频率调制与解调.ppt

,7.0概述,AM,FM,幅度调制,角度调制,调频FM,调相PM,载波信号的受控参量,振幅,频率,相位,解调方式,相干解调或非相干解调,鉴频或频率检波,鉴相或相位检波,解调方式的差别,频谱线性搬移频谱结构无变化,频谱非线性频谱结构发生变化属于非线性频率变换,特点,频带窄频带利用率高,频带宽频带利用不经济、抗干扰性强,用途,广播电视通信遥测,数字通信,调幅AM,概述,广播,第7章 频率调制与解调,7.1 调频信号分析 7.2 调频器与调频方法7.3 调频电路7.4 鉴频器与鉴频方法 7.5 鉴频电路 7.6 调频收发信机及特殊电路7.7 调频多重广播,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。互感耦合相位鉴频器,难点：,1调频与调相的区别。,2变容二极管直接调频电路。3.互感耦合相位鉴频器,概述,高频振荡的振幅不变，而角度随调制信号 按一定关系变化。,高频振荡的振幅不变，而其瞬时频率随调制信号 线性关系变化，这样的已调波称为调频波，常用FM表示。,高频振荡的振幅不变，而其瞬时相位随调制信号 线性关系变化。这样的已调波称为调相波，常用PM表示。,角度调制分为相位调制和频率调制两类，统称为调角。,一、角度调制电路的功能与分类,1.角度调制,2.角度调制的分类,3.相位调制,4.频率调制,二、角度调制的优点与用途,优点:1、抗干扰能力强2、FM广播音质好，但BW宽，波段内容纳的电台数小；主要用于超短波波段。如：调频广播：（88108）MHz，BW=180KHZ。3发射功率小。作用:调频主要用于调频广播、广播电视、通信与遥控遥测等。调相主要用于数字通信。,7.1 调频信号分析,7.1.1 调频信号的参数与波形1、时域表达式令u(t)=Ucost,uC=UCcosct,调频信号的瞬时角频率为,为了分析方便,不妨设0=0,图71 调频波波形,2、波形,图72 调频波fm、mf与F的关系,：是比例常数，表示,3、调频信号的基本参数,：载波角频率，它是没有受调时的载波频率。,：调制信号角频率，它反映了受调制的信号的瞬时频率变化的快慢。,：相对于载频的最大角频偏(峰值角频偏),：最大频偏,对最大角频偏的控制能力，它,是单位调制电压产生的频率偏移量，称为调频灵敏度。,：调频波的调制指数。,与,成正比），与,成反比。,7.1.2 调频波的频谱 1调频波的展开式,（75）,式中Jn(mf)是宗数为mf的n阶第一类贝塞尔函数,它可以用无穷级数进行计算。,（76）,7.1.2 调频波的频谱,（77）,图73 第一类贝塞尔函数曲线,图74 单频调制时FM波的振幅谱（a）为常数;（b）m为常数,2调频波的频谱结构和特点,这些边频对称地分布在载频两边，其幅度决定于调制指数。,调频波是由载波,与无数边频,组成，,调频波的特点：,图75 调频信号的矢量表示,7.1.3 调频波的信号带宽 通常采用的准则是,信号的频带宽度应包括幅度大于未调载波1%以上的边频分量,即|Jn(mf)|0.01 当mf很大时,此时带宽为 Bs=2nF=2mfF=2fm（79）当mf很小时,如mf0.5,为窄频带调频,此时 Bs=2F（710）,对于一般情况,带宽为 Bs=2(mf+1)F=2(fm+F)（711）,7.1.4 调频波的功率 调频信号uFM(t)在电阻RL上消耗的平均功率为,由于余弦项的正交性,总和的均方值等于各项均方值的总和,由式（77）可得,（713）,（714）,（715）,7.1.5 调频波与调相波的比较 1调相波 调相波是其瞬时相位以未调载波相位c为中心按调制信号规律变化的等幅高频振荡。如u(t)=Ucost,uC=UCcosct 并令0=0,则其瞬时相位为(t)=ct+(t)=ct+kpu(t)=ct+mcost=ct+mpcost（716）从而得到调相信号为 uPM(t)=UCcos(ct+mpcost)（717）,图77 调相波波形,2、波形,3、参数,（718）,图78 调相波fm、mp与F的关系,(t)=ct+(t)=ct+kpu(t),调相波的瞬时频率为,调相波的瞬时相位为,调制度,最大频偏,4、频谱 至于PM波的频谱及带宽,其分析方法与FM相同。调相信号带宽为 Bs=2(mp+1)F(719),图79 调频与调相的关系,2调频波与调相波的比较,调频波与调相波的比较,在本节结束前,要强调几点:（1）角度调制是非线性调制,在单频调制时会出现（cn）分量,在多频调制时还会出现交叉调制（cn1k2+）分量。（2）调频的频谱结构与mf密切相关。mf大,频带宽。（3）与AM制相比,角调方式的设备利用率高,因其平均功率与最大功率一样。,例1已知某调频电路单位调制电压产生频偏为1 kHz，电路的输出载波电压,，调制信号电压,。试求：(1)调频指数,(2)最大频偏,(3)有效频带宽度,(4)调频波的数学表示式,解(1)调频指数,(2)最大频偏,(3)有效频带宽度,(4)调频波的数学表示式,例2、给定调频信号中心频率，最大频偏。调制信号频率为。求调频指数，频带宽度，若调制信号频率增大一倍，则调频指数和频带宽度又为多大？,7.2 调频器与调频方法,二、调频方法分类 调频方法可分为直接调频和间接调频两大类。三、直接调频原理 1、利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号变化规律。2、实际应用中，是用调制信号去控制决定振荡器振荡频率的振荡回路的可变电抗值。从而使振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性改变。,1、具有线性的调制特性。即。,4、未调制的载波频率（即已调波的中心频率）应具有一定的频率稳定度。5、无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。,3、最大频率偏移 与调制信号频率无关。,2、具有较高的调制灵敏度。即 要大，单位调制电压产生的振荡频率偏移要大。,一、对调频电路的要求,调频特性曲线,间接调频原理方框图,1、由调频波的一般表示式,2、将调制信号 先通过积分电路得到，然后进行相位调制，输出电压 对 是调频波,称其为间接调频。,3、间接调频电路的载波振荡器可采用频率稳定度很高的晶体振荡器，其载波频率稳定变高。,四、间接调频原理,2间接调频法 实现间接调频的关键是如何进行相位调制。通常,实现相位调制的方法有如下三种:(1）矢量合成法。这种方法主要针对的是窄带的调频或调相信号。对于单音调相信号 uPM=Ucos(ct+mpcost)=Ucosctcos(mpcost)-Usin(mpcost)sinct 当mp/12时,上式近似为 uPMUcosct-Umpcostsinct（720）,图711 矢量合成法调频,(2）可变移相法。可变移相法就是利用调制信号控制移相网络或谐振回路的电抗或电阻元件来实现调相。(3）可变延时法。将载波信号通过一可控延时网络,延时时间受调制信号控制,即=kdu(t)则输出信号为 u=Ucosc(t-)=Ucosct-kdcu(t)由此可知,输出信号已变成调相信号了。,3.扩大调频器线性频偏的方法 对于直接调频电路,调制特性的非线性随最大相对频偏fm/fc的增大而增大。当最大相对频偏fm/fc限定时,对于特定的fc,fm也就被限定了,其值与调制频率的大小无关。,一、变容二极管的特性1、变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压变化而变化的原理设 计的一种特殊二 极管。它的极间结构、伏安特性与一般检波二极 管没有多大差别。2、变容二极管应用时，只能加反向电压。反向电压的变化能使变容 二极管结电容随其变化。3、变容二极管的反向电压与其结电容的关系为,式中，为PN结的势垒电压；u 为反向电压；C0 为 u=0 时的结电容；为电容变化系数。,变容二极管直接调频,二、变容二极管直接调频电路的基本原理,2、变容二极管是振荡回路的一个组成部分。加在变容二极管的反向电压为,式中，EQ 是加在变容二极管的直流偏置电压；为调制信号电压,结电容随调制电压变化关系,3、，调制信号 反向电压为变容二极管结电容 将在 u 的控制下随时间变化。则振荡器的振荡频率要随 变化。只要电路参数选取合适,是能够实现线性调频。,三、电路分析,1、在反向电压 作用下，变容二极管的电容值,变容二极管的结电容表示式,载波状态时变容二极管的结电容,载波状态时，,，则,调制状态时变容二极管的结电容,式中，为电容调制度。,振荡回路的等效电路,当振荡回路中的 未接入，较大时，即回路的总电容仅是变容二极管的结电容，等效回路如图所示。调变容二极管上的高频电压很小，忽略其对变容二极管电容量变化的影响。,瞬时振荡频率为,式中：,为,时的载波频率。,2、变容二极管作为回路总电容实现调频,实现线性调频的条件,结论:当 时，能实现线性调频。,当 时，会产生什么影响？,通常，可以忽略三次方以上各项，则,由于 可以在 处展开成泰勒级数，得,结论:当变容二极管作为回路总电容时，调频波会产生中心频率偏离和非线性失真.会产生如下影响：,调频波的中心频率会产生偏移。其偏移量为,当调频电路要求的相对频偏较小时，m值很小，电路对 的要求不严格。,例如，调频广播，要求最大频偏。,很小。对应中心频率偏移量和非线性失真量很小，故对 的要求不严格。显然，当调频电路的相对频偏较大时，对 的要求就应严格些。,调频波的最大频偏,调频波会产生非线性失真。其二次谐波失真最大频偏,变容二极管全部接入时(,作为回路总电容)调频电路的特点:,优点:调频灵敏度高,频偏很大,缺点:中心频率稳定度不好,变容二极管作为回路总电容实现调频时，由于变容二极管的结电容随温度、偏置电压的不稳会引起结电容变化。因此其中心频率稳定度差。,3、变容二极管部分接入调频电路,在工作点,处展开，可得,四、应用举例1、8MHz变容二极管调频振荡电路,8MHz变容二极管调频振荡电路,上图是一个8MHz变容二极管调频振荡电路和高频等效电路。变容二极管的直流偏压由 和电位器W组成分压电路供给。,偏置电压为-4V时，。而偏置电压由（0-8）V变化时，为（23060）PF。,调制信号通过 和高频扼流图ZL加到变容二极管上。加在变容二极管上电压为直流偏置电压与调制信号电压之和。,电路为电容三点式振荡电路，振荡频率为,电路中心频率为8MHz，最大线性频偏为200kHz。,其中,2、某通信机中的变容二极管调频电路,变容二极管调频振荡电路,高频扼流图 对直流和调制信号短路，而对载频开路。因而加在两个变容二极管上的反向电压是相同的。,3、变容二极管直接调频电路的优缺点优点：电路简单，工作频率高，易于获得大的频偏。在频偏小时，非线性失真很小。所需调制信号功率很小。缺点：中心频率稳定度不高。频偏较大时，非线性失真较大。,上图所示是电容三点式振荡电路，通过变容二极管的电容变化实现调频。,本电路的特殊点是采用了两个变容二极管，并且同极性相对接的方式接入振荡回路。由于回路中两个二极管代替一个二极管，使得每个变容二极管两端的高频电压减小。这样就减小了高频电压对变容二极管总电容的影响。,晶体振荡器直接调频电路,一、稳定调频振荡器中心频率的办法 1、对石英晶体振荡器进行直接调频；2、采用自动频率微调电路；3、利用锁相环路稳频。二、晶体振荡器直接调频的主要形式,晶体振荡器采用变容二极管实现调频的形式有两种,1、变容二极管与并联型晶 体振荡器的晶体相串联,2、变容二极管与并联型晶 体振荡器的晶体相并联,图720 晶体振荡器直接调频电路（a）实际电路;（b）交流等效电路,图721 三角波调频方框图,3.张弛振荡器直接调频电路,图722 电压比较器的迟滞特性和输入、输出波形,图723 三角波变为正弦波变换特性,7.3.2 间接调频电路 图724是一个变容二极管调相电路。它将受调制信号控制的变容管作为振荡回路的一个元件。Lc1、Lc2为高频扼流圈,分别防止高频信号进入直流电源及调制信号源中。高Q并联振荡电路的电压、电流间相移为,（735）,图724 单回路变容管调相器,当/6时,tan,上式简化为 设输入调制信号为Ucost,其瞬时频偏(此处为回路谐振频率的偏移)为,（736）,当/6时,tan,上式简化为,（737）,图725 三级回路级联的移相器,7.4 鉴频器与鉴频方法,一、调角信号解调电路的功能 从调角波中取出原调制信号。1、调相波解调电路的功能是从调相波中取出原调制信号，也称为鉴相器。,当输入调相波:,2、调频波解调电路的功能是从调频波中取出原调制信号，也称鉴频器。,输出电压:,当输入调频波:,输出电压:,图726 鉴频器及鉴频特性,鉴相器的技术指标1、鉴相特性曲线:即鉴相器输出电压与输入信号的瞬时相位偏移 的关系。通常要求是线性关系。2、鉴相跨导:鉴相器输出电压与输入信号的瞬时相位偏移 的关 系的比例系数。即鉴相特性曲线 的斜率.3、鉴相线性范围:通常应大于调相波最大相移的二倍。4、非线性失真:应尽可能小。,二、主要技术指标,鉴频器的主要指标 1、鉴频特性曲线:即鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频率偏移f 的关系。通常要求是线性关系。2、鉴频跨导:鉴频器输出电压与输入信号的瞬时频率偏移的关系的 比例系数。即鉴频特性曲线的确斜率,也叫鉴频灵敏度3、鉴频线性范围:通常应大于调频波最大频偏的二倍。4、非线性失真:应尽可能小。,直接从调频信号的频率中提取原来调制信号的方法。,7.4.2 鉴频方法,鉴频方法,直接鉴频法,间接鉴频法,1振幅鉴频法,（1）直接时域微分法,将等幅的调频信号变成振幅也随瞬时频率变化的、既调频又调幅的FM-AM波，通过包络检波器解调此调频信号。,电压,的振幅与瞬时频率,成正比。因此，,这是一个FM-AM波，将其经包络检波后即可得到原调制信号。,包络检波,包络检波,变换电路,图729 微分鉴频电路,（2）斜率鉴频法,利用调谐回路幅频特性倾斜部分对FM波解调的方法称为斜率鉴频。,单回路斜率鉴频器,双离谐平衡鉴频器,线性区,图732 图731各点波形,图733 双离谐鉴频器的鉴频特性,2.相位鉴频法,（1）乘积型相位鉴频法,（2）叠加型相位鉴频法,鉴相器,变换电路,低通滤波器,移相网络,叠加后的合成信号为,包络检波器,移相网络,图736 平衡式叠加型相位鉴频器框图,3.直接脉冲计数式鉴频法 调频信号的信息寄托在已调波的频率上。从某种意义上讲，信号频率就是信号电压或电流波形单位时间内过零点(或零交点)的次数。对于脉冲或数字信号，信号频率就是信号脉冲的个数。基于这种原理的鉴频器称为零交点鉴频器或脉冲计数式鉴频器。,图737 直接脉冲计数式鉴频器,7.5 鉴频电路,7.5.1 叠加型相位鉴频电路 1.互感耦合相位鉴频器 互感耦合相位鉴频器又称福斯特西利(FosterSeeley)鉴频器，图7-38是其典型电路。相移网络为耦合回路。,图738 互感耦合相位鉴频器,互感耦合相位鉴频器的工作原理可分为移相网络的频率-相位变换、加法器的相位-幅度变换和包络检波器的差动检波三个过程。,（1）频率-相位变换,（2）相位-幅度变换,图742 不同频率时的 与 矢量图,（3）检波输出,包络检波器的输出分别为：,鉴频器的输出电压为,鉴频特性曲线的调整,鉴频零点的调整,结论：次级回路的谐振点决定鉴频特性曲线的鉴频 零点 若鉴频零点不在 处，调节 或,鉴频特性曲线对称性的调整,结论：若鉴频特性曲线上下不对称，说明初级回路没有调谐在 处，应调节 或,图744 SDA曲线,结论:鉴频特性曲线由 A 来决定，K 值一定时，鉴频宽度由Q 来决定。通过调节互感 M 和回路品质因数 Q 来调节鉴频宽度。,电容耦合相位鉴频器,电路的耦合系数为,设次级回路的并联阻抗,可得,由于Cm很小，满足1/(Cm)p2Z2,p=1/2。分析可得,AB间的电压为,某鉴频器鉴频灵敏度SD=2mV/kHZ，线性鉴频范围2fm50kHZ，输入调频信号 调频灵敏度kf=3，试画出鉴频特性曲线，并求出输入调频信号的最大频偏，频带宽度以及鉴频器输出电压,原调制信号。,7.5.2 比例鉴频器,比例鉴频器,工作原理,输出电压也可由下式导出：,7.5.2 比例鉴频器1、它与互感耦合相位鉴频器电路的区别在于：(1)两个二极管顺接；(2)在电阻(R1+R2)两端并接一个大电容C，容量约在10F数量级。时间常数(R1+R2)C很大，约0.10.25s，远大于低频信号的周期。(3)接地点和输出点改变。,图746 比例鉴频器电路及特性,1、当f=fc时，UD1=UD2,i1=i2,但以相反方向流过负载RL,所以输出电压为零；2、当ffc时，UD1UD2,i1i2,输出电压为负；3、当ffc时，UD1UD2,i1i2，输出电压为正。,3.自限幅原理(1)回路的无载Q0值要足够高，以便当检波器输入电阻Ri随输入电压幅度变化时，能引起回路Qe明显的变化。(2)要保证时常数(R1+R2)C大于寄生调幅干扰的几个周期。比例鉴频器存在着过抑制与阻塞现象。,图747 减小过抑制及阻塞的措施,7.5.3 正交鉴频器,正交鉴频器,当,时：,移相网络传输函数：,设：,图748 集成正交鉴频器,2.集成正交鉴频器,包括限幅中放(V1,V2;V4、V5;V7、8为三级差分对放大器，V3、V6和V9为三个射极跟随器)、内部稳压(VD1VD5、V10)和鉴频电路三部分。,7.5.4 其它鉴频电路 1.差分峰值斜率鉴频器 差分峰值斜率鉴频器是一种在集成电路中常用的振幅鉴频器。图750(a)是一个在电视接收机伴音信号处理电路(如D7176AP,TA7243P)等集成电路中采用的差分峰值斜率鉴频器。,图750 差分峰值斜率鉴频器,移相网络接在集成电路的、10脚之间。设从脚向右看的移相电路的谐振频率为f01，从10脚向左看的移相电路的谐振频率为f02，则,(767),(768),2.晶体鉴频器 晶体鉴频器的原理电路如图751所示。电容C与晶体串联后接到调频信号源。VD1、R1,C1和VD2、R2、C2为两个二极管包络检波器。为了保证电路平衡，通常VD1与VD2性能相同，R1=R2,C1=C2。,图751 晶体鉴频器原理电路,图752 电容晶体分压器(a)电抗曲线；(b)电容、晶体两端电压变化曲线,图753 晶体鉴频器的鉴频特性,7.5.5 限幅电路 振幅限幅器的性能可由图754(b)所示的限幅特性曲线表示。图中，Up表示限幅器进入限幅状态的最小输入信号电压，称为门限电压。对限幅器的要求主要是在限幅区内要有平坦的限幅特性，门限电压要尽量小。,图754 限幅器及其特性曲线,7.6 调频收发信机及特殊电路,一调频发射机（FM transmitter）的组成。,N1=64,f 01=200KHz fm1=25Hz,f 0 3 fm3=1.6KHZ,f L=11-10.5MHZ,f 0fm=76.8KHZ,N2=48,f 02=12.8MHZ fm2=1.6KHZ,调频广播波段：，而（音频）调制信号 的频率=50HZ15KHZ，要求输出的FM信号最大频偏=75KHZ，输出FM信号的带宽:BFM=2（mf+1）Fmax=2+2 F max=180KHZ，于是在调频广播工作波段内，各调频电台的频率间隔取200KHZ，可容纳100个电台。,间接调频器,返回,广播调频接受机的通频带B=200KHZ，中频载波频率fI=10.7MHZ，自动频率微调（AFC）电路的作用是微调本振频率f L，保证中频fI=fL-fs=10.7MHZ稳定，这对提高调频接收机的整机选择性，灵敏度和保真度是极有益处的。,二 调频接收机（FM receiver）的组成,返回,7.6.3 特殊电路 1.预加重及去加重电路 理论证明，对于输入白噪声，调幅制的输出噪声频谱呈矩形，在整个调制频率范围内，所有噪声都一样大。调频制的噪声频谱(电压谱)呈三角形，见图757(b)，随着调制频率的增高，噪声也增大。调制频率范围愈宽，输出的噪声也愈大。,图757 调频解调器的输出噪声频谱(a)功率谱；(b)电压谱,由于调频噪声频谱呈三角形，或者说与成线性关系，使我们联想到将信号作相应的处理，即要求预加重网络的特性为 H(j)=j,图758 预加重网络及其特性(a)预加重网络；(b)频率响应,去加重网络及其频响曲线如图759所示。从图看出，当2时，预加重和去加重网络总的频率传递函数近似为一常数，这正是使信号不失真所需要的条件。,图759 去加重网络及其特性,采用预、去加重网络后，对信号不会产生变化，但对信噪比却得到较大的改善，如图760所示。,图760预、去加重网络对信噪比的改善,2.静噪电路 由于在调频接收中存在门限效应，因此在系统设计时要尽可能地降低门限值。为了获得较高的输出信噪比，在鉴频器的输入端的输入信噪比要在门限值之上。但在调频通信和调频广播中，经常会遇到无信号或弱信号的情况，这时输入信噪比就低于门限值，输出端的噪声就会急剧增加。,图761 静噪电路举例,图762 静噪电路接入方式,7.7 调频多重广播,调频立体声广播 1.调频立体声广播方式 图763示出了调频立体声广播的系统图。左声道信号(L)和右声道信号(R)经各自的预加重在矩阵电路中形成和信号(L+R)和差信号(L-R)。和信号(L+R)照原样成为主信道信号，差信号(L-R)经平衡调制器对副载波进行抑制载波的调幅，成为副信道信号。,图763 调频立体声广播发射机的系统图,2.调频立体声接收机 调频立体声接收机的框图如图764所示，在鉴频器之前与单声道调频接收机的组成相同。,图764 调频立体声接收机的框图,图765 立体声解调器工作方式(a)开关方式；(b)矩阵方式,7.7.2 电视伴音的多重广播 电视伴音的多重广播就是电视伴音的立体声广播。图766为某电视伴音多重广播的发射机框图。和信号被作为主信道信号发送，差信号经限幅器、IDC电路和低通滤波器后作为副信道信号对行扫描频率fH的二倍频信号(副载波)进行调频，并与主信道信号合成后送到伴音发射机。,图766 电视伴音多重广播的发射机框图,在接收端，电视机中的伴音处理电路框图如图767所示。对图像中放的输出进行检波，取出伴音中频，对它放大后进行鉴频，得到复合伴音信号。它含有主信道信号、副信道信号和控制信号。对此复合信号进行处理和转换即可得到立体声伴音的输出。,图767 电视伴音处理电路框图,