第7章 频率调制与解调1教学案例

1、,7.0概述,AM,FM,幅度调制,角度调制,调频FM,调相PM,载波信号 的受控参量,振幅,频率,相位,解调方式,相干解调或 非相干解调,鉴频或 频率检波,鉴相或 相位检波,解调方式 的差别,频谱线性搬 移频谱结构 无变化,频谱非线性 频谱结构发 生变化属于 非线性频率 变换,特点,频带窄 频带利 用率高,频带宽 频带利 用不经 济、抗 干扰性 强,用途,广播 电视 通信 遥测,数字 通信,调幅AM,概述,广播,第7章 频率调制与解调,7.1 调频信号分析 7.2 调频器与调频方法 7.3 调频电路 7.4 鉴频器与鉴频方法 7.5 鉴频电路 7.6 调频收发信机及特殊电路 7.7 调频多重广播,概述,高频振荡的振幅不变，而角度随调制信号 按一定关系变化。,高频振荡的振幅不变，而其瞬时频率随调制信号 线性关系变化，这样的已调波称为调频波，常用FM表示。,高频振荡的振幅不变，而其瞬时相位随调制信号 线性关系变化。这样的已调波称为调相波，常用PM表示。,角度调制分为相位调制和频率调制两类，统称为调角。,一、角度调制电路的功能与分类,1.角度调制,2.角度调制的分类,3.相位调制,4.频率

2、调制,二、角度调制的优点与用途,优点: 1、抗干扰能力强 2、FM广播音质好，但BW宽，波段内容纳的电台数小；主要用于超短波波段。 如：调频广播：（88108）MHz，BW=180KHZ。 3发射功率小。 作用: 调频主要用于调频广播、广播电视、通信与遥控遥测等。调相主要用于数字通信。,7.1 调频信号分析,7.1.1 调频信号的参数与波形 1、时域表达式 令u(t)=Ucost, uC=UCcosct, 调频信号的瞬时角频率为,为了分析方便,不妨设0=0,图71 调频波波形,2、波形,图72 调频波fm、mf与F的关系,： 是比例常数，表示,3、调频信号的基本参数,：载波角频率，它是没有受调时的载波频率。,：调制信号角频率，它反映了受调制的信号的瞬时频率变化的快慢。,：相对于载频的最大角频偏(峰值角频偏),：最大频偏,对最大角频偏的控制能力，它,是单位调制电压产生的频率偏移量，称为调频灵敏度。,：调频波的调制指数 。,与,成正比），与,成反比。,7.1.2 调频波的频谱 1调频波的展开式,（75）,式中Jn(mf)是宗数为mf的n阶第一类贝塞尔函数,它可以用无穷级数进行计算。,（76

3、）,7.1.2 调频波的频谱,（77）,图73 第一类贝塞尔函数曲线,图74 单频调制时FM波的振幅谱 （a）为常数;（b）m为常数,2调频波的频谱结构和特点,这些边频对称地分布在载频两边， 其幅度决定于调制指数 。,调频波是由载波,与无数边频,组成，,调频波的特点：,图75 调频信号的矢量表示,7.1.3 调频波的信号带宽 通常采用的准则是,信号的频带宽度应包括幅度大于未调载波1%以上的边频分量,即 |Jn(mf)| 0.01 当mf很大时,此时带宽为 Bs=2nF=2mfF=2fm （79） 当mf很小时,如mf0.5,为窄频带调频,此时 Bs=2F （710）,对于一般情况,带宽为 Bs=2(mf+1)F=2(fm+F) （711）,7.1.4 调频波的功率 调频信号uFM(t)在电阻RL上消耗的平均功率为,由于余弦项的正交性,总和的均方值等于各项均方值的总和,由式（77）可得,（713）,（714）,（715）,7.1.5 调频波与调相波的比较 1调相波 调相波是其瞬时相位以未调载波相位c为中心按调制信号规律变化的等幅高频振荡。 如u(t)=Ucost, uC=UCcosct

4、并令0=0, 则其瞬时相位为 (t)=ct+(t)=ct+kpu(t) =ct+mcost=ct+mpcost （716） 从而得到调相信号为 uPM(t)=UCcos(ct+mpcost) （717）,图77 调相波波形,2、波形,3、参数,（718）,图78 调相波fm、mp与F的关系,(t)=ct+(t)=ct+kpu(t),调相波的瞬时频率为,调相波的瞬时相位为,调制度,最大频偏,4、频谱 至于PM波的频谱及带宽,其分析方法与FM相同。调相信号带宽为 Bs=2(mp+1)F (719),图79 调频与调相的关系,2调频波与调相波的比较,调频波与调相波的比较,在本节结束前,要强调几点: （1）角度调制是非线性调制,在单频调制时会出现（cn）分量,在多频调制时还会出现交叉调制（cn1k2+）分量。 （2）调频的频谱结构与mf密切相关。mf大,频带宽。 （3）与AM制相比,角调方式的设备利用率高,因其平均功率与最大功率一样。,例1已知某调频电路单位调制电压产生频偏为1 kHz，电路的输出载波电压,，调制信号电压,。试求：(1)调频指数,(2)最大频偏,(3)有效频带宽度,(4)调频波

5、的数学表示式,解 (1)调频指数,(2)最大频偏,(3)有效频带宽度,(4)调频波的数学表示式,例2、给定调频信号中心频率 ，最大频偏 。调制信号频率为 。 求调频指数，频带宽度，若调制信号频率增大一倍，则调频指数和频带宽度又为多大？,7.2 调频器与调频方法,二、调频方法分类 调频方法可分为直接调频和间接调频两大类。 三、直接调频原理 1、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。 2、实际应用中，是用调制信号去控制决定振荡器振荡频率的振荡回路的可变电抗值。 从而使振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性改变。,1、具有线性的调制特性。即 。,4、未调制的载波频率（即已调波的中心频率）应具有一定的频率稳定度。 5、无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。,3、最大频率偏移 与调制信号频率无关。,2、具有较高的调制灵敏度。即 要大，单位调制电压产生的振荡频率偏移要大。,一、对调频电路的要求,调频特性曲线,间接调频原理方框图,1、由调频波的一般表示式,2、将调制信号 先通过积分电路得到 ，然后进行相位调制，输出电压 对 是调频波,称其为间接调频。,3、间接调频电路的载波

6、振荡器可采用频率稳定度很高的晶体振荡器，其载波频 率稳定变高。,四、间接调频原理,2间接调频法 实现间接调频的关键是如何进行相位调制。通常,实现相位调制的方法有如下三种: (1）矢量合成法。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 uPM=Ucos(ct+mpcost) =Ucosctcos(mpcost)-Usin(mpcost)sinct 当mp/12时,上式近似为 uPMUcosct-Umpcostsinct （720）,图711 矢量合成法调频,(2）可变移相法。 可变移相法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。 (3）可变延时法。将载波信号通过一可控延时网络,延时时间受调制信号控制,即 =kdu(t) 则输出信号为 u=Ucosc(t-)=Ucosct-kdcu(t) 由此可知,输出信号已变成调相信号了。,3.扩大调频器线性频偏的方法 对于直接调频电路,调制特性的非线性随最大相对频偏fm/fc的增大而增大。当最大相对频偏fm/fc限定时,对于特定的fc,fm也就被限定了,其值与调制频率的大小无关。,一、变容二极管的特性 1、变容二

7、极管是根据PN结的结电容随反向电压变化而变化的原理设 计的一种特殊二 极管。它的极间结构、伏安特性与一般检波二极 管没有多大差别。 2、变容二极管应用时，只能加反向电压。反向电压的变化能使变容 二极管结电容随其变化。 3、变容二极管的反向电压与其结电容的关系为,式中， 为PN结的势垒电压；u 为反向电压； C0 为 u=0 时的结电容； 为电容变化系数。,7.3.1变容二极管直接调频,二、变容二极管直接调频电路的基本原理,2、变容二极管是振荡回路的一个组成部分。加在变容二极管的反向电压为,式中，EQ 是加在变容二极管的直流偏置电压； 为调制信号电压,结电容随调制电压变化关系,3、， 调制信号 反向电压为 变容二极管结电容 将在 u 的控制下随时间变化。则振荡器的振荡频率要随 变化。只要电路参数选取合适,是能够实现线性调频。,三、电路分析,1、在反向电压 作用下，变容二极管的电容值,变容二极管的结电容表示式,载波状态时变容二极管的结电容,载波状态时，,，则,调制状态时变容二极管的结电容,式中， 为电容调制度。,振荡回路的等效电路,当振荡回路中的 未接入， 较大时，即回路的总电容仅是变容二

8、极管的结电容， 等效回路如图所示。调变容二极管上的高频电压很小，忽略其对变容二极管电容 量变化的影响。,瞬时振荡频率为,式中：,为,时的载波频率。,2、变容二极管作为回路总电容实现调频,实现线性调频的条件,结论:当 时，能实现线性调频。,当 时，会产生什么影响？,通常 ，可以忽略三次方以上各项，则,由于 可以在 处展开成泰勒级数，得,结论:当变容二极管作为回路总电容时， 调频波会产生中心频率偏离和非线性失真.会产生如下影响：,调频波的中心频率会产生偏移。其偏移量为,当调频电路要求的相对频偏较小时，m值很小，电路对 的要求不严格。,例如，调频广播 ，要求最大频偏 。,很小。对应中心频率偏移量和非线性失真量很小， 故对 的要求不严格。显然，当调频电路的相对频偏较大时，对 的要求就 应严格些。,调频波的最大频偏,调频波会产生非线性失真。其二次谐波失真最大频偏,变容二极管全部接入时( , 作为回路总电容)调频电路的特点:,优点:调频灵敏度高, 频偏很大,缺点:中心频率稳定度不好,变容二极管作为回路总电容实现调频时，由于变容二极管的结电容随温度、偏置 电压的不稳会引起结电容变化。因此其中心频率稳

9、定度差。,3、变容二极管部分接入调频电路,在工作点,处展开，可得,四、应用举例 1、8MHz变容二极管调频振荡电路,8MHz变容二极管调频振荡电路,上图是一个8MHz变容二极管调频振荡电路和高频等效电路。变容二极管的直流偏 压由 和电位器W组成分压电路供给。,偏置电压为-4V时， 。而偏置电压由（0-8）V变化时， 为（23060）PF。,调制信号通过 和高频扼流图ZL加到变容二极管上。加在变容二极管上电压为直流偏置电压与调制信号电压之和。,电路为电容三点式振荡电路，振荡频率为,电路中心频率为8MHz，最大线性频偏为200kHz。,其中,2、某通信机中的变容二极管调频电路,变容二极管调频振荡电路,高频扼流图 对直流和调制信号短路，而对载频开路。因而加在两个变 容二极管上的反向电压是相同的。,3、变容二极管直接调频电路的优缺点 优点：电路简单，工作频率高，易于获得大的频偏。在频偏小时，非线性失真很小。所需调制信号功率很小。 缺点：中心频率稳定度不高。频偏较大时，非线性失真较大。,上图所示是电容三点式振荡电路，通过变容二极管的电容变化实现调频。,本电路的特殊点是采用了两个变容二极管，并且同极性相对接的方式接入振荡回路。由于回路中两个二极管代替一个二极管，使得每个变容二极管两端的高频电压减小。这样就减小了高频电压对变容二极管总电容的影响。,晶体振荡器直接调频电路,一、稳定调频振荡器中心频率的办法 1、对石英晶体振荡器进行直接调频； 2、采用自动频率微调电路； 3、利用锁相环路稳频。 二、晶体振荡器直接调频的主要形式,晶体振荡器采用变容二极管实

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