通信电子电路-第六章-第1～4节

6.1引言6.2调角波的性质6.3调频信号的产生6.4调频电路6.5调频信号的解调6.6限幅器6.7调制方式的比较6.8集成调频、鉴频电路芯片介绍本章内容返回总目录本章重点与难点（一）本章重点1）调频的概念以及调频信号的基本性质及特点2）变容二极管调频电路及典型电路分析；3）电抗管调频电路及典型电路分析；4）晶体振荡器调频电路；5）调频信号的产生及调频波的频谱；6）鉴频的概念，相位、比例鉴频器。（二）本章难点1）调相的概念与调相波形2）相位鉴频器6.1引言一、调制FM:用调制信号控制载波信号的频率,使载波信号频率随调制信号而变,称为频率调制或调频；PM:用调制信号控制载波信号的相位,使载波信号的相位随调制信号而变，称为相位调制或调相。在这两种调制过程中，载波信号的幅度都保持不变，而频率的变化和相位的变化都表现为相角的变化，因此，把调频和调相统称为角度调制或调角。一个固定频率的等幅载波——载波信号的幅度；——载波信号的角频率；——载波信号的初相角。在时间间隔内，相角改变，当△t足够小时，角频率就是(6-3)mccos()uUtmUcd()()dttt()()dttt12)(t12ttt二、调频和调相统称为调角的原因用旋转矢量在横轴上的投影表示高频信号，有（6-4）将式（6-3）代入式（6-4）中得（6-5）•这说明了无论角频率的变化或相角的变化都可以归结为式（6-5）中载波角度也即的变化，这正是调频与调相统称“角度调制”的原因。m()cos()utUtm()cos[()d]utUtt)(t()dtt图6-3调频波的波形示意图图6-4调相波的波形示意图6.2调角波的性质一、调频及其数学表示式二、调相及其数学表达式三、调频与调相的关系四、调角波的频谱五、调角信号的频带宽度六、调角信号频谱与调制信号的关系一、调频及其数学表示式ccfcfmc()()()coscosttKutKUttm()cosutUtcmc()cosutUt设调制信号为载波信号为（6-7）是由调制信号所引起的角频率偏移，称频偏或频移。它与调制信号成正比，调频时，载波高频振荡的瞬时频率随调制信号呈线性变化，其比例系数为Kf即)(tu)(t式中，是最大频偏。将式（6-7）代入式（6-5）就得到调频信号的数学表达式，即有mc()cos[(cos)d]utUttmccos(sin)Utt（6-8）c()costt)(t的最大值称为最大频偏，用表示。m()cos[()d]utUtt•叫调频波的调制指数，以符号mf表示它是最大频偏与调制信号角频率之比。mf值可以大于1（这与调幅波不同，调幅指数总是小于1的）。所以调频波的数学表达式为（6-11）fmmcf0,()cossinutUtmtmcf()cossinutUtmt若二、调相及其数学表达式对于调相波，其瞬时相位除了原来的载波相位外，又附加了一个变化部分，这个变化部分与调制信号成比例关系，因此总的相角可表示为（6-12）•称为调相指数，以符号mp表示，即将式（6-12）代入式ctcpmcosttKUtpKUppmmKUmcpcoscosuUtmt（6-14）m()cos()utUt图6-3调频波的波形示意图图6-4调相波的波形示意图三、调频与调相的关系1)两者在相位上相差?2)调制指数•调频时调制指数，与调制信号的振幅成正比，而与调制频率成反比。•调相时调制指数，它与调制信号的振幅成正比，而与调制频率无关。ppmKUfffKUm3)最大频率偏移的比较调频时，它的最大频偏与调制信号的振幅成正比，而与调制信号频率无关。调相时的最大频偏不仅与调制信号的振幅成正比，而且还和调制信号的角频率成正比。调相时，因调相波相位变化，必然产生频率变化。此时角频率的瞬时值为ffmKUpPPmmKUd()d()ddttttcp(cos)tmtcpsinmtcpsint图6-5和随的变化关系m四、调角波的频谱与有效频带宽度设，得f0f2f10f2f4fcos(sin)()2()cos2()2()cos22()cos4......nnmtJmJmntJmJmtJmt0m0f()cos(sin)utUtmtmcfcf[coscos(sin)sinsin(sin)]Utmttmtf21f01f3fsin(sin)2()sin(21)2()sin2()sin3nnmtJmntJmtJmtm0f0()()utUJmcosωt3f03f0()cos(3)()cos(3)......JmtJmt第一对边频第二对边频第三对边频2fc2fc()cos(2)()cos(2)JmtJmt1fc1fc()cos()()cos()JmtJmt载频这里，n均取正整数，是以mf为参量的n阶第一类贝塞尔函数，、…等分别是以mf为参量的零阶、一阶、二阶……第一类贝塞尔函数。它们的数值可以查有关贝塞尔函数曲线（贝塞尔函数值与参量的关系）,或直接查表。1fJmfmJ2fnJm图6-6贝塞尔函数曲线调角信号的有效频带宽度1)理论上，调角信号的边频分量是无限多的，也就是说，它的频谱是无限宽的。2)实际上，已调信号的能量绝大部分是集中在载频附近的一些边频分量上，从某一边频起，它的幅度便非常小。工程上习惯，凡是振幅小于未调制载波振幅的10%的边频分量可以忽略不计。有效的高低边频的总数等于个，因此调频波的频谱有效宽度（频带宽度）为(适用于mf1的情况，也就是宽带调频)对于mf1,窄频带调频频谱宽度为f221nmff2(1)BmFffmFf2()BfFf2BF五、调角信号频谱与调制信号的关系1.保持固定，改变时1)当（窄频带调频）2)当增大时（即调制信号加强时），边频数目增多而频带加宽。这与调幅波的频谱结构有着根本的区别。fmf1mfm2.保持固定，改变时(固定，改变F)1)调频指数：2)边频数：3)频带宽度：ffffmFf22(1)nmff2(1)BmF调频波和调相波的平均功率与调幅波一样，也为载波功率和各边频功率之和。由于调频和调相的幅度不变，所以调角波在调制后总的功率不变，只是将原来载波功率中的一部分转入边频中去。所以载波成分的系数小于１，表示载波功率减小了。0fJm六、调角波的功率单音调制时，调频波和调相波的平均功率可由式（6-21）求得，此处调制系数的下角标略去，即利用贝塞尔函数的性质，则调频波和调相波的平均功率为可见，调频波和调相波的平均功率与调制前的等幅载波功率相等。22mav0L1[()2UPJmR])(2)(2)(222221mJmJmJn2mavL12UPR6.3调频信号的产生一、调频方法调频的方法和电路很多，最常用的可分为两大类：直接调频和间接调频。1.直接调频：就是用调制电压直接去控制载频振荡器的频率，以产生调频信号。例如：被控电路是ＬＣ振荡器，那么，它的振荡频率主要由振荡回路电感Ｌ与电容C的数值来决定。若在振荡回路中加入可变电抗，并用低频调制信号去控制可变电抗的参数，即可产生振荡频率随调制信号变化的调频波。其调频电路原理，如图6-9所示。在实际电路中，可变电抗元件的类型有许多种，如变容二极管、电抗管、晶体振荡器、锁相环调频等，所以直接调频的方法很多。2.间接调频就是保持振荡器的频率不变，而用调制电压去改变载波输出的相位，这实际上是调相。由于调相和调频有一定的内在联系，所以只要附加一个简单的变换网络，就可以从调相获得调频。所以间接调频，就是先进行调相，再由调相变为调频。二、调频电路的性能指标１．调制特性受调振荡器的频率偏移与调制电压的关系称为调制特性，表示为cffuf是调制作用引起的频率偏移，fc为中心频率２．调制灵敏度S调制电压变化单位数值所产生的振荡频率偏移称为调制灵敏度；若调制电压变化，相应的频率偏移为，灵敏度S的表示式为显然，S越大，调频信号的控制作用越强，越容易产生大频偏的调频信号。ufufSf3．最大频偏在正常调制电压作用下，所能达到的最大频偏值以表示，它是根据对调频指数mf的要求来选定的。通常要求的数值在整个波段内保持不变。４.载波频率稳定度虽然，调频信号的瞬时频率随调制信号在改变。但这种变化是以稳定的载波（中心频率）为基准的。如果载频稳定，接收机就可以正常地接收调频信号；若载频不稳，就有可能使调频信号的频谱落到接收机通常范围之外，以致不能保证正常通信。mfmf因此，对于调频电路，不仅要满足一定频偏要求，而且振荡中心频率必须保持足够高的频率稳定度，频率稳定度可用下式表示，即--经过时间间隔后中心频率的偏移值--中心频率。cff频率稳定度时间间隔fcf6.4调频电路一、变容二极管调频电路用变容二极管实现调频，电路简单，性能良好，是目前最为广泛使用的一种调频电路。1.变容二极管变容二极管是利用半导体PN结的结电容随外加反向电压而变化这一特性，所制成的一种半导体二极管。它是一种电压控制可变电抗元件。变容二极管与普通二极管相比，所不同的是在反向电压作用下的结电容变化较大.图6-10变容二极管的表示符号及其等效电路变容二极管的电容C随着所加的反向偏压U而变化。图6-11是我们用C-V特性测试仪对变容二极管2CC13C进行实测所绘制的C~U特性曲线。可知，反偏压越大，则电容越小。这种特性可表示为nUUAC)(,２．变容二极管调频原理由于变容二极管接在振荡器回路中，其结电容成为回路电容的一部分。当调制电压加在变容二极管上→使加在变容二极管上的反向电压受uΩ控制→从而使得变容二极管的结电容受uΩ控制→则回路总电容C也要受uΩ控制→最后使得振荡器的振荡频率受uΩ控制，即瞬时频率随uΩ的变化而变化。由变容二极管的电容和电感组成振荡器的谐振电路，其谐振频率近似为在变容二极管上加一固定的反向直流偏压和调制电压（图6-12ａ），则变容二极管电容量Ｃ将随改变，通过二极管的变容特性（图6-12ｂ）可以找出电容Ｃ时间的变化曲线（图6-12ｃ）。偏Uuu12πfLC此电容C由两部分组成，一部分是为固定值；另一部分是为变化值，是变化部分的幅度，则有0mcosCCCtmcosCt0CmC0m12π(cos)fLCCt在1的条件下，将上式用二项式定理展开，并略去平方项以上各项，可得m0012π(1cos)fCLCtCm0CCmcc01cos2CffftCcff式中mc01cos2CfftCc012πfLC是频率的变化部分fmc012CfC是变化部分的幅值，称为频偏。式中的负号表示当回路电容增加时，频率是减小的。fc称为中心频率比较图（图6-12a）及图（图6-12e），可见频率是在随调制电压而变，从而实现了调频。由以上分析可知，因为变容二极管势垒电容随反向偏压而变，如果将变容二极管接在谐振回路两端，使反向偏压受调制信号所控制，这时回路电容有一部分按正弦规律变化，必然引起振荡频率作相应的变化。它以为中心作上下偏移，其偏移大小（频偏）与电容变化最大值成比例。所以回路的振荡频率是随调制信号变化的，这就是变容二极管调频的基本原理。由于和两条曲线并不是成正比的，最后得到的曲线形状将不与曲线完全一致，这就意味着调制失真。mCcfuc~fc~tf~tu~失真的程度不仅与变容二极管的变容特性有关，而且还决定于调制电压的大小。显然，调制电压愈大，则失真愈大。为了减小失真，调制电压