高频电子线路第6章ppt课件.ppt

第6章 角度调制与解调电路,怎样用低频调制信号去控制载波信号的频率或相位？什么是角度调制？角度调制和解调的基本特性是什么？调角波信号的定义、表达式、波形、频谱的基本特征是什么？典型的角度调制电路的结构、工作原理、分析方法和性能特点是什么？,6.1 调角信号的基本特性,角度调制是用调制信号去控制载波信号频率或相位变化的一种信号变换形式。如果控制的是频率称为调频（FM），如果控制的是相位称为调相（PM)，调频和调相通称为角度调制。在角度调制过程中，载波信号的幅度都不受调制信号的影响。调频信号的解调称为鉴频，调相信号的解调称为鉴相。它们都是从已调信号中还原出原调制信号。,调幅与调频广播,其中调频及调相统称为角度调制，简称调角。,用 称为调幅,(AM),设任意一高频信号 为载波信号,用 称为调频,(FM),用 称为调相,(PM),1.调频信号的时域分析,(1) 调频波的表达式,设：单音信号 ，,调频波的瞬时角频率为,未调载波电压为,是单位调制电压产生的频率偏移量，也称调频灵敏度，有时用 来表示。,6.1.1 调角波的表达式,调频波的相位 是角频率 对时间的积分，,(调频指数 ),则调频波的一般表达式为,瞬时角频率,称为中心频率,调频波的波形图,中心频率,最大角频偏,最大相位偏移,(2) 调频信号的基本参数,为载波频率（中心频率）,是调制信号的角频率,是相对于载频的最大角频偏,另外 称为调制指数或最大相位偏移,和 是调频信号的重要参数。,(调相指数 ),调相波的瞬时相位为,2. 调相波,设：单音信号 ，,未调载波电压为,调相波的一般表达式为,(最大角频偏 ),调相波的角频率为：,Jn(Mf)是宗数为Mf的n阶第一类贝塞尔函数,若n=0， 为载波分量,将调频波展开为傅里叶级数,6.1.2 调角波信号的频谱和带宽,将式 进一步展开，有,调频波是由 和无数边频 组成，这些边频对称地分布在载频两边，其幅度决定于调制指数 。,频带宽度,实际,Mf5单音调频波的频谱,例如：在调频广播系统中，,调频信号所占频带比调幅信号宽得多，调频信号的载波一般选在超高频段。,对于多音调制信号的频带宽度,角度调制属于频谱的 非线性变换,能量关系,调频前后，总能量不变，仅是各个分量分配到的能量发生变化。,6.2 调频电路,6.2.1调频的主要性能指标,1. 调制特性,2. 调制灵敏度,3. 最大频偏,4. 频率稳定度,6.2.2 直接调频电路,用调制信号直接控制振荡器的瞬时频率变化的方法称为直接调频法。,如果受控振荡器是产生正弦波的LC振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容，那么将调制信号去控制可变电感或可变电容，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。,可变电抗的器件很多，其中应用最广的是变容二极管。,1. 变容二级管的特性,利用PN结反相偏置时,势垒电容随外加反偏电压变化的机理，在制作工艺上进行处理，可使二极管的势垒电容随反偏电压呈现较大的变化。这样制作的电容可视为一压控电容，在调频振荡器中起到可变电容的作用。,变容二极管，其结电容 与反偏电压的关系为：,其中: v 为外加电压,VB 为PN结内建电位差,Cj (0) 为 v=0 时的结电容,n 为变容管的变容指数，其大小与制造工艺有关。,变容二极管电容随外电压变化曲线,为了保证变容二极管在调制过程中保持反偏，必须加一个大于Vm的反向偏压VQ，所以外加电压为,若,其中：,称为调制指数。,为 时的结电容。,将此变容二极管接入振荡回路，根据 的变化，将会引起 的变化，进而引起回路振荡频率的变化，从而实现调频。,2.调频电路的主要性能指标,(1) 线性调制特性 已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化。,(2) 中心频率稳定 未调制时的频率c，即中心频率具有一定的稳定度。,(3) 频偏 要大,(4) 调制灵敏度高 单位调制电压产生的频率偏移称为调制点灵敏度，通常 用 或 来估算。,(1) 变容管全部接入振荡回路,用调制信号去控制高频信号的瞬时频率，使其随调制信号作线性变化的电路。,振荡回路由L、Cj构成，C1为高频耦合电容，L1为高频扼流圈，C2为高频旁路电容。,3.变容管的直接调频电路,高频通路,直流和调制频率通路,原理电路,式中 为振荡器的中心频率。,若 ，则有,为线性调频。,最大角频偏,一般情况下， 将,按幂级数展开，并忽略高次项，得,中心频率漂移,二次谐波,最大角频偏,角频偏,变容二极管结电容变化曲线,中心频率产生漂移,(2) 变容管部分接入的直接调频,变容管作为振荡回路总电容时，调制信号对振荡频率的调变能力强，灵敏度高，较小的m值能产生较大的相对频偏。但同时，因外界因素变化引起VQ的变化时，造成载波频率的不稳定也相对增大。 为了克服这些缺点，一般采用变容管部分接入的振荡回路。,变容管部分接入的振荡回路,振荡频率为,其中,在采用变容管部分接入振荡回路的直接调频电路中，选用n2的变容管，并反复调节C1、C2和VQ的值，就能在一定的调制电压范围内使n2，获得近似线性调频。,当C1和C2调整到最佳值时，最大角频偏为,式中,其中,电路组成,1.变容管全部接入,2.变容管部分接入,4.变容管直接调频电路举例,（1）变容管全部接入,高频通路,（2）变容管部分接入,高频通路,5.晶体振荡直接调频电路,晶体直接调频原理图,晶体振荡器直接调频电路,为了得到中心频率稳定度更高的调频信号，采用间接调频法。间接调频法就是利用调相的方法来实现调频。,定义：若用 信号实现调相，实际上对 而言是实现调频，则称为间接调频。,6.2.3 间接调频电路,当 时，,相角,并联谐振回路的相频特性,将载波信号 通过一个相移受调制信号 控制的网络，即可实现调相。,可变移相电路的实现框图,移相法调相电路,变容二极管管调相电路,调相电路,等效电路,调相过程：,当 时，,当 时，,将 代入，得,单级变容管调相电路输出表达式：,RC 积分网络,条件：,单级变容间接调频电路,设输入信号电压,单级变容间接调频电路,R3C3等效为一积分电路，当 时，,满足,多极变容管调相电路（以三级为例）,在单级调相电路中 ，为了增大MP，必须采用多级单回路变容二极管调相电路。,三级变容间接调频,最大值为,6.2.4 扩展最大频偏的方法,最大频偏是频率调制器的主要性能指标，在实际调频设备中，如果需要的最大频偏不能由调频电路达到，则如何扩展最大频偏是设计调频设备的关键问题。,1.基本概念,设一调频波的瞬时角频率为,将其n 倍频后得,可见，倍频可以将载波频率 和最大线性频偏 同时增大 n 倍。但其相对频偏不变。,即：,(1) 倍频可以扩大绝对频偏，保持相对频偏不变。,(2) 混频可以保持绝对频偏不变，改变相对频偏。,混频具有频率加减的功能，它使调频波的载波角频率降低或提高，但不会使最大角频偏变化。,可见，混频可以在保持最大角频偏 不变的条件下，改变中心频率，从而改变相对角频率。,设一调频波的瞬时角频率为,混频后角频率变为,相对角频率为,2. 扩大频偏的方法,可先用倍频器增大调频信号的最大频偏，然后再用混频器将调频信号的载波频率降低到规定的数值。,一、概述,调角波的解调就是将已调波恢复成原调制信号的过程。调频波的解调电路称为频率检波器或鉴频器，调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器。,6.3 鉴频电路,二、实现鉴频的方法,实现鉴频的方法很多，常用的方法有以下几种：1.利用波形变换进行鉴频,将调频信号先通过一个线性变换网络，使调频波变成调频调幅波，再作振幅检波即可恢复原调制信号。,2.相移乘法鉴频,将调频波经过移相电路变成调频调相波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系，然后将此调频调相波与未移相的调频波进行相位比较，即可得到鉴频电路的解调输出。 由于相位比较器一般都选用乘法电路，所以称为相移乘法电路。,低通滤波器,3.脉冲计数式鉴频器,低通,4.利用锁相环路实现鉴频,这种方法将在后续课程中讨论。,2.鉴频灵敏度,3.鉴频线性范围,4.非线性失真,1.鉴频器中心频率fc,6.3.1 鉴频器的性能指标,斜率鉴频器原理是，把等幅调频波变换成幅度与频率都随调制信号变化的调频调幅（FM-AM）波，然后通过包络检波器将FMAM波的包络变化，还原出原调制信号。, 单失谐回路斜率鉴频器,6.3.2 斜率鉴频器, 单失谐回路斜率鉴频器工作原理, 双失谐回路斜率鉴频器,a) L1C1， L2C2的Q值是相同的,c) 包络检波器上下对称,特点,b),特性曲线, 差分斜率鉴频器,图中L1、C1、C2组成频幅转换的线性网络，T1、T2为射极跟随器，T3、T4为检波器，T5、T6组成差分对放大器。,工作原理,设L1C1并联电路的谐振 频率,L1C1和C2组成并联谐振回路,显然,峰值检波电压 、分别加在差分对放大器T5、T6的输入端，经差分放大后，输出电压 。,即为鉴频后的原调制信号。,波形图,相位鉴频器也是利用波形变换进行鉴频的一种方法。它是利用具有频率相位转换特性的线性相移网络，将调频波变成调频调相波（FM-PM），然后把调频调相波和原来的调频波一起加到鉴相器上， 就可通过相位检波器解调此调频波信号。,6.3.3 相位鉴频器,相移乘法鉴频器的原理框图,1. 频率相位变换网络,令,在失谐不大的情况下有,网络的幅频特性,网络的相频特性,若鉴相器输入PM信号 ，其中 ，而另一输入信号 。,则相乘器的输出信号,2. 移相乘法相乘器,经低通滤波器后,如果满足 ，,电路,设 ，uS 衰减10倍后经C1与RCL移相后为,经低通滤波器和隔直电容后，输出电压,6.4 调频制的抗噪电路,在前面讨论调频信号的解调器中，都没有考虑干扰和噪声。实际上在任何解调方式的过程中，都必然伴有干扰和噪声。因此要求各种解调电路应具有良好的抗噪声能力。,6.4.1 预加重与去加重电路,各种信息信号的能量并不是均匀分布的，它们的大部分能量都集中在较低频率范围内，在高频段内，能量会随频率的升高而下降。这对调制信号的接收不利。为了改善鉴频器输出端的信噪比，目前广泛采用预加重和去加重措施。,1. 预加重网络,2. 去加重网络,6.4.2 限幅器,实际中，调频波经过信道传输，接收后经变频处理、中频放大，叠加了许多干扰信号，变得不再是等幅波了，这样必然会导致解调信号出现非线性失真和噪声。为了抑制这一不良影响，需要在鉴频之前，对信号采用限幅处理。,1. 二极管限幅器,2. 差分对管限幅器,6.4.3 静噪电路,在调频接收机工作时，会遇到无信号、弱信号的情况，这时鉴频器的输入信噪比低于门限值，使得鉴频器的输出噪声急剧增加，以至于将有用信号淹没。在这种情况下，应采用静噪电路来抑制噪声的输出，即在系统设计时要尽可能地降低鉴频器的门限值。,静噪的方式和电路是多种多样的。静噪电路的类型主要有两种，一种是接在鉴频器的输入端，另一种是接在鉴频器的输出端。,6.5 数字调制与解调,6.5.1 概述,模拟信号调制是对载波信号的参量进行连续调制，在接收端对载波信号的调制参量连续地进行解调；而数字调制则是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端对载波信号的离散调制参量进行检测。因此数字调制信号也称为键控信号。,6.5.2 频移键控（FSK）调制与解调,频移键控（FSK）是用数字基带信号控制载波信号的频率，利用不同频率的载波来传送数字信号的。 二进制移频键控是用两个不同频率的载波来代表数字信号的两种电平。接收端收到不同的载波信号后，再进行逆变换成为数字信号，完成信息传送过程。,1. 频移键控信号,当输入为逻辑1时，,当输入为逻辑0时，,则二进制移频键控的输入、输出信号波形为,2. FSK信号的调制,移频键控信号可以用类似于模拟频率调制的方法来实现，也可以用压控振荡器来实现，还可以利用键控法产生。,利用两个独立的分频器，以频率键控法来实现FSK调制原理图。,3. FSK信号的解调,数字频率键控信号（FSK）的解调方法很多。常用的有包络解调法、过零检测法等。,1）包络解调法,2）过零检测法,过零检测法是利用信号波形在单位时间内与零电平轴交叉的次数来测定信号频率。,6.5.3 相位键控（PSK）调制与解调,移相键控是利用载波相位的变化来传送数字信息的。二进制相位键控用同一个载波的两种相位来代表数字信号。 由于PSK系统抗噪声性能优于ASK和FSK，而且频带利用率高，所以，在中高速数字通信中被广泛采用。,1. 绝对调相和相对调相,数字调相分为绝对调相与相对调相两种。以未调载波的相位作为基准的调制，称为绝对调相。在二进制调相（BPSK）中，设码元取“1”时已调波的相位与未调载波的相位相同，取“0”时，则相位相反。 相对调相也称为差分相移键控（DPSK），是用调相前、后码元载波相位的相对变化来表示数字信息,相对调相也称为差分相移键控（DPSK）,2. BPSK信号的调制,BPSK可用环形相乘器来实现，称为直接调相法,3. DPSK信号的调制,DPSK信号是通过码变换加BPSK调制产生,4. DPSK信号的解调,极性比较法（又称相干解调法）是BPSK信号的解调方法之一,