第5章角度调制与解调电路.pptx

第第5章角度调制与解调电路章角度调制与解调电路 5.1概述概述 5.2角度调制角度调制 5.3调频电路调频电路 5.4调频波的解调调频波的解调 5.5角调制与解调电路的制作、调试和检测角调制与解调电路的制作、调试和检测 5.1概述概述 图图5-1信号传输方式除了前面介绍的振幅调制外信号传输方式除了前面介绍的振幅调制外.还有角度调制。还有角度调制。角度调制包括频率调制和相位调制两种方式。频率调制角度调制包括频率调制和相位调制两种方式。频率调制(Frequency Modulation,FM)是用调制信号去控制高频载波的频率是用调制信号去控制高频载波的频率.使高频载波的使高频载波的瞬时频率按调制信号的规律变化瞬时频率按调制信号的规律变化;相位调制相位调制(Phase Modulation,PM)是是用调制信号去控制高频载波的相位用调制信号去控制高频载波的相位.使高频载波的瞬时相位按调制信号使高频载波的瞬时相位按调制信号的规律变化。在这两种调制过程中的规律变化。在这两种调制过程中.载波信号的振幅都保持不变载波信号的振幅都保持不变.而频而频率和相位的变化都表现为总相角的变化率和相位的变化都表现为总相角的变化.因此因此.把调频和调相统称为角把调频和调相统称为角度调制。度调制。角度调制的特点是抗干扰能力强、效率高、耗电少。调频常用角度调制的特点是抗干扰能力强、效率高、耗电少。调频常用于调频广播、电视广播、通信及遥感等方面于调频广播、电视广播、通信及遥感等方面;调相常用于数字通信以及调相常用于数字通信以及实现间接调频等方面。实现间接调频等方面。返回5.2角度调制角度调制5.2.1调频信号的数学分析调频信号的数学分析 在进行频率调制时在进行频率调制时.高频正弦载波的频率将不再是恒定不变的、高频正弦载波的频率将不再是恒定不变的、产而是随着调制信号的大小变化随时改变的。当调制信号幅度增大时产而是随着调制信号的大小变化随时改变的。当调制信号幅度增大时.瞬时频率随之增高瞬时频率随之增高;当调制信号幅度减小时当调制信号幅度减小时.瞬时频率随之下降瞬时频率随之下降;当调制当调制信号为零时信号为零时.瞬时频率恢复到载波频率瞬时频率恢复到载波频率wc。这里载波频率。这里载波频率wc称为调频称为调频信号的中心频率。信号的中心频率。调频波的瞬时频率可以表示为调频波的瞬时频率可以表示为 w(t)的最大值称为最大频偏的最大值称为最大频偏.用用wm表示表示.即即下一页返回5.2角度调制角度调制单音调制时单音调制时.对于调频信号对于调频信号.它的它的w(t)为为 (5-8)式式(5-8)表明表明.频偏与调制信号的振幅成正比频偏与调制信号的振幅成正比.而与调制信号的频率而与调制信号的频率无关。这是调频波的基本特征之一。无关。这是调频波的基本特征之一。将式将式(5-8)代入式代入式(5一一5)即可得到调频信号的数学表达式为即可得到调频信号的数学表达式为 若初相角若初相角=0则得则得下一页上一页返回5.2角度调制角度调制因此因此.调频波的数学表达式为调频波的数学表达式为5.2.2调相信号的数学分析调相信号的数学分析 调相时调相时.载波高频振荡信号的瞬时相位随调制信号线性变化。总的载波高频振荡信号的瞬时相位随调制信号线性变化。总的瞬时相角可表示为瞬时相角可表示为 (5-13)下一页上一页返回5.2角度调制角度调制(t)的最大值叫做最大相移的最大值叫做最大相移也称为调相系数也称为调相系数用用mp表示表示即即在单音调制时在单音调制时.调相系数调相系数mp为为 (5-14)将式将式(5-13)代入式代入式(5-6)中中并设初相角并设初相角=0,可得调相波的数学表达式为可得调相波的数学表达式为调相波形随调制信号的变化情况如调相波形随调制信号的变化情况如图图5-4所示所示下一页上一页返回5.2角度调制角度调制为便于比较为便于比较.将调频信号和调相信号的基本特征列于将调频信号和调相信号的基本特征列于表表5-1中。中。5.2.3调角信号的频谱和频谱宽度调角信号的频谱和频谱宽度1.调角信号的频谱调角信号的频谱 调频波和调相波的形式类似调频波和调相波的形式类似.其频谱也类似其频谱也类似.下面以调频波的频谱下面以调频波的频谱分析为例分析为例.进一步了解调角信号的特点和频谱宽度。进一步了解调角信号的特点和频谱宽度。为此为此.把式把式(5-12)用三角公式展开用三角公式展开.可得可得下一页上一页返回5.2角度调制角度调制得到单音调制调频信号的完全展开式得到单音调制调频信号的完全展开式.即即下一页上一页返回5.2角度调制角度调制 为了便于直观地理解角度调制中频谱的变换为了便于直观地理解角度调制中频谱的变换.图图5-6绘出了不同绘出了不同mf值时调频信号的频谱图。值时调频信号的频谱图。2.调角信号的频谱宽度调角信号的频谱宽度 从理沦上说从理沦上说.调角信号的边频分量有无限多对调角信号的边频分量有无限多对.也就是说也就是说.它的频谱它的频谱是无限宽的。一路信号要占用无限宽的频带是无限宽的。一路信号要占用无限宽的频带.通常不是希望的。实际上通常不是希望的。实际上.已调信号的能量的绝大部分集中在载频及其附近的一些边频中。对于已调信号的能量的绝大部分集中在载频及其附近的一些边频中。对于每一调频系数每一调频系数mf，从某一边频起，从某一边频起.它的幅度便非常小它的幅度便非常小.以致滤去这些边以致滤去这些边频分量不会引起已调信号的波形产生明显的失真。频分量不会引起已调信号的波形产生明显的失真。上一页返回5.3调频电路调频电路5.3.1直接调频电路直接调频电路1.变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路1)变容二极管变容二极管 变容二极管是一种特殊的二极管变容二极管是一种特殊的二极管.取其结电容取其结电容Cj随外加电压的变随外加电压的变化而制成。变容二极管两端对外呈现的电容量化而制成。变容二极管两端对外呈现的电容量Cj与加在二极管两端的与加在二极管两端的反向电压反向电压uD的关系是的关系是下一页返回5.3调频电路调频电路 变容二极管的电路符号以及变容二极管的电路符号以及Cj-uD的关系如的关系如图图5一一9所示。所示。2)变容二极管调频原理变容二极管调频原理 现在将变容二极管作为现在将变容二极管作为LC振荡器回路的总电容振荡器回路的总电容.如如图图5-10(a)所示所示.振荡频率等于由回路电感五和回路电容振荡频率等于由回路电感五和回路电容Cj所决定的谐振频率所决定的谐振频率.即即 若取若取 则则下一页上一页返回5.3调频电路调频电路将式将式(5-26)代入式代入式(5-25)中中.得到振荡频率随得到振荡频率随U(t)变化的表达式变化的表达式.即即 式中式中,fc是是u(t)=0时的振荡器的振荡频率时的振荡器的振荡频率.即载波频率即载波频率.也称为调频也称为调频波的中心频率。若波的中心频率。若r=2.则则下一页上一页返回5.3调频电路调频电路 可见可见.振荡频率的变化量与调制信号成正比振荡频率的变化量与调制信号成正比.由此实现了线性的调由此实现了线性的调频频.而且可以获得较大的最大频偏而且可以获得较大的最大频偏.其值为其值为2.电抗管直接调频电路电抗管直接调频电路 电抗管电路通常是由一只晶体管或场效应管与电抗和电阻元件电抗管电路通常是由一只晶体管或场效应管与电抗和电阻元件构成的移相网络所组成的构成的移相网络所组成的.可等效为一个电抗元件可等效为一个电抗元件(电感或电容电感或电容)。不过。不过.它与普通的电抗元件不同它与普通的电抗元件不同.其参量可以随调制信号而变化。所以其参量可以随调制信号而变化。所以.将电将电抗管接入振荡器的谐振回路抗管接入振荡器的谐振回路.在低频调制信号控制下在低频调制信号控制下.电抗管的等效电电抗管的等效电抗就会发生变化抗就会发生变化.使振荡器的瞬时振荡频率随调制电压而变使振荡器的瞬时振荡频率随调制电压而变.从而获得从而获得调频波。调频波。下一页上一页返回5.3调频电路调频电路图图5-13是场效应管电抗管调频原理图。是场效应管电抗管调频原理图。3.非正弦波产生器直接调频电路非正弦波产生器直接调频电路 方波和三角波等非正弦波产生器又称为弛张振荡器。如果用调制方波和三角波等非正弦波产生器又称为弛张振荡器。如果用调制信号信号u(t)控制弛张振荡器的振荡频率控制弛张振荡器的振荡频率(非正弦信号的频率又叫重复频非正弦信号的频率又叫重复频率率).使其跟随着使其跟随着u(t)变化变化.则可得到非正弦波调频信号。在实际应用中则可得到非正弦波调频信号。在实际应用中主要是方波调频信号和三角波调频信号主要是方波调频信号和三角波调频信号.图图5-15所示为方波受调制信号所示为方波受调制信号控制后频率的变化规律控制后频率的变化规律.即调频方波信号的波形。即调频方波信号的波形。方波和三角波调频电路不需要电感元件方波和三角波调频电路不需要电感元件.因此易于集成化因此易于集成化.故集成故集成频率调制器多采用这种调制。频率调制器多采用这种调制。图图5-16所示为集成频率调制器中常用的所示为集成频率调制器中常用的射极稠合方波振荡器原理电路。射极稠合方波振荡器原理电路。下一页上一页返回5.3调频电路调频电路5.3.2间接调频电路间接调频电路 若先对调制信号若先对调制信号u (t)进行积分进行积分.再用积分结果去调相再用积分结果去调相.最后得到最后得到的同样是调频信号的同样是调频信号.这就是间接调频。实现间接调频的关键是选择合适这就是间接调频。实现间接调频的关键是选择合适的调相电路的调相电路.目前常用的调相电路有可变移相电路和可变延时电路。目前常用的调相电路有可变移相电路和可变延时电路。1.可变移相法调相电路可变移相法调相电路 典型的单回路相位调制电路如典型的单回路相位调制电路如图图5-17(a)所示。所示。由于并联谐振回路相移特性的线性范围很小由于并联谐振回路相移特性的线性范围很小.这种间接调频电路这种间接调频电路得到的线性频偏也很小得到的线性频偏也很小.为了获得较大的频偏为了获得较大的频偏.可以采用多个并联谐振可以采用多个并联谐振调相回路级联。调相回路级联。图图5-17(b)所示的是三级级联调相电路所示的是三级级联调相电路.各级间采用各级间采用1pF小电容藕合小电容藕合.以减小各回路之间的相互影响。每个回路的以减小各回路之间的相互影响。每个回路的Q值由值由22k电阻调节电阻调节.以使以使3个回路产生相同的相移个回路产生相同的相移.这样电路总相移近似为这样电路总相移近似为3个回个回路各自相移之和。路各自相移之和。下一页上一页返回5.3调频电路调频电路 2.可变延时法调相电路可变延时法调相电路 可变延时法调相主要用于脉冲振荡信号的相位调制中可变延时法调相主要用于脉冲振荡信号的相位调制中.脉冲相位脉冲相位调制又称为脉冲位置调制调制又称为脉冲位置调制.其原理框图如其原理框图如图图5-18所示。所示。上一页返回5.4调频波的解调调频波的解调5.4.1相位检波电路相位检波电路 从调角波中恢复原来调制信号的过程称为解调从调角波中恢复原来调制信号的过程称为解调.完成解调的电路完成解调的电路叫做解调器。通常调相波的解调电路称为相位检波器叫做解调器。通常调相波的解调电路称为相位检波器.也叫鉴相器。它也叫鉴相器。它用来检出两个信号之间的相位差用来检出两个信号之间的相位差.完成相位差一电压的变换作用。相位完成相位差一电压的变换作用。相位鉴频器的组成方框图如鉴频器的组成方框图如图图5-2 0所示。由方框图可见所示。由方框图可见.相位鉴频器由具有相位鉴频器由具有频率一相位变换特性的线性网络和相位检波器两个基本部分组成。频率一相位变换特性的线性网络和相位检波器两个基本部分组成。1.互感搞合相位检波电路互感搞合相位检波电路 图图5-21(a)所示为互感藕合相位鉴频器的原理图。所示为互感藕合相位鉴频器的原理图。2.电容搞合相位检波电路电容搞合相位检波电路 为了便于调整初、次级回路之间的藕合量为了便于调整初、次级回路之间的藕合量.可以采用如可以采用如图图5一一25所示的电容藕合相位鉴频器。所示的电容藕合相位鉴频器。与互感藕合相位鉴频器相比与互感藕合相位鉴频器相比.其主要区别有以下其主要区别有以下3点。点。下一页返回5.4调频波的解调调频波的解调(1)初、次级回路线圈是各自屏蔽的初、次级回路线圈是各自屏蔽的.相互之间无磁藕合存在相互之间无磁藕合存在.初、次级回初、次级回路线圈之间仅通过电容路线圈之间仅通过电容C3进行藕合进行藕合.次级回路电压次级回路电压 是由初级回路电是由初级回路电压压 通过通过C0的藕合作用得到的。的藕合作用得到的。(2)将两个检波电路的两个负载电阻和旁路电容合成一个将两个检波电路的两个负载电阻和旁路电容合成一个.并将中心接地改并将中心接地改为单端接地。为单端接地。(3)取消了作为直流通路的电感取消了作为直流通路的电感L3而增加了与检波管并联的电阻而增加了与检波管并联的电阻R1,R2作作为检波负载。这两个电阻可作为泄放为检波负载。这两个电阻可作为泄放C3上电荷的直流通路。上电荷的直流通路。下一页上一页返回5.4调频波的解调调频波的解调 3.比例鉴频器比例鉴频器 在通信系统中在通信系统中.由于干扰、噪声及处理信号的许多电路由于干扰、噪声及处理信号的许多电路(如放大器如放大器)的幅频特性并不都是水平的的幅频特性并不都是水平的.这些都将引起调频信号的幅度变化这些都将引起调频信号的幅度变化.解调解调前的调频信号将不再是等幅信号前的调频信号将不再是等幅信号.这种现象叫寄生调幅这种现象叫寄生调幅.寄生调幅会造寄生调幅会造成鉴频器出现非线性失真。所以成鉴频器出现非线性失真。所以.相位鉴频器的输入端通常要接一个限相位鉴频器的输入端通常要接一个限幅电路幅电路.如三极管限幅放大器等如三极管限幅放大器等.使使 变成等幅调频信号。变成等幅调频信号。比例鉴频器是互感藕合相位鉴频器的一种变形电路比例鉴频器是互感藕合相位鉴频器的一种变形电路.它具有自动它具有自动限幅功能限幅功能.不需要外接专门的限幅电路不需要外接专门的限幅电路.因此电路结构比互感藕合相位因此电路结构比互感藕合相位鉴频器简单。鉴频器简单。图图5-27(a)所示是比例鉴频器的基本电路。可以看到所示是比例鉴频器的基本电路。可以看到.它也是由两它也是由两部分组成的部分组成的,即变换器和相位检波器。即变换器和相位检波器。下一页上一页返回5.4调频波的解调调频波的解调5.4.2频率检波电路频率检波电路 频率检波又称鉴频频率检波又称鉴频.用来检出输入调频波中的频率随调制信号变用来检出输入调频波中的频率随调制信号变化的规律化的规律.完成频率一电压的变换作用。完成这种作用的电路称为频率完成频率一电压的变换作用。完成这种作用的电路称为频率检波电路或鉴频电路。检波电路或鉴频电路。1.抖率鉴频器抖率鉴频器 斜率鉴频器又称为失谐回路鉴频器斜率鉴频器又称为失谐回路鉴频器.按谐振回路的数目可分为单按谐振回路的数目可分为单失谐回路鉴频器和双失谐回路鉴频器。斜率鉴频器的基本工作原理是失谐回路鉴频器和双失谐回路鉴频器。斜率鉴频器的基本工作原理是利用波形变换电路将等幅调频波变换成调频一调幅波利用波形变换电路将等幅调频波变换成调频一调幅波.然后利用包络检然后利用包络检波器检出幅度的变化成分完成解调。在这里波器检出幅度的变化成分完成解调。在这里.波形变换是利用波形变换是利用LC并联并联谐振回路工作在非谐振状态来实现的。谐振回路工作在非谐振状态来实现的。下一页上一页返回5.4调频波的解调调频波的解调1)单回路斜率鉴频器单回路斜率鉴频器图图5-29(a)所示的是单回路斜率鉴频器的原理电路所示的是单回路斜率鉴频器的原理电路.2)双回路斜率鉴频器双回路斜率鉴频器双回路斜率鉴频器原理电路如双回路斜率鉴频器原理电路如图图5-30所示所示 2.脉冲计数式鉴频器脉冲计数式鉴频器 这种鉴频器的工作原理与前面几种鉴频器不同。由于这种鉴频器这种鉴频器的工作原理与前面几种鉴频器不同。由于这种鉴频器是利用计过零点脉冲数目的方法实现的是利用计过零点脉冲数目的方法实现的.所以叫做脉冲计数式鉴频器。所以叫做脉冲计数式鉴频器。它的突出优点是线性好、频带很宽它的突出优点是线性好、频带很宽.因此得到了广泛应用因此得到了广泛应用.并可做成集并可做成集成电路。成电路。它的基本原理是将调频波变换为重复频率等于调频波频率的等幅它的基本原理是将调频波变换为重复频率等于调频波频率的等幅等宽的脉冲序列等宽的脉冲序列.再经低通滤波器取出其直流平均分量再经低通滤波器取出其直流平均分量.原理方框图和原理方框图和波形图分别如波形图分别如图图5-3 2和和图图5-33所示。所示。上一页返回5.5角调制与解调电路的制作、角调制与解调电路的制作、调试和检测调试和检测1.变容二极管调频振荡器电路变容二极管调频振荡器电路1)制作电路制作电路制作电路制作电路图图5-34所示。所示。2)电路的检测与调试电路的检测与调试(1)静态调制特性测试。静态调制特性测试。(2)动态测试动态测试(需利用相位鉴频器作辅助测试需利用相位鉴频器作辅助测试)。下一页返回5.5角调制与解调电路的制作、角调制与解调电路的制作、调试和检测调试和检测2.相位鉴频器电路相位鉴频器电路1)制作电路制作电路制作电路如制作电路如图图5-35所示。所示。2)鉴频器电路的调试和检测鉴频器电路的调试和检测(1)用扫频仪调整鉴频器的鉴频特性。用扫频仪调整鉴频器的鉴频特性。(2)调整波形变换电路的回路频率。调整波形变换电路的回路频率。(3)调整鉴频特性调整鉴频特性S形。形。(4)用高频信号发生器逐点测出鉴频特性。用高频信号发生器逐点测出鉴频特性。上一页返回表表5-1调频信号和调相信号的基本特征调频信号和调相信号的基本特征返回图图5-1角度调制波形图样角度调制波形图样返回图图5-4调相时波形示意图调相时波形示意图返回图图5-6调频信号在不同调频信号在不同mf值时的频潜值时的频潜返回图图5-9变容二极管结电容的变化规律变容二极管结电容的变化规律返回图图5-10变容二极管作为回路电容变容二极管作为回路电容返回图图5-13场效应管电抗管调频原理图场效应管电抗管调频原理图返回图图5一一15调频方波信号调频方波信号返回图图5一一16射极藕合力波振荡器原理射极藕合力波振荡器原理返回图图5一一17变容二极管调相电路变容二极管调相电路返回图图5-18脉冲相位调制原理框图脉冲相位调制原理框图返回图图5-20相位鉴频器的组成方框图相位鉴频器的组成方框图返回图图5一一21互感藕合相位鉴频器互感藕合相位鉴频器原理电路及其等效电路原理电路及其等效电路返回图图5-25电容藕合相位鉴频器电容藕合相位鉴频器返回图图5-27比例鉴频器比例鉴频器返回图图5-29单回路斜率鉴频器原理电路单回路斜率鉴频器原理电路及波形及波形返回图图5一一30双回路斜率鉴频器原理图双回路斜率鉴频器原理图返回图图5-32脉冲计数式鉴频器方框图脉冲计数式鉴频器方框图返回图图5-33脉冲计数式鉴频器波形图脉冲计数式鉴频器波形图返回图图5-34变容二极管调频振荡器变容二极管调频振荡器返回图图5-35鉴频器鉴频器返回