角度調(diào)制與解調(diào)課件

第8章角度調(diào)制與解調(diào)8.1 概述8.2 調(diào)角波性質(zhì)8.3 調(diào)頻方法概述8.4 變?nèi)荻O管調(diào)頻8.8 相位鑒頻器1w0+Dwmw0–DwmAMFM8.1概述2調(diào)頻波的指標(biāo)寄生調(diào)幅頻譜寬度抗干擾能力8.1概述3利用波形變換電路進(jìn)行鑒頻8.1概述5鑒頻器的指標(biāo)鑒頻靈敏度鑒頻跨導(dǎo)鑒頻頻帶寬度寄生調(diào)幅抑制能力失真和穩(wěn)定性8.1概述6鑒頻特性曲線8.1概述78.2.1瞬時(shí)頻率與瞬時(shí)相位調(diào)頻是使高頻載波的瞬時(shí)頻率按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化的一種調(diào)制方式；調(diào)相是使高頻載波的瞬時(shí)相位按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化的一種調(diào)制方式。因?yàn)檫@兩種調(diào)制都表現(xiàn)為高頻振蕩波的總瞬時(shí)相角受到調(diào)變，故將它們統(tǒng)稱為角度調(diào)制(簡(jiǎn)稱調(diào)角)。瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位0實(shí)軸98.2.2調(diào)頻波和調(diào)相波的數(shù)學(xué)表示式調(diào)頻設(shè)調(diào)制信號(hào)為vΩ(t)，載波信號(hào)ω0是未調(diào)制時(shí)的載波中心頻率；kfvΩ(t)是瞬時(shí)頻率相對(duì)于ω0的偏移，叫瞬時(shí)頻率偏移，簡(jiǎn)稱頻率偏移或頻移?？杀硎緸樽畲箢l移，即頻偏，表示為瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位相移調(diào)制指數(shù)10調(diào)相ω0t+θ0是未調(diào)制時(shí)的載波相位；kpvΩ(t)是瞬時(shí)相位相對(duì)于ω0t+θ0的偏移，叫瞬時(shí)相位偏移，簡(jiǎn)稱相位偏移或相移?？杀硎緸樽畲笙嘁?，即相偏，表示為瞬時(shí)相位瞬時(shí)頻率頻偏調(diào)制指數(shù)設(shè)調(diào)制信號(hào)為vΩ(t)，載波信號(hào)8.2.2調(diào)頻波和調(diào)相波的數(shù)學(xué)表示式11以單音調(diào)制波為例調(diào)制信號(hào)調(diào)頻瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位已調(diào)頻信號(hào)8.2.2調(diào)頻波和調(diào)相波的數(shù)學(xué)表示式13調(diào)相瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位已調(diào)相信號(hào)以單音調(diào)制波為例調(diào)制信號(hào)8.2.2調(diào)頻波和調(diào)相波的數(shù)學(xué)表示式14以單音調(diào)制波為例調(diào)制信號(hào)調(diào)頻調(diào)相瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位8.2.2調(diào)頻波和調(diào)相波的數(shù)學(xué)表示式158.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度由于調(diào)頻波和調(diào)相波的方程式相似，因此只要分析其中一種的頻譜，則對(duì)另一種也完全適用。已調(diào)頻信號(hào)已調(diào)相信號(hào)已調(diào)頻信號(hào)其中是以mf為參數(shù)的n階第一類貝賽爾函數(shù)。一、頻譜調(diào)制信號(hào)17一、頻譜8.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度188.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度

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上式表明，當(dāng)V0一定時(shí)，不論mf為何值，調(diào)頻波的平均功率恒為定值，并且等于未調(diào)制時(shí)的載波功率。換句話說，改變mf僅會(huì)引起載波分量和各邊帶分量之間功率的重新分配，但不會(huì)引起總功率的改變。4)根據(jù)帕塞瓦爾(Parseval)定理調(diào)頻波的平均功率等于各頻譜分量平均功率之和。因此，在電阻R上，調(diào)頻波的平均功率應(yīng)為8.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度21雖然調(diào)頻波的邊頻分量有無數(shù)多個(gè)，但是，對(duì)于任一給定的mf值，高到一定次數(shù)的邊頻分量其振幅已經(jīng)小到可以忽略，以致濾除這些邊頻分量對(duì)調(diào)頻波形不會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。二、帶寬通常規(guī)定：凡是振幅小于未調(diào)制載波振幅的1％(或10％，根據(jù)不同要求而定)的邊頻分量均可忽略不計(jì)，保留下來的頻譜分量就確定了調(diào)頻波的頻帶寬度。如果將小于調(diào)制載波振幅l0％的邊頻分量略去不計(jì)，則頻譜寬度BW可由下列近似公式求出：8.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度22在實(shí)際應(yīng)用中也常區(qū)分為：從上面的討論知道，調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜結(jié)構(gòu)以及頻帶寬度與調(diào)制指數(shù)有密切的關(guān)系?？偟囊?guī)律是：調(diào)制指數(shù)越大，應(yīng)當(dāng)考慮的邊頻分量的數(shù)目就越多，無論對(duì)于調(diào)頻還是調(diào)相均是如此。這是它們共同的性質(zhì)。但是，由于調(diào)頻與調(diào)相制與調(diào)制頻率F的關(guān)系不同，僅當(dāng)F變化時(shí)，它們的頻譜結(jié)構(gòu)和頻帶寬度的關(guān)系就互不相同。8.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度23End下面分析一下含多個(gè)頻率成分信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻信號(hào)的頻譜，以雙頻信號(hào)為例此時(shí)增加了許多組合頻率，使頻譜組成大為復(fù)雜。因此，調(diào)頻與調(diào)相制屬于非線性調(diào)制。8.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度258.3調(diào)頻方法概述8.3.1直接調(diào)頻原理8.3.2間接調(diào)頻原理26產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)的電路叫調(diào)頻器。對(duì)它有四個(gè)主要要求（1）已調(diào)波的瞬時(shí)頻率與調(diào)制信號(hào)成比例地變化。（2）未調(diào)制時(shí)的載波頻率，即已調(diào)波的中心頻率有一定的穩(wěn)定度（視應(yīng)用場(chǎng)合不同而有不同的要求）。（3）最大頻移與調(diào)制頻率無關(guān)。（4）無寄生調(diào)幅或寄生調(diào)幅盡可能小。產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)的方法很多，歸納起來主要有兩類：用調(diào)制信號(hào)直接控制載波的瞬時(shí)頻率——直接調(diào)頻。由調(diào)相變調(diào)頻——間接調(diào)頻。8.3調(diào)頻方法概述27瞬時(shí)頻率瞬時(shí)相位借助于調(diào)相器得到調(diào)頻波8.3.2間接調(diào)頻原理298.4變?nèi)荻O管調(diào)頻8.4.1基本原理8.4.2電路分析308.4.1基本原理變?nèi)荻O管的結(jié)電容與反向電壓的關(guān)系為式中，為PN結(jié)的勢(shì)壘電壓（內(nèi)建電勢(shì)差）；為時(shí)的結(jié)電容；為系數(shù)。上圖表示變?nèi)莨芙Y(jié)電容隨反向電壓變化的關(guān)系曲線。31加到變?nèi)莨苌系姆聪螂妷喊ㄖ绷髌珘汉驼{(diào)制信號(hào)電壓，如圖(b)所示，即此處假定調(diào)制信號(hào)為單音頻簡(jiǎn)諧信號(hào)。結(jié)電容在的控制下隨時(shí)間發(fā)生變化，如圖(c)所示。8.4.1基本原理32變?nèi)荻O管調(diào)頻電路++--8.4.1基本原理33在圖中，虛線左邊是典型的正弦波振蕩器，右邊是變?nèi)莨茈娐贰＜拥阶內(nèi)莨苌系姆聪蚱珘簽槭街?，是反向直流偏壓。圖中，是變?nèi)莨芘c回路之間的耦合電容，同時(shí)起到隔直流的作用；為對(duì)調(diào)制信號(hào)的旁路電容；是高頻扼流圈，但讓調(diào)制信號(hào)通過。把受到調(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，如圖上所示，則振蕩頻率亦受到調(diào)制信號(hào)的控制。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。這樣就實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻。8.4.1基本原理34下圖是等效電路。圖中表示加有反向電壓的變?nèi)荻O管電容。當(dāng)調(diào)制信號(hào)時(shí)，變?nèi)荻O管結(jié)電容為常數(shù)，它對(duì)應(yīng)于反向直流偏壓的結(jié)電容，得這時(shí)，振蕩回路總電容為8.4.2電路分析35當(dāng)調(diào)制信號(hào)為單音頻簡(jiǎn)諧信號(hào)，即時(shí)，變?nèi)荻O管結(jié)電容隨時(shí)間變化，可以得到這時(shí)的結(jié)電容為令，這里的m稱為調(diào)制深度。于是，上式可化為8.4.2電路分析36由調(diào)制信號(hào)所引起的振蕩回路總電容變化量：

由所引起的頻率變化為8.4.2電路分析37令P是變?nèi)荻O管與振蕩回路之間的接入系數(shù)。而此處8.4.2電路分析38該式說明，瞬時(shí)頻率的變化中，含有a）與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系的成分，其最大頻移為b）與調(diào)制信號(hào)的二次、三次諧波成線性關(guān)系的成分，其最大頻移分別為8.4.2電路分析39c）中心頻率相對(duì)于未調(diào)制時(shí)的載波頻率產(chǎn)生的偏移為二次非線性失真系數(shù)為三次非線性失真系數(shù)為總的非線性失真系數(shù)為8.4.2電路分析40為了使調(diào)制線性良好，應(yīng)盡可能減小Δf2和Δf3

，亦即減小k2和k3

。為了使中心頻率穩(wěn)定度盡量少受變?nèi)荻O管的影響，就應(yīng)盡可能減小Δf0

。從式（10.4.22）至式（10.4.27）諸式可以看出，如果選取較小的m值（即調(diào)制信號(hào)振幅較小，或者說變?nèi)荻O管應(yīng)用于曲線比較窄的范圍內(nèi)），則非線性失真以及中心頻率偏移均很小。但是，有用頻偏也同時(shí)減小。為了兼顧頻偏和非線性失真的要求，常取m=0.5。從以上各式還可看出，若選取γ=1，則二次、三次非線性失真系數(shù)以及中心頻率偏移均可為零。這是預(yù)料之中的結(jié)論。

8.4.2電路分析41

需要強(qiáng)調(diào)指出，以上討論的是相對(duì)于回路總電容C很小（即頻偏很?。┑那闆r。如果比較大，這時(shí)式（10.4.18）不再成立，所以最后得出的結(jié)論將與上面有所不同。經(jīng)過分析知道（參看附錄10.2），在大頻偏情況下，只有當(dāng)γ=2時(shí)，才可能真正實(shí)現(xiàn)沒有非線性失真的調(diào)頻這就是說，在小頻偏情況，選擇γ=1的變?nèi)荻O管即可近似地實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻；而在大頻偏情況，必須選擇接近γ=2的超突變結(jié)變?nèi)荻O管，才能使調(diào)制具有良好的線性。

8.4.2電路分析42直接調(diào)頻的主要優(yōu)點(diǎn)是可以獲得較大的頻偏，但是中心頻率的穩(wěn)定性（主要是長(zhǎng)期穩(wěn)定性）較差。在某些情況下，對(duì)中心頻率的穩(wěn)定度提出了比較嚴(yán)格的要求。例如，在88～108MHz(波段的調(diào)頻電臺(tái)，為了減小鄰近電臺(tái)間的相互干擾，通常規(guī)定各電臺(tái)調(diào)頻信號(hào)中心頻率的絕對(duì)穩(wěn)定度不劣于2kHz。若中心頻率為100MHz，這就意味著其相對(duì)頻率穩(wěn)定度不劣于2×10-5。這種穩(wěn)定度要求，變?nèi)荻O管調(diào)頻無法達(dá)到。目前，穩(wěn)定中心頻率常采用以下三種方法：1）對(duì)石英晶體振蕩器進(jìn)行直接調(diào)頻；2）采用自動(dòng)頻率控制電路；3）利用鎖相環(huán)路穩(wěn)頻。第二、三種方法將在第10章介紹。8.5晶體振蕩器直接調(diào)頻43從第6章已知，晶體振蕩器有兩種類型。一種是工作在石英晶體的串聯(lián)諧振頻率上，晶體等效為一個(gè)短路元件，起著選頻作用。另一種是工作于晶體的串聯(lián)與并聯(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，作為振蕩回路元件之一。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實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。

變?nèi)荻O管接入振蕩回路有兩種方式。一種是與石英晶體相串聯(lián)，另一種是與石英晶體相并聯(lián)。無論哪一種接入方式，當(dāng)變?nèi)荻O管的結(jié)電容發(fā)生變化時(shí)，都引起晶體的等效電抗發(fā)生變化。在變?nèi)荻O管與石英晶體相串聯(lián)的情況下，變?nèi)莨芙Y(jié)電容的變化，主要是使晶體串聯(lián)諧振頻率發(fā)生變化，從而引起石英晶體的等效電抗的大小變化；當(dāng)變?nèi)荻O管與石英晶體相并聯(lián)時(shí)，變?nèi)荻O管結(jié)電容的變化，主要是使晶體的并聯(lián)諧振頻率發(fā)生變化，這也會(huì)引起晶體的等效電抗的大小發(fā)生變化。8.5晶體振蕩器直接調(diào)頻44總之，如果用調(diào)制信號(hào)控制變?nèi)荻O管的結(jié)電容，由于石英晶體的等效電抗也受到控制，因而亦使振蕩頻率受到調(diào)制信號(hào)的控制，即獲得了調(diào)頻信號(hào)。但所產(chǎn)生的最大相對(duì)頻移很小，約只有10-4數(shù)量級(jí)。變?nèi)荻O管與晶體并聯(lián)聯(lián)接方式有一個(gè)較大的缺點(diǎn)，就是變?nèi)莨軈?shù)的不穩(wěn)定性直接嚴(yán)重地影響調(diào)頻信號(hào)中心頻率的穩(wěn)定度。因而用得比較廣泛的還是變?nèi)莨芘c石英晶體相串聯(lián)的方式。

最后指出，對(duì)晶體振蕩器進(jìn)行調(diào)頻時(shí)，由于振蕩回路中引入了變?nèi)荻O管，因此頻率穩(wěn)定度相對(duì)于不調(diào)頻的晶體振蕩器有所降低。一般，其短期頻率穩(wěn)定度達(dá)到10-6數(shù)量級(jí)，長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度達(dá)到10-5數(shù)量級(jí)。8.5晶體振蕩器直接調(diào)頻458.8相位鑒頻器8.8.1相位鑒頻器的工作原理8.8.2相位鑒頻器回路參數(shù)選擇46第一類鑒頻方法利用回路相位—頻率特性實(shí)現(xiàn)調(diào)幅—調(diào)頻波形變換aba’b’-+++--c8.8.1相位鑒頻器的工作原理47圖8.8.1相位鑒頻器原理電路初級(jí)回路的C1、L1和次級(jí)回路C2、L2均調(diào)諧于調(diào)頻波中心頻率f0,完成波形變換，將等幅調(diào)頻波變換成幅度隨瞬時(shí)頻率變化的調(diào)頻波(調(diào)幅—調(diào)頻波)。D1、R、C3和D2、R、C3組成上下兩個(gè)振幅檢波器，特性完全相同，將振幅的變化檢測(cè)出來。+aba’b’-++--c8.8.1相位鑒頻器的工作原理48對(duì)高頻C2、C3、C4的電抗遠(yuǎn)小于負(fù)載電阻R，因此有：8.8.1相位鑒頻器的工作原理1212221VVVVVabbcD&&&&&+-=+=1212121VVVVVabacD&&&&&+=+=aba’b’-++--c一個(gè)檢波器的輸入是兩電壓之和另一個(gè)檢波器輸入是兩電壓之差只要處于耦合回路的通頻帶范圍內(nèi)，當(dāng)調(diào)頻波頻率變化時(shí)，兩電壓振幅都是恒定不變的，但它們之間相位關(guān)系隨頻率而變化。49圖8.8.2次級(jí)回路的等效電路ab+-+12-+在次級(jí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：取其中負(fù)號(hào)有：假設(shè)初、次級(jí)回路Q值較高，耦合較弱，則原電路等效為下圖：8.8.1相位鑒頻器的工作原理-121VLMVs&&-=1IMjVs&&±=w50其中X2=XL2-XC2是次級(jí)回路總阻抗，可正可負(fù)，還可為零。這取決于信號(hào)頻率。次級(jí)回路電壓為：8.8.1相位鑒頻器的工作原理51設(shè)輸入信號(hào)頻率為f，則有：1）當(dāng)f=f0時(shí)有X2=0即：8.8.1相位鑒頻器的工作原理528.8.1相位鑒頻器的工作原理2）當(dāng)f>f0時(shí)有X2>03）當(dāng)f<f0時(shí)有X2<053結(jié)論：輸入信號(hào)頻率等于、大于、小于諧振頻率時(shí)，次級(jí)輸出電壓的相位分別超前初級(jí)電壓相位、、

8.8.1相位鑒頻器的工作原理54得到相位鑒頻的矢量圖：圖8.8.3相位鑒頻器矢量圖檢波器的輸出電壓的振幅正比于VD1、VD2的振幅，因此鑒頻器輸出電壓為0008.8.1相位鑒頻器的工作原理55所以有：8.8.1相位鑒頻器的工作原理56經(jīng)證明，得鑒頻特性的數(shù)學(xué)表示式式中顯然，鑒頻特性主要取決于上式。8.8.2相位鑒頻器回路參數(shù)的選擇57圖8.8.4對(duì)應(yīng)于不同耦合因數(shù)的鑒頻特性曲線8.8.2相位鑒頻器回路參數(shù)的選擇58從該曲線可以大致看出，鑒頻特性曲線的峰值大約發(fā)生在處。已知廣義失諧表示式為得由上式，根據(jù)所選擇的η值、中心頻率f0及所允許的最大頻移Δf，求出回路的品質(zhì)因數(shù)QL。根據(jù)式η=k

QL便求出初次級(jí)回路之間的耦合系數(shù)8.8