第六章 調(diào)角信號(hào)

第6章角度調(diào)制與解調(diào)電路角度調(diào)制是頻譜的非線性變換電路。頻率調(diào)制：用待傳輸?shù)牡皖l信號(hào)去控制高頻載波信號(hào)的瞬時(shí)頻率，使之按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律線性變化的一種調(diào)制方式，振幅保持不變。相位調(diào)制：用待傳輸?shù)牡皖l信號(hào)去控制高頻載波信號(hào)的瞬時(shí)相位,使瞬時(shí)相位隨調(diào)制信號(hào)的規(guī)律線性變化，而振幅保持不變。

頻率調(diào)制和相位調(diào)制統(tǒng)稱為角度調(diào)制。第6章角度調(diào)制與解調(diào)電路概述調(diào)角波的性質(zhì)調(diào)角方法及直接調(diào)頻電路間接調(diào)頻電路鑒頻器6.1概述1、什么是調(diào)角波角度解調(diào)：從調(diào)角波中取出原調(diào)制信號(hào)的過(guò)程稱。鑒頻:對(duì)于調(diào)頻波，其解調(diào)稱為鑒頻或者頻率檢波、頻率解調(diào)。鑒相：對(duì)于調(diào)相波，其解調(diào)稱為鑒相或相位檢波、相位解調(diào)。調(diào)頻波和調(diào)相波均表現(xiàn)為相角的變化，所不同僅為變化規(guī)律不同，因此，他們?cè)跁r(shí)域、頻譜寬度、調(diào)制與解調(diào)等方面均有密切聯(lián)系。因此，調(diào)相必調(diào)頻；調(diào)頻必調(diào)相。同時(shí)鑒頻與鑒相也可以相互利用。2、

角度解調(diào)3、為什么使用調(diào)角系統(tǒng)4、

角度調(diào)制的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)；載波功率利用率高（發(fā)射設(shè)備利用率高）；調(diào)角信號(hào)傳輸?shù)谋Ｕ娑雀撸◤V播音質(zhì)好）。調(diào)頻應(yīng)用于廣播、電視、通信等。在模擬通信中調(diào)頻比調(diào)相應(yīng)用廣泛，在數(shù)字通信中調(diào)相比調(diào)頻應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)：頻帶比調(diào)幅寬，頻帶利用率低；調(diào)角系統(tǒng)比相應(yīng)的調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)雜，電路實(shí)現(xiàn)困難。5、

衡量調(diào)頻波的主要技術(shù)指標(biāo)1、頻譜寬度。理論上頻率為無(wú)限寬，但實(shí)際上可認(rèn)為貸款是有限的，根據(jù)貸款的不同調(diào)頻可分為寬帶調(diào)頻和窄帶調(diào)頻。2、寄生調(diào)幅。調(diào)頻波應(yīng)為等幅波，但由于某種原因造成幅度不等，這種情況稱為寄生調(diào)幅。3、抗干擾能力。主要要求：

掌握瞬時(shí)角頻率與瞬時(shí)相位的關(guān)系掌握調(diào)頻、調(diào)相信號(hào)的概念、異同和關(guān)系掌握調(diào)頻、調(diào)相信號(hào)的典型表達(dá)式、主要參數(shù)和波形特點(diǎn)。6.2調(diào)角信號(hào)的基本特性了解調(diào)角信號(hào)的頻譜，理解其帶寬。6.2.1瞬時(shí)角頻率與瞬時(shí)相位設(shè)有一個(gè)固定頻率的等幅載波，其表達(dá)式寫為：式中，(t)為載波的瞬時(shí)相位，在沒(méi)有調(diào)角時(shí)，u（t）的中心角頻率和初始相位均為常數(shù)；在調(diào)頻時(shí)，載波的角頻率發(fā)生變化，稱為瞬時(shí)角頻率，同時(shí)瞬時(shí)相位也隨之變化。二者關(guān)系可以用旋轉(zhuǎn)矢量圖來(lái)說(shuō)明。實(shí)軸(t)0t

=

0Um瞬時(shí)相位瞬時(shí)角頻率O

矢量初始相位為0，以(t)的角速度繞O逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。t

=

t當(dāng)

(t)=c時(shí)：Um為旋轉(zhuǎn)矢量長(zhǎng)度、0為與實(shí)軸初始相位。瞬時(shí)角頻率與瞬時(shí)相位的關(guān)系就是微積分的關(guān)系。當(dāng)該矢量從初始狀態(tài)旋轉(zhuǎn)到t時(shí)刻后，它與實(shí)軸的夾角就為(t)，即為瞬時(shí)相位。6.2.2調(diào)角波的性質(zhì)一、

調(diào)角的表示式調(diào)頻波形圖6.2.2調(diào)頻信號(hào)與調(diào)相信號(hào)一、調(diào)頻信號(hào)載波信號(hào)：調(diào)制信號(hào)：調(diào)頻波的角頻率：(t)=c+kfu(t)瞬時(shí)相位：附加相位為分析方便，通常令0=0,則角頻偏設(shè)u(t)=Um

cost(t)=c+kfUm

cost=c+m

cost調(diào)頻指數(shù)最大角頻偏單頻調(diào)制時(shí)，則（b）（c）（d）uFM(t)tω(t)

Δ(t)

uΩ(t)

ttt

u(t)=Um

cost(t)=c+m

cost2、調(diào)相波的表示式調(diào)相波形圖調(diào)相信號(hào)載波信號(hào)：調(diào)制信號(hào)：故調(diào)相信號(hào)為(t)=ct+kp

u(t)瞬時(shí)相位：附加相位(t)

設(shè)u(t)=Um

cost，單頻調(diào)制時(shí)，則調(diào)相指數(shù)，最大附加相移（a）（b）（c）（d）tttt0000ωcω(t)

Δ(t)

uΩ(t)

uPM(t)ΔωmmP

u(t)=Um

cost，3、調(diào)頻和調(diào)相的比較三、調(diào)頻信號(hào)與調(diào)相信號(hào)的比較調(diào)制信號(hào)u(t)=Um

cost載波信號(hào)uc(t)=Um

cosc

t調(diào)頻調(diào)相瞬時(shí)角頻率(t)

c+kf

u(t)瞬時(shí)相位(t)=ct+kpUm

cos

t

最大角頻偏

mkfUmm

＝kpUm

最大附加相位mp=kpUmct+kp

u(t)=c+kfUΩmcostc–

kpUΩm

Ωsin

t

三、調(diào)頻信號(hào)與調(diào)相信號(hào)的比較調(diào)頻調(diào)相瞬時(shí)角頻率(t)

＝c+kf

u(t)=c+mcost=c–

m

sin

t

瞬時(shí)相位(t)=ct+kp

u(t)=ct+mpcos

t

最大角頻偏

m=kfUm=mf=kpUm

=mp最大附加相位mp=kpUm

可見：·調(diào)制前后載波振幅保持不變。

·將調(diào)制信號(hào)先微分，再調(diào)頻，則得調(diào)相信號(hào)。

·將調(diào)制信號(hào)先積分，再調(diào)相，則得調(diào)頻信號(hào)。

即調(diào)頻與調(diào)相可互相轉(zhuǎn)換。[例]一組頻率為3003400Hz的余弦調(diào)制信號(hào)，振幅相同，調(diào)頻時(shí)最大頻偏為

75kHz，調(diào)相時(shí)最大相移為

1.5rad，試求調(diào)制信號(hào)頻率范圍內(nèi)：(1)調(diào)頻時(shí)mf的變化范圍;(2)調(diào)相時(shí)fm的范圍。[解](1)調(diào)頻時(shí)，fm為75kHz故[例]一組頻率為3003000Hz的余弦調(diào)制信號(hào)，振幅相同，調(diào)頻時(shí)最大頻偏為

75kHz，調(diào)相時(shí)最大相移為

2rad，試求調(diào)制信號(hào)頻率范圍內(nèi)：(1)調(diào)頻時(shí)mf的變化范圍;(2)調(diào)相時(shí)fm的范圍;[解](2)調(diào)相時(shí)，mP為1.5rad

故[例]已知u(t)=5cos(2103t)V，調(diào)角信號(hào)表達(dá)式為uo(t)=10cos[(2106t)+10cos(2103t)]V試判斷該調(diào)角信號(hào)是調(diào)頻信號(hào)還是調(diào)相信號(hào)，并求調(diào)制指數(shù)、最大頻偏、載波頻率和載波振幅。[解]=2106t+10cos(2103t)附加相位正比于調(diào)制信號(hào)，故為調(diào)相信號(hào)。調(diào)相指數(shù)mp=10rad載波頻率fc

=106(Hz)fm=mpF最大頻偏載波振幅Um

=10V=10103=10kHz6.2.3調(diào)角信號(hào)的頻譜與帶寬一、調(diào)角信號(hào)的頻譜FM信號(hào)和PM信號(hào)時(shí)間表達(dá)式無(wú)本質(zhì)差別

，所以兩種信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)類似。分析時(shí)可將調(diào)制指數(shù)mf或mp用m代替，寫成統(tǒng)一的調(diào)角信號(hào)表示式。根據(jù)貝塞爾函數(shù)理論有：

Jn(m)稱為以m為宗數(shù)的n階第一類貝塞爾函數(shù)得可見：·調(diào)角信號(hào)頻譜由載頻分量和角頻率為（ωc±nΩ）的無(wú)限對(duì)上、下邊頻分量構(gòu)成。

·n為奇數(shù)時(shí)，上、下邊頻分量振幅相同極性相反；當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，上、下兩邊頻分量的振幅和極性都相同。

·載頻分量和各邊頻分量的振幅均隨Jn(m)而變化。12345678910111213mJn(m)Jn(m)隨m、n變化的規(guī)律1.00.80.60.40.20–0.2–0.4n=0n=1n=2n=3n增大時(shí)，總趨勢(shì)為邊頻分量振幅減小。

m越大，具有較大振幅的邊頻分量就越多；且有些邊頻分量振幅超過(guò)載頻分量振幅。當(dāng)m為某些值時(shí)，載頻分量可能為零，m為其它某些值時(shí)，某些邊頻分量振幅可能為零。

第六章角度調(diào)制與解調(diào)調(diào)角波頻譜圖m＝0.50.94ωcΩ2Ω3Ωm＝2.4ωcm＝50.18ωc二、調(diào)角信號(hào)的帶寬

n增大時(shí)，邊頻分量振幅總趨勢(shì)減小。因此離載頻較遠(yuǎn)的邊頻振幅很小，在傳送和放大過(guò)程中，舍去這些邊頻分量，不會(huì)使調(diào)角信號(hào)產(chǎn)生明顯失真，因此，調(diào)角信號(hào)實(shí)際的有效頻帶寬度是有限的。

通常取BW=2(m+1)F若

m<<1,則BW

2F

稱為窄帶調(diào)角信號(hào)若

m>>1,則BW

2m

F=2fm

稱為寬帶調(diào)角信號(hào)

復(fù)雜信號(hào)調(diào)制時(shí)調(diào)角信號(hào)的帶寬：三、調(diào)角信號(hào)的功率調(diào)角波的平均功率等于未調(diào)制的載波功率。即改變m，僅使載波分量和各邊頻分量之間的功率重新分配，而總功率不變。

四、調(diào)角信號(hào)的應(yīng)用調(diào)角信號(hào)比之調(diào)幅信號(hào)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)和設(shè)備利用率高。

調(diào)角信號(hào)為等幅信號(hào)，其幅度不攜帶信息，故可采用限幅電路消除干擾所引起的寄生調(diào)幅。

調(diào)角信號(hào)功率等于載波功率，與調(diào)制指數(shù)m無(wú)關(guān)，因此不論m為多大，發(fā)射機(jī)末級(jí)均可工作在最大功率狀態(tài)。缺點(diǎn)：有效帶寬比調(diào)幅信號(hào)大得多，且有效帶寬與m相關(guān)。故角度調(diào)制不宜在信道擁擠、頻率范圍不寬的短波波段使用，而適合在頻率范圍很寬的微波波段使用。

注意區(qū)別下列概念ωc——載波的角頻率Ω——調(diào)制信號(hào)的角頻率最大角頻偏Δωm和最大頻偏Δfm有效帶寬BW：指一定精度范圍內(nèi)上、下邊頻所占有的頻率范圍。調(diào)相指數(shù)mp：調(diào)相信號(hào)的最大附加相位。調(diào)頻指數(shù)mf：調(diào)頻信號(hào)的最大附加相位。小結(jié)調(diào)頻調(diào)相調(diào)角信號(hào)的有效頻帶寬度：BW=2(m+1)F調(diào)角波的平均功率等于未調(diào)制的載波功率。主要要求：

掌握調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)方法，了解調(diào)頻電路的主要指標(biāo)理解變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路的組成和工作原理6.2調(diào)頻電路了解變?nèi)莨荛g接調(diào)頻電路的組成和工作原理理解實(shí)現(xiàn)調(diào)相的基本方法掌握擴(kuò)展最大頻偏的方法6.2.1調(diào)頻電路的實(shí)現(xiàn)方法與性能指標(biāo)一、調(diào)頻方法1.直接調(diào)頻2.間接調(diào)頻6.2.1調(diào)頻電路的實(shí)現(xiàn)方法與性能指標(biāo)1.直接調(diào)頻一、調(diào)頻方法用調(diào)制信號(hào)直接控制振蕩器頻率，使其與調(diào)制信號(hào)成正比。

直接調(diào)頻原理示意圖

有源電路L調(diào)制輸出可控電抗元件C調(diào)制電壓控制諧振頻率，從而控制振蕩頻率。適當(dāng)選擇電路參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻。優(yōu)點(diǎn)：頻偏較大

缺點(diǎn)：中心頻率易不穩(wěn)定2.間接調(diào)頻晶體振蕩器載波電壓Umcosctu(t)積分器調(diào)相器間接調(diào)頻電路組成框圖2.間接調(diào)頻晶體振蕩器載波電壓Umcosctu(t)積分器調(diào)相器間接調(diào)頻電路組成框圖優(yōu)點(diǎn)：中心頻率較穩(wěn)定

缺點(diǎn)：不易獲得大頻偏二、調(diào)頻電路的主要性能指標(biāo)中心頻率及其穩(wěn)定度最大頻偏fm非線性失真調(diào)頻靈敏度即未調(diào)制時(shí)的載波頻率fc。保持中心頻率的高穩(wěn)定度，才

能保證接收機(jī)正常接收信號(hào)。

調(diào)制特性的線性單位調(diào)制電壓變化所產(chǎn)生的頻率偏移稱為調(diào)制靈敏度頻偏與調(diào)制信號(hào)諧波成比例二、調(diào)頻電路的主要性能指標(biāo)Δf=f-fcO

調(diào)頻特性u(píng)ΩfmU?m調(diào)制特性的線性：調(diào)頻電路輸出電壓的頻率偏移與調(diào)制電壓的關(guān)系與ucΔf=f-fc載波頻率穩(wěn)定度：就是調(diào)頻波的中心頻率的穩(wěn)定度，載頻穩(wěn)定是保證正常通信的必要條件。最大頻偏：在正常調(diào)制電壓作用下所得到的最大頻偏值。在波段式的調(diào)頻器里，通常要求該值盡可能恒定。6.2.2變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路一、變?nèi)荻O管的壓控電容特性u(píng)Cjou=0時(shí)的結(jié)電容PN結(jié)內(nèi)建電位差變?nèi)葜笖?shù)，取決于PN結(jié)工藝反向偏置二、諧振電路組成與工作原理LCjC1L1

C2+u(t)–+UQ–u(t)—調(diào)制信號(hào)UQ—使二極管反偏C1—隔直，防止UQ通過(guò)L短路L1—高扼圈，對(duì)高頻開路C2—高頻旁路LCj振蕩回路的

高頻通路+-+-UQ

u(t)直流和

調(diào)制信號(hào)通路LCj振蕩回路的

高頻通路+-+-UQ

u(t)直流和

調(diào)制信號(hào)通路LCjC1L1

C2+u(t)–+UQ–得變?nèi)莨莒o態(tài)電容結(jié)電容調(diào)制度可得，

是未調(diào)制時(shí)的振蕩頻率（載波頻率）

當(dāng)γ=2時(shí)，

γ≠2時(shí)，調(diào)制特性是非線性的。

但調(diào)制信號(hào)足夠小時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)近似的線性調(diào)制。（證明略）

實(shí)現(xiàn)了理想的線性調(diào)制小結(jié)

將變?nèi)荻O管接入振蕩回路構(gòu)成直接調(diào)頻電路時(shí)，為減小非線性失真和中心頻率的偏離，應(yīng)設(shè)法使變?nèi)荻O管工作在γ=2，若γ≠2，則應(yīng)限制調(diào)制信號(hào)的大小。

為減小非線性及中心頻率的不穩(wěn)定，在實(shí)際應(yīng)用中，常采用變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路方式。變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路

適當(dāng)調(diào)節(jié)C1、C2，可使調(diào)制特性接近于線性。在某些實(shí)際情況下，為了滿足中心頻率穩(wěn)定度較高的要求，有時(shí)采用石英晶體振蕩器直接調(diào)頻電路。晶體振蕩器有兩種：一種是工作在石英晶體的串聯(lián)振蕩頻率上，晶體等效為一個(gè)短路元件，起著選頻的作用；另一種是工作于晶體串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率之間，晶體等效為一個(gè)高品質(zhì)因數(shù)的電感元件，作為振蕩元件之一。

通常是利用變?nèi)荻O管控制后一種晶體振蕩器的振蕩頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。6.2.3晶體振蕩器直接調(diào)頻電路6.2.4電抗管直接調(diào)頻電路6.2.5間接調(diào)頻電路一、實(shí)現(xiàn)方法晶體振蕩器載波電壓Umcosctu(t)積分器調(diào)相器電路組成框圖二、變?nèi)荻O管調(diào)相電路+uo(t)–RPis(t)CjL

is(t)=Ismcosct時(shí)當(dāng)|(c)|<30°時(shí)（屬可變相移法）當(dāng)is(t)為載波