第7章--频率调制与解调1

《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调tUccccosuΩtUcosutUccccosuΩtUcosuc–Dmc+DmAMFM《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调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广播《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调第7章频率调制与解调7.1调频信号分析7.2调频器与调频方法7.3调频电路7.4鉴频器与鉴频方法7.5鉴频电路7.6调频收发信机及特殊电路7.7调频多重广播《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调重点：1.调频波的基本特性（数学表达式，波形图，频谱图，频带宽度，）2．变容二极管直接调频电路的典型电路，工作原理及分析3．变容二极管调相——间接调频电路。4．鉴频的原理与实现方法。互感耦合相位鉴频器难点：1．调频与调相的区别。2．变容二极管直接调频电路。3.互感耦合相位鉴频器avp《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调概述)(tu)(tu)(tu高频振荡的振幅不变，而角度随调制信号按一定关系变化。高频振荡的振幅不变，而其瞬时频率随调制信号线性关系变化，这样的已调波称为调频波，常用FM表示。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。这样的已调波称为调相波，常用PM表示。角度调制分为相位调制和频率调制两类，统称为调角。一、角度调制电路的功能与分类1.角度调制2.角度调制的分类3.相位调制4.频率调制《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调二、角度调制的优点与用途优点:1、抗干扰能力强2、FM广播音质好，但BW宽，波段内容纳的电台数小；主要用于超短波波段。如：调频广播：（88~108）MHz，BW=180KHZ。3．发射功率小。作用:调频主要用于调频广播、广播电视、通信与遥控遥测等。调相主要用于数字通信。《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调7.1调频信号分析7.1.1调频信号的参数与波形1、时域表达式令uΩ(t)=UΩcosΩt,uC=UCcosωct,调频信号的瞬时角频率为00()()ttd()()()cosccfcmttkuttDD为了分析方便,不妨设φ0=0,0()()sinsin()tmccfctdtttmttDDmfmD《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调图7―1调频波波形t0t0u(a)(b)t0(t)(c)cDmt0(d)IFM(t)t(t)024Tc2TcmfD(t)c(e)sin()cos(sin)Re[]fejmtjtFMCcfCutUtmtUee2、波形《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调图7―2调频波Δfm、mf与F的关系FDfmmf0Dfmmf：是比例常数，表示3、调频信号的基本参数c：载波角频率，它是没有受调时的载波频率。：调制信号角频率，它反映了受调制的信号的瞬时频率变化的快慢。mD：相对于载频的最大角频偏(峰值角频偏)2mmfDD：最大频偏DUkfmfkU对最大角频偏的控制能力，它是单位调制电压产生的频率偏移量，称为调频灵敏度。FfmmmmfDDD：调频波的调制指数。fm与U成正比），与成反比。《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调7.1.2调频波的频谱1．调频波的展开式sin()fjmtjntnfneJme（7―5）式中Jn(mf)是宗数为mf的n阶第一类贝塞尔函数,它可以用无穷级数进行计算。20(1)()2()!()!fnnmnfmmJmmnm（7―6）《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调7.1.2调频波的频谱()()Re[()]()cos()cjtntFMCnfnCnfcnutUJmeUJmnt（7―7）0123456789101112－0.4－0.200.20.40.60.81.0Jn(mf)J0J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10mf图7―3第一类贝塞尔函数曲线《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调图7―4单频调制时FM（a）Ω为常数;（b）Δωm为常数cmf＝1cDDmf＝1mf＝2ccDDmf＝2cmf＝5cmf＝10Qcmf＝15mf＝5cDDmf＝10mf＝20cDDcDD(a)(b)2．调频波的频谱结构和特点])3cos()()3cos()()2cos()()2cos()()cos()()cos()(cos)([)(3322110tmJtmJtmJtmJtmJtmJtmJUtucfcfcfcfcfcfcfcFM这些边频对称地分布在载频两边，其幅度决定于调制指数。调频波是由载波c与无数边频nc组成，fm调频波的特点：《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调图7―5调频信号的矢量表示0载波－－0载波合成矢量0合成矢量(a)AM情况(b)NBFM情况mfsint《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调7.1.3调频波的信号带宽通常采用的准则是,信号的频带宽度应包括幅度大于未调载波1%以上的边频分量,即|Jn(mf)|≥0.01当mf很大时,,此时带宽为Bs=2nF=2mfF=2Δfm（7―9）当mf很小时,如mf0.5,为窄频带调频,此时Bs=2F（7―10）对于一般情况,带宽为Bs=2(mf+1)F=2(Δfm+F)（7―11）《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调7.1.4调频波的功率调频信号uFM(t)在电阻RL上消耗的平均功率为由于余弦项的正交性,总和的均方值等于各项均方值的总和,由式（7―7）可得（7―13）（7―14）（7―15）《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调7.1.5调频波与调相波的比较1．调相波调相波是其瞬时相位以未调载波相位φc为中心按调制信号规律变化的等幅高频振荡。如uΩ(t)=UΩcosΩt,uC=UCcosωct并令φ0=0,则其瞬时相位为φ(t)=ωct+Δφ(t)=ωct+kpuΩ(t)=ωct+ΔφmcosΩt=ωct+mpcosΩt（7―16）从而得到调相信号为uPM(t)=UCcos(ωct+mpcosΩt)（7―17）《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调图7―7调相波波形t0t0u(a)(b)(c)t0(f)iPM(t)tPM(t)0c(g)icD(t)t0(d)D(t)t0(e)(t)tc0Dm2、波形《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调3、参数mppUkmmDD()()sinsincpcmdttmttdtD（7―18）图7―8调相波Δfm、mp与F的关系FDfmmp0Dfmmpφ(t)=ωct+Δφ(t)=ωct+kpuΩ(t)调相波的瞬时频率为调相波的瞬时相位为DUkpm调制度最大频偏《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调4、频谱至于PM波的频谱及带宽,其分析方法与FM相同。调相信号带宽为Bs=2(mp+1)F(7―19)图7―9调频与调相的关系FM积分调相u(a)PM微分调频u(b)《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调2．调频波与调相波的比较项目调频波调相波载波调制信号偏移的物理量频率相位调制指数（最大相偏）最大频偏瞬时角频率瞬时相位已调波电压信号带宽（恒定带宽）（非恒定带宽）调频波与调相波的比较tUuccccostUuccccostUucostUucosmUkffmmDDmppUkmmDDDUkpmDUkpm)()(tuktfcdttdupckt)()(dttukttfc)()()()(tukttpc)sincos()(tmtUtufccFM)coscos()(tmtUtupccPMmax)1(2FmBfsmax)1(2FmBps《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调在本节结束前,要强调几点:（1）角度调制是非线性调制,在单频调制时会出现（ωc±nΩ）分量,在多频调制时还会出现交叉调制（ωc±nΩ1±kΩ2+…）分量。（2）调频的频谱结构与mf密切相关。mf大,频带宽。（3）与AM制相比,角调方式的设备利用率高,因其平均功率与最大功率一样。《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调8()3cos210(V)cutt()2cos1000(V)uttfm()ut例1已知某调频电路单位调制电压产生频偏为1kHz，电路的输出载波电压，调制信号电压。试求：(1)调频指数(2)最大频偏(3)有效频带宽度(4)调频波的数学表示式《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调311024500fmfkUmF8()3cos(2104sin1000)(V)uttt解(1)调频指数(2)最大频偏(3)有效频带宽度(4)调频波的数学表示式《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调例2、给定调频信号中心频率，最大频偏。调制信号频率为。求调频指数，频带宽度，若调制信号频率增大一倍，则调频指数和频带宽度又为多大？20MHzcf10kHzmfD500HzF《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调7.2调频器与调频方法二、调频方法分类调频方法可分为直接调频和间接调频两大类。三、直接调频原理1、利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号变化规律。2、实际应用中，是用调制信号去控制决定振荡器振荡频率的振荡回路的可变电抗值。从而使振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性改变。)()(tuktfcfkmfD1、具有线性的调制特性。即。4、未调制的载波频率（即已调波的中心频率）应具有一定的频率稳定度。5、无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。3、最大频率偏移与调制信号频率无关。2、具有较高的调制灵敏度。即要大，单位调制电压产生的振荡频率偏移要大。一、对调频电路的要求U0Df调频特性曲线《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调间接调频原理方框图]d)(cos[)(0tfccmttuktUtu1、由调频波的一般表示式)(tutttu0d)()(tu)(tu2、将调制信号先通过积分电路得到，然后进行相位调制，输出电压对是调频波,称其为间接调频。3、间接调频电路的载波振荡器可采用频率稳定度很高的晶体振荡器，其载波频率稳定变高。四、间接调频原理《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调2．间接调频法实现间接调频的关键是如何进行相位调制。通常,实现相位调制的方法有如下三种:(1）矢量合成法。这种方法主要针对的是窄带的调频或调相信号。对于单音调相信号uPM=Ucos(ωct+mpcosΩt)=Ucosωctcos(mpcosΩt)-Usin(mpcosΩt)sinωct当mp≤π/12时,上式近似为uPM≈Ucosωct-UmpcosΩtsinωct（7―20）《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调图7―11矢量合成法调频f(t)放大器∑＋－cosctAMf(t)放大器∑＋－cosctPMsinct/2(a)(b)f(t)∑＋－cosctFMsinct/2(c)－＋《高频电路原理与分析》第7章频率调制与解调(2）可变移相法。可变移相法就是利用调制信号控制移相网络或谐振回路的电抗或电阻元件来实现调相。(3）可变延时法。将载波信号通过一可控延时网络,延时时间τ受调制信号控制,即τ=kdu