高频电子系统课件-角度调制与解调

第10章角度调制与解调第10章角度调制与解调10.1概述10.2调角波的性质10.3调频方法概述10.4变容二极管调频电路10.6间接调频电路10.7相位鉴频器10.8比例鉴频器第10章角度调制与解调振幅调制是使载波的振幅受调制信号的控制，使它依照调制信号频率作周期性变化，变化的幅度与调制信号的强度成线性关系，但载波的频率和相位则保持不变不受调制信号的影响，高频振荡振幅的变化携带着信号所反映的信息。因此振幅调制属于线性频谱变换。线性频谱变换：在频谱搬移过程中，变换前后，频谱未发生变化。10.1概述第10章角度调制与解调概述角度调制中，载波的瞬时频率或瞬时相位受调制信号的控制，作周期性的变化，变化的大小与调制信号的强度成线性关系，变化的周期由调制信号的频率所决定。但已调波的振幅保持不变，不受调制信号的影响，高频振荡角度的变化携带着信号所反映的信息。因此角度调制属于非线性频谱变换。非线性频谱变换：在频率变换前后，频谱结构发生了变化。第10章角度调制与解调[例]有一载波为100MHz。调制信号为500Hz。1）当调制信号的幅度为某一给定值时，能使载波由未调制时的100MHz，向两边变动各10kHz，因而所得到的调频波频率变化自99.99MHz至100.01MHz，变化速率为每秒500次。2）如果调制信号的频率增为1000Hz，幅度不变，则调频波频率变化仍是自99.99MHz至100.01MHz，但变化速率为每秒1000次。概述第10章角度调制与解调3）如果调制信号的频率为1000Hz，幅度增加一倍，则调频波频率变化是自99.98MHz至100.02MHz，变化速率为每秒1000次。由此可知，在调频波中，调制信号的振幅由载波频率的移动数量所示出，而调制信号的频率由载波的移动速率所示出。以上讨论完全适用于调相波。无论是调频还是调相，都会使载波的相角变化，因此二者统称为角度调制。概述第10章角度调制与解调与振幅调制相比，角度调制的优点：抗干扰性强。调频主要用于调频广播、广播电视、通信及遥测等；调相主要用于数字通信系统中的移相键控。在模拟系统中一般是用调频，或者先产生调相波，然后将调相波转变为调频波。概述第10章角度调制与解调调频波的主要指标：1）频谱宽度调频波的频谱从理论上来说，是无限宽的。但实际上，如果略去很小的边频分量，则它所占据的频带宽度是有限的。根据频带宽度的大小，可以分为宽带调频与窄带调频两大类。调频广播多用宽带调频，通信多用窄带调频。概述第10章角度调制与解调2）寄生调幅调频波应该是等幅波。实际上在调频过程中，往往引起不希望的振幅调制，这称为寄生调幅。显然，寄生调幅应该越小越好。3）抗干扰能力与振幅调制相比，宽带调频的抗干扰能力要强得多。但在信号较弱时，则宜采用窄带调频。本章重点讨论调频。概述第10章角度调制与解调10.2调角波的性质调角时，高频振荡的频率或相位是变化的。为此，首先需要建立瞬时频率和瞬时相位的概念。瞬时频率与瞬时相位：频率定义：就是简谐振荡每秒钟重复的次数。瞬时频率：每一瞬间的频率是各不相同的。角速度(t))(t0tTT2T2T第10章角度调制与解调瞬时相位：瞬时相位(t)等于矢量在t时间内转过的角度与初始相角0之和，即式中的积分是矢量从0到t时间间隔内所转过的角度。将上式两边积分得上式说明，瞬时频率（即旋转矢量的瞬时角速度）(t)等于瞬时相位对时间的变化率。调角波的性质tdttt00)()(dttdt)()(第10章角度调制与解调调频波和调角波的数学表示式设调制信号为(t)，载波振荡（电压或电流）为根据定义，调频时载波的瞬时频率(t)随(t)成线性变化，即0(t)是未调制时的载波中心频率；调角波的性质)(cos)(0tAta)()(0tktf第10章角度调制与解调kf(t)是瞬时频率相对于0的偏移，叫做瞬时频率偏移，简称频率偏移或频移。频移以(t)表示，即(t)的最大值叫做最大频移，以表示，即式中kf是比例常数，表示单位调制信号所引起的频移，单位是rad/s•V，习惯上把最大频移称为频偏调角波的性质)()(tktfmax)(tkf第10章角度调制与解调根据调频波的瞬时频率可以求出的瞬时相位为右边第二项表示调频波的相移，以表示，即f(t)的最大值即为调频波的调制指数，以mf表示。调角波的性质tftfdttktdttkt0000)()]([)(tffdttkt0)()(第10章角度调制与解调调频波的调制指数mf为带入得这就是由(t)调制的调频波的数学表达式。调角波的性质tfdttktAta000)(cos)(max0)(tffdttkm第10章角度调制与解调如果用(t)对式表示的载波进行调相，则根据定义，载波的瞬时相位(t)应随(t)线性地变化，即式中，0t表示未调制时载波振荡的相位；kp(t)表示瞬时相位中与调制信号成正比例地变化的部分，叫做瞬时相位偏移，简称相位偏移或相移。调角波的性质)(cos)(0tAta)()(0tkttp第10章角度调制与解调相移以(t)表示，即(t)的最大值叫做最大相移，或称调制指数。调相波的调制指数以mp表示，即式中kp是比例常数，表示单位调制信号所引起的相移的大小，单位是rad/V调角波的性质)()(tktpmax)(tkmpp第10章角度调制与解调于是得到调相波的数学表达式为求得调相波的瞬时频率为上式右边第二项表示调相波的频移，以p(t)表示，即调角波的性质)(cos)(00tktAtapdttdkdttdtp)()()(0dttdktpp)()(第10章角度调制与解调无论是调频还是调相，瞬时频率和瞬时相位都在同时随时间发生变化。在调频时，瞬时频率的变化与调制信号成线性关系，瞬时相位的变化与调制信号的积分成线性关系；在调相时，瞬时相位的变化与调制信号成线性关系，瞬时频率的变化与调制信号的微分成线性关系。调角波的性质第10章角度调制与解调图10.2.1调频信号波形0FM0ttmtt0(t)C00调角波的性质第10章角度调制与解调调角波的性质tfdttktA000)(cos)(cos00tktAp)(0tkfdttdkp)(0tfdttkt00)()(0tktpmax)(tkfmax)(dttdkpmax0)(tfdttkmax)(tkp调制信号为(t)；载波信号为A0cos0t调频波调相波数学表达式瞬时频率瞬时相位最大频移最大相移调角波振幅是恒定的。调频信号的基本参量是振幅A0、载波中心频率0、最大频偏和调频指数mf。调频比例常数kf是由调频电路决定的一个常数。第10章角度调制与解调例：图中调制信号为矩形波，根据上表所示的诸式，可以得出在调频与调相两种情况下，频率变化与相位变化的波形。调角波的性质02t振幅调制信号第10章角度调制与解调调角波的性质02t)(tf调频)(a02t)(tf02t)(tp02t)(tp调相)(b第10章角度调制与解调若调制信号为(t)=Vcost，未调制时的载波频率为0，则根据调频波表达式可以写出调频数学表达式为：调角波的性质)sincos(sincos)(0000tmtAtVktAtaffVkmffVkff第10章角度调制与解调根据调相波表达式可以写出调相的数学表达式为：调角波的性质)coscos(coscos)(0000tmtAtVktAtappVkmppVkpp第10章角度调制与解调调频信号、mf与V、的关系0mfmf0Vmfmf调角波的性质VkmffVkff第10章角度调制与解调调相信号、mp与V、的关系0mpmp0Vmpmp调角波的性质VkmppVkpp第10章角度调制与解调重要结论：调频波的最大频移f与调制频率无关，最大相移mf则与成反比；调相波的最大频移p与成正比，最大相移mp则与调制频率无关。正是由于这一根本区别，调频波的频谱宽度对于不同的几乎维持恒定；调相波的频谱宽度则随的不同而有剧烈变化。调角波的性质第10章角度调制与解调无论调频还是调相，最大频移与调制指数之间的关系都是相同的。若对于调频和调相，最大频移都用表示，调制指数都用m表示，则与m之间满足以下关系：式中，调角波的性质mFfm或者2f2F第10章角度调制与解调调频波中存在着三个有关的概念：1）未调制时的中心载波频率为f0；2）最大频移f表示调制信号变化时，瞬时频率偏离中心频率的最大值；3）调制信号频率F，表示瞬时频率在其最大值f0+f和最小值f0-f之间每秒钟往返摆动的次数。由于频率变化总是伴随着相位的变化，因此，F也表示瞬时相位在自己的最大值与最小值之间每秒钟往返摆动的次数。调角波的性质第10章角度调制与解调[例1]调制信号为(t)=Vsint，载波为0(t)=V0cos0t，试分别求调幅波、调频波和调相波的表达式。分析：调幅是载波的振幅随调制信号线性变化；调频是载波的瞬时频率随调制信号线性变化；调相是载波的瞬时相位随调制信号线性变化。[解]调幅时调角波的性质)sin1(sin)(00tmVtkVVtVattmVtaaAM00cos)sin1()(第10章角度调制与解调调频时调相时调角波的性质tVktfsin)(0tmttVktdtttfftcoscos)()(000)coscos()(00tmtVtafFMtmttVkttppsinsin)(00)sincos()(00tmtVtapPM第10章角度调制与解调[例2]载波振荡频率为f0=25MHz，振幅V0=4V；调制信号为单频正弦波，频率F=400Hz，最大频偏f=10kHz。试写出：1）调频波和调相波的数学表达式；2）若调制频率变为2kHz，所有其他参数不变，写出调频波和调相波的数学表达式。[解]单频正弦波为(t)=Vsint调角波的性质2540010103Ffmfppppmm第10章角度调制与解调1）调频波的数学表达式调相波的数学表达式调角波的性质)800cos251050cos(4)]4002cos(2510252cos[4)(66tttttFM)800sin251050cos(4)]4002sin(2510252cos[4)(66tttttPM2540010103Ffmp第10章角度调制与解调2）若调制频率变为2kHz，则由于，所以调相制的调相指数不变。调频波的数学表达式调相波的数学表达式调角波的性质5200010103FfmfVkmpp)104cos51050cos(4)]1022cos(510252cos[4)(3636tttttFM)104sin251050cos(4)]1022sin(2510252cos[4)(3636tttttPM第10章角度调制与解调[例3]调角波的数学式为，问：这是调频波还是调相波？求其调制频率、调制指数、频偏以及该调角波在100电阻上产生的平均功率。[分析]由于没有给定调制信号的数学表达式是cost还是sint，因此该调角波可能是调频波也可能是调相波。[解]1）当调制信号为Vcos104t时，该调角波