第7章 角度調制

1、第第 7 章章 角度調制角度調制教學要求教學要求 掌握掌握調角信號的定義、表示式、波形、頻譜等調角信號的定義、表示式、波形、頻譜等基本特征。基本特征。 掌握掌握典型的角度調制電路的結構、工作原理、典型的角度調制電路的結構、工作原理、分析方法和性能特點。分析方法和性能特點。任意正弦波信號：任意正弦波信號：uc(t) = Ucmcos(c t +o )= Ucmcos(t)如果利用調制信號如果利用調制信號u(t)= U cost 去控制三個參量中的某個，去控制三個參量中的某個，產生調制的作用產生調制的作用:AM: )cos1 ()(tmUtUcmcmFM :)()(tuktfc PM: )()(t

2、ukttpc角度調制角度調制 屬于頻譜屬于頻譜線性搬移電路線性搬移電路，調制信號，調制信號寄生于已調信號的振幅變化中。寄生于已調信號的振幅變化中。屬于頻譜的屬于頻譜的非線性搬移電路非線性搬移電路，已調波為等幅，已調波為等幅波，調制信息寄生于已調波的頻率和相位變波，調制信息寄生于已調波的頻率和相位變化中?；小?7.1 概述概述 (t)= c t +o 為總相角為總相角 Uom為振幅為振幅 c為角頻率為角頻率 o為初始相角為初始相角其中：其中：FM，PM從已調波中檢取出原調制信號的過程稱為從已調波中檢取出原調制信號的過程稱為解調解調(AM)振幅解調振幅解調檢波檢波 (FM)頻率解調頻率解調鑒頻鑒

3、頻 (detection) (frequency discrimination)(PM)相位解調相位解調鑒鑒相相(phase detection) vAMfff1. 調角電路定義及分類調角電路定義及分類定義：定義：模擬頻率調制和相位調制合稱為模擬角度調制模擬頻率調制和相位調制合稱為模擬角度調制(簡稱調簡稱調角角)。高頻振蕩振幅不變，其角度隨著調制信號。高頻振蕩振幅不變，其角度隨著調制信號u(t)以一定關以一定關系變化。系變化。)()(tuktfc 頻率調制頻率調制：高頻振蕩的振幅保持不變，瞬時角頻率隨：高頻振蕩的振幅保持不變，瞬時角頻率隨 調制信號成線性變化調制信號成線性變化 FM分類：分類：

4、)()(tukttpo 相位調制相位調制：高頻振蕩的振幅保持不變，瞬時相位隨調：高頻振蕩的振幅保持不變，瞬時相位隨調 制信號成線性變化制信號成線性變化 PM注意：注意：（1）因為相位是頻率的積分，故頻率的變化必將引起相位的變化，）因為相位是頻率的積分，故頻率的變化必將引起相位的變化，反之亦然。所以調頻信號與調相信號在時域特性、反之亦然。所以調頻信號與調相信號在時域特性、 頻譜寬度、頻譜寬度、 調制與解調的原理、實現(xiàn)方法等方面都有密切的聯(lián)系。調制與解調的原理、實現(xiàn)方法等方面都有密切的聯(lián)系。（2）模擬角度調制與解調屬于）模擬角度調制與解調屬于非線性頻率變換非線性頻率變換，比屬于線性頻率變，比屬于線

5、性頻率變換的模擬振幅調制與解調在原理和電路實現(xiàn)上都要困難一些。換的模擬振幅調制與解調在原理和電路實現(xiàn)上都要困難一些。 （3）由于角度調制信號在）由于角度調制信號在抗干擾抗干擾方面比振幅調制信號要好得多，因方面比振幅調制信號要好得多，因此雖然要占用更多的帶寬，但仍得到了廣泛的應用。此雖然要占用更多的帶寬，但仍得到了廣泛的應用。 （4）在模擬通信方面）在模擬通信方面, 調頻制比調相制更加優(yōu)越調頻制比調相制更加優(yōu)越，故大都采用調頻，故大都采用調頻制。所以制。所以本章以模擬調頻電路為主題本章以模擬調頻電路為主題，但由于調頻信號與調相，但由于調頻信號與調相信號的內在聯(lián)系，調頻可以用調相電路間接實現(xiàn)，因此

6、實際上信號的內在聯(lián)系，調頻可以用調相電路間接實現(xiàn)，因此實際上也介紹了一些調相電路。也介紹了一些調相電路。進行角度調制進行角度調制 (FM或或PM)后后 ，其已，其已調波的角頻率將是時間的函數(shù)，即調波的角頻率將是時間的函數(shù)，即(t)?？捎糜覉D所示的旋轉矢量表示。可用右圖所示的旋轉矢量表示。t= t(t)o)t( t =0實軸實軸設旋轉矢量的長度為設旋轉矢量的長度為Ucm(t)，且當，且當t = 0時，初相角為時，初相角為o；t = t 時刻，時刻，矢量與實軸之間的瞬時相角為矢量與實軸之間的瞬時相角為 (t)，顯然有：，顯然有： 關關系系瞬瞬時時頻頻率率與與瞬瞬時時相相角角的的todtttdttd

7、t0)()()()(而該矢量在實軸上的投影：而該矢量在實軸上的投影：)(cos)(tUtucmc2. 調角信號的分析與特點調角信號的分析與特點設高頻載波信號為設高頻載波信號為 ： )(cos)cos()(tUtUtucmoccmcuc(t) 調制信號：調制信號： tUtu cos)(（1）調頻）調頻FM：由于：由于已調波頻率隨調制信號線形變化已調波頻率隨調制信號線形變化，則有：，則有：)()()(ttuktofo 其中：其中：: 載波角頻率，載波角頻率，F(xiàn)M波的中心頻率波的中心頻率. o ： 調頻靈敏度，調頻靈敏度， fk)()(tutkf 單位調制信號振幅引起的頻率偏移單位調制信號振幅引起的

8、頻率偏移 . )()(tuktF ,瞬時頻率偏移瞬時頻率偏移（簡稱（簡稱頻偏頻偏）,寄載了調制信息，表示瞬時頻率相對于載波頻率的偏移寄載了調制信息，表示瞬時頻率相對于載波頻率的偏移 .最大頻偏最大頻偏 UktukFFmmax| )(| 另外，由瞬時頻率與所對應的瞬時相位的關系，若設另外，由瞬時頻率與所對應的瞬時相位的關系，若設 0 o 則有：則有： tttoFoFttdttuktdttukdttt0000)()()()()( )(t：瞬時相位偏移，瞬時相位偏移， tUkdttuktFtF sin)()(0 設：載波：設：載波：tUtuoomo cos)( 最大相位偏移：最大相位偏移： UktF

9、mmax| )( tFoFMdttuktUtUtu0)(cos)(cos)( 令令 mf =m ，稱為，稱為FM波的波的調頻指數(shù)調頻指數(shù)，則調頻信號的數(shù)學表達式：，則調頻信號的數(shù)學表達式： 所以有：所以有： tmtUtUktUdttuktUtufcFctFcFMsincossincos)(cos)(0注意：與注意：與AM波不同，波不同，m f 一般可大于一般可大于1，且，且m f 越大，抗干擾性能越好，越大，抗干擾性能越好， 但頻帶越寬。但頻帶越寬。對單一頻率調制的對單一頻率調制的FM波，由于：波，由于： tUtu cos)(已調波的相位隨調制信號線形變化已調波的相位隨調制信號線形變化，有：，

10、有：)()()(tttukttcpc ct ：載波的相位角載波的相位角 pk：調相靈敏度，調相靈敏度， )()(tutkp ，單位調制信號振幅引起的相位偏移。單位調制信號振幅引起的相位偏移。 )()(tuktp ：瞬時相位偏移瞬時相位偏移，即，即 )(t 相對于相對于 tc的偏移量的偏移量。(2) 調相（調相（PM） 最大相位偏移：最大相位偏移： pppmmUktuk max| )( （調相指數(shù)調相指數(shù)）另外，由瞬時相位與所對應的瞬時頻率之間的關系，可得：另外，由瞬時相位與所對應的瞬時頻率之間的關系，可得： )()()()(tdttdukdttdtcpc dttduktp)()( ； PM波波

11、瞬時頻偏。瞬時頻偏。 最大頻偏最大頻偏: Ukdttdukppmmax|)(| PM波的表達式為：波的表達式為： )(costuktUupcPM對于單一頻率調制信號對于單一頻率調制信號 tUtu cos)(的的PM波：波： coscoscoscostmtUtUktUupcpcPM載波：載波： 調制信號：調制信號： )cos()(occtUtutUtu cos)( FM波波 PM波波 (a)瞬時頻率：瞬時頻率： )()(tuktFcdttduktpc)()(3) 調頻信號與調相信號的比較調頻信號與調相信號的比較(b)瞬時相位：瞬時相位： otFodttuktt 0)()(opotuktt )()

12、(c)最大頻偏：最大頻偏： UktukFFmmax| )(| Ukdttdukppmmax|)(| (d)最大相位：最大相位： UkdttukmFtFmfmax0|)(| Uktukmppmpmax| )(| (e) 表達式表達式: sincossincos)(cos)(cos)(0ofcofcotfcFMtmtUtUktUdttuktUtUtucoscoscoscos)(cos)(cos)(opcopcopcPMtmtUtUktUtuktUtUtu討論：討論：(a) 一般調角信號的表達式：一般調角信號的表達式：sincos)(octmtUtump mmmf(b) FM波：波： Ukfm Uk

13、mff(c) PM波：波： Ukpm Ukmpp調頻波的波形調頻波的波形調頻與調相信號的調頻與調相信號的相同點：相同點： 二者都是等幅信號。二者都是等幅信號。 二者的頻率和相位都隨調制信號而變化，均產生頻偏與相偏，成為疏二者的頻率和相位都隨調制信號而變化，均產生頻偏與相偏，成為疏密波形。正頻偏最大處，即瞬時頻率最高處，波形最密；負頻偏最大處，密波形。正頻偏最大處，即瞬時頻率最高處，波形最密；負頻偏最大處，即瞬時頻率最低處，波形最疏。即瞬時頻率最低處，波形最疏。調頻與調相信號的調頻與調相信號的區(qū)別區(qū)別: 二者的頻率和相位隨調制信號變化的規(guī)律不一樣二者的頻率和相位隨調制信號變化的規(guī)律不一樣, 但由

14、于頻率與相位是但由于頻率與相位是微積分關系微積分關系, 故二者是有密切聯(lián)系的。故二者是有密切聯(lián)系的。eg: 對于調頻信號來說，調制信號電平最高處對應的瞬時正頻偏最大，波對于調頻信號來說，調制信號電平最高處對應的瞬時正頻偏最大，波形最密；對于調相信號來說，調制信號電平變化率（斜率）最大處對應形最密；對于調相信號來說，調制信號電平變化率（斜率）最大處對應的瞬時正頻偏最大，波形最密。的瞬時正頻偏最大，波形最密。 從表從表7-1中可以看出，調頻信號的調頻指數(shù)中可以看出，調頻信號的調頻指數(shù)Mf與調制頻率有關與調制頻率有關, 最大頻最大頻偏與調制頻率無關，而調相信號的最大頻偏與調制頻率有關，調相指數(shù)偏與調

15、制頻率無關，而調相信號的最大頻偏與調制頻率有關，調相指數(shù)Mp與調制頻率無關。與調制頻率無關。 從理論上講，調頻信號的最大角頻偏從理論上講，調頻信號的最大角頻偏mc，由于載頻，由于載頻c很高，故很高，故m可以很大，即調制范圍很大。由于相位以可以很大，即調制范圍很大。由于相位以2為周期，因此調相信號的為周期，因此調相信號的最大相偏最大相偏(調相指數(shù)調相指數(shù))Mp，故調制范圍很小。，故調制范圍很小。表表7-1 單頻調頻信號與單頻調相信號參數(shù)比較單頻調頻信號與單頻調相信號參數(shù)比較 若用若用m代替代替mf 或或 mp ，把，把 FM 和和 PM信號用統(tǒng)一的調角信號來表示，且令信號用統(tǒng)一的調角信號來表示，

16、且令0=0，則單位頻率調制的調角信號可表示為，則單位頻率調制的調角信號可表示為 ：sincos)(tmtUtuc展開成以下級數(shù)：展開成以下級數(shù)： 1204202cos)(2)(4cos)(22cos)(2)()sincos(nntnmJmJtmJtmJmJtm3. 調角信號的頻譜與帶寬調角信號的頻譜與帶寬 012531)12cos()(25sin)(23sin)(2)(2)sinsin(nntnmJtmJtmJmJtm式中：式中：Jn(m) 稱為第一類稱為第一類Bessel function，當，當m，n一定時，一定時， Jn(m) 為定系數(shù)，為定系數(shù)，其值可以由曲線和函數(shù)表查出其值可以由曲線

17、和函數(shù)表查出。So： 01212sin) 12sin()(2cos2cos)(2)()(ncncnnottnmJUttnmJmJUtu利用三角函數(shù)積化和差公式：利用三角函數(shù)積化和差公式： )cos(21)cos(21sinsin)cos(21)cos(21coscos Fm)(FnmJ0n1234So 上式可表示為：上式可表示為：ncntnmJUtu)cos()()(FM/PM 信號的頻譜由載頻信號的頻譜由載頻 o 和無限對上，下邊頻分量和無限對上，下邊頻分量 )( no 組成組成. 0分量：分量： UmJo)(，其大小決定于，其大小決定于m ：調制指數(shù)調制指數(shù) 上、下邊頻分量上、下邊頻分量0

18、n：UmJn)(，與，與m和和n的大小有關。的大小有關。c-FM / PM的頻譜的頻譜c+cc+2c+3c+4c-2c-3c-4c調制信號調制信號u載波載波uc一般有一般有 :m值越大所占頻帶越寬,(m)Jm:當n一定時不計高次邊頻分量可以忽略0,(m)Jn:當m一定時nn由第一類由第一類Bessel function的性質：的性質： )()1()(mJmJnnn 所以有所以有 :1mJ 對于任意m1n 0mJ;21mJ1;m當m很小時Jn為奇數(shù)(m),J(m)Jn為偶數(shù)(m),J(m)J-2nn10nnnn各邊頻分量與載頻分量之間的頻率間距為各邊頻分量與載頻分量之間的頻率間距為n ，且當，且

19、當n為偶數(shù)時，上下邊為偶數(shù)時，上下邊頻分量符號相同，而當頻分量符號相同，而當n為奇數(shù)時，上下邊頻分量符號相反。為奇數(shù)時，上下邊頻分量符號相反。 頻譜特點：頻譜特點： 1) 單音調制時，調頻波的頻譜不是調制信號頻譜的簡單搬移，單音調制時，調頻波的頻譜不是調制信號頻譜的簡單搬移，而是由而是由載波和無數(shù)對邊帶分量所組成載波和無數(shù)對邊帶分量所組成， 它們的振幅由對應的它們的振幅由對應的各階貝塞爾函數(shù)值所確定。其中，奇次的上、下邊帶分量振各階貝塞爾函數(shù)值所確定。其中，奇次的上、下邊帶分量振幅相等、極性相反；偶次的振幅相等、極性相同。幅相等、極性相反；偶次的振幅相等、極性相同。 1Fm0.770.440.

20、440.110.110.020.02c23 2) 調制指數(shù)調制指數(shù)mf越大，具有較大振幅的邊頻分量就越多。越大，具有較大振幅的邊頻分量就越多。 3) 載波分量和各邊帶分量的振幅均隨載波分量和各邊帶分量的振幅均隨mf變化而變化。對于某變化而變化。對于某些些mf值，載頻或某邊頻振幅為零。值，載頻或某邊頻振幅為零。 上式表明，當上式表明，當U0一定時，不論一定時，不論mf為何值，調頻波的平均功為何值，調頻波的平均功率恒為定值，并且等于未調制時的載波功率。換句話說，改變率恒為定值，并且等于未調制時的載波功率。換句話說，改變mf僅會引起載波分量和各邊帶分量之間功率的重新分配，但不僅會引起載波分量和各邊帶

21、分量之間功率的重新分配，但不會引起總功率的改變。會引起總功率的改變。 4) 調頻波的平均功率等于各頻譜分量平均功率之和。調頻波的平均功率等于各頻譜分量平均功率之和。因此，因此，在電阻在電阻R上，調頻波的平均功率應為上，調頻波的平均功率應為c2c02222022 cos1 cos1PmJPdtnTmJRUdtnmJTRUPnfnTcnfnLccTnfnLc 雖然調頻波的邊頻分量有無數(shù)多個，但是，對于任一給定雖然調頻波的邊頻分量有無數(shù)多個，但是，對于任一給定的的mf值，高到一定次數(shù)的邊頻分量其振幅已經小到可以忽略，值，高到一定次數(shù)的邊頻分量其振幅已經小到可以忽略，以致濾除這些邊頻分量對調頻波形不會

22、產生顯著的影響。以致濾除這些邊頻分量對調頻波形不會產生顯著的影響。二、帶寬二、帶寬 通常規(guī)定：凡是振幅小于未調制載波振幅的通常規(guī)定：凡是振幅小于未調制載波振幅的1(或或10，根，根據(jù)不同要求而定據(jù)不同要求而定)的邊頻分量均可忽略不計，保留下來的頻譜分的邊頻分量均可忽略不計，保留下來的頻譜分量就確定了調頻波的頻帶寬度。量就確定了調頻波的頻帶寬度。FmmBWFF) 1(201. 0)( 2) 1( 21 . 0FfFmBWmF可得：可得：在實際應用中也常區(qū)分為：在實際應用中也常區(qū)分為：為最大頻偏)(f2fF2mB10,m1)F2(mB稱為寬帶調頻,1,m同)2F(與AM波頻帶相B稱為窄帶調頻,1,

23、mmmfFMffFMfFMf 規(guī)律：規(guī)律：調制指數(shù)越大，應當考慮的邊頻分量的數(shù)目就越多，無調制指數(shù)越大，應當考慮的邊頻分量的數(shù)目就越多，無論對于調頻還是調相均是如此。論對于調頻還是調相均是如此。 但是，由于調頻和調相與調制頻率但是，由于調頻和調相與調制頻率F的關系不同，僅當?shù)年P系不同，僅當F變變化時，它們的頻譜結構和頻帶寬度的關系就互不相同?；瘯r，它們的頻譜結構和頻帶寬度的關系就互不相同。調頻調頻調相調相VkmfffppVkm p 對于對于調頻制調頻制，僅當，僅當F變化時，在常用的寬帶調頻制中，頻變化時，在常用的寬帶調頻制中，頻率分量隨率分量隨mf變化而變化，但同時帶寬基本恒定。因此又把調變化

24、而變化，但同時帶寬基本恒定。因此又把調頻叫做頻叫做恒定帶寬調制恒定帶寬調制。 對于對于調相制調相制，僅當，僅當F變化時，頻率分量不變，但帶寬變變化時，頻率分量不變，但帶寬變化。特別是化。特別是F增加時，帶寬增加。增加時，帶寬增加。 對于對于Fmin Fmax而言，而言， Fmax決定總的帶寬，低端頻率分決定總的帶寬，低端頻率分量的頻譜利用率不高量的頻譜利用率不高 。因此，模擬通信系統(tǒng)中調頻制要比調。因此，模擬通信系統(tǒng)中調頻制要比調相制應用得廣泛。相制應用得廣泛。End 下面分析一下含多個頻率成分信號調制的調頻信號的頻譜，下面分析一下含多個頻率成分信號調制的調頻信號的頻譜，)sinsin(sin

25、)sincos(cos)(10100NnnNnntmttmtVtanfnf)sinsinsin(sin)sinsincos(cos)(22110221100tmtmttmtmtVtaffff以雙頻信號為例以雙頻信號為例tnmJmJtmn2cos)(2)()sincos(120fnfftnmJtmn) 12sin()(2)sinsin(012fnf 此時增加了許多組合頻率，使頻譜組成大為復雜。因此，此時增加了許多組合頻率，使頻譜組成大為復雜。因此，調頻與調相制屬于非線性調制。調頻與調相制屬于非線性調制。對調頻電路的要求：對調頻電路的要求： (1)具有線性的調制作用具有線性的調制作用 (2)具有較

26、高的調制靈活度，即單位調制電壓所產生的頻偏要大具有較高的調制靈活度，即單位調制電壓所產生的頻偏要大 (3)最大頻偏于調制信號頻率無關最大頻偏于調制信號頻率無關 (4)未調制的載波頻率應具有一定的頻率穩(wěn)定度未調制的載波頻率應具有一定的頻率穩(wěn)定度 2. 調頻方法分類調頻方法分類 實現(xiàn)頻率調制的方式一般有兩種實現(xiàn)頻率調制的方式一般有兩種: 直接調頻直接調頻 間接調頻間接調頻7.2 調頻方法概述調頻方法概述3. 間接調頻間接調頻若先對調制信號若先對調制信號u(t)進行積分進行積分, 得到得到u1(t)=t0u(t)dt, 然后將然后將u1(t)作作為調制信號對載頻信號進行調相，也可實現(xiàn)調頻。為調制信號

27、對載頻信號進行調相，也可實現(xiàn)調頻。因此將調制信號積分后調相，是實現(xiàn)調頻的另外一種方式，稱為因此將調制信號積分后調相，是實現(xiàn)調頻的另外一種方式，稱為間接調頻間接調頻?；蛘哒f，間接調頻是借用調相的方式來實現(xiàn)調頻?；蛘哒f，間接調頻是借用調相的方式來實現(xiàn)調頻。優(yōu)點：頻率穩(wěn)定度高。優(yōu)點：頻率穩(wěn)定度高。微分調頻(1) 把把u (t)先積分后，再經過調相器，也可得到對先積分后，再經過調相器，也可得到對u (t)而言的調而言的調頻波，也稱為頻波，也稱為間接調頻間接調頻。（。（indirect frequency modulation）)(tu tdttu0)(積分調相 tpoFMdttuktUu0)(cos

28、)(tu )(costuktUupoPM )(tudtd (2) 把把u (t)先為微分后，再經過調頻器，可得到先為微分后，再經過調頻器，可得到間接調相間接調相。（。（indirect Phase modulation）4. 直接調頻直接調頻根據(jù)調頻信號的根據(jù)調頻信號的瞬時頻率隨調制信號成線性變化瞬時頻率隨調制信號成線性變化這一基本這一基本特性，可以將調制信號作為壓控振蕩器的控制電壓，使其產特性，可以將調制信號作為壓控振蕩器的控制電壓，使其產生的振蕩頻率隨調制信號規(guī)律而變化，壓控振蕩器的中心頻生的振蕩頻率隨調制信號規(guī)律而變化，壓控振蕩器的中心頻率即為載波頻率。率即為載波頻率。顯然，這是實現(xiàn)調頻

29、的最直接方法，故稱為顯然，這是實現(xiàn)調頻的最直接方法，故稱為直接調頻直接調頻。優(yōu)點：易于得到較大的頻偏優(yōu)點：易于得到較大的頻偏缺點：頻率穩(wěn)定度低缺點：頻率穩(wěn)定度低由相位與頻率之間的關系：由相位與頻率之間的關系： )/( ,)()()( ,)()(0sraddttdtraddtttt 在同一調制信號在同一調制信號 )(tu 的控制下，形成的的控制下，形成的FM波和波和PM波的表達式為：波的表達式為：)(cos)()(cos)(0tuktUtudttuktUtupoPMtfoFM 以上的過程為以上的過程為直接調頻直接調頻或或直接調相。直接調相。 )(tu 調調頻頻器器 tFoFMdttuktUtu0

30、)(cos)( FMdirect,)(tu 調調相相器器)(costuktUupoPM PMdirect,0(1)jRCCuU1. 變容二極管特性變容二極管特性 擴散電容擴散電容(diffusion capacitance)正向偏置正向偏置，電容效應比較小。，電容效應比較小。 勢壘電容勢壘電容(barrier capacitance)反向偏置反向偏置 ，勢壘區(qū)呈現(xiàn)的電容效應。，勢壘區(qū)呈現(xiàn)的電容效應。 利用狀態(tài)利用狀態(tài)7.3 變容二極管直接調頻電路變容二極管直接調頻電路 (Varactor diode direct FM) PN結反偏時，結電容會隨外加反向偏壓而變化，專用的變容二極管是結反偏時，

31、結電容會隨外加反向偏壓而變化，專用的變容二極管是經過特殊工藝處理（控制半導體的摻雜濃度和摻雜的分布），使勢壘電經過特殊工藝處理（控制半導體的摻雜濃度和摻雜的分布），使勢壘電容能靈敏地隨反向偏置電壓的變化而呈現(xiàn)較大變化的壓控變容元件。容能靈敏地隨反向偏置電壓的變化而呈現(xiàn)較大變化的壓控變容元件。結電容結電容Cj與反偏電壓與反偏電壓uR的關系：的關系：C0：uR=0時的電容值（零偏置電容）時的電容值（零偏置電容）uR ：反向偏置電壓，：反向偏置電壓，U：PN結勢壘電位差結勢壘電位差 V3 .0:GeV7 .0:Si：結電容變化指數(shù)，通常：結電容變化指數(shù)，通常=1/21/3， 經特殊工藝制成的超突變結

32、電容經特殊工藝制成的超突變結電容 =15看出：看出：Cj與與uR之間是非線性關系，即之間是非線性關系，即變容二極管屬于變容二極管屬于非線性電容非線性電容，這，這種非線性電容基本上不消耗能量，產生的噪聲量級也較小，是較理想種非線性電容基本上不消耗能量，產生的噪聲量級也較小，是較理想的高效率，低噪聲非線性電容。的高效率，低噪聲非線性電容。PN結具有電容效應結具有電容效應 0000cos1cos1()1cos1cos11cosQjQQQQjQUUtCCCUUtUUUUUCtUUUCmtUUCmt設在變容二極管上加設在變容二極管上加一個靜態(tài)工作電壓一個靜態(tài)工作電壓UQ和和一個單頻調制信號一個單頻調制信

33、號 tUtu cos)(，則結反偏電壓：，則結反偏電壓： tUUtuUtuQQRcos)()(而結電容：而結電容： 其中其中： 01jQQCCUU為：為：靜態(tài)工作點的結電容靜態(tài)工作點的結電容。 QUUUm為：為：結電容調制深度的調制指數(shù)結電容調制深度的調制指數(shù)。CjuRUQuRtC jtCjQL1C12. 變容二極管直接調頻的原理電路變容二極管直接調頻的原理電路 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器變容二極管變容二極管及其偏置電路及其偏置電路變容二極管變容二極管是振蕩回路的一個是振蕩回路的一個組成部分。組成部分。加在變容二極管的反向電壓：加在變容二極管的反向電壓：( )( )ccBQuVVu tUu

34、t式中式中:UQ：加在變容二極管的直流偏：加在變容二極管的直流偏置電壓；置電壓；u(t)：調制信號電壓。：調制信號電壓。 結電容隨調制電壓變化關系結電容隨調制電壓變化關系變容二極管結電容變容二極管結電容Cj將在將在ur(t)的控制下隨時間變化。則振蕩的控制下隨時間變化。則振蕩器的振蕩頻率要隨器的振蕩頻率要隨 u(t)變化。變化。只要電路參數(shù)選取合適，就可只要電路參數(shù)選取合適，就可以實現(xiàn)線性調頻。以實現(xiàn)線性調頻。tUtumcos)( )cosQmu tUUt調制信號：調制信號：反向電壓：反向電壓：電路分析電路分析（1）在反向電壓）在反向電壓 ur(t)作用下，變容二極管的電容值作用下，變容二極管

35、的電容值Cj0( )1jCCu tU01jQQCCUU00coscos111cosjQmQmQjQCCCUUtUVUtUUUUCmt/ ()mQmUUU 變容二極管的結電容表示式變容二極管的結電容表示式載波狀態(tài)時變容二極管的結電容載波狀態(tài)時變容二極管的結電容CjQ( )0,( )Qutu tU載波狀態(tài)時，載波狀態(tài)時，則，則調制狀態(tài)時變容二極管的結電容調制狀態(tài)時變容二極管的結電容Cj為電容調制度。為電容調制度。 振蕩回路的等效電路振蕩回路的等效電路瞬時振蕩頻率瞬時振蕩頻率為為211)cos1 ()cos1 (111)(tmtmCLCLtcjQjjQcCL1/10)(tu式中：式中：為為時的載波頻

36、率。時的載波頻率。（2）變容二極管作為回路總電容實現(xiàn)調頻）變容二極管作為回路總電容實現(xiàn)調頻實現(xiàn)線性調頻的條件實現(xiàn)線性調頻的條件222( )(1c o s)1c o s( )1mccQcQUtmttUUutUU 結論：當結論：當=2時，能實現(xiàn)線性調頻。時，能實現(xiàn)線性調頻。 當當2時，會產生什么影響？時，會產生什么影響？3222112222221cos1coscoscos22!3!mtmtmtmt 通常通常 ，可以忽略三次方以上各項，則：，可以忽略三次方以上各項，則：1m22222( )(1cos)12 21coscos11cos1cos222!8 228 2ccctmtmtmtmmtmt 2co

37、s1tm由于由于 冪級數(shù)展，得冪級數(shù)展，得結論：結論：當變容二極管作為回路總電容時，當變容二極管作為回路總電容時，2調頻波會產生中心頻率偏離調頻波會產生中心頻率偏離和非線性失真，會產生如下影響：和非線性失真，會產生如下影響：調頻波的中心頻率會產生偏移。其偏移量為調頻波的中心頻率會產生偏移。其偏移量為ccm2128cm22128cm2當調頻電路要求的相對頻偏較小時，當調頻電路要求的相對頻偏較小時，m 值很小，電路對值很小，電路對的要求不嚴格。的要求不嚴格。 例如，調頻廣播例如，調頻廣播fc=88108MHz，要求最大頻偏，要求最大頻偏fm=75KHz。)104 . 1106 . 1 (133m很

38、小，對應中心頻率偏移量和非線性失真量很小。故對很小，對應中心頻率偏移量和非線性失真量很小。故對的要求不嚴格。的要求不嚴格。顯然，顯然，當調頻電路的相對頻偏較大時，對當調頻電路的相對頻偏較大時，對 =2 的要求就應嚴格些。的要求就應嚴格些。 調頻波的最大頻偏調頻波的最大頻偏調頻波會產生非線性失真。其二次諧波失真最大頻偏調頻波會產生非線性失真。其二次諧波失真最大頻偏 變容二極管全部接入時（變容二極管全部接入時（=2，Cj作為回路總電容）調頻電路的特點作為回路總電容）調頻電路的特點:UUkQcf優(yōu)點優(yōu)點：調頻靈敏度高調頻靈敏度高,頻偏很大頻偏很大UUUQmcc缺點缺點：中心頻率穩(wěn)定度不好：中心頻率穩(wěn)

39、定度不好jcLCf1變容二極管作為回路總電容實現(xiàn)調頻時，由于變容二極管的結電容隨溫度、變容二極管作為回路總電容實現(xiàn)調頻時，由于變容二極管的結電容隨溫度、偏置電壓的不穩(wěn)會引起結電容變化。因此其中心頻率穩(wěn)定度差。偏置電壓的不穩(wěn)會引起結電容變化。因此其中心頻率穩(wěn)定度差。（3）變容二極管部分接入振蕩回路）變容二極管部分接入振蕩回路變容二極管部分接入的等效回路如圖所示?；芈房傠娙葑內荻O管部分接入的等效回路如圖所示?；芈房傠娙?為為C11/(1cos)/(1cos)cjcjQcjcjQC CC CmtCCCCCCCmt相應的調頻特性方程為：相應的調頻特性方程為：jQcjQcCtmCCCCLCLt)cos

40、1 (11)(1111(1cos)cjQcjQCCCCmtCCc與與Cj是同數(shù)量是同數(shù)量級的小電容級的小電容結論：變容二極管部分接入使得頻率穩(wěn)定度更高，但最大頻偏要結論：變容二極管部分接入使得頻率穩(wěn)定度更高，但最大頻偏要減小。減小。（1）8MHz變容二極管調頻振蕩電路變容二極管調頻振蕩電路3. 應用舉例應用舉例變容二極管的變容二極管的直流偏壓直流偏壓由由R1，R2和電位器和電位器W組成分壓電路供給。組成分壓電路供給。調制信號調制信號通過通過C3和高頻扼流圖和高頻扼流圖ZL1加到變容二極管上。加在變容二極管加到變容二極管上。加在變容二極管上電壓為直流偏置電壓與調制信號電壓之和。上電壓為直流偏置電

41、壓與調制信號電壓之和。 偏置電壓為偏置電壓為-4V時，時，Cj=100pF； 而偏置電壓由（而偏置電壓由（0-8）V變化時，變化時，Cj為（為（23060）pF。電路為電容三點式振蕩電路，振蕩頻率為電路為電容三點式振蕩電路，振蕩頻率為CLfc121jCCCCCCC1111111165987電路中心頻率為電路中心頻率為8MHz，最大線性頻偏為，最大線性頻偏為200kHz。其中其中（2）某通信機中的變容二極管調頻電路）某通信機中的變容二極管調頻電路高頻扼流圈高頻扼流圈Lp3，Lp4對直流和調制信號短路對直流和調制信號短路，而，而對載頻開路對載頻開路。因而：加在兩。因而：加在兩個變容二極管上的反向電

42、壓是相同的。個變容二極管上的反向電壓是相同的。上圖所示是上圖所示是電容三點式振蕩電路電容三點式振蕩電路，通過變容二極管的電容變化實現(xiàn)調頻。，通過變容二極管的電容變化實現(xiàn)調頻。本電路的特殊點是采用了兩個變容二極管，并且本電路的特殊點是采用了兩個變容二極管，并且同極性相對接同極性相對接的方式接入振的方式接入振蕩回路。由于回路中兩個二極管代替一個二極管，使得每個變容二極管兩端的蕩回路。由于回路中兩個二極管代替一個二極管，使得每個變容二極管兩端的高頻電壓減小。這樣就高頻電壓減小。這樣就減小了高頻電壓對變容二極管總電容的影響減小了高頻電壓對變容二極管總電容的影響。4. 變容二極管直接調頻電路的優(yōu)缺點變容

43、二極管直接調頻電路的優(yōu)缺點優(yōu)點：優(yōu)點：電路簡單，工作頻率高，易于獲得大的頻偏。在頻偏小電路簡單，工作頻率高，易于獲得大的頻偏。在頻偏小時，非線性失真很小。所需調制信號功率很小。時，非線性失真很小。所需調制信號功率很小。缺點：缺點：中心頻率穩(wěn)定度不高。頻偏較大時，非線性失真較大。中心頻率穩(wěn)定度不高。頻偏較大時，非線性失真較大。 調頻信號的解調是從調頻波調頻信號的解調是從調頻波 中恢復出原調制信號中恢復出原調制信號 過程，完成調頻波解調過程的電過程，完成調頻波解調過程的電路稱為路稱為頻率檢波器頻率檢波器(FD)7 7.6.6 調頻波的解調原理及電路調頻波的解調原理及電路 7.6.1 鑒頻方法及其實

44、現(xiàn)模型鑒頻方法及其實現(xiàn)模型 (t)dtumtUcosuoFM(t)u1. 鑒頻器的主要特性鑒頻器的主要特性 鑒頻特性曲線鑒頻特性曲線: : 它是指鑒頻器的輸出電壓它是指鑒頻器的輸出電壓uo(t)，與其輸入，與其輸入FM信號信號瞬時頻偏瞬時頻偏(t)或或f(t)之間的關系曲線之間的關系曲線 fofuo(t)Bm 鑒頻器鑒頻器)(tuuo ）或或 ()(ftuFMf(t)uo(t)()()(ttuktofo 或：或： )()(2)(tfftukftfofo 由調頻信號的特征：由調頻信號的特征：)(2)(tuktff 所以：所以：表明：表明：要實現(xiàn)無失真鑒頻，要求鑒頻器的輸出電壓要實現(xiàn)無失真鑒頻，要

45、求鑒頻器的輸出電壓 與與頻偏頻偏 成線性關系，上圖為典型鑒頻特性曲線成線性關系，上圖為典型鑒頻特性曲線。 )()(tutuo )(tf 對鑒頻特性曲線的主要要求對鑒頻特性曲線的主要要求：（2）鑒頻器的）鑒頻器的頻帶寬度頻帶寬度B max .Bm2fm 能夠不失真的解調所允許的輸入信號頻率變化的最大范能夠不失真的解調所允許的輸入信號頻率變化的最大范圍稱為圍稱為 鑒頻器的帶寬鑒頻器的帶寬（1）鑒頻器的）鑒頻器的中心頻率中心頻率鑒頻器的中心頻率對應于鑒頻特性曲線原點處的頻率鑒頻器的中心頻率對應于鑒頻特性曲線原點處的頻率（3）線性度線性度 . 為了實現(xiàn)線性鑒頻，鑒頻特性曲線在鑒頻帶寬內必為了實現(xiàn)線性鑒頻，鑒頻特性曲線在鑒頻帶寬內必須