调频发射系统的研究.doc

黑龙江大学
学年论文
课题：调频发射系统的研究
学号：20081570
姓名：胡政
专业：通信工程
指导教师：丁树春
关键词：调频，模拟锁相环，全数字调频

第一章前言
调频发射系统历史
众所周知，调频广播广泛应用在当今的无线广播等通讯领域。调频原理虽然很长时间以来已为人们所熟知，但是直到上世纪三十年代，归功于埃德温·H·阿姆斯特朗少校对调频应用进行的大量研究，它用于广播的优点，才为人们所普遍认识。
调频的优点包括具有抗天电干扰和衰落的性质，以及调频接收收机可以从 两个用同一载波发射的信号中捕捉较强信号的能力。
1940年，在广泛收集公众建议后，美国联邦通信委员会(FCC)建立了调频广播业务。随着调频广播的发展，公众对多通路传输立体声调频广播产生广泛兴趣，美国的多路传输立体声调频广播模式是在1961年为联邦通信委员会所 接受，其立体声广播的规范仍延续至今。
第二章调频系统的理论
根据调制后载波瞬时相位偏移的大小，可将频率调制分为宽带调频（WBFM）与窄带调频（NBFM）。宽带与窄带调制的区分并无严格的界限，但通常认为由调频所引起的最大瞬时相位偏移远小于30°时，称为窄带调频。否则，称为宽带调频。
即（3-64）
1.窄带调频（NBFM）
为方便起见，无妨假设正弦载波的振幅A＝1，则由式（3-63）调频信号的一般表达式，得
（3-65）
当式（3-64）满足，即窄带调频时，有近似式

于是，式（3-65）可简化为
（3-66）
利用傅氏变换公式

可得NBFM信号的频域表达式
（3-67）
将上式与AM信号的频谱

进行比较，可以清楚地看出两种调制的相似性和不同之处。两者都含有一个载波和位于处的两个边带，所以它们的带宽相同，即
（3-68）
式中，为调制信号的带宽，为调制信号的最高频率。不同的是，NBFM的正、负频率分量分别乘了因式，且负频率分量与正频率分量反相。正是上述差别，造成了NBFM与AM的本质差别。
下面讨论单频调制的特殊情况。设调制信号
则NBFM信号为

AM信号为

它们的频谱如图3-23所示。由此而画出的矢量图见图3-24。在AM中，载波与上、下边频的合成矢量与载波同相，只发生幅度变化；而在NBFM中，由于下边频为负，因而合成矢量不与载波同相，而是存在相位偏移，当最大相位偏移满足式（3-64）时，合成矢量的幅度基本不变，这样就形成了FM信号。

图3-23 单音调制的AM信号与NBFM信号频谱

图3-24 AM与NBFM的矢量表示
2. 宽带调频（WBFM）
当式（3-64）不满足时，调频信号为宽带调频，此时不能采用（3-66）近似式，因而宽带调频的分析变得很困难。为使问题简化，我们先研究单音调制的情况，然后把分析的结果推广到多音情况。
（1）单频调制时宽带调频信号的频域表达
设单频调制信号为

代入式（3-63），可得单音调频信号的时域表达式
（3-69）
式中，为最大角频偏，记为；为调制角频率；为调频指数
（3-70）
它对调频波的性质有举足轻重的影响。
经推导，式（3-69）可展开式成如下级数形式
（3-71）
式中，为第一类n阶贝塞尔函数，它是调频指数的函数。图3-25给出了随变化的关系曲线，详细数据可查阅数学手册“第一类贝塞尔函数表”。

图3-25 ～关系曲线
式（3-71）的傅氏变换即为频谱
（3-72）
由式（3-71）和（3-72）可知，调频信号的频谱中含有无穷多个频率分量。其载波分量幅度正比于，而围绕着的各次边频分量的幅度则正比于。
(2）单频调制时的频带宽度
由于调频信号的频谱包含无穷多个频率分量，因此理论上调频信号的带宽为无限宽。然而实际上各次边频幅度（正比于）随着n的增大而减小，因此只要取适当的n值，使边频分量小到可以忽略的程度，调频信号可以近似认为具有有限频谱。一个广泛用来计算调频波频带宽度的公式为
（3-73）
这里，为最大频率偏移。上式通常称为卡森公式。在卡森公式中，边频分量取到（+1）次，计算表明大于（+1）次的边频分量，其幅度小于未调载波幅度的10％。
当<<1时
这就是NBFM的带宽，与前面分析一致。
当>>1时

这是大指数WBFM情况，说明带宽由最大频偏决定。
（3）单频调制时的功率分配
根据式（3-71）可知，单音调频信号可以分解为无穷多对边频分量之和，即

由帕斯瓦尔定理可知，调频信号的平均功率等于它所包含的各分量的平均功率之和，即
（3-74）
根据贝塞尔函数的性质，有
所以 （3-75）
这说明，调频信号的平均功率等于未调载波的平均功率。这是因为，调频信号虽然频率在不停地变化，但振幅不变是个等幅波，而功率仅由幅度决定，与频率无关，故它的功率不变，即为（3-75）式。
由式（3-74）可以看出，调频信号的功率是由载波平均功率及各次边频平均功率之和所构成。因此，可以说调频信号的功率是按的大小分配在载波及各边频上，当改变时，调频信号功率的分配也将发生变化。
（4）任意限带信号调制时宽带调频信号的带宽
以上的讨论是单音调频情况。对于多音或其它任意信号调制的调频波的频谱分析极其复杂。经验表明，对卡森公式做适当修改，即可得到任意限带信号调制时调频信号带宽的估算公式
（3-76）
这里，是调制信号的最高频率；为频偏比；是最大频率偏移。实际应用中，当时，用式
（3-77）
计算调频带宽更符合实际情况。
第三章调频系统的的结构与实现
近几年，随着MP3和短距离无线通讯市场的迅猛发展，传统的调频系统又 出现大量新的应用模式，如MP3发射机，高品质无线话筒，汽车导航系统等新兴的应用，如图1．1．1。而在这些新类型应用中，小型化、低功耗和高品质的单芯片解决方案越来越受到市场的青睐。
图1．1．1调频系统的新兴应用
第一节传统调频方法
传统的调频方法很多，大致可以归为两类【2】：一类是直接调频，另一类是间接调频。
直接调频是利用调制信号电压直接控制自激振荡器振荡频率。其原理是用调制信号电压去改变振荡器的定频元件，通常这些元件是压敏元件例如利用PN结势垒电容的电容量随外加电压而变的特性，用调制电压去控制PN结的反向电压，从而达到调频的效果。

图1．1．2脉冲时延法调相电路的方框图
间接调频的原理是利用频率与相位之间的微分与积分关系，首先将调制信号进行积分处理，然后以此信号对高频振荡信号进行调相。例如，采用脉冲时延移相法实现调制信号对载波的调相。其原理，如图1．1．2，是将输入载波信号变换为窄脉冲序列：，图1．1．3(a)，并将其加到锯齿波发生器上，令其产生锯 齿波，如图1．1．3(b)。然后将锯齿波电压和一个可控电压叠加后加到门限检测电路上，当叠加后的电压瞬时值超过门限电压时如图1．1．3(c)f-j限检测电路就产生一个电压跳变，去触发脉冲发生器产生如图1．1．3 (d)的脉冲。由5图可见，调节可控电压“的大小可以改变输出脉冲U。的时延时间(L～L)，如果锯齿波有良好的线性，则时延与可控电压H之间的关系也是线性的。采用调相方法，最大相位偏移受到非线性限制，因此需要多次倍频与下变频处理，才能得到所需的最大线性频偏。
以上两种方法各有优缺点，其中直接调频时的频率稳定性差，方法简单，而间接调频时载频的稳定性较高，但是不容易得到大的频偏。尽管后者广泛用于电台的广播发射机中，但是其结构异常复杂，功耗巨大，不适合新兴的高品质便携式产品的要求。对调频器的主要要求是：频率偏移大，且与调制信号保持良好的线性关系，频率稳定性以及频率分辨率(信噪比)高。
图1．1．3脉冲时延调相电路工作波形图
第二节基于模拟锁相环的调制
以日本ROHM公司为代表的芯片制造商，根据市场需求，采用模拟锁相环的调制方式，如图1．1．4，开发完成了诸如BHl417，BHl41813J等系列芯片。该类型芯片具有结构简单，频率稳定等特点成为目前市场的主导产品。

图1．1．4 BHl417等采用传统模拟调制方式的调频发射机
模拟锁相环调频方式是将模拟音源信号进行隔直电容处理后，送入压控振 荡器模块(VCO)，通过压控振荡器对载波进行调制产生调频信号发射。载波的频率受到由鉴频鉴相器(PFD)，电荷泵(cP)，低通滤波器(IJPF)，压控振荡器，环路分频器组成的锁相环电路控制。尽管它属于直接调频的范畴，但是由于其采用锁相环路锁定载波，且环路带宽很窄，所以载波的频率得以准确控制。
不过这种调频方案也存在明显的缺陷：
1．不能对数字音频信号进行直接调频。
2．失真度差，通常为l％。
3．由于环路带宽窄，VC0的相位噪声无法得到有效抑制，因此调频发射机 的信噪比(SNR)较低，通常只有45～55dB。
4．不能准确控制调频发射机的频偏。
针对模拟锁相环调频发射方案的以上问题，全数字调频发射方案成为新的 研究热点。

第三节基于全数字调频发射
现有的数字方案大多采用DDFS(Direct Digital Frequency Synthesis)方案，如图1．1．5，数字音频的幅度信号首先被转换成频率信号，然后通过累加器积分形成瞬时的数字相位信息妒，并利用查找表(LUT)转换成数字幅度信 号口，最终依靠DAC将a转换成模拟信号发射。

图1．1-5采用DDFS方案实现的数字调频发射机的结构

该数字方案可以有效的改善调频发射机的性能，其失真度低于0．1％，可以对调频信号的瞬时频偏进行精确控制。当累加器的字长为32bit，参考时钟为 80MHz时，输出频率L可以在0～40Ml-Iz的频率范围内，达到0．019Hz的频率 分辨精度。为了达到88MHz～108MI-Iz的频率发射范围，仍需要进行倍频或上变频处理。
尽管采用DDFS的数字调频方案在性能上远远超越传统的模拟调频方案，但是，由于其需要复杂的DSP处理算法，以及高速的DAC模块，导致其价格昂贵，功耗高，因此在便携式调频发射系统中很少被采用。

第四章结论
综上所述，传统的调频方案不能满足高品质便携式产品的要求，采用模拟锁相环调制的方案具有低成本，低功耗的优势，而采用DDFS方案的数字调频方案具有高性能的优势，因此，如何利用低成本，低功耗的方案达到或超越数字调频的相应性能，必将成为研究和市场的热点。 目前本论文不再做此研究。
参考文献
【1】于洪珍 通信电子电路 清华大学出版社 2005
【2】樊昌信 通信原理 国防大学出版社 2006