《高频电子线路 教学课件 ppt 作者 郭根芳 第 6 章 角度调制与解调电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频电子线路 教学课件 ppt 作者 郭根芳 第 6 章 角度调制与解调电路（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六章 角度调制与解调电路,主要内容 ：,6.1 角度调制信号的基本特性 6.2 调频电路 6.3 鉴频电路,6.1 角度调制信号的基本特性,6.1.1 瞬时频率与瞬时相位的概念,设一旋转矢量围绕原点O逆时针旋转，旋转的角速度为,在 = 0时，矢量与实轴之间的夹角为 ，称为初相； 在任意时刻 时，矢量与实轴之间的夹角为 ，称为瞬时相位 。,瞬时频率和瞬时相位之间的关系,若旋转的角速度 = 为常数，则瞬时相位为,若旋转的角速度 是 的函数，则瞬时相位为,将上式两边取微分，则得,旋转矢量的瞬时旋转角速度 称为瞬时角频率,6.1.2 调频信号与调相信号,1、调频信号的数学表达式和波形,设载波输出电压
2、 为一余弦信号,为载波振幅， 为载波角频率， 为载波初相,在未进行角度调制时，载波角频率 和初相 均为常数,调频时，载波的瞬时角频率 将在 的基础上按照调制信号 的规律成线性变化,是由调频电路所决定的比例常数，表示单位调制信号所引起的角频率变化，单位是rad/(s.V)；,为瞬时角频率相对于 的偏移，称为瞬时角频偏，用 表示,的最大值叫做 ,用 表示，即,根据瞬时频率和瞬时相位的关系表达式，可由调频信号的瞬时角频率得出调频信号的瞬时相位为,为未调制时载波的相位， 为瞬时相位相对于 的偏移，称为瞬时相偏，用 表示，即,最大角频偏,的最大值叫做 ，用 表示,调频信号的数学表达式为,最大相偏,当调制
3、信号 为单一频率的余弦信号,根据前面的公式可得最大角频偏和最大相偏 为,最大角频偏,最大相偏,为调频信号的最大相偏，也称为调频系数，用 表示,最大频偏,调制信号频率,当载波信号为 ，则调频信号数学表达式可以表示为,调制信号为余弦波的调频信号波形及其瞬时角频率的波形,2、调相信号的数学表达式和波形,设载波输出电压 为一余弦信号,调相时，调相信号的 随调制信号 的规律成线性变化,为调相灵敏度，表示单位调制信号所引起的相位变化，单位是rad/V,瞬时相偏,最大相偏,=,=,根据瞬时频率和瞬时相位的关系，可得调相信号的瞬时角频率为,瞬时角频偏,最大角频偏,调相信号的数学表达式为,=,=,当调制信号 为
4、单一频率的余弦信号,根据前面的公式可得最大角频偏和最大相偏 为,最大角频偏,最大相偏,为调相信号的最大相偏，也称为调相系数，用 表示,最大频偏,调制信号频率,=,=,=,调相信号的数学表达式为,调制信号为余弦波的调相信号波形及其瞬时角频率的波形,6.1.3 角度调制信号的频谱与带宽,采用单一频率调制时，调频信号和调相信号的数学表达式是相似的，因此，它们具有相同的频谱。 下面就以调频信号为例来讨论调角信号的频谱与带宽,1、调频信号的频谱,采用单一频率的余弦信号调制的调频信号数学表达式为,经过三角变换可得,贝塞尔函数曲线 图,将调频信号的频率分量标在频率轴上，即可获得它的频谱,由上图可看出，采用单
5、一频率调制的调频信号的频谱具有以下特点：,（1）调频信号的频谱不是调制信号的频谱的简单搬移，而是由载波 分量和无数对边频分量所组成，它们之间的间隔都是调制频率的整数倍。,（2）载波分量和各边频分量的振幅由对应的各阶贝塞尔函数确定； 越大，振幅较大的边频分量就越多，这与调幅信号是不同的，调幅信号在单频调制下，它的边频数目与调制系数无关。,（3）对于某些 值，载波或某边频分量的振幅为零，如 =2.4时，载波的振幅为零。,2、调频信号的带宽,从理论上说，调频信号的边频分量有无数多个，其频带宽度应为无穷大，但实际上，对于任意给定 的值，高到一定次数的边频分量的振幅已经小到可以忽略，以致滤除它们对调频信
6、号不会产生显著的影响，因此，调频信号的频带宽度实际上可以认为是有限的。 在高质量通信系统中，常以忽略小于1未调制载波振幅的边频分量来决定频谱宽度； 而在中等质量通信系统中，常以忽略小于10未调制载波振幅的边频分量来决定频谱宽度。 若以中等质量通信系统标准，则调频信号的有效带宽BW可由下列近似公式求出,即,一般将 1的调频称为窄带调频，这时,将 1的调频称为宽带调频，这时,也就是说宽带调频的带宽约等于最大频偏的两倍,调相信号的频谱结构以及带宽与调频信号相似，都与调制系数有关，只不过一个用 ，另一个用 ，调相信号的有效带宽为,注意，当调制信号含有许多频率分量，调角信号的频谱宽度不会因为调制信号所含
7、频率分量的增多而显著增加，所以仍然可以按最高调制频率作为单频信号调制时的带宽公式来估算。,3、调频信号与调相信号的比较,设调制信号为 ，载波信号为,当调制信号为单频信号时，调频信号和调相信号在性质上存在以下区别：,（1）调频信号和调相信号的瞬时频率与瞬时相位都随时间发生变化，但变化的规律不同；调频信号的瞬时频偏随调制信号成线性变化，瞬时相偏随调制信号的积分成线性变化；调相信号的瞬时频偏随调制信号的微分成线性变化，瞬时相偏随调制信号成线性变化。,（2） 调频信号和调相信号的最大频偏及调制系数均与调制信号的振幅成正比，但是它们与调制频率的关系则各不相同。其中，调频信号的最大频偏与调制频率无关，调制
8、系数与调制频率成反比；调相信号的最大频偏与调制频率成正比，调制系数与调制频率无关。,（3）调频信号和调相信号的频谱结构以及频带宽度都与调制系数有关，总的规律是：调制系数越大，应当考虑的边频分量的数目就越多，但是，当调制信号振幅恒定时，对于调频信号而言，由于 随 的增大而减小，应当考虑的边频分量就减少，同时由于各边频之间的距离扩大，最后造成频带宽度几乎不变；对于调相信号而言，由于 不变，应当考虑的边频分量的数目也就不变，同时由于各边频之间的距离扩大，最后造成频带宽度随调制频率 近似按比例增加。,例6-1 设调制频率为1kHz，调制系数 = =75的调频信号和调相信号，试求： （1） 和 。 （2
9、） 若调制信号的振幅不变，而调制信号频率提高为10kHz，这时 和 为多少？ （3）若调制频率仍为1kHz，而调制信号的振幅降为原来的三分之一，问 和 又将为多少？,（2）当 =10 kHz时，由于调制信号的振幅不变，所以调频信号的最大频偏不变，即 =75 kHz ，那么,由于调相信号的最大频偏与调制频率成正比，所以调相信号的最大频偏为,而 与调制频率无关，故有,（3）由于调频信号和调相信号的 及调制系数均与调制信号的振幅成正比，调制信号的振幅降为原来的1/3，故在调制频率不变情况下，调频信号和调相信号均有,6.2 调频电路,调频电路指的是产生调频信号的电路。,调频电路的性能指标，一般有以下几
10、方面的要求：,（1）已调波的瞬时频率与调制信号成线性关系变化。,（2）具有较高的调制灵敏度。,（3）最大频率偏移与调制信号频率无关。,（4）已调波的中心频率应具较高的稳定度。,（5）无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。产生调频信号的方法主要有两种：直接调频和间接调频。,6.2.1 变容二极管直接调频电路,直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号变化规律。,由LC正弦波振荡器的原理可知，振荡器的振荡频率主要取决于振荡回路的电感量和电容量，如果在振荡回路的两端并接一个可变电抗元件，利用调制电压去控制电抗元件的电感或电容，从而就可得到频率随调制信号线性变化的调频信
11、号。,在实际应用中，常用的可变电抗元件是变容二极管，故最常见的直接调频电路是变容二极管调频电路。,1、变容二极管的特性,变容二极管实际上是电压控制可变电容元件， 当外加反向偏置电压 发生变化时，变容二极管PN结的结电容 会随之变化，它们之间的关系可表示为,=,为变容二极管PN结的势垒电位差，硅管约为0.50.7伏，锗管约为0.20.3伏； 为外加反向偏置电压为0时的结电容值， 为变容二极管的结电容变化指数，它与PN结的类型和渗杂浓度有关,不同值时的 - 曲线 图,是变容二极管反向击穿电压时的结电容值,变容二极管的偏置电路,负电压 保证变容二极管反向偏置，此电压也是变容二极管的静态工作电压,在此
12、基础上加入单一频率调制信号电压 ，则加在变容二极管两端的反向偏置 为,由 和 的关系表达式可得,为变容二极管在静态工作点处的结电容值 称为变容二极管的调制深度,可见变容二极管的结电容受调制信号所控制，不过， 的变化规律一般不只与调制信号 成正比，还与电容变化指数有关。,2、调频原理分析,可得 =,为未加调制信号时的振荡频率，也就是调频电路的中心频率。,由上式可知，调频电路的振荡频率是随着调制信号的/2次方变化 。,下面具体分析变容二极管直接调频电路受调后的振荡频率,第三项是二次谐波失真分量的瞬时角频偏。,第二项是调频电路的瞬时角频偏，最大角频偏为,当0时,上式可看出调频电路的瞬时角频偏 随调制
13、信号作线性变化，中心角频率没有偏移，调制过程也不会产生非线性失真，也就是说，实现理想直接调频的条件是=2,当2时，只有在 足够小的情况下， 和 才可近似认为零，调制才可认为是线性的，但减小 ，又会导致最大频偏减小。这就说明，获得较大频偏与提高调制线性度之间存在着矛盾。,结论：在相对频偏较小的情况下，如调频广播发射机，由于所要求的 值很小，即使值不等于2，调频电路的中心角频率偏移量和二次谐波引起的非线性失真也是比较小的，所以对变容二极管的要求并不严格。 在微波调频制多路通信系统中，通常需要产生相对频偏比较大的调频信号，这时由于 值较大，当2时，就会产生较大的非线性失真和中心频率偏移，这种情况下，
14、则应尽可能采用值接近于2的变容二极管。,3、实际电路分析,b)图为实际电路的高频等效简化电路，从图中可知，该调频电路采用的是电容三点式振荡器作为振荡电路，振荡回路由L1、C2、C3、C5和反向串联的两个变容二极管共同组成，两变容二极管的结电容 随输入的调制信号 变化而变化，两管结电容与固定电容C5串联后控制振荡回路的总电容随输入的调制信号电压变化而变化，从而实现调频。,在此例中，结电容 只是振荡回路总电容的一部分，而不是全部，这种方式我们称为变容二极管部分接入式。,采用部分接入式虽然结电容 对振荡回路总电容的控制能力比全部接入式弱，也就是说，调频电路的最大频偏和调频灵敏度相应有一定减小，但是，
15、它可使变容二极管静态工作点电容 随温度、电源电压变化和 的非线性导致调频信号中心频率偏移的影响都变小，这有利于提高调频信号中心频率的稳定性，同时还可减小寄生调幅。,变容二极管直接调频电路的特点,变容二极管直接调频电路具有电路简单、工作频率高、所需调制信号的功率小、易于获得较大的频偏以及在频偏较小的情况下，非线性失真很小等优点，因而获得了广泛应用。 但这种电路的缺点是偏置电压漂移、温度变化等都会改变变容二极管的结电容，从而造成调频振荡器的中心频率稳定度不高，而且在频偏较大时，非线性失真较大。,6.2.2 间接调频电路,直接调频电路的主要缺点是中心频率稳定度较低，间接调频是提高调频信号中心频率稳定度的一种较简
