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2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,1,笫6章 调制与解调,6.1 幅度调制6.2 角度调制 6.2.4 调频波的解调方法与电路 6.2.4.1 解调方法 6.2.4.2 频率解调器的技术指标 6.2.4.3 频率解调器电路 6.2.5 数字信号的调制 6.2.5.1 数字调相信号的特点 6.2.5.2 两相调相信号的解调6.3 自动频率控制（AFC）,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,2,6.2.4 调频波的解调方法与电路,6.2.4.1 解调方法（四种）,1、利用锁相环路实现解调。有关这种解调方法的内容将在第7章锁相环路中讨论。,2、利用调频波的过零信息实现解调：因为调频波的频率是随调制信号变化的，所以它们在相同的时间间隔内过零点的数目将不同；当瞬时频率高时，过零点的数目就多；瞬时频率低时，过零点的数目就少；利用调频波的这个特点，可以实现解调。例如BE1调制度测量仪。,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,3,6.2.4.1 解调方法（续1）,3、将调频波变换为调相调频波，使相位的变化与瞬时频率的变化成正比，然后用相位检波器解调，即可得到所需信号。这种方法的方框图如下图所示：为了实现调频波到调相调频波的变换，通常是用将调频波延时 t0 时间的方法；在 t0 满足一定条件时，可以得到相位变化与瞬时频率变化成正比的调相调频波；相位检波器可采用模拟乘法器。,6.2.4.1 解调方法（续2）,对于由单频余弦信号对载波调频所得到的调频信号，再将其延时 t0 后可表示为：,如果t0的值较小，t0 0.2(rad)，即要求延时 t0 0.2/，则上式可简化为：,该式表明，调频波延时 t0 后，得到一个调相-调频波。其中前面为原调频信号的全相角；而后面则为一附加相位，该附加相位与调制信号成正比。因此，这个附加相位部分包含了调制信号的信息。,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,5,6.2.4.1 解调方法（续3）,4、将等幅调频波变换为幅度变化与频率变化成正比的调幅-调频波。这种方法的方框图如下图所示：因为调频波的频率变化与调制信号成正比，所以变换后信号的幅度变化也与调制信号成正比；然后用幅度解调器解调，即可得到所需信号。为了实现调频波到调幅调频波的变换，可以采用：时间域微分（差分）的办法；（相位鉴频器）频率域微分（差分）的办法。（双失谐回路鉴频器）,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,6,6.2.4.2 频率解调器的技术指标,将频率解调器称为频率检波器或鉴频器。它的主要特性是鉴频特性（S曲线），衡量鉴频特性的主要指标有：1、灵敏度：鉴频器鉴频特性的灵敏度通常用 fc 处鉴频特性的斜率定义，鉴频灵敏度的单位为V/Hz。,2、线性范围：鉴频特性近似为直线的范围，如下图BWD所示，应该大于调频信号最大频偏的两倍。,3、非线性失真：由于鉴频特性不是理想直线，而使解调信号产生的失真称为鉴频器的非线性失真。,7,6.2.4.2 频率解调器的技术指标（续1）,4、限幅鉴频：调频接收机中，天线接收到的调频信号有可能受到干扰信号的附加幅度调制和相位调制；即使接收到的是等幅调频波，通过鉴频器前面各级电路后，也会因电路频率特性不均匀而导致调频信号频谱结构的变化，从而造成调频信号的振幅发生变化；调频波是等幅波，若振幅发生了变化，称之为寄生调幅；寄生调幅会反映到鉴频器的解调电压上，从而产生解调失真；因此，一般必须在鉴频前加一限幅器以消除寄生调幅，保证加到鉴频器上的调频电压是等幅的。,8,6.2.4.3 频率解调器电路,鉴频电路的工作原理可分为四类：斜率鉴频电路：将等幅调频波的频率变化规律转移到幅度的变化上，成为调幅-调频波，然后用包络检波器检出幅度变化（频率域微分）。相位鉴频器是用时间域微分的办法。正交鉴频电路：将等幅调频波的频率变化规律转换为附加相位变化，成为调相-调频波，然后用相位检波器检出它同原调频波的相位差。正交鉴频是目前集成电路中用得最多的鉴频方法。过零鉴频电路：利用调频波的过零信息实现频率解调：过零点越多，频率越高，过零点越少，频率越低。锁相鉴频电路：利用锁相环实现频率解调。,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,9,1、斜率鉴频电路,线性变换网络,包络检波器,为了实现等幅调频波到调幅调频波的变换，可以采用对调频波进行频率域微分（或时间域微分）的方法；如果线性网络的传输函数和频率成正比关系，则可实现频率域微分：斜率鉴频。将等幅调频波和延时后的调相-调频波相加，实现等幅调频波到调幅调相调频波的变换：相位鉴频为了实现调频波到调相调频波的变换，通常是用将调频波延时 t0 时间的方法,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,10,1、斜率鉴频电路（续1）,单失谐回路的频域微分特性：,微分,延时,相移,微分变换,包络检波,调谐曲线中心位置右侧是否 具有微分特性？,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,11,1、斜率鉴频电路（续2）,单失谐回路鉴频器：准静态条件下的鉴频特性。,单失谐回路鉴频器 线性范围有限,输入调频波信号和线性变换网络满足以下两个条件，称之为满足了准静态条件：调频波的瞬时频率变化相对于载频是很慢的，也是很小的：c,c；网络的3dB带宽大于调频波的有效频谱带宽。准静态条件下，网络的输出响应能够跟得上输入调频波瞬时频率的变化。,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,12,1、斜率鉴频电路（续3）,双失谐回路鉴频器：,由于采用了平衡电路，上下两个失谐回路特性的非线性可以互相补偿，所以鉴频器输出非线性失真减少，线性鉴频范围扩大，鉴频灵敏度提高。问题：如果取f01fc，是否还可以鉴频？,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,13,2、正交鉴频原理和电路,线性变换网络,相位检波器,为了实现调频波到调相调频波的变换，通常是将调频波延时某一时间，使得相位变化和瞬时频率变化成正比；前已说明，将调频波延时 t0，当满足一定条件（t0 0.2/）时，可以得到相位变化规律与调制信号变化规律基本相同的调相波；检测出这个相位变化就可获得解调信号。一种相位检测方法是将调频信号与其延时后的信号相乘，其方框图如上图所示。这种方案多用于集成电路鉴频器中。,2023年9月6日,2、正交鉴频原理和电路（续1）,下面分析相乘过程：调频波为一单频余弦信号调制的信号，表示为：延时t0后的调频波可表示为：,若 t0 0.2/，将调频信号与其延时后的信号相乘可得：,通信电路原理-北航06年,15,2、正交鉴频原理和电路（续2）,上式表明，相乘结果的第二部分为一在2c处的调频调相波，它将被低通滤波器滤除。仅第一部分信号被输出，即：,假定ct0=/2（正交鉴频电路）；并假定t0 0.2/mF，则上式可近似为：,上式表明，这种鉴频方法可以得到与调制信号成正比的解调信号。鉴频器中所用的延时电路可用耦合回路和失谐回路实现。,通信电路原理-北航06年,16,2、正交鉴频原理和电路（续3）,举例：图6.3.27所示为利用相位解调器的鉴频器的电路。,延时电路用失谐回路实现,将调频信号与其延时后的信号相乘,在2c处的调频调相波将被低通滤波器滤除,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,17,3、相位鉴频器,（1）工作过程：用延时电路将等幅调频波变换为等幅调相调频波；用相加电路将调频信号与其延时后的信号相加，将等幅调相调频波变换为调幅调相调频波；然后用幅度解调器解调，即可得到所需信号。,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,18,3、相位鉴频器（续1）,（2）电路定性说明：V1是等幅调频波；V2是调相调频波；VAO和VBO是调幅调相调频波；S曲线的方向取决于M；S曲线过零点主要取决于C2；S曲线的对称性主要取决于C1。,19,调频波的解调方法与电路小结,解调方法：利用锁相环路实现解调利用调频波的过零信息实现解调将调频波变换为调相调频波，使相位的变化与瞬时频率的变化成正比，然后用相位检波器解调将等幅调频波变换为幅度变化与频率变化成正比的调幅-调频波，然后用幅度检波器解调鉴频特性（S曲线）的主要指标有：1、灵敏度2、线性范围3、非线性失真4、限幅鉴频,20,调频波的解调方法与电路小结（续1）,鉴频电路的工作原理可分为四类：斜率鉴频电路：将等幅调频波的频率变化规律转移到幅度的变化上，成为调幅-调频波双失谐回路鉴频器正交鉴频电路：将等幅调频波的频率变化规律转换为附加相位变化，成为调相-调频波相位鉴频器：用延时电路将调频波变换为调相调频波；用相加电路将等幅调相调频波变换为调幅调相调频波；然后用幅度解调器解调。过零鉴频电路：利用调频波的过零信息实现频率解调锁相鉴频电路：利用锁相环实现频率解调,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,21,6.2.5 数字信号的调制,数字信号调制，特别是正交幅度调制和相位调制，应用十分广泛，并且新技术不断出现；这部分的内容将在后续课程现代通信原理中有详尽的讨论，这里仅做一些基本的概念性的讨论；如果调制信号为数字基带信号，则称为是数字调制；此时，载波被数字基带信号调制，即载波的参数随数字信号而变化。数字调制中也有调幅、调频和调相，被分别称为移幅键控（ASK），移频键控（FSK）和移相键控（PSK）。,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,22,ASK,FSK,PSK,23,6.2.5.1 数字调相信号的特点,用基带数字信号对载波相位进行控制是调相技术的典型应用，是数字通信中一种非常重要的调制方式；数字信号调相也称“相位键控”，简记为PSK；数字调相分为绝对调相和相对调相两种；以未调载波的相位作为基准的调制，称为绝对调相；其示意图如下图所示。相对调相就是各码元的载波相位，不是以未调载波相位为基准，而是以相邻的前一个码元的载波相位为基准来确定；例如：当码元为“1”时（“0”），它的载波相位取与前一个码元的载波相位相同（相反）。其示意图如下图所示。两相绝对调相信号相当于抑制载波调幅。,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,24,6.2.5.1 数字调相信号的特点（续1）,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,25,6.2.5.1 数字调相信号的特点（续2）,26,6.2.5.2 两相调相信号的解调,两相调相信号解调的讨论：数字调相信号相干解调的关键问题是本地载波的建立。通常是将调相波进行全波整流，然后从整流信号中提取出2fc 分量，再分频，以得到频率fc 的本地载波信号。由分频得到的频率为fc 分量的初相位是不确定的（0或），这就是恢复载波的 0，模糊度问题。解调过程也可能出现两种情况：一是本地载波与信号中载波同频同相，所得的解调信号是正确的；二是本地载波与信号中载波相位差为，故使解调信号中码元的取值与调制信号中码元的取值相反。解决恢复载波的模糊度问题的有效办法是利用相对码。实用数字调相系统均采用相对调相。,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,27,6.2.5.2 两相调相信号的解调（续1）,1,0,1,1,1,1,0,0,绝对调相,实线 0,虚线,1,0,1,1,0,1,0,0,1,基带数字信号,0,28,6.3 自动频率控制（AFC）,1。通信系统中三种反馈控制系统：自动增益控制（AGC）电路：在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化的一种自动控制电路。自动频率控制（AFC）电路：是一种频率反馈控制系统，AFC电路控制的是信号的频率；误差信号是频率。自动相位控制（APC）电路：又叫锁相环路。（Phase Locked Loop，简称PLL），是一种相位反馈控制系统，锁相环路控制的是信号的相位；误差信号是相位。与负反馈放大器比较：皆是负反馈自动调节系统，但是调节对象不同（有频率F与相位P），而且负反馈控制系统中有非线性部件。,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,29,6.3 自动频率控制（续1）,2。AFC的电路方框图：,频率比较器,LPF,可控频率电路,30,6.3 自动频率控制（AFC）（续2）,3。AFC电路的分析方法：为了分析AFC电路的基本特性，通常采用两种方法，即分析法和图解法。分析法是建立在AFC电路中各部件具有线性特性的基础上，因而它只在一定的范围内适用。但分析法可以得出描述AFC电路特性的数学表示式，因而易于看出各部件性能对AFC电路特性的影响。用分析法分析AFC电路的线性特性，包括跟踪特性、频率特性和稳定性等。其分析过程与锁相环路类似。图解法可以考虑各部件的实例特性，对AFC电路进行大范围工作状态的分析。但这种方法仅适用于比较简单的电路。,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,31,6.3 自动频率控制（AFC）（续3）,4。AFC电路的图解分析方法：下面讨论无滤波器AFC电路的工作情况：,频率比较器,可控频率电路,上面的两个特性曲线图将改画成下面的两个图；,用图解法求联立解时，将两个特性曲线图画在同一坐标图上。,6.3 自动频率控制（AFC）（续4）,5。AFC电路的应用：,混频器,中频放大器,解调器,压控 振荡器,鉴频器,混频器,中频放大器,鉴频器,压控 振荡器,低通滤波器,输出信号,接收信号,输出信号,接收信号,调幅接收机AFC电路方框图：本地振荡频率发生正偏离；中频放大器频率也发生正偏离；鉴频器输出电压降低 LO频率；中频频率偏离的数值减少。,调频接收机AFC电路方框图：调频接收机的鉴频器也是 AFC电路；鉴频器输出信号经低通滤波器分离；低通滤波器输出电压降低 LO频率；中频频率偏离的数值减少。,33,调频与鉴频小结,一、调角波的性质：1、基本定义：数学表示式；瞬时频率；瞬时相位；最大频移；最大相移mF；2、频谱结构：包含载波分量，还包含无穷多个旁频分量，各旁频分量之间的距离是，各频率分量的幅度由贝塞尔函数决定；调频波的频谱结构与调制指数mF 关系密切。mF 愈大，则具有一定幅度的旁频数目愈多；对于某些mF 值，载频分量或旁频分量的幅度是零；频率调制是一种非线性过程，又称为非线性调制；调制先后总功率为常数。,34,调频与鉴频小结（续1）,二、调频波的产生：1、变容二极管直接调频电路：电路简单；工作频率高；易于获得较大的频偏。2、晶体直接调频电路：频偏小，但中心频率稳定度高。3、间接调频：载波中心频率稳定度较好。,3、频带：理论上说是无穷宽的；是近似有限的；忽略了小于 0.1的分量（集中98-99%的功率）：窄带调频（mF1）：宽带调频（恒定带宽调频）：,35,调频与鉴频小结（续2）,三、调频波的解调：1、四种解调方法：利用锁相环路实现解调；利用调频波的过零信息实现解调；将调频波变换为调相-调频波，用相位检波器解调；将等幅调频波变换为调幅-调频波，用幅度解调器解调。2、五种鉴频电路：双失谐回路鉴频器：振幅鉴频器；集成电路正交鉴频器；相位鉴频器；BE1调制度测量仪鉴频电路；锁相环鉴频电路。,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,36,调频与鉴频小结（续3）,四、调角波与调频波的比较抗干扰性能好：大多数噪声都会引起已调波的振幅变化（AM噪声）；角度解调电路中，采用限幅器能够去除大部分的AM噪声；而在AM接收机中，这个噪声难以消除。带宽大：角度调制的边频多，频谱分量丰富，带宽大；调制指数越大，频率调制的抗干扰性就越好，但占用有限带宽就越大；调频波的抗干扰性能是以增加信道有效带宽为代价的。系统复杂。,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,37,举例,下图（A）所示为中频放大器和相位鉴频器的级联电路，耦合线圈的同名端如图所示。耦合电路初次级调谐正确后，S曲线如图（B）所示。1若输入电压为：Vi（t）=3cos2107t+0.5sin（103t）（v）请写出鉴频器输出电压的表示式。,2若次级线圈的同名端由上端为下端，S曲线如何变化？3若耦合电路初次级调谐不正确（即初次级失谐），S曲线如何变化？,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,38,举例（续）,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,39,习题十五：6-24，举例,思考题：请比较标准调幅波与调频波的主要区别。,（调制指数，波形，频谱结构，功率分配，抗干扰能力。）,2023年9月6日,通信电路原理-北航06年,40,附图：Regeneration Divider Design,LNRD（low noise regeneration divide-by-two）dividers。,