第6章角度調(diào)制與解調(diào)

第六章角度調(diào)制與解調(diào)6.1調(diào)角波的性質(zhì)

6.2調(diào)頻方法及直接調(diào)頻電路6.3間接調(diào)頻電路6.4限幅器（了解）6.5鑒頻器概述

角度調(diào)制是頻率調(diào)制和相位調(diào)制的合稱。

頻率調(diào)制是指用調(diào)制信號(hào)控制載波的瞬時(shí)頻率,使之與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律成線性關(guān)系；

相位調(diào)制是指用調(diào)制信號(hào)控制載波的瞬時(shí)相位，使之與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律成線性關(guān)系。調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相波形角度調(diào)制和調(diào)幅制相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.抗干擾能力強(qiáng)2.設(shè)備的功率利用率高3.調(diào)角信號(hào)傳輸?shù)谋Ｕ娑雀?/p>

本節(jié)主要介紹調(diào)角波的性質(zhì)，具體內(nèi)容如下：6.1調(diào)角波的性質(zhì)6.1.1調(diào)角波的表達(dá)式6.1.2調(diào)角信號(hào)的頻譜和頻寬6.1.3調(diào)制方式的比較一、調(diào)頻波（FM）的表達(dá)式設(shè)載波uc(t)的表達(dá)式和調(diào)制信號(hào)uΩ(t)的表達(dá)式分別為：當(dāng)完成頻率調(diào)制時(shí)，載波高頻振蕩的瞬時(shí)頻率隨調(diào)制信號(hào)呈線性變化，其比例系數(shù)為Kf,故有瞬時(shí)角頻率：6.1.1調(diào)角波的表達(dá)式調(diào)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：圖6.1.1調(diào)頻波的波形圖注意：uΩ(t)、ω(t)和φ(t)的關(guān)系。二、調(diào)相波（PM）的表達(dá)式設(shè)載波uc(t)的表達(dá)式和調(diào)制信號(hào)uΩ(t)的表達(dá)式分別為：對(duì)于調(diào)相波，其瞬間相位除了原來(lái)的載波相位外，又附加了一個(gè)變化部分，這個(gè)變化部分與調(diào)制信號(hào)成比例關(guān)系，因此總相角可表示為：式中φ0為載波的初始相位，ωc(t)為載波信號(hào)的相位，Kp為比例系數(shù)，mp為調(diào)相指數(shù)。調(diào)相波的瞬時(shí)頻率為：調(diào)相信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：圖6.1.2調(diào)相波的波形圖三、調(diào)頻與調(diào)相的關(guān)系1、調(diào)制信號(hào)按余弦規(guī)律變化時(shí)，調(diào)頻波和調(diào)相波在相位上相差；2、調(diào)制指數(shù)3、最大頻率偏移結(jié)論：同一單音頻調(diào)制的調(diào)相波和調(diào)頻波的兩個(gè)基本參數(shù)，最大頻率偏移和調(diào)制指數(shù)隨調(diào)制信號(hào)的振幅和調(diào)制角頻率的變化規(guī)律不同。如果設(shè)載波：，調(diào)制信號(hào)：FM波PM波(1)瞬時(shí)頻率：調(diào)頻信號(hào)與調(diào)相信號(hào)的比較(2)瞬時(shí)相位：(3)最大頻偏：(4)最大相位：(5)表達(dá)式:一、調(diào)角信號(hào)的頻譜令Ucm=1，則可得：6.1.2調(diào)角信號(hào)的頻譜和頻寬調(diào)頻信號(hào)的頻譜，如圖:圖6.1.3mf（Mf

）為不同值時(shí)調(diào)頻波的頻譜

單頻信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻信號(hào)的頻譜具有以下特點(diǎn)：①載頻分量上、下各有無(wú)數(shù)個(gè)邊頻分量，它們與載頻分量相隔都是貝塞爾函數(shù)的整數(shù)倍。載頻分量與各個(gè)邊頻分量的振幅由對(duì)應(yīng)的各階貝塞爾函數(shù)所確定。②邊頻次數(shù)越高，其振幅越?。ㄖ虚g可能有起伏），且mf越大，振幅大的邊頻分量越多。③對(duì)于某些mf值，載頻或某些邊頻分量振幅為零，如mf=2.5時(shí)，載頻分量振幅為零。

二、調(diào)角信號(hào)的頻譜寬度

如果將小于載波振幅10%的邊頻分量略去不計(jì)，則頻譜的有效帶寬BW可由下列近似公式求出:BW=2(mf+1)F由于根據(jù)調(diào)制后載波瞬時(shí)相位偏移大小，可以將角度調(diào)制分為窄帶和寬帶兩種：1〉一般把mf<1的調(diào)頻稱為窄帶調(diào)頻，這時(shí)BW2F;2〉把mf>>1的調(diào)頻稱為寬帶調(diào)頻，這時(shí)BW2(f+F)?？偟囊?guī)則是：調(diào)制指數(shù)越大，應(yīng)考慮的邊頻分量越多（2n=2(m+1)）。圖6.1.4mf（Mf

）為不同值時(shí)調(diào)頻波的頻譜

從圖中可以看出：例1：利用近似公式計(jì)算以下情況的調(diào)頻波的頻帶寬度。(1)fm=75kHz，F(xiàn)max=0.1kHz，(2)fm=75kHz，F(xiàn)max=1kHz，(3)fm=75kHz，F(xiàn)max=10kHz。解：BW=2(mf+1)F

=2(fm

+

F)

(1)BW=2(75+0.1)kHz150kHz(2)BW=2(75+1)kHz=152kHz(3)BW=2(75+10)kHz=170kHz盡管調(diào)制頻率變化了100倍，但頻帶寬度變化很小。例2：已知音頻調(diào)制信號(hào)最低頻率Fmin=20Hz,最高頻率Fmax=15kHz,若要求最大頻偏Δfm=45kHz,求出相應(yīng)調(diào)頻信號(hào)的調(diào)頻指數(shù)mf、帶寬BW和帶寬內(nèi)各頻率分量的功率之和(假定調(diào)頻信號(hào)總功率為1W),畫出F=15kHz對(duì)應(yīng)的頻譜圖,并求出相應(yīng)調(diào)相信號(hào)的調(diào)相指數(shù)mp、帶寬。解：調(diào)頻信號(hào)的調(diào)頻指數(shù)mf與調(diào)制頻率成反比,即所以radrad

因?yàn)镕=15kHz對(duì)應(yīng)的mf=3,從表中可查出J0(3)=-0.261,J1(3)=0.339,J2(3)=0.486,J3(3)=0.309,J4(3)=0.132,由此可畫出對(duì)應(yīng)調(diào)頻信號(hào)帶寬內(nèi)的頻譜圖,共9條譜線,如下圖所示：

因?yàn)檎{(diào)頻信號(hào)總功率為1W,故Ucm=,調(diào)相信號(hào)的最大頻偏是與調(diào)制信號(hào)頻率成正比的,為了保證所有調(diào)制頻率對(duì)應(yīng)的最大頻偏不超過(guò)45kHz,故除了最高調(diào)制頻率外,其余調(diào)制頻率對(duì)應(yīng)的最大頻偏必然小于45kHz。另外,調(diào)相信號(hào)的調(diào)相指數(shù)mp與調(diào)制頻率無(wú)關(guān)。所以：一、抗干擾性

在FM接收機(jī)和AM接收機(jī)輸入信噪比相同時(shí)，有下式：6.1.3調(diào)制方式比較二、信號(hào)頻譜寬度1〉調(diào)制信號(hào)頻率若為F,則AM波的譜寬為2F；而產(chǎn)生的FM波或PM波譜寬為2(m+1)F,且m一般遠(yuǎn)大于1，故調(diào)角信號(hào)譜寬總是遠(yuǎn)大于調(diào)幅信號(hào)；2〉在調(diào)角系統(tǒng)中，F(xiàn)M又優(yōu)于PM，PM占用頻帶過(guò)寬，不經(jīng)濟(jì)，且FM抗干擾性強(qiáng)；三、設(shè)備利用率1〉調(diào)角系統(tǒng)比調(diào)幅系統(tǒng)設(shè)備利用率高；2〉調(diào)角系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜。6.2調(diào)頻方法直接調(diào)頻電路6.2.1調(diào)頻方法概述6.2.2變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路6.2.3晶體振蕩器直接調(diào)頻電路6.2.1調(diào)頻方法概述一、調(diào)頻方法直接調(diào)頻：就是用調(diào)制電壓直接去控制振蕩器的振蕩頻率，使其不失真地反映調(diào)制信號(hào)變化規(guī)律。間接調(diào)頻：就是保持振蕩器的頻率不變，而用調(diào)制電壓去改變載波輸出的相位，即先進(jìn)行調(diào)相，再由調(diào)相變?yōu)檎{(diào)頻。二、調(diào)頻電路的性能要求1．調(diào)制特性(1)定義調(diào)頻電路輸出電壓的瞬時(shí)頻率偏移f(=f-fc)與調(diào)制電壓

u

的關(guān)系稱為調(diào)制特性。(2)要求在特定調(diào)制電壓范圍內(nèi)是線性的，但在實(shí)際電路中應(yīng)盡可能減小非線性失真。2．調(diào)頻靈敏度調(diào)制電壓變化單位數(shù)值產(chǎn)生的振蕩頻率偏移稱為調(diào)制靈敏度，定義式為：

Kf(SF)單位為:Hz/V，Kf

(SF)越大，調(diào)制信號(hào)對(duì)瞬時(shí)頻率的控制能力就越強(qiáng),越容易產(chǎn)生大頻偏的調(diào)頻信號(hào)。3．載波中心頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度4．最大頻偏6.2.2變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路一、變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電容隨外加反向電壓變化而變化這一特性，制成的一種半導(dǎo)體二極管，是一種電壓控制可變?cè)?。圖(a)變?nèi)荻O管的符號(hào)圖(b)串聯(lián)和并聯(lián)的等效電路其中Cd代表二極管的電容，R串和R并代表串聯(lián)和并聯(lián)的等效損耗電阻由于二極管正常工作于反向狀態(tài)，其損耗很小，故R并很大而R串很小。變?nèi)荻O管在反向電壓作用下的結(jié)電容變化較大，并且電容和反向偏壓的關(guān)系呈非線性，即：圖6.2.2變?nèi)荻O管接入振蕩回路二、大頻偏直接調(diào)頻電路L和變?nèi)莨転檎袷庪娐返碾姼泻碗娙?，虛線方框?yàn)樽內(nèi)莨芸刂齐娐?，L1為高頻扼流圈，C1和C2為濾波電容，C3為高頻濾波電容。1、直接調(diào)頻電路工作原理由于結(jié)電容Cj與反向電壓u之間存在關(guān)系：(6―1)變?nèi)荻O管的反向電壓隨調(diào)制信號(hào)變化，即(6―2)振蕩頻率可由回路電感L和變?nèi)荻O管結(jié)電容Cj所決定，即(6―3)變?nèi)荻O管結(jié)電容隨調(diào)制信號(hào)電壓變化規(guī)律，即(6―4)將式(6―4)代入式(6―3)，則得：(6―5)圖（a）為：在變?nèi)荻O管上加一固定的反向直流偏壓和調(diào)制信號(hào)圖（b）為：二極管的變?nèi)萏匦詧D（c）為：電容C隨時(shí)間的變化曲線2、分析

推導(dǎo)：下面分析γ≠0時(shí)的工作情況，令x=mccosΩt，可將式(6―5)改寫成：(6―6)

設(shè)x足夠小，將式(6―6)展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)，并忽略式中的三次方及其以上各次方項(xiàng)，則可得到：(6―7)由上式求得調(diào)頻波的最大角頻偏為調(diào)制靈敏度為：式（6-8）和（6-9）反映的是調(diào)頻波基波分量的參數(shù)；對(duì)于二次諧波而言，其二次諧波失真分量的最大角頻偏及二次諧波失真系數(shù)分別為：(6―8)(6―9)中心角頻率偏離ωc的數(shù)值為相應(yīng)地，調(diào)頻波的二次諧波失真系數(shù)為(6―10)(6―11)(6―12)中心角頻率的相對(duì)偏離值為(6―13)小結(jié)：因?yàn)樽內(nèi)荻O管結(jié)電容隨反向偏壓而變，如果將變?nèi)荻O管接在諧振回路兩端，使反向偏壓受調(diào)制信號(hào)所控制，這時(shí)回路電容有一部分按正弦規(guī)律變化，必然引起振蕩頻率作相應(yīng)的變化，它以為中心作上下偏移，其偏移大?。l偏）與電容變化最大值成正比。所以回路的振蕩頻率是隨調(diào)制信號(hào)變化的，這就是變?nèi)荻O管調(diào)頻的基本原理。

實(shí)際電路：90MHz直接調(diào)頻電路及其高頻通路三、小頻偏直接調(diào)頻電路

(b)圖6.2.3變?nèi)莨懿糠纸尤氲恼袷幓芈?/p>

(b)圖6.2.3變?nèi)莨懿糠纸尤氲恼袷幓芈冯娙荽?lián)接入方法主要改善低頻區(qū)的調(diào)制特性曲線。電容并聯(lián)接入方法主要改善高頻區(qū)的調(diào)制特性曲線。圖6.2.4Cj與固定電容串、并聯(lián)后的特性

振蕩頻率為：故可以看出,當(dāng)Cj部分接入時(shí),其最大頻偏為：圖6.2.4Cj與固定電容串、并聯(lián)后的特性

調(diào)頻靈敏度比變?nèi)莨苋尤胫苯诱{(diào)頻電路減小了p倍；調(diào)制靈敏度和最大角頻偏減小了p倍；加到變?nèi)莨苌系母哳l振蕩電壓振幅也相應(yīng)減小，對(duì)于減小調(diào)制失真非常有利。優(yōu)點(diǎn)：載波頻率的穩(wěn)定性提高了p倍。C2ClCjJT6.2.3晶體振蕩器直接調(diào)頻電路(了解)變?nèi)荻O管（對(duì)LC振蕩器）直接調(diào)頻電路的中心頻率穩(wěn)定度較差。為得到高穩(wěn)定度調(diào)頻信號(hào),須采取穩(wěn)頻措施,如增加自動(dòng)頻率微調(diào)電路或鎖相環(huán)路。還有一種穩(wěn)頻的簡(jiǎn)單方法是直接對(duì)晶體振蕩器調(diào)頻。變?nèi)荻O管接入振蕩回路有兩種形式。一種是與晶體管串聯(lián)，另一種是與晶體管并聯(lián)。一、晶體振蕩器直接調(diào)頻原理右圖為并聯(lián)型PierceOscillator，其振蕩頻率為：式中：Cg為晶體的動(dòng)態(tài)電容，C

o：晶體的靜態(tài)電容，

，f

q：晶體的串聯(lián)諧振頻率。在電路中，當(dāng)Cj變化時(shí)，CL變化，從而使晶體振蕩器的振蕩頻率也發(fā)生變化，如果壓控元件Cj受調(diào)制電壓控制，則PierceOscillator就成為一個(gè)晶體調(diào)頻振蕩器。注意：晶體在電路中呈現(xiàn)為一個(gè)等效電感，故只能工作于晶體的串聯(lián)諧振頻率f

q與并聯(lián)諧振頻率fp之間，而f

q與f

p之間的頻率變化范圍只有：量級(jí)，再加上Cj的串聯(lián)，晶體可調(diào)振蕩頻率更窄。例如載頻為40MHZ的晶體調(diào)頻振蕩器，能獲得最大頻偏只有7.5KHZ，所以采用晶體調(diào)頻振蕩器雖然可以獲得較高的頻率穩(wěn)定度，但缺點(diǎn)是最大頻偏很小，實(shí)際中需要采用擴(kuò)大頻偏的措施。擴(kuò)大頻偏的方法有兩種：1〉晶體支路中串接小電感；2〉利用π型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行阻抗變換來(lái)擴(kuò)展晶體呈現(xiàn)感性的工作頻率范圍。晶體調(diào)頻振蕩器的實(shí)際電路

C1C2CjLJT采用串接小電感L的方法來(lái)擴(kuò)大調(diào)頻的頻偏，變?nèi)荻O管的反向偏壓由EC經(jīng)穩(wěn)壓管VDZ穩(wěn)壓后經(jīng)RZ2=2.4k和W1=47k電位器分壓后，經(jīng)R=10K電阻加至變?nèi)莨苷龢O。改變47K電位器W1的活動(dòng)端可以調(diào)整變?nèi)莨艿腢o從而改變Cj，把調(diào)頻器的中心頻率調(diào)至規(guī)定值。調(diào)制信號(hào)經(jīng)電位器W2加于變?nèi)莨躒D，改變4.7KΩ電位器W2的活動(dòng)頭，可以調(diào)整加在變?nèi)荻O管上的調(diào)制信號(hào)電壓幅值，從而獲得要求的頻偏。-Uo+C5uΩ(t)W1W2VDJTCLRb1Rb2C1C2ReC3ECRz2Rz1VDzRC4+-100MHz晶體振蕩器的變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路6.3間接調(diào)頻電路一、間接調(diào)頻法原理高穩(wěn)定度載波振蕩器相位調(diào)制器積分電路多級(jí)倍頻和混頻器寬帶窄帶在間接調(diào)頻時(shí)，要獲得線性調(diào)頻必須以線性調(diào)相為基礎(chǔ)。但在實(shí)現(xiàn)線性調(diào)相時(shí)，要求最大瞬時(shí)相位偏移，因而線性調(diào)相的范圍很窄，轉(zhuǎn)換成的調(diào)頻波的最大頻偏很小。圖6.3.1間接調(diào)頻電路原理圖R1R2R3R4C1C2C3C4CjL載波輸入高穩(wěn)定度振蕩器調(diào)相器積分器參式（6-5）知，如果忽略二次方以上各項(xiàng)，可得回路的諧振頻率為：UQ=9V載波輸入調(diào)相波輸出回路的頻率偏移為：在高Q值及諧振回路失諧不大的情況下，并聯(lián)LC諧振回路電壓和電流間的相位關(guān)系為：當(dāng)Δφ

<30o時(shí)，tanΔφ≈Δφ可得:表明:單級(jí)LC諧振回路滿足Δφ

<30o時(shí)，回路輸出電壓的相移與輸入調(diào)制電壓uΩ(t)成線性關(guān)系。Oωωcω幅頻特性Δφπ/6-π/6R1R2R3R4C1C2C3C4CjL載波輸入調(diào)相波輸出實(shí)用變?nèi)荻O管調(diào)相電路載波輸入

uFM(t)R5R1R3R4R3CbC1CjC3C2C4C5LLZECR6Ce+UQ-從調(diào)頻波中取出原來(lái)的調(diào)制信號(hào)，稱為頻率檢波，又稱鑒頻，而完成鑒頻功能的電路稱為鑒頻器。解調(diào)任務(wù)：要求鑒頻器輸出信號(hào)與輸入調(diào)頻波的瞬時(shí)頻移成線性關(guān)系。鑒頻器包含兩部分：第一是借助于調(diào)諧電路將等幅的調(diào)頻波轉(zhuǎn)換成幅度隨瞬時(shí)頻率變化的調(diào)幅調(diào)頻波；第二是用二極管檢波器進(jìn)行幅度檢波，還原調(diào)制信號(hào)。6.5鑒頻器6.5.1鑒頻方法概述鑒頻就是把調(diào)頻波瞬時(shí)頻率變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，完成頻率-電壓的變換。鑒頻的方法有兩種：1.振幅鑒頻一、鑒頻的實(shí)現(xiàn)方法圖6.5.1振幅鑒頻器的基本框圖

2.相位鑒頻圖6.5.2相位鑒頻器的組成框圖

二、鑒頻特性鑒頻器的主要特性表現(xiàn)為它的輸出電壓uo的大小與輸入調(diào)頻波頻率f之間的關(guān)系，稱為鑒頻特性，它們的關(guān)系曲線稱為鑒頻特性曲線。圖6.5.3鑒頻特性曲線

圖6.5.3鑒頻特性曲線

三、鑒頻器的質(zhì)量指標(biāo)1.鑒頻靈敏度假設(shè)在中心頻率fc附近，頻率偏離Δf時(shí)的輸出為ΔUo，則ΔUo/Δf稱為鑒頻靈敏度。2.線性范圍（鑒頻頻帶寬度

）線性范圍是指鑒頻曲線可以近似為直線的頻率范圍。此范圍應(yīng)該不小于調(diào)頻信號(hào)最大頻偏Δf的兩倍，否則將產(chǎn)生嚴(yán)重失真。3.非線性失真鑒頻曲線在兩峰之間都存在著一定的非線性，通常只有在Δf＝0附近才有較好的線性。6.5.2斜率鑒頻器一、單回路斜率鑒頻器組成由失諧單諧振回路和晶體二極管包絡(luò)檢波器組成。二、單回路斜率鑒頻器諧振電路失諧于調(diào)頻波的載波頻率，利用并聯(lián)LC回路幅頻特性的傾斜部分將調(diào)頻波變換成調(diào)幅調(diào)頻波，故通常稱它為斜率鑒頻器。鑒頻器關(guān)鍵部分：頻-幅變換器，即失諧的LC并聯(lián)回路。LC并聯(lián)回路幅-頻轉(zhuǎn)換原理：當(dāng)調(diào)頻信號(hào)中心頻率fc與LC并聯(lián)回路中心角頻率f0不相同時(shí)，輸入調(diào)頻信號(hào)的振幅將隨頻率的變化而改變。圖6.5.4斜率鑒頻器電路及工作原理圖

斜率鑒頻器一般用于質(zhì)量要求不高的簡(jiǎn)易接收機(jī)中。三、平衡回路斜率鑒頻器（參差調(diào)諧鑒頻器）6.5.3相位鑒頻器鑒相器是用來(lái)比較兩個(gè)同頻輸入電壓和的相位，而輸出電壓是兩個(gè)輸入電壓相位差的函數(shù)，即當(dāng)線性鑒相的情況下，輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓的瞬時(shí)相位差成正比，即：鑒相器

鑒相器的實(shí)現(xiàn)方法：乘積型鑒相器 疊加型鑒相器其中：的瞬時(shí)相位。的瞬時(shí)相位。則相乘器的輸出信號(hào)為：一、乘