第10章角度调制与解调.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,10 角度调制与解调,10.2,调角波的性质,10.3,调频方法概述,10.4,变容二极管调频,10.5,晶体振荡器直接调频,10.1,概述,10.7,可变延时调频,10.8,相位鉴频器,10.9,比例鉴频器,10.10,其他形式的鉴频器,10.6,间接调频,:,由调相实现调频,10 角度调制与解调,10.1 概述,w,0,D,w,m,w,0,+,D,w,m,AM,FM,调频波的指标,寄生调幅,频谱宽度,抗干扰能力,10.1 概述,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,10.1 概述,图,10.1.1,利用波形变换电路进行鉴频,10.1 概述,10.1 概述,图,10.1.2,鉴频特性曲线,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,10.1 概述,10.2 调角波的性质,10.2.1,瞬时频率与瞬时相位,10.2.2,调频波和调相波的,数学表示式,10.2.3,调频波和调相波的,频谱和频带宽度,10.2.1 瞬时频率与瞬时相位,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,瞬时相位,0,实轴,图,10.2.1,频率连续变化的简谐振荡,10.2.1 瞬时频率与瞬时相位,10.2.2 调频波和调相波的数学表示式,调频,设调制信号为,v,(t),，,载波信号,0,是未调制时的载波中心频率；,k,f,v,(,t,),是瞬时频率相对于,0,的偏移，叫瞬时频率偏移，简称频率偏移或频移。,可表示为,最大频移，即频偏，表示为,瞬时频率,瞬时相位,相移,调制指数,调相,0,t,+,0,是未调制时的载波相位；,k,p,v,(t),是瞬时相位相对于,0,t+,0,的偏移，叫瞬时,相位,偏移，简称,相位,偏移或,相,移。,可表示为,最大相移，即相偏，表示为,瞬时相位,瞬时频率,频偏,调制指数,10.2.2 调频波和调相波的数学表示式,设调制信号为,v,(t),，,载波信号,数学表达式,瞬时频率,瞬时相位,最大频偏,调制指数,FM波,PM波,附：上述比较中的调制信号,v,(,t,),，载波,V,0m,cos,0,(,t,),10.2.2 调频波和调相波的数学表示式,以单音调制波为例,调制信号,调频,瞬时频率,瞬时相位,已调频信号,10.2.2 调频波和调相波的数学表示式,调相,瞬时频率,瞬时相位,已调相信号,以单音调制波为例,调制信号,10.2.2 调频波和调相波的数学表示式,以单音调制波为例,调制信号,调频,调相,瞬时频率,瞬时相位,瞬时频率,瞬时相位,10.2.2 调频波和调相波的数学表示式,m,p,m,m,m,f,调频,调相,可以看出调相制的信号带宽随调制信号频率的升高而增加，而调频波则不变，有时把调频制叫做恒定带宽调制。,10.2.2 调频波和调相波的数学表示式,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,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,已调相信号,已调频信号,其中,是以,m,f,为参数的,n,阶第一类贝赛尔函数。,一、频谱,调制信号,一、频谱,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,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。其中，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,m,f,越大，具有较大振幅的边频分量就越多。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,m,f,变化而变化。对于某些,m,f,值，载频或某边频振幅为零。籍此可以测定调制指数,m,f,。,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,上式表明，当,V,0,一定时，不论,m,f,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,m,f,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,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,虽然调频波的边频分量有无数多个，但是，对于任一给定的,m,f,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：,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,在实际应用中也常区分为：,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。,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,调频,调相,对于调频制，仅当,F,变化时，在常用的宽带调频制中，频率分量随,m,f,变化而变化，但同时带宽基本恒定。因此又把调频叫做恒定带宽调制。,对于调相制，仅当,F,变化时，频率分量不变，但带宽变化。特别是,F,增加时，带宽增加。对于,F,min,F,max,而言，,F,max,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。,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,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，,以双频信号为例,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。,10.2.3 调频波和调相波的频谱和频带宽度,10.3 调频方法概述,10.3.1,直接调频原理,10.3.2,间接调频原理,10.3 调频方法概述,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。,产生调频信号的方法很多，归纳起来主要有两类：第一类是用调制信号直接控制载波的瞬时频率,直接调频。第二类是由调相变调频,间接调频。,10.3.1 直接调频原理,直接调频的基本原理是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。因此，凡是能直接影响载波振荡瞬时频率的元件或参数，只要能够用调制信号去控制它们，并从而使载波振荡瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，都可以完成直接调频的任务。,如果载波由,LC,自激振荡器产生，则振荡频率主要由谐振回路的电感元件和电容元件所决定。因此，只要能用调制信号去控制回路的电感或电容，就能达到控制振荡频率的目的。,10.3.2 间接调频原理,瞬时频率,瞬时相位,图,10.3.1,借助于调相器得到调频波,10.4 变容二极管调频,10.4.1,基本原理,10.4.2,电路分析,10.4 变容二极管调频,主要优点：,能够获得较大的频移（相对于间接调频而言），线路简单，并且几乎不需要调制功率。,主要缺点：,中心频率稳定度低。,应用范围：,在移动通信以及自动频率微调系统中。,10.4.1 基本原理,变容二极管是利用半导体,PN,结的结电容随反向电压变化这一特性而制成的一种半导体二极管。结电容,C,j,与反向电压,v,R,存在如下关系：,反向电压,式中,C,j0,：,时的电容值（零偏置电容）,反向偏置电压，,V,D,：,PN,结势垒电位差。,：,结电容变化指数，通常,=1/2,1/3,，,经特殊工艺制成的超突变结电容,=1,5,C,j Q,C,j,v,R,V,0,其中：,为静态工作点的结电容。,10.4.1 基本原理,图,10.4.1,用调制信号控制变容二极管结电容,10.4.1 基本原理,理想线性调制条件,小频偏条件下，近似线性。,10.4.1 基本原理,10.4.2 电路分析,C,c,是变容管与,L,l,C,1,回路之间的耦合电容，同时起到隔直流的作用；,C,为对直流电压的旁路电容；,L,2,是高频扼流圈，但让调制信号通过。它的作用都是将振荡回路和变容管的控制电路隔离防止它们之间的相互影响。,因此，等效的振荡回路可画成右图，主体是,LC,互感耦合正弦振荡电路。,图,10.4.2,变容二极管调频电路,图,10.4.3,振荡回路的,等效电路,图,10.4.4 90MHz,直接调频电路及其高频通路,举例：,10.4.2 电路分析,10.5 晶体振荡器直接调频,直接调频的主要优点是可以获得较大的频偏，但是中心频率的稳定性（主要是长期稳定性）较差。稳定中心频率可以采用对石英晶体振荡器进行直接调频。变容二极管接入振荡回路有两种方式。,变容二极管接入振荡回路有两种方式。一种是与石英晶体相串联，另一种是与石英晶体相并联。变容二极管与晶体并联连接方式有一个较大的缺点，就是变容管参数的不稳定性直接严重地影响调频信号中心频率的稳定度。因而用得比较广泛的还是变容管与石英晶体相串联的方式。,图,10.5.1,变容管与晶体的两种连接方式及其电抗曲线,10.5 晶体振荡器直接调频,图,10.5.2,晶体振荡器直接调频电路,Pierce Oscillators (c,b),型振荡器,10.5 晶体振荡器直接调频,图,10.5.3,晶体振荡器的变容管直接调频电路,应用举例：,调制信号,Pierce,型振荡器,调制信号放大,10.5 晶体振荡器直接调频,10.6 间接调频:由调相实现调频,10.6.1,调相的方法,10.6.2,间接调频的实现,10.6 间接调频:由调相实现调频,高稳定度,载波振荡器,相位,调制器,积分,电路,多级倍频,和混频器,宽带,窄带,采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个稳定的载频信号进行调相，这样一来就可得到中心频率稳定度高的调频信号。,10.6.1 调相的方法,调相的方法通常有三类：一类是用调制信号控制谐振回路或移相网络的电抗或电阻元件以实现调相。第二类是矢量合成法调相。第三类是脉冲调相。,1,）谐振回路或移相网络的调相方法,（,1,）利用谐振回路调相,（,1,）利用谐振回路调相,f,f,0,一般当 时，则有：,如果设,C,C,j,，,则,所以回路的谐振频率：,而回路频率的频偏移为,:,所以：,10.6.1 调相的方法,（,2,）利用移相网络调相,图,10.6.1,RC,移相网络,10.6.1 调相的方法,图,10.6.2,RC,移相网络矢量图,10.6.1 调相的方法,图,10.6.3,利用变容二极管改变移相网络的电抗,10.6.1 调相的方法,2,）合成调相法阿姆斯特朗法,10.6.1 调相的方法,图,10.6.5,实现矢量合成法的方框图,10.6.1 调相的方法,图,10.6.6,用载波振荡与双边带调幅波叠加以实现调相,10.6.1 调相的方法,3,）,脉冲调相,图,10.6.7,实现脉冲调相的方框图,10.6.1 调相的方法,图,10.6.8,脉冲调相各部分的波形图,10.6.1 调相的方法,10.6.2 间接调频的实现,图,10.6.9,间接调频的典型方框图,积分,电路,线性可控延时电路,设延时器件的延时是可控的，如将调制信号积分之后，去线性地控制延时时间，若延时器件此时的输入信号为载波振荡，则经延时以后，得到延时器件的输出信号。,10.7 可变延时调频,10.8 相位鉴频器,10.8.1,相位鉴频器的工作原理,10.8.2,相位鉴频器回路参数的选择,10.8.1 相位鉴频器的工作原理,先将输入调频信号和经过相移网络后的信号相加,(,或相减,),，产生振幅反映附加相位,变化的调幅波，而后通过包络检波器检出振幅的变化，就可完成鉴相功能。,相加器,包络检波器,1.,数学模型,0,调频信号,10.8.1 相位鉴频器的工作原理,O,令,当,当,较小时，,例如,上述分析表明，包络,V,(t,),的变化反映,的变化，,10.8.1 相位鉴频器的工作原理,相加器,相加器,包络,检波器,包络,检波器,相加器,但它们之间的关系是非线性的，因而包络检波器的输出解调电压是失真的。在实际电路中，为了减小失真，广泛采用平衡鉴相电路。,10.8.1 相位鉴频器的工作原理,O,10.8.1 相位鉴频器的工作原理,比较可见，用平衡鉴相电路可在输出解调电压中抵消直流项和,sin,的二次方项及其以上的各偶次方项，并使,sin,项幅值增强为二倍。,10.8.1 相位鉴频器的工作原理,图,10.8.1,相位鉴频器原理电路,2.,实现电路,移相网络,包络检波,10.8.1 相位鉴频器的工作原理,O,L,1,C,1,和,L,2,C,2,构成互感耦合的双调谐回路，作为相位鉴频器的相移网络；,两个二极管包络检波器构成相位鉴频器的平衡鉴相电路，,L,3,为高频扼流圈，,C,0,为耦合电容，对输入信号频率呈短路；对输入信号频率呈开路，用来为包络检波器的平均电流提供通路。,10.8.1 相位鉴频器的工作原理,图,10.8.4,对应于不同耦合因数的鉴频特性曲线,10.8.2 相位鉴频器回路参数的选择,由该曲线可以看出，耦合很弱（即,很小）时，线性范围小，鉴频跨导高。一般，当,1.5,以后，非线性就已经相当严重。反之，耦合比较紧，线性范围就大，而鉴频跨导就小。但当,以上时，非线性又严重起来。因此，通常选取,。,由于,，当回路品质因数,L,不变时，逐渐加强耦合，鉴频跨导随之下降，但线性范围则随之加宽。,10.8.2 相位鉴频器回路参数的选择,10.9 比例鉴频器,以上分析时假定理想调频波，即输入信号,V,12,振幅恒定。,能否对相位鉴频器的电路作某些改动来获得一定的限幅作用，以省掉限幅器呢,?,实际中，当噪声、各种干扰以及电路频率特性的不均匀性所引起的输入信号的寄生调幅，都可能直接在相位鉴频器的输出信号中反映出来。,为了去掉这种虚假信号，就必须在鉴频之前预先进行限幅。,为了回答这个问题，需要从一个新的观点对相位鉴频器进行深入一步的分析。,输入信号,V,12,振幅的变化会使,V,D1,和,V,D2,的振幅成比例地变化，因而在相位鉴频器的输出信号中反映出来由,V,12,振幅变化产生的虚假信号。,O,10.9 比例鉴频器,如果,如果,可,实现,同时,10.9 比例鉴频器,为实现,为实现,1.,工作原理,比例鉴频器的输出恰好等于相位鉴频器输出的一半。,10.9 比例鉴频器,图,10.8.1,相位鉴频器原理电路,2.,实现电路,移相网络,包络检波,10.9 比例鉴频器,3.,动态限幅特性,V,12,限幅原理：,i,D,，,V,C6,不变,R,id,A,v,V,12,10.9 比例鉴频器,10.10 其他形式的鉴频器,10.10.1,脉冲计数式鉴频器,10.10.2,符合门鉴频器,10.10.1 脉冲计数式鉴频器,脉冲计数式鉴频器是根据第二类鉴频方法制成的，它的突出优点是线性好，频带宽，同时它能工作于一个相当宽的中心频率范围（不像前述几种鉴频器必须工作于某一中心频率上，否则将产生附加的直流输出）。,图,10.10.1,调频波的正、负过零点,图,10.10.2,将调频波变换成重复频率受到调制的矩形脉冲序列,10.10.1 脉冲计数式鉴频器,图,10.10.3,脉冲计数式鉴频器工作原理,10.10.1 脉冲计数式鉴频器,图,10.10.4,符合门鉴频器方框图,10.10.2 符合门鉴频器,符合门鉴频器是根据第三类鉴频方法制成的，它的突出优点是只有一个调谐回路，在集成电路中用起来十分方便。这种鉴频器的集成电路产品不仅包含鉴频器本身，还包括性能优良的限幅器。,图,10.10.5,移相电路及其特性,10.10.2 符合门鉴频器,图,10.10.6,图,10.10.,中各点波形图,10.10.2 符合门鉴频器,图,10.10.7 G32,型,集成电路,电路举例：,三级差分宽带放大器,稳压电路,全波双平衡符合门检波器,10.10.2 符合门鉴频器,图,10.10.8,差分对组成的与门电路,电路举例：,10.10.2 符合门鉴频器,10,.,7,可变延时调频,10,.,8,相位鉴频器,10,.,9,比例鉴频器,10,.,10,其他形式的鉴频器,10,.6,间接调频,:,由调相实现调频,10 角度调制与解调,