第7章--频率调制与解调

第7章频率调制与解调第7章频率调制与解调7.1调频信号分析7.2调频器与调频方法7.3调频电路7.4鉴频器与鉴频方法7.5鉴频电路7.6调频收发信机及特殊电路7.7调频多重广播第7章频率调制与解调角度调制概述频率调制（调频FM）：使高频载波信号的频率按调制信号的规律变化，得到调频波信号。相位调制（调相PM）：使高频载波信号的相位按调制信号的规律变化，得到调相波信号。调频信号的解调（鉴频FD）：从调频波信号中恢复出调制信号。调相信号的解调（鉴相PD）：从调相波信号中恢复出调制信号。第7章频率调制与解调载波信号：调制信号：调频波信号：调相波信号：波形：第7章频率调制与解调二、角度调制的优点与用途优点:1、抗干扰能力强2、FM广播音质好，但BW宽，波段内容纳的电台数小；主要用于超短波波段。如：调频广播：（88~108）MHz，BW=180KHz。3．发射功率小。作用:调频主要用于调频广播、广播电视、通信与遥控遥测等。调相主要用于数字通信。FMAM同步检波门限odBininNSdBoutoutNS第7章频率调制与解调调频与调相的关系：（1）调频必调相，调相必调频（2）鉴频和鉴相也可以相互利用角度调制的优点：抗干扰和噪声的能力较强角度调制的缺点：（1）频带利用率不高（2）原理和电路实现上都要困难一些第7章频率调制与解调0()()sinsin()tmccfctdtttmtt()()()cosccfcmttkutt瞬时相位：sin()cos(sin)Re[]fcjmtjtFMCcfCutUtmtUeeFM波的表示式：调频灵敏度最大角频偏调频指数调制深度7.1调频信号分析7.1.1调频信号的参数与波形1.调频信号分析调制信号：uΩ(t)=UΩcosΩt载波电压：uC=UCcosωct瞬时角频率：第7章频率调制与解调2.主要调频参数UkfmFfmmmf2mmffk——调频灵敏度——最大角频偏——最大频偏——调频指数，调制深度第7章频率调制与解调3.调频波的波形tUucosutUuCCCcosCuttmCcos)()sincos(tmtUufCCFM)(sin)(ttmttCfC)(t)(tuFM第7章频率调制与解调sin()fjmtjntnfneJme7.1.2调频波的频谱()()Re[()]()cos()cjtntFMCnfnCnfcnutUJmeUJmnt调频波的级数展开式为：1．调频波的展开式sin()cos(sin)Re[]fcjmtjtFMCcfCutUtmtUee第7章频率调制与解调Jn(mf)是宗数为mf的n阶第一类贝塞尔函数:20(1)()2()!()!fnnmnfmmJmmnm第一类贝塞尔函数曲线：特性:Jn(mf)=J-n(mf)，n为偶数Jn(mf)=-J-n(mf)，n为奇数第7章频率调制与解调单频的调频波是由许多频率分量构成，属非线性调制2．调频波的频谱结构和特点级数展开式进一步写成uFM(t)=UC［J0(mf)cosωct+J1(mf)cos(ωc+Ω)t-J1(mf)cos(ωc-Ω)t+J2(mf)cos(ωc+2Ω)t+J2(mf)cos(ωc-2Ω)t+J3(mf)cos(ωc+3Ω)t-J3(mf)cos(ωc-3Ω)t+…］第7章频率调制与解调单频调制时FM波的振幅谱：Ω为常数：Δωm为常数：uFM(t)=UC［J0(mf)cosωct+J1(mf)cos(ωc+Ω)t-J1(mf)cos(ωc-Ω)t+J2(mf)cos(ωc+2Ω)t+J2(mf)cos(ωc-2Ω)t+J3(mf)cos(ωc+3Ω)t-J3(mf)cos(ωc-3Ω)t+…］第7章频率调制与解调对于一般情况,带宽为Bs=2(mf+1)F=2(Δfm+F)3调频波的信号带宽通常采用的准则是,信号的频带宽度应包括幅度大于未调载波1%以上的边频分量,即|Jn(mf)|≥0.01当mf很大时,此时带宽为Bs=2nF=2mfF=2Δfm当mf很小时,如mf0.5,为窄频带调频,此时Bs=2F第7章频率调制与解调由于余弦项的正交性,总和的均方值等于各项均方值的总和4调频波的功率调频信号uFM(t)在电阻RL上消耗的平均功率为第7章频率调制与解调（1）概念调相波是其瞬时相位以未调载波相位φc为中心按调制信号规律变化的等幅高频振荡。（2）表达式uΩ(t)=UΩcosΩt，uC(t)=UCcosωct则调相波其瞬时相位为：φ(t)=ωct+Δφ(t)=ωct+kpuΩ(t)=ωct+ΔφmcosΩt=ωct+mpcosΩt调相信号为：uPM(t)=UCcos(ωct+mpcosΩt)7.1.5调频波与调相波的比较1．调相波第7章频率调制与解调()()sinsincpcmdttmttdt（3）主要参数——最大频偏UkmppmUkpmmpm——调相指数pk——调相灵敏度——最大相偏瞬时频率为：第7章频率调制与解调（3）调相波波形tUuCcCcostUktpcos)(tUucostUktpsin)(tUktpcsin)()coscos()(tUktUtupCCPM第7章频率调制与解调调频波瞬时相位为：tUkttpCPMcos)(tmCcos2.调频与调相的关系调相波瞬时频率为：'costUkpcdttUktfccos第7章频率调制与解调调频波与调相波的比较第7章频率调制与解调例：角调波u（t）=10cos(2ⅹ106t+10cos2000πt)（V），试确定：（1）最大频偏；（2）最大相偏；（3）信号带宽；（4）此信号在单位电阻上的功率；（5）能否确定这是FM波还是PM波？44432000/1000Hz()10cos200010cos2000()(1)210sin2000210/,10Hz2(2)10(3)2()2(101)1022kHz(4)根据给定条件，可以看出，，=，最大频偏最大相偏信号带宽因为调角波的功率解：mmmmPSmradSFttdtdttdtdtradsfmradBfF221050W22(5)就等于载波功率，所以P因为题中没给出调制信号的形式，因此无法判定它是FM还是PM信号。CLUR第7章频率调制与解调Utf~)(7.2.1调频器调频器（调频电路）：实现调频的电路或部件Utf~)(调频特性曲线：7.2调频器与调频方法调频特性的要求:（1）调制特性线性要好（2）调制灵敏度要高（3）载波性能要好（即已调波的中心频率）应具有一定的频率稳定度。第7章频率调制与解调7.2.2调频方法两类：直接调频法、间接调频法1．直接调频法常用方法：变容二极管直接调频特点：调制器与振荡器合二为一可以获得较大的频偏（优点）频率稳定度差（缺点）概念：用调制电压直接控制振荡器的振荡频率,使振荡频率f(t)按调制电压的规律变化LC振荡器：控制振荡回路的某个元件(L或C)张弛振荡器：控制电容的充放电速度第7章频率调制与解调2．间接调频法(阿姆斯特朗法）思想：特点：调制器与振荡器分开频率稳定度好（优点）设备复杂（缺点）实现间接调频的关键是如何进行相位调制。通常,实现相位调制的方法有如下三种：矢量合成法、可变移相法、可变延时法第7章频率调制与解调间接调频（矢量合成方式）对于单音调相信号：uPM=Ucos(ωct+mpcosΩt)=Ucosωctcos(mpcosΩt)-Usin(mpcosΩt)sinωct当mp≤π/12时，上式近似为uPM≈Ucosωct-UmpcosΩtsinωct第7章频率调制与解调（2）可变移相法利用调制信号控制移相网络的电抗或电阻元件来实现调相。谐振回路：（3）可变延时法将载波信号通过一可控延时网络，延时时间τ受调制信号控制，即τ=kduΩ(t)输出信号为u=Ucosωc(t-τ)=Ucos［ωct-kdωcuΩ(t)］——调相信号第7章频率调制与解调0(1)jCCuu式中C0为变容二极管零偏时的电容，uφ为变容二极管PN结的势垒电位差，为结电容变化指数。7.3调频电路一、直接调频电路1、变容二极管直接调频电路(1)变容二极管调频原理变容二极管结电容Cj与在其两端所加反偏电压u之间存在着如下关系:第7章频率调制与解调图7-12变容管的Cj～u曲线0Cj＝2＝1/3＝1/2u/V(a)0Cj/pFu/V(b)2060402468第7章频率调制与解调加的调制信号电压uΩ(t)=UΩcosΩt后()cosQQuEutEUtQQEUuEUm———电容调制度静态工作时：0E(1)jQQCCCu001EcosE(1cos)(1)(1)E(1cos)jQQQQCCCUtUtuuuCmt第7章频率调制与解调振荡频率为：γ=2时：(1cos)jQCCmt第7章频率调制与解调忽略高次项,上式可近似为一般情况下，≠2，展开成幂级数：——中心频率漂移——最大角频偏——二次最大角频偏中心频率漂移第7章频率调制与解调2）Cj作为回路部分电容利用对变容二极管串联或并联电容的方法来调整回路总电容C与电压u之间的特性。回路的总电容为：振荡频率为：在工作点EQ处展开：第7章频率调制与解调式中：最大频偏为：特点（和Cj为回路总电容时比较）：相对频偏减小（缺点）中心频率稳定度提高（优点）第7章频率调制与解调7.4.1鉴频器鉴频特性：变换器的变换特性鉴频特性的要求:（1）线性范围要宽，线性度好（2）鉴频跨导（鉴频灵敏度）要大)(~tfuo鉴频器（频率检波器）：调频波解调电路，f/v变换器)(~tfuo鉴频特性曲线：cffoDdfduS0foDfdduS7.4鉴频器与鉴频方法第7章频率调制与解调7.4.2鉴频方法波形变换法锁相环解调法调频负反馈解调法正交鉴频法振幅鉴频法相位鉴频法间接鉴频法：直接鉴频法：脉冲计数式鉴频法乘积型叠加型直接时域微分斜率鉴频法第7章频率调制与解调1.振幅鉴频法变换电路特性：基本思想：uFM-AM（1）直接时域微分法原理：uFM-AM第7章频率调制与解调00()cos[()]()[()]sin[()]tFMcftFMcfcfutUtkfdutuUkfttkfddt对此式直接微分可得由上式可以看出：电压u的振幅与瞬时相位成正比，故上式为一个FM-AM波。然后利用包络检波器从此FM-AM波提取出原调制信号即可。)()(tuktfc原理：设调制信号为uΩ=f(t)，调频波为：第7章频率调制与解调（2）斜率鉴频法原理：利用调谐回路的失谐状态，即其幅频特性倾斜部分对FM波解调单回路斜率鉴频器电路：问题：单调谐回路的谐振曲线的倾斜部分线性度较差。第7章频率调制与解调双离谐平衡鉴频器：第7章频率调制与解调特点：①失真小，灵敏度高于单回路②适于解调大频偏信号③不易调整第7章频率调制与解调2.相位鉴频法原理框图：设输入鉴相器的两个信号分别为：第7章频率调制与解调tmtUufcsssincosus移相网络us′低通滤波uoK（1）乘积型相位鉴频法（积分鉴频法）线性相移网络：单谐振回路(或耦合回路)tmtUufcsssincos''002arctan2ffQ乘积型鉴相器002arctansin2ffQUUKusso鉴相器输出：利用乘积型鉴相器实现鉴频的方法第7章频率调制与解调（2)叠加型相