高頻電子技術(shù)共享-課件2.3調(diào)頻

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課題一高頻正弦波振蕩器課題二振幅調(diào)制、高頻功率放大器與倍頻器

課題三高頻調(diào)頻技術(shù)模塊二無線發(fā)射系統(tǒng)2用待傳輸?shù)牡皖l信號去控制高頻載波信號的頻率，使其隨調(diào)制信號線性變化，稱為頻率調(diào)制，簡稱調(diào)頻，用FM表示。用待傳輸?shù)牡皖l信號去控制高頻載波信號的相位，使其隨調(diào)制信號線性變化，稱為相位調(diào)制，簡稱調(diào)相，用PM表示。

頻率調(diào)制和相位調(diào)制都使載波信號的瞬時相位受到調(diào)變，統(tǒng)稱為角度調(diào)制。角度調(diào)制電路是頻譜的非線性變換電路，即已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)跟調(diào)制信號頻譜結(jié)構(gòu)不一樣。由于模擬通信系統(tǒng)中，調(diào)頻比調(diào)相應用廣泛，而在數(shù)字通信中，調(diào)相比調(diào)頻應用廣泛，所以本章重點討論調(diào)頻信號的基本特性、調(diào)頻與鑒頻電路。引言32.3.1調(diào)角信號的基本特性主要要求：

掌握瞬時角頻率與瞬時相位的關(guān)系。掌握調(diào)頻的基本概念，調(diào)頻信號的數(shù)學表達式、主要參數(shù)、頻譜帶寬和特點。了解調(diào)相信號的特點、表達式及主要參數(shù)。了解調(diào)頻與調(diào)相的關(guān)系。41.1瞬時頻率與瞬時相位概念實軸(t)0t

=

0Um瞬時相位O可用長度Um、與實軸夾角(t)的旋轉(zhuǎn)矢量表示矢量初始相位為0，以(t)的角速度繞O反時針旋轉(zhuǎn)。t

=

t當

=c時：瞬時角頻率ω(t)51.2調(diào)頻信號與調(diào)相信號一、調(diào)頻信號載波信號：調(diào)制信號：調(diào)頻波瞬時角頻率：(t)=c+kfu(t)=c

+(t)瞬時相位：附加相位為分析方便，通常令0=0，則FM信號為角頻偏6設u(t)=Um

cos(t)(t)=c+kfUm

cos(t)=c+m

cos(t)調(diào)頻指數(shù)最大角頻偏單頻調(diào)制時：則調(diào)頻指數(shù)，代表調(diào)頻波的最大相移，或已調(diào)信號最大頻偏與調(diào)制信號頻率的比值。7

u(t)=Um

cos(t)(t)=c+m

cos(t)調(diào)制信號瞬時角頻率變化附加相移調(diào)頻信號瞬時角頻率與調(diào)制信號變化規(guī)律一致。調(diào)頻信號波形c8二、調(diào)相信號載波信號：調(diào)制信號：(t)=ct+kp

u(t)=ct+(t)比例常數(shù)瞬時相位：附加相位偏移是隨調(diào)制信號而變的附加相位偏移。調(diào)相信號:瞬時頻率：9單頻調(diào)制時：調(diào)相指數(shù)，代表調(diào)相波的最大相位偏移，或已調(diào)信號最大頻偏與調(diào)制信號頻率的比值瞬時相位：調(diào)相指數(shù)調(diào)相信號:瞬時頻率：10調(diào)制信號瞬時角頻率變化附加相移調(diào)相信號

u(t)=Um

cos(t)附加相移與調(diào)制信號變化規(guī)律一致。調(diào)相信號波形c11三、調(diào)頻信號和調(diào)相信號比較cc調(diào)頻信號調(diào)相信號12uPM(t)=cos(100t+3*cos(10t))uFM(t)=cos(100t+3*sin(10t))三、調(diào)頻信號和調(diào)相信號比較u(t)=cos(10t)u(t)=cos(10t)13調(diào)頻信號調(diào)相信號數(shù)學表達式瞬時角頻率瞬時相位最大頻偏最大相移調(diào)制信號u(t)=Um

cos(t)載波信號uc(t)=Um

cos(c

t)三、調(diào)頻信號和調(diào)相信號比較14調(diào)頻信號調(diào)相信號最大角頻偏不變最大相位偏移成反比減小最大相位偏移不變最大角頻偏成正比增大Um一定，m和mf（mp）隨變化的規(guī)律三、調(diào)頻信號和調(diào)相信號比較15

調(diào)制前后載波振幅均保持不變。將調(diào)制信號先微分，然后再對載波調(diào)頻，則得調(diào)相信號；將調(diào)制信號先積分，再對載波進行調(diào)相，則得調(diào)頻信號。即調(diào)頻與調(diào)相可互相轉(zhuǎn)換。可見：調(diào)頻與調(diào)相并無本質(zhì)區(qū)別，兩者之間可以互換。三、調(diào)頻信號和調(diào)相信號比較16例1.1已知u(t)=5cos(2103t)V，調(diào)角信號表達式為uo(t)=10cos[(2106t)+10cos(2103t)]V試判斷該調(diào)角信號是調(diào)頻信號還是調(diào)相信號，并求調(diào)制指數(shù)、最大頻偏、載波頻率和載波振幅。解：=2106t+10cos(2103t)附加相移位正比于調(diào)制信號，故為調(diào)相信號。調(diào)相指數(shù)

mp=10rad/V載波頻率

fc

=106Hzfm=mpF最大頻偏振幅

Um

=10V=10103Hz=10kHz17[例]一組頻率為3003000Hz的余弦調(diào)制信號，振幅相同，調(diào)頻時最大頻偏為

75kHz，調(diào)相時最大相移為

2rad，試求調(diào)制信號頻率范圍內(nèi)：(1)調(diào)頻時mf的變化范圍;(2)調(diào)相時fm的范圍。[解](1)調(diào)頻時，fm為75kHz故18[例]一組頻率為3003000Hz的余弦調(diào)制信號，振幅相同，調(diào)頻時最大頻偏為

75kHz，調(diào)相時最大相移為

2rad，試求調(diào)制信號頻率范圍內(nèi)：(1)調(diào)頻時mf的變化范圍;(2)調(diào)相時fm的范圍;[解](2)調(diào)相時，mP為2rad

故191.3調(diào)角信號的頻譜和帶寬一、調(diào)角信號的頻譜FM信號和PM信號的數(shù)學表達式的差別僅僅在于附加相移的不同，當單頻余弦調(diào)制時，前者的附加相位按正弦規(guī)律變化，而后者的按余弦規(guī)律變化。按正弦變化還是余弦變化只是在相位上相差π/2而已，所以這兩種信號的頻譜結(jié)構(gòu)是類似的。分析時可將調(diào)制指數(shù)mf或mp用m代替，從而把它們寫成統(tǒng)一的調(diào)角信號表示式

20根據(jù)貝塞爾函數(shù)理論有：

Jn(m)

稱為以m

為參數(shù)的n

階第一類貝塞爾函數(shù)。2112345678910111213mJn(m)Jn(m)隨m、n

變化的規(guī)律1.00.80.60.40.20–0.2–0.4n=0n=1n=2n=3①階數(shù)n或數(shù)值m越大，Jn(m)的變化范圍越?。虎贘n(m)隨m的增大作正負交替變化；③m在某些數(shù)值上，Jn(m)為0，例如m=2.40,5.52,8.65...。調(diào)角前后高頻信號的振幅未變，故功率也不變。22上邊頻下邊頻23調(diào)頻波的頻譜

單音調(diào)制調(diào)頻波的頻譜具有以下特點：

①調(diào)頻信號的頻譜不是調(diào)制信號頻譜的線性搬移，而是由載頻和無數(shù)對邊頻分量組成。

②各分量的幅度由相應的貝塞爾函數(shù)值Jn(m)決定，當mf為某些特定值時，可使載頻或某些邊頻幅度為0

。

③各分量之間的間隔均為Ω，其中n為奇數(shù)的上、下邊頻分量極性相反，n為偶數(shù)的上、下邊頻分量極性相同。

24調(diào)角波頻譜圖m＝0.50.94ωcΩ2Ω3Ωm＝2.4ωcm＝50.18ωc25BW=2(m+1)F=2(m

F

+F)=2(fm

+F)若

m<<1,則BW

2F

稱為窄帶調(diào)角信號若

m>>1,則BW

2m

F=2fm

稱為寬帶調(diào)角信號

復雜信號調(diào)制時二、調(diào)角信號的頻譜寬度

角度調(diào)制具有抗干擾能力強和設備利用率高等優(yōu)點，但調(diào)角信號的有效頻譜帶寬比調(diào)幅信號大得多。fm是調(diào)角信號的最大頻偏，F(xiàn)

是調(diào)制信號的頻率

理論上：邊頻分量有無窮多對→頻譜無限寬；

實際上：n↑→Jn(m)

↓，當n大到一定數(shù)值后，更高次的邊頻可忽略不計。

工程上規(guī)定，振幅小于未調(diào)制載波振幅10%的邊頻分量可忽略不計。因此，調(diào)頻波的有效頻帶寬度26

單音調(diào)制時，，因此，調(diào)角波的平均功率利用貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)：則調(diào)角波的平均功率為：因此，調(diào)角波的平均功率等于未調(diào)制的載波功率，調(diào)制的過程是一個信號功率重新分配的過程，而總功率不變。三、調(diào)角信號的功率載波：27四、調(diào)角信號的應用調(diào)角信號相比調(diào)幅信號的優(yōu)缺點：優(yōu)點：抗干擾能力強和設備利用率高。

調(diào)角信號為等幅信號，其幅度不攜帶信息，故可采用限幅電路消除干擾所引起的寄生調(diào)幅。

調(diào)角信號功率等于載波功率，與調(diào)制指數(shù)m無關(guān)，因此不論m為多大，發(fā)射機末級均可工作在最大功率狀態(tài)。缺點：有效帶寬比調(diào)幅信號大得多，且有效帶寬與m相關(guān)。故角度調(diào)制不宜在信道擁擠、頻率范圍不寬的短波波段使用，而適合在頻率范圍很寬的微波波段使用。

28注意區(qū)別下列概念ωc——載波的角頻率Ω——調(diào)制信號的角頻率（F代表調(diào)制信號的頻率）最大角頻偏Δωm和最大頻偏Δfm有效帶寬BW：指一定精度范圍內(nèi)上、下邊頻所占的頻率范圍。調(diào)相指數(shù)mp：調(diào)相信號的最大附加相位。調(diào)頻指數(shù)mf：調(diào)頻信號的最大附加相位。小結(jié)29調(diào)頻調(diào)相調(diào)角信號的有效頻帶寬度：BW=2(m+1)F調(diào)角波的平均功率等于未調(diào)制的載波功率。302.3.2調(diào)頻電路主要要求：

掌握實現(xiàn)調(diào)頻的方法，了解調(diào)頻電路的主要性能指標。理解變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路的組成和工作原理。了解間接調(diào)頻電路的組成和工作原理。了解實現(xiàn)調(diào)相的基本方法。理解擴展最大頻偏的方法。312.1概述實現(xiàn)方法：直接調(diào)頻和間接調(diào)頻。直接調(diào)頻：用調(diào)制信號直接控制振蕩器頻率，使其與調(diào)制信號成正比。

直接調(diào)頻原理示意圖

振蕩電路L調(diào)制輸出可控電抗元件C調(diào)制電壓控制諧振頻率，從而控制振蕩頻率。適當選擇電路參數(shù)，可實現(xiàn)線性調(diào)頻。優(yōu)點：頻偏較大

缺點：中心頻率易不穩(wěn)定322.1概述直接調(diào)頻：用調(diào)制信號直接控制振蕩器頻率，使其與調(diào)制信號成正比。

直接調(diào)頻原理示意圖用調(diào)制電壓uΩ控制變?nèi)荻O管，控制諧振頻率，從而控制振蕩頻率。適當選擇電路參數(shù)，可實現(xiàn)線性調(diào)頻。高頻扼流圈33間接調(diào)頻：將調(diào)制信號積分，然后對載波進行調(diào)相，從而獲得調(diào)頻信號。優(yōu)點：調(diào)制不在振蕩器中進行，易于保持中心頻率的穩(wěn)定。缺點：不易獲得大的頻偏。晶體振蕩器載波電壓Umcosctu(t)積分器調(diào)相器間接調(diào)頻電路組成框圖34主要性能指標：中心頻率及穩(wěn)定度、最大頻偏、非線形失真和調(diào)制靈敏度。中心頻率：即未調(diào)制時的載波頻率fc。保持中心頻率高穩(wěn)定度，才能保證接收機正常接收信號。Δf=f-fc

調(diào)頻特性uΩfmU?m最大頻偏：正常調(diào)制電壓作用下所能產(chǎn)生的最大頻率偏移Δfm調(diào)制信號的頻率偏移與調(diào)制電壓的關(guān)系稱為調(diào)制特性，實際調(diào)頻電路中調(diào)制特性不可能呈線性，而會產(chǎn)生非線形失真。35調(diào)制靈敏度：調(diào)制特性曲線的斜率稱為調(diào)制靈敏度，調(diào)制靈敏度越高，單位調(diào)制電壓所產(chǎn)生的頻率偏移就越大。362.2變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路一、基本原理1、變?nèi)荻O管的壓控電容特性uCjou=0時的結(jié)電容PN結(jié)內(nèi)建電位差變?nèi)葜笖?shù)，取決于PN結(jié)工藝反向偏置372.2變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路一、基本原理提供變?nèi)莨艿姆聪蚱珘焊糁彪娙莞哳l扼流圈，對高頻開路、對調(diào)制信號短路調(diào)制信號基本電路高頻通路直流和調(diào)制信號通路變?nèi)莨芙Y(jié)電容振蕩回路由電感L和變?nèi)莨芙Y(jié)電容Cj組成38振蕩角頻率為：變?nèi)莨芙Y(jié)電容Cj與外加電壓u的關(guān)系為：Cj0是u=0時的結(jié)電容。UB是PN結(jié)的內(nèi)建電位差;γ是電容變化指數(shù)，在1/3到6之間。加在變?nèi)荻O管兩端的電壓為：由于Cj是隨uΩ(t)而變化的，所以振蕩角頻率也隨uΩ(t)而變化。39變?nèi)荻O管結(jié)電容隨調(diào)制電壓變化的規(guī)律為：在偏壓UQ作用下所呈現(xiàn)出的電容。為保證變?nèi)莨芊雌?，應滿足│uΩ(t)│<UQ，故x值恒小于1

當mc稱為電容調(diào)制度，反映Cj受調(diào)制信號調(diào)變的程度。mc<1。40當γ=2時，可以看到角頻率ω的變化量與調(diào)制信號電壓成正比，實現(xiàn)線性調(diào)頻。振蕩角頻率與調(diào)制信號關(guān)系:是未受調(diào)制時的振蕩角頻率，即uΩ(t)=0時的振蕩角頻率，為調(diào)頻信號的載波頻率。41可將上式用麥克勞林級數(shù)展開。由于x小于1，可以忽略展開式中的三次方及其以上各次方項，得當γ≠2時，調(diào)制特性是非線性的，但調(diào)制電壓足夠小，也可實現(xiàn)近似的線性調(diào)頻?？梢?，角頻率ω(t)和uΩ(t)之間不再是簡單的線性調(diào)頻關(guān)系。42線性調(diào)頻項調(diào)頻波的中心頻率，偏離ωc一個固定值，mc越大（調(diào)制電壓越大），中心頻率偏離值越大。當γ=1，mc=0.1時，可得ωc=ωc-ωc/1600若ωc=80MHz，頻偏達到50kHz當二次諧波失真項，mc越大（調(diào)制電壓越大），失真越大。調(diào)頻廣播：88～108MHz，頻率調(diào)制，電臺間隔150kHz43當mc足夠小時，可忽略中心頻率的偏離和諧波失真項，得最大角頻偏調(diào)頻靈敏度最大角頻偏較大為了增加調(diào)頻靈敏度，應選擇γ大的變?nèi)荻O管，同時減小變?nèi)荻O管的反偏電壓UQ。若考慮忽略中心頻率的偏離44結(jié)論：將變?nèi)荻O管全部接入振蕩回路來構(gòu)成直接調(diào)頻電路時，為減小非線性失真和中心頻率的偏離，應設法使變?nèi)荻O管工作在γ=2的區(qū)域，可實現(xiàn)線性調(diào)頻若γ≠2，則應限制調(diào)制信號的大小，UΩm<<(UQ+UB)。若γ≠2，會有頻偏，為了增加調(diào)頻靈敏度，應選擇γ大的變?nèi)荻O管，同時減小變?nèi)荻O管的反偏電壓UQ。45

為減小γ≠2所引起的非線性，以及因溫度、偏置電壓等對CjQ的影響所造成的調(diào)頻波中心頻率的不穩(wěn)定，在實際應用中，常采用變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路方式。變?nèi)莨懿糠纸尤牖芈匪鶚?gòu)成的調(diào)頻電路，調(diào)制靈敏度和最大頻偏都降低。選γ>2，然后適當調(diào)節(jié)C1、C2，可使調(diào)制特性接近于線性。C2串接Cj然后再并接接C1，降低Cj對振蕩頻率的影響。464748二、電路實例變?nèi)莨苋拷尤牖芈氛袷幉糠纸涣魍纷內(nèi)荻O管的直流通路調(diào)制信號通路中心頻率fc=70MHz，最大頻偏fm=6MHz49二、電路實例50晶體振蕩器調(diào)頻，可以獲得較高的中心頻率穩(wěn)定度，但相對頻偏很小（10-4量級）51

晶體振蕩器調(diào)頻，可以獲得較高的中心頻率穩(wěn)定度，但相對頻偏很小（10－4量級）。

因此，利用晶體振蕩器直接調(diào)頻產(chǎn)生FM信號時必須擴展頻偏，方法有兩種：

①利用倍頻和混頻器分別擴展絕對頻偏和相對頻偏；采用倍頻器：采用混頻器：

②在晶體支路中串聯(lián)一個小電感，使晶體的串聯(lián)諧振頻率從fs降低到fs1，擴展fs到fp之間的范圍。52晶體振蕩器直接調(diào)頻電路三極管集電極回路調(diào)諧于晶體的三次諧波上串接的L1用于增大頻偏532.3間接調(diào)頻電路一、間接調(diào)頻基本原理晶振緩沖uΩ(t)=Umcos(ωct)積分器uΩ(t)fΩ(t)調(diào)相器uo(t)間接調(diào)頻的關(guān)鍵是調(diào)相實現(xiàn)對的uΩ(t)調(diào)頻54二、變?nèi)荻O管調(diào)相電路+uo(t)–RPis(t)CjLcZ

010290o–90oCj未加u(t)時，Cj上加u(t)，使Cj變化，則回路諧振頻率隨之改變，設為諧振回路品質(zhì)因數(shù)55+uo(t)–RPis(t)CjLcZ

010290o–90o諧振回路阻抗為：56+uo(t)–RPis(t)CjLcZ

010290o–90o可見：當載波頻率保持為c不變，Cj隨調(diào)制信號變化而變化時，輸出電壓的幅度和相位也隨之變化，實現(xiàn)調(diào)相。設is(t)=Ismcosct，則當|()|<30°時當θ較小時這里的ω0是指57當u(t)=U

mcos

t，且Um足夠小時可得代入

可得調(diào)相指數(shù)：最大角頻偏：實現(xiàn)uΩ(t)調(diào)相最大角頻偏較小直接調(diào)頻最大角頻偏：最大角頻偏較大載波角頻率不受影響58

為實現(xiàn)線性調(diào)相，mp須小于30°,（即π/6rad）,

故調(diào)相波的最大頻偏不能很大。調(diào)相的同時產(chǎn)生了調(diào)幅，稱為寄生調(diào)幅，需使用限幅電路消除調(diào)幅效應（可使用工作于過壓狀態(tài)的丙類功放作為限幅器）。

小結(jié)59②VBB對放大器工作狀態(tài)的影響

VBBIUO欠壓臨界過壓UcmIc1mIC0RP、VCC、Ubm不變時，Ucm隨VBB變化的特性稱為基極調(diào)制特性。諧振功放用作基極調(diào)制電路時，必須工作于欠壓區(qū)。VBB越大，輸出功率越大。但是在過壓狀態(tài)效率降低，所以Vbm應調(diào)整到臨界狀態(tài)。VBB增大→θ增大→g1(θ)減小60②VBB對放大器工作狀態(tài)的影響導通角θ≠90°，導致波形失真限幅器電路基極偏置電壓較高，變成了限幅器電路61

UbmIUO欠壓臨界過壓IC0Ic1mUcmRP、VBB、VCC不變，Ucm隨Ubm變化的特性稱為放大特性。用作線性放大器時應工作于欠壓區(qū)；若工作于過壓區(qū)，則成為限幅器。Vbm越大，輸出功率越大。但是在過壓狀態(tài)效率降低，所以Vbm應調(diào)整到臨界狀態(tài)。Vbm增大→θ增大→g1(θ)減?、賃bm對放大器工作狀態(tài)的影響62①Ubm對放大器工作狀態(tài)的影響丙類功放工作于過壓狀態(tài)稱為限幅電路63三、變?nèi)荻O管間接調(diào)頻電路電路簡化等效電路64當R>>Zc時，uc(t)<<us(t)，所以65當R>>Zc時當R不滿足>>Zc時66

在實際的調(diào)頻電路中，為了獲得中心頻率穩(wěn)定而失真又很小的調(diào)頻信號，往往很難使它的最大頻偏達到要求。往往需要擴展頻偏，可以利用倍頻器和混頻器，獲得所需要的載波頻率和最大頻偏；采用倍頻器：采用混頻器：四、擴展最大頻偏的方