高頻電子線路（第五版）課件：信號變換二角度調(diào)制與解調(diào)

第七章信號變換二:角度調(diào)制與解調(diào)7.1角度調(diào)制原理7.2調(diào)頻電路7.3角度調(diào)制的解調(diào)7.4自動頻率控制7.5實訓(xùn)一:49.67MHz窄帶調(diào)頻發(fā)射器的制作7.6實訓(xùn)二:49.67MHz窄帶調(diào)頻接收器的制作

7.1角度調(diào)制原理

7.1.1調(diào)頻信號數(shù)學(xué)表達式設(shè)載波信號電壓為

調(diào)頻信號的數(shù)學(xué)表達式

以上分析說明:在調(diào)頻時,瞬時角頻率的變化與調(diào)制信號成線性關(guān)系,瞬時相位的變化與調(diào)制信號的積分成線性關(guān)系。

圖7.1給出了調(diào)頻波

的uΩ(t)、Δφf、Δω(t)和

u(t)的波形。圖7.1調(diào)頻波的波形圖

7.1.2調(diào)相信號數(shù)學(xué)表達式圖7.2調(diào)相波的波形圖

7.1.3調(diào)角信號的頻譜和頻譜寬度

1.調(diào)角信號的頻譜

下面用式(7-6)

來說明調(diào)角波的頻譜結(jié)構(gòu)特點。圖7.3第一類貝塞爾函數(shù)曲線

上式表明,單音調(diào)制時調(diào)頻信號的頻譜是由載頻ωc

和無數(shù)對邊頻分量ωc±lΩ所組成的。相鄰的兩個頻率分量的間隔為Ω。載頻分量和各對邊頻分量的相對幅度由相應(yīng)的貝塞爾函數(shù)確定。其中,l為奇數(shù)時,上、下邊頻分量的幅度相等,極性相反;l為偶數(shù)時,上、下邊頻分量的幅度相等,極性相同。當(dāng)mf

為某些特定值時,可使某些邊頻分量等于零。圖7.4示出了不同mf

的調(diào)頻信號頻譜圖。圖7.4不同mf的調(diào)頻信號頻譜圖

2.頻譜寬度

由于調(diào)角信號的頻譜包含無限多對邊頻分量,因而其頻譜寬度應(yīng)為無限寬。但從能量上看,調(diào)角信號的能量絕大部分實際上是集中在載頻附近的有限邊頻上,因此沒有必要把帶寬設(shè)計成無限大。為了便于處理調(diào)角信號,一般在高質(zhì)量通信系統(tǒng)中,規(guī)定邊頻分量幅度小于未調(diào)制前載頻振幅的1%,相對應(yīng)的頻譜寬度用BW0.01表示;在中質(zhì)量通信系統(tǒng)中,規(guī)定邊頻分量幅度小于未調(diào)制前載頻振幅的10%,相對應(yīng)的頻譜寬度用BW0.1表示。

當(dāng)調(diào)制信號幅度UΩm

不變,改變調(diào)制信號頻率F時,調(diào)頻波的帶寬變化不大,這是由于F

改變時mf

隨之改變,寬帶調(diào)頻時,fm?1,BWCR=2mfF=2Δfm,調(diào)頻波的帶寬與F

大小無關(guān),因而調(diào)頻波是恒定帶寬調(diào)制,如圖7.5所示。

當(dāng)調(diào)制信號幅度UΩm

不變,改變調(diào)制信號頻率F

時,調(diào)相波的帶寬隨之改變,這是由于F

與mp

無關(guān),因而在UΩm

一定(mp不變)時,調(diào)相波帶寬與F

成正比,如圖7.6所示。圖7.5UΩm不變時調(diào)頻波頻譜圖圖7.5UΩm不變時調(diào)頻波頻譜圖

3.調(diào)頻波的平均功率

順帶說明,由于邊頻功率包含有用信息,這樣便有利于提高調(diào)頻系統(tǒng)接收機輸出端的信噪比?？梢宰C明,調(diào)頻指數(shù)越大,調(diào)頻波的抗干擾能力越強,但是,調(diào)頻波占有的有效頻譜寬度也就越寬。因此,調(diào)頻制抗干擾能力的提高是以增加有效帶寬為代價的。

另外,在模擬信號調(diào)制中,可以證明當(dāng)系統(tǒng)帶寬相同時,調(diào)頻系統(tǒng)接收機輸出端的信號噪聲比明顯優(yōu)于調(diào)相系統(tǒng),因此,目前在模擬通信中,仍廣泛采用調(diào)頻制而較少采用調(diào)相制。不過,在數(shù)字通信中,相位鍵控的抗干擾能力優(yōu)于頻率鍵控和幅度鍵控,因而調(diào)相制在數(shù)字通信中獲得了廣泛應(yīng)用。

7.2調(diào)頻電路

調(diào)頻電路的主要要求如下:

1)調(diào)制特性為線性調(diào)頻波的頻率偏移與調(diào)制電壓的關(guān)系稱為調(diào)制特性。在一定的調(diào)制電壓范圍內(nèi),盡量提高調(diào)頻電路調(diào)制特性線性度,這樣才能保證不失真地傳輸信息。

2)調(diào)制靈敏度要高

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。提高靈敏度,可提高調(diào)制信號的控制作用。要注意的是,過高的靈敏度會對調(diào)頻電路性能帶來不利影響。

3)中心頻率的穩(wěn)定度要高

調(diào)頻波的中心頻率就是載波頻率。為了保證接收機能正常接收調(diào)頻信號,要求調(diào)頻電路中心頻率要有足夠的穩(wěn)定度。例如,對于調(diào)頻廣播發(fā)射機,要求中心頻率漂移不超出±2kHz。

4)最大頻偏

在正常調(diào)制電壓作用下,所能達到的最大頻率偏移稱最大頻偏Δfm

。它是根據(jù)對調(diào)頻指數(shù)mf

的要求確定的,要求其數(shù)值在整個調(diào)制信號所占有的頻帶內(nèi)保持恒定。不同的調(diào)頻系統(tǒng)要求有不同的最大頻偏值Δfm

。例如,調(diào)頻廣播要求Δfm=75kHz,移動通信的無線電話要求Δfm=5kHz,電視伴音要求Δfm=50kHz。

7.2.1直接調(diào)頻電路

1.變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路

變?nèi)荻O管結(jié)電容Cj與反向偏置電壓u

之間的關(guān)系為

將變?nèi)荻O管接入LC

正弦波振蕩器的諧振回路中,如圖7.7(a)所示。圖中,L和變?nèi)荻O管組成諧振回路,虛方框為變?nèi)荻O管的控制電路。UQ

用來提供變?nèi)荻O管的反向偏壓,其取值應(yīng)保證變?nèi)荻O管在調(diào)制信號電壓uΩ(t)的變化范圍內(nèi),始終工作在反向偏置狀態(tài),同時還應(yīng)保證由UQ

值決定的振蕩頻率等于所要求的載波頻率。通常調(diào)制電壓比振蕩回路的高頻振蕩電壓大得多,所以變?nèi)荻O管的反向電壓隨調(diào)制信號變化,即圖7.7-變?nèi)荻O管接入振蕩回路

應(yīng)當(dāng)指出,上面分析是在忽略高頻振蕩電壓對變?nèi)荻O管的影響下進行的。在電路設(shè)計時可采取兩個變?nèi)荻O管對接的方式來減小高頻電壓的影響,如圖7.8所示。圖7.8變?nèi)荻O管對接方式

由于變?nèi)荻O管的Cj會隨溫度、偏置電壓變化而變化,造成中心頻率不穩(wěn)定,因而在電路中常采用一個小電容C2與變?nèi)荻O管串聯(lián),同時在回路中并聯(lián)上一個電容C1,如圖7.9所示。圖7.9變?nèi)荻O管的部分接入

2.直接調(diào)頻實際電路

圖7.10(a)為變?nèi)荻O管直接調(diào)頻實際電路。該電路中心頻率為90MHz,在這個頻率上,圖中的1000μF電容均可視為短路,22μH扼流圈可視為開路。為提高中心頻率的穩(wěn)定性,本電路采用變?nèi)荻O管通過15pF和39pF電容部分接入振蕩回路,但獲得的相對頻偏減小,由此可得變?nèi)荻O管部分接入的電容三點式振蕩電路,見圖7.10(b)。反向偏置電壓UQ

經(jīng)分壓電阻分壓后供給,調(diào)制信號uΩ

通過22μH高頻扼流圈加到變?nèi)莨苌?。圖7.1090MHz直接調(diào)頻電路及其高頻通路

圖7.11(a)是中心頻率為70MHz±100kHz,頻偏Δf=6MHz的變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路,用于微波通信設(shè)備中。圖7.1170MHz變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路

圖7.12所示是100MHz晶體振蕩器的變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路,用于組成無線話筒中的發(fā)射機。圖7.12100MHz晶體振蕩器的變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路

7.2.2間接調(diào)頻電路

間接調(diào)頻的方法是:先將調(diào)制信號uΩ

積分,再加到調(diào)相器上對載波信號調(diào)相,從而完成調(diào)頻。間接調(diào)頻電路框圖如圖7.13所示。圖7.13間接調(diào)頻電路框圖

調(diào)相器的種類很多,常用的有可控移相法調(diào)相電路(變?nèi)荻O管調(diào)相電路),可控延時法調(diào)相電路(脈沖調(diào)相電路)和矢量合成法調(diào)相電路等。下面主要討論變?nèi)荻O管調(diào)相電路,見圖7.14。圖7.14變?nèi)荻O管調(diào)相電路

為了增大頻偏,可采用多級單回路構(gòu)成的變?nèi)荻O管調(diào)相電路,如圖7.15所示。具體內(nèi)容可查閱有關(guān)文獻。圖7.15三級單回路變?nèi)莨苷{(diào)相電路

7.2.3擴展最大頻偏的方法

在調(diào)頻設(shè)備中,如果最大頻偏不能通過調(diào)頻電路特別是間接調(diào)頻電路(三級變?nèi)荻O管調(diào)相器最大頻偏157Hz;脈沖調(diào)相電路最大頻偏251Hz;矢量合成法調(diào)相電路最大頻偏26Hz)來達到,則可設(shè)計擴展最大頻偏電路。擴展最大頻偏的方法很多,下面舉例說明。

例1一調(diào)頻設(shè)備,采用間接調(diào)頻電路。已知間接調(diào)頻電路輸出載波頻率100Hz,最大頻偏為24.41Hz。要求產(chǎn)生的載波頻率為100MHz,最大頻偏為75kHz,則擴展最大頻偏的方法見圖7.16。圖7.16擴展最大頻偏的方法

7.3角度調(diào)制的解調(diào)

7.3.1相位檢波電路鑒相電路的功能是從輸入調(diào)相波中檢出反映在相位變化上的調(diào)制信號,即完成相位電壓的變換作用。鑒相器有多種電路,一般可分為雙平衡鑒相器、模擬乘積型鑒相器和數(shù)字邏輯電路鑒相器。

1.乘積型鑒相器

乘積型鑒相器組成方框圖如圖7.17所示。圖7.17-乘積型鑒相器組成方框圖

通過低通濾波器后,上式中第二項被濾除,于是可得輸出電壓為

式中,RL

為低通濾波器通帶內(nèi)的負載電阻。由式(7-44)可得乘積型鑒相器的鑒相特性為正弦函數(shù),見圖7.18。

鑒相器靈敏度為圖7.18乘積型鑒相器的鑒相特性曲線

鑒相器靈敏度為圖7.19兩個開關(guān)函數(shù)相乘后的電流波形

由圖7.19(a)可見,當(dāng)Δφ=0時,相乘后的波形為上、下等寬的雙向脈沖,其頻率加倍,相應(yīng)的平均分量為零。由圖7.19(b)可見,當(dāng)Δφ≠0時,相乘后的波形為上、下不等寬的雙向脈沖。在|Δφ|＜π/2內(nèi),通過低通濾波器后,可得有用的平均分量輸出電壓為圖7.20三角形鑒相特性曲線

在考慮u1

和u2

有不同的起始固定相移時,可得如圖7.21所示的一組曲線。圖7.21不同的起始固定相移的鑒相特性圖7.22由MC1596組成的鑒相電路

7.3.2頻率檢波電路

鑒頻電路的功能是從輸入調(diào)頻波中檢出反映在頻率變化上的調(diào)制信號,即實現(xiàn)頻率—電壓的變換作用。鑒頻的方法很多,根據(jù)波形變換的不同特點可以分為四種:

①斜率鑒頻器;

②相位鑒頻器;

③脈沖計數(shù)鑒頻器;

④鎖相鑒頻器。

1.斜率鑒頻器

斜率鑒頻器實現(xiàn)模型見圖7.23。圖7.23斜率鑒頻器實現(xiàn)模型

1)單失諧回路斜率鑒頻器

單失諧回路斜率鑒頻器原理電路如圖7.24所示。圖7.24單失諧回路鑒頻原理電路

當(dāng)輸入調(diào)頻信號為us1=Us1mcos(ωct+mfsinΩt)時,通過起著頻幅變換作用的時域微分器(并聯(lián)失諧回路)后,其輸出為

所謂單失諧回路,是指該并聯(lián)回路對輸入調(diào)頻波的中心頻率是失諧的。在應(yīng)用時,為了獲得線性的鑒頻特性,總是使輸入調(diào)頻波us1的載波角頻率ωc,工作在LC

并聯(lián)回路幅頻特性曲線上接近于直線段線性部分的中點上,見圖7.25(a)中O

或O'點。這樣,單失諧回路就可將輸入的等幅調(diào)頻波變換成幅度按瞬時頻率變化的調(diào)頻波us2,然后通過二極管包絡(luò)檢波器,得到需要的調(diào)制信號uΩ,如圖7.25(b)所示。圖7.25單失諧回路斜率鑒頻器圖7.26雙失諧回路斜率鑒頻器

式(7-50)表明,當(dāng)Usm

和Kd一定時,鑒頻器的輸出電壓與輸入調(diào)頻波瞬時頻率之間的關(guān)系可用鑒頻特性曲線(如圖7.27(b))表示。由圖可見,uo

隨f

的變化特性就是將兩個失諧回路的幅頻特性相減后的合成特性。合成后的特性曲線形狀除了與回路的幅頻特性曲線形狀有關(guān)外,還與f01和f02的配置有關(guān)。若f01和f02的配置恰當(dāng),則在fc附近鑒頻特性線性較好;若f01和f02的配置不恰當(dāng),當(dāng)Δf過大時,在fc

附近鑒頻特性線性較差,見圖7.27(c)。圖7.27-雙失諧回路斜率鑒頻器鑒頻特性曲線

2.相位鑒頻器

相位鑒頻器實現(xiàn)模型見圖7.28。它由兩部分組成:第一部分先將輸入等幅調(diào)頻波通過線性網(wǎng)絡(luò)(頻率—相位)進行變換,使調(diào)頻波的瞬時頻率的變化轉(zhuǎn)換為附加相移的變化,即進行FM-PM波變換;第二部分利用相位檢波器檢出所需要的調(diào)制信號。相位鑒頻器的關(guān)鍵是找到一個線性的頻率—相位變換網(wǎng)絡(luò)。下面將從這方面討論,然后討論乘積型相位鑒頻器。圖7.28相位鑒頻器實現(xiàn)模型

1)頻率—相位變換網(wǎng)絡(luò)

頻率—相位變換網(wǎng)絡(luò)有:單諧振回路、耦合回路或其它RLC電路等。圖7.29(a)所示為電路中常采用的頻相轉(zhuǎn)變網(wǎng)絡(luò)。這個電路是由一個電容C1

和諧振回路LC2R

組成的分壓電路。圖7.29頻率-相位變換網(wǎng)絡(luò)

由圖可寫出輸出電壓表達式

以上分析說明,對于實現(xiàn)頻率—相位變換的線性網(wǎng)絡(luò),要求移相特性曲線在ω=ω0時的相移量為π/2,并且在ω0附近特性曲線近似為直線。只有當(dāng)輸入調(diào)頻波的瞬時頻率偏移最大值Δωm

比較小時,變換網(wǎng)絡(luò)才可不失真地完成頻率—相位變換。

2)乘積型相位鑒頻器

乘積型相位鑒頻器實現(xiàn)模型方框圖如圖7.30所示。不難看出,在頻率—相位變換網(wǎng)絡(luò)的后面增加乘積型相位檢波電路,便可構(gòu)成乘積型相位鑒頻器。還可看出,只需將鑒相特性公式中的Δφ用式(7-53)代替,即可獲得相應(yīng)的鑒頻特性公式,這里不再討論。圖7.30乘積型相位鑒頻器實現(xiàn)模型

3)實際應(yīng)用電路

圖7.31所示是利用MC1596集成模擬乘法器構(gòu)成的乘積型相位鑒頻器電路。圖7.31用MC1596構(gòu)成乘積型相位鑒頻器

7.4自動頻率控制圖7.32AFC的原理框圖

7.4.1AFC的原理圖7.32所示為AFC的原理框圖。

7.4.2AFC的應(yīng)用

1.采用AFC的調(diào)頻器

圖7.33為采用AFC的調(diào)頻器組成框圖。圖7.33采用AFC電路的調(diào)頻器組成框圖

2.采用AFC的調(diào)幅接收機

圖7.34為采用AFC電路的調(diào)幅接收機組成框圖。圖7.34采用AFC電路的調(diào)幅接收機組成框圖

圖7.34中的調(diào)幅接收機比普通調(diào)幅接收機增加了鑒頻器、低通濾波器和直流放大器,同時將本機振蕩器改為壓控振蕩器。鑒頻器的中心頻率為fI,鑒頻器可將偏離于中頻的頻率誤差變換成誤差電壓,該電壓通過低通濾波器和直流放大器加到壓控振蕩器上,使壓控振蕩器上的振蕩頻率發(fā)生變化,從而導(dǎo)致偏離中頻的頻率誤差減小。這樣,接收機的輸入調(diào)幅信號的載波頻率和壓控振蕩器頻率之差接近于中頻。因此采用AFC電路后,中頻放大器的帶寬可以減小。

7.5實訓(xùn)一:49.67MHz窄帶調(diào)頻發(fā)射器的制作

1.制作內(nèi)容及要求

(1)用集成電路MC2833制作窄帶調(diào)頻器。

(2)設(shè)計印刷板電路(利用Protel繪制電路板軟件)。

(3)調(diào)整機電路時,要確定最佳調(diào)制工作點,可按下面方法來做:將集成電路的3端上的固定電阻換成電位器。

2.制作原理

(1)49.67MHz窄帶調(diào)頻發(fā)射器以Motorola公司推出的窄帶調(diào)頻發(fā)射集成電路MC2833為核心。該集成電路具有以下特點:

①工作電壓范圍寬為2.8~9.0V。

②低功耗,當(dāng)UCC=4.0V時,無信號調(diào)制時消耗的電流典型值為2.9mA。

③外圍元器件很少。

④具有60MHz的射頻輸出,典型運用頻率49MHz左右。

(2)MC2833的引腳和內(nèi)部功能框圖見圖7.35所示。MC2833的內(nèi)部功能主要包括可壓控的射頻振蕩器、音頻電壓放大器和輔助晶體管放大器等。圖7.35MC2833的引腳和內(nèi)部功能框圖

(3)輸入信號(語音信號)從引腳5輸入,經(jīng)過高增益運算放大電路后從引腳4輸出,再加到引腳3,通過可變電抗控制振蕩頻率變化,在晶體直接調(diào)頻工作方式下,產(chǎn)生±2.5kHz頻偏。如果需要提高調(diào)制器輸出的中心頻率和頻偏時,可由緩沖級進行二倍頻或三倍頻,再利用輔助晶體管放大射頻功率,當(dāng)UCC=8V時,射頻輸出功率可達到+5dB~+10dB。

3.制作電路說明

(1)49.67MHz窄帶調(diào)頻發(fā)射器的典型電路見圖7.36。圖中電感可選3.3~4.7μH范圍,晶體選用16.5667MHz基音晶體。其它元件參數(shù)可按照圖中選用,要求誤差在±5%左右,去耦電容可在幾千皮法范圍內(nèi)選用。

(2)引腳9處接輸出負載回路,49.67MHz窄帶調(diào)頻信號通過拉桿天線輻射。

(3)若要制作窄帶調(diào)頻接收器,可采用MC3363類集成電路。圖7.3649.67MHz窄帶調(diào)頻發(fā)射器

7.6實訓(xùn)二:49.67MHz窄帶調(diào)頻接收器的制作

1.制作內(nèi)容及要求

(1)用集成電路MC3363制作窄帶調(diào)頻接收器。主要指標(biāo)為:工作頻率49.67-MHz,電源電壓2~7V,調(diào)試好后可接收實訓(xùn)一制作的窄帶調(diào)頻器發(fā)出的信號。

(2)設(shè)計印刷板電路(利用Protel繪制電路板軟件),印刷板上的元器件要合理安排,注意地線寬度,信號的走線要