第7章-角度调制与解调.ppt

第,7,章 角度调制与解调,第,7,章角度调制与解调,概述：,1.,频率调制又称调频（,FM,），是使高频载波的频率按,调制信号的规律变化，而振幅保持恒定的一种调制方式。,调频信号的解调称为鉴频或频率检波。,2.,相位调制又称为调相（,PM,），是使高频载波的,相位按调制信号的规律变化，振幅保持不变。,调相信号的解调称鉴相或相位检波。,3.FM,和,PM,统称为角度调制，属于频谱的非线性搬移。,但其抗干扰和噪声的能力较,AM,强。,7.1,角度调制信号分析,7.1.1,调频信号的时域分析,1.FM,信号的表达式,设调制信号为单一频率信号,未调载波电压为,则根据频率调制的定义，调频信号的瞬时角频率为,可见，瞬时角频率是在,c,的基础上，增加了与,u,(,t,),成正比的频率偏移。式中,k,f,为调频灵敏度，表示单位调制电压产生的频率偏移量。调频信号的瞬时相位,(,t,),是瞬时角频率,(,t,),对时间的积分，即,式中，,为信号的起始相位。为了分析方便，不妨设,，则,式中，为调频指数。,FM,波的表示式为,2.,其波形关系为：,调频波是波形疏密变化的等幅波，将消息寄载在频率上而不是在幅度上。由于各种干扰作用主要表现在振幅上，而在调频系统中，可以通过限幅器来消除这种干扰。因此,FM,波抗干扰能力较强。,3.,调频信号基本参数,m,是相对于载频的最大角频偏,(,峰值角频偏,),，,m,=,k,f,U,，,k,f,是比例常数，是单位调制电压产生的频偏值，也称为调频灵敏度。,f,m,=,m,/2,称为最大频偏，反映了瞬时频率的变化范围。,m,f,=,m,/,=,f,m,/F,称为调频指数，是一个无因次量，是调频波与未调载波的最大相位差,m,。与,U,成正比，因此也称为调制深度。,f,m,、,m,f,与调制频率,F,的关系如下图所示：,调频波,f,m,、,m,f,与,F,的关系,可见，不随,F,变化,F,越大，,m,f,越小,二 调频信号的频域分析,1,）频谱：,为方便计算，设,U,C,=1,可得：,式中,J,n,(,m,f,),是以,m,f,为宗数的,n,阶第一类贝塞尔函数，它可以用无穷级数进行计算,:,也可以通过查表和曲线求得。,第一类贝塞尔函数曲线,代入，并借用三角公式,进一步展开，有,可见，单一频率调频波的频谱具有以下特点：,a:,调频波的频谱是由载频，和无数边频,组成的，这些边频对称地分布在载频两边，其幅度取决于调制指数,m,f,。,b:,奇数边频的上边频与下边频符号相反，偶次边频的上边频与下边频符号相同。（奇次边频完成角度调制）,c:,边频的振幅随调制指数变化，,m,f,越大，具有较大振幅的边频分量就越多。,d:,属于非线性频谱搬移。,单频调制时,FM,波的振幅谱,(,a,),为常数,;(,b,),m,为常数,图,(,a,),中，,m,f,是靠增加频偏,f,m,实现的，因此可以看出，随着,f,m,增大，调频波中有影响的边频分量数目要增多，频谱要展宽。而在图,(,b,),中，它是靠减小调制频率而加大,m,f,。虽然有影响的边频分量数目也增加，但频谱并不展宽。,当调频波的调制指数,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,当,m,f,很小时，如,m,f,0.5,，为窄频带调频，此时,B,s,=2,F,一般情况，按最高边频分量幅度大于未调载波的,10%,和调频信号功率的,98%,左右定义计算带宽：,B,s,=2(,m,f,+1),F,=2(,f,m,+,F,),（称卡森,(Carson),公式）,例：通常调频广播中最高调制频率,F,为,15 kHz,，,m,f,=5,，求,FM,波的最大频偏和有效带宽。,解：,f,m,=F*m,f,=75 kHz,，,B,S,=2(,m,f,+1),F,=180 kHz,。,综上所述，除了窄带调频外，当调制频率,F,相同时，调频信号的带宽比振幅调制,(AM,、,DSB,、,SSB),要大得多。由于信号频带宽，通常,FM,只用于超短波及频率更高的波段。,三,.,调频信号的功率,由于,FM,波各频率分量的振幅分别为,J,0,(m,f,)U,C,J,1,(m,f,)U,C,.,故调频信号,u,FM,(,t,),在电阻,R,L,上消耗的平均功率为,根据贝塞尔函数，具有,特性，因此有,可见，调频波的平均功率与未调载波平均功率相等，与,m,f,无关。当,m,f,由零增加时，已调波的载频功率下降，而分散给其它边频分量。也就是说调制的过程只是进行功率的重新分配，而总功率不变。调频器可以理解为一个功率分配器，它将载波功率分配给每个边频分量，而分配的原则与调频指数,m,f,有关。,四 相位调制（,PM,）,1,相位调制信号表达式,调相波的瞬时相位是在未调载波相位的基础上叠加一个与调制信号成比例的变化部分。如,u,(t)=U,cost,并令,0,=0,，则其瞬时相位为,从而得到调相信号为,u,PM,(t)=U,C,cos(,c,t+m,p,cost),式中,k,p,为调相灵敏度，它表示单位调制电压所引起的相位偏移值。,m,=k,p,U,=m,p,为最大相偏，,m,p,称为调相指数。,调相波的瞬时频率为,式中,m,=,m,p,=,k,p,U,，为调相波的最大角频偏。,带宽：,调相波波形,2.,单音调频，调相比较,调频波波形,FM,和,PM,已调信号瞬时角频率和瞬时相位都随着调制信号变化，都属于频谱的非线性搬移。属于何种调制取决于哪个参量与调制信号成比例。,仅从已调,FM,或,PM,波无法分辨调制类型。,FM,，,PM,的异同点：,a:,b:,c:,由于频率与相位之间存在着微分与积分的关系，所以,FM,与,PM,之间是可以互相转化的。如果先对调制信号积分，然后再进行调相，就可以实现调频。如果先对调制信号微分，然后用微分结果去进行调频，得出的已调波为调相波。,小节：,(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。但通常,m,f,大，调频的抗干扰能力也强，因此，,m,f,值的选择要从通信质量和带宽限制两方面考虑。对于高质量通信，由于信号强，主要考虑质量，采用宽带调频，,m,f,值选得大。对于一般通信，要考虑接收微弱信号，带宽窄些，噪声影响小，常选用,m,f,较小的调频方式。,(3),与,AM,调制相比，角调方式的设备利用率高，因其平均功率与最大功率一样。调频制抗干扰性能好，因为它可以利用限幅器去掉寄生调幅。,作业：,7-17-2,7-3 7-4,7-5,7.2,调频器与调频方法,一 调频器,实现调频的电路或部件称为调频器或调频电路。,对调频器的主要要求（,f,与,u,特性）,1.,调制特性线性好（线性度高，,线性范围大）,2.,调制灵敏度高（过原点斜率）,3.,载波性能好（幅度保持恒定,，频率稳定,准确）,调频特性曲线,二 调频方法：,调频波产生的方法主要有直接调频法和间接调频法。,1,直接调频法,将振荡器和调制器合二为一，用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使振荡频率,f,(,t,),按调制信号的规律变化。,特点：简单，线性范围大，频偏大，但频率稳定度差。多用于移动通信。,2,间接调频法,在,FM,中,先将调制信号积分，然后对载波调相，就可以实现,FM,；,这种间接方法也称为阿姆斯特朗,(Armstrong),法。,先将调制信号微分，然后对载波调频，就可以实现,PM,；,特点：载波稳，频偏小，可以通过倍频方法增加频偏。,多用于广播电台。,在,PM,中,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,当,m,p,/12,时，上式近似为,u,PM,U,cos,c,t,Um,p,cos,t,sin,c,t,在调相指数较小时，调相波可由两个信号合成得到。如下图,b,所示。,矢量合成法调频,(2,),可变移相法,:,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，应用广泛的有变容管调相电路。,(3),可变延时法：,将载波信号通过一可控延时网络，延时时间,受调制信号控制，即,=,k,d,u,(,t,),则输出信号为,u,=,U,cos,c,(,t,)=,U,cos,c,t,k,d,c,u,(t),可见，输出信号已变成调相信号了。,7.3,调频电路,一 直接调频电路,1.,变容二极管直接调频电路,1,）二极管结电容,C,J,PN,结反向偏置时，势垒电容随外加反向偏压的增大而减小。这样制作的变容二极管可以看作一压控电容，在调频振荡器中起着可变电容的作用。,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,:,其中，,C,0,为变容二极管在零偏置时的结电容值,;,u,为变容二极管,PN,结的势垒电位差,(,硅管约为,0.7 V,，锗管约为,0.3V);,为变容二极管的结电容变化指数，它决定于,PN,结的杂质分布规律。,=1/3,称为缓变结，扩散型管多属此种。,=1/2,为突变结，合金型管属于此类。超突变结的,在,1,5,之间。,(,a,),为不同指数,时的,C,j,u,曲线,(,b,),为一实际变容管的,C,j,u,曲线。,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,2,）工作原理：,设调制信号电压为,u,(,t,)=,U,cos,t,，则,u,=,E,Q,+,u,(,t,)=,E,Q,+,U,cos,t,则,式中,C,JQ,为静态结电容，,m,=,U,/(,E,Q,+,u,),U,/,E,Q,，称为电容调制度，它表示结电容受调制信号调变的程度，,U,大，,C,J,变化大，调制深。,可见，随着调制信号的变化，结电容变化，振荡频率变化。,C,j,随电压变化的曲线,3),调频电路,将变容管作为回路元件，加入晶体管与变容管偏置电路即可。,变容管可以作为回路总电容接入，也可以部分接入。,变容管作为回路总电容全部接入回路,改进的,LC,振荡器（全接入）,E,C,提供偏压，,C,3,耦合隔直，,C,1,串,C,2,2,，则可以通过串、并联电容的方法，使,C,u,特性在一定偏压范围内接近,=2,的特性，从而实现线性调频。,C,j,与固定电容串、并联后的特性,变容二极管部分接入直接调频电路举例,(,a,),实际电路,(,b,),等效电路,间接调频电路,采用回路参数调相，调制信号变化，,C,J,变化，相位变化。,1.,电路：,载波是输入信号，即振荡与调制是分离的,间接,FM,高,Q,并联振荡电路的电压、电流间相移为,当 ，则,对于变容管，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,所以：,故为调相，输出为,PM,波。,调频：若以 作用于调制信号输入端，则有,输出为,FM,波。,作业：,7-7,思考题：,7-10,鉴频特性,一。鉴频器主要技术指标：,1.,鉴频跨导,S,d,(,灵敏度,),在中心频率附近，单位频偏,所引起的输出电压变化量，即,特性原点处的斜率。,7.4,鉴频器与鉴频方法,2.,鉴频带宽,Bm,：所对应的频率间隔。能不失真的解调所允许的输入信号的最大频率变化范围。亦为峰值频带宽度。,3.,线性度：即鉴频特性线性好坏；或在,B,m,范围内线性好坏。,4.,中心频率,f,0,-,原点处频率。,二 鉴频原理和方法,从,FM,已调信号中恢复出调制信号的过程,.,直接鉴频法：直接由,FM,波中提取原调制信号（脉冲计数法）,鉴频方法：,间接鉴频法：对,FM,波变换处理，再恢复出调制信号。如锁相环解调；调频负反馈解调；相位鉴频法（叠加型，乘积型）；振幅鉴频法等,（一）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，信号频率就是单位时间内信号脉冲的个数。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。,直接脉冲计数式鉴频器,脉冲计数式鉴频法是直接鉴频法，其鉴频特性的线性度高，最大频偏大，便于集成。但是，其最高工作频率受脉冲序列的最小脉宽,min,的限制。,min,f,c,、,f,03,f,c,，,且,f,02,f,c,=,f,c,f,03,双离谐平衡鉴频器各点波形,双离谐鉴频器的输出是取两个带通响应之差，即该鉴频器的传输特性或鉴频特性，如下图中的实线所示。其线性范围，鉴频跨导，线性度均高于单回路鉴频器。但三个回路调整难。,2,相位鉴频法,其关键是相位检波器。相位检波器（亦称鉴相）是完成检出两个输入信号的相位差，并实现相位差,电压变换作用的部件或电路。,相位检波器也有叠加型和乘积型之分，相应的相位鉴频器分别称为叠加型相位鉴频器和乘积型相位鉴频器。,1.,乘积型相位鉴频法,单谐振回路,(,或耦合回路,),设乘法器的乘积因子为,K,，则经过相乘器和低通滤波器后的输出电压为,当,f,/,f,0,U,2,，采用与同步检波器相同的分析方法可得，鉴相器输出为,u,pd,=,k,d,U,(,t,),，其中,也就是说，鉴相特性近似为正弦形。在,u,1,和,u,2,之间的相位差,e,(,t,),较小时，鉴相输出与,e,(,t,),近似成线性关系。,为了抵消直流项，扩大线性鉴频范围，它通常采用平衡式电路，差动输出。,具有线性的频相转换特性的变换电路,(,移相网络,),一般由耦合回路来实现，因此也称为耦合回路相位鉴频法。,2.,当 时，有,叠加型鉴相器的工作过程实际包括两个动作：首先，输入调频信号经频率,相位变换后变成既调频又调相的,FM-PM,信号，通过加法器完成矢量相加，将两个信号电压之间的相位差变化相应地变成合成信号的包络变化,(,既调频、调相又调幅的,FM-PM-AM,信号,),，然后由包络检波器将其包络检出。因此，从原理上讲，叠加型相位鉴频器也可以认为是一种振幅鉴频器。,注意：,与斜率鉴频器不同，在这里，耦合回路的初、次级电路是同频的，它们均调谐于信号的载频,f,c,上。而且一般情况下，初、次级回路具有相同的参数。,作业：,7-13,7-15,7-20,（带宽为,20MHZ,，,m,f,=6.7,）,7.5,鉴频电路,一 叠加型相位鉴频电路,（一）互感耦合相位鉴频器,(Foster-Seeley,鉴频器,),1.,方框图：,移相网络：互感耦合振荡回路；,FM-PM-FM,相加：将,FM,和,PM-FM,比相（取代数和），,FM-PM-AM,比相输出经包络检波输出复原的调制信号。,2.,互感耦合相位鉴频器电路,初，次级回路谐振频率都等于载频,f,c,1.C,0,直接将 加于高频扼流圈和地之间，,扼流圈的电压为 。,两条耦合支路：,2,。回路之间经,M,的耦合，即次级电压,互感耦合相位鉴频器的工作原理可分为：,耦合回路完成频率,相位变换,电压相加完成相位,幅度变换,差分包络检波完成原调制信号的提取。,互感耦合回路,3.,频率,相位变换原理：,设初、次级回路均为高,Q,回路,-,损耗可以忽略,弱耦合（,M,小）,-,次级反射阻抗（,Z,f,）可以忽略；,由等效电路可知，初级回路电感,L,1,中的电流为,电压超前电流,90,0,.,初级电流在次级回路产生的感应电动势为,K,为耦合系数，感应电势与,U,1,同相。,通常有,感应电动势在次级回路形成的电流为,电流流经,C,2,，在,C,2,上形成的电压为,当,f,=,f,0,=,f,c,时，次级回路谐振，与之间的相位差为,/2(,引入的固定相差,),；,当,f,f,0,=,f,c,时，次级回路呈感性，与 之间的相位差为,0,/2;,当,f,f,0,=,f,c,时，,U,D1,U,D2,，随着,f,的增加，两者差值将加大；,f,f,0,=,f,c,时，,U,D1,f,0,=,f,，鉴频器输出为正；,当,f,=,f,0,=,f,，鉴频器输出为,0,；,当,f,p,2,Z,2,，,p,=1/2,。分析可得，,AB,间的电压为,由此可得,此式与互感耦合电路完全相同，因此，其鉴频特性与互感耦合相位鉴频器相同。,互感耦合,:,电容耦合：,电容耦合相位鉴频器的耦合系数由,C,m,和,C,决定，易于调整。并且两回路不需要通过空间的磁耦合，可单独屏蔽，结构简单。,二 比例鉴频器,对于调频信号，因干扰会产生寄生调幅。对互感耦合相位鉴频器的分析可知，相位鉴频器的输出随接收信号的大小而变化。因此相位鉴频器前必须使用限幅器。但限幅器要求较大的输入信号，这必将导致限幅器前中放数的增加。比例鉴频器具有自动限幅作用，不仅可以减少前面放大器的级数，而且可以避免使用硬限幅器，因此，比例鉴频器在调频广播接收机及电视接收机中得到了广泛的应用。,比例鉴频器电路及特性,1.,电路,比例鉴频器是一种类似于叠加型相位鉴频器，而又具有自限幅,(,软限幅,),能力的鉴频器。耦合部分同互感耦合电路,与互感耦合相位鉴频器电路的区别在于：,(1),两个二极管顺接；,(2),在电阻,(,R,1,+,R,2,),两端并接一个大电容,C,，容量约在,10 F,数量级。时间常数,(,R,1,+,R,2,),C,很大，约,0.1,0.25 s,，远大于低频信号的周期。故在调制信号周期内或寄生调幅干扰电压周期内，可认为,C,上电压基本不变，近似为一恒定值,E,o,;,(3),输出点改变（,u,AB,=,定值）,。,比例鉴频器等效电路,2.,工作原理,（,1,）输出电压表达式：,图,(,b,),是图,(,a,),的简化等效电路，电压、电流如图所示。由电路理论可得,i,1,R,1,+(i,1,i,2,)R,L,=u,c1,(i,2,-i,1,)R,L,+,i,2,R,L,=,u,c2,u,o,=(,i,2,i,1,),R,L,当,R,1,=,R,2,=,R,时，可得,若,R,L,R,，则,可见，在电路参数相同的条件下，输入调频信号幅度相等，比例鉴频器的输出电压与互感耦合或电容耦合相位鉴频器相比要小一半,(,鉴频灵敏度减半,),。,当,f,=,f,c,时，,U,D1,=,U,D2,，,i,1,=,i,2,，,但以相反方向流过负载,R,L,，,所以输出电压为零；,当,f,f,c,时，,U,D1,U,D2,，,i,1,i,2,，,输出电压为负；,当,f,f,c,时，,U,D1,U,D2,，,i,1,i,2,，,输出电压为正。,又因为：,比例鉴频器输出电压取决于两个检波电容上电压的比值，故称比例鉴频器。,若寄生调幅使输入信号的幅度增大，则,u,c1,与,u,c2,同时增加，比值基本不变，使得输出电压不变。,当输入调频信号的频率变化时，,u,c1,与,u,c2,中，一个增大，另一个减小，变化方向相反，比值变化，输出电压可按调制信号的规律变化。,3.,自限幅原理,比例鉴频器具有限幅作用的原因就在于电阻,(,R,1,+,R,2,),两端并接了一个大电容,C,。当输入幅度增加，使得,U,D1,、,U,D2,增大，,i,D1,、,i,D2,增大。但由于,C,值很大，使瞬时增加的电流大部分流入电容,C,，这对,C,两端的电压值并没有什么影响，,E,o,不变，维持了,u,c1,和,u,c2,的基本不变。,比例鉴频器的限幅作用还可解释为由鉴频器高,Q,回路的负载变化产生的。从电路图可以看到，,E,o,对检波管,V,D1,、,V,D2,是个反向偏压，也就是说检波器具有固定的负偏压。当输入幅度瞬时增大时，二极管导通角增加，电流基波分量加大，使得基波能量消耗增加，检波器输入电阻,R,i,下降；它又使回路的回路谐振电阻,R,e,及有效,Q,e,值下降。这样，一方面将导致回路两端电压下降，使检波器输入幅度下降，同时还将引起回路相位的减小，其结果都使输出电压不随输入信号幅度的增大而增大，起到自动限幅作用。,4.,为了良好限幅，须做到：,(1),回路的无载,Q,0,值要足够高，以便当检波器输入电阻,R,i,随输入电压幅度变化时，能引起回路,Q,e,明显的变化。结果使输出电压不随输入信号的幅度变化，起到自限幅作用。,(2),要保证时常数,(,R,1,+,R,2,),C,大于寄生调幅干扰的几个周期。过抑制是指输入信号幅度加大时，输出电压反而下降的现象。例如当输入信号加大时，因,R,i,变化使回路,Q,e,值下降太多，相位减小过多，因而使输出电压下降。过抑制现象会引起解调失真。,阻塞是指当输入信号幅值瞬时大幅度下降时，因,E,o,的反偏作用，使二极管截止，造成在一段时间内收不到信号。,减小过抑制及阻塞的措施,三：乘积型相位鉴频器（积分鉴频）,1.,方框图：,移相网络常为单调谐回路或耦合回路；乘法器常采用集成模拟乘法器或平衡调制器。（在相偏较小时，模拟乘法器才有效），其典型电路为正交鉴频器。,2.,正交鉴频原理,正交鉴频器是一种乘积型相位鉴频器，电路简单，调谐方便，易于集成，已经成为目前,MF,接收机中应用最广泛的鉴频电路。,移相网络：,其传输函数为,其中，,可见，,u,1,与,u,2,(,实际上是,u,r,与,u,s,),之间的相位差为,在,f=f,C,时，参考信号与输入信号正交，因此称为正交鉴频器。,若设,u,1,=,U,1,cos(,c,t,+,m,f,sin,t,),则,u,2,=,U,2,cos(,c,t,+,m,f,sin,t,+,),经相乘器和低通滤波器，输出电压为,u,o,=,U,cos,当,f,/,f,0,1,时，上式可写为,可见，鉴频器的输出与输入调频信号的频偏成正比。,在上面电路中，调整,L,、,C,和,C,1,均可改变回路谐振频率，只要满足,就可以实现正交鉴频。改变,R,，可以改变回路的,Q,值，从而调整相频特性的线性段宽度和鉴频器鉴频特性的线性段宽度。,相移网络的参数估算步骤：,（,1,）确定保证线性相移回路的,Q,值。,(2),由,确定网络参数。,一般取,C,1,=5-10PF,R,为,20,60K,欧姆，则可以求出,C,和,L,。,作业：,7-19,