高頻電子技術(shù)-朱小祥課件第6章 角度調(diào)制與解調(diào)

知識(shí)目標(biāo)

通過(guò)本章學(xué)習(xí)，應(yīng)熟練掌握調(diào)角信號(hào)的表示式、波形、頻譜、帶寬、功率以及調(diào)頻信號(hào)和調(diào)相信號(hào)的關(guān)系。掌握調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生方法；了解直接調(diào)頻，間接調(diào)頻的原理；掌握變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的工作原理和性能分析，晶體振蕩器直接調(diào)頻工作原理和擴(kuò)展頻偏的方法；了解變?nèi)荻O管間接調(diào)頻電路原理；掌握波形變換法、乘積型相位檢頻器和疊加型相位檢頻器等調(diào)解方法和電路組成。能力目標(biāo)

能力目標(biāo)知識(shí)要點(diǎn)相關(guān)知識(shí)權(quán)重自測(cè)分?jǐn)?shù)角度調(diào)制的概念及信號(hào)的表達(dá)方式、調(diào)角波的頻譜結(jié)構(gòu)、分類調(diào)頻信號(hào)與調(diào)相信號(hào)原理及相互比較調(diào)頻與調(diào)相波形區(qū)別30%變?nèi)荻O管調(diào)頻電路的組成及電路分析、調(diào)頻波的解調(diào)方法及組成變?nèi)荻O管調(diào)頻電路工作原理及解調(diào)調(diào)頻原理及其電路應(yīng)用40%斜率鑒頻器和相位鑒頻器的電路組成及工作原理鑒頻電路工作原理調(diào)相原理及其電路應(yīng)用30%（a）調(diào)頻收音機(jī)（b）電視機(jī)伴音圖6-1調(diào)頻信號(hào)解調(diào)設(shè)備

圖6-2全自動(dòng)衛(wèi)星通信天線系統(tǒng)組成

6.1概述角度調(diào)制是頻率調(diào)制和相位調(diào)制的合稱，是用調(diào)制信號(hào)控制載波信號(hào)的頻率或相位來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制的。如果載波信號(hào)的瞬時(shí)頻率隨調(diào)制信號(hào)線性變化則稱頻率調(diào)制(簡(jiǎn)稱調(diào)頻FM)。如果載波信號(hào)的瞬時(shí)相位隨調(diào)制信號(hào)線性變化則稱相位調(diào)制(簡(jiǎn)稱調(diào)相PM)。由于調(diào)頻或調(diào)相的結(jié)果都可以看作是載波總相位的變化，故又把調(diào)頻FM和調(diào)相PM統(tǒng)稱為角度調(diào)制。與幅度調(diào)制不同，角度調(diào)制在頻譜變換過(guò)程中，信號(hào)的頻譜不再保持調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，所以常把角度調(diào)制稱為非線性調(diào)制，而把幅度調(diào)制稱為線性調(diào)制。

角度調(diào)制信號(hào)與幅度調(diào)制信號(hào)相比，要占據(jù)更多的頻帶寬度，但角度調(diào)制信號(hào)具有較好的抗干擾能力。在不增加信號(hào)發(fā)射功率的前提下，用增加帶寬的方法可以換取高質(zhì)量通信信號(hào)。因此，角度調(diào)制在通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。圖6-3給出了調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種信號(hào)的波形。

圖6-3調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相波形與幅度調(diào)制信號(hào)制相比，角度調(diào)制信號(hào)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1．抗干擾能力強(qiáng)2．設(shè)備的功率利用率高3．角度調(diào)制信號(hào)傳輸保真度高6.2調(diào)頻信號(hào)與調(diào)相信號(hào)6.2.1調(diào)頻信號(hào)設(shè)載波信號(hào)表達(dá)式為

為簡(jiǎn)化分析，令＝0

設(shè)調(diào)制信號(hào)為根據(jù)調(diào)頻的定義，載波信號(hào)的瞬時(shí)頻率隨調(diào)制信號(hào)線性變化，可寫(xiě)出

為與調(diào)頻電路有關(guān)的比例常數(shù)，單位是rad／s.v,又稱為調(diào)頻靈敏度。

表示瞬時(shí)頻率的線性變化部分，稱為瞬時(shí)頻偏，簡(jiǎn)稱角頻偏。

用表示其最大值，則

表示瞬時(shí)角頻率偏離中心頻率的最大值。

習(xí)慣上把最大角頻偏稱為角頻偏。

根據(jù)瞬時(shí)相位與瞬時(shí)角頻率的關(guān)系可知，對(duì)式(6-3)積分可得調(diào)頻波的瞬時(shí)相位：

式中

表示調(diào)頻波瞬時(shí)相位與載波信號(hào)相位的偏移量，簡(jiǎn)稱相移。調(diào)頻波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

以上分析表明，在調(diào)頻時(shí)，瞬時(shí)角頻率的變化與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系，瞬時(shí)相位的變化與調(diào)制信號(hào)積分成線性關(guān)系。

設(shè)調(diào)制信號(hào)為：

代入上面表達(dá)式可得瞬時(shí)角頻率

瞬時(shí)相位

調(diào)頻信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式

式中，

為調(diào)頻波的最大相移，又稱調(diào)頻指數(shù)。

值可大于1如圖6-4所示，給出了調(diào)制信號(hào)、瞬時(shí)頻偏、瞬時(shí)相偏、對(duì)應(yīng)的波形圖。圖6-4調(diào)頻信號(hào)的波形圖

6.2.2調(diào)相信號(hào)設(shè)載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)分別為：

根據(jù)調(diào)相波定義，載波信號(hào)的瞬時(shí)相位隨調(diào)制信號(hào)線性變化，即

式中，為與調(diào)相電路有關(guān)的比例常數(shù)，稱為調(diào)相靈敏度，單位是rad／v。

令，則表示瞬時(shí)相位中與調(diào)制信號(hào)成線性變化的部分，稱為瞬時(shí)相位的相位偏移量，簡(jiǎn)稱相移。用表示最大相移，則稱為調(diào)相波的調(diào)相指數(shù)。

根據(jù)瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位之間的關(guān)系，對(duì)式(6-12)兩邊求導(dǎo)，可得調(diào)相波的瞬時(shí)頻率

令，稱為調(diào)相波的頻偏或頻移。

調(diào)相波數(shù)學(xué)表達(dá)式為

將調(diào)制信號(hào)分別代入式(6-12)、(6-14)、(6-15)得調(diào)相波相移

角頻偏

數(shù)學(xué)表達(dá)式

式中為調(diào)相波的最大相移，又稱為調(diào)相指數(shù)。

圖6-5調(diào)相波的波形圖6.2.3調(diào)頻與調(diào)相信號(hào)的比較1．無(wú)論是調(diào)頻波還是調(diào)相波，它們的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位都隨時(shí)間發(fā)生變化，但變化的規(guī)律不同。

調(diào)頻時(shí)，瞬時(shí)頻偏的變化與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系，瞬時(shí)相偏的變化與調(diào)制信號(hào)的積分成線性關(guān)系，即

調(diào)相時(shí)，瞬時(shí)相偏的變化與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系，瞬時(shí)頻偏的變化與調(diào)制信號(hào)的微分成線性關(guān)系，即

2．調(diào)頻波和調(diào)相波的最大角頻偏和調(diào)制系數(shù)均與調(diào)制幅度成正比，但它們與調(diào)制角頻率Ω的關(guān)系則不同。

調(diào)頻波的最大角頻偏與調(diào)制角頻率Ω無(wú)關(guān)，調(diào)制系數(shù)與調(diào)制角頻率Ω成反比；調(diào)相波的最大角頻偏與調(diào)制角頻率Ω成正比，調(diào)制系數(shù)與調(diào)制角頻率Ω無(wú)關(guān)，即

調(diào)頻時(shí)：

調(diào)相時(shí)：

比較調(diào)頻波和調(diào)相波的數(shù)學(xué)表達(dá)式及其基本性質(zhì)，可以畫(huà)出實(shí)現(xiàn)調(diào)頻及調(diào)相的方框圖，如圖6-6所示。圖6-6調(diào)頻及調(diào)相方框圖

6.2.4調(diào)頻波的頻譜與頻帶寬度1．調(diào)角信號(hào)的頻譜調(diào)頻波和調(diào)相波的數(shù)學(xué)表達(dá)式基本上是一樣的，由調(diào)制信號(hào)引起的附加相移是正弦變化還是余弦變化并沒(méi)有根本差別，兩者只是在相位上相差。因此，只要用調(diào)制指數(shù)m代替相應(yīng)的或，它們就可以寫(xiě)成統(tǒng)一的調(diào)角表達(dá)式，即

根據(jù)三角函數(shù)公式，

在貝塞爾函數(shù)理論中，存在下列關(guān)系式

式中是n階第一類貝塞爾函數(shù)，將式（6-29）、（6-30）帶入式（6-28）中

根據(jù)上式繪出的貝塞爾函數(shù)曲線如圖6-7所示，可以得出調(diào)角波頻譜的特點(diǎn)：

1）單頻率調(diào)制的調(diào)角波，有無(wú)窮多對(duì)邊頻分量，對(duì)稱的分布在載頻兩邊，各頻率分量的間隔為F。所以FM，PM實(shí)現(xiàn)的是調(diào)制信號(hào)頻譜的非線性搬移。

2）各邊頻分量振幅為，由對(duì)應(yīng)的貝塞爾函數(shù)確定。奇數(shù)次分量上下邊頻振幅相等，相位相反；偶數(shù)次分量上下邊頻振幅相等，相位相同。

3）由貝塞爾函數(shù)特性知：對(duì)應(yīng)于某些m值，載頻和某些邊頻分量為零，利用這一點(diǎn)，可以將載頻功率轉(zhuǎn)移到邊頻分量上去，使傳輸效率增加。

4）當(dāng)一定時(shí)，調(diào)角信號(hào)的平均功率與調(diào)制指數(shù)m無(wú)關(guān)，其值等于未調(diào)制的載波功率，改變m僅使載波分量和各邊頻分量之間的功率重新分配，而總功率不變。

圖6-7貝塞爾函數(shù)曲線

圖6-8所示為在調(diào)制信號(hào)頻率相同、載波相同的情況下，其調(diào)制指數(shù)m分別為1、2.4和5時(shí)調(diào)角波的頻譜圖。從圖中可以看出，m越大，具有較大振幅的邊頻分量就越多，并且某些邊頻分量的振幅超過(guò)了載波分量的幅度。

圖6-8調(diào)角信號(hào)頻譜圖2．調(diào)角信號(hào)的帶寬理論上，調(diào)角信號(hào)的帶寬為無(wú)限寬，但通常規(guī)定振幅小于載頻振幅10%的邊頻分量都略去，即?？梢宰C明，當(dāng)n>(m+1)時(shí)，的數(shù)值都小于0.1。

所以調(diào)角波頻譜的寬度為

當(dāng)m遠(yuǎn)小于1時(shí)：BW=2F（窄帶調(diào)角信號(hào)）；

當(dāng)m遠(yuǎn)大于1時(shí)：BW≈2mF=2（寬帶調(diào)角信號(hào)）。

6.3調(diào)頻原理及其電路6.3.1調(diào)頻實(shí)現(xiàn)方法由調(diào)頻波和調(diào)相波的表達(dá)式可以看出，無(wú)論是調(diào)頻或調(diào)相，都是使載波瞬時(shí)相位發(fā)生變化。說(shuō)明二者之間可以相互轉(zhuǎn)化的。圖6-9給出了調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生的兩種方法。圖6-9（a）為直接調(diào)頻法圖6-9（b）為間接調(diào)頻法。

（a）直接調(diào)頻（b）間接調(diào)圖6-9調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生原理方框圖

1.直接調(diào)頻法直接調(diào)頻是用調(diào)制信號(hào)直接控制載波振蕩器振蕩元件的參數(shù)，如控制振蕩回路的電容（或電感）,使振蕩頻率隨調(diào)制信號(hào)變化而變化，從而產(chǎn)生調(diào)頻波的方法。目前廣泛采用的是變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路，這種電路簡(jiǎn)單，性能良好。變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓變化這一特性制成的一種壓控電抗元件。電路符號(hào)和特性曲線如圖6-10所示。當(dāng)變?nèi)荻O管工作于反向偏壓狀態(tài)時(shí)，由特性曲線可知，變?nèi)荻O管的結(jié)電容隨外加反向偏置電壓變化而變化。若將變?nèi)荻O管接入LC正弦波振蕩器的諧振電路中，則可實(shí)現(xiàn)直接調(diào)頻。

如圖6-11所示為變?nèi)荻O管直接調(diào)頻原理圖。

圖6-10變?nèi)荻O管符號(hào)和特性曲線圖5-11變?nèi)荻O管直接調(diào)頻原理圖

2.間接調(diào)頻法由于調(diào)頻信號(hào)與調(diào)相信號(hào)之間存在一定的聯(lián)系，若先將調(diào)制信號(hào)積分，再加到調(diào)相器對(duì)載頻信號(hào)調(diào)相，則從調(diào)相器輸出的便是對(duì)調(diào)制信號(hào)而言的調(diào)頻信號(hào)。圖6-12所示為間接調(diào)頻原理框圖，這種利用調(diào)相器實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的方法稱為間接調(diào)頻法?？梢?jiàn)，實(shí)現(xiàn)間接調(diào)頻的關(guān)鍵電路是調(diào)相器。

圖6-12間接調(diào)頻法原理框圖

6.3.2調(diào)頻電路1．調(diào)頻電路的質(zhì)量指標(biāo)1）調(diào)制特性是指調(diào)頻波頻率偏移與調(diào)制電壓之間的關(guān)系曲線。要求它們之間呈線性關(guān)系。曲線的線性范圍越寬，實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的范圍也越寬，最大頻偏也越大。

2）調(diào)制靈敏度單位調(diào)制電壓所產(chǎn)生的頻率偏移大小稱為調(diào)制靈敏度。提高靈敏度，可提高調(diào)制信號(hào)的控制作用。

3）中心頻率穩(wěn)定度調(diào)頻波的中心頻率就是載波頻率。雖然調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率隨調(diào)制信號(hào)變化。但要求調(diào)頻電路中心頻率要有足夠的穩(wěn)定度。例如，調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)，要求中心頻率頻移不超出±2kHz。

4）頻偏是指在正常調(diào)制電壓作用下，所能達(dá)到的最大頻率偏移量。它是根據(jù)對(duì)調(diào)頻指數(shù)的要求確定的，要求其數(shù)值在整個(gè)調(diào)制信號(hào)所占有的頻帶內(nèi)保持穩(wěn)定。

2．變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路1）變?nèi)荻O管饋電電路圖6-13變?nèi)荻O管饋電電路

（a）直流饋電等效電流(b)調(diào)制信號(hào)饋電等效電路圖6-14變?nèi)荻O管饋電等效電路

2）變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路圖6-15變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路圖6-16變?nèi)荻O管直接調(diào)頻交流等效電路

3）晶體振蕩器直接調(diào)頻電路圖6-17晶體振蕩器調(diào)頻電路圖5-18晶體振蕩器調(diào)頻電路交流等效電路4）變?nèi)荻O管間接調(diào)頻間接調(diào)頻的基本方法是：先對(duì)調(diào)制信號(hào)積分，將積分后的信號(hào)加到調(diào)相器對(duì)載波調(diào)相，從調(diào)相器輸出的便是對(duì)調(diào)制信號(hào)而言的調(diào)頻信號(hào)。

圖6-19變?nèi)荻O管間接調(diào)頻電路6.4鑒頻器調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)稱為頻率檢波，也稱鑒頻；調(diào)相信號(hào)的解調(diào)稱為相位檢波，也稱鑒相。它們的作用是分別從調(diào)頻信號(hào)和調(diào)相信號(hào)中檢出原調(diào)制信號(hào)。

6.4.1鑒頻概述1.鑒頻特性及鑒頻的實(shí)現(xiàn)方法1）鑒頻特性圖6-20鑒頻特性曲線

通常將鑒頻特性曲線在中心頻率處的斜率稱為鑒頻靈敏度（也稱鑒頻跨導(dǎo)），即

的單位為V／Hz。鑒頻特性曲線越陡峭，就越大，表明鑒頻電路將輸入信號(hào)頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓變化的能力就越強(qiáng)。

為了不失真地解調(diào)，要求鑒頻特性在附近應(yīng)有足夠?qū)挼木€性范圍，用2表示，如圖6-20所示。要求2應(yīng)大于調(diào)頻信號(hào)的最大頻偏的兩倍，即2＞2。2也稱為鑒頻電路的帶寬。

2）鑒頻的實(shí)現(xiàn)方法

⑴斜率鑒頻器

實(shí)現(xiàn)模型如圖6-21所示。先將等幅調(diào)頻信號(hào)送入頻率—振幅線性變換網(wǎng)絡(luò)，變換成幅度與頻率成正比變化的調(diào)幅一調(diào)頻信號(hào)，然后用包絡(luò)檢波器進(jìn)行檢波，還原出原調(diào)制信號(hào)。

圖6-21斜率鑒頻器實(shí)現(xiàn)模型

⑵相位鑒頻器

實(shí)現(xiàn)模型如圖6-21所示。先將等幅調(diào)頻信號(hào)送入頻率—振幅線性變換網(wǎng)絡(luò)，變換成幅度與頻率成正比變化的調(diào)幅一調(diào)頻信號(hào)，然后用包絡(luò)檢波器進(jìn)行檢波，還原出原調(diào)制信號(hào)。

圖6-22相位鑒頻器實(shí)現(xiàn)模型

⑶脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻器

實(shí)現(xiàn)模型如圖6-23所示。先將等幅的調(diào)頻信號(hào)送入非線性變換網(wǎng)絡(luò)，將它變?yōu)檎{(diào)頻等寬脈沖序列，該等寬脈沖序列含有反映瞬時(shí)頻率變化的平均分量，通過(guò)低通濾波器就能輸出反映平均分量變化的解調(diào)電壓。

圖6-23脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻器實(shí)現(xiàn)模型⑷鎖相鑒頻器

利用鎖相環(huán)路進(jìn)行鑒頻，這種方法在集成電路中應(yīng)用甚廣，鎖相鑒頻器工作原理將在后面鎖相環(huán)路中介紹。6.4.2斜率鑒頻器1.基本原理（a）變換網(wǎng)絡(luò)（b）調(diào)頻信號(hào)變?yōu)檎{(diào)幅－調(diào)頻信號(hào)（c）單失諧回路鑒頻器圖6-24斜率鑒頻器工作原理2.雙失諧回路斜率鑒頻器（a）電路（b）電壓諧振曲線（c）鑒頻特性圖6-25雙失諧回路斜率鑒頻器

3．集成斜率鑒頻器電路（a）鑒頻器電路（b）頻幅變換網(wǎng)絡(luò)電抗曲