第八章 角度調(diào)制與解調(diào)

8角度調(diào)制與解調(diào)8.2調(diào)角波的性質(zhì)8.3調(diào)頻方法概述8.4變?nèi)荻O管調(diào)頻8.5晶體振蕩器直接調(diào)頻8.1

概述

第八章角度調(diào)制與解調(diào)8角度調(diào)制與解調(diào)8.7

可變延時調(diào)頻8.8相位鑒頻器8.9比例鑒頻器8.10其他形式的鑒頻器8.6

間接調(diào)頻:由調(diào)相實(shí)現(xiàn)調(diào)頻第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.1概述w0–Dwmw0+DwmAMFM第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.1概述調(diào)頻波的指標(biāo)寄生調(diào)幅頻譜寬度抗干擾能力鑒頻的方法脈沖計數(shù)鑒頻法波形變換鑒頻法符合門鑒頻法第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.1概述鑒頻器的指標(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)定性第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2調(diào)角波的性質(zhì)8.2.1瞬時頻率與瞬時相位8.2.2調(diào)頻波和調(diào)相波的 數(shù)學(xué)表示式8.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的 頻譜和頻帶寬度第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.1瞬時頻率與瞬時相位

調(diào)頻是使高頻載波的瞬時頻率按調(diào)制信號規(guī)律變化的一種調(diào)制方式；調(diào)相是使高頻載波的瞬時相位按調(diào)制信號規(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相角受到調(diào)變，故將它們統(tǒng)稱為角度調(diào)制(簡稱調(diào)角)。瞬時頻率瞬時相位0實(shí)軸第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.1瞬時頻率與瞬時相位圖8.2.1頻率連續(xù)變化的簡諧振蕩第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.2調(diào)頻波和調(diào)相波的數(shù)學(xué)表示式調(diào)頻(FM):載波的瞬時頻率與調(diào)制信號的強(qiáng)度成線性變化，幅度不變。設(shè)調(diào)制信號為vΩ(t)，載波信號

ω0是未調(diào)制時的載波中心頻率；kfvΩ(t)是瞬時頻率相對于ω0的偏移，叫瞬時頻率偏移，簡稱頻率偏移或頻移。可表示為最大頻移，即頻偏，表示為瞬時頻率瞬時相位相移調(diào)制指數(shù)第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.2調(diào)頻波和調(diào)相波的數(shù)學(xué)表示式調(diào)相(PM):載波的瞬時相位與調(diào)制信號的強(qiáng)度成線性變化，幅度不變。

ω0t+θ0是未調(diào)制時的載波相位；kpvΩ(t)是瞬時相位相對于ω0t+θ0的偏移，叫瞬時相位偏移，簡稱相位偏移或相移?？杀硎緸樽畲笙嘁疲聪嗥?，表示為瞬時相位瞬時頻率頻偏調(diào)制指數(shù)設(shè)調(diào)制信號為vΩ(t)，載波信號第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.2調(diào)頻波和調(diào)相波的數(shù)學(xué)表示式數(shù)學(xué)表達(dá)式瞬時頻率瞬時相位最大頻偏調(diào)制指數(shù)FM波PM波附：上述比較中的調(diào)制信號v

(t)，載波V0cos

0(t)第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.2調(diào)頻波和調(diào)相波的數(shù)學(xué)表示式以單音調(diào)制波為例調(diào)頻瞬時頻率瞬時相位已調(diào)頻信號（公式8.2.4）（公式8.2.6）公式（8.2.7）第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.2調(diào)頻波和調(diào)相波的數(shù)學(xué)表示式調(diào)相瞬時頻率瞬時相位已調(diào)相信號以單音調(diào)制波為例調(diào)制信號第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.2調(diào)頻波和調(diào)相波的數(shù)學(xué)表示式以單音調(diào)制波為例調(diào)制信號調(diào)頻調(diào)相瞬時頻率瞬時相位瞬時頻率瞬時相位第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.2調(diào)頻波和調(diào)相波的數(shù)學(xué)表示式m

pΔωmΔωmΩm

fΩ調(diào)頻調(diào)相

可以看出調(diào)相制的信號帶寬隨調(diào)制信號頻率的升高而增加，而調(diào)頻波則不變，有時把調(diào)頻制叫做恒定帶寬調(diào)制。第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.3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，則對另一種也完全適用。已調(diào)頻信號已調(diào)相信號已調(diào)頻信號其中是以mf為參數(shù)的n階第一類貝賽爾函數(shù)。一、頻譜調(diào)制信號第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度一、頻譜第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度一、頻譜1)單音調(diào)制時，調(diào)頻波的頻譜不是調(diào)制信號頻譜的簡單搬移，而是由載波和無數(shù)對邊帶分量所組成，它們的振幅由對應(yīng)的各階貝塞爾函數(shù)值所確定。其中，奇次的上、下邊帶分量振幅相等、極性相反；偶次的振幅相等、極性相同。

2)調(diào)制指數(shù)mf越大，具有較大振幅的邊頻分量就越多。這與調(diào)幅波不同，在單頻信號調(diào)幅的情況下，邊頻數(shù)目與調(diào)制指數(shù)無關(guān)。

3)載波分量和各邊帶分量的振幅均隨mf變化而變化。對于某些mf值，載頻或某邊頻振幅為零。籍此可以測定調(diào)制指數(shù)mf。第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度

上式表明，當(dāng)V0一定時，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)制時的載波功率。換句話說，改變mf僅會引起載波分量和各邊帶分量之間功率的重新分配，但不會引起總功率的改變。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)為第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度

雖然調(diào)頻波的邊頻分量有無數(shù)多個，但是，對于任一給定的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調(diào)頻波形不會產(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，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，則頻譜寬度BW可由下列近似公式求出：第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度在實(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)頻制與調(diào)相制和調(diào)制頻率F的關(guān)系不同，僅當(dāng)F變化時，它們的頻譜結(jié)構(gòu)和頻帶寬度的關(guān)系就互不相同。第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度調(diào)頻調(diào)相

對于調(diào)頻制，僅當(dāng)F變化時，在常用的寬帶調(diào)頻制中，頻率分量隨mf變化而變化，但同時帶寬基本恒定。因此又把調(diào)頻叫做恒定帶寬調(diào)制。

對于調(diào)相制，僅當(dāng)F變化時，頻率分量不變，但帶寬變化。特別是F增加時，帶寬增加。對于Fmin～Fmax而言，F(xiàn)max決定總的帶寬，低端頻率分量的頻譜利用率不高。因此，模擬通信系統(tǒng)中調(diào)頻制要比調(diào)相制應(yīng)用得廣泛。第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.2.3調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜和頻帶寬度

下面分析一下含多個頻率成分信號調(diào)制的調(diào)頻信號的頻譜，以雙頻信號為例

此時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。第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.3調(diào)頻方法概述8.3.1直接調(diào)頻原理8.3.2間接調(diào)頻原理第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.3調(diào)頻方法概述產(chǎn)生調(diào)頻信號的電路叫調(diào)頻器。調(diào)頻器的四個要求：已調(diào)波的瞬時頻率與調(diào)制信號成比例地變化；—基本要求未調(diào)制時的載波頻率，即已調(diào)波的中心頻率具有一定的穩(wěn)定度（視應(yīng)用場合不同而有不同的要求）；最大頻移與調(diào)制頻率無關(guān)；無寄生調(diào)幅或寄生調(diào)幅盡可能小。

產(chǎn)生調(diào)頻信號的方法很多，歸納起來主要有兩類：第一類是用調(diào)制信號直接控制載波的瞬時頻率——直接調(diào)頻。第二類是由調(diào)相變調(diào)頻——間接調(diào)頻。第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.3.1直接調(diào)頻原理

直接調(diào)頻的基本原理是用調(diào)制信號直接線性地改變載波振蕩的瞬時頻率。因此，凡是能直接影響載波振蕩瞬時頻率的元件或參數(shù)，只要能夠用調(diào)制信號去控制它們，并從而使載波振蕩瞬時頻率按調(diào)制信號變化規(guī)律線性地改變，都可以完成直接調(diào)頻的任務(wù)。

如果載波由LC自激振蕩器產(chǎn)生，則振蕩頻率主要由諧振回路的電感元件和電容元件所決定。因此，只要能用調(diào)制信號去控制回路的電感或電容，就能達(dá)到控制振蕩頻率的目的。第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.3.1直接調(diào)頻原理變?nèi)荻O管或反向偏置的半導(dǎo)體PN結(jié)，可以作為電壓控制可變電容元件。具有鐵氧體磁芯的電感線圈，可以作為電流控制可變電感元件。方法是在磁芯上繞一個附加的線圈，當(dāng)這個線圈中的電流改變時，它所產(chǎn)生的磁場隨之改變，引起磁芯的磁導(dǎo)率改變（當(dāng)工作在磁飽和狀態(tài)時），因而使主線圈的電感量改變，于是振蕩頻率隨之產(chǎn)生變化。第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.3.2間接調(diào)頻原理瞬時頻率瞬時相位圖10.3.1借助于調(diào)相器得到調(diào)頻波第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.4變?nèi)荻O管調(diào)頻8.4.1基本原理8.4.2電路分析第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.4變?nèi)荻O管調(diào)頻主要優(yōu)點(diǎn)：能夠獲得較大的頻移（相對于間接調(diào)頻而言），線路簡單，并且?guī)缀醪恍枰{(diào)制功率。主要缺點(diǎn)：中心頻率穩(wěn)定度低。應(yīng)用范圍：在移動通信以及自動頻率微調(diào)系統(tǒng)中。第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.4.1基本原理

變?nèi)荻O管是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓變化這一特性而制成的一種半導(dǎo)體二極管。結(jié)電容Cj與反向電壓vR存在如下關(guān)系：反向電壓式中Cj0：

時的電容值（零偏置電容）反向偏置電壓，VD：PN結(jié)勢壘電位。

γ：結(jié)電容變化指數(shù)，通常γ=1/2～1/3，經(jīng)特殊工藝制成的超突變結(jié)電容γ=1～5第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.4.1基本原理CjQC

jvRV0其中：

為靜態(tài)工作點(diǎn)的結(jié)電容。

第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.4.1基本原理圖10.4.1用調(diào)制信號控制變?nèi)荻O管結(jié)電容第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.4.2電路分析Cc是變?nèi)莨芘cLlC1回路之間的耦合電容，同時起到隔直流的作用；Cφ為對直流電壓的旁路電容；

L2是高頻扼流圈，但讓調(diào)制信號通過。它的作用都是將振蕩回路和變?nèi)莨艿目刂齐娐犯綦x防止它們之間的相互影響。

因此，等效的振蕩回路可畫成右圖，主體是LC互感耦合正弦振蕩電路。圖10.4.2變?nèi)荻O管調(diào)頻電路圖10.4.3振蕩回路的等效電路第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.4.2電路分析圖10.4.3振蕩回路的等效電路由上可得，部分接入可提高中心頻率的穩(wěn)定度!第八章角度調(diào)制與解調(diào)表示振蕩回路電容的變化量與調(diào)制信號的近似關(guān)系。當(dāng)頻偏很小時，瞬時頻率的變化：1)與調(diào)制信號成線性關(guān)系的成分，其最大頻偏為：2)與調(diào)制信號的二次、三次諧波成線性關(guān)系的成分，其最大頻偏為：3)中心頻率相對于未調(diào)制時的載波頻率產(chǎn)生的偏移為：第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.4.2電路分析圖10.4.490MHz直接調(diào)頻電路及其高頻通路舉例：第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.5晶體振蕩器直接調(diào)頻

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（主要是長期穩(wěn)定性）較差。穩(wěn)定中心頻率可以采用對石英晶體振蕩器進(jìn)行直接調(diào)頻。變?nèi)荻O管接入振蕩回路有兩種方式。

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)。變?nèi)荻O管與晶體并聯(lián)連接方式有一個較大的缺點(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。第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.5晶體振蕩器直接調(diào)頻圖10.5.1變?nèi)莨芘c晶體的兩種連接方式及其電抗曲線第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.5晶體振蕩器直接調(diào)頻圖10.5.2晶體振蕩器直接調(diào)頻電路第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.5晶體振蕩器直接調(diào)頻圖10.5.3晶體振蕩器的變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路應(yīng)用舉例：調(diào)制信號

Pierce型振蕩器

調(diào)制信號放大

第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.6間接調(diào)頻：由調(diào)相實(shí)現(xiàn)調(diào)頻8.6.1調(diào)相的方法8.6.2間接調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.6間接調(diào)頻：由調(diào)相實(shí)現(xiàn)調(diào)頻高穩(wěn)定度載波振蕩器

相位調(diào)制器積分電路多級倍頻和混頻器寬帶窄帶

采用高穩(wěn)定度的晶體振蕩器作為主振級，然后再對這個穩(wěn)定的載頻信號進(jìn)行調(diào)相，這樣一來就可得到中心頻率穩(wěn)定度高的調(diào)頻信號。第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.6.1調(diào)相的方法

調(diào)相的方法通常有三類：一類是用調(diào)制信號控制諧振回路或移相網(wǎng)絡(luò)的電抗或電阻元件以實(shí)現(xiàn)調(diào)相。第二類是矢量合成法調(diào)相。第三類是脈沖調(diào)相。1）諧振回路或移相網(wǎng)絡(luò)的調(diào)相方法（1）利用諧振回路調(diào)相第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.6.1調(diào)相的方法（1）利用諧振回路調(diào)相ff0一般當(dāng)時，則有：因?yàn)楫?dāng)有代入上式：上式表明，在滿足與兩個條件時，附加相移與調(diào)制信號成線性關(guān)系。第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.6.1調(diào)相的方法（2）利用移相網(wǎng)絡(luò)調(diào)相圖10.6.1RC移相網(wǎng)絡(luò)第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.6.1調(diào)相的方法

當(dāng)即，與C或R均成反比例關(guān)系若調(diào)制信號電壓與C或R也成反比例關(guān)系，則與調(diào)制信號成線性關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)線性調(diào)相。第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.6.1調(diào)相的方法圖10.6.3利用變?nèi)荻O管改變移相網(wǎng)絡(luò)的電抗第八章角度調(diào)制與解調(diào)10.6.1調(diào)相的方法2）合成調(diào)相法［阿姆斯特朗法］為一調(diào)相調(diào)幅波第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.6.1調(diào)相的方法圖8.6.5實(shí)現(xiàn)矢量合成法的方框圖第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.6.1調(diào)相的方法圖8.6.6用載波振蕩與雙邊帶調(diào)幅波疊加以實(shí)現(xiàn)調(diào)相第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.6.1調(diào)相的方法3）脈沖調(diào)相圖10.6.7實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)相的方框圖第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.6.2間接調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)圖10.6.9間接調(diào)頻的典型方框圖第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.8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)的選擇第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.8.1相位鑒頻器的工作原理次級回路的等效電路因得當(dāng)回路諧振時比超前π/2第八章角度調(diào)制與解調(diào)下面分析次級回路電壓與初級回路電壓之間的相位關(guān)系輸出電壓反映了輸入信號瞬時頻率的頻偏。

而與調(diào)制信號成正比。即實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻波的解調(diào)。第八章角度調(diào)制與解調(diào)8.9比例鑒頻器

以上分析時假定理想調(diào)頻波，即輸入信號V12振幅恒定。

能否對相位鑒頻器的電路作某些改動來獲得一定的限幅作用，以省掉限幅器呢?

實(shí)際中，當(dāng)噪聲、各種干擾以及電路頻率特性的不均勻性所引起的輸入信號的寄生調(diào)幅，都可能直接在相位鑒頻器的輸出信號中反映出來。

為了去掉這種虛假信號，就必須在鑒頻之前預(yù)先進(jìn)行限幅。

為了回答這個問題，需要從一個新的觀點(diǎn)對相位鑒頻器進(jìn)行深入一步