射頻模擬電路_No8_頻譜搬移電路-角度調(diào)制與解調(diào)

1、電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院第四章 頻譜搬移電路-角度調(diào)制與解調(diào) 2角度調(diào)制是讓載波的瞬時(shí)頻率或瞬時(shí)相位與調(diào)制信號成線性關(guān)系，而載波的振幅不變。角度調(diào)制具有比振幅調(diào)制更強(qiáng)的抗干擾能力。由于角頻率與相位的變化都會引起載波的相位角變化，所以把這兩種調(diào)制稱為角度調(diào)制。角度調(diào)制的基本概念 調(diào)頻是使高頻載波的瞬時(shí)頻率按調(diào)制信號規(guī)律變化的一種調(diào)制方式；調(diào)相是使高頻載波的瞬時(shí)相位按調(diào)制信號規(guī)律變化的一種調(diào)制方式。因?yàn)檫@兩種調(diào)制都表現(xiàn)為高頻振蕩波的總瞬時(shí)相角受到調(diào)變，故將它們統(tǒng)稱為角度調(diào)制(簡稱調(diào)角) 。瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位0實(shí)軸4.5 調(diào)角波的基本性質(zhì)調(diào)頻設(shè)調(diào)制信號為v (t)，載波信號 0是未調(diào)制時(shí)的載波中心頻

2、率；kfv (t)是瞬時(shí)頻率相對于0的偏移，叫瞬時(shí)頻率偏移，簡稱頻率偏移或頻移?？杀硎緸樽畲箢l移，即最大頻偏，表示為瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位瞬時(shí)相移mf調(diào)頻指數(shù)4.5.2 調(diào)頻數(shù)學(xué)表達(dá)式與相關(guān)參數(shù) Kf稱為調(diào)頻靈敏度,常數(shù),rad/(s.v) ，調(diào)制信號幅值變化單位數(shù)值所產(chǎn)生的頻偏稱為調(diào)頻靈敏度。FM表達(dá)式:最大相移調(diào)相0t+0是未調(diào)制時(shí)的載波相位；kpv (t)是瞬時(shí)相位相對于0t+ 0的偏移，叫瞬時(shí)相位偏移，簡稱相位偏移或相移?？杀硎緸樽畲笙嘁?，即最大相偏，表示為瞬時(shí)相位瞬時(shí)頻率 最大頻偏調(diào)相指數(shù)設(shè)調(diào)制信號為v (t)，載波信號4.5.2 調(diào)相數(shù)學(xué)表達(dá)式與相關(guān)參數(shù) Kp稱為調(diào)相靈敏度,常數(shù),rad

3、/(v)調(diào)相波的數(shù)學(xué)表達(dá)式 數(shù)學(xué)表達(dá)式瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位最大頻移調(diào)制指數(shù)FM波PM波4.5.2 調(diào)相數(shù)學(xué)表達(dá)式與相關(guān)參數(shù) 設(shè)調(diào)制信號為v (t)，載波信號以單音調(diào)制波為例調(diào)制信號調(diào)頻瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位已調(diào)頻信號4.5.2 數(shù)學(xué)表達(dá)式與相關(guān)參數(shù) 調(diào)相瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位已調(diào)相信號以單音調(diào)制波為例調(diào)制信號4.5.2 數(shù)學(xué)表達(dá)式與相關(guān)參數(shù) 以單音調(diào)制波為例調(diào)制信號調(diào)頻調(diào)相瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位4.5.2 數(shù)學(xué)表達(dá)式與相關(guān)參數(shù) m pmmm f調(diào)頻調(diào)相 可以看出相位調(diào)制信號的帶寬隨調(diào)制信號頻率的升高而增加，而調(diào)頻波則不變，有時(shí)把調(diào)頻叫做恒定帶寬調(diào)制。4.5.2 數(shù)學(xué)表達(dá)式與相關(guān)參數(shù) 4.5.2 數(shù)學(xué)

4、表達(dá)式與相關(guān)參數(shù) 由于調(diào)頻波和調(diào)相波的方程式相似，因此只要分析其中一種的頻譜，則對另一種也完全適用。已調(diào)頻信號已調(diào)相信號其中是以mf為宗數(shù)的n階第一類貝賽爾函數(shù)。一、頻譜調(diào)制信號4.5.3 調(diào)角波的頻譜及頻帶寬度 已調(diào)頻信號一、頻譜4.5.3 調(diào)角波的頻譜及頻帶寬度 1、頻譜數(shù)量?2、各分量相位關(guān)系？3、帶寬？一、頻譜4.5.3 調(diào)角波的頻譜及頻帶寬度 1、頻譜數(shù)量?2、各分量相位關(guān)系？ 1) 單音調(diào)制時(shí)，調(diào)頻波的頻譜不是調(diào)制信號頻譜的簡單搬移，而是由載波和無數(shù)對邊帶分量所組成， 它們的振幅由對應(yīng)的各階貝塞爾函數(shù)值所確定。其中，奇次的上、下邊帶分量振幅相等、極性相反；偶次的振幅相等、極性相同。

5、 一、頻譜4.5.3 調(diào)角波的頻譜及頻帶寬度 1、頻譜數(shù)量?2、各分量相位關(guān)系？3、帶寬？ 2) 單音調(diào)制時(shí)，調(diào)頻波邊帶分量振幅由對應(yīng)的各階貝塞爾函數(shù)值所確定。高階貝塞爾函數(shù)的振幅迅速下降，宗數(shù) mf 越小，一般情況下，函數(shù)值也越小。因此，如忽略小于某值的邊頻分量，調(diào)頻波的頻帶寬度是有限的。調(diào)制指數(shù)mf越大，具有較大振幅的邊頻分量就越多，占的帶寬就寬。這與調(diào)幅波不同，在單頻信號調(diào)幅的情況下，邊頻數(shù)目與調(diào)制指數(shù)無關(guān)。4.5.3 調(diào)角波的頻譜及頻帶寬度 3)載波分量和各邊帶分量的振幅均隨mf變化而變化。對于某些mf值，載頻或某邊頻振幅為零。籍此可以測定調(diào)制指數(shù)mf 。4.5.3 調(diào)角波的頻譜及頻帶

6、寬度 上式表明，當(dāng)V一定時(shí)，不論mf為何值，調(diào)頻波的平均功率恒為定值，并且等于未調(diào)制時(shí)的載波功率。換句話說，改變mf僅會引起載波分量和各邊帶分量之間功率的重新分配，但不會引起總功率的改變。 4) 調(diào)頻波的平均功率等于各頻譜分量平均功率之和。因此，在電阻R上，調(diào)頻波的平均功率應(yīng)為4.5.3 調(diào)角波的頻譜及頻帶寬度 若V=1，R=1，則P=1/2 雖然調(diào)頻波的邊頻分量有無數(shù)多個(gè)，但是，對于任一給定的mf值，高到一定次數(shù)的邊頻分量其振幅已經(jīng)小到可以忽略，以致濾除這些邊頻分量對調(diào)頻波形不會產(chǎn)生顯著的影響。二、帶寬 通常規(guī)定：凡是振幅小于未調(diào)制載波振幅的1(或10，根據(jù)不同要求而定)的邊頻分量均可忽略不

7、計(jì)，保留下來的頻譜分量就確定了調(diào)頻波的頻帶寬度。 如果將小于調(diào)制載波振幅l0的邊頻分量略去不計(jì)，則頻譜寬度BW可由下列近似公式求出：4.5.3 調(diào)角波的頻譜及頻帶寬度 在實(shí)際應(yīng)用中也常區(qū)分為： 從上面的討論知道，調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜結(jié)構(gòu)以及頻帶寬度與調(diào)制指數(shù)有密切的關(guān)系?？偟囊?guī)律是：調(diào)制指數(shù)越大，應(yīng)當(dāng)考慮的邊頻分量的數(shù)目就越多，無論對于調(diào)頻還是調(diào)相均是如此。這是它們共同的性質(zhì)。 但是，由于調(diào)頻與調(diào)相與調(diào)制頻率F的關(guān)系不同，僅當(dāng)F變化時(shí)，它們的頻譜結(jié)構(gòu)和頻帶寬度的關(guān)系就互不相同。4.5.3 調(diào)角波的頻譜及頻帶寬度 調(diào)頻調(diào)相 對于調(diào)頻，僅當(dāng)F變化時(shí)，在常用的寬帶調(diào)頻制中，頻率分量隨mf變化而變化，

8、但同時(shí)帶寬基本恒定。因此又把調(diào)頻叫做恒定帶寬調(diào)制。 對于調(diào)相制，僅當(dāng)F變化時(shí)，頻率分量不變，但帶寬變化。特別是F增加時(shí)，帶寬增加。對于Fmin Fmax而言， Fmax決定總的帶寬，低端頻率分量的頻譜利用率不高 。因此，模擬通信系統(tǒng)中調(diào)頻要比調(diào)相應(yīng)用得廣泛。4.5.3 調(diào)角波的頻譜及頻帶寬度 m pmmm f調(diào)頻波頻譜 調(diào)頻波頻譜例 在下列情況下計(jì)算調(diào)頻波的（1） ， ；（2） ， ；（3） ， ；F變化了100倍，但 變化很小，所以FM又稱為恒定帶寬調(diào)制。解：（1）（2）（3）4.5.3 調(diào)角波的頻譜及頻帶寬度 例題4.5.3 調(diào)角波的頻譜及頻帶寬度例題 4.5.3 調(diào)角波的頻譜及頻帶寬度例

9、題 4.5.3 調(diào)角波的頻譜及頻帶寬度例題 4.5.3 調(diào)角波的頻譜及頻帶寬度例題 例題：已知某調(diào)頻電路調(diào)制信號頻率為400Hz，振幅為2.4V，調(diào)制指數(shù)為60，求頻偏。當(dāng)調(diào)制信號頻率減為250Hz，同時(shí)振幅上升為3.2V時(shí)，調(diào)制指數(shù)將變?yōu)槎嗌伲?產(chǎn)生調(diào)頻信號的電路叫做調(diào)頻器。應(yīng)完成1、已調(diào)波的瞬時(shí)頻率與調(diào)制信號成比例地線性變化。 2、未調(diào)制時(shí)的載波頻率，即已調(diào)波的中心頻率具有 一定的穩(wěn)定度。3、最大頻移與調(diào)制頻率無關(guān)。4、無寄生調(diào)幅或寄生調(diào)幅盡可能小。 產(chǎn)生調(diào)頻信號的方法很多，歸納起來主要有兩類：第一類是用調(diào)制信號直接控制載波的瞬時(shí)頻率直接調(diào)頻。第二類是由調(diào)相變調(diào)頻間接調(diào)頻。4.6 直接調(diào)頻

10、電路 直接調(diào)頻的基本原理是用調(diào)制信號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)制信號去控制它們，并從而使載波振蕩瞬時(shí)頻率按調(diào)制信號變化規(guī)律線性地改變，都可以完成直接調(diào)頻的任務(wù)。 如果載波由LC自激振蕩器產(chǎn)生，則振蕩頻率主要由諧振回路的電感元件和電容元件所決定。因此，只要能用調(diào)制信號去控制回路的電感或電容，就能達(dá)到控制振蕩頻率的目的。4.6 直接調(diào)頻電路在振蕩回路中接入可變電抗可變電容或可變電感，讓電抗值受調(diào)制信號控制，就能達(dá)到直接調(diào)頻的目的，振蕩器的相位平衡條件決定了振蕩器的振蕩頻率。4.6.1 LC正弦波振蕩器直接調(diào)頻電路 LC反饋正弦波

11、振蕩器的振蕩頻率主要取決于振蕩回路的電感量和電容值?？勺冸娍沟淖饔每烧J(rèn)為是改變了回路的相移，必須在新的頻率下重新滿足相位平衡條件 用有源器件(場效應(yīng)管或晶體管)構(gòu)成可變電抗。鐵氧體磁心繞制的線圈當(dāng)電流流過附加線圈時(shí)，電流的大小可以改變磁芯的導(dǎo)磁率，使主線圈的電感量發(fā)生變化。一種特殊制造的PN結(jié)二極管。PN結(jié)電容主要由勢壘電容和擴(kuò)散電容構(gòu)成，變?nèi)荻O管工作在反偏狀態(tài)，結(jié)電容主要由勢壘電容組成，當(dāng)反向偏壓變化時(shí)，PN結(jié)阻擋層寬度發(fā)生變化，勢壘電容也變化。變?nèi)荻O管4.6.1 LC正弦波振蕩器直接調(diào)頻電路 4.6.1 LC正弦波振蕩器直接調(diào)頻電路 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管的主要指標(biāo)：電壓為零時(shí)的結(jié)電容

12、電壓為變?nèi)莨芊聪驌舸╇妷簳r(shí)的結(jié)電容變?nèi)荼仍酱笳袷幤黝l率變化范圍越大工作頻率越高越小變?nèi)荻O管一般在諧振回路中使用，以取代傳統(tǒng)的可變電容器，因此必須要有足夠的Q值。顯然，隨著頻率的升高，Q值會逐漸降低，因此定義Q=1是頻率為截止頻率，使用時(shí)工作頻率必須低于截止頻率。 變?nèi)荻O管的選用 變?nèi)荻O管是專門作為“壓控可變電容器”的特殊二極管，它有很寬的容量變化范圍，很高的Q值。變?nèi)荻O管的導(dǎo)電特性與檢波二極管相似，但結(jié)構(gòu)卻不同。變?nèi)荻O管為獲得較大的結(jié)電容和較寬的可變范圍，多用面接觸型和臺面型結(jié)構(gòu)。變?nèi)荻O管適用于電視機(jī)的電子調(diào)諧電路；在調(diào)頻收音機(jī)的AFC電路中，作為壓控可變電容在振蕩回路中使用。 選

13、用變?nèi)荻O管時(shí)，要注意結(jié)電容和電容變化范圍。使用變?nèi)荻O管時(shí)，要避免變?nèi)荻O管的直流控制電壓與振蕩電路直流供電系統(tǒng)之間的相互影響；通常采用電感或大電阻來作兩者的隔離。另外，變?nèi)荻O管的工作點(diǎn)要選擇合適，即直流反偏壓要選適當(dāng)。一般要選用相對容量變化大的反向偏壓小的變?nèi)荻O管。 4.6.1 LC正弦波振蕩器直接調(diào)頻電路 4.6.1 LC正弦波振蕩器直接調(diào)頻電路 PN結(jié)的接觸電位差 變?nèi)莨艿淖內(nèi)葜笖?shù) 與制造工藝有關(guān) 加到變?nèi)莨苌系碾妷?反向偏置直流電壓 調(diào)制信號電壓 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路 變?nèi)荻O管工作在反向偏置狀態(tài)變?nèi)莨艿恼{(diào)制指數(shù) 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路 變?nèi)莨艿恼{(diào)制指數(shù)

14、 回路的諧振頻率 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路 不加調(diào)制有無調(diào)制間的電容差為 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路 有無調(diào)制間的電容差為 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路 有無調(diào)制間的電容差為 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路 有無調(diào)制間的電容差為 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的瞬時(shí)頻率 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的瞬時(shí)頻率 為減小中心頻率的偏離及非線性失真使減小但有用的最大頻偏項(xiàng)減小一般取變?nèi)莨艿淖內(nèi)葜笖?shù) 應(yīng)盡可能接近1變?nèi)莨艿淖內(nèi)葜笖?shù)A0A2A30最佳為減小非線性失真及中心頻率的偏離使振蕩頻率的變化，近似地與調(diào)制信號成線性關(guān)系。4.7 間接調(diào)頻電路實(shí)現(xiàn)間接調(diào)頻的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)調(diào)相。 1、可變移相法調(diào)相電路 2、可變延時(shí)

15、法調(diào)相電路 1、可變移相法調(diào)相電路 4.7 間接調(diào)頻電路變?nèi)莨苷{(diào)相對于并聯(lián)諧振回路：變?nèi)荻O管：(t) 實(shí)現(xiàn)可控相移1、可變移相法調(diào)相電路 4.7 間接調(diào)頻電路變?nèi)莨苷{(diào)相對于并聯(lián)諧振回路：變?nèi)荻O管：(t) 實(shí)現(xiàn)可控相移可采用多級單回路變?nèi)莨苷{(diào)相電路級聯(lián)，增大mp4.7 間接調(diào)頻電路 2、可變延時(shí)法調(diào)相電路 正弦波經(jīng)過零檢測，脈沖形成，形成窄脈沖序列，然后以它為周期形成鋸齒波。把此鋸齒電壓與VQ及疊加后加到門限檢測電路，達(dá)到檢測電平，則輸出電平跳變，觸發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖。鋸齒波疊加VQ+后，基底變化，而門限電平是恒定值，于是延時(shí)發(fā)生變化。 4.8 調(diào)頻波的解調(diào) 調(diào)頻波解調(diào)又稱為鑒頻或頻率檢波

16、，調(diào)相波的解調(diào)稱為鑒相或相位檢波。 調(diào)頻波或調(diào)相波都是等幅波，在接收的過程中，經(jīng)過放大濾波后，振幅會發(fā)生變化。特別是干擾，一般都屬幅度干擾，它也引起寄生幅度調(diào)制。解調(diào)器不是理想的，寄生調(diào)幅會反映在輸出解調(diào)電壓上。因此，解調(diào)前先要進(jìn)行限幅處理。 諧振功率放大器工作在過壓區(qū)就是限幅器。 ？二極管限幅器4.8 調(diào)頻波的解調(diào) 調(diào)頻信號的解調(diào)就是將瞬時(shí)頻率變換成相應(yīng)的電壓幅度av，av與f的關(guān)系曲線稱為鑒頻特性。 調(diào)頻波解調(diào)又稱為鑒頻或頻率檢波，調(diào)相波的解調(diào)稱為鑒相或相位檢波。 4.8 調(diào)頻波的解調(diào) 調(diào)頻信號的解調(diào)就是將瞬時(shí)頻率的變化變換成相應(yīng)的電壓幅度av的變化，av與f的關(guān)系曲線稱為鑒頻特性。 調(diào)頻

17、波解調(diào)又稱為鑒頻或頻率檢波，調(diào)相波的解調(diào)稱為鑒相或相位檢波。 4.8.2 斜率鑒頻器利用頻幅轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)將調(diào)頻信號轉(zhuǎn)換成調(diào)頻調(diào)幅信號, 然后再經(jīng)過檢波電路取出原調(diào)制信號, 這種方法稱為斜率鑒頻, 因?yàn)樵诰€性解調(diào)范圍內(nèi), 解調(diào)信號電壓與調(diào)頻信號瞬時(shí)頻率之間的比值和頻幅轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)特性曲線的斜率成正比。某一線性網(wǎng)絡(luò)線性系統(tǒng)理論輸入信號輸出信號的頻譜函數(shù)輸出信號微分網(wǎng)絡(luò)可以將輸入調(diào)頻波的振幅變換成按瞬時(shí)頻率變化的調(diào)頻調(diào)幅波。 振幅與頻率成正比！4.8.2 斜率鑒頻器微分網(wǎng)絡(luò)可以將輸入調(diào)頻波的振幅變換成按瞬時(shí)頻率變化的調(diào)頻調(diào)幅波。 調(diào)頻調(diào)幅波4.8.2 斜率鑒頻器對相頻特性不苛求，能完成斜率鑒頻器的線性網(wǎng)絡(luò)單

18、失諧網(wǎng)絡(luò)失諧點(diǎn)選在回路幅頻特性斜坡直線部分的中間位置。4.8.2 斜率鑒頻器為了擴(kuò)大鑒頻的 線性范圍平衡電路檢波器的電壓傳輸系數(shù) 輸出 兩個(gè)諧振回路分別調(diào)諧在4.8.3 相位鑒頻器第二部分是檢出相位差的相位檢波器。相位鑒頻器由兩部分組成第一部分是將調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率的變化轉(zhuǎn)變成附加相位的變化的頻相轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)；1頻相轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)理想的頻相轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)要求網(wǎng)絡(luò)的相頻特性是線性的，至少是在FM波瞬時(shí)頻率變化的一定范圍內(nèi)是線性的。4.8.3 相位鑒頻器1、LC諧振電路在一定的范圍內(nèi)，一定的條件下，具有線性的相頻特性。 廣義失諧 近似為線性函數(shù) 與 成線性關(guān)系 2乘積型相位鑒頻器 理想乘法器 輸出電壓4.8.3 相位鑒頻器經(jīng)過低通濾波器的輸出 與兩個(gè)正交信號的相位差成正比 單位 模擬乘法器在一定條件下可作為鑒頻器。 3疊加型相位鑒頻器 4.8.3 相位鑒頻器初級與次級之間采用了兩種