通信电子线路7

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1、第 7 章 角度调制主要内容7.1 概述7.2 调频方法的概述7.3 变容二极管直接调频电路7.4 石英晶体振荡器直接调频7.5 调相电路7.6 数字频率调制与相位调制教学要求 掌握调角信号的定义、表示式、波形、频谱等 基本特征。 掌握典型的角度调制电路的结构、工作原理、 分析方法和性能特点。 了解数字角度调制的典型调制方式及其实现方 法。任意正弦波信号：uc(t) = Ucmcos(0 t +o )= Ucmcos(t)如果利用调制信号u(t)= Um cost 去控制三个参量中的某个， 产生调制的作用:AM: FM :PM: 角度调制 属于频谱线性搬移电路，调制信号 寄生于已调信号的振幅变

2、化中。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 。 7.1 概述(t)= c t +o 为总相角Ucm为振幅c为角频率o为初始相角其中：FM，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)相位解调鉴相(phase detection) AMfff1. 调角电路定义及分类定义：模拟频率调制和相位调制合称为模拟角度调制(简称调角)。高频振荡振幅不变，其角度随着调制信号u(t)以一定关系变化。频率调制：高频振荡的振幅保持不变，瞬时角频率

3、随调制信号成线性变化 FM分类：相位调制：高频振荡的振幅保持不变，瞬时相位随调制信号成线性变化 PM注意：（1）因为相位是频率的积分，故频率的变化必将引起相位的变化，反之亦然。 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、实现方法等方面都有密切的联系。（2）模拟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模拟振幅调制与解调在原理和电路实现上都要困难一些。 （3）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，因此虽然要占用更多的带宽，但仍得到了广泛的应用。 （4）在模拟通信方面, 调频制比调相制更加优越，故大都采用调频制。所以本章以模拟调频电路为主题，但由于调频

4、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，因此实际上也介绍了一些调相电路。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(t)。可用右图所示的旋转矢量表示。t= t(t)t =0实轴设旋转矢量的长度为Ucm(t)，且当t = 0时，初相角为o；t = t 时刻，矢量与实轴之间的瞬时相角为 (t)，显然有： 而该矢量在实轴上的投影：2. 调角信号的分析与特点设高频载波信号为 ： uc(t)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

5、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： ：瞬时相位偏移， 设：载波： 最大相位偏移： 令 mf =m ，称为FM波的调频指数，则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。对单一频率调制的FM波，由于： 已调波的相位随调制信号线形变化，有： 0t ：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) 调相（PM） 最大相位偏移： （调相指数）另外，由瞬时相位与所对应的

6、瞬时频率之间的关系，可得： ； PM波瞬时频偏。 最大频偏: PM波的表达式为： 对于单一频率调制信号 的PM波： 载波： 调制信号： FM波 PM波 (a)瞬时频率： (3) 调频信号与调相信号的比较(b)瞬时相位： (c)最大频偏：(d)最大相位： (e) 表达式: 讨论：(a) 一般调角信号的表达式：mpmmmf(b) FM波： (c) PM波： 调频波的波形调频与调相信号的相同点： 二者都是等幅信号。 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，成为疏密 波形。正频偏最大处，即瞬时频率最高处，波形最密；负频偏最大处，即 瞬时频率最低处，波形最疏。调频与调相信号的区别: 二者的

7、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。eg: 对于调频信号来说，调制信号电平最高处对应的瞬时正频偏最大，波形最密；对于调相信号来说，调制信号电平变化率（斜率）最大处对应的瞬时正频偏最大，波形最密。 从表7-1中可以看出，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。 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，因此调相信号的最大相偏(调相指数)Mp，故调制范围很小。表7-1 单频调频信号与单频调相信

8、号参数比较 若用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 0=0，则单位频率调制的调角信号可表示为 ：展开成以下级数： 3. 调角信号的频谱与带宽 式中：Jn(m) 称为第一类Bessel function，当m，n一定时， Jn(m) 为定系数，其 值可以由曲线和函数表查出。So： 利用三角函数积化和差公式：So 上式可表示为：FM/PM 信号的频谱由载频 和无限对上，下边频分量 组成. 0分量： ，其大小决定于m ：调制指数 上、下边频分量0n：，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

9、般有 :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 ，且当n为偶数时，上下边 频分量符号相同，而当n为奇数时，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 (2) 常用的工

10、程准则： 由Bessel function可得 BFM=2(mf+1)F在实际应用中也常区分为： 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： 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。1.对调频电路的要求：(1)具有线性的调制作用(2)具有较高的调制灵活度，即单位调制电压所产生的频偏要大(3)最大频偏与调制信号频率无关(4)未调制的载波频率应具有一定的频率稳定度(5)无寄生调幅或者寄生调幅尽可能小2. 调频方法分类实现频率调制的方式一般有两种: 直接调频间接调频7.2 调频方法概述3. 直接调

11、频根据调频信号的瞬时频率随调制信号成线性变化这一基本特 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。优点：易于得到较大的频偏缺点：频率稳定度低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。 4. 间接调频若先对调制信号u(t)进行积分, 得到u1(t)=t0u(t)dt, 然后将u1(t)作为调制信号对载频信号进行调相，也可实现调频。因此将调制信号积分后调相，是实现调频的另外一种方式，称为间接调频。

12、或者说，间接调频是借用调相的方式来实现调频。优点：频率稳定度高。(1) 把u (t)先积分后，再经过调相器，也可得到对u (t)而言的调频波，也称为间接调频。（indirect frequency modulation）(2) 把u (t)先为微分后，再经过调频器，可得到间接调相。（indirect Phase modulation）5. 调相原理相位调制的基本原理：使角频率为c的高频载波uc(t)通过一个可控相移网络, 此网络产生的相移受调制电压u(t)控制, 满足=kpu(t)的关系, 则网络输出调相信号。 调相信号可写成:uPM=Ucmcosct+kpu(t)=Ucmcos=Ucmcos

13、c(t -) 其中：是一比例系数。 将调相信号表示为一个可控时延信号，时延与调制电压u(t)成正比。可见，时延与相移本质上是一样的。所以, 将可控相移网络改为可控时延网络，也可实现调相。6. 调频制与调相制分析调频制指传送的调角信号中, 瞬时频偏与调制电压成正比；调 相制是指传送的调角信号中, 瞬时相偏与调制电压成正比。虽然 调频信号可以由调相方式间接实现, 调相信号也可以由调频方式 间接实现，但是两种调制体制的性能是不一样的。 抗干扰性是衡量调制体制性能的一个重要指标。假定接收机 解调器输入的已调波信号信噪比相同, 哪一种调制体制解调器输 出信噪比高，解调失真小，则说明哪一种调制体制抗干扰性

14、好。显然：对调幅制的主要干扰是振幅噪声，对调频制与调相制的主 要干扰是频率噪声和相位噪声。 研究表明：在单频干扰情况下, 调幅制、调频制与调相制对应的已调波信号的电压信噪比的比值大约等于各自调制指数ma、mf与mp的比值。即调制指数越大, 对应的已调波信号的电压信噪比越大，抗干扰性越好。调幅制的ma1，故抗干扰性差。对于调频制与调相制来说，调制指数可以大于1，故抗干扰性可以比调幅制好，当然, 这是用增加带宽的代价来换取的。 综上： 调角制的抗干扰性可以比调幅制好； 调频制在带宽利用和抗干扰性方面又比调相制好, 所以在模拟通信系统中广泛采用调频制而很少用调相制。1. 变容二极管特性 扩散电容(d

15、iffusion 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。 利用状态7.3 变容二极管直接调频电路 (Varactor diode direct FM)PN结反偏时，结电容会随外加反向偏压而变化，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Cj与反偏电压uR的关系：Cj0：uR=0时的电容值（零偏置电容） uR ：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 看出：Cj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。PN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。 为：结电容调制深度的调制指数。CjuRUQuRtC jtCjQ2. 变容二