高频电子线路阳昌汉版第6章_角度调制与解调.ppt

1,概述角度调制原理及特性调频电路调相电路调角信号的解调,,,,,,2,6.1 概 述,高频振荡的振幅不变，而瞬时相位随调制信号按一定关系变化 （简称调角）,一、角度调制的定义与分类,定义：,相位调制（简称调相）：,高频振荡的振幅不变，而其瞬时角频率随调制信号 线性关系变化 FM,频率调制（简称调频）：,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 PM,二、角度调制的优点与用途,优点：,抗干扰能力强、,载波功率利用率高,用途：,FM：,调频广播、广播电视、通信及遥控遥测等,PM：,数字通信等,分 类：,3,6.2 角度调制原理及特性,6.2.1 瞬时角频率与瞬时相位,当进行角度调制（FM或PM）后 ,其已调波的角频率将是时间的函数即ω(t)，可用旋转矢量表示t= t,,,,,t =0,设高频载波信号为 ：,,,设旋转矢量的长度为 ，且当t =0时，初相位为 ，t =t 时，矢量与实轴之间的瞬时相位为 而该矢量在实轴上的投影：,显然有：,4,,6.2.2 调角信号的时域特性,一、调频信号,载波信号：,调制信号：,瞬时角频率：,(t) = c+ kf u(t),rad / s·V,= c + (t),,,瞬时相位：,,相移,则FM信号为,角频移,,5,,,u(t) = U m cos  t,(t) = c+ kf U m cos  t,= c+ fm cos t,,,调频指数 （最大相移）,最大角频移,单频调制时,则,,6,u(t) = U m cos  t,调制信号,瞬时角频率,调频波,相移,特点：,调制信号电平最高处对应的瞬时正频移最大，波形最密集；调制信号电平最低处对应的瞬时负频移最大，波形最稀疏。

波形（等幅疏密波）：,7,,二、调相信号,载波信号：,调制信号：,故调相信号为,,,rad / V,瞬时相位：,相移,,瞬时角频率：,,,角频移,8,,,,,调相指数 （最大相移）,,最大角频移,在振幅调制中，调幅指数ma≤1，否则会产生过调幅失真 而在角度调制中，无论是调频还是调相，调制指数均可大于1需要说明：,9,u(t) = U m cos  t,,,,,,,,,调制信号,瞬时角频率,调相波,相移,波形（等幅疏密波）：,特点：,调制信号电平变化率（斜率）最大处对应的瞬时正频移最大，波形最密集；调制信号电平变化率最小处对应的瞬时负频移最大，波形最稀疏10,,三、调频信号与调相信号的比较,调制信号u(t) = U m cos  t,载波信号 uc(t) = Ucm cos c t,调 频,调相,,,瞬时角频率(t),= c+ kf u(t) = c+  fm cos  t,= c–   pm sin  t,瞬时相位,=ct + kp u(t),= ct + mpcos  t,最大角频移,= kf U m= mf ,=kpU m  = mp ,最大相移,mp = kpU m,,,fm,pm,表达式,11,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, 均产生频移 与相移，成为疏密波形正频移最大处，即瞬时频率最高 处，波形最密；负频移动最大处，即瞬时频率最低处，波 形最疏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 由于瞬时频率与瞬时相位是微积分关系，故二者是有紧密 联系的3) 二者的最大角频移m均等于调制指数m与调制信 号频率的乘积12,(2) 调频信号的调频指数mf与调制信号频率 有关（成反 比）, 最大角频移fm与调制信号频率无关；而调相信号 的最大角频移pm与调制信号频率 有关（成正比）,调 相指数mp与调制信号频率无关3) 从理论上讲，调频信号的最大角频移fm<c，由于载频 c很高，故fm可以很大，即调制范围很大由于相位以2π 为周期，因此调相信号的最大相移（调相指数）mp<π，故 调制范围很小eg: 将调制信号先微分，然后再对载波调频，则得调相信号；,将调制信号先积分，再对载波进行调相，则得调频信号13,例1,已知,u(t) = 5 cos (2 103 t)V ，,调角信号表达式为,uo(t) =10 cos [ (2 106 t ) +10cos (2 103 t)]V,试判断该调角信号是调频信号还是调相信号，并求调制 指数、最大频移、载波频率和载波振幅。

[解],=2 106 t + 10cos (2 103 t),调相指数 mp = 10 rad,载波频率 fc = 106 (Hz), fpm = mpF,最大频移,载波振幅 Ucm = 10V,= 10 103 = 10 kHz,相移 正比于调制信号，故为调相信号14,例2,一组频率为300  3000Hz的余弦调制信号，振幅相同，调频时最大频移为 75 kHz，调相时最大相移为 2 rad，试求调制信号频率范围内：(1) 调频时mf 的变化范围; (2) 调相时 fpm的范围;,[解],(1) 调频时，  ffm与调制信号频率无关，恒为75 kHz 故,(2) 调相时， mP 与调制信号频率无关，恒为2 rad 故,15,6.2.3 调角信号的频谱与带宽,一、调角信号的频谱,FM信号和PM信号的频谱结构相同，下面仅讨论调频波的频谱设调制信号 ，,载波信号 ，则,根据贝塞尔函数理论有：,,Jn(mf) 称为以mf为参数的n阶第一类贝塞尔函数,16,可得,,,,,载频,第一对边频,第二对边频,第三对边频,,第四对边频,17,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13,m,Jn(m),Jn(m) 随m、n 变化的规律,1.00.80.60.40.20 –0.2 – 0.4,,n=0,,n=1,,n=2,,n=3,n增大时，总趋势使边频分量振幅减小。

m越大，具有较大振幅的边频分量就越多；且有些边频分量振幅超过载频分量振幅当m为某些值时，载频分量可能为零，m为其它某些值时，某些边频分量振幅可能为零18,（3）载频分量和各边频分量的振幅均随Jn (m) 而变化 调角信号频谱特点：,（1）调角信号的频谱是由载频 和无数对上、下边频 分量 组成，它不是调制信号频谱的线性搬移2）奇数项的上、下边频分量的振幅相等，极性相反； 偶数项的上、下两边频分量的振幅相等，极性都相同19,二、调角信号的功率,第一类Bessel function的性质：,（1）,，即,（2）对于任何mf值，均有,20,（1）因为调角波是等幅波，所以它的总功率为常数，不随 调制指数mf的变化而变化，并且等于未调制前的载波功率讨论：,（4）调制后尽管部分功率由载频向边频转换，但大部分 能量还是集中在载频附近的若干个边频之中2）调制后，已调波出现许多频率分量，这个总功率就 分配到各个分量随m的不同，各频率分量之间功率分配 数值不同3）调制过程不需要外界供给边频功率，只是高频信号 本身载频功率与边频功率的重新分配21,三、调角信号的带宽,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。

理论上：频带无限宽,凡是振幅小于未调载波振幅的10%的边频 分量可以忽略不计即,常用的工程准则：,BW = 2 (m + 1) F= 2F + 2  f m,由 Bessel function 可得调角信号的有效带宽为,一般认为n>m + 1后的变频分量振幅恒小于未调载波振幅的10%的边频分量可以忽略不计所以n最大取到m + 1,当 m >> 1时，,BW  2 m F,= 2  fm,，称为宽带调角信号当 m << 1时，,BW  2 F,，其值近似为调制信号频率的 两倍，相当于调幅波的带宽这时，调角信号的频谱由载波分量和一对幅值相同，极性相反的上、下边频分量组成，称窄带调角信号讨论：,（2）作为调相波时，由于 mp = kpUm与F无关可见，BWPM=2(mp+1)F，在Um 不变条件下，BWPM 与 F 成正比的增加1）作为调频信号时， 与F成反比可见，BWFM=2(mf+1)F，在Um不变条件下，增大F，BWFM 变化不大BW = 2 (m + 1) Fmax,当 m << 1时，,BW  2 Fmax,当 m >> 1时，,BW  2 m F,= 2  fm,其中，  fm=mFmax,PM信号的有效带宽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，系统频带利用不充分，因此在模拟通信系统中，调频比调相应用更广对有限频带的调制信号，即F= Fmin～Fmax，则调角信号的带宽为,四、调角信号与调幅信号的比较,,调角信号比之调幅信号的优缺点：,调角信号功率等于未调制时的载波功率，与调制指数m无关，因此不论m为多大，发射机末级均可工作在最大功率状态，从而可提高发送设备的功率利用率故角度调制不宜在信道拥挤、且频率范围不宽的短波波段使用，而适合在频率范围很宽的超高频或微波波段使用优点：,（1）抗干扰能力强,（2）功率利用率高,因为调角信号为等幅信号，其幅度不携带信息，故可 采用限幅电路消除干扰所引起的寄生调幅缺点：,有效带宽比调幅信号大得多，且有效带宽与m相关1. 直接调频,用调制信号直接控制载波振荡器频率，使其与调制信号成正比调频输出,直接调频法 优点：频偏较大 缺点：中心频率易不稳定,6.3.1 调频电路的实现方法与主要性能要求,一、调频方法,直接调频,间接调频,,可控的电容元件：变容二极管、电抗管 可控的电感元件：电抗管、具有铁氧体 磁芯的电感线圈,6.3 调频电路,26,2. 间接调频,,载波振荡器,,Ucmcosct,u(t),,积分器,,调相器,,（先对调制信号积分，后对载波进行调相）,间接调频法不在振荡器中进行，故 优点：中心频率较稳定 缺点：不易获得大频偏,二、调频电路的主要性能要求,（1）具有线性的调制特性，即,（2）调制灵敏度要高，即kf 要大,（3）载波的频率稳定度要高,（4）最大频偏与调制信号频率无关,（5）无寄生调幅,6.3.2 变容二极管直接调频电路,一、变容二极管,,特点: (1)必须工作在反向偏压,符号:,压控特性,或,（电压控制可变电抗元件）,(2)结电容随外加的反向电压变化而变化,ur = 0 时的结电容,外加反向偏压,PN结势垒电压（导通电压）,变容指数 取值1/3～6,29,二、工作原理,1.电路组成,,互感耦合振荡器,变容二极管和它的偏置电路,低频旁路电容,,加在Cj上的反向直流偏压,30,CjQ,2.具体分析,为电容调制度,对应的结电容为CjQ,调制状态时变容二极管的结电容Cj,此时,31,瞬时振荡频率:,最大频偏,,未加调制信号时的载波频率：,即为调频振荡器的中心频率。

讨论： ①设 γ =2,即实现线性调频1）变容二极管作为振荡回路的总电容,当m很小可忽略三次方以上的高次项，则瞬时频率为：,可见 会导致如下影响：,1)中心频率会产生偏移，其偏移量为：,2)调频波会产生非线性失真, 二次谐波失真最大偏移为,。