第五章角度调制与解调ppt课件.ppt
第五章 角度调制与解调电路,重点：,1. 调频波的基本特性（数学表达式，波形图，频谱图，频带宽度， ）,2变容二极管直接调频电路的典型电路，工作原理及分析,3变容二极管调相间接调频电路。,4鉴频的原理与实现方法。,难点：,1调频与调相的区别。,2变容二极管直接调频电路。,8.1 概述,调频（FM）、调相（PM）-统称为调角,调频（FM）：用调制信号去控制高频振荡频率，使高频振荡的瞬时频率随调制信号规律作线性变化的过程。 调相（PM）：用调制信号去控制高频振荡相位，使高频振荡的瞬时相位随调制信号规律作线性变化的过程。,若为振幅调制（AM），则,设：调制信号为,载波信号为,调幅波的数学表达式,数，表示单位调制信号电压引起的载波振幅的变化量。,PM：,不变。,(各种已调信号比较动画）,AM：,一、调频波、调相波的瞬时频率、瞬时相位,（一）、调频（Frequency Modulation 简称FM）,设高频载波,调制信号为,根据定义，FM波的瞬时角频率为：,为中心角频率。,表示单位电压引起的角频率的变化量。,8.2 角度调制与解调原理,FM波的瞬时相位为：,调频波的瞬时角频偏,最大角频偏,（二）、调相（Phase Modulation 简称PM）,设高频载波为,调制信号为,瞬时相位,瞬时角频率,表示单位电压引起的相位变化量。,调相信号的瞬时相位偏移：,瞬时角频偏：,最大相偏：,最大角频偏：,二、单音频信号调制时调频波、调相波的数学表达式,调制信号为单音频信号,1. 调频（FM）,瞬时角频率：,瞬时相位：,调频波的数学表达式,结论：(1),(2),2. 调相（PM）,其中,调相波的数学表达式,结论：（1）,（2）,三、调频波、调相波的时域波形,单音频调制时调频波、调相波波形,单频调制时两种调角信号的比较,例 设一调角信号的表示式为 u=10cos2106t-5cos(2103t)。 试求该调角信号的最大频偏fm并写出载波的表示式； 若该调角信号为一调频信号，且kf=22103（rad/s)/V，写出调制信号的表示式； 若该调角信号为一调相信号，且kp=2rad/V,写出调制信号的表示式,最大频偏为,载波表示式为： uc=10cos(2106t)(V),解： 根据调频信号或调相信号的表示式可知，无论该调角信号为调频信号还是调相信号，调频指数或调相指数均为 Mf=Mp=5调制信号频率为,若为调频信号，则调制电压振幅为：,调制信号的表示式为uW(t)=UWmsin(2103t)(V)=2.5sin(2103t)(V),若为调相信号，则调制电压振幅为：,调制信号的表示式为,uW(t)=2.5cos(2103t)(V),或,例 有一正弦调制信号，频率为3003400Hz，调制信号中各频率分量的振幅相同，调频时最大频偏,的变化范围。,所以,而,所以,而,调相时，因为,与,无关，当F（ ）,四、调角信号的频谱,和,相似；,瞬时相偏,调角信号（调频、调相信号）写成统一的表达式：,的频谱。,的周期性函数，其傅立叶级数展开式为：,式中,是以M为参数的n阶第一类贝塞尔函数,贝塞尔函数曲线,具有下列性质,峰值下降；,（2）,（3）,代入调角信号表达式得：,其傅立叶级数展开式为：,+,+,+,振幅：,第n对边频：,结论：调角波的特点,（1）单频率调制的调角波，有无穷多对边频分量，对称的分布在载频两边，各频率分量的间隔为F。所以FM，PM实现的是调制信号频谱的非线性搬移。,贝塞尔函数确定。奇数次分量上下边频振幅相等，相位相反；偶数次分量上下边频振幅相等，相位相同。,调角波的频谱,调角信号的平均功率（在单位负载上）,载波功率,所以，调制前后功率不变，只是功率的重新分配。,调角信号的频谱宽度,理论上，调角信号的带宽为无限宽，但通常规定,的 1%（或10%）可忽略。,保留下来的边频分量确定了带宽。,调角信号实际占据的有效频谱宽度为：,式中，L为有效的上边频（或下边频）分量的数目，F为调制信号的频率。,如果L不是整数，应该用大于并靠近该数值的正整数取代。用卡森公式近似表示调角信号的有效频谱宽度，即,显然，窄带调频时，频带宽度与调幅波基本相同，窄带调频广泛应用于移动通信台中。,8.3 调频电路,1. 直接调频：用调制信号直接控制振荡器振荡频率，使其不失真地反映调制信号的规律。,2. 间接调频：用调制信号的积分值控制调相器实现调频。,3. 调频电路性能指标,(1) 调频灵敏度SF：,当uW(t)= UWmcosWt时，若调频特性线性，则：Df(t)= SFUWmcosWt = DfmcosWt,当uW(t)= UWmcosWt时，若调频特性非线性，则：Df(t)= Df0+ Dfm1cosWt+ Dfm2cos2Wt+,(2) 非线性失真系数THD：,(3) 中心频率准确度和稳定度,（1）电路组成：,（2）变容二极管特性：,一、直接调频电路,1、变容二极管调频电路,（3）调频原理分析,由于振荡回路中仅包含一个电感L和一个变容二极管,回路振荡角频率，即调频特性方程为,直流偏置电路,高频信号通路,正电源部分,负电源部分,调制信号通路,（4）变容二极管作为回路部分电容的调频电路,原理电路：,调频方程为：,C1和C2对调频特性的影响,I、 C1对调频特性的影响（C2）,C2的接入使总电容减小，振荡频率升高。,II、 C2对调频特性的影响（C1=0）,C1的接入使总电容增加，振荡频率降低。,C1 C1 C1,C1,C1,C1,C2 C2 C2,Cj部分接入时的最大频偏,其中：,变容管部分接入时电路的最大角频偏是全部接入时的1/p。载波频率稳定度提高p倍。加到变容管上的高频振荡电压振幅也相应减小，对减小调制失真等都是有利的。,当C1和C2调节到最佳值后，最大角频偏为：,式中：,高频信号通路,调制信号通路,直流偏置电路,高频信号通路,调制信号通路,直流偏置电路,调制信号通路,直流偏置电路,高频信号通路,调制信号放大,振荡倍频,2、晶体振荡器调频电路,为了进一步提高频率稳定度，可采用变容二极管晶体直接调频电路。 下图是由变容管晶体直接调频振荡电路组成的无线话筒发射机。,变容二极管晶体直接调频振荡电路,二、间接调频电路调相电路,实现方法：矢量合成法，可变相移法，可变时延法。,1、矢量合成法,（1） 实现原理,调相信号的数学表示式为：u=Umcosct+kpu(t)；将上式展开，得 u=Umcoskpu(t)cosct-Umsinkpu(t)sinct 若最大相移很小，满足则： coskpu(t)1(误差小于3%) sinkpu(t)kpu(t)所以：u=Umcosct-Umkpu(t)sinct,（2） 实现模型：,（3）矢量合成原理,Umkpu(t),Umcosct,2、可变相移法,（1）实现原理,若： (wc)=kpuW(t)=MpcosWt则： uo(t)=Umcosct+ (c)= Umcos(ct+MpcosWt),（2） 原理电路：,调制信号通路,直流偏置电路,高频信号通路,回路等效电路,相频特性,+,-,当m很小时，,输出电压：,Mp应限制在30以下，对于要求大的Mp可采用多级电路,当w=wc时,3、可变时延法,（1）实现原理,若： t =kduW(t)= kdUWm cosWt则： uo(t)=Umcosc( t-t) = Umcos(ct-ckdUWm cosWt) = Umcos(ct-MpcosWt),（2） 实现电路框图（脉冲调相）：,时延t受电压u的控制，如果锯齿波线性，则t受电压u的线性控制,其中，k为锯齿波电压变化的斜率。,取：,则：,时延与调制电压呈线性关系,单音调制时，调相信号的调相指数为：,Dtm为UWm引起的最大时延，理论上可达0.5Tc，一般限制在0.4Tc,间接调频电路： 当W一定时， Dwm就受到限制，其值与载频wc无关，即最大绝对频偏受限。,三、间接调频电路和直接调频电路性能上的差别,直接调频电路： 最大相对频偏(Dwm/wc)受限，最大频偏Dwm其值与载频wc成正比，提高wc可以增大Dwm,如果调制信号是由包含minmax的众多频率分量组成的复杂信号，则间接调频电路：,所以：,四、扩展线性频偏的方法,=c+mcost,假设调频信号的瞬时角频率为：,通过n倍频器后：,再通过混频器降低载频。,=nc+nmcost,绝对频偏扩大n倍,实现方法,直接调频电路：提高fc，增大Dfm，再通过混频器降低载频,间接调频电路：降低fc，增大Dfm/ fc ，再通过倍频器提高和扩大Dfm,例：载频100MHz，最大频偏75kHz，调制信号频率100-15000Hz。,采用矢量合成器，在100kHz的调制频率上产生的最大频偏为26Hz。,100/12=26.1,8.4 鉴频电路,调角信号的解调：,调频信号的解调，称为频率检波，即鉴频（FD）,调相信号的解调，称为相位检波，即鉴相（PD）,鉴频器的功能,fc,鉴频实现原理,1鉴频线性范围：鉴频线性范围是指鉴频特性曲线中近似直线段的频率范围，用,表示。,表明鉴频器实现不失真的解调所允许的频率变化范围。因此要求,应大于输入调频波最大频偏的两倍，即,也可以称为鉴频器的带宽。,鉴频器的主要指标,的解调输出电压的大小。,或,显然，鉴频灵敏度越高，意味着鉴频特性曲线越陡峭，鉴频能力越强。,限幅电路,1. 分类：,2. 作用：使输出信号的幅度稳定,3. 电路举例,1）工作于过压状态的谐振功率放大器,2）差分对管,3）正反向对接的二极管,原理电路,特性曲线,斜率鉴频原理,利用波形变换电路实现鉴频,相位鉴频原理,脉冲计数式鉴频原理,一、斜率鉴频,单失谐回路斜率鉴频器,单失谐回路斜率鉴频器，由LC并联回路构成线性频幅转换网络，二极管D与RC构成包络检波器。,1、单失谐回路斜率鉴频器,一、 斜率鉴频器,单失谐回路斜率鉴频器,图5.6.12所示电路为单失谐回路斜率鉴频器，由LC并联回路构成线性频幅转换网络，二极管D与RC构成包络检波器。,1、单失谐回路斜率鉴频器,下面定性讨论LC并联回路的频幅转换特性。,1、单失谐回路鉴频器,输入的调频波经LC失谐回路变换为调幅-调频波，然后经V、C、R所组成的包络检波器解调出原调制信号。,电路组成,工作原理,一、斜率鉴频,频-幅转换原理,谐振回路的谐振频率f0和调频信号中心频率fc不相等,2、双失谐回路,电路组成,工作原理,电路鉴频特性曲线,3、 集成斜率鉴频电路,电路组成及工作原理：,5.3.3 相位鉴频电路,一、频率-相位转换网络,1. 单回路频相转换网络,要求：在调频信号的瞬时频率变化范围内，转换网络的相频特性j(w)是线性。,组成：频率-相位转换网络和相位检波器,令：,则，在失谐不大的情况下:,电压传输系数Au为：,相频特性：,当arctan30时，arctan,若： 输入调频信号的瞬时角频率为w(t)=wc+Dw(t)，并且 ： w0=wc，则：,相移与瞬时频率增量呈线性关系。,2. 双调谐回路频相转换网络,原理电路及等效电路,电路初级和次级对称：即L1=L2=L, C1=C2=C, r1=r2=r,次级的感应电动势为：E=jMI1,I1为次级开路时，初级电感支路的电流，其值为：,忽略初级发反射阻抗，次级电流为：,次级电压为：,继续,幅频特性和相频特性分别为：,网络的传输特性为：,当arctan30，且 w0=wc时,相移与瞬时频率增量呈线性关系,二、相位检波器（鉴相器）,1. 乘积型鉴相器,要求：在调相信号的瞬时相位变化范围内，网络的输出与输入信号相位差成正比。,u1(t)=U1mcoswt,u2(t)=U2mcos(wt-p/2+),假设：,若乘法器和滤波器性能为理想，则：,uo(t)=kU1mU2msin=Adsin,当| /12时，,uo(t)Ad,鉴相特性,为鉴相灵敏度,鉴相器特性近似线性,当U2m260mV时，,如果乘法器采用双差分对平衡调制器，乘法器输出的差值电流为：,如果滤波器输入阻抗为Rc，电压传输系数为k,当| /12时，,uo(t)Ad,鉴相特性,鉴相器特性近似线性,当U2m260mV， U1m260mV时，,如果滤波器输入阻抗为Rc，电压传输系数为k,鉴相器特性线性,当=0时, i平均值=0,K2(wt-p/2),当0时, i平均值0,K2(wt-p/2+),i平均值平均电流为,如果滤波器输入阻抗为Rc，电压传输系数为k，鉴相器输出电压为：,鉴相器鉴相特性为：,这种鉴相器通过比较两个开关波形的相位实现鉴相，也称为符合门鉴相器。,2、叠加型鉴相器,矢量关系如图：,其中：,假设：u1(t)=U1mcoswt ，u2(t)=U2msin(wt+Dj),假设包络检波器的检波电压传输系数为hd，则：,为DjA的函数。矢量图,当U2m U1m时，K1, 忽略3次以上的高次项，则：,继续,=0, 0, 0,uAV=0,uAV0,uAV0,返回,实际特性曲线,三、乘积型鉴相器,假设：u1(t)=U1mcoswt ，则：,经双差分对乘法器单端输出的增量电压为：,其中：,经低通滤波器后输出平均分量,低通滤波器的传输系数,鉴频特性曲线,注意：仅当 ，A(x) 为常数，鉴频特性为线性,频相转换网络,模拟乘法器,u1(t),u2(t),四、 叠加型相位鉴频电路,1. 实用电路和等效电路,2. 解调原理,u1(t)与u2(t)正交（理由），加到V1和V2上的电压为：,3. 变形电路,五、 比例鉴频电路,比例鉴频器是耦合回路相位鉴频器的变形电路。,1、电路结构,2、等效电路,3、鉴频特性,同互感耦合相位鉴频器,4、 输出电压,由回路方程可得,由于R1=R2=R,输出电压与uAV1和uAV2的比值有关，寄生调幅使得uAV1和uAV2成比例地增加或减小，而其比值几乎不变，即比例鉴频器具有对寄生调幅的抑制能力,缺点：寄生调幅阻塞作用,措施：增加R3和R4,六、脉冲均值型鉴频器,1. 脉冲计数式鉴频器,原理框图及波形,若调频信号的瞬时频率为：f(t)=f0+Df(t), 则,限制条件：,或：,脉冲序列的平均值uAV为：,1）鉴频器组成框图,2. 符合门鉴频器,脉冲序列的平均值uAV为：,相移网络的特性为：,2） 波形及鉴频特性曲线,鉴频特性曲线:,5.4 数字调制与解调电路（简介）,特点： 抗干扰能力强，便于实现多路复用（CDMA、TDMA、FDMA），调制电路和解调电路可用软硬件实现。,分类：基本类型有ASK(AM)、PSK(PM)和FSK (FM),定义： 调制信号为数字信号的调制称为数字调制，又称为键控（Keying） 。,BASK（二进制振幅键控） BPSK（二相移相键控） DPSK（二相差分移相键控） QPSK（四相移相键控） FSK （移频键控）,5.4.1 数字信号的再生,5.4.2 数字调相与解调电路,PSK(Phase Shift Keying)移相键控，用数字信号控制载波的相位。分为二相移相键控和多相移相键控,一、二相移相键控（BPSK）,数字信号,BPSK信号,“1”状态，ak=1, 载波相移0， “0”状态，ak=-1, 载波相移180,载波信号,码元波形,uc(t)=Ucmsinwct,一、BPSK信号波形,BPSK信号,一、BPSK产生电路,一、BPSK相干解调电路,一、BPSK解调信号的随机性,二、二相差分移相键控（BDPSK）,BDPSK 用数字信号相邻码元的变化控制载波的相位。,数字信号,BDPSK信号,ak=1即“1”状态，bk与bk-1相同, 载波相移0ak= -1即“0”状态，bk与bk-1不同, 载波相移180,载波信号,码元波形,uc(t)=Ucmsinwct,其中：,二、BDPSK信号波形,二、BDPSK差动相干解调电路,二、BDPSK差动相干解调电路,三、四相移相键控（QPSK）,QPSK 用数字信号的两个码元为一组，控制载波的相位变化，共有4种(00，01，10，11)变化。,以（b）方式为例，可能的信号有：sin(wct+p/4), sin(wct+3p/4), sin(wct-p/4), sin(wct-3p/4),sin(wct+p/4+ip/2) =cos(p/4+ip/2) sinwct+sin(p/4+ip/2) coswct i=0,1,2,3,所以，QPSK可看作是两个正交的BPSK之和,因为cos(p/4+ip/2)和sin(p/4+ip/2)始终为1/,数字信号,QPSK信号,载波信号,uc1(t)=Ucmsinwct uc2(t)=Ucmcoswct,m(t),mI(t),mQ(t),1,1,1,1,0,0,0,0,数字信号波形,QPSK产生电路,QPSK解调电路,5.4.3 数字调频与解调电路,数字调频：FSK(Frequency Shift Keying)移频键控，用数字信号控制载波信号的频率。分为二元移频键控和多元移频键控。,二元移频键控（BFSK）,数字信号,BFSK信号,“1”状态，ak=1, 载频为fc+fd， “0”状态，ak=-1, 载频为fc-fd,BFSK产生电路（一）,相位不连续,BFSK产生电路（二）,BFSK解调电路（一）,BFSK解调电路（二）,BFSK解调电路（三）,第 5 章 小 结,角度调制信号的基本特性调频信号和调相信号调角信号的频谱直接调频电路 LC正弦振荡器实现调频张弛振荡电路实现调频间接调频电路矢量合成法可变相移法可变时延法扩展线性频偏的方法,第 5 章 小 结,调频信号解调方法鉴频的实现方法限幅电路斜率鉴频电路相位鉴频器频率相位转换网络乘积型相位鉴频电路叠加型相位鉴频电路比例鉴频电路数字调制与解调电路（简介）,
