5角度调制

第5讲角度调制通信电子线路非线性调制（角度调制）概念概述角度调制的基本概念1调角信号一般表达式()cos[(])mcstAtt载波的恒定振幅[ct+(t)]–已调信号的瞬时相位相对于ct的瞬时相位偏移[c+d(t)/dt]–已调信号的瞬时角频率相对于c的瞬时角频偏Kf=rad/(s•V)Kp=rad/V()cos[(])mcstAttPM：FM：调角信号：()()pKtmt()()fdtmtdtK2PM与FM的关系若预先不知m(t)形式，能否判断已调信号是PM还是FM信号?最大相位偏移1单音调频FM——调频指数()cosmmmtAtcossinfmmfmmmtKAtdtKAtsinfmmtcosmmfdtAKtdt最大角频偏∆𝜔2mmffmKA2fmfmfFM()cos[sin]fcmstAtmt单音调频信号：，则设2FM信号的频谱与带宽FMcos[sin]cfmstAtmtFM()cos()ncmnfmJstAntFM()()()()nfcmcmSAJmnn第一类n阶贝塞尔函数是调频指数mf的函数傅里叶变换级数展开讨论FM12fmBmf时：FM12fBfm时：——窄带调频(NBFM)——宽带调频(WBFM)——FM频谱和传输带宽：对于多音或任意带限调制信号时的FM信号：FM广播的最大频偏f=75kHz，最高调制频率fm=15kHz，故调频指数mf＝5，FM信号的频带宽度为：推广：调制信号的最高频率FM2(1)2()fmmBmfff例如：FM2(51)152(7515)180kHzB3FM信号的功率分配FFM2MsPt22()2nfnAJm22cPA载波功率FM()cos()ncmnfmJstAnt=14FM的特点优势应用调频信号的产生与解调1调频信号的产生mtFMstVCO1)直接法原理：调制电压控制振荡器的频率：0iftKmt优点：电路简单；缺点：频率稳定度不高变容二极管直接调频mt积分器相位调制倍频器WBFMstNBFMstcoscAt2)间接法原理：积分⤑调相(NBFM)⤑n次倍频⤑WBFM优点：频率稳定度好；缺点：需要多次倍频和混频，因此电路较复杂。2调频信号的解调适用：NBFM和WBFM思路：完成频率~电压的转换，即：FM()cos[()]cfstAtKmdomtFMstBPF及限幅微分电路包络检波LPFdst鉴频器o()()fmtKmt鉴频器解调：⤳一种振幅鉴频器微分器：把幅度恒定的调频波⤳调幅调频波：包络检波器：检出包络并滤去直流，omtFMstBPF及限幅微分电路包络检波LPFdst鉴频器原理：[()]()sin[)](ccffdstAtdKmtKm)()(otmKKtmfd幅/频都随m(t)变化经LPF即得解调输出：FM()cos[()]cfstAtKmd锁相环路(PLL)PLL概述:锁相环路是一个相位误差控制系统，是将参考信号与输出信号之间的相位进行反馈比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频的目的。参考信号输出信号锁相环系统框图鉴相器环路滤波器压控振荡器基本锁相环的构成:鉴相器(PD-PhaseDetector)锁相环的基本组成环路滤波器(LF-LoopFilter)压控振荡器(VOC:VoltageControlledOscillater)参考信号鉴相器环路滤波器压控振荡器输出信号压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达到相位锁定的目的。环路滤波器的作用是滤除ud(t)中的高频分量及噪声，以保证环路所要求的性能。鉴相器是相位比较装置，用来比较输入信号ui(t)与压控振荡器输出信号uo(t)的相位，它的输出电压ud(t)是对应于这两个信号相位差的函数。鉴相器是相位比较装置，用来比较输入信号ui(t)与压控振荡器输出信号uo(t)的相位，它的输出电压ud(t)是对应于这两个信号相位差的函数。环路滤波器的作用是滤除ud(t)中的高频分量及噪声，以保证环路所要求的性能。压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达到相位锁定的目的。压控振荡器:指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是输入信号电压的函数的振荡器VCO，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。锁相环的基本原理：设输入信号ui(t)和本振信号(VCO输出信号）uo(t)分别是正弦和余弦信号，它们在鉴相器内进行比较，鉴相器的输出是一个与两者间的相位差成比例的电压ud(t)，一般把ud(t)称为误差电压。环路低通滤波器滤除鉴相器中的高频分量，然后把输出电压ud(t)加到VCO的输入端，VCO送出的本振信号频率随着输入电压的变化而变化。如果二者频率不一致，则鉴相器的输出将产生低频变化分量并通过低通滤波器使VCO的频率发生变化。只要环路设计恰当，则这种变化将使本振信号的频率一致起来。最后如果本振信号的频率和输入信号的频率完全一致，两者的相位差将保持某一较小的恒定值，则鉴相器的输出将是一个恒定直流电压（高频分量忽略），环路低通滤波器的输出也是一个直流电压，VCO的频率将停止变化，这时，环路处于“锁定状态”。以正弦波鉴相器为例说明：任何一个理想模拟乘法器都可以作为有正弦特性的鉴相器。设输入信号为:锁相环分析：ui(t)=U1msin[ωit+θi]=U1msin[ω0t+(ωi-ω0)t+θi]=U1msin[ω0t+φi(t)]uo(t)=U2mcos[ω0t+φo(t)]输出信号为：经乘法器相乘后，其输出为：)()(sin)()(2sin21)()(21tttttUUAAtutuoioiommmmoi高频成分低频成分环路滤波器把上式中高频分量滤除。则输出为：)()(sin21)(21ttUUAtuoimmmd等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，uc(t)为恒定值。当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，uc(t)随时间而变。uc(t)d[φi(t)-φ0(t)]锁相环调频电路普通的直接调频电路中，振荡器的中心频率稳定度较差，而锁相调频电路能得到中心频率稳定度很高的调频信号,锁相环调频电路如下图所示。环路滤波器的带宽必须很窄，截至频率应小于调制信号的频率。fi(t)晶振PDLFVCOfo(t)调频波fΩ(t)调制信号+调制信号作为VCO控制电压的一部分使其频率产生相应的变化，由此在输出端得到已调频信号。锁相解调电路调频波解调框图：如果将环路的频带设计的足够宽，使环路捕捉带大于调频波的最大频偏，利用锁相环的跟踪特性，可以使VCO的振荡频率跟踪输入调频波的瞬时频率。如果VCO的电压-频率特性是线形的，则加到VCO的控制电压的变化规律必与调频波的瞬时频率变化规律相同，因此在LF的输出端可获得不失真的解调输出。PDLFVCOVFM(t)调频波VΩ(t)调制信号