通信電子線路 第 07 章 角度調(diào)制與解調(diào)-頻譜非線性變換電路

第7章角度調(diào)制與解調(diào)－頻譜非線性變換電路7.1概述7.2調(diào)角波的性質(zhì)7.3調(diào)頻方法及電路7.4調(diào)角信號解調(diào)7.5調(diào)頻制的抗干擾(噪聲)性能通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)17.1概述角度調(diào)制： 用調(diào)制信號去控制載波信號角度參數(shù)的變化頻率調(diào)制：受控參數(shù)為載波的頻率解調(diào)：鑒頻、頻率檢波相位調(diào)制：受控參數(shù)為載波的相位解調(diào)：鑒相、相位檢波角度調(diào)制屬于非線性調(diào)制：調(diào)制前后頻譜結構發(fā)生了變化，是非線性頻率變換優(yōu)點：抗干擾能力強缺點：占用頻帶較寬，頻帶利用率低通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)27.2調(diào)角波的性質(zhì)瞬時頻率與瞬時相位v(t)=Vcos(t)=Vcos(t+0)上式

為頻率，(t)

為相位，0

為初始相位瞬時頻率：(t)瞬時相位：(t)分析中常假設：0

=0例：求t=0時的瞬時頻率0(t)t=0t=

t(t)0實軸通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)37.2調(diào)角波的性質(zhì)一、調(diào)頻波和調(diào)相波的波形和數(shù)學表達式調(diào)制信號：v(t)=

Vm·f

(t)，|

f(t)|

1是歸一化表達式載波信號：v0(t)=

V0mcos(t)=

V0mcos0t

，假設0

=0頻率調(diào)制瞬時頻率：調(diào)頻比例常數(shù)

kf

：單位為rad/(s·V)已調(diào)信號：相位調(diào)制瞬時相位：調(diào)相比例常數(shù)

kp

：單位為rad/V已調(diào)信號：通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)47.2調(diào)角波的性質(zhì)單頻調(diào)頻信號

[v(t)=

Vmcost]m：最大頻偏

(rad/s,Hz)mf：調(diào)頻指數(shù)，即最大相移(rad)、普通調(diào)頻信號通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)57.2調(diào)角波的性質(zhì)單頻調(diào)相信號

[v(t)=

Vmcost]m：最大頻偏mp：調(diào)相指數(shù)，即最大相移、普通調(diào)相信號通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)67.2調(diào)角波的性質(zhì)調(diào)頻信號：調(diào)相信號：調(diào)頻與調(diào)相信號的相同點：都是等幅波最大頻偏與調(diào)制指數(shù)的數(shù)學關系一樣：m=

mf,p若調(diào)制信號幅度變化，則m、mf,p隨之正比變化VmmmfFMVmmmpPM通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)77.2調(diào)角波的性質(zhì)調(diào)頻信號：調(diào)相信號：調(diào)頻與調(diào)相信號的不同點：調(diào)頻：最大頻偏

m由Vm決定，與調(diào)制頻率

無關； 調(diào)頻指數(shù)mf與調(diào)制頻率成反比。調(diào)相：調(diào)相指數(shù)mp由Vm決定，與調(diào)制頻率

無關； 最大頻偏m與調(diào)制頻率成正比。mmfFMmmpPM通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)87.2調(diào)角波的性質(zhì)單頻調(diào)頻信號單頻調(diào)相信號1.改變Vm2.改變通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)9調(diào)制信號為：v(t)

載波信號為：V0mcos0t調(diào)頻波調(diào)相波數(shù)學表達式瞬時頻率瞬時相位最大頻偏調(diào)制指數(shù)最大相移①⑤④③②⑩⑨⑧⑦⑥7.2調(diào)角波的性質(zhì)v(t)=Vmcost通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)107.2調(diào)角波的性質(zhì)三角波調(diào)頻信號三角波調(diào)相信號1.改變Vm2.改變通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)117.2調(diào)角波的性質(zhì)例：有一正弦調(diào)制信號，頻率為300~3400Hz，調(diào)制信號中各頻率分量的振幅相同，調(diào)頻時最大頻偏fm=75kHz，調(diào)相時最大相移mp=1.5rad。試求調(diào)頻時調(diào)制指數(shù)mf

的最大范圍和調(diào)相時最大頻偏fm

的變化范圍。調(diào)頻時，最大頻偏由調(diào)制信號幅度決定，與F

無關調(diào)相時，調(diào)相指數(shù)由調(diào)制信號幅度決定，與F

無關通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)127.2調(diào)角波的性質(zhì)二、調(diào)角信號的頻譜與有效頻帶寬度1.調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜(僅分析單頻調(diào)頻信號)cos(mfsint)

和sin(mfsint)

用第一類貝塞爾函數(shù)展開n：階數(shù)，：宗數(shù)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)137.2調(diào)角波的性質(zhì)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)147.2調(diào)角波的性質(zhì)J0(b)J1(b)J2(b)J3(b)J4(b)J5(b)J6(b)b=2.40

b=5.49

b=8.65b=3.83

b=7.05

b=10.2b=5.14

b=8.42

b=11.6b=6.38

b=8.42

b=11.6b=7.59

b=11.1

b=14.4b=8.77

b=12.3

b=15.7b=9.94

b=13.6

b=17.0通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)157.2調(diào)角波的性質(zhì)有無數(shù)邊頻。隨n

增加，邊頻分量幅度總的趨勢是減小。奇數(shù)次的上下邊頻相位相反，偶數(shù)次的相同。mf

越大，具有較大幅度的邊頻數(shù)量越多。在某些mf

時，載波或某些邊頻幅度為零。此特點可用于調(diào)制指數(shù)的測量。通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)167.2調(diào)角波的性質(zhì)2.調(diào)頻波和調(diào)相波的功率和有效頻帶寬度根據(jù)帕塞瓦爾公式，調(diào)角波的平均功率

Pav

等于各個頻率成分的平均功率之和。根據(jù)第一類貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)，可得帶寬：忽略振幅小于載波振幅的10％的邊頻分量，留下的邊頻共2(mf+1)

個。 BW=2(mf

+

1)=2(m+)上式稱為卡森公式通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)177.2調(diào)角波的性質(zhì)調(diào)頻電臺：88~108MHz，最大頻偏75kHz

調(diào)制信號：30~15000Hz 頻帶寬度：150kHz、350kHz(立體聲)校園廣播：76~87MHz3.調(diào)頻波與調(diào)相波的聯(lián)系與區(qū)別調(diào)頻波可視為調(diào)制信號為的調(diào)相波調(diào)相波可視為調(diào)制信號為的調(diào)頻波以上是間接調(diào)制的理論依據(jù)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)187.2調(diào)角波的性質(zhì)F=4kHzmf=32(mf+1)F=32kHz調(diào)相信號頻譜F=1kHzmp=122(mp+1)F=26kHzF=2kHzmp=1252kHzF=4kHzmp=122(mp+1)F=104kHz調(diào)頻信號頻譜F=1kHzmf

=122(mf+1)F=26kHzF=2kHzmf

=628kHz通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)197.3調(diào)頻方法及電路要求：最大頻偏盡量大、且與調(diào)制信號保持良好的線性關系中心頻率穩(wěn)定度盡量高一、實現(xiàn)調(diào)頻的方法和基本原理1.直接調(diào)頻法： 用調(diào)制信號直接控制振蕩回路電抗元件的參數(shù)實現(xiàn)調(diào)頻可控電容：變?nèi)荻O管可控電感：鐵氧體磁芯的電感線圈電抗管電路：場效應管、晶體三極管等組成的等效電抗優(yōu)點：電路簡單、可以得到較大的頻偏缺點：在振蕩器直接控制，頻率穩(wěn)定度不好，波形較差通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)207.3調(diào)頻方法及電路2.間接調(diào)頻法用調(diào)相電路實現(xiàn)調(diào)頻，繼承了調(diào)相電路的特點優(yōu)點：高頻振蕩器本身獨立于調(diào)相電路，可以得到穩(wěn)定度很好的載波缺點：由于調(diào)相器的限制，頻偏較小通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)217.3調(diào)頻方法及電路二、變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路1.基本工作原理和定量分析變?nèi)荻O管： 利用PN結反向偏置的勢壘電容構成的可控電容變?nèi)荻O管符號與變?nèi)萏匦郧€：Cj：變?nèi)荻O管的結電容

vR：二極管兩端的反向電壓：變?nèi)葜笖?shù)。由結構與摻雜濃度決定VD：二極管的勢壘電壓，通常取硅管0.6V、鍺管0.2V通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)227.3調(diào)頻方法及電路表示結電容的調(diào)制深度通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)23中心頻率線性頻率調(diào)制失真項7.3調(diào)頻方法及電路全部接入式變?nèi)荻O管調(diào)頻電路當

=2時，為線性調(diào)頻電路當

2時，且m<1若

=1?最大頻偏從減小失真與增大頻偏來看，m和

應折衷考慮。通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)247.3調(diào)頻方法及電路部分接入式變?nèi)荻O管調(diào)頻電路變?nèi)荻O管部分接入諧振回路，減小失真，改善波形互感耦合

LC振蕩器VCCDL2C1L1CCC-++-Vv(t)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)257.3調(diào)頻方法及電路2.變?nèi)荻O管調(diào)頻實際電路共基組態(tài)電容三點式振蕩器，中心頻率90MHz變?nèi)荻O管直接調(diào)頻特點：優(yōu)點：電路簡單、工作頻率較高，容易獲得較大頻偏缺點：中心頻率穩(wěn)定度較差1000pF100WFM12kW3.3kW47kW1000pFL15p10p1000pF20p5/10p5p47mH22kW56kWC11000pF100kWvW+9VL2通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)267.3調(diào)頻方法及電路三、晶體振蕩器直接調(diào)頻優(yōu)點：提高中心頻率的穩(wěn)定度缺點：最大頻偏小300pF470pFJTCj68p+50/5pF50kW100WVCC1mF調(diào)制信號10kW470pF20kW510W300pF68pF50/5pF100kWvWVDFM輸出通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)277.3調(diào)頻方法及電路四、間接調(diào)頻方法使用調(diào)相器實現(xiàn)調(diào)頻，中心頻率穩(wěn)定度高，應用廣泛調(diào)相器分類：移相法調(diào)相可變延時法調(diào)相矢量合成法調(diào)相(阿姆斯特朗法)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)287.3調(diào)頻方法及電路1.移相法調(diào)相移相網(wǎng)絡 需要滿足

即相移受調(diào)制信號v(t)

的控制，與其呈線性關系。輸出信號：事實上，阻抗的值及輸出信號的幅度也會隨之變換。通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)297.3調(diào)頻方法及電路LC并聯(lián)諧振回路構成的可控移相網(wǎng)絡100kW1000p0.02100kW15kW1000p1000p+9V調(diào)相波CjvW調(diào)制信號v0載波R110kWLCjCjR1Cj=f(vW)v0R1LI0Cj+-v(t)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)307.3調(diào)頻方法及電路2.可變時延法調(diào)相載波電壓 v0(t)=

V0cos0t延遲時間可控的延時網(wǎng)絡，輸出電壓為 v(t)=

V0cos[0(

t-

)]使延遲時間受調(diào)制信號的控制，且為線性關系 =

kv

=

kVcost輸出電壓 v(t)=

V0cos[0(

t-

)]

=

V0cos(0t-k0Vcost)調(diào)相指數(shù)mp=

k0V

可以很大優(yōu)點：調(diào)制線性好，相位偏移大，能實現(xiàn)寬帶調(diào)相通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)317.3調(diào)頻方法及電路3.矢量合成法調(diào)相(阿姆斯特朗法)當mp=kpVm/6時，即窄帶調(diào)相時實現(xiàn)框圖 可視作載波信號與一個DSB信號的合成通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)327.3調(diào)頻方法及電路上述框圖與理想調(diào)相比較實質(zhì)為調(diào)幅調(diào)相波幅度不恒定，受調(diào)制信號影響，稱為寄生調(diào)幅。相位與調(diào)制信號不是線性關系，而是反正切關系。用于窄帶調(diào)相時，失真較小。通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)33矢量分析方法通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)347.3調(diào)頻方法及電路4.間接調(diào)頻的實現(xiàn)－擴大頻偏的方法采用倍頻方法擴大頻偏 0m

n倍頻

n0nm例：產(chǎn)生載波100MHz，最大頻偏75kHz的調(diào)頻信號 設一間接調(diào)頻器可實現(xiàn)最大頻偏50Hz，載波200kHz

倍頻方式：200k501500倍頻

300M75k但倍頻會導致中心頻率過高，超過所需值常采用倍頻、混頻結合方式，以某一調(diào)頻發(fā)射機為例 200k2564倍頻

12.8M1.6k

與11.0~10.5M下混頻1.8~2.3M1.6k

48倍頻86.4~110.4M76.8k覆蓋了88~108MHz頻率范圍，最大頻偏75kHz通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)357.4調(diào)角信號解調(diào)頻率檢波：鑒頻；鑒頻器：頻率

電壓變換相位檢波：鑒相；鑒相器：相位

電壓變換鑒相方法將調(diào)相信號的相位0t+

kpv(t)

與載波的相位0t

相減，取出它們的相位差

kpv(t)，實現(xiàn)相位檢波應用廣泛：例如在鎖相系統(tǒng)中原理框圖：相位/電壓轉換分類：乘積型鑒相器疊加型鑒相器通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)367.4調(diào)角信號解調(diào)乘積型鑒相器結構：輸入信號vi

=

Vicos[0t+i(t)]本地載波v0=

V0

cos[0t+0(t)+90]=

-V0

sin[0t+0(t)]為識別兩輸入的超前/滯后關系，兩者須有90相位差輸出電壓vd

=Adsin[i(t)-0(t)]=Adsin[e(t)]輸出電壓vd與e(t)的關系曲線叫做鑒相特性曲線乘積型鑒相器具有正弦型鑒相特性曲線①線性鑒相范圍是/6(或/3) 當e(t)/6時，

vd

=Adsin[e(t)]

Ade(t)②最大鑒相范圍是/2(或)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)377.4調(diào)角信號解調(diào)疊加型鑒相器為識別超前/滯后關系，兩輸入信號必須有

90o相位差為了減少失真，兩個輸入 信號的大小應當相差較大， 即須滿足：vi

v0

或v0

vi

vi(t)=

Vicos[0t+i(t)]

v0(t)=

V0

cos[0t+0(t)+90]設：V0

Vi輸出電壓(采用相量分析)： vd(t)

V0

+Visine隨后的分析類似乘積型鑒相器ev0vi=90+0(t)

-i(t)

=90

-e(t)調(diào)相調(diào)幅波v通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)387.4調(diào)角信號解調(diào)一、鑒頻方法概述和鑒頻器的主要技術指標將調(diào)頻信號的頻率i(t)=

0+(t)

與載波的頻率0

相減，取出它們的差頻

(t)，實現(xiàn)頻率檢波原理框圖：頻率/電壓轉換鑒頻特性及主要技術指標鑒頻跨導線性范圍或帶寬2max必須大于調(diào)頻波的最大頻偏鑒頻靈敏度：可正常工作的最小輸入調(diào)頻信號的幅度。通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)397.4調(diào)角信號解調(diào)實現(xiàn)鑒頻的方法1.利用波形變換進行鑒頻FM

FM-AM

振幅檢波

2.相移乘法鑒頻FM

FM-PM

乘積型鑒相器該方法在集成電路中廣泛應用

3.利用鎖相環(huán)分類問題說明：斜率鑒頻器(1.)乘積型相位鑒頻器(2.)疊加型相位鑒頻器FMFM-PMPM-AM包絡檢波vtvFMtvFM-AMt利用波形變換相位鑒頻器通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)407.4調(diào)角信號解調(diào)4.脈沖計數(shù)式鑒頻器利用單位時間內(nèi)過零點的數(shù)目來檢測頻率的高低優(yōu)點：線性好、頻帶寬、易集成通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)417.4調(diào)角信號解調(diào)二、(疊加型)相位鑒頻分類：電感耦合相位鑒頻器、電容耦合相位鑒頻器1.電路說明L1C1、L2C2：頻率-相位轉換C5：耦合電容，vL3=

v1L3

D1

D2

RL

C：疊加型