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1、5.1 调角波的基本特征调角波的基本特征 5.2 变容管直接调频电路变容管直接调频电路 5.3 间接调频电路间接调频电路5.4 扩展线性频偏的方法扩展线性频偏的方法5.5 调角波的解调调角波的解调第5章调角与解调（非线性频率变换电路）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
2、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。5.1 调角波的基本特征5.1.1FM波与PM波一、FM波的表达式调制信号：载波：调频波：其中，比例系数调频波最大角频偏：调频指数（最大相位偏移）单位：弧度二、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
3、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，
4、总的趋势减小当n(m+1)时，Jn(m)均小于0.1，即Jm2(m)，Jm3(m)等0.1。忽略振幅0.1Vcm，所以边频：其中，1.当m1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：(1)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)(2)调频信号的调频指数mf与调制频率有关，最大
5、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，所以调相信号的最大相偏(调相指数)mf，故调制范围很小。调频电路v调频有两种实现方法，分别为直接调频和间接调频。v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。v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
6、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
7、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)=Vmcos，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
8、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，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
9、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，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
10、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
11、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sinwt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
12、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0.001F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
13、所示为LC回路中心角频率(t)与输入信号中心角频率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
14、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
15、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=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mf0=fc时，VD1VD2，随着f的增加，两者差值将加大；fVD2，随着f的增加，两者差值也将加大。不同频率时
16、VD1与VD2矢量图检波输出设两个包络检波器的检波系数分别为Kd1，Kd2(通常Kd1=Kd12=Kd)，则两个包络检波器的输出分别为vo1=Kd1VD1，vo2=Kd2VD2。鉴频器的输出电压为鉴频特性由矢量图可以看出VD1与VD2的幅度与输入电压V1和V2之间的相位差有关。而包络检波器的输出电压又为VD1与VD2电压幅度之差值，最终可以得出如下结论：按上式所画出的鉴频特性曲线如书第304页，图5330所示。结论：在线性区内，鉴频器可正常工作，超过线性区，鉴频器不能鉴频。鉴频特性曲线与的关系：对V1曲线的影响：小于0.49时为单峰，且增加，峰值减小；大于0.49为双峰，且增加，峰值减小峰点向
17、两边移动。对V2的影响：当小于1时为单峰，增加，峰值减小，大于1时为双峰，增加，峰点向两边移动，但峰值不变。鉴频特性曲线与关系：增加，线性范围加宽；减小，线性范围变小，但曲线斜率高，即鉴频灵敏度高5.5.3 比例鉴频器当输入信号Vsm变化时，V2和V1均会发生变化，一般我们认为V2和V1不变。当V2和V1发生变化时，会引起检波管VD2与VD1变化，从而引起输出波幅变化寄生变化，故要求对这种变化幅度的波形进行加工，例如限幅电路。一、比例鉴频器电路图比例鉴频器是一种类似于叠加型相位鉴频器，而又具有自限幅(软限幅)能力的鉴频器，其基本电路如下图所示。它与互感耦合相位鉴频器电路的频相转换部分相同，他们
18、的区别在于：(1)两个二极管顺接；(2)接地点和输出点改变；(3)在电阻(R1+R2)两端并接一个大电容C，容量约在10F数量级。时间常数(R1+R2)C很大，约0.10.25s，远大于低频信号的周期。二、基本工作原理：下图是比例鉴频器的简化等效电路，电压、电流如图所示。鉴频特性分析：仍为两个两个检波器输出电压之差，但在相同条件下，输出电压比叠加型鉴频器减小了一半。VD1与VD2包络变化反相，VC1与VC2增大量或减小量近似相等，即VC1+VC2=E0最终可以推导出：三、合成矢量图当f=fc时VD1m=VD2m，i1=i2，但以相反方向流过负载RL，所以输出电压为零；当ffc时，VD1mVD2
19、m，i1i2，输出电压为负；当ffc时，VD1mVD2m，i1i2，输出电压为正。四、结论：1.输入信号频率变化时，VD1m和VD2m也在变化，从而使VD1m/VD2m也变，实现鉴频。2.输入信号Vsm幅度变化时，V1和V2也变化，同时增大或减小，导致VD1m和VD2m也同时增大或减小。3.抑制寄生调幅的物理实质：大容量C5维持VC1+VC2不变，始终为常数E0。4.要保证时常数(R1+R2)C大于寄生调幅干扰的几个周期。比例鉴频器存在着过抑制与阻塞现象。章末小结：章末小结：(1)调频信号的瞬时频率变化f(t)与调制电压成线性关系，调相信号的瞬时相位变化(t)与调制电压成线性关系，两者都是等幅
20、信号。对于单频调频或调相信号来说，只要调制指数相同，则频谱结构与参数相同，均由载频与无穷多对上下边频组成，即频带无限宽。但是，当调制信号是由多个频率分量组成时，相应的调频信号和调相信号的频谱都不相同，而且各自的频谱都并非是单个频率分量调制后所得频谱的简单叠加。这些都说明了非线性频率变换与线性频率变换是不一样的。(2)最大频偏fm、最大相偏m(即调制指数mf或mp)和带宽BW是调角信号的三个重要参数。要注意区别fm和BW两个不同概念，注意区别调频信号和调相信号中fm、m与其它参数的不同关系。(3)直接调频方式可获得较大的线性频偏，但载频稳定度较差；间接调频方式载频稳定度较高，但可获得的线性频偏较小。前者的最大相对频偏受限制，后者的最大绝对频偏受限制。采用晶振、多级单元级联、倍频和混频等措施可改善两种调频方式的载频稳定度或最大线性频偏等性能指标。(4)在鉴频电路中，LC并联回路作为线性网络，利用其幅频特性和相频特性，分别可将调频信号转换成调频调幅信号和调频调相信号，为频率解调准备了条件。在调频电路中，由变容二极管（或其它可变电抗元件）组成的LC并联回路作为非线性网络，更是经常用到的关键部件。(5)限幅电路是鉴频电路中不可缺少的重要部分，它可以消除叠加在调频信号上面的寄生调幅，从而实现减小鉴频失真。
