通信電子線路課件：第五章 角度調(diào)制與解調(diào)電路

1、 在模擬電路中，利用調(diào)制信號(hào)去調(diào)制載波的幅度和角度。調(diào)制幅度調(diào)制角度調(diào)制調(diào)頻（FM）調(diào)相（PM）得到的信號(hào)統(tǒng)稱為已調(diào)波解調(diào)檢波鑒頻同步檢波（DSB、SSB）包絡(luò)檢波（AM）幅度鑒頻器相位鑒頻器第五章 角度調(diào)制與解調(diào)電路 5.1 角度調(diào)制信號(hào)的基本特性 5.2 調(diào)頻電路 5.3 調(diào)頻波解調(diào)電路 5.4 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)電路 5.1 角度調(diào)制信號(hào)的基本特性一、角度調(diào)制信號(hào) 1. 調(diào)頻波：使載波的瞬時(shí)的頻率按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化所得得已調(diào)波。 因?yàn)椋喊凑{(diào)制信號(hào)規(guī)律變化為瞬時(shí) : 比例常數(shù)，單位為總的瞬時(shí)相角為： 5.1 角度調(diào)制信號(hào)的基本特性一、角度調(diào)制信號(hào)調(diào)頻波的表達(dá)式 注意：迭加在 上的瞬時(shí)變化角頻

2、率 按 規(guī)律變化；而瞬時(shí)的相角 按 的時(shí)間積分值規(guī)律變化 (t) 5.1 角度調(diào)制信號(hào)的基本特性一、角度調(diào)制信號(hào)例：設(shè)則瞬時(shí)的角頻率為此時(shí)總的瞬時(shí)相角為：其中：最大角頻偏 mkfVm 最小角頻偏 kfVm 調(diào)頻系數(shù) Mf m/ = fm/ F (隨F改變） 5.1 角度調(diào)制信號(hào)的基本特性二、調(diào)相波（PM） 調(diào)相波：使載波信號(hào)的相位按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化所得的已調(diào)波。 因?yàn)榘凑{(diào)制信號(hào)規(guī)律變化得到：為比例常數(shù)，單位為 調(diào)相表達(dá)式得到： 對(duì)應(yīng)得瞬時(shí)角頻率 5.1 角度調(diào)制信號(hào)的基本特性二、調(diào)相波（PM）同樣設(shè)為單音，則瞬時(shí)得總相位為 對(duì)應(yīng)瞬時(shí)的角頻率為 最大角頻偏 5.1 角度調(diào)制信號(hào)的基本特性二、調(diào)相

3、波（PM）注意：調(diào)相波中，迭加在 上的附加相角與 的變化規(guī)律相關(guān)；但加在 上的瞬時(shí)角頻率 則與調(diào)制信號(hào)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)的規(guī)律有關(guān) (t) 附加相角 5.1 角度調(diào)制信號(hào)的基本特性三、兩種已調(diào)波的異同兩種調(diào)制方式從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)都表現(xiàn)為載波信號(hào)的瞬時(shí)相位受到調(diào)變，故統(tǒng)稱角度調(diào)制。但也有區(qū)別。其中調(diào)頻波按規(guī)律變化是而調(diào)相波按變化規(guī)律為 2. 為單音時(shí)，F(xiàn)M和PM的 和 均為簡(jiǎn)諧波，但 、 和 隨 、的變化規(guī)律不同。 5.1 角度調(diào)制信號(hào)的基本特性三、兩種已調(diào)波的異同單音調(diào)制時(shí)，兩種已調(diào)波均有含義不同三個(gè)頻率參數(shù)：載波角頻率c：表示瞬時(shí)角頻率變化的平均值；調(diào)制角頻率：表示瞬時(shí)角頻率變化的快慢程度；最大角頻率

4、c：表示瞬時(shí)角頻率c偏離的最大值。 5.1 角度調(diào)制信號(hào)的基本特性5.1.2 調(diào)角信號(hào)的頻譜1. 頻譜分析 同樣設(shè)為單音， (t)均為簡(jiǎn)諧波。則調(diào)頻波的傅立葉展開(kāi)式為（宗數(shù)為Mf的n階第一類貝塞爾函數(shù)） 為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，令 ，上式可表示為 5.1 角度調(diào)制信號(hào)的基本特性5.1.2 調(diào)角信號(hào)的頻譜 5.1 角度調(diào)制信號(hào)的基本特性5.1.2 調(diào)角信號(hào)的頻譜1. 其頻譜為： 和2. 而 及 的振幅隨 而變。而且 2.40，5.52，8.62 時(shí) 的振幅為零。 3. n為奇數(shù)，兩邊頻幅度相等，極性相反 ； n為偶數(shù)，兩邊頻幅度相等，極性相同 。n=1,2,3, 5.1 角度調(diào)制信號(hào)的基本特性5.1.2

5、調(diào)角信號(hào)的頻譜2. 調(diào)頻波的平均功率（單位電阻） 各頻譜分量平均功率之和 根據(jù)第一類貝塞爾函數(shù)的特性 故得： 與載波的功率相同，與Mf無(wú)關(guān)。 5.1 角度調(diào)制信號(hào)的基本特性5.1.3 調(diào)角信號(hào)的頻譜寬度 因?yàn)殡S著n的增加， 是減小趨勢(shì)，根據(jù)卡森公示估算 (調(diào)制信號(hào)頻率中的最高值) M表示（ 或 ）。 稱為卡森帶寬。 但在高質(zhì)量的通信系統(tǒng)中，若考慮到邊頻的幅度小于調(diào)制前 值的百分之一時(shí) ( )，（表示邊頻幅度與Vm的相對(duì)值）(L為上邊頻（或下邊頻）分量的數(shù)目)例如調(diào)頻廣播的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 5.1 角度調(diào)制信號(hào)的基本特性實(shí)際選取為200KHz，介于上述兩數(shù)之間。 8Mf5 5.2 調(diào)頻電路 5.2.1

6、調(diào)頻電路概述電路分類：直接調(diào)頻和間接調(diào)頻 1. 直接調(diào)頻：用調(diào)制信號(hào)直接去控制振蕩器的振蕩頻率，使其頻率的變化不失真地反應(yīng)調(diào)制信號(hào)地變化規(guī)律如把C3換成變?nèi)萜鳎ㄈ缱內(nèi)荻O管，電容式話筒） 2. 間接調(diào)頻：將 進(jìn)行積分，用其值對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)相，便間接得到調(diào)頻信號(hào)的輸出: 其中 大小受 控制，而且還與調(diào)相器的有關(guān)。 其中， 5.2 調(diào)頻電路2. 性能要求（1）調(diào)頻靈敏度（Hz/V） （2）非線性失真系數(shù)（調(diào)頻特性） 因?yàn)檎{(diào)頻特性非線性，則余弦調(diào)制電壓產(chǎn)生的 為非余弦波，其傅立葉級(jí)數(shù)的展開(kāi)為 為 的平均分量，表示調(diào)頻信號(hào)的中心頻率由 偏離到 ，稱為中心頻率偏離量 5.2 調(diào)頻電路5.2.2 在正弦

7、振蕩器中實(shí)現(xiàn)直接調(diào)頻一、原理及其性能分析變?nèi)莨茏髡袷幓芈返目傠娙荩海?）性能分析：已知變?nèi)莨芙Y(jié)電容Cj隨外加電壓v變化的變?nèi)萏匦裕篤B是PN結(jié)的內(nèi)建電位差，Cj(0)是v=0是的結(jié)電容；n變?nèi)葜笖?shù)工作條件：變?nèi)荻O管在調(diào)制信號(hào)范圍內(nèi)保持反偏。其中， 5.2 調(diào)頻電路一、原理及其性能分析由上面的式子得到：當(dāng)n2時(shí)，是較為理想的直線，為了要實(shí)現(xiàn)工程上的不失真線性調(diào)節(jié)，選用n2的超突發(fā)結(jié)變?nèi)莨?。否則，調(diào)頻電路產(chǎn)生的調(diào)頻波不僅出現(xiàn)非線性失真，而且使c產(chǎn)生偏離。 5.2 調(diào)頻電路一、原理及其性能分析例：設(shè)傅立葉展開(kāi)（保留2次項(xiàng)）說(shuō)明m增大，可以增大 m/ c的相對(duì)頻偏，但是卻同時(shí)使諧波失真kf2和中心角

8、頻率的相對(duì)偏離值（ c/ c）增大。 5.2 調(diào)頻電路一、原理及其性能分析電路的缺點(diǎn)：因?yàn)樽冾l管工作其兩端亦存在高頻電壓，所以不僅影響c隨V的變化規(guī)律，而且還影響振蕩幅度及頻率穩(wěn)定度。 5.2 調(diào)頻電路二、變?nèi)莨懿糠纸尤胝袷庪娐分苯诱{(diào)頻電路調(diào)變能力強(qiáng)，較小的m值取得較大的頻偏，但是受VQ的和高頻電壓的影響其載波頻率的不穩(wěn)定也相對(duì)加大。代入式： 5.2 調(diào)頻電路二、變?nèi)莨懿糠纸尤胝袷庪娐?看作使等效的變?nèi)莨?，在?shí)際電路中，選取n2和注意C1和C2的取值。（一般C2大，C1?。?，C2主要影響低頻區(qū)調(diào)制特性，C1主要影響高頻區(qū)調(diào)制特性曲線。反復(fù)調(diào)節(jié)C1,C2,VQ 值，即可得其載波頻率及接近線性得調(diào)

9、頻特性曲線。 5.2 調(diào)頻電路三、電路分析（I）(1) C1,，C2，L2組成通調(diào)制信號(hào)隔變頻的電路.(2) T2,L1及變?nèi)荻?jí)管等組成電感三點(diǎn)式電路。（忽略75電阻） (3)雙電源供電 (4) 調(diào)節(jié) RW (470)可改變調(diào)頻的中心頻率 5.2 調(diào)頻電路四、電路分析（II）（晶體振蕩器的變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路） （1）T1：音頻放大電路 （2） T2：電容三點(diǎn)式電路，其中晶體與變?nèi)荻O管組成等效電感。（3）另T2與LC又組成倍頻調(diào)諧電路，其諧振頻率選在晶體振蕩的三次諧波上。完成三倍頻功能（4） 2.2H電感作高頻扼流圈，通直隔交。而且變?nèi)荻O管提供直流偏置反壓（5） L 既是調(diào)諧回路電感，有時(shí)

10、提供直流通路而且是電容三點(diǎn)式振蕩電路的交流通路 小結(jié)：可得較大得線路頻偏，但中心頻率穩(wěn)定性較差（溫度，電壓等外部條件影響器件間電容） 5.2 調(diào)頻電路四、電路分析（III） 5.2 調(diào)頻電路 5.2.3 張馳振蕩電路實(shí)現(xiàn)直流調(diào)頻張馳振蕩電路的頻率取決于電路中的充放電速度。包括有調(diào)頻方波發(fā)生器和調(diào)頻三角波發(fā)生器。這些調(diào)頻非正弦波隨后由濾波器或者波形變換器轉(zhuǎn)換為調(diào)頻正弦波輸出。一、工作原理：1. T1導(dǎo)通，T2截止。VccD1T1C充電。 T1的發(fā)射極電壓保持在(VccVBE(on)。2. T2的發(fā)射極電位隨之下降，當(dāng)下降到(VccVD1（on）VBE(on)時(shí)， T2導(dǎo)通， T1截止。3. Vc

11、cD2T2C反向充電。 T2的發(fā)射極電壓保持在(VccVBE(on)。4. T1的發(fā)射極電位隨之下降，當(dāng)下降到(VccVD2（on）VBE(on)時(shí)， T1導(dǎo)通， T2截止。 輸出對(duì)稱方波電壓頻率為： 5.2 調(diào)頻電路 5.2.3 張馳振蕩電路實(shí)現(xiàn)直流調(diào)頻1. T3T6接成交叉耦合正反饋電路。2. T7、T8和T14防止T5和T6進(jìn)入飽和區(qū)，以提高振蕩頻率。3. T11、T12和D4組成固定電流源；T9和T10組成可控電流源。4. 調(diào)制信號(hào)由T15和D1、D2輸入；定時(shí)電容C加在11腳和14腳。5. 4腳和6腳分別為輸出極性相反的方波電壓。 5.2 調(diào)頻電路 5.2.3 張馳振蕩電路實(shí)現(xiàn)直流調(diào)

12、頻調(diào)頻非正弦波轉(zhuǎn)換為調(diào)頻正弦波通過(guò)中心頻率為nc的帶通濾波器。取出其中n次諧波的調(diào)頻正弦波。從上圖可知，要求帶通濾波器的帶寬大于所取調(diào)頻波的頻譜寬度，而且要求相鄰的兩調(diào)諧波的有效頻譜不重疊。得到 5.2 調(diào)頻電路 5.2.3 張馳振蕩電路實(shí)現(xiàn)直流調(diào)頻調(diào)頻三角波方法一同調(diào)頻方波。方法二采用非線性變換網(wǎng)絡(luò)。采用張馳振蕩電路調(diào)頻可以產(chǎn)生頻偏大、調(diào)制線性好的調(diào)頻波，便于實(shí)現(xiàn)集成化。 5.2 調(diào)頻電路 5.2.3間接調(diào)頻電路（調(diào)相電路） 1. 調(diào)相電路的分類：矢量合成法調(diào)相電路、可變相移法調(diào)相電路和可變時(shí)延法調(diào)相電路。 2. 可變相移法調(diào)相電路與間接調(diào)頻電路 5.2 調(diào)頻電路 5.2.3間接調(diào)頻電路（調(diào)

13、相電路）對(duì)其進(jìn)行積分處理，則得 振蕩調(diào)相積分vc(t)v(t)v(t)調(diào)頻波輸出以此信號(hào)作調(diào)制信號(hào): 5.2 調(diào)頻電路 5.2.3間接調(diào)頻電路（調(diào)相電路）(2)變?nèi)莨苷{(diào)相原理分析 變?nèi)莨艿秒娙軨j電感L及Re組成并聯(lián)諧振回路。利用其相頻特性 5.2 調(diào)頻電路所以，當(dāng)激勵(lì)的電流的角頻率恒定為c時(shí)，但調(diào)諧回路的諧振X頻率卻受V控制發(fā)生變化，使回路提供的相移z（c）也將隨V控制發(fā)生變化。因此，在回路產(chǎn)生的電壓V0(t)的相位將收到V的調(diào)變的調(diào)相波，與此同時(shí)，并將諧振回路的等效阻抗值也變。則輸出幅度也變，出現(xiàn)并不需要的寄生調(diào)幅 當(dāng)m取值較小時(shí)，將上式進(jìn)行冪級(jí)擴(kuò)展，省略其二次方以上各項(xiàng)， 實(shí)現(xiàn)不失真調(diào)相

14、，除了選用n2的變?nèi)莨芑蛳拗苖為小值，保證0(t)不失真的反應(yīng)V以外，還必須限制Mp小于（/6)rad。其中， 5.2 調(diào)頻電路 5.2.3間接調(diào)頻電路（調(diào)相電路）調(diào)相電路分析（間接調(diào)頻電路） 變?nèi)荻O管的電容與L組成調(diào)諧電路 R3C4可等效為一積分電路，而且C4的容抗阻值遠(yuǎn)小于R3值 5.2 調(diào)頻電路為了增大Mp，可以采用多級(jí)單回路構(gòu)成的變?nèi)菡{(diào)相電路。電路的總相移近似等于三級(jí)回路的相移之和。因此，該電路的Mp為單回路調(diào)相電路的三倍。 5.2 調(diào)頻電路三、可變時(shí)延法調(diào)相電路晶體振蕩器可控時(shí)延網(wǎng)絡(luò)通過(guò)時(shí)延網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓為：假設(shè)： 5.2 調(diào)頻電路三、可變時(shí)延法調(diào)相電路根據(jù)前面的式子可以得到N1時(shí)

15、，Mp可達(dá)到0.8 可見(jiàn)，脈沖調(diào)相電路具有線性相移較大的優(yōu)點(diǎn)。 5.2 調(diào)頻電路四、擴(kuò)展m的方法 1.對(duì)于調(diào)頻波其瞬時(shí)的角頻率 若通過(guò)倍頻次數(shù)為n的信頻器，則瞬時(shí)的角頻率變?yōu)?說(shuō)明頻偏擴(kuò)大了n倍，但相對(duì)頻偏 不變。 2.利用混頻器能產(chǎn)生和頻和差額的功能?？梢缘玫讲唤档蚼的同時(shí)。可以 提高相對(duì)頻偏 上述擴(kuò)展m的方法更適用于間接調(diào)頻電路。 5.3 調(diào)頻波解調(diào)電路 一、鑒頻電路概述 1.性能要求 稱為鑒頻跨導(dǎo)，單位為V/Hz，SD 越大，表明鑒頻器將輸入瞬時(shí)頻偏變換為輸出解調(diào)電壓的能力越強(qiáng)，當(dāng)f(t)= fmcost,不失真的解調(diào)輸出電壓v0(t)=SDfmcost 總之，一個(gè)鑒頻器，除了有大的鑒頻

16、跨導(dǎo)外，還必須滿足線性和非線性失真的要求。 要求滿足近似線性部分的2fmax2fm 5.3 調(diào)頻波解調(diào)電路一、鑒頻電路概述2. 實(shí)現(xiàn)方法 5.3 調(diào)頻波解調(diào)電路脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻器必須注意，為了從調(diào)頻脈沖序列中不失真的檢出反映瞬時(shí)頻率的變化的平均分量，應(yīng)保證脈沖序列中的兩個(gè)脈沖不互相重疊。為此值不宜取得過(guò)大，應(yīng)將它限制在輸入調(diào)頻信號(hào)最高瞬時(shí)頻率的一個(gè)周期內(nèi)，即： 5.3 調(diào)頻波解調(diào)電路斜率鑒頻器的理論分析當(dāng)上式表明，理想微分網(wǎng)絡(luò)將輸入調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率變化不失真的反映在調(diào)頻信號(hào)的振幅V2m上。 V2m A0V1m（c mcost） 5.3 調(diào)頻波解調(diào)電路斜率鑒頻器的理論分析用類似的分析得到：當(dāng)上式

17、表明，通過(guò)理想時(shí)延網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)0/12時(shí)，輸出調(diào)頻信號(hào)中的附加相移為： 5.3 調(diào)頻波解調(diào)電路四、振幅限幅器一、三極管振幅限幅器諧振功率放大器工作在過(guò)壓狀態(tài)。振幅限幅器要求：1.限幅區(qū)具有平坦的限幅特性。2.進(jìn)入限幅區(qū)的輸入高頻電壓振幅（門限電壓）盡可能小。 5.3 調(diào)頻波解調(diào)電路四、振幅限幅器當(dāng)輸入的高頻信號(hào)Vs幅度較大時(shí)，集電極電流波形的上、下頂部被削平。集電極接入諧振回路。且諧振頻率等于輸入的載波頻率。諧振回路的通頻帶大于輸入調(diào)頻信號(hào)的頻譜寬度。輸出得到等幅的調(diào)頻電壓。 5.3 調(diào)頻波解調(diào)電路 5.3.2 斜率鑒頻電路 一、電路結(jié)構(gòu) 在斜率鑒頻器的前級(jí)加上振幅限幅器，克服寄生調(diào)幅。（見(jiàn)前面分

18、析）斜率鑒頻器主要是由單失諧電路和二極管檢波電路組成 二、鑒頻原理 利用單失諧回路（0c）,使c處在諧振特性曲線傾斜部分中接近線性部分，使等幅的調(diào)頻波經(jīng)單失諧回路后，在次級(jí)得調(diào)頻調(diào)幅波。利用包絡(luò)檢波，實(shí)現(xiàn)以調(diào)頻調(diào)幅波中檢出調(diào)制信號(hào)。 調(diào)頻波頻幅轉(zhuǎn)換調(diào)頻調(diào)幅波包絡(luò)檢波調(diào)制信號(hào) 5.3 調(diào)頻波解調(diào)電路 5.3.2 斜率鑒頻電路三、集成電路中采用得斜率鑒頻電 路分析 1.結(jié)構(gòu)及原理 L1和C1,C2 組成由調(diào)頻波轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)頻調(diào)幅波的轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)椋?當(dāng)滿足12時(shí)，則L1和C1并聯(lián)諧振回路等效為電感L,由L與C2 組成串聯(lián)諧振回路（L1,C1回路為高Qe） 。所以當(dāng)1時(shí)，并聯(lián)諧振，則Vm達(dá)到最大值。V2

19、m為最小值；若2時(shí)，串聯(lián)諧振，V2m達(dá)到最大值，單V1m此時(shí)卻是最小值。T3，T4的PN結(jié)及C3,C4組成檢波和濾波電路。 5.3 調(diào)頻波解調(diào)電路 5.3.2 斜率鑒頻電路3.鑒頻特性曲線（兩曲線相減得合成曲線） v0與(v1m=v2m)之差成正比，而且在c點(diǎn)沒(méi)有電壓輸出 5.3 調(diào)頻波解調(diào)電路三、相位鑒頻器（鑒相器） 1.分類: 數(shù)字式 模擬式 乘積形（集成電路） 疊加形（分立元件） 2.鑒相器的組成：調(diào)頻波頻相轉(zhuǎn)換調(diào)頻調(diào)相波相位檢波調(diào)制信號(hào) 5.3 調(diào)頻波解調(diào)電路一、相位檢波器（鑒相器）按工作方式分乘積型和疊加型。乘積型鑒相器根據(jù)模擬乘法器的雙差分對(duì)關(guān)輸出的差值電流i 得到式子：有條件V2m260mV，得到簡(jiǎn)化其中，v1(t)近似為開(kāi)關(guān)信號(hào)K2(t)。當(dāng)|26mV, V1m260mV時(shí)，可以得到電流為：積分后，平均電流為：經(jīng)過(guò)低通 5.3 調(diào)頻波解調(diào)電路一、相位檢波器（鑒相器）2. 疊加型鑒相器Ksin值為較小時(shí)，可以忽略了三次和以上