第6章角度调制与解调

第6章角度调制与解调电路本章的基本内容：（1）掌握调频信号的基本特性（2）了解调频信号的产生方法，掌握直接调频电路的工作原理，了解间接调频的原理（3）了解调频波的解调方法，理解典型鉴频电路的工作原理，了解乘积型和叠加型鉴相原理。本章的重点和难点重点：（1）调频信号的数学表达式、频谱带宽及特点。（2）变容二极管直接调频电路组成、工作原理及分析方法。（3）斜率鉴频电路与相位鉴频电路的组成及工作原理。难点：（1）调频信号的频谱及带宽。（2）变容二极管调频电路的工作原理。引言频率调制：用待传输的低频信号去控制高频载波信号的频率相位调制：用待传输的低频信号去控制高频载波信号的相位频率调制和相位调制都使载波信号的瞬时相位受到调变，统称为角度调制。所不同的是：频率调制使载波信号的频率随调制信号线性变化，而相位调制则使载波信号的相位随调制信号线性变化。解调：从高频已调信号中还原出原调制信号角度调制电路是频谱的非线性变换电路6.1调角信号的基本特性主要要求：掌握瞬时角频率与瞬时相位的关系掌握调频和调相信号的概念、异同和关系掌握调频和调相信号的典型表达式、主要参数和波形特点。了解调角信号的频谱，理解其带宽。6.1.1瞬时角频率与瞬时相位)(cos)(tutum可用长度mu、与实轴夹角(t)的旋转矢量表示图6-1余弦信号的矢量表示矢量初始相位为0，以(t)的角速度绕O反时针旋转。瞬时相位tdttt00)()(（6-1）瞬时角频率dttdt)()(（6-2）当=c时：0)(ttc（6-3）6.1.2调频信号与调相信号一、调频信号载波信号：)cos()(0tutucmc（6-4）调制信号：)(tu调频波瞬时角频率：(t)=c+kfu(t)（6-5）瞬时相位0000)()()(dttuktdttttfct（6-6）为方便分析，通常令00，则FM信号为])(cos[)(0dttuktUtutfcmFM（6-7）单频调制时，设tUtumcos)(则ttUktmcmfccoscos)(（6-8）tmttUkttfcmfcsin/sin)(（6-9）]sincos[)(MtmtUtufcmF（6-10）mfmUk（6-11）mfm（6-12）二、调相信号载波信号：)cos()(tutucmc（6-13）调制信号：)(tu瞬时相位：)()(tukttPc（6-14）故调相信号)coscos(tmtUuPcmPM（6-15）mPPukm（6-16）图6-2调频信号的波形图6-3调相信号的波形三、调频信号与调相信号的比较调制前后载波振幅均保持不变。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。即调频与调相可互相转换。图6-4mu一定，m和)(Pfmm随变化的曲线6.1.3调角信号的频谱与带宽一、调角信号的频谱FM信号和PM信号的数学表达式的差别仅仅在于附加相位的不同，前者的附加相位按正弦规律变化，而后者的按余弦规律变化。按正弦变化还是余弦变化只是在相位上相差π/2而已，所以这两种信号的频谱结构是类似的。分析时可将调制指数mf或mp用m代替，从而把它们写成统一的调角信号表示式)]sincos[)(tmtUtucm（6-17）一、调角信号的频谱)]sin(sin)sincos([cos)(0tmttmtUtuccm（6-18）在贝赛尔函数理论重，已证明存在下列关系式012120])12sin[()(2)]sin(sin[)2cos()(2)()]sin(cos[nnnntnmJtmtnmJmJtm（6-19）式中的)(mJn是以m为宗数的n阶第一类贝赛尔函数。6.1.3调角信号的频谱与带宽调角信号频谱不是调制信号频谱的线性搬移。而是由载频分量和角频率为（c±nΩ）的无限对上、下边频分量构成。这些边频分量和载频分量的角频率相差n。当n为奇数时，上、下边频分量的振幅相同但极性相反；当n为偶数时，上、下两边频分量的振幅和极性都相同。而且载频分量和各边频分量的振幅均随Jn(m)而变化。Jn(m)随m、n变化的规律图6-5贝塞尔函数曲线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。图6-6m分别为0.5、2.4、5时的调角波频谱图在相同载波和相同调制信号作用下，m分别为0.5、2.4、5时的调角波频谱图二、调角信号的功率调角波的平均功率等于未调制的载波功率即改变m，仅使载波分量和各边频分量之间的功率重新分配，而总功率不会改变。三、调角信号的带宽由于n增大时，总趋势使边频分量振幅减小。因此离开载频较远的边频振幅都很小。在传送和放大过程中，舍去这些边频分量，不会使调角信号产生明显的失真，因此，调角信号实际所占的有效频带宽度是有限的。通常取BW=2(m+1)F若m1,则BW2F称为窄带调角信号若m1,则BW2mF称为宽带调角信号四、调角信号的应用调角信号比之调幅信号的优缺点：优点：抗干扰能力强和设备利用率高。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)206(22LmAVRUP起的寄生调幅。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利用率。缺点：有效带宽比调幅信号大得多，且有效带宽与m相关。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。6.2调频电路主要要求：掌握调频的实现方法，了解调频电路的主要指标理解变容管直接调频电路的组成和工作原理了解变容管间接调频电路的组成和工作原理。理解实现调相的基本方法。掌握扩展最大频偏的方法。6.2.1调频电路的实现方法与性能指标一、调频方法1.直接调频2.间接调频1.直接调频用调制信号直接控制振荡器频率，使其与调制信号成正比。图6-7直接调频原理示意图控制回路谐振频率，从而控制振荡频率。适当选择电路参数，就可实现线性调频。直接调频法优点：频偏较大缺点：中心频率易不稳定2.间接调频图6-8间接调频电路组成框图)(cos[)('0tuktUtupcm（6-21）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指标1）中心频率及其稳定度即未调制时的载波频率fc。保持中心频率的高稳定度，才能保证接收机正常接收信号。2）最大频偏fm3）调频灵敏度4）非线性失真6.2.2变容二极管直接调频电路一、变容二极管的压控电容特性图6-9变容二极管的压控电容特性二、振荡回路的基本组成与工作原理u(t)—调制信号QU—使二极管反偏)1(Bj0jUuCC1C—隔直，防止QU通过L短路1L—高扼圈，对高频开路，对)(tu短路，使其加在iC上2C—高频旁路二、振荡回路的基本组成与工作原理图6-10变容二极管及其控制电路)(tu—调制信号Qu—使二极管反偏C1—隔直，防止UQ通过L短路L1—高扼圈，对高频开路，对)(tu短路，使其加在jC上C2—高频旁路图6-11振荡回路的高频通路图6-12直流和调制信号通路变容二极管结电容jC与外加电压的关系rBjjUuCC)1(0（6-22）加在变容二极管两端的电压为)]([tuUuQ可得变容二极管调制电压的变化规律为rjQjxCC)1(式中BQrBQjjQUUtuxUUCC)()1(0（6-23）当调制信号没有加入，载波频率为jQcLCf21（6-24）加入调制信号以后，可得振荡频率随归一化调制信号x得变化的规律为2/)1()(rcxftf（6-25）当r=2得情况下，是线性调制])(1[)1()(BQccUUtufxftf（6-26）单频调制时，令)cos()(tutum（6-27）)cos()cos(tmtUUuxcBQm（6-28）BQmcUUum为变容二极管得电容调制度（6-29）当cm足够小的情况下，x就足够小可得)cos(2)(tfmrftfccc（6-30）其最大的频偏为ccmfmrf2（6-31）6.2.3间接调频电路一、实现方法图6-13间接调频电路组成的框图二、调相的实现方法1.矢量合成法调相电路2.可变相移法调相电路3.可变时延法调相电路1.矢量合成法调相电路（矢量合成法又称阿姆斯特朗法）(1)矢量合成法原理单音调制时，调相信号可表示为（6-32）当radmP)12/(，即015Pm时，有故图6-14矢量合成法调相电路得矢量合成原理及实现的模型2.可变相移法调相电路可变相移法是将晶体振荡器产生得载波电压通过一个可控相移网络，该网络在c上产生得相移)(c受调制电压控制，并与调制电压成正比。图6-14可变相移法调相电路的实现模型3.可变时延法调相电路可变时延法调相电路将晶体振荡器产生得载波电压通过一个可控时延网络，得到输出电压)](cos[)(tUtucmFM)](cosmcos[)(uPMttUtpcm)](cosmsin[)sin()](cosmcos[)cos(ttUttUpcmpcm)(cosm)](cosmsin[1)](cosmcos[tttppp，)sin()(cosm)cos()(uPMttUtUtcpmcm图6-15可变时延法调相电路6.3鉴频电路主要要求：掌握鉴频的实现方法，了解鉴频电路的主要指标了解斜率鉴频器和相位鉴频器的工作原理了解限幅器在接收机中的作用和常用限幅电路6.3.1鉴频的实现方法与性能指标一、鉴频方法1.斜率鉴频器图6-16斜率鉴频器实现模型其实现模型如图6-16所示，现将等幅调频信号送入频率-振幅线性变换网络，变换成幅度和频率成正比变化的调幅-调频信号，然后用包络检波器进行检波，还原出原调制信号。2.相位鉴频器图6-17相位鉴频器实现模型其实现模型如图6-17所示，现将等幅调频信号送入频率-相位线性变换网络，变换成相位和瞬时频率成正比变化的调相-调频信号，然后用相位检波器进行检波，还原出原调制信号。3.脉冲计数式鉴频器图6-18脉冲计数式鉴频器实现模型其实现模型如图6-18所示，现将等幅调频信号送入非线性变换网络，变换成调频等宽脉冲序列信号，由于该等宽脉冲序列含有平均分量与瞬时频率成正比，因此用低通滤波器就能提取出包含在平均分量的调制信号。脉冲计数式鉴频器具有线性鉴频范围大、便于集成化等优点，但其工作频率受到最小脉宽的限制，因此多用于工作频率小于10MHz的场合。4.锁相环路鉴频器二、主要指标鉴频灵敏度(鉴频跨导)SDHz/VcoDfffuS（6-33）线性范围2fmax应使fmaxfm非线性失真：指由于鉴频特性的非线性所产生的失真。通常要求在满足线性范围和非线性失真的条件下，提高SD6.3.2斜率鉴频器双失谐回路斜率鉴频器图6-19双失谐回路斜率鉴频器为了扩大鉴频器的线性范围，实用的斜率鉴频器场采用2个单失谐回路斜率鉴频器构成的平衡电路，如图6-19所示，图中二次侧有两个并联谐振回路，鉴频时它们工作于失谐状态，所以称为双失谐回路斜率鉴频器。鉴频器工作时，需采用两个谐振曲线相同的回路，并将两个回路的谐振频率对称地调谐在信号中心频率cf，图6-1901f、02f分别为二个回路是谐振频率，它们对称于cf，即fc–f01=f02–fc，这个差值必需大于调频信号的最大频偏，以避免鉴频失真。图6-20所示为输入电流信号作用下，回路两端产生电压)(1tu、)(2tu的幅频特性。由图可见，这两根幅频特性