角度調(diào)制與解調(diào)高頻電子技術(shù)37791

1、高頻電子技術(shù)第十章 角度調(diào)制與解調(diào)§10.1概述1調(diào)頻相關(guān)概念利用高頻振蕩的頻率或相位的變化來(lái)攜帶信息調(diào)頻或調(diào)相。調(diào)頻波中，調(diào)制信號(hào)的振幅由載波頻率的變化表示；頻率則由載波頻率的變化率表示。無(wú)論是調(diào)頻還是調(diào)相，都是通過(guò)使載波的相角發(fā)生變化來(lái)攜帶信息，因此統(tǒng)稱為角度調(diào)制（調(diào)角）。角度調(diào)制的抗干擾能力很強(qiáng)。調(diào)頻主要應(yīng)用于模擬系統(tǒng)中，如調(diào)頻廣播、廣播電視等；調(diào)相主要應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)中，如數(shù)字通信系統(tǒng)中的移相鍵控。本章主要以討論調(diào)頻為主。調(diào)頻波主要指標(biāo)：頻譜寬度、寄生調(diào)幅、抗干擾能力2鑒頻器相關(guān)概念在接收調(diào)頻信號(hào)時(shí)，必須采用頻率檢波器（鑒頻器），鑒頻方法：(1)波形變換，將等幅調(diào)頻波變換成幅度

2、隨瞬時(shí)頻率變化的調(diào)幅波（調(diào)頻-調(diào)幅波），然后用振幅檢波器將振幅的變化檢測(cè)出來(lái)。(2)對(duì)調(diào)頻波過(guò)零點(diǎn)的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻器(3)利用移相器與門電路配合，通過(guò)輸出矩形脈沖的寬度和頻率來(lái)表示調(diào)頻信號(hào)，最后將矩形脈沖的電壓平均值輸出符合門鑒頻器。鑒頻器主要指標(biāo)：(1)鑒頻跨導(dǎo)：鑒頻器的輸出電壓與輸入調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率偏移的比值。圖（P403）圖中中間部分的斜率為跨導(dǎo)，它表示每單位頻偏產(chǎn)生的輸出電壓大小，鑒頻跨導(dǎo)顯然越大越好；(2)鑒頻靈敏度：使鑒頻器正常工作所需的輸入調(diào)幅波的幅度；(3)鑒頻器頻帶：圖（P403）中的寬度為頻帶寬度（跨導(dǎo)的線性區(qū)），一般要求頻帶寬度大于輸入調(diào)頻波頻偏的2倍；(4)

3、對(duì)寄生調(diào)幅的抑制能力；(5)減小能產(chǎn)生調(diào)頻波失真的各種影響，提高對(duì)電源和溫度變化的穩(wěn)定性；§10.2 調(diào)角波的性質(zhì)10.2.1瞬時(shí)頻率與瞬時(shí)相位圖10.2.2(P404)設(shè)矢量長(zhǎng)度為VM（電壓最大振幅），繞原點(diǎn)反時(shí)鐘方向旋轉(zhuǎn)，角速度為(t)，t= 0時(shí)初始夾角0，時(shí)間為t時(shí)，夾角為(t)，矢量在實(shí)軸的投影（正弦波的瞬時(shí)電壓）為其中瞬時(shí)相角(t)等于矢量在時(shí)間t內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度和初始相角0的和，即上式兩端微分得即瞬時(shí)頻率等于瞬時(shí)相位對(duì)時(shí)間的變化率。10.2.2 調(diào)頻波和調(diào)相波的數(shù)學(xué)表達(dá)式一、調(diào)頻波數(shù)學(xué)表達(dá)式設(shè)調(diào)制信號(hào)V(t)，載波電壓（或電流）：注意：這里不是，因?yàn)檎{(diào)頻時(shí)，載波頻率隨調(diào)制信

4、號(hào)變化，因此不是固定的頻率0，而是根據(jù)調(diào)制信號(hào)的大小來(lái)確定的(t)。調(diào)頻波的載波瞬時(shí)頻率(t)隨調(diào)制信號(hào)V(t)成線性變化：其中0為載波的中心頻率，kfV(t)是瞬時(shí)頻率相對(duì)于0的偏移瞬時(shí)頻率偏移（頻率偏移或頻移），以(t)表示：(t)的最大值稱為最大頻移，或頻偏。故調(diào)頻波的瞬時(shí)相位：（設(shè)初始相位0 = 0）其中相移：（的最大值為調(diào)制指數(shù)mf）則調(diào)頻波的數(shù)學(xué)表達(dá)式：二、調(diào)相波數(shù)學(xué)表達(dá)式調(diào)相波的載波瞬時(shí)相位(t)隨調(diào)制信號(hào)V(t)成線性變化：其中0t為載波未調(diào)相時(shí)的相位，kpV(t)是瞬時(shí)相位相對(duì)于載波未調(diào)相時(shí)初始相位的偏移瞬時(shí)相位偏移（相位偏移或相移），以(t)表示：(t)的最大值稱為最大相移

5、，或調(diào)制指數(shù)。調(diào)相波的數(shù)學(xué)表達(dá)式：調(diào)相波的瞬時(shí)頻率為：其中頻移：三、結(jié)論調(diào)頻：瞬時(shí)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)的積分成線性關(guān)系；調(diào)相：瞬時(shí)相位的變化與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系，瞬時(shí)頻率的變化與調(diào)制信號(hào)的微分成線性關(guān)系；表（P406）例：圖（P407）調(diào)頻：頻率變化反映調(diào)制信號(hào)波形矩形波，相位變化為積分三角波調(diào)相：相位變化反映調(diào)制信號(hào)波形矩形波，頻率變化為微分沖擊函數(shù)設(shè)調(diào)制信號(hào)調(diào)頻：其中調(diào)制指數(shù)：，最大頻移：調(diào)相：其中調(diào)制指數(shù)：，最大頻移：可見(jiàn)，兩種調(diào)制的根本區(qū)別時(shí)：調(diào)頻的最大頻移與無(wú)關(guān)，最大相移與成反比；調(diào)相的最大頻移與成正比，最大相移與無(wú)關(guān)。因此，調(diào)頻波的頻譜寬度對(duì)于不

6、同的信號(hào)頻率幾乎維持恒定，調(diào)相波的頻譜寬度則隨著的不同劇烈變化。但最大頻移和調(diào)制指數(shù)（最大相移）之間的關(guān)系都是相同的：或10.2.3 調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度一、調(diào)頻波頻譜將展開(kāi)，得式（），即其中Jn(mf)是以為參數(shù)的n階第一類貝塞爾函數(shù)，圖（P409）可見(jiàn)，由簡(jiǎn)諧振蕩信號(hào)（正弦波）調(diào)制的調(diào)頻波，其頻譜有以下特點(diǎn)：(1)載波頻率分量0上、下各有無(wú)數(shù)個(gè)邊頻分量，間隔為調(diào)制信號(hào)頻率的整數(shù)倍。奇數(shù)次的上、下邊頻分量相位相反（符號(hào)相反）；(2)由圖可以看出，調(diào)制指數(shù)mf越大，具有較大振幅的邊頻分量越多；(3)對(duì)于某些mf值，載頻或某邊頻振幅（對(duì)應(yīng)的系數(shù)Jn）為零，利用這一點(diǎn)可以測(cè)定調(diào)制指數(shù)。(

7、4)調(diào)頻波的總功率一定，調(diào)制指數(shù)的不同將導(dǎo)致能量從載頻向邊頻分量轉(zhuǎn)移。對(duì)比之下，調(diào)幅波的調(diào)制指數(shù)ma增加，總功率增加，相對(duì)于載波功率（調(diào)幅前功率）增加了。調(diào)頻波的邊頻有無(wú)數(shù)多個(gè)，但對(duì)于某一固定的調(diào)制指數(shù)mf，高到一定次數(shù)的邊頻分量振幅已經(jīng)很小，可以忽略，因此可以藉此規(guī)定調(diào)頻波的帶寬：振幅小于為調(diào)制載波振幅的1%（或10%）的邊頻分量可忽略不計(jì)，保留下來(lái)的分量就能確定調(diào)頻波的帶寬。頻譜寬度可以近似為：（）根據(jù)f不同，調(diào)頻制可分為寬帶和窄帶兩種：寬帶調(diào)頻制：，即，；窄帶調(diào)頻制：，注意：1調(diào)制信號(hào)頻率F的影響（調(diào)制信號(hào)的振幅V不變）：在調(diào)頻波中，雖然調(diào)制指數(shù)mf越大，邊頻分量的數(shù)目就越多，但調(diào)頻波調(diào)

8、制指數(shù)mf與調(diào)制信號(hào)頻率F（）成反比，調(diào)制指數(shù)mf隨調(diào)制信號(hào)頻率F降低而提高，邊頻分量增加，但調(diào)制信號(hào)頻率F減小，使邊頻分量之間的距離減小，最后反而造成頻帶寬度略變窄，實(shí)際頻帶沒(méi)有因?yàn)檫咁l數(shù)量的增加而變寬，因此，調(diào)頻又叫做恒定帶寬調(diào)制。而調(diào)相波中，調(diào)制指數(shù)mp不變（調(diào)制信號(hào)的振幅V不變），邊頻分量的數(shù)目不變，但調(diào)制指數(shù)與調(diào)制信號(hào)頻率F（）無(wú)關(guān)，因此，如果F減小，邊頻分量之間距離減小，頻帶就會(huì)變窄；如果F增加，邊頻分量之間距離增加，頻帶也會(huì)變寬。即：調(diào)頻：減小，mf增大，邊頻分量增加，但分量之間距離減小，總頻帶沒(méi)有變寬；調(diào)相：減小或增大，mp不變，邊頻分量數(shù)目不變，但分量之間距離會(huì)隨減小或增大，

9、從而會(huì)引起頻帶寬度的變窄或變寬；（調(diào)相的分析方法仍然是將展開(kāi)，這里與調(diào)頻不同的是僅將mf換成mp，而mf和mp與信號(hào)頻率F關(guān)系的不同，決定了兩種調(diào)制方法上頻帶變化的不同；，調(diào)制指數(shù)（mf和mp）與調(diào)制信號(hào)的振幅V成正比，調(diào)制信號(hào)波動(dòng)越大，調(diào)制指數(shù)就越大。）2調(diào)制信號(hào)振幅V的影響（調(diào)制信號(hào)頻率F不變）調(diào)制信號(hào)振幅V增大，調(diào)制指數(shù)（mf和mp）都增大，信號(hào)頻率F不變，則調(diào)頻波各頻率分量之間的距離不變，調(diào)相波也不變，因此，調(diào)頻和調(diào)相頻帶寬度同樣增加。3實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)制信號(hào)的幅度是限定的（如音頻信號(hào)的幅度是在一定限度內(nèi)的），而隨著信號(hào)的不同，頻率的變化很大，此時(shí)，在頻帶滿足調(diào)制信號(hào)的幅度的基礎(chǔ)上，調(diào)相

10、要比調(diào)頻消耗更多的頻帶資源。因此，調(diào)頻比調(diào)相的頻帶利用要更經(jīng)濟(jì)，因此模擬通信系統(tǒng)中調(diào)頻制要比調(diào)相制應(yīng)用廣泛。§10.3調(diào)頻方法概述產(chǎn)生調(diào)頻的方法主要有兩類：第一類：用調(diào)制信號(hào)直接控制載波的瞬時(shí)頻率直接調(diào)頻；第二類：先將調(diào)制信號(hào)積分，然后對(duì)載波進(jìn)行調(diào)相，而得到的是調(diào)頻波，即由調(diào)相變調(diào)頻間接調(diào)頻。10.3.1 直接調(diào)頻原理用調(diào)制信號(hào)直接線性地改變載波振蕩的瞬時(shí)頻率。載波由LC自激振蕩器產(chǎn)生，則振蕩頻率主要由諧振回路的電感元件和電容元件所決定，因此只要能用調(diào)制信號(hào)控制回路中的電感或電容，就能達(dá)到控制振蕩頻率的目的。變?nèi)荻O管：利用PN結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓變化的特性改變電容值；鐵氧體磁芯的電

11、感線圈：線圈電流的改變時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)也發(fā)生改變，引起磁芯的磁導(dǎo)率改變，從而引起線圈的電感量改變改變電感值。10.3.2 間接調(diào)頻原理調(diào)頻時(shí)，調(diào)制信號(hào)為v(t)，相移：與信號(hào)V(t)成積分關(guān)系。因此，如果將信號(hào)V(t)積分，然后對(duì)載波調(diào)相，則，這正是調(diào)頻波的數(shù)學(xué)表達(dá)式?？梢?jiàn)，雖然用的是調(diào)相方法，但由于對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了積分，實(shí)際得到的卻是調(diào)頻波。圖（P415）采用穩(wěn)定度很高的振蕩器作為主振，調(diào)制在振蕩器之后的某一級(jí)放大器中進(jìn)行，也就是用積分后的調(diào)制信號(hào)對(duì)主振器送來(lái)的載波振蕩進(jìn)行調(diào)相。§10.4變?nèi)荻O管調(diào)頻優(yōu)點(diǎn)：能夠獲得較大的頻移，所需的調(diào)制功率低；缺點(diǎn)：中心頻率穩(wěn)定度低；10.4.1

12、基本原理變?nèi)荻O管是一種電壓控制可變電抗元件，利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓變化這一特性制成。結(jié)電容Cj與反向電壓vR有如下關(guān)系：其中，VD是PN結(jié)勢(shì)壘電壓（內(nèi)建電勢(shì)差）；Cj0是vR=0時(shí)的結(jié)電容；是系數(shù)，和PN結(jié)的結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體摻雜度有關(guān)。圖（P417）結(jié)電容隨反向電壓變化的關(guān)系把受調(diào)制信號(hào)控制的變?nèi)荻O管接入載波振蕩器的振蕩回路，適當(dāng)選擇變?nèi)荻O管的特性和工作狀態(tài)，可以使振蕩頻率的變化近似地與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系。圖（P417）變?nèi)荻O管調(diào)頻電路虛線左邊是正弦波振蕩器，右邊是變?nèi)荻O管電路，變?nèi)荻O管上的反向偏壓為CC是變?nèi)莨芎椭C振回路之間的耦合電容，用來(lái)隔直流；C為對(duì)調(diào)制信號(hào)的旁路電容

13、；L2是高頻扼流圈，但允許調(diào)制信號(hào)（頻率低）通過(guò)。§10.5晶體振蕩器直接調(diào)頻石英晶體的頻率穩(wěn)定度很高，因此對(duì)石英晶體振蕩器進(jìn)行直接調(diào)頻，可以一定程度上提高中心頻率的穩(wěn)定度（可達(dá)10-5數(shù)量級(jí)）。缺點(diǎn)是所產(chǎn)生的最大頻移很?。?0-4數(shù)量級(jí)）。晶體振蕩器工作于串聯(lián)與并聯(lián)諧振頻率之間，可以等效為一個(gè)高品質(zhì)因數(shù)的電感元件，因此，可以利用變?nèi)荻O管控制晶體振蕩器的振蕩頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。接入振蕩回路兩種方式：1與石英晶體串聯(lián)：變?nèi)荻O管結(jié)電容的變化主要是影響晶體的串聯(lián)諧振頻率fq發(fā)生變化；2.與石英晶體并聯(lián)：變?nèi)荻O管結(jié)電容的變化主要是影響晶體的并聯(lián)諧振頻率fp發(fā)生變化。圖（P426）晶體振蕩器

14、電抗（或電導(dǎo)）曲線和變?nèi)荻O管的電抗（或電導(dǎo)）曲線相加，就得到二者串聯(lián)（或并聯(lián)）等效電抗（或電導(dǎo)）曲線。注：由于并聯(lián)方式存在變?nèi)莨艿牟环€(wěn)定會(huì)影響調(diào)頻信號(hào)中心頻率的穩(wěn)定度的缺點(diǎn)，因此，用的比較廣泛的是串聯(lián)方式。§10.6間接調(diào)頻：由調(diào)相實(shí)現(xiàn)調(diào)頻晶體振蕩器直接調(diào)頻的穩(wěn)定度仍然不能和不調(diào)頻的晶體振蕩器相比，且相對(duì)頻移太小，相比之下，間接調(diào)頻是一種提高頻率穩(wěn)定度的簡(jiǎn)便有效的方法。10.6.1 調(diào)相的方法調(diào)相的方法有三類：調(diào)制信號(hào)控制諧振回路或移相網(wǎng)絡(luò)的電抗或電阻元件實(shí)現(xiàn)調(diào)相；矢量合成法調(diào)相；脈沖調(diào)相。一、諧振回路或移相網(wǎng)絡(luò)的調(diào)相方法1利用諧振回路調(diào)相設(shè)主振之后的放大器負(fù)載為調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，若負(fù)載回

15、路電容在調(diào)制信號(hào)控制下變好了C，且C與v(t)成線性關(guān)系：在的情況下（C0是回路初始電容），回路的相對(duì)失諧為回路失諧導(dǎo)致輸出電壓產(chǎn)生附加的相移，它與失諧的關(guān)系為當(dāng)時(shí)，可近似為將，代入可得可見(jiàn)，在和的條件下，附加相移與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系。注：這種方法只能產(chǎn)生/6以下的最大相移，即最大調(diào)制指數(shù)2利用移相網(wǎng)絡(luò)調(diào)相圖（P429）RC移相網(wǎng)絡(luò)輸入載波電壓經(jīng)過(guò)晶體管（構(gòu)成倒相器）T，在集電極上得到反相電壓（和交流地之間的電壓），在發(fā)射極上得到（和交流地之間的電壓），于是加在移相網(wǎng)絡(luò)RC上的電壓為B點(diǎn)電壓為，R上電壓為，則輸出電壓等于與的矢量和：*注：，可見(jiàn)在的基礎(chǔ)上引入了超前的附加相移，見(jiàn)矢量圖（P430

16、）；，可見(jiàn)在的基礎(chǔ)上引入了滯后的附加相移，見(jiàn)矢量圖（P430）；，故超前90°，即和夾角為90°，見(jiàn)矢量圖（P430）；電流，和僅差一個(gè)系數(shù)R，故和同相，見(jiàn)矢量圖（P430）；設(shè)電壓相對(duì)于的相移為，由矢量圖（P430）可得：（和間的距離為，故正好落在的中點(diǎn)上，根據(jù)內(nèi)切圓性質(zhì)，長(zhǎng)度相同）當(dāng)時(shí)，上式近似為可見(jiàn)，與C或R成反比例關(guān)系。若調(diào)制信號(hào)電壓與C或R也成反比例關(guān)系，則與調(diào)制信號(hào)成正比例（線性）關(guān)系，即可以實(shí)現(xiàn)調(diào)相。如：之前提到的變?nèi)荻O管，若將上述分析中的電容以變?nèi)莨艽?，就?gòu)成了變?nèi)荻O管控制移相網(wǎng)絡(luò)的電抗以實(shí)現(xiàn)調(diào)相的電路。實(shí)際中，用可控電抗或可控電阻元件都能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)相。二、矢量合成調(diào)相法（阿姆斯特朗法）將調(diào)相波的表達(dá)式展開(kāi)（令）得其中相移（調(diào)制指數(shù)）若最大相移很?。ㄈ纾?，則，即可近似認(rèn)為由兩個(gè)信號(hào)疊加而成：載波，載波被抑制的雙邊帶調(diào)幅，二者相位差為。圖（P431）載波振蕩與雙邊帶調(diào)幅波疊加的矢量圖代表，代表，代表。其中的長(zhǎng)度受調(diào)制信號(hào)控制，則的長(zhǎng)度及和（或）之間的相角也受到調(diào)制信號(hào)的控制，即是一個(gè)調(diào)相調(diào)幅波，其中的寄生調(diào)幅用限幅的辦法去掉，剩下的為調(diào)相波輸出。圖（P431）*注：諧振回路或移相網(wǎng)絡(luò)的調(diào)相方法和矢量合成調(diào)相法的共同缺點(diǎn)是調(diào)制系數(shù)很小。10.6.2 間接調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)將調(diào)制信號(hào)積分，然后加至任何一種調(diào)相電路上對(duì)載波進(jìn)