高频电子线路第六章角度调制与解调1

6.1概述6.2角度调制电路6.3鉴相电路6.4鉴频电路tV000cosvΩtVcosvtV000cosvΩtVcosv0–Dm0+DmAMFM调频波的指标寄生调幅频谱宽度抗干扰能力调制后信号带宽一般远大于原调制信号带宽⑴发射：调频指数、调相指数大于调幅指数⑵接收：因为调角信号为等幅信号，其幅度不携带信息，故可采用限幅电路消除干扰所引起的寄生调幅。调角信号功率等于未调制时的载波功率，与调制指数m无关，因此不论m为多大，发射机末级均可工作在最大功率状态，从而可提高发送设备的利用率。幅度调制角度调制调频FM调相PM载波信号的受控参量振幅频率相位解调方式相干解调或非相干解调鉴频或频率检波鉴相或相位检波解调方式的差别频谱线性搬移频谱结构无变化频谱非线性频谱结构发生变化属于非线性频率变换特点频带窄频带利用率高频带宽频带利用不经济、抗干扰性强，设备利用率高。用途广播电视通信遥测数字通信调幅AM图6.1.1利用波形变换电路进行鉴频End鉴频器的指标鉴频灵敏度鉴频跨导鉴频频带宽度寄生调幅抑制能力失真和稳定性图6.1.2鉴频特性曲线6.2.1瞬时频率与瞬时相位6.2.2调频波和调相波的数学表示式6.2.3调频波和调相波的频谱和频带宽度调频是使高频载波的瞬时频率按调制信号规律变化的一种调制方式；调相是使高频载波的瞬时相位按调制信号规律变化的一种调制方式。因为这两种调制都表现为高频振荡波的总瞬时相角受到调变，故将它们统称为角度调制(简称调角)。瞬时频率)(t瞬时相位)(t00t0实轴)(ttt)(t00d)(ttt)(ddtt1.调频信号：uFM(t)调频信号的瞬时角频率载波：uc(t)=Ucmcosωct调制信号为uΩ(t)瞬时相位ω(t)=ωc+kfuΩ(t)tfctduktdt00)()()(瞬时频率瞬时相位频率偏移或频移)(t)(t00d)(ttt)(ddtt•调频波的一般表达式0cos[()]cos()tFMcmccmfVttVkdtt瞬时相位偏移0()()()tftktdttD的积分调频波的瞬时频偏()()()ftkttD最大角频移（频偏）max()mfktD最大相移（相偏）0max()tmfktdtD（调频波相位变化的最大值）fm调制指数调频信号波形特点:①振幅不变，等于载波振幅.②频率变，瞬时角频率是在固定载波频率上叠加一个与调制信号电压成正比的角频率偏移.③相位变,瞬时相位偏移是在随时间变化的载波相位上叠加一个与调制信号电压积分成正比瞬时相位偏移.•2.调相信号设高频载波调制信号为则，PM波的瞬时相位为PM波的瞬时角频率为其中，kp为由调制电路确定的比例系数（或调相灵敏度），表示单位调制电压引起的相位的变化量。cosccmcVt()t()()()ccpttttktD()()()()cpcdtdttktdtdtD•调相波的一般表达式cos()cos[()]PMcmcmcpVtVtkt()()ptktD瞬时角频移：()()pdttkdtD最大相移：max()mpktD（调相波相位变化的最大值）最大角频偏：max()mpdtkdtD⑴调相信号)](cos[)(tuktUtupccmpM⑵调相信号波形特点:①振幅不变，等于载波振幅.②频率变，瞬时角频率是在固定载波频率上叠加一个与调制信号电压的导数成正比的角频率偏移③相位变,瞬时相位在随时间变化的载波相位上叠加一个与调制信号电压成正比瞬时相位偏移数学表达式ttKtVtdf)(cos000v瞬时频率瞬时相位最大频移调制指数FM波PM波ttkddp)(0vtttKt0f0d)(vmax)(ttKddpmDvmax0ffd)(ttKmtvmaxpp)(tKmv附：上述比较中的调制信号v(t)，载波V0cos0(t))(cos00tKtVvp)(f0tKv)(0tKtvpmaxfm)(tKDv以单音调制波为例调制信号tVtcos)(v调频调相ΩtVktcos)(0f瞬时频率0f0sin)(ΩtVktt瞬时相位VkmffDfΩtVktsin)(0p瞬时频率0p0cos)(ΩtVktt瞬时相位VkmppDpDmΩmpΔωmΔωmΩmfΩ调频调相可以看出调相的信号带宽随调制信号频率的升高而增加，而调频波则不变，有时把频率调制叫做恒定带宽调制。VkmffDfVkmppDp对于调相，仅当F变化时，频率分量不变，但带宽变化。特别是F增加时，带宽增加。对于Fmin～Fmax而言，Fmax决定总的带宽，低端频率分量的频谱利用率不高。因此，模拟通信系统中调频要比调相应用得广泛。由于调频波和调相波的方程式相似，因此只要分析其中一种的频谱，则对另一种也完全适用。已调频信号)sincos()(00ΩtmtVtaf已调相信号)coscos()(00ΩtmtVtap已调频信号)sincos()(00ΩtmtVtaf)]sinsin(sin)sincos([cosf0f00ΩtmtΩtmtV其中tnmJmJΩtmn2cos)(2)()sincos(120fnffΩtnmJtmn)12sin()(2)sinsin(012fnf)(fnmJ是以mf为参数的n阶第一类贝赛尔函数。一、频谱调制信号tVtcos)(v一、频谱]})12sin()(2[sin]2cos)(2)([{cos)(0f1n201fn2f000ΩtnmJttnmJmJtVtann]sin)12sin()(2cos2cos)(2cos)([002012000ttnmJttnmJtmJVnnf1nfnf}])12(cos[])12({cos[)(]})2cos()2[cos()(cos)({0001200012000tntnmJVtntnmJtmJVnnfnfnf一、频谱1)单音调制时，调频波的频谱不是调制信号频谱的简单搬移，而是由载波和无数对边带分量所组成，它们的振幅由对应的各阶贝塞尔函数值所确定。其中，奇次的上、下边带分量振幅相等、极性相反；偶次的振幅相等、极性相同。2)调制指数mf越大，具有较大振幅的边频分量就越多。这与调幅波不同，在单频信号调幅的情况下，边频数目与调制指数无关。3)载波分量和各边带分量的振幅均随mf变化而变化。对于某些mf值，载频或某边频振幅为零。籍此可以测定调制指数mf。上式表明，当V0一定时，不论mf为何值，调频波的平均功率恒为定值，并且等于未调制时的载波功率。换句话说，改变mf仅会引起载波分量和各边带分量之间功率的重新分配，但不会引起总功率的改变。4)根据帕塞瓦尔(Parseval)定理调频波的平均功率等于各频谱分量平均功率之和。因此，在电阻R上，调频波的平均功率应为])(2)(2)([202121222020nnmJmJmJRVPfnfnfffnf])(2)([2122020nmJmJRVRV220虽然调频波的边频分量有无数多个，但是，对于任一给定的mf值，高到一定次数的边频分量其振幅已经小到可以忽略，以致滤除这些边频分量对调频波形不会产生显著的影响。二、带宽通常规定：凡是振幅小于未调制载波振幅的1％(或10％，根据不同要求而定)的边频分量均可忽略不计，保留下来的频谱分量就确定了调频波的频带宽度。如果将小于调制载波振幅l0％的边频分量略去不计，则频谱宽度BW可由下列近似公式求出：FmBW)1(2f在实际应用中也常区分为：DD)(22,10)1(2,1)AM(2,1mmfFMffFMfFMf为最大频偏称为宽带调频,波频带相同与称为窄带调频,ffFmBmFmBmFBm从上面的讨论知道，调频波和调相波的频谱结构以及频带宽度与调制指数有密切的关系。总的规律是：调制指数越大，应当考虑的边频分量的数目就越多，无论对于调频还是调相均是如此。这是它们共同的性质。但是，由于调频与调相制与调制频率F的关系不同，仅当F变化时，它们的频谱结构和频带宽度的关系就互不相同。FmBW)1(2f例：在调频广播系统中，按国家标准，若调制信号F为50Hz——15kHz，试计算频谱宽度。kHzf75DFmBW)1(2fFfVkmfDDfEnd下面分析一下含多个频率成分信号调制的调频信号的频谱，)]sinsin(sin)sincos([cos)(10100NnnNnntmttmtVtanfnf)]sinsinsin(sin)sinsincos([cos)(22110221100tmtmttmtmtVtaffff以双频信号为例tnmJmJtmn2cos)(2)()sincos(120fnfftnmJtmn)12sin()(2)sinsin(012fnf此时增加了许多组合频率，使频谱组成大为复杂。因此，调频与调相制属于非线性调制。6.3.1直接调频原理6.3.2间接调频原理产生调频信号的电路叫做调频器。对它有四个主要要求：（1）已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化。这是基本要求。（2）未调制时的载波频率，即已调波的中心频率具有一定的稳定度（视应用场合不同而有不同的要求）。（3）最大频移与调制频率无关。（4）无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。产生调频信号的方法很多，归纳起来主要有两类：第一类是用调制信号直接控制载波的瞬时频率——直接调频。第二类是由调相变调频——间接调频。直接调频的基本原理是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。因此，凡是能直接影响载波振荡瞬时频率的元件或参数，只要能够用调制信号去控制它们，并从而使载波振荡瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，都可以完成直接调频的任务。如果载波由LC自激振荡器产生，则振荡频率主要由谐振回路的电感元件和电容元件所决定。因此，只要能用调制信号去控制回路的电感或电容，就能达到控制振荡频率的目的。End瞬时频率)(t瞬时相位)(t00)(tttd)(ttdd图6.3.1借助于调相器得到调频波tttkt0)()(dfDv])(cos[)(000ttktAtatdpv矢量合成调相法（阿姆斯特朗法）将调相波的一般数学表达式展开，并以Ap代表kp，即得到：ttvAAtAttvAAtvAtAtappp00000000sin)(cossin)](sin[)](cos[cos)(ttvAAtAtap0000sin)(cos)(6.6调频信号的解调(鉴频）6.6.1概述6.6.2振幅鉴频器（斜率鉴频器）6.6.3相位检波器（鉴相器）6.6.4相位鉴频器6.6.5比例鉴频器6.6.6正交鉴频器6.6.1概述鉴频是指从调频信号中恢复出原调制信号的过程。（一）振幅鉴频器（斜率鉴频器）首先进行波形变换，将等幅调频波变换成幅度随瞬时频率变化的调幅波（即FM—AM波），然后用包络检波器将振幅的变化检测出来。tvtvFMtvFM-AM波形变换包络检波vFMvFM-AMv常用的鉴频器主要有如下几类：（二）相位鉴频器首先进行波形变换，将等幅调频波变换成相位随瞬时频率变化的既调频又调相的FM—PM波，然后将此FM—PM信号与原调频信号一起加到相位检波器（鉴相器）上，从而解调出原调制信号。波形变换鉴相器vFMvFM-PMv相位鉴频法的关键是鉴相器，有乘积型和叠加型两种。（三）比例鉴频器在相位鉴频器