高频电子线路_张肃文_第5版课件__第8章

在通信系统中，角度及解调电路不同于频谱线性搬移电路。它是用低频信号去调制高频振荡的相角，或是从已调波中解出调制信号所进行的频谱变换，这种变换不是线性变换，而是非线性变换。因此，我们把角度调制及调角波的解调电路称为频谱非线性变换电路。调频（ＦＭ）：如果高频振荡器的频率变化量和调制信号成正比，则称调频。调相（ＰＭ）：如果高频振荡器的相位变化量和调制信号成正比，则称调相。与振幅调制相比，角度调制主要优点是抗干扰性强。调频主要用于模拟通信，调相主要用于数字通信。调角波的性质由于频率的变化和相位的变化都表现为总相角的变化，因此，将调频和调相统称为调角。因为相位是频率的积分,故频率的变化必将引起相位的变化,反之亦然,所以调频信号与调相信号在时域特性、频谱宽度、调制与解调的原理和实现方法等方面都有密切的联系。角度调制与解调属于非线性频率变换,比属于线性频率变换的振幅调制与解调在原理和电路实现上都要困难一些。在模拟通信方面,调频制比调相制更加优越,故大都采用调频制。所以,本章在介绍电路时,以调频电路、鉴频(频率解调)电路为主题,但由于调频信号与调相信号的内在联系,调频可以用调相电路间接实现,鉴频也可以用鉴相(相位解调,也称相位检波)电路间接实现,所以实际上也介绍了一些调相与鉴相电路。tV000cosvΩtVcosvtV000cosvΩtVcosv0–Dm0+DmAMFM调频波的指标寄生调幅频谱宽度抗干扰能力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图10.1.1利用波形变换电路进行鉴频•将等幅的调频信号变换成振幅也随瞬时频率变化、既调频又调幅的FM―AM波，就可以通过包络检波器解调此调频信号•用此原理构成的鉴频器称为振幅鉴频器End鉴频器的指标鉴频灵敏度鉴频跨导鉴频频带宽度寄生调幅抑制能力失真和稳定性图10.1.2鉴频特性曲线•鉴频器输出电压与输入调频波的瞬时频偏成正比，其比例系数称为鉴频跨导8.2.1瞬时频率与瞬时相位8.2.2调频波和调相波的数学表示式8.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度调频是使高频载波的瞬时频率按调制信号规律变化的一种调制方式；调相是使高频载波的瞬时相位按调制信号规律变化的一种调制方式。因为这两种调制都表现为高频振荡波的总瞬时相角受到调变，故将它们统称为角度调制(简称调角)。瞬时频率)(t瞬时相角)(t00t0实轴)(ttt)(t00)(tttd)(ttdd•瞬时相角θ(t)等于矢量在t时间内转过的角度与初始相角θ0之和调频)()(0tktvf设调制信号为：vΩ(t)，ω0是未调制时的载波中心频率；kfvΩ(t)是瞬时频率相对于ω0的偏移，叫瞬时频率偏移，简称频移。可表示为)()(tktDvfΔω(t)的最大频移，称频偏，表示为max)(tkDvf∵瞬时频率与调制信号呈线性关系，∴瞬时频率为：))(cos()(00f00dttktVtatv调频波数学表达式（相位表达式）载波信号为：)cos()(000tVtωv000)]([)(ttkttdfv00f0)(dttkttv瞬时相位瞬时相位偏移相位偏移相移；ttkttdffD0)()(vmax0ffd)(ttktDvfm最大相移Δθf也称调频波调制指数mf))(cos()(00f00dttktVtatv调频波数学表达式（相位表达式）)()(0tktvf瞬时频率调相00)()(tkttvpttkttd])([d)(0p0vω0t+θ0是未调制时的载波相位；kpvΩ(t)是瞬时相位相对于ω0t+θ0的偏移，叫瞬时相位偏移，简称相位偏移或相移。可表示为)()(tktDvpΔθ(t)最大相移，也称调制指数，表示为maxp)(tkDvttkd)(dp0v瞬时相位与调制信号呈线性瞬时频率最大频移，即频偏：maxppd)(dttkDvpmmp为调相波调制指数设调制信号为vΩ(t)，载波信号)cos()(000tVtωvttktd)(d)(ppDv调相波的频移：))(cos()(000tktVtaPv调相波数学(相位)表达式以单音调制波为例调制信号tVtcos)(ΩΩv调频ΩtVktcos)(0f00sin)(ΩtVkttf瞬时频率瞬时相位已调频信号)sincos()(000ΩtVktVtaf)sincos(000ΩtmtVfVkttkmtfmax0ffd)(vDfDVkff调频波频偏：max)(tkDvf得：))(cos()(00f00dttktVtatv调频波数学(相位)表达式•调频波的最大相移，即调频波调制指数：调相00cos)(ΩtVkttpΩtVktsin)(0p瞬时频率瞬时相位已调相信号)coscos()(000ΩtVktVtap)coscos(000ΩtmtVpΩpmaxpp)(VktkmvDp以单音调制波为例调制信号tVtcos)(ΩΩvDVkpp调相波频偏：maxppd)(dttkDv得：))(cos()(000tktVtaPv调相波数学(相位)表达式•调相波的最大相移，即调相波调制指数：以单音调制波为例调制信号tVtcos)(v调频调相ΩtVktcos)(0f瞬时频率00sin)(ΩtVkttf瞬时相位VkmffΩtVktsin)(0p瞬时频率00cos)(ΩtVkttp瞬时相位VkmppDpDVkff调频波频偏：Df•调频波的最大相移，即调频波调制指数：DVkpp调相波频偏：•调相波的最大相移，即调相波调制指数：FFmmmmppffDDDD都满足与最大频移调制指数还是调相无论调频mpΔωmΔωmΩmfΩ调频调相由频偏表达式可以看出调相信号带宽随调制信号频率的升高而增加，而调频波则不变，也把调频制叫做恒定带宽调制。VkmffDfVkmppDpDVkppDVkff调频波频偏调相波频偏由于调频波和调相波的方程式相似，因此只要分析其中一种的频谱，则对另一种也完全适用。已调频信号)sincos()(00ΩtmtVtaf已调相信号)coscos()(00ΩtmtVtap已调频信号)sincos()(00ΩtmtVtaf)]sinsin(sin)sincos([cosf0f00ΩtmtΩtmtV其中:tnmJmJΩtmn2cos)(2)()sincos(120fnffΩtnmJtmn)12sin()(2)sinsin(012fnf)(fnmJ是以mf为参数的n阶第一类贝赛尔函数。一、频谱调制信号tVtcos)(v]})12sin()(2[sin]2cos)(2)([{cos)(0f1n201fn2f000ΩtnmJttnmJmJtVtann]sin)12sin()(2cos2cos)(2cos)([002012000ttnmJttnmJtmJVnnf1nfnf}])12(cos[])12({cos[)(]})2cos()2[cos()(cos)({0001200012000tntnmJVtntnmJtmJVnnfnfnf)]sinsin(sin)sincos([cosf0f00ΩtmtΩtmtV一、频谱1)单音调制时，调频波的频谱不是调制信号频谱的简单搬移，而是由载波和无数对边带分量所组成，它们的振幅由对应的各阶贝塞尔函数值所确定。由教材（8.2.24）可见，奇次的上、下边带分量振幅相等、极性相反；偶次的振幅相等、极性相同。2)调制指数mf越大，具有较大振幅的边频分量就越多，见教材图8.2.5。这与调幅波不同，在单频信号调幅的情况下，边频数目与调制指数无关。3)载波分量和各边带分量的振幅均随mf变化而变化。对于某些mf值，载频或某边频振幅为零。籍此可以测定调制指数mf。上式表明，当V0一定时，不论mf为何值，调频波的平均功率恒为定值，并且等于未调制时的载波功率。换句话说，改变mf仅会引起载波分量和各边带分量之间功率的重新分配，但不会引起总功率的改变。4)根据帕塞瓦尔(Parseval)定理调频波的平均功率等于各频谱分量平均功率之和。因此，在电阻R上，调频波的平均功率应为])(2)(2)([202121222020nnmJmJmJRVPfnfnfffnf])(2)([2122020nmJmJRVRV220虽然调频波的边频分量有无数多个，但是，对于任一给定的mf值，高到一定次数的边频分量其振幅已经小到可以忽略，以致滤除这些边频分量对调频波形不会产生显著的影响。二、带宽通常规定：凡是振幅小于未调制载波振幅的1％(或10％，根据不同要求而定)的边频分量均可忽略不计，保留下来的频谱分量就确定了调频波的频带宽度。如果将小于调制载波振幅l0％的边频分量略去不计，则频谱宽度BW可由下列近似公式求出：FmBW)1(2f在实际应用中也常区分为：DD)(22,1)AM(2,1mmfFMfFMf为频偏称为宽带调频,波频带相同与称为窄带调频,ffFmBmFBm从上面的讨论知道，调频波和调相波的频谱结构以及频带宽度与调制指数有密切的关系。总的规律是：调制指数越大，应当考虑的边频分量的数目就越多，无论对于调频还是调相均是如此。这是它们共同的性质。但是，由于调频与调相制与调制频率F的关系不同，仅当F变化时，它们的频谱结构和频带宽度的关系就互不相同。FmBW)1(2fVkmffDf调频调相VkmffDfVkmppDp对于调频制，Ω变小，mf则变大，由图8.2.4知：边频分量增多，但各频率间距离反而减小，造成频带宽度略窄，可看成带宽基本恒定，因此调频也称恒定带宽调制。对于调相制，Ω增加时，带宽增加。对于Ω在Ωmin～Ωmax而言，Ωmax决定总的带宽，低端频率分量的频谱利用率不高。因此，模拟通信系统中调频制要比调相制应用得广泛。DVkppDVkffEnd下面分析一下含多个频率成分信号调制的调频信号的频谱，)]sinsin(sin)sincos([cos)(10100NnnNnntmttmtVtanfnf)]sinsinsin(sin)sinsincos([cos)(22110221100tmtmttmtmtVtaffff以双频信号为例tnmJmJtmn2cos)(2)()sincos(120fnfftnmJtmn)12sin()(2)sinsin(012fnf此时增加了许多组合频率，使频谱组成大为复杂。因此，调频与调相制属于非线性调制。已调频信号)sincos()(00ΩtmtVtaf8.3.1直接调频原理8.3.2间接调频原理产生调频信号的电路叫做调频器。对它有四个主要要求：（1）已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化。这是基本要求。（2）未调制时的载波频率，即已调波的中心频率具有一定的稳定度（视应用场合不同而有不同的要求）。（3）最大频移与调制频率无关。（4）无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。产