波振幅的10%15%的边 频分量可以忽略不计。 实际上可以把调角信号认为是有限带宽的信号，这取决于实际应 用中允许解调后信号的失真程度。 工程上有两种不同的准则： (1) 比较精确的准则：FM信号的带宽包括幅度大于未调载波振幅 1%以上的边频分量，即 如果在满足上述条件下的最高边频的次数为n max，则FM信号的带宽 为 BFM=2nmax 或 BFM=2nmaxF， 其中 利用B e s s e l function可得近似公式: (2) 常用的工程准则： 由Bessel function可

8、得 BFM=2(mf+1)F 在实际应用中也常区分为：休息1 休息22调频信号的带宽 对有限频带的调制信号，即F= F minF max， 调角信号的频带为： 6.3 调频电路 休息1 休息26.3.1 实现调频、调相的方法 6.3.2 变容二极管直接调频电路 6.3.3 晶体振荡器直接调频电路 6.3.4 间接调频电路 由相位与频率之间的关系： 在同一调制信号 的控制下，形成的FM波和PM波的表达式为 ：以上的过程为直接调频或直接调相 6.3 调频电路 仿真休息1 休息26.3.1实现调频、调相的方法 VCO的特点：瞬时频率随外加控制信号的变化而变化。 VCO式中：U为振荡信号的振幅， :当

9、 时的振荡频率，k f为:VCO控制灵敏度。 6.3.2 压控振荡器直接调频电路 用调制信号电压控制振荡回路的参数，如回路电容C或回路电 感L，并使振荡频率正比于所加调制信号电压，即可实现调频。 在直接调频法中常采用压控振荡器（Voltage Control Oscillator） 作为频率调制器来产生调频信号。VCO中最常用的压控元件：变容二极管 由晶体管和场效应管组成的电抗电路 。 压控振荡器直接调频：优点：可获得较大频偏.缺点：中心频率稳定性 差，常采用自动频率微调（automatic frequency control ，AFC）电路 来克服载频偏移。仿真休息1 休息2通常有： ，压控

10、振荡器的输出信号即为调频信号。1. 变容二极管 扩散电容(diffusion capacitance)正向偏置，电容效应比较小。 势垒电容(barrier capacitance)反向偏置 ，势垒区呈现的电容效应。 所以为利用PN结的电容，PN结应工作在反向偏置状态.6.3.3 变容二极管直接调频电路 （Varactor diode direct FM）PN结反向偏置时，结电容会随外加反向偏压而变化，而专用的变容二 极管，是经过特殊工艺处理（控制半导体的掺杂浓度和掺杂的分布）使势 垒电容能灵敏地随反向偏置电压的变化而呈现较大变化的压控变容元件。结电容C j与反偏电压uR的关系：式中Co： 时的

11、电容值（零偏置电容）反向偏置电压，UD：PN结势垒电位差。 ：结电容变化指数，通常=1/21/3，经特殊工艺制成的超突变结电容 =15可以看出C j与uR之间是非线性关系，即变容二极管属于非线性电 容，这种非线性电容基本上不消耗能量，产生的噪声量级也较小，是较 理想的高效率，低噪声非线性电容。休息1休息2PN结具有电容效应 设在变容二极管上加一个静态工作电压Uo和一个单频调制信号 ，则结反偏电压： 而结电容： 其中： 为静态工作点的结电容。 表示结电容调制深度的调制指数。 休息1休息2CjuRUQuRtC jtCjQ为了突出调频性能的分析，下图只画出了它的高频交流等效 电路，没有画出直流馈电电

12、路， 2. 变容二极管直接调频的原理电路 图中；C3为高频偶合电容，C4为偶合隔直电容，LB为高频扼流 圈，阻止高频电流经过调制信号源被旁路，右图为振荡器交流等效 电路，C j与振荡器回路并联，R1，R2为C j的偏置电路，为C j提供静 态直流偏压 ，而二极管的反偏电压为： 休息1休息2+ uR -LCjC1C2VTLCjC1C2VTLDC3C4ECR2+ u -R1+Uo-则由上电路可知，振荡频率为： ;而 为了简化电路分析，如果设： ，则有 所以：有 其中： 为未加调制信号（ ）时的振荡频率， 3 调频性能分析即为调频振荡器的中心频率。 讨论：1 设 =2即满足线性调频。2 当则 LC1

13、C2CjVT + uR -（利用级数展开忽略高次项， 可近似为： 是由C jV d的非线性而引起的。虽然 （2） ：与调频频率有关的最大频偏，虽然 （3） ：由于CjuR的非线性作用，使频偏中增加了的谐波分量（2）而引起的附加频偏，会造成调频接收时的非线性 失真，应尽量减少这种失真。其中：（1） ：为中心频率的偏移量另外，定义调频灵敏度： 休息1休息24. 实用变容管二极调频电路 （1）L1，C1、C2串联，C3和 反向串联的两个变容二极管 ，三个支路并联组成电容反 馈三点式振荡电路。(2) 直流偏置电压-UQ同时加 在两个变容二极管的正极，调 制信号 经L4扼流圈加在二 极管负极上，二个二极

14、管的动 态偏置为： （3）两个变容二极管串联后的总电容 C j与C3串联后接入振荡回路，对振荡回路来说是部分接入，与单二极管直接接入比较，在 相同的 情况下，m值降低。 （4）两变容二极管反向串联，对高频信号而言，加到 两管的高频电压降低一半，可减弱高频电压对结电压的影响，另外在高频电压的任一半周内，一个变容管寄生电容增大，而另一个减少，使结电容的变化不对称性相互抵消，从而消弱寄生调制。 仿真休息1休息2C1C2L1C3Cj1Cj2C1C3Cj1Cj2uR1R2 LeReC2L1CbC4C5C6C7L2L3+-VT-UQECL4ud在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，可以采 用直

15、接对晶体振荡器调频的方法。 6.3.4 晶体振荡器直接调频电路 1晶体振荡器直接调频原理右图为并联型Pierce Oscillator， 其振荡频率为： 式中：Cg为晶体的动态电容，Co：晶体的静态电容， ， f q：晶体的串联谐振频率。在电路中，当Cj变化时，CL变化，从而使晶体振荡器的振荡频率也发生变 化，如果压控元件Cj受调制电压 控制，则Pierce Oscillator就成为一个晶体调频振荡器。 注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，故只能工作于晶体的串联谐振 频率f q与并联谐振频率f p之间，而f q与 f p之间的频率变化范围只有量级，再加上Cj的串联，晶体的可调振荡频率更窄。 休息1休息2C2ClCjJT例如载频为40MHZ的晶体调频振荡器，能获得最大频偏只有7.5KHZ，所 以采用晶体调频振荡器虽然可以获得较高的频率稳定度，但缺点是最大频偏 很小，实际中需要采用扩大频偏的措施。 扩大频偏的方法有两种：晶体支路中串接小电感；利用型网络进行阻抗变换来扩展晶体呈现感性的工作频率范围。 2 晶体调频振荡器的实际电路 仿真休息1 休息2C1C2CjLJT采用串接小电感L的方法来扩大调频的频偏，变容二极管的反向偏 压由EC经稳压管VDZ稳压后经RZ2=2.4k和W1=47k电位器分压后