第7章--频率调制与解调.ppt

,第二级,第三级,第四级,第五级,高频电路原理与分析,什么是频率调制,频率调制,，它是使高频振荡信号的频,率按调制信号的规律变化（瞬时频率变化,的大小与调制信号成线性关系），而振幅,保持恒定的一种调制方式。,频率调制又称调频，英文为：,Frequency Modulation,，缩写为,FM,。,什么是相位调制,相位调制,，它是使高频振荡信号,的相位按调制信号的规律变化，而振,幅保持恒定的一种调制方式。,相位调制又称调相，英文为：,Phase Modulation,，缩写为,PM,。,频率与相位的关系,角度调制的优缺点,优点：抗干扰能力增强；,缺点：频谱宽度增加。,7.1 调频信号分析,7.1.1,调频信号的参数与波形,u,(,t,)=,U,cos,t,u,C,(,t,)=,U,C,cos,c,t,7.1.1 调频信号的参数与波形,根据频率调制的定义,调频信号的瞬,时角频率为,(71),：调频灵敏度,最大角频偏和最大频偏,最大角频偏,最大频偏,调频信号的瞬时相位,(,t,),式中,0,为信号的起始角频率。,（,72,）,设,0,=0,则式（,72,）变为,式中，为,调频指数,。,与,U,成正比，与,成反比。,（,73,）,调频波的表达式,FM,波的表示式为,(74),按调制信号对时间的,积分值变化的调相信号,调频波波形,图,71,调频波波形,调频波是波形疏密变化的等幅波。,图,72,调频波,f,m,、,m,f,与,F,的关系,m,f,7.1.2,调频波的频谱,1,调频波的展开式,因为式（,74,）中的 是周期为,2/,的周期性时间函数,可以将它展开为傅氏级数,其基波角频率为,即,（,75,）,式中,J,n,(,m,f,),是宗数为,m,f,的,n,阶第一类贝塞尔函数,它可以用无穷级数进行计算,:,（,76,）,它随,m,f,变化的曲线如图,73,所示,并具有以下特性,:,J,n,(m,f,)=J,-n,(m,f,),n,为偶数,J,n,(m,f,)=-J,-n,(m,f,),n,为奇数,因而,调频波的级数展开式为,（,77,）,图,73,第一类贝塞尔函数曲线,2,调频波的频谱结构和特点,将上式进一步展开,有,u,FM,(,t,)=,U,C,J,0,(,m,f,)cos,c,t,+,J,1,(,m,f,)cos(,c,+,),t,-,J,1,(,m,f,)cos(,c,-),t,+,J,2,(,m,f,)cos(,c,+2),t,+,J,2,(,m,f,)cos(,c,-2),t,+,J,3,(,m,f,)cos(,c,+3),t,-,J,3,(,m,f,)cos(,c,-3),t,+,（,78,）,调频波是由载波,c,与无数边频组成的,c,n,，这些边频对称地分布在载频两边，其幅度取决于调制指数。,图,74,单频调制时,FM,波的振幅谱,（,a,）,为常数,;,（,b,）,m,为常数,图,75,调频信号的矢量表示,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,|,J,n,(,m,f,)|0.01,7.1.3 调频波的信号带宽,当,m,f,很大时,由图,7-6,可见,n,/,m,f,趋近于,1,。,因此当,m,f,1,时,应将,n,=,m,f,的边频包括在频带内,此时带宽为,B,s,=2,nF,=2,m,f,F,=2,f,m,（,79,）,7.1.3 调频波的信号带宽,当,m,f,很小时,如,m,f,0.5,，由图,7-3,可以,认为调频波只由载波,C,和,C,+,的边频构,成。此时为窄频带调频，其带宽为,B,s,=2,F,（,710,）,7.1.3 调频波的信号带宽,对于一般情况,带宽为,B,s,=2(,m,f,+1)F=2(,f,m,+,F,),（,711,）,7.1.3 调频波的信号带宽,例,2,：利用近似公式计算以下情况的调频波的频带宽度。,(,1,),f,m,=75 kHz,，,F,max,=0.1 kHz,，,(,2,),f,m,=75 kHz,，,F,max,=1 kHz,，,(,3,),f,m,=75 kHz,，,F,max,=10 kHz,。,解：,BW,CR,=2(,M,+1),F,=2(,f,m,+,F,),(,1,),BW,CR,=2,(75+0.1)kHz 150 kHz,(,2,),BW,CR,=2 (75+1)kHz=152 kHz,(,3,),BW,CR,=2,(75+10)kHz=170 kHz,尽管调制频率变化了,100,倍，但频带宽度变化很小。,7.1.3 调频波的信号带宽,更准确的调频波带宽计算公式为：,（,712,）,7.1.3 调频波的信号带宽,当调制信号不是单一频率时，由于调频,是非线性过程，其频谱要复杂得多。比如有,F,1,、,F,2,两个调制频率，则根据式,(7-7),可写出,7.1.4 调频波的功率,调频信号,u,FM,(,t,),在电阻,R,L,上消耗的平均功率为,（,713,）,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（,77,）可得,（,714,）,（,715,）,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,c,为中心按调制信号规律变化的等幅高频振荡。,调相波的瞬时相位和调相信号表达式,如,u,(,t,)=,U,cost,，并令,0,=0,则其瞬时相位为,(,t,)=,c,t,+,(,t,)=,c,t,+,k,p,u,(,t,),=,c,t,+,m,cos,t,=,c,t,+,m,p,cos,t,（,716,）,从而得到调相信号为,u,PM,(,t,)=,U,C,cos(,c,t,+,m,p,cos,t,),（,717,）,最大相偏和调相灵敏度,最大相偏,调相灵敏度,调相波的瞬时频率为,（,718,）,图,78,调相波,f,m,、,m,p,与,F,的关系,按调制信号对时间的导数值变化的调频信号,调相波波形,调相波的信号带宽,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,B,s,=2(m,p,+1)F (719),2调频波与调相波的比较,调频波与调相波的比较见表,71,。,表,71,调频波与调相波的比较表,k,p,U,调频波与调相波的比较,调频信号可以看成为,(,t,),按调制信号的时间积分值规律变化的调相信号,调相信号可看成,(,t,),按调制信号的时间导数值规律变化的调频信号,相,同,调,频,信,号,调,相,信,号,(,t,),和,(,t,),都同时变化,随调制信号规律线性变化的物理量,(,t,),随调制信号规律线性变化的物理量,(,t,),关,系,区,别,调频波与调相波的关系,图,79,调频与调相的关系,调频波与调相波的波形比较,右图给出了调制信号分别为单频正弦波和三角波时的调频信号和调相信号的有关波形。,2调频波与调相波的比较,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（,c,n,）分量，在多频调制时还会出现交叉调制,（,c,n,1,k,2,+,）分量。,（,2,）调频的频谱结构与,m,f,密切相关。,m,f,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。,7.2 调频器与调频方法,7.2.1,调频器,实现调频的电路或部件称为调频器,或调频电路。,调频器的调制特性称为调频特性。,7.2 调频器与调频方法,对于调频器的调频特性的要求如下,:,（,1,）调制特性线性要好。,（,2,）调制灵敏度要高。,（,3,）载波性能要好。,图,710,调频特性曲线,7.2.2 调频方法,调频波产生的方法主要有两种：,（,1,）直接调频法,（,2,）间接调频法,直接调频法,这种方法一般是用调制电压直接控制振,荡器的振荡频率，使振荡频率,f,(,t,),按调制电压,的规律变化。若被控制的是,LC,振荡器，则只,需控制振荡回路的某个元件（,L,或,C,），使其,参数随调制电压变化，就可达到直接调频的,目的。,间接调频法,图,79,调频与调相的关系,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。,（,2,）可变移相法。,（,3,）可变延时法。,7.3 调频电路,7.3.1,直接调频电路,1.,变容二极管直接调频电路,（,1,）变容二极管调频原理,其结电容,C,j,与在其两端所加反偏电压,u,之间存在着如下关系,:,（,721,）,图,712,变容管的,C,j,u,曲线,静态工作点为,E,Q,时,变容二极管结电容为,（,722,）,（,2,）变容二极管直接调频性能分析,a.,变容二极管直接调频电路，,C,j,作为回路总电容接入回路。,（,725,）,图,713,变容管作为回路总电容全部接入回路,变,容,管,线,性,调,频,原,理,b.,C,j,作为回路部分电容接入回路。,图,716,变容二极管直接调频电路举例,（,a,）实际电路,;,（,b,）等效电路,图,717,部分接入的振荡回路,2.晶体振荡器直接调频电路,变容二极管（对,LC,振荡器）直接调频电,路的中心频率稳定度较差。为得到高稳定度,调频信号,须采取稳频措施,如增加自动频率,微调电路或锁相环路。还有一种稳频的简单,方法是直接对晶体振荡器调频。,图,720,晶体振荡器直接调频电路,（,a,）实际电路,;,（,b,）交流等效电路,7.3.2 间接调频电路,图,724,单回路变容管调相器,高,Q,并联振荡电路的电压、电流间相移为,（,735,）,当,/6,时,tan,上式简化为,（,736,）,设输入调制信号为,U,cos,t,其瞬时频,偏此处为回路谐振频率的偏移,),为,将上式代入（,7-36,）可得：,（,737,）,图,725,三级回路级联的移相器,7.4 鉴频器与鉴频方法,7.4.1,鉴频器,角调波的解调就是从角调波中恢复出原,调制信号的过程。调频波的解调电路称为频,率检波器或鉴频器（,FD,），调相波的解调电,路称为相位检波器或鉴相器（,PD,）。,限幅鉴频器,在调频接收机中，因多种原因（如频率特,性不均、干扰等）会导致调频信号振幅发生变,化。鉴频时，上述寄生调幅会反映在输出解调,电压上，产生解调失真。,解决办法,在鉴频前加限幅器。,限幅与鉴频一般联用,统称限幅鉴频器。,图,726,鉴频器及鉴频特性,7.4.2 鉴频方法,1.,振幅鉴频法,2.,相位鉴频法,3.,直接脉冲计数式鉴频法,1.,振幅鉴频法,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,FMAM,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。,（1）直接时间域微分法,设调制信号为,u,=,f,(t),调频波为,对此式直接微分可得,电压,u,与瞬时频率 成正比。,微分鉴频原理方框图,（2）斜率鉴频法,利用在所需频率范围内具有线性幅频,特性的网络也可以完成鉴频。,单回路斜率鉴频器,双离谐平衡鉴频器,双 原离 理谐 电平 路衡 各鉴 点频 波器 形,2.,相位鉴频法,相位鉴频法的原理框图如图,734,所,示。图中的变换电路具有线性的频率,相,位转换特性，它可以将等幅的调频信号变,成相位也随瞬时频率变化的、既调频又调,相的,FMPM,波。,图,734,相位鉴频法的原理框图,3.,直接脉冲计数式鉴频法,调频信号的信息寄托在已调波的频率上。,从某种意义上讲，信号频率就是信号电压或电,流波形单位时间内过零点,(,或零交点,),的次数。,对于脉冲或数字信号，信号频率就是信号脉冲,的个数。基于这种原理的鉴频器称为零交点鉴,频器或脉冲计数式鉴频器。,图,737,直接脉冲计数式鉴频器,7.6 调频收发信机及特殊电路,7.6.1,调频发射机,图,755,是一种调频发射机的框图。其载频,f,c,=88,108MHz,，输入调制信号频率为,50Hz,15kHz,，,最大频偏为,75kHz,。由图可知，调频方式为间接调频。,由高稳定度晶体振荡器产生,f,c1,=200kHz,的初始载波信号,送入调相器，由经预加重和积分的调制信号对其调,相。调相输出的最大频偏为,25Hz,，调制指数,m,f,0.5,。,图,755,调频发射机框图,7.6.2,调频接收机,图,756,为广播调频接收机典型方框,图。为了获得较好的接收机灵敏度和选择,性，除限幅级、鉴频器及几个附加电路外，,其主要方框均与,AM,超外差接收机相同。,调频广播基本参数与发射机相同。,图,756,调频接收机方框图,7.6.3 特殊电路,1.,预加重及去加重电路,理论证明，对于输入白噪声，调幅制的输出噪声频谱呈矩形，在整个调制频率范围内，所有噪声都一样大。调频制的噪声频谱,(,电压谱,),呈三角形，见图,757(b),，随着调制频率的增高，噪声也增大。调制频率范围愈宽，输出的噪声也愈大。,图,757,调频解调器的输出噪声频谱,(a),功率谱；,(b),电压谱,由于调频噪声频谱呈三角形，或者说,与,成线性关系，使我们联想到将信号作,相应的处理，即要求预加重网络的特性为,H,(,j,)=,j,图,758,预加重网络及其特性,(a),预加重网络；,(b),频率响应,去加重网络及其频响曲线如图,759,所示。从,图看出，当,2,时，预加重和去加重网络总的频率,传递函数近似为一常数，这正是使信号不失真所需要,的条件。,图,759,去加重网络及其特性,2.,静噪电路,由于在调频接收中存在门限效应，因此在,系统设计时要尽可能地降低门限值。为了获得,较高的输出信噪比，在鉴频器的输入端的输入,信噪比要在门限值之上。但在调频通信和调频,广播中，经常会遇到无信号或弱信号的情况，,这时输入信噪比就低于门限值，输出端的噪声,就会急剧增加。,图,761,静噪电路举例,图,762,静噪电路接入方式,7.7 调频多重广播,7.7.1,调频立体声广播,1.,调频立体声广播方式,图,763,示出了调频立体声广播的系统图。,左声道信号,(,L,),和右声道信号,(,R,),经各自的预加重,在矩阵电路中形成和信号,(,L+R,),和差信号,(,L-R,),。,和信号,(,L+R,),照原样成为主信道信号，差信号,(,L-R,),经平衡调制器对副载波进行抑制载波的调,幅，成为副信道信号。,图,763,调频立体声广播发射机的系统图,2.,调频立体声接收机,调频立体声接收机的框图如图,764,所示，在鉴频器之前与单声道调频接收机的组成相同。,图,764,调频立体声接收机的框图,图,765,立体声解调器工作方式,(a),开关方式；,(b),矩阵方式,7.7.2,电视伴音的多重广播,电视伴音的多重广播就是电视伴音的立体声广播。图,766,为某电视伴音多重广播的发射机框图。和信号被作为主信道信号发送，差信号经限幅器、,IDC,电路和低通滤波器后作为副信道信号对行扫描频率,f,H,的二倍频信号,(,副载波,),进行调频，并与主信道信号合成后送到伴音发射机。,图,766,电视伴音多重广播的发射机框图,在接收端，电视机中的伴音处理电路框图如图,767,所示。对图像中放的输出进行检波，取出伴音中频，对它放大后进行鉴频，得到复合伴音信号。它含有主信道信号、副信道信号和控制信号。对此复合信号进行处理和转换即可得到立体声伴音的输出。,图,767,电视伴音处理电路框图,