電子科大周鷹高頻電路第五章

1、第五章 角度調(diào)制與解調(diào)一、概述 一個(gè)正弦振蕩是用三個(gè)參數(shù)幅度、頻率與相位來描述：) 1 ()cos(0tVvm 在AM信號(hào)中，是對載波的幅度Vm進(jìn)行調(diào)制，載波振幅的變化攜帶了信號(hào)所反映的信息，而載波的頻率和相位保持不變。 同樣也可以利用載波頻率或相位的變化來反映信號(hào)的信息，這就是調(diào)頻或調(diào)相。 上述兩種調(diào)制都表現(xiàn)為高頻振蕩波的總相角受到調(diào)變，因此統(tǒng)稱為角度調(diào)制，簡稱調(diào)角。和振幅調(diào)制相比，角度調(diào)制的主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性強(qiáng)。 調(diào)頻主要應(yīng)用于調(diào)頻廣播（與調(diào)幅廣播比較，更清晰，聲音質(zhì)量好）、廣播電視（伴音傳輸）、通信及遙測（衛(wèi)星）等。 調(diào)相主要應(yīng)用于數(shù)字通信系統(tǒng)中的移相鍵控（調(diào)制解調(diào)器）。 調(diào)頻與調(diào)相所得

2、到的已調(diào)波形及方程是非常相似的。 因?yàn)楫?dāng)頻率有所變動(dòng)時(shí)，相位必然跟著變動(dòng)；反之，當(dāng)相位有所變動(dòng)時(shí)，頻率也必然隨著變動(dòng)。因此，調(diào)頻波和調(diào)相波的基本性質(zhì)有許多相同的地方。 若從頻譜的觀點(diǎn)來看，角度調(diào)制及解調(diào)電路屬于頻譜非線性變換電路。 本章先討論角度調(diào)制波的基本特性，然后討論角度調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法和調(diào)制電路以及角度調(diào)制波的解調(diào)電路。二、角度調(diào)制的基本特性1、瞬時(shí)頻率與瞬時(shí)相位旋轉(zhuǎn)矢量圖設(shè)矢量長度為mV，圍繞原點(diǎn)O反時(shí)鐘方向旋轉(zhuǎn)。角速度為)(t初相角為0瞬時(shí)相位)(t矢量在實(shí)軸上的投影為：)(cos)(tVtvm00)()(tdttt)(raddttdt)()()(srad2、已調(diào)角波的性質(zhì)調(diào)制信號(hào) 載

3、波為 調(diào)頻波 調(diào)相波 瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位最大頻移最大相移（調(diào)制指數(shù)）數(shù)學(xué)表示式tVtvmcos)(tVtvccmccos)(tfccmdttvktV0)(cos)(costvktVpccm)(tvkfcdttdvkpc)(tfcdttvkt0)()(tvktpcmax| )(|tvkfmax)(dttdvkpmax0)(tffdttvkmmax| )(|tvkmpp設(shè)調(diào)制信號(hào)為周期重復(fù)的三角波根據(jù)上述分析可畫出已調(diào)頻波和已調(diào)相波1）調(diào)頻波與調(diào)相波的區(qū)別若調(diào)制信號(hào)為tVtvmcos)(對于已調(diào)頻波瞬時(shí)相位為tVktmffsin)(tmfsinmffVkm瞬時(shí)頻率為tVktmffcos)(tmfco

4、smfmfVk對于已調(diào)相波瞬時(shí)相位為tVktmppcos)(tmpcos瞬時(shí)頻率為tVktmppsin)(tmpsinmpmpVkmppVkmpmfm與調(diào)制頻率成反比fmpm與調(diào)制頻率無關(guān)mf與調(diào)制頻率無關(guān)mp與調(diào)制頻率成正比 無論調(diào)頻還是調(diào)相，最大頻移與最大相移（調(diào)制指數(shù)）之間的關(guān)系都是相同的。即：mm在調(diào)幅波中，調(diào)幅調(diào)制指數(shù)am不能大于1而在角度調(diào)制波中，調(diào)制指數(shù)m可以為任意值！或mFfm調(diào)角波中存在著三個(gè)有關(guān)頻率的概念：載波頻率cf即調(diào)角波的中心頻率最大頻移mf瞬時(shí)頻率偏離中心頻率的最大值調(diào)制信號(hào)頻率F瞬時(shí)頻率或瞬時(shí)相位在其最大值和最小值之間每秒往返次數(shù)2）已調(diào)角波的頻譜和信號(hào)頻帶 在單

5、音調(diào)制時(shí)，調(diào)頻波和調(diào)相波具有類似的表達(dá)式，因而也就具有相似的頻譜。下面討論調(diào)頻波頻譜和信號(hào)頻帶寬度。tmtVtvfccmFMsincos)(tmttmtVfcfccmsinsinsinsincoscos1202cos)(2)(sincosnfnfftnmJmJtm012) 12sin()(2sinsinnfnftnmJtm)(xJn第一類n階貝塞爾函數(shù)cmcfFMVtmJtvcos)()(0cmccfVttmJ)cos()cos()(1cmccfVttmJ)2cos()2cos()(2cmcncfnVtntnmJ)cos(1)cos()(）（載波頻率第一對旁頻第二對旁頻第n對旁頻 )(fnmJ

6、 fm 0J 1J 2J 3J 4J 5J 10J 15J 20J 越大，fm可能出現(xiàn)的貝塞爾函數(shù)階次n越高。 旁頻數(shù)越多n越大， 貝塞爾函數(shù)的幅度越小。遠(yuǎn)離載波的旁頻幅度越來越低 . . c 理論上，即使是單音頻調(diào)制，調(diào)頻波的頻帶寬度都是趨于無窮的！工程上，取相對幅度大于0.1的頻譜分量。小于0.1的分量忽略。1fm時(shí)7652. 0) 1 (0J4401. 0) 1 (1J1149. 0) 1 (2J0196. 0) 1 (3J2fm時(shí)2239. 0)2(0J5767. 0)2(1J3528. 0)2(2J1289. 0)2(3J0340. 0)2(4J有2對旁頻大于0.1有3對旁頻大于0.

7、1通過歸納，有調(diào)頻波有效頻帶寬度經(jīng)驗(yàn)公式：FmBWfFM2) 1(由于調(diào)相與調(diào)頻表達(dá)式相似，有：FmBWpPM2) 1(統(tǒng)一寫成：FmBW) 1(2討論：根據(jù)貝塞爾函數(shù)的特性，對于某些fm可能使載頻或某些旁頻分量為零；單位幅度已調(diào)頻波在單位電阻上的功率2/)()()(2)(22222120cmfnffffVmJmJmJmJPW21單位幅度未調(diào)制載波在單位電阻上的功率WPcT21 因此，角度調(diào)制的載波在調(diào)制前后的信號(hào)總功率不變！只是各功率在不同頻點(diǎn)上重新分布。對于調(diào)頻mffVkmFfmFMBWF旁頻間隔FMBW近似維持不變FMBW調(diào)頻又稱為恒定帶寬調(diào)制3）調(diào)頻與調(diào)相的關(guān)系例：調(diào)制信號(hào)的頻率kHz

8、HzF1550kHzfm50載波最大頻偏分別用調(diào)頻和調(diào)相方法調(diào)制。 求已調(diào)波信號(hào)帶寬。對于調(diào)頻Ffmmf當(dāng)HzF50時(shí)1000fmrad當(dāng)kHzF15時(shí)33. 3fmradkHzBWFM100kHzBWFM130對于調(diào)相Ffmmp當(dāng)HzF50時(shí)33. 3pmrad當(dāng)kHzF15時(shí)33. 3pmradHzBWPM433kHzBWFM130通常以最高調(diào)制頻率確定調(diào)制度 即33. 3pm相差1.3倍相差300倍 調(diào)制信號(hào)的高端和低端形成的調(diào)相信號(hào)頻帶寬度相差大，對信道帶寬的利用率差別很大。另一方面tfccmFMdttvktVtv0)(cos)()(cos)(tvktVtvpccmPM根據(jù)有 積分 調(diào)

9、相 v FMv tVccmcos tdttv0)( 微分 調(diào)頻 v PMv tVccmcos dttdv)( 間接調(diào)頻間接調(diào)相調(diào)頻和調(diào)相電路可以互換。鑒頻和鑒相電路也可以互換。只討論調(diào)頻和鑒頻電路！三、調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)方法1、直接調(diào)頻通常利用壓控振蕩器（）完成直接調(diào)頻。變?nèi)荻O管是的核心元件，變?nèi)荻O管直接調(diào)頻的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠獲得較大的頻移（相對于間接調(diào)頻而言），線路簡單，并且?guī)缀醪恍枰{(diào)制功率。其主要缺點(diǎn)是中心頻率穩(wěn)定度低。直接調(diào)頻的基本原理是用調(diào)制信號(hào)直接線性地改變載波振蕩的瞬時(shí)頻率。因此，凡是能直接影響載波振蕩瞬時(shí)頻率的元件或參數(shù)，只要能夠用調(diào)制信號(hào)去控制它們，并從而使載波振蕩瞬時(shí)頻率按調(diào)制信

10、號(hào)變化規(guī)律線性地改變，都可以完成直接調(diào)頻地任務(wù)。1）變?nèi)荻O管原理變?nèi)荻O管是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓變化這一特性制成的一種半導(dǎo)體二極管。結(jié)電容與反向偏置電壓關(guān)系為：DRjjVvCC10jC0jCDVRv結(jié)電容反偏為時(shí)的結(jié)電容結(jié)勢壘電壓反偏電壓電容變化系數(shù)31緩變結(jié)21突變結(jié)41超突變結(jié)變?nèi)荻O管調(diào)頻主要采用超突變結(jié)）變?nèi)荻O管全部接入回路為隔直電容sCpC為高頻旁路電容pL為高頻扼流圈QV為固定的直流反向偏壓v為調(diào)制信號(hào)電壓tVvmcos設(shè)tVVvmQRcostVVVCCmQDjjcos110由tVVVCCmQDjjcos110QDmVVVmtVVVVCDmDQjcos10tVVV

11、VVCQDmDQjcos1110tmCjQcos1DQjjQVVCC10上式中所以諧振角頻率為：jLCt1)(2cos11tmLCjQ2cos1tmcjQcLC1調(diào)頻的中心角頻率調(diào)制深度當(dāng)2時(shí)tmtccos1)(線性頻率調(diào)制！通常2此時(shí)2cos1)(tmtc則可用麥克勞林級數(shù)將上式展開后，若1costm保留二次以內(nèi)各項(xiàng)，忽略三次以上高次項(xiàng)，有：tmtmtc22242cos1cos1)(tmtmmc2cos1cos112282228ctt)()(tmtmmtc2cos1cos1)(2282228令則有調(diào)制特性方程：載波頻偏二次諧波失真與調(diào)制信號(hào)幅度相關(guān)！(非線性失真)）變?nèi)荻O管部分接入回路為減

12、小非線性失真，常將變?nèi)荻O管作為振蕩器回路電容的一部分接入回路，此時(shí)稱之為部分接入。 1C L cC jC pL pC 1R 2R 3R QV v 1C L cC jC C L tmCCjQjcos1jcjcCCCCCC1振蕩頻率：CLt1)(令)(tCL 1LC10這里iQcjQcCCCCCC1因此CL 1)(1tCCL而0)(tLCtCCL1)(11)(110CtC1)(1)(210CtCt1)(CtC由于CtCt)(21)(0級數(shù)展開，取前兩項(xiàng)，有：而CCtC)(jQcjQcjcjcCCCCCCCC令tmxcosjQcjQccCCxCCC11)1 (11)1 (x)cos1 (tmtmt

13、mtm33! 322!2cos)2)(1(cos) 1(cos1),(1m),(mtAtAtAA3cos2coscos321020) 1(41mA)2)(1(88121mmA22) 1(41mA33)2)(1(241mAjQcjQcjQccCCmCCCCCtC11),(11)(jQcjQcjQcjQccCCmCCCCmCCC1),(1),(由于1),(mCCjQc因此),(1)(22mCCCCtCjQcjQc),(12)(220mCCCCCtjQcjQc),(22mCCCCCjQcjQc),(mK)3cos2coscos()(32100tAtAtAAKt討論：與全接入相比，中心頻率偏移量減小了

14、；與全接入相比，最大頻偏量也減小了；當(dāng)cjCC 時(shí)，cCC對的影響和略去不計(jì)，jC增大，cC的影響加大；當(dāng)1CCj時(shí)，1CC對jC減小，1C的影響加大；的影響和略去不計(jì)，可以調(diào)節(jié)1CcC、來實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻。3）電抗管調(diào)頻 C R a b I V cI dI gV + + - - abZ 兩個(gè)前提：dcII CjR1IVZabdIVgmdVgIRIVcgCjRVIc1VCjmabRCgjZ1mg為場效應(yīng)管跨導(dǎo)，由柵壓gV決定。abZ相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)電容。)(1tCjZeab)()(tRCgtCme而場效應(yīng)管漏極電流2)()1 (offGSGDSSDVvIi常數(shù)DvGGDmdvvditg)()(12)

15、()(offGSGoffGSDSSVvVI令)()(tvtvG則1)(2)()()(offGSoffGSDSSmVtvVItg1)(2)()()(offGSoffGSDSSeVtvVIRCtC將)(tCe代入振蕩回路，就可以實(shí)現(xiàn)直接調(diào)頻。2、間接調(diào)頻 間接調(diào)頻是提高調(diào)頻波中心頻率穩(wěn)定度的一種較簡便而有效的方法。 積分 調(diào)相 v FMv tVccmcos tdttv0)( )(tvc dttvt0)( )(tvo 1R 2R 3R 4R 1C 2C 3C jC 1）變?nèi)荻O管調(diào)相電路 cI 0eR L jC oV + - 1C2C3C隔直電容高頻旁路電容若tIiccccos諧振回路的諧振頻率為：

16、)()(00tt)cos21 (0tm且假設(shè))(cos)()(0tttZItvzcoc則c0arctan)(tz)()(200ttQcL一般0)(t且6)(tz所以：)(tz0)(2tQLtmQtLzcos)(當(dāng)6)(tz時(shí)，不僅相位調(diào)制產(chǎn)生較大非線性失真且寄生調(diào)幅也較大！調(diào)相2）矢量合成調(diào)相由于)(cos)(tvktVtvpccmPM)(sinsin)(coscostvktVtvktVpccmpccm如果6)(maxtvkp則ttvkVtVtvcpcmccmPMsin)(cos)( 移相器 900 乘法器 加法器 放大器 -kp tVccmcos tVccmsin )(tv )(tvkp t

17、tvkVcpcmsin)( )(tvPM LC網(wǎng)絡(luò)移相與矢量合成法的共同缺點(diǎn)是調(diào)制指數(shù)?。粸楂@高的調(diào)制指數(shù)，必須在調(diào)相器后加多級倍頻，擴(kuò)大調(diào)制指數(shù)。3）間接調(diào)頻擴(kuò)展頻偏的方法晶體振蕩器kHzfc300間接調(diào)頻kHzfc300Hzf25倍頻300MHzfc90 kHzf5 .7 混頻MHz81MHzfc9 kHzf5 .7 倍頻10MHzfc90kHzf75通過倍頻、混頻、倍頻的方式擴(kuò)大調(diào)頻信號(hào)的調(diào)制度4）脈沖調(diào)相0E0Ev0Ev0Ev12特點(diǎn)：中心頻率穩(wěn)定，可得較大的調(diào)制指數(shù)8 .0maxPm四、調(diào)頻波的解調(diào)第一類鑒頻：波形變換（幅頻）調(diào)頻-調(diào)幅波檢波第二類鑒頻： 過零點(diǎn)計(jì)數(shù) （單位時(shí)間內(nèi)過零

18、點(diǎn)數(shù)目變化）第三類鑒頻： 移相器與符合門電路相配合實(shí)現(xiàn)本節(jié)主要介紹第一類鑒頻器。1、斜率鑒頻tfccmFMdttvktVtv0)(cos)(tfcfccmFMdttvkttvkVdttdv0)(sin)()()(tvFMdttdvFM)(檢波)(tv + + + - - - + - 1V 1C 1L M 2C 2L abV 3L 1V 1D 2D R R 3C 4C 5C baV a b a b 2、相位鑒頻器波形變換幅度檢波耦合諧振回路完成波形變換對稱包絡(luò)檢波器1）包絡(luò)檢波器 + + + + + - - - - - 2abV 2abV 1V 1oV 2oV baV 1D 2D 1DV 2DV

19、 R R 3C 4C 112VVVabD122VVVabDmDV1mDV2分別為1DV2DV幅度21oobavvv若檢波電壓傳輸系數(shù)為dk則)(21mDmDdbaVVkv注意：由于相對于載波，調(diào)制信號(hào)引起的頻偏很小，因此，在整個(gè)調(diào)頻波頻譜范圍內(nèi)，可以認(rèn)為1V和abV保持不變！2）互感耦合回路初、次級間的相頻關(guān)系 + + - - 1V abV 1r 2r 1C 2C 1L 2L 1I 2I M + - + - 2L 2C 2r 1rZ E abV 2I + - 1V 1I 1C 1L 1r 2rZ 1r2r為損耗電阻M為互感量1rZ初級去耦等效次級去耦等效2rZ為反映阻抗假設(shè)初次級回路完全一樣有

20、：rrr21rrrZZZ21CCC21LLL21CLjrMZr1221IMjErZLjrVI11定性分析作兩個(gè)假設(shè)：I、初、次級回路品質(zhì)因數(shù)均較高可忽略1r2rII、初、次級回路之間耦合較弱可忽略1rZ2rZLjVI111VLME而CLjrEI1211VeZLMj21 rZarctan為廣義失諧CjIVab121221VeLCrMj由窄帶近似0121VerMVjab)2(11VjjrM耦合因數(shù) 2 0 0 A、當(dāng)0時(shí)21V2abV2abV1DV2DVmDmDVV210bavB、當(dāng)0時(shí)21V2abV2abV1DV2DVmDmDVV210bavC、當(dāng)0時(shí)1V2abV2abV1DV2DVmDmDVV210bav2定性分析相位鑒頻器工作原理定量分析 + - 1V 1I 1C 1L 1r 2