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1、第八章第八章 角度调制和解调角度调制和解调8.1 8.1 概述概述8.2 8.2 角波调制信号的分析角波调制信号的分析8.3 8.3 调频信号的产生方法和电路调频信号的产生方法和电路8.4 8.4 调频信号的解调方法和电路调频信号的解调方法和电路18.1 概述概述调幅调幅：载波频率不变，振幅的变化与调制信号成线性关系，载波频率不变，振幅的变化与调制信号成线性关系，信息寄载在振幅的变化中（包络）。信息寄载在振幅的变化中（包络）。调频调频: 载波振幅不变，载波振幅不变，瞬时频率瞬时频率的变化与调制信号成线性关的变化与调制信号成线性关系，信息寄载在频率的变化中。系，信息寄载在频率的变化中。 无论调频
2、还是调相，都会使载波的相角发生变化，因无论调频还是调相，都会使载波的相角发生变化，因此二者统称为此二者统称为角度调制角度调制，或称，或称调角调角。 调频主要用于调频广播、广播电视、通信及遥测等；调频主要用于调频广播、广播电视、通信及遥测等；调相主要用于数字通信系统中的移相键控。调相主要用于数字通信系统中的移相键控。 调频和调相两者有许多相同的地方，由于调相的缺点较多，调频和调相两者有许多相同的地方，由于调相的缺点较多，因此在模拟通信系统中，一般都是用调频制。因此在模拟通信系统中，一般都是用调频制。本章重点讨论调频和鉴频。本章重点讨论调频和鉴频。鉴频：鉴频：调频信号的解调。调频信号的解调。鉴相：
3、鉴相：调相信号的解调。调相信号的解调。调相调相: 载波振幅不变，载波振幅不变，瞬时相位瞬时相位的变化与调制信号成线性关的变化与调制信号成线性关系，信息寄载在相位的变化中。系，信息寄载在相位的变化中。28.2 角波调制信号的分析角波调制信号的分析8.2.1 瞬时频率和瞬时相位瞬时频率和瞬时相位8.2.2 调角波的数学表达式调角波的数学表达式8.2.3 调角波的波形调角波的波形8.2.4 调角波的频谱调角波的频谱38.2.1 瞬时频率和瞬时相位的概念瞬时频率和瞬时相位的概念调角波的波形（等幅疏密波）：调角波的波形（等幅疏密波）：瞬时频率变换规律：瞬时频率变换规律：波形的疏密是变化的，波形的疏密是变
4、化的，最密集处频率最高，最最密集处频率最高，最稀疏处频率最低，每一稀疏处频率最低，每一瞬间的频率各不相同。瞬间的频率各不相同。调频调频: 载波振幅不变，瞬时频率的变化与调制信号成线性关载波振幅不变，瞬时频率的变化与调制信号成线性关系，信息寄载在频率的变化中。系，信息寄载在频率的变化中。调相调相: 载波振幅不变，瞬时相位的变化与调制信号成线性关载波振幅不变，瞬时相位的变化与调制信号成线性关系，信息寄载在相位的变化中。系，信息寄载在相位的变化中。0T/2T-T/2-Ttv(t)0T/2T-T/2-Ttf(t)48.2.1 瞬时频率和瞬时相位的概念瞬时频率和瞬时相位的概念设高频载波信号为：设高频载波
5、信号为：下图是其旋转矢量图。下图是其旋转矢量图。 (t) t 时刻的瞬时相位时刻的瞬时相位 (t) 瞬时角频率瞬时角频率以上两式表示瞬时角频率和瞬时相位的关系，以上两式表示瞬时角频率和瞬时相位的关系，是角度调制中的两个基本关系式。是角度调制中的两个基本关系式。矢量在实轴上的投影为：矢量在实轴上的投影为：实轴实轴58.2.2 调角波的数学表达式调角波的数学表达式一、一、调频（调频（FM）信号的数学表达式信号的数学表达式载波：载波：调制信号：调制信号：由调频的定义：由调频的定义：调频时已调波的调频时已调波的瞬时频率瞬时频率 (t)与调制信号与调制信号v 成成线性关系，振幅不变。线性关系，振幅不变。
6、即：即： 0 kf = =vtkf)(表示单位调制信号所引表示单位调制信号所引起的频率偏移。起的频率偏移。未调制载波的角频率，是未调制载波的角频率，是FM波的中心频率。波的中心频率。调频灵敏度，调频灵敏度，(t)表示瞬时频率相对载波频率的偏移量，寄载了调制信息。表示瞬时频率相对载波频率的偏移量，寄载了调制信息。瞬时频率偏移，简称频移或频偏。瞬时频率偏移，简称频移或频偏。最大频移最大频移m：m与与调制信号的振幅成正比，与调制信号频率无关。调制信号的振幅成正比，与调制信号频率无关。68.2.2 调角波的数学表达式调角波的数学表达式一、一、调频（调频（FM）信号的数学表达式信号的数学表达式载波：载波
7、：调制信号：调制信号：由调频的定义：由调频的定义：调频时已调波的调频时已调波的瞬时频率瞬时频率 (t)与调制信号与调制信号v 成成线性关系，振幅不变。线性关系，振幅不变。即：即： 0 kf = =vtkf)(表示单位调制信号所引表示单位调制信号所引起的频率偏移。起的频率偏移。未调制载波的角频率，是未调制载波的角频率，是FM波的中心频率。波的中心频率。调频灵敏度，调频灵敏度，(t)表示瞬时频率相对载波频率的偏移量，寄载了调制信息。表示瞬时频率相对载波频率的偏移量，寄载了调制信息。瞬时频率偏移，简称频移。瞬时频率偏移，简称频移。最大频移最大频移m。m与与调制信号的振幅成正比，与调制信号频率无关。调
8、制信号的振幅成正比，与调制信号频率无关。由关系式：由关系式：设设 0=0，则有，则有(t)瞬时相位偏移，简称相移。瞬时相位偏移，简称相移。 最大相位偏移最大相位偏移 m (t)的最大值的最大值调频指数调频指数调频波的调频指数可大于调频波的调频指数可大于1，而且通常应用于大于，而且通常应用于大于1的情况。的情况。调频指数与调制信号振幅成正比，与调制频率成反比。调频指数与调制信号振幅成正比，与调制频率成反比。对于对于 F = 15kHz，如调频广播中，如调频广播中，7调频信号的一般表达式为调频信号的一般表达式为：当调制信号为单一频率信号：当调制信号为单一频率信号：8二、二、调相（调相（PM）信号的
9、数学表达式信号的数学表达式载波：载波：调制信号：调制信号：由调相的定义：由调相的定义：调相时已调波的调相时已调波的瞬时相位瞬时相位 (t)与调制信号与调制信号v 成成线性关系，振幅不变。线性关系，振幅不变。即：即： 0t kP = =vtkP)(表示单位调制信号所引表示单位调制信号所引起的相位偏移。起的相位偏移。未调制载波的相位角。未调制载波的相位角。调相灵敏度，调相灵敏度，(t)表示瞬时相位相对载波相位角表示瞬时相位相对载波相位角 0t的偏移量，寄载了调制信息。的偏移量，寄载了调制信息。瞬时相位偏移，简称相移。瞬时相位偏移，简称相移。最大相移最大相移m。最大相移最大相移 m称为称为调相指数调
10、相指数mP：调相指数与调制信号振幅成正比，与调制频率无关。调相指数与调制信号振幅成正比，与调制频率无关。9二、二、调相（调相（PM）信号的数学表达式信号的数学表达式载波：载波：调制信号：调制信号：由调频的定义：由调频的定义：调频时已调波的调频时已调波的瞬时相位瞬时相位 (t)与调制信号与调制信号v 成成线性关系，振幅不变。线性关系，振幅不变。即：即： 0t kP = =vtkP)(表示单位调制信号振幅表示单位调制信号振幅所引起的相位偏移。所引起的相位偏移。未调制载波的相位角。未调制载波的相位角。调相灵敏度，调相灵敏度，(t)表示瞬时相位相对载波相位角表示瞬时相位相对载波相位角 0t的偏移量，寄
11、载了调制信息。的偏移量，寄载了调制信息。瞬时相位偏移，简称相移。瞬时相位偏移，简称相移。最大相移最大相移m。最大相移最大相移 m称为称为调相指数调相指数mP：调相指数与调制信号振幅成正比，与调制频率无关。调相指数与调制信号振幅成正比，与调制频率无关。调相信号的表达式为调相信号的表达式为：当调制信号为单一频率信号时：当调制信号为单一频率信号时：10二、二、调相（调相（PM）信号的数学表达式信号的数学表达式载波：载波：调制信号：调制信号：由调频的定义：由调频的定义：调频时已调波的调频时已调波的瞬时相位瞬时相位 (t)与调制信号与调制信号v 成成线性关系，振幅不变。线性关系，振幅不变。即：即： 0t
12、 kP = =vtkP)(表示单位调制信号振幅表示单位调制信号振幅所引起的相位偏移。所引起的相位偏移。未调制载波的相位角。未调制载波的相位角。调相灵敏度，调相灵敏度，(t)表示瞬时相位相对载波相位角表示瞬时相位相对载波相位角 0t的偏移量，寄载了调制信息。的偏移量，寄载了调制信息。瞬时相位偏移，简称相移。瞬时相位偏移，简称相移。最大相移最大相移m。最大相移最大相移 m称为称为调相指数调相指数mP：调相指数与调制信号振幅成正比，与调制频率无关。调相指数与调制信号振幅成正比，与调制频率无关。由关系式：由关系式： (t)瞬时频率偏移瞬时频率偏移 m最大频率偏移最大频率偏移：m与调制信号的振幅和频率成
13、正比。与调制信号的振幅和频率成正比。11FMPM瞬时瞬时频率频率瞬时瞬时相位相位最大最大频偏频偏最大最大相移相移表达表达式式FM、PM信号比较信号比较12 调制指数与最大频移的关系：调制指数与最大频移的关系：都用调制指数都用调制指数m表示，则有：表示，则有：不论调频还是调相，最大频移都等于调制指数与调制频率之积。不论调频还是调相，最大频移都等于调制指数与调制频率之积。FM、PM信号比较信号比较最大相移、最大频移与调制频率的关系：最大相移、最大频移与调制频率的关系：FmfmfFmPmPFM波的最大频移波的最大频移mf与调制与调制频率频率 无关，最大相移即调频无关，最大相移即调频指数指数mf则与则
14、与 成反比。成反比。PM波的最大频移波的最大频移mP与调与调制频率制频率 成正比，最大相移即成正比，最大相移即调频指数（调频指数（mP）则与则与 无关。无关。这是两种调制的根本区别。这是两种调制的根本区别。13FM与与PM信号的波形：信号的波形：FMPMttv2(t)v1(t)ttPM波与波与FM波相比，只是延迟了一段时间。波相比，只是延迟了一段时间。14四、调频与调相的互相转换四、调频与调相的互相转换在同一调制信号下，在同一调制信号下，FM和和PM波的表达式为：波的表达式为：间接调频间接调频积分积分调相调相微分微分调频调频间接调相间接调相调频器调频器调相器调相器直接调频直接调频直接调相直接调
15、相15例：例：角调波角调波试确定：试确定：（2）最大相偏；）最大相偏；（1）最大频偏；）最大频偏；（4）此信号在单位电阻上的功率。）此信号在单位电阻上的功率。（3）调频还是调相。）调频还是调相。最大相偏：最大相偏：调制指数调制指数最大角频偏：最大角频偏：最大频偏：最大频偏：因为调制信号形式未知，不能确定是调频还是调相。因为调制信号形式未知，不能确定是调频还是调相。信号在单位电阻上的功率：信号在单位电阻上的功率：16例：例：调制信号调制信号载波载波调制后瞬时频率调制后瞬时频率问所进行的是调频还是调相，写出已调波的表达式；调制指数问所进行的是调频还是调相，写出已调波的表达式；调制指数m和最大频偏和
16、最大频偏 fm各是多少？各是多少？解：解：可知瞬时频率与调制信号成线性关系，所进行的是可知瞬时频率与调制信号成线性关系，所进行的是调频调频。最大频偏为：最大频偏为：调制指数调制指数 = 最大相移最大相移m已调波的表达式为：已调波的表达式为：178.2.3 调角信号的频谱和频带宽度调角信号的频谱和频带宽度一、调频（一、调频（FM）信号的频谱信号的频谱设设V0m=1，则：则：利用三角公式：利用三角公式：载波：载波：调制信号：调制信号：是以是以mf为参数的为参数的n阶第一类贝塞尔函数。阶第一类贝塞尔函数。当当mf和和n一定时，一定时，为常数，可由曲线或函数表查得。为常数，可由曲线或函数表查得。18是
17、以是以mf为参数的为参数的n阶第一类贝塞尔函数。阶第一类贝塞尔函数。当当mf和和n一定时，一定时，为常数，可由曲线或函数表查得。为常数，可由曲线或函数表查得。贝塞尔贝塞尔 函数函数载频载频第一对边频第一对边频第二对边频第二对边频第三对边频第三对边频由单一频率信号调制的由单一频率信号调制的FM波，其频谱具有以下特点：波，其频谱具有以下特点：信号频谱由载频和无限对上、下边频分量信号频谱由载频和无限对上、下边频分量 0 n 组成。组成。各边频分量各边频分量 0 n 与载频相隔都是调制频率的整数倍与载频相隔都是调制频率的整数倍。载频与各边频分量载频与各边频分量的的振幅的的振幅=调制指数调制指数mf越大
18、，具有较大振幅的边越大，具有较大振幅的边 频分量就越多，所占的频带就越宽。频分量就越多，所占的频带就越宽。理论上边频数目是无穷大的，但对于一定的理论上边频数目是无穷大的，但对于一定的mf，当时，当时n mf +1时其振幅可以忽略，所以时其振幅可以忽略，所以调频信号的频带宽度实际上可认为是有限的。调频信号的频带宽度实际上可认为是有限的。2.40.5mf0130.52.41234n=0奇次的上、下边频分量符号相反。奇次的上、下边频分量符号相反。当当时，时，19二、调频（二、调频（FM）信号的频带宽度信号的频带宽度 通常规定：凡是振幅小于未调制载波振幅通常规定：凡是振幅小于未调制载波振幅1%的边频分
19、量均的边频分量均可忽略不计，即保留的频谱分量满足可忽略不计，即保留的频谱分量满足|Jn（mf）| 0.01；在要求在要求不高的场合，此标准可定为：不高的场合，此标准可定为： |Jn（mf）| 0.1。如果忽略小于调制信号振幅如果忽略小于调制信号振幅10%的边频分量，则频谱宽度为：的边频分量，则频谱宽度为：根据频带宽度的不同，可分为宽带调频和窄带调频：根据频带宽度的不同，可分为宽带调频和窄带调频：窄带调频：窄带调频：宽带调频：宽带调频：的宽带调频：的宽带调频：三、调相（三、调相（PM）信号的频谱和带宽信号的频谱和带宽分析方法同分析方法同FM，调相信号的频带宽度为：调相信号的频带宽度为：20四、四
20、、FM、PM信号的频带宽度比较信号的频带宽度比较1、两者的频谱结构和频带宽度都与调制指数密切相关，总的规、两者的频谱结构和频带宽度都与调制指数密切相关，总的规律是：调制指数越大，应该考虑的边频数目越多，频带越宽。律是：调制指数越大，应该考虑的边频数目越多，频带越宽。2、当调制信号的幅度一定时，、当调制信号的幅度一定时，FM波的频带宽度是恒定的，而波的频带宽度是恒定的，而PM波的频带宽度随调制信号的频率而变化。波的频带宽度随调制信号的频率而变化。带宽与调制频率无关，所以调频制也叫带宽与调制频率无关，所以调频制也叫恒定带宽调制恒定带宽调制。 PM波的频带宽度与调制信号的频率成正比。如果按最高调制波
21、的频带宽度与调制信号的频率成正比。如果按最高调制频率设计信道，则在调制频率低时有很大余量，系统频带利用频率设计信道，则在调制频率低时有很大余量，系统频带利用不充分，因此在模拟通信系统中，调频制比调相制应用更广。不充分，因此在模拟通信系统中，调频制比调相制应用更广。3、调制信号频率不变，只改变调制信号振幅时，调制信号频率不变，只改变调制信号振幅时，FM和和PM信号信号 的频带宽度都会改变。的频带宽度都会改变。21五、角度调制是非线性调制五、角度调制是非线性调制 对于调幅制来说，调幅波的频谱结构与基带信号的频谱结构对于调幅制来说，调幅波的频谱结构与基带信号的频谱结构完全相同，只是在频率轴上搬移了一
22、个位置，称为线性调制。完全相同，只是在频率轴上搬移了一个位置，称为线性调制。 在角度调制中，除了基带的频率分量外，调角波中还增加了在角度调制中，除了基带的频率分量外，调角波中还增加了许多新的组合频率分量，使频谱组成大为复杂。属于非线性调许多新的组合频率分量，使频谱组成大为复杂。属于非线性调制。制。Fmax2Fmaxv fAMfFMf 0 02(mf+1)Fmax22六、各频率分量之间的功率分配六、各频率分量之间的功率分配 因为调频波是一个等幅波，所以它的总功率为常数，不因为调频波是一个等幅波，所以它的总功率为常数，不随调制指数的变化而变化。随调制指数的变化而变化。调制前的总功率调制前的总功率调
23、制后的总功率调制后的总功率 调制后，已调波出现许多边频分量，总功率就分配到各分量，调制后，已调波出现许多边频分量，总功率就分配到各分量，随随mf的不同，各频率分量之间功率分配的数值也不相同。的不同，各频率分量之间功率分配的数值也不相同。举例：举例：调频波中的载波分量功率调频波中的载波分量功率 未调载波功率；未调载波功率；调频波中的总功率调频波中的总功率 未调载波功率。未调载波功率。标准调幅波中的载波分量功率标准调幅波中的载波分量功率 未调载波功率；未调载波功率；标准调幅波中的总功率标准调幅波中的总功率 未调载波功率；未调载波功率；（大于，等于，小于）（大于，等于，小于） 等于等于小于或等于小于
24、或等于等于等于大于或等于大于或等于23第一类贝塞尔函数曲线：第一类贝塞尔函数曲线：1234n=01 、随着、随着mf 的增加，的增加，3 、4、对于某些、对于某些mf 值，值， 2、对于某一固定的、对于某一固定的mf ，当当时，时，近似周期性地变化，且其峰值下降。近似周期性地变化，且其峰值下降。贝塞尔函数曲线的性质：贝塞尔函数曲线的性质：24举例：举例：调频波的幅度是调频波的幅度是1V, 频谱结构示于下图。频谱结构示于下图。求调频波的最大频偏求调频波的最大频偏 fm ，调制信号是：调制信号是：0.260.490.490.310.310.340.340.130.13(MHZ)0.1求调频波表示达
25、式中的求调频波表示达式中的25举例：举例：调频波的幅度是调频波的幅度是1V, 频谱结构示于下图。频谱结构示于下图。0.390.360.360.430.430.060.060.280.28(MHZ)0.20.130.130.040.04忽略振幅小于调频波振幅的忽略振幅小于调频波振幅的10%的边频分量，则的边频分量，则忽略振幅小于调频波振幅的忽略振幅小于调频波振幅的1%的边频分量，则的边频分量，则26举例：举例： 调相指数调相指数mp=5，假设载波振幅为，假设载波振幅为1V。分别画出调制信号。分别画出调制信号的频率为的频率为100Hz和和15kHz时调相波的频谱结构，并求出相时调相波的频谱结构，并
26、求出相应的频带宽度应的频带宽度BW。F=100Hz的频谱：的频谱：由贝塞尔函数曲线的性质，由贝塞尔函数曲线的性质，频谱中应该有频谱中应该有mp+1=6对边频。对边频。查表得载波及各边频分量的振幅为：查表得载波及各边频分量的振幅为：J0(5)J1(5)J2(5)J3(5)J4(5)J5(5J6(5)0.180.330.050.360.390.260.130.180.360.360.330.33(HZ)1000.050.050.390.390.260.260.130.1327举例：举例： 调相指数调相指数mp=5，假设载波振幅为，假设载波振幅为1V。分别画出调制信号。分别画出调制信号的频率为的频率
27、为100Hz和和15kHz时调相波的频谱结构，并求出相时调相波的频谱结构，并求出相应频带宽度应频带宽度BW。F=15kHz的频谱：的频谱：由贝塞尔函数曲线的性质，由贝塞尔函数曲线的性质，频谱中应该有频谱中应该有mp+1=6对边频。对边频。查表得载波及各边频分量的振幅为：查表得载波及各边频分量的振幅为：J0(5)J1(5)J2(5)J3(5)J4(5)J5(5J6(5)0.180.330.050.360.390.260.130.180.360.360.330.33(kHZ)150.050.050.390.390.260.260.130.1328不同不同mf对应的对应的Jn(mf)值值290.02
28、0.770.440.440.110.110.02301、什么叫调角？、什么叫调角？2、瞬时频率和瞬时相位有什么关系？、瞬时频率和瞬时相位有什么关系？3、调频波和调相波的数学表达式、调频波和调相波的数学表达式信息寄载在瞬时频率偏移中信息寄载在瞬时频率偏移中信息寄载在瞬时相位偏移中信息寄载在瞬时相位偏移中314、各指什么？各指什么？它们之间有什么关系它们之间有什么关系与调制频率无关。与调制频率无关。与调制频率无关。与调制频率无关。328.3 8.3 调频信号的产生方法和电路调频信号的产生方法和电路8.3.1 8.3.1 调频方法概述调频方法概述8.3.2 8.3.2 变容二极管直接调频变容二极管直
29、接调频8.3.3 8.3.3 其他直接调频电路其他直接调频电路8.3.3 8.3.3 间接调频间接调频338.3 调频信号的产生方法和电路调频信号的产生方法和电路8.3.1 调频方法概述调频方法概述产生调频信号的电路叫调频器，对它有四个要求：产生调频信号的电路叫调频器，对它有四个要求：（1）已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化，这）已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化，这 是基本要求。是基本要求。（2）已调波的中心频率具有一定的稳定度。）已调波的中心频率具有一定的稳定度。（3）最大频移与调制频率无关（恒定带宽调制）。）最大频移与调制频率无关（恒定带宽调制）。（4）寄生调幅尽可能小（振幅恒定
30、）。）寄生调幅尽可能小（振幅恒定）。调频方法主要有两类：调频方法主要有两类： （一）直接调频（一）直接调频（二）间接调频（二）间接调频34一、直接调频原理一、直接调频原理基本原理基本原理是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。 如果载波振荡由如果载波振荡由LC自激振荡器产生，则振荡频率主要由谐振自激振荡器产生，则振荡频率主要由谐振回路的电感和电容决定，因此只要能用调制信号去控制回路的回路的电感和电容决定，因此只要能用调制信号去控制回路的电感或电容，就能达到控制振荡频率的目的。受电压控制的元电感或电容，就能达到控制振荡频率的目的。受电压控制的元
31、件称为件称为压控元件压控元件。在调频电路中最常用的压控元件为在调频电路中最常用的压控元件为变容二极管变容二极管。 因此，凡是能直接影响载波振荡瞬时频率的元件或参数，只因此，凡是能直接影响载波振荡瞬时频率的元件或参数，只要能够用调制信号去控制它们，并从而使载波振荡瞬时频率按要能够用调制信号去控制它们，并从而使载波振荡瞬时频率按调制信号规律线性地变化，都可以完成直接调频的任务。调制信号规律线性地变化，都可以完成直接调频的任务。直接调频的特点：直接调频的特点：优点优点：调制器与振荡器合二为一，在实现线性调频的要求下，：调制器与振荡器合二为一，在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏。可以获得较大的
32、频偏。 缺点缺点：频率稳定度差，在许多场合需要对载频采取稳频措施，：频率稳定度差，在许多场合需要对载频采取稳频措施，或者对石英晶体振荡器进行直接调频。或者对石英晶体振荡器进行直接调频。35二、间接调频原理二、间接调频原理窄带窄带宽带宽带高稳定度载高稳定度载波振荡器波振荡器相位调相位调制器制器多级倍频器多级倍频器和混频器和混频器积分积分电路电路调制器与主振分开，载波中心频率稳定度高。调制器与主振分开，载波中心频率稳定度高。获得线性调频以线性调相为基础，但在线性调相时，要获得线性调频以线性调相为基础，但在线性调相时，要 求求m30，因而线性调相范围很窄，导致调频波的最因而线性调相范围很窄，导致调频
33、波的最 大频偏大频偏 fm很小。很小。 fm小的缺点可以通过多级倍频获得符合要求的调频频小的缺点可以通过多级倍频获得符合要求的调频频 偏，然后通过混频器变换频率即可得到符合要求的调频波偏，然后通过混频器变换频率即可得到符合要求的调频波 工作范围。工作范围。间接调频的特点：间接调频的特点：368.3.2 变容二极管直接调频变容二极管直接调频 变容二极管是利用变容二极管是利用PN结的结电容随反向电压变化结的结电容随反向电压变化这一特性制这一特性制成的一种半导体二极管，是一种电压控制的可变电抗元件。成的一种半导体二极管，是一种电压控制的可变电抗元件。一、变容二极管的调频原理一、变容二极管的调频原理变
34、容二极管与反向电压变容二极管与反向电压vR存在如下关系：存在如下关系： + += =)1(0DRjVvCCC0vR=0时的电容值；时的电容值；vR反向偏置电压；反向偏置电压；VDPN结势垒电位差：结势垒电位差：Si：0.7V；Ge 结电容的变容指数。结电容的变容指数。其值随半导体的掺杂浓度及其值随半导体的掺杂浓度及PN结结构的不同而异，缓变结结结构的不同而异，缓变结 =1/3，突变结，突变结 =1/2，超突变结，超突变结 =14，最大可达，最大可达6以上。以上。若在其上加一静态电压若在其上加一静态电压V0和一个调制信号和一个调制信号v =V cos t，则有：则有：结电容在结电容在vR控制下随
35、时控制下随时间变化，如图所示：间变化，如图所示：0vRCjtvRCjV0t若把受到调制信号控制的变容二极管若把受到调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡接入载波振荡器的振荡回路，则振荡频率亦受到调制信号的控制，适当地频率亦受到调制信号的控制，适当地选择管子的特性和工作状态，可以使选择管子的特性和工作状态，可以使振荡频率的变化近似地与调制信号成振荡频率的变化近似地与调制信号成线性关系，这样就实现了调频。线性关系，这样就实现了调频。37变容管结电容与调制信号的关系：变容管结电容与调制信号的关系： + += =)1(0DRjVvCC静态工作点静态工作点的结电容的结电容结电容调结电容
36、调制深度制深度38二、二、变容二极管直接调频电路分析变容二极管直接调频电路分析VCCR1R2C2C1C3CjC4v LBLCjC2C1LC3：高频耦合电容；：高频耦合电容； C4：隔直电容；：隔直电容；LB：高频扼流圈：高频扼流圈R1、R2为偏置电路，提供为偏置电路，提供Cj静态偏压：静态偏压：调制信号：调制信号：二极管的反向偏压为：二极管的反向偏压为：39CjC2C1L调频性能分析：调频性能分析：电路为电容三点式振荡电路为电容三点式振荡电路，振荡频率为：电路，振荡频率为：未加调制信号时未加调制信号时的振荡频率，为的振荡频率，为调频振荡器的中调频振荡器的中心频率。心频率。（1）假设）假设 =2
37、能够实现线性调频。能够实现线性调频。40（2）假设）假设2利用展开式：（利用展开式：（|x|Cj，则振荡回路的则振荡回路的C Cj，回路的谐振频率为：回路的谐振频率为：471、变容二极管调相电路变容二极管调相电路在高在高Q值及失谐较小条件下，电压、电流值及失谐较小条件下，电压、电流间的相移是：间的相移是：CjCL相移与调制信号成正比，实现了相移与调制信号成正比，实现了线性调相，最大调制指数为线性调相，最大调制指数为 /6。48若将若将v 先经积分器积分，然后加在变容管先经积分器积分，然后加在变容管两端，则变容管两端的电压变为：两端，则变容管两端的电压变为：得到的将是一个调频信号。得到的将是一个
38、调频信号。492 2、矢量合成法调相电路、矢量合成法调相电路减法器减法器相乘器相乘器移相移相90 振荡器振荡器508.4 调频信号的解调调频信号的解调(鉴频）鉴频）8.4.1 概述概述8.4.2 振幅鉴频器（斜率鉴频器）振幅鉴频器（斜率鉴频器）8.4.3 相位检波器（鉴相器）相位检波器（鉴相器）8.4.4 相位鉴频器相位鉴频器8.4.5 比例鉴频器比例鉴频器8.4.6 正交鉴频器正交鉴频器518.4.1 概述概述鉴频是指从调频信号中恢复出原调制信号的过程。鉴频是指从调频信号中恢复出原调制信号的过程。（一）振幅鉴频器（斜率鉴频器）（一）振幅鉴频器（斜率鉴频器） 首先进行波形变换，将等幅调首先进行
39、波形变换，将等幅调频波变换成幅度随瞬时频率变化频波变换成幅度随瞬时频率变化的调幅波（即的调幅波（即FMAM波），然波），然后用包络检波器将振幅的变化检后用包络检波器将振幅的变化检测出来。测出来。ttvFMtvFM-AM波形波形变换变换包络包络检波检波vFMvFM-AMv 常用的鉴频器主要有如下几类：常用的鉴频器主要有如下几类：52（二）相位鉴频器（二）相位鉴频器 首先进行波形变换，将等幅调频波变换成相位随瞬时频率变首先进行波形变换，将等幅调频波变换成相位随瞬时频率变化的既调频又调相的化的既调频又调相的FMPM波，然后将此波，然后将此FMPM信号与原信号与原调频信号一起加到相位检波器（鉴相器）上
40、，从而解调出原调调频信号一起加到相位检波器（鉴相器）上，从而解调出原调制信号。制信号。波形波形变换变换鉴相鉴相器器vFMvFM-PMv 相位鉴频法的关键是鉴相器，有乘积型和叠加型两种。相位鉴频法的关键是鉴相器，有乘积型和叠加型两种。（三）比例鉴频器（三）比例鉴频器 在相位鉴频器的基础上进行适当改进后具有自动限幅作在相位鉴频器的基础上进行适当改进后具有自动限幅作用的鉴频器，可省去限幅器。用的鉴频器，可省去限幅器。（四）正交鉴频器（四）正交鉴频器 实际上是一种乘积型相位鉴频器。由移相网络、乘法器和实际上是一种乘积型相位鉴频器。由移相网络、乘法器和低通滤波器组成。低通滤波器组成。53 f0鉴频器的技
41、术指标：鉴频器的技术指标：鉴频器的主要特性是鉴频特性（鉴频器的主要特性是鉴频特性（S曲线曲线）。衡量鉴频特性的主要指标有：衡量鉴频特性的主要指标有：1、鉴频灵敏度。、鉴频灵敏度。鉴频特性的灵敏度通常鉴频特性的灵敏度通常用用f0处鉴频特性的斜率定义，即：处鉴频特性的斜率定义，即：2、线性范围。、线性范围。线性范围是指鉴频特性近似线性范围是指鉴频特性近似为直线的范围，如图的为直线的范围，如图的Bmax。这个范围应该这个范围应该大于调频信号最大频偏的两倍，即：大于调频信号最大频偏的两倍，即：3、非线性失真。、非线性失真。由于鉴频特性不是理想直线而使解调由于鉴频特性不是理想直线而使解调信号产生的失真称
42、为鉴频器的非线性失真。信号产生的失真称为鉴频器的非线性失真。（V/Hz）548.4.2 振幅鉴频器（斜率鉴频器）振幅鉴频器（斜率鉴频器）一、失谐回路振幅鉴频器一、失谐回路振幅鉴频器 这种鉴频器利用这种鉴频器利用对调频波中心频率失谐对调频波中心频率失谐的的LC回路，将回路，将FM波变换为波变换为FMAM波，然后用二极管峰值包络检波器进行波，然后用二极管峰值包络检波器进行振幅检波从而完成调频信号的解调。振幅检波从而完成调频信号的解调。 图中图中R1 、L1、C1 构成谐振回构成谐振回路，实现路，实现FM波到波到FMAM波波的变换。的变换。 D、R2、C2 构成二极管峰值构成二极管峰值包络检波器，完
43、成振幅检波。包络检波器，完成振幅检波。 假定调频波的中心频率为假定调频波的中心频率为 ，偏离谐振回路的谐振频，偏离谐振回路的谐振频率率 ，且，且 ，并假定调频波的频偏较小。，并假定调频波的频偏较小。550 定性说明：定性说明： FM信号工作在并联谐振回路的失谐区，当信号工作在并联谐振回路的失谐区，当FM电流流经回电流流经回路时，由于瞬时频率随调制信号而变化，对于不同的瞬时频偏，路时，由于瞬时频率随调制信号而变化，对于不同的瞬时频偏，失谐回路的阻抗不同，回路的输出电压将会随瞬时频偏的变化失谐回路的阻抗不同，回路的输出电压将会随瞬时频偏的变化而变化，从而完成而变化，从而完成FM到到FMAM信号的变
44、换，再经包络检波信号的变换，再经包络检波器检波，即可得出原调制信号。器检波，即可得出原调制信号。特点：特点：鉴频特性的线性范围小，解调后失真较大，是一种原鉴频特性的线性范围小，解调后失真较大，是一种原 始类型的鉴频器。始类型的鉴频器。 056双失谐回路振幅鉴频器：双失谐回路振幅鉴频器：DDCCRR 为了扩大单失谐回路鉴为了扩大单失谐回路鉴频特性的线性工作范围，常频特性的线性工作范围，常使用两个单失谐回路鉴频器使用两个单失谐回路鉴频器的组合。的组合。 两谐振回路的特性曲线相同，只是谐振频率不同，并将两个鉴频两谐振回路的特性曲线相同，只是谐振频率不同，并将两个鉴频器的输出之差作为总的输出，即器的输
45、出之差作为总的输出，即 。f01 fC f0，次级回路呈感性，相位差为次级回路呈感性，相位差为0 /2； f f0，次级回路呈感性，相位差为次级回路呈感性，相位差为0 /2；由矢量图可知：由矢量图可知：（3） f f0， 0，v1、v2相位差为相位差为0 /2f f0， f0， 0，v1、v2相位差为相位差为0 /274由矢量图知：由矢量图知：ff0， 0，v1、v2相位差为相位差为 /2 75综合以上的讨论：综合以上的讨论：比例鉴频器具有图示的鉴频特性曲线：比例鉴频器具有图示的鉴频特性曲线： 只要工作在比例鉴频器的线性鉴只要工作在比例鉴频器的线性鉴相区，就可以还原出原调制信号。相区，就可以还
46、原出原调制信号。相位鉴频器的鉴频特性相位鉴频器的鉴频特性 在电路参数相同的条件在电路参数相同的条件下，相位鉴频器的鉴频跨下，相位鉴频器的鉴频跨导是比例鉴频器的导是比例鉴频器的2倍。倍。76三、比例鉴频器的自限幅原理三、比例鉴频器的自限幅原理 比例鉴频的输出电压只取决于比例鉴频的输出电压只取决于FM波瞬时频率的变化，而与波瞬时频率的变化，而与输入输入FM波的振幅无关。波的振幅无关。 假设假设FM波瞬时频率不变，波瞬时频率不变， f =常量，而由于传输过程中的常量，而由于传输过程中的寄生干扰调幅使输入寄生干扰调幅使输入FM波的幅度发生变化，则由于：波的幅度发生变化，则由于：77当当FM波振幅波振幅
47、 可见，频率变化时，可见，频率变化时，Vd1、 Vd2朝相同的方向变化，因此比朝相同的方向变化，因此比值值Vd1/Vd2维持不变，所以输出电压维持不变，所以输出电压VO与调频波的振幅变化无与调频波的振幅变化无关，这就是比例鉴频器本身所具有的自限幅作用。关，这就是比例鉴频器本身所具有的自限幅作用。 总的说来，比例鉴频器的输出电压总的说来，比例鉴频器的输出电压VO并不决定于并不决定于Vd1、 Vd2本本身的大小，而只取决于它们的比例或比值。比例鉴频器的名称由身的大小，而只取决于它们的比例或比值。比例鉴频器的名称由此而来。此而来。78当输入当输入FM波的瞬时频率变化时，即有：波的瞬时频率变化时，即有
48、： 可见，频率变化时，可见，频率变化时，Vd1、 Vd2朝相反的方向变化，即一个朝相反的方向变化，即一个变大时另一个减小，所以鉴频器的输出电压随频率的变化而变变大时另一个减小，所以鉴频器的输出电压随频率的变化而变化，这就是鉴频的过程。化，这就是鉴频的过程。798.4.5 正交鉴频器正交鉴频器一、电路组成框图一、电路组成框图乘法器乘法器vr (t)vFM(t)vO(t)低通滤低通滤波器波器v (t) /2移相移相电路由移相器、相乘器和低通滤波器组成。电路由移相器、相乘器和低通滤波器组成。MHzMHz的中频信号），参考信号的中频信号），参考信号vr (t)与与vFM(t)同频正交同频正交，即，即v
49、r (t)与与vFM(t)在载频上有在载频上有 /2的固定相位差。的固定相位差。80二、二、 正交鉴频器的性能分析正交鉴频器的性能分析设输入设输入FM波波vFM(t)为单一频率的调制信号，即：为单一频率的调制信号，即： 而经而经 /2移相后的移相后的vr(t)信号，对载波有固定的信号，对载波有固定的 /2 相移，但相移，但对各边频分量则产生相位滞后，即时间迟延对各边频分量则产生相位滞后，即时间迟延 ，即：，即：相乘器的输出为：相乘器的输出为：81相乘器的输出为：相乘器的输出为：经低通滤波器后，将高频分量滤除，并由三角公式：经低通滤波器后，将高频分量滤除，并由三角公式：82183 可见正交鉴频器
50、的输出电压和原调制信号成正比，只可见正交鉴频器的输出电压和原调制信号成正比，只是增加了一个附加的固定相移，这是通过线性网络传输而是增加了一个附加的固定相移，这是通过线性网络传输而形成的时间延迟。形成的时间延迟。 正交鉴频器的核心是相乘器，便于集成化，在集成电正交鉴频器的核心是相乘器，便于集成化，在集成电路调频接收机中，调频信号的解调常采用正交鉴频器。路调频接收机中，调频信号的解调常采用正交鉴频器。84例例 某互感耦合相位鉴频器中回路的有效某互感耦合相位鉴频器中回路的有效Q值为值为QL=60，调调频信号的中心频率为频信号的中心频率为f0=10MHz，求最大鉴频带宽求最大鉴频带宽Bm。（。（假设假
51、设相移相移| |1,BW =9BW948、调频信号的功率分配：、调频信号的功率分配：AMFM调制前载波功率调制前载波功率POT调制后载波振幅调制后载波振幅调制后载波功率调制后载波功率P OT边频振幅边频振幅边频对功率边频对功率95二、调频电路二、调频电路基本要求：基本要求：已调波的瞬时频率与调制信号成线性关系。已调波的瞬时频率与调制信号成线性关系。调频调频方法方法直接调频：直接调频：间接调频：间接调频：压控振荡器；压控振荡器；高稳定度高稳定度载波振荡载波振荡器器相位调相位调制器制器多级倍频多级倍频器和混频器和混频器器积分积分电路电路频偏大，中心频率稳定度低频偏大，中心频率稳定度低频偏小，频偏小
52、，中心频率稳定度高。中心频率稳定度高。调频调频电路电路变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路晶体振荡器直接调频电路晶体振荡器直接调频电路间接调频电路间接调频电路96三、调频信号的解调三、调频信号的解调基本要求：基本要求：输出信号与调频信号的频偏成线性关系。输出信号与调频信号的频偏成线性关系。（鉴频）（鉴频）鉴频特性曲线：鉴频特性曲线：0 f（V/Hz）鉴频跨导：鉴频跨导：线性范围：线性范围：鉴频器：鉴频器：振幅鉴频器（斜率鉴频器）：振幅鉴频器（斜率鉴频器）：相位鉴频器：相位鉴频器：比例鉴频器：比例鉴频器：正交鉴频器：正交鉴频器：失谐回路振幅鉴频器失谐回路振幅鉴频器差分峰值振幅鉴频器差分峰
53、值振幅鉴频器互感耦合相位鉴频器互感耦合相位鉴频器972、鉴相器、鉴相器鉴相器鉴相器v2 (t)v1(t) 1 (t) 2 (t)vO(t)输出：输出：线性鉴相：线性鉴相：1）乘积型鉴相器）乘积型鉴相器乘法乘法器器vr (t)vS(t)vO(t)低通低通滤波滤波器器vO(t)有正弦形鉴相特性；有正弦形鉴相特性；可以实现线性鉴相。可以实现线性鉴相。2）叠加型鉴相器）叠加型鉴相器加法加法器器vr (t)vS(t)vO(t)包络包络检波检波器器vO(t)A）当当VSVr ，或或VrVS时，输出电压时，输出电压的大小决定于小的输入信号，且线性鉴的大小决定于小的输入信号，且线性鉴相范围是相范围是B）当当V
54、S=Vr 时，输出电压增加时，输出电压增加 倍，倍，线性鉴相范围扩展为线性鉴相范围扩展为983、相位鉴频器、相位鉴频器耦合双耦合双回路回路叠加叠加包络检波包络检波互感耦合相位鉴频器：互感耦合相位鉴频器：波形波形变换变换鉴相鉴相器器vFMvFM-PMv 4、比例鉴频器、比例鉴频器互感耦合回路互感耦合回路+叠加型鉴相器叠加型鉴相器在互感耦合鉴相器基础上改进得来，具有自限幅作用，鉴频前无需限在互感耦合鉴相器基础上改进得来，具有自限幅作用，鉴频前无需限幅电路。幅电路。电路参数相同条件下，比例鉴频器的输出只有互感相位鉴频器的一半。电路参数相同条件下，比例鉴频器的输出只有互感相位鉴频器的一半。5、正交鉴频
55、器、正交鉴频器乘法乘法器器vr (t)vFM(t)vO(t)低通低通滤波滤波器器v (t) /2移相移相99a(t)b(t)x(t)调制器调制器低通滤低通滤波器波器低通滤低通滤波器波器n 两路互相独立的信号两路互相独立的信号a(t)和和b(t)分别调制角频率为分别调制角频率为 c的两个互的两个互相差相差90度的正弦波，通常用度的正弦波，通常用cos ct 和和sin ct 表示，并称它们表示，并称它们是互相正交的。是互相正交的。n调制后的两路信号相加得到输出信号调制后的两路信号相加得到输出信号x(t)，表示为：表示为：100 正交幅度调制与解调器：正交幅度调制与解调器：a(t)b(t)a(t)
56、b(t)x(t)调制器调制器解调器解调器x(t)n 输入信号输入信号x(t)被两个正交的正弦波相乘：被两个正交的正弦波相乘：滤除滤除2 c分量，分别得到解调输出分量，分别得到解调输出a(t) 和和b(t)。低通滤低通滤波器波器低通滤低通滤波器波器正交幅度调制与解调是一种特殊的复用技术，利用两个频率正交幅度调制与解调是一种特殊的复用技术，利用两个频率相同但相位相差相同但相位相差90度的正弦波作为载波，以调幅的方法同时度的正弦波作为载波，以调幅的方法同时传送两路互相独立的信号的一种调制方式。传送两路互相独立的信号的一种调制方式。n 这种调制方式的已调信号所占频带仅为两路信号中的较宽者这种调制方式的已调信号所占频带仅为两路信号中的较宽者而不是二者之和，可以节省传输带宽。而不是二者之和，可以节省传输带宽。101调频灵敏度：调频灵敏度：瞬时频率偏移：瞬时频率偏移：最大频移：最大频移：瞬时相位：瞬时相位：最大相移：最大相移：调频指数：调频指数：数学表达式：数学表达式：102调相灵敏度：调相灵敏度：瞬时相位偏移：瞬时相位偏移：最大相移：最大相移：最大频移：最大频移：调相指数：调相指数：数学表达式：数学表达式：瞬时频率：瞬时频率：103
