通信電子線路 第 07 章 角度調(diào)制與解調(diào)-頻譜非線性變換電路

第7章角度調(diào)制與解調(diào)－頻譜非線性變換電路7.1概述7.2調(diào)角波的性質(zhì)7.3調(diào)頻方法及電路7.4調(diào)角信號(hào)解調(diào)7.5調(diào)頻制的抗干擾(噪聲)性能通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)17.1概述角度調(diào)制： 用調(diào)制信號(hào)去控制載波信號(hào)角度參數(shù)的變化頻率調(diào)制：受控參數(shù)為載波的頻率解調(diào)：鑒頻、頻率檢波相位調(diào)制：受控參數(shù)為載波的相位解調(diào)：鑒相、相位檢波角度調(diào)制屬于非線性調(diào)制：調(diào)制前后頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，是非線性頻率變換優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)缺點(diǎn)：占用頻帶較寬，頻帶利用率低通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)27.2調(diào)角波的性質(zhì)瞬時(shí)頻率與瞬時(shí)相位v(t)=Vcos(t)=Vcos(t+0)上式

為頻率，(t)

為相位，0

為初始相位瞬時(shí)頻率：(t)瞬時(shí)相位：(t)分析中常假設(shè)：0

=0例：求t=0時(shí)的瞬時(shí)頻率0(t)t=0t=

t(t)0實(shí)軸通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)37.2調(diào)角波的性質(zhì)一、調(diào)頻波和調(diào)相波的波形和數(shù)學(xué)表達(dá)式調(diào)制信號(hào)：v(t)=

Vm·f

(t)，|

f(t)|

1是歸一化表達(dá)式載波信號(hào)：v0(t)=

V0mcos(t)=

V0mcos0t

，假設(shè)0

=0頻率調(diào)制瞬時(shí)頻率：調(diào)頻比例常數(shù)

kf

：單位為rad/(s·V)已調(diào)信號(hào)：相位調(diào)制瞬時(shí)相位：調(diào)相比例常數(shù)

kp

：單位為rad/V已調(diào)信號(hào)：通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)47.2調(diào)角波的性質(zhì)單頻調(diào)頻信號(hào)

[v(t)=

Vmcost]m：最大頻偏

(rad/s,Hz)mf：調(diào)頻指數(shù)，即最大相移(rad)、普通調(diào)頻信號(hào)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)57.2調(diào)角波的性質(zhì)單頻調(diào)相信號(hào)

[v(t)=

Vmcost]m：最大頻偏mp：調(diào)相指數(shù)，即最大相移、普通調(diào)相信號(hào)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)67.2調(diào)角波的性質(zhì)調(diào)頻信號(hào)：調(diào)相信號(hào)：調(diào)頻與調(diào)相信號(hào)的相同點(diǎn)：都是等幅波最大頻偏與調(diào)制指數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系一樣：m=

mf,p若調(diào)制信號(hào)幅度變化，則m、mf,p隨之正比變化VmmmfFMVmmmpPM通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)77.2調(diào)角波的性質(zhì)調(diào)頻信號(hào)：調(diào)相信號(hào)：調(diào)頻與調(diào)相信號(hào)的不同點(diǎn)：調(diào)頻：最大頻偏

m由Vm決定，與調(diào)制頻率

無關(guān)； 調(diào)頻指數(shù)mf與調(diào)制頻率成反比。調(diào)相：調(diào)相指數(shù)mp由Vm決定，與調(diào)制頻率

無關(guān)； 最大頻偏m與調(diào)制頻率成正比。mmfFMmmpPM通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)87.2調(diào)角波的性質(zhì)單頻調(diào)頻信號(hào)單頻調(diào)相信號(hào)1.改變Vm2.改變通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)9調(diào)制信號(hào)為：v(t)

載波信號(hào)為：V0mcos0t調(diào)頻波調(diào)相波數(shù)學(xué)表達(dá)式瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位最大頻偏調(diào)制指數(shù)最大相移①⑤④③②⑩⑨⑧⑦⑥7.2調(diào)角波的性質(zhì)v(t)=Vmcost通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)107.2調(diào)角波的性質(zhì)三角波調(diào)頻信號(hào)三角波調(diào)相信號(hào)1.改變Vm2.改變通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)117.2調(diào)角波的性質(zhì)例：有一正弦調(diào)制信號(hào)，頻率為300~3400Hz，調(diào)制信號(hào)中各頻率分量的振幅相同，調(diào)頻時(shí)最大頻偏fm=75kHz，調(diào)相時(shí)最大相移mp=1.5rad。試求調(diào)頻時(shí)調(diào)制指數(shù)mf

的最大范圍和調(diào)相時(shí)最大頻偏fm

的變化范圍。調(diào)頻時(shí)，最大頻偏由調(diào)制信號(hào)幅度決定，與F

無關(guān)調(diào)相時(shí)，調(diào)相指數(shù)由調(diào)制信號(hào)幅度決定，與F

無關(guān)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)127.2調(diào)角波的性質(zhì)二、調(diào)角信號(hào)的頻譜與有效頻帶寬度1.調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜(僅分析單頻調(diào)頻信號(hào))cos(mfsint)

和sin(mfsint)

用第一類貝塞爾函數(shù)展開n：階數(shù)，：宗數(shù)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)137.2調(diào)角波的性質(zhì)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)147.2調(diào)角波的性質(zhì)J0(b)J1(b)J2(b)J3(b)J4(b)J5(b)J6(b)b=2.40

b=5.49

b=8.65b=3.83

b=7.05

b=10.2b=5.14

b=8.42

b=11.6b=6.38

b=8.42

b=11.6b=7.59

b=11.1

b=14.4b=8.77

b=12.3

b=15.7b=9.94

b=13.6

b=17.0通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)157.2調(diào)角波的性質(zhì)有無數(shù)邊頻。隨n

增加，邊頻分量幅度總的趨勢是減小。奇數(shù)次的上下邊頻相位相反，偶數(shù)次的相同。mf

越大，具有較大幅度的邊頻數(shù)量越多。在某些mf

時(shí)，載波或某些邊頻幅度為零。此特點(diǎn)可用于調(diào)制指數(shù)的測量。通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)167.2調(diào)角波的性質(zhì)2.調(diào)頻波和調(diào)相波的功率和有效頻帶寬度根據(jù)帕塞瓦爾公式，調(diào)角波的平均功率

Pav

等于各個(gè)頻率成分的平均功率之和。根據(jù)第一類貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)，可得帶寬：忽略振幅小于載波振幅的10％的邊頻分量，留下的邊頻共2(mf+1)

個(gè)。 BW=2(mf

+

1)=2(m+)上式稱為卡森公式通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)177.2調(diào)角波的性質(zhì)調(diào)頻電臺(tái)：88~108MHz，最大頻偏75kHz

調(diào)制信號(hào)：30~15000Hz 頻帶寬度：150kHz、350kHz(立體聲)校園廣播：76~87MHz3.調(diào)頻波與調(diào)相波的聯(lián)系與區(qū)別調(diào)頻波可視為調(diào)制信號(hào)為的調(diào)相波調(diào)相波可視為調(diào)制信號(hào)為的調(diào)頻波以上是間接調(diào)制的理論依據(jù)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)187.2調(diào)角波的性質(zhì)F=4kHzmf=32(mf+1)F=32kHz調(diào)相信號(hào)頻譜F=1kHzmp=122(mp+1)F=26kHzF=2kHzmp=1252kHzF=4kHzmp=122(mp+1)F=104kHz調(diào)頻信號(hào)頻譜F=1kHzmf

=122(mf+1)F=26kHzF=2kHzmf

=628kHz通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)197.3調(diào)頻方法及電路要求：最大頻偏盡量大、且與調(diào)制信號(hào)保持良好的線性關(guān)系中心頻率穩(wěn)定度盡量高一、實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的方法和基本原理1.直接調(diào)頻法： 用調(diào)制信號(hào)直接控制振蕩回路電抗元件的參數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻可控電容：變?nèi)荻O管可控電感：鐵氧體磁芯的電感線圈電抗管電路：場效應(yīng)管、晶體三極管等組成的等效電抗優(yōu)點(diǎn)：電路簡單、可以得到較大的頻偏缺點(diǎn)：在振蕩器直接控制，頻率穩(wěn)定度不好，波形較差通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)207.3調(diào)頻方法及電路2.間接調(diào)頻法用調(diào)相電路實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，繼承了調(diào)相電路的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：高頻振蕩器本身獨(dú)立于調(diào)相電路，可以得到穩(wěn)定度很好的載波缺點(diǎn)：由于調(diào)相器的限制，頻偏較小通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)217.3調(diào)頻方法及電路二、變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路1.基本工作原理和定量分析變?nèi)荻O管： 利用PN結(jié)反向偏置的勢壘電容構(gòu)成的可控電容變?nèi)荻O管符號(hào)與變?nèi)萏匦郧€：Cj：變?nèi)荻O管的結(jié)電容

vR：二極管兩端的反向電壓：變?nèi)葜笖?shù)。由結(jié)構(gòu)與摻雜濃度決定VD：二極管的勢壘電壓，通常取硅管0.6V、鍺管0.2V通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)227.3調(diào)頻方法及電路表示結(jié)電容的調(diào)制深度通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)23中心頻率線性頻率調(diào)制失真項(xiàng)7.3調(diào)頻方法及電路全部接入式變?nèi)荻O管調(diào)頻電路當(dāng)

=2時(shí)，為線性調(diào)頻電路當(dāng)

2時(shí)，且m<1若

=1?最大頻偏從減小失真與增大頻偏來看，m和

應(yīng)折衷考慮。通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)247.3調(diào)頻方法及電路部分接入式變?nèi)荻O管調(diào)頻電路變?nèi)荻O管部分接入諧振回路，減小失真，改善波形互感耦合

LC振蕩器VCCDL2C1L1CCC-++-Vv(t)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)257.3調(diào)頻方法及電路2.變?nèi)荻O管調(diào)頻實(shí)際電路共基組態(tài)電容三點(diǎn)式振蕩器，中心頻率90MHz變?nèi)荻O管直接調(diào)頻特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：電路簡單、工作頻率較高，容易獲得較大頻偏缺點(diǎn)：中心頻率穩(wěn)定度較差1000pF100WFM12kW3.3kW47kW1000pFL15p10p1000pF20p5/10p5p47mH22kW56kWC11000pF100kWvW+9VL2通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)267.3調(diào)頻方法及電路三、晶體振蕩器直接調(diào)頻優(yōu)點(diǎn)：提高中心頻率的穩(wěn)定度缺點(diǎn)：最大頻偏小300pF470pFJTCj68p+50/5pF50kW100WVCC1mF調(diào)制信號(hào)10kW470pF20kW510W300pF68pF50/5pF100kWvWVDFM輸出通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)277.3調(diào)頻方法及電路四、間接調(diào)頻方法使用調(diào)相器實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，中心頻率穩(wěn)定度高，應(yīng)用廣泛調(diào)相器分類：移相法調(diào)相可變延時(shí)法調(diào)相矢量合成法調(diào)相(阿姆斯特朗法)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)287.3調(diào)頻方法及電路1.移相法調(diào)相移相網(wǎng)絡(luò) 需要滿足

即相移受調(diào)制信號(hào)v(t)

的控制，與其呈線性關(guān)系。輸出信號(hào)：事實(shí)上，阻抗的值及輸出信號(hào)的幅度也會(huì)隨之變換。通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)297.3調(diào)頻方法及電路LC并聯(lián)諧振回路構(gòu)成的可控移相網(wǎng)絡(luò)100kW1000p0.02100kW15kW1000p1000p+9V調(diào)相波CjvW調(diào)制信號(hào)v0載波R110kWLCjCjR1Cj=f(vW)v0R1LI0Cj+-v(t)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)307.3調(diào)頻方法及電路2.可變時(shí)延法調(diào)相載波電壓 v0(t)=

V0cos0t延遲時(shí)間可控的延時(shí)網(wǎng)絡(luò)，輸出電壓為 v(t)=

V0cos[0(

t-

)]使延遲時(shí)間受調(diào)制信號(hào)的控制，且為線性關(guān)系 =

kv

=

kVcost輸出電壓 v(t)=

V0cos[0(

t-

)]

=

V0cos(0t-k0Vcost)調(diào)相指數(shù)mp=

k0V

可以很大優(yōu)點(diǎn)：調(diào)制線性好，相位偏移大，能實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)相通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)317.3調(diào)頻方法及電路3.矢量合成法調(diào)相(阿姆斯特朗法)當(dāng)mp=kpVm/6時(shí)，即窄帶調(diào)相時(shí)實(shí)現(xiàn)框圖 可視作載波信號(hào)與一個(gè)DSB信號(hào)的合成通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)327.3調(diào)頻方法及電路上述框圖與理想調(diào)相比較實(shí)質(zhì)為調(diào)幅調(diào)相波幅度不恒定，受調(diào)制信號(hào)影響，稱為寄生調(diào)幅。相位與調(diào)制信號(hào)不是線性關(guān)系，而是反正切關(guān)系。用于窄帶調(diào)相時(shí)，失真較小。通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)33矢量分析方法通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)347.3調(diào)頻方法及電路4.間接調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)－擴(kuò)大頻偏的方法采用倍頻方法擴(kuò)大頻偏 0m

n倍頻

n0nm例：產(chǎn)生載波100MHz，最大頻偏75kHz的調(diào)頻信號(hào) 設(shè)一間接調(diào)頻器可實(shí)現(xiàn)最大頻偏50Hz，載波200kHz

倍頻方式：200k501500倍頻

300M75k但倍頻會(huì)導(dǎo)致中心頻率過高，超過所需值常采用倍頻、混頻結(jié)合方式，以某一調(diào)頻發(fā)射機(jī)為例 200k2564倍頻

12.8M1.6k

與11.0~10.5M下混頻1.8~2.3M1.6k

48倍頻86.4~110.4M76.8k覆蓋了88~108MHz頻率范圍，最大頻偏75kHz通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)357.4調(diào)角信號(hào)解調(diào)頻率檢波：鑒頻；鑒頻器：頻率

電壓變換相位檢波：鑒相；鑒相器：相位

電壓變換鑒相方法將調(diào)相信號(hào)的相位0t+

kpv(t)

與載波的相位0t

相減，取出它們的相位差

kpv(t)，實(shí)現(xiàn)相位檢波應(yīng)用廣泛：例如在鎖相系統(tǒng)中原理框圖：相位/電壓轉(zhuǎn)換分類：乘積型鑒相器疊加型鑒相器通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)367.4調(diào)角信號(hào)解調(diào)乘積型鑒相器結(jié)構(gòu)：輸入信號(hào)vi

=

Vicos[0t+i(t)]本地載波v0=

V0

cos[0t+0(t)+90]=

-V0

sin[0t+0(t)]為識(shí)別兩輸入的超前/滯后關(guān)系，兩者須有90相位差輸出電壓vd

=Adsin[i(t)-0(t)]=Adsin[e(t)]輸出電壓vd與e(t)的關(guān)系曲線叫做鑒相特性曲線乘積型鑒相器具有正弦型鑒相特性曲線①線性鑒相范圍是/6(或/3) 當(dāng)e(t)/6時(shí)，

vd

=Adsin[e(t)]

Ade(t)②最大鑒相范圍是/2(或)通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)377.4調(diào)角信號(hào)解調(diào)疊加型鑒相器為識(shí)別超前/滯后關(guān)系，兩輸入信號(hào)必須有

90o相位差為了減少失真，兩個(gè)輸入 信號(hào)的大小應(yīng)當(dāng)相差較大， 即須滿足：vi

v0

或v0

vi

vi(t)=

Vicos[0t+i(t)]

v0(t)=

V0

cos[0t+0(t)+90]設(shè)：V0

Vi輸出電壓(采用相量分析)： vd(t)

V0

+Visine隨后的分析類似乘積型鑒相器ev0vi=90+0(t)

-i(t)

=90

-e(t)調(diào)相調(diào)幅波v通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)387.4調(diào)角信號(hào)解調(diào)一、鑒頻方法概述和鑒頻器的主要技術(shù)指標(biāo)將調(diào)頻信號(hào)的頻率i(t)=

0+(t)

與載波的頻率0

相減，取出它們的差頻

(t)，實(shí)現(xiàn)頻率檢波原理框圖：頻率/電壓轉(zhuǎn)換鑒頻特性及主要技術(shù)指標(biāo)鑒頻跨導(dǎo)線性范圍或帶寬2max必須大于調(diào)頻波的最大頻偏鑒頻靈敏度：可正常工作的最小輸入調(diào)頻信號(hào)的幅度。通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)397.4調(diào)角信號(hào)解調(diào)實(shí)現(xiàn)鑒頻的方法1.利用波形變換進(jìn)行鑒頻FM

FM-AM

振幅檢波

2.相移乘法鑒頻FM

FM-PM

乘積型鑒相器該方法在集成電路中廣泛應(yīng)用

3.利用鎖相環(huán)分類問題說明：斜率鑒頻器(1.)乘積型相位鑒頻器(2.)疊加型相位鑒頻器FMFM-PMPM-AM包絡(luò)檢波vtvFMtvFM-AMt利用波形變換相位鑒頻器通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)407.4調(diào)角信號(hào)解調(diào)4.脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻器利用單位時(shí)間內(nèi)過零點(diǎn)的數(shù)目來檢測頻率的高低優(yōu)點(diǎn)：線性好、頻帶寬、易集成通信電子線路第7章角度調(diào)制與解調(diào)417.4調(diào)角信號(hào)解調(diào)二、(疊加型)相位鑒頻分類：電感耦合相位鑒頻器、電容耦合相位鑒頻器1.電路說明L1C1、L2C2：頻率-相位轉(zhuǎn)換C5：耦合電容，vL3=

v1L3

D1

D2

RL

C：疊加型