第六章-角度调制和解调课件.ppt

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1、通信电子电路,1,主要学习内容,掌握调频、调相的原理；调角波信号的基本性质及特点；三类调制方式的比较。研究分析各类调频电路的工作原理。变容二极管调频电路电抗管调频电路晶体振荡器调频电路研究分析各类鉴频电路的工作原理。掌握鉴频的概念，掌握相位、比例鉴频器；斜率鉴频器相位鉴频器比例鉴频器,通信电子电路,2,学习重点,调频的概念、调频信号的基本性质及特点、调制方式的比较(着重调幅与调频)变容二极管调频电路电抗管调频电路晶体振荡器调频电路鉴频的概念相位鉴频器比例鉴频器,通信电子电路,3,6.1 概述,一、基本概念 角度调制或调角 频率调制或调频：FM(Frequency Modulation)振幅不变

2、，瞬时频率随调制信号的振幅线性变化 相位调制或调相：PM(Phase Modulation)振幅不变，相位随调制信号的振幅线性变化,通信电子电路,4,特点：角度调制具有抗干扰能力强和较高的载波功率利用系数等优点，但占有更宽的传送频带。解调鉴频 鉴相应用：调频主要应用于调频广播、广播电视、通信及遥测遥控等调相主要用于数字通信系统中的移相键控,通信电子电路,5,二、波形图,通信电子电路,6,三、频率变化与相位变化的关系,瞬时角频率,瞬时相角,用旋转矢量在横轴上的投影表示一个余弦信号,通信电子电路,7,6.2 调角波的性质,一、调频波的数学表达式,瞬时角频度按调制信号的振幅线性变化,调频波的表达式,

3、瞬时相角,频偏瞬时角频率偏移的最大值,调制指数瞬时相角偏移的最大值,通信电子电路,8,瞬时角频度,调频波的表达式,单频调频波的数学表达式,瞬时相角,通信电子电路,9,调频波波形示意图,通信电子电路,10,二、调相波的数学表达式,瞬时相角 按调制信号的振幅线性变化,调相波的表达式,瞬时角频率,调制指数,频偏,通信电子电路,11,单频调相波的数学表达式,瞬时相角,调相波的表达式,瞬时角频率,通信电子电路,12,调相波波形示意图,通信电子电路,13,三、调频与调相的比较,通信电子电路,14,调制信号为单频余弦信号时调频与调相的比较,通信电子电路,15,信号波形比较,通信电子电路,16,两者的联系和区

4、别,联系：调频波可看成调制信号为u(t)dt的调相波；调相波可看成调制信号为du(t)/dt的调频波。区别：,调制指数FM：与调制信号的振幅成正比，与调制角频率成反比PM：与调制信号的振幅成正比，与调制角频率无关最大频率偏移 FM：与调制信号的振幅成正比，与调制角频率无关PM：与调制信号的振幅成正比，与调制角频率成正比,通信电子电路,17,四、调角波的频谱,1、频谱分析,根据贝塞尔函数的性质,可以得到,通信电子电路,18,载频,第一对边频,第二对边频,第三对边频,通信电子电路,19,2、频谱特点,A、频谱结构,包含载波频率分量（但是幅度小于1，与mf 有关）及无穷多个边频分量；各边频分量之间的

5、频率间隔为；各频率分量的幅度由贝塞尔函数Jn(mf)决定，载频分量并不总是最大，有时为零;奇次边频分量的相位相反。,通信电子电路,20,B、频谱结构与调制指数的关系,通信电子电路,21,mf愈大，则具有一定幅度的边频数目愈多，频带愈宽。这是调频波频谱的主要特点。当mf值小(mf 1)时，可认为调频波的频谱与调幅波相同。与标准调幅情况不同，调频波的调制指数可大于1，而且通常应用于大于1的情况。对于某些mf值，载频分量或某次旁频分量的幅度是零。例：mf=2.40,5.52,8.65,11.79,14.93,18.07,载频 分量的幅度是零。,B、频谱结构与调制指数的关系,通信电子电路,22,C、其

6、它特点,频率调制不是将信号的频谱在频率轴上平移，而是将信号各频率分量进行非线性变换。因此，频率调制是一种非线性过程，又称为非线性调制。各频率分量间的功率分配：因为调频波是一个等幅波，所以它的总功率为常数，不随调制指数的变化而变化，并且等于未调载波的功率。调制后，已调波出现许多频率分量，这个总功率就分配到各分量。随mf的不同，各频率分量之间功率分配的数值不同。因此调制过程不需要外界供给边频功率，只是高频信号本身载频功率与边频功率的重新分配而已。,调频器=功率分配器,通信电子电路,23,五、调角波的频带宽度,调频波所占的带宽，理论上说是无穷宽的，因为它包含有无穷多个频率分量。但实际上，在调制指数一

7、定时，超过某阶数（nmf+1）时，贝塞尔函数Jn(mf)的数值随着n的增加而迅速减小。这时（nmf+1）则可认为调频波所具有的频带宽度是近似有限的。频带宽度为：,频带宽度比调幅波宽得多。只适用于频率较高的甚高频和超高频段中。,通信电子电路,24,调制信号频率不同时，调频、调相信号的频谱分布,*对于调相波：频带宽度在调制信号频率的高端和低端相差 很大，对频带的利用很不经济。,通信电子电路,25,例,调频波的幅度1V,频谱结构如图；调制信号u(t)=Umcost。求：1、调频波表示式uf(t)=cos(ct+mfsint)中的mf、c、；2、调频波的频带宽度Bf、调频波的最大频偏f。,解：,查表得

8、,由图得,通信电子电路,26,6.3 调频信号的产生,一、调频方法,用调制电压直接去控制载频振荡器的频率（通过改变回路元件参数），以产生调频信号，振荡器的频率随调制信号线性变化。类型：变容二极管直接调频（最常用）电抗管直接调频晶体振荡器直接调频特点：易于得到比较大的频偏；但中心频率的 稳定度不易做得很高调频信号的产生通常采用直接调频法。,保持振荡器的频率不变，用调制电压去改变载波输出的相位（调相），再由调相实现调频先对调制信号进行积分再进行调相 特点：载波中心频率稳定度较好；但不能直接 获得较大的频偏。广泛运用在数字信号调制中。,通信电子电路,27,直接调频电路原理,通信电子电路,28,二、性

9、能指标,调制特性被调振荡器的频率偏移与调制电压的关系 表示为f/fc=f(u),调制灵敏度S调制电压变化单位数值所产生的振荡 频率偏移，表示为S=f/u,最大频偏fm在调制电压作用下所能达到的最大频偏,载波频率稳定度f/fc时间间隔,调频信号的瞬时频率以稳定的中心频率（载频）为基准变化。若中心频率不稳定，就有可能使调频信号的频谱落到接收机通带范围之外，以致不能保证正常通信。因此，对于调频电路，不仅要满足频偏的要求，而且要使中心频率保持足够高的稳定度。,通信电子电路,29,三、技术要求,频偏与调制信号保持良好的线性关系调制灵敏度尽量高频偏尽量大中心频率稳定度尽量高寄生调幅尽量小,通信电子电路,3

10、0,6.4 调频电路,一、变容二极管调频电路1、变容二极管2、变容二极管调频原理3、小频偏变容二极管调频器的分析 4、变容二极管调频电路优缺点二、电抗管直接调频电路三、晶体振荡器调频电路四、调相和间接调频电路,通信电子电路,31,1、变容二极管,电压控制可变电抗元件，利用半导体PN结的结电容随外加反向电压变化的特性制成。,A为与变容二极管所用半导体的性质相关的常数；n为电容变化系数，是变容二极管的主要参数之一，取决于PN结的类型。n越大，电容变化量随偏压变化越显著。,通信电子电路,32,变容二极管符号表示,通信电子电路,33,2、变容二极管调频原理,通信电子电路,34,3、小频偏变容二极管调频

11、器,通信电子电路,35,（1）变压二极管电容变化与调制电压的关系,当U U时，可得变容二极管结电容（用Ct表示）,未加调制电压时，变容二极管两端电压为U0。加单频余弦调制电压u后，两端电压为,未加调制信号时的结电容,原理分析,通信电子电路,36,通信电子电路,37,可得变容二极管结电容（用Ct表示）,通信电子电路,38,（2）振荡回路总电容变化与调制电压的关系,未加调制电压时，回路总电容为,加调制电压后，回路总电容为,回路总电容变化量为,通信电子电路,39,（3）总电容变化与频率变化的关系,小频偏时，c，可得,设未加调制信号时振荡电路的总电容为C0，加调制电压后为C=C0+C0，则，可得载频振

12、荡角频率,通信电子电路,40,（4）振荡回路频偏变化与调制电压的关系,通信电子电路,41,通信电子电路,42,优点：电路简单，变容管本身体积小；工作频率高；易于获得较大的频偏。缺点：产生中心频率的偏移。由于偏置电压漂移、温度变化等会改变变容管呈现的电容，从而影响中心频率的稳定度等；在频偏较大时，非线性失真较大。解决措施：为了减小非线性失真，在小频偏变容管调频电路中，设法使变容管工作在n=1的区域；在大频偏变容管调频电路中，设法使变容管工作在n=2的区域;m值多取在0.5或0.5以下。,4、变容二极管直接调频器的优缺点,通信电子电路,43,6.4 调频电路,一、变容二极管调频电路二、电抗管直接调

13、频电路1、电抗管及其调频原理2、晶体管等效电抗的推导3、四种电路形式及相对应的等效电抗三、晶体振荡器调频电路四、调相和间接调频电路,通信电子电路,44,1、电抗管及其调频原理,晶体管(或场效应管)+由电抗和电阻元件构成的移相网络当满足条件:|Z1|Z2|;IcmI1m时，加在该网络的高频电压和流入该网络的高频电流间的电位差为90，等效为一电抗，其大小与晶体管输入阻抗有关。电抗管一参量随调制信号变化的电抗元件（电感或电容）。,i,ic,i1,通信电子电路,45,2、晶体管电抗管的等效电抗(1)等效电抗为一电容,通信电子电路,46,(2)等效电抗为一电感,通信电子电路,47,L,通信电子电路,48

14、,3、四种电路形式及相对应的等效电抗,通信电子电路,49,电抗管调频电路,通信电子电路,50,6.4 调频电路,一、变容二极管调频电路二、电抗管直接调频电路三、晶体振荡器调频电路1、石英晶体振荡器变容管调频电路2、用型网络变换获得较大频偏四、调相和间接调频电路,通信电子电路,51,1、石英晶体振荡器变容管调频电路,通信电子电路,52,2、用型网络变换获得较大频偏,通信电子电路,53,6.4 调频电路,一、变容二极管调频电路二、电抗管直接调频电路三、晶体振荡器调频电路四、调相和间接调频电路1、失谐法2、例,通信电子电路,54,间接调频原理,通信电子电路,55,调相法,谐振回路或移相网络的调相法（

15、失谐法）矢量合成调相法脉冲调相法,利用并联谐振回路失谐时的相位频率特性实现调相,通信电子电路,56,不调制时，电容量为C0，电路谐振；调制时，电容量Cd受调制信号控制发生变化（Cd=C0+C），电路失谐。,|30（QC/C00.57）时，C 基本为线性关系。,当Cu为线性关系时，可获得线性调相。,通信电子电路,57,余弦波调制时,为实现调频，必须有,在调制信号回路中加一个RC转换网络，可得到,通信电子电路,58,2、失谐法调频-调相电路,通信电子电路,59,6.5 调频信号的解调,一、解调,鉴频,从调频波中检出反映在频率变化上的调制信号，因此要求鉴频器输出信号与输入调频波的瞬时频移成线性关系。

16、鉴频器类型：斜率鉴频器相位鉴频器比例鉴频器,通信电子电路,60,调频波的解调方框图,通信电子电路,61,二、性能指标,鉴频跨导gd鉴频器的输出电压u与输入调频信号瞬时频偏f的关系。又称鉴频灵敏度。表示为gd=u/f,鉴频频带宽度B调制鉴频特性近似于直线的频率范围，这个范围应该大于调频信号最大频偏的两倍。,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,抑制寄生调幅的能力对寄生调幅应具有一定的抑制能力限幅器）,通信电子电路,62,三、鉴频器类型,斜率鉴频器相位鉴频器比例鉴频器,通信电子电路,63,1、斜率鉴频器,振幅鉴频器把等幅调频波通过频-幅变换器，变换为振幅与频率都随调制信号而变化

17、的FM-AM波，然后通过包络检波器根据FM-AM波的包络变化，还原原调制信号。,斜率鉴频器失谐回路振幅鉴频器利用并联谐振回路幅频特性的倾斜部分将调波变换成调幅调频波工作于失谐状态的并联谐振回路+包络检波器,通信电子电路,64,原理电路,通信电子电路,65,斜率鉴频器的性能在很大程度上取决于谐振电路的品质因数Q,通信电子电路,66,参差调谐鉴频器由两个单失谐回路斜率鉴频器组成,通信电子电路,67,通信电子电路,68,斜率鉴频器,线性范围与灵敏度都不理想一般用于质量要求不高的简易接收机中,通信电子电路,69,三、鉴频器类型,斜率鉴频器相位鉴频器比例鉴频器,通信电子电路,70,2、相位鉴频器,原理：

18、将频率变化转换为两个电压间的相位变化（移相网络），再将相位变化转换为对应的幅度变化，再利用检波器检出调制信号（鉴相器）。利用松耦合双调谐回路的相频特性实现调频波到调幅调频波的转换。类型：电感耦合相位鉴频器电容耦合相位鉴频器,通信电子电路,71,（1）电感耦合相位鉴频器,通信电子电路,72,通信电子电路,73,分析：频率-相位变换,通信电子电路,74,分析：频率-相位变换,通信电子电路,75,分析：相位-幅度变换,=0,0,0,通信电子电路,76,耦合系数k及品质因数Q对S曲线的影响,原副边两个谐振回路都必须仔细调谐,k3k2k1,通信电子电路,77,（2）电容耦合相位鉴频器,通信电子电路,78

19、,三、鉴频器类型,斜率鉴频器相位鉴频器比例鉴频器,通信电子电路,79,3、比例鉴频器,同时具备鉴频和限幅功能,通信电子电路,80,比例鉴频器与相位鉴频器的比较,通信电子电路,81,比例鉴频器分析,通信电子电路,82,比例鉴频器分析,通信电子电路,83,第六章 小结,角度调制是载波的总相角随调制信号变化，分为调频和调相。调角波的频谱不是调制信号频谱的线性搬移，而是产生了无数个组合频率分量，为非线性调制。其频谱结构与调制指数m有关。角度调制信号包含的频谱虽然是无限宽，但其能量集中在中心频率fc附近的一个有限频段内。其有效带宽可认为是B=2(fm+Fmax)。调角波的调制指数可表示为m=fm/F，但

20、其中，调频波的mf与调制频率F成反比，而调相波的mp与F无关。调频波的频带宽度与F无关，近似为恒带调制，调相波的频带宽度随F而变化。调角波的平均功率与调制前的等幅载波功率相等。调制的作用仅是将原来的载频功率重新分配到各个边频上而总的功率不变。实现调频的方法有两类直接调频与间接调频。直接调频可获得大的频偏，但中心频率的频率稳定度低；间接调频中心频率稳定度高，但难以获得大的频偏，需采用多次倍频、混频加大频偏。鉴频的主要方法有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器。,通信电子电路,84,1.制作内容及要求(1)用集成电路MC2833制作窄带调频器。(2)设计印刷板电路（利用Protel绘制电路板软件）。

21、(3)调整机电路时，要确定最佳调制工作点。,实例一：49.67MHz窄带调频发射器的制作,通信电子电路,85,2.制作原理(1)49.67MHz窄带调频发射器是以Motorola公司推出的窄带调频发射集成电路MC2833为核心。该集成电路具有以下特点：工作电压范围宽为2.89.0。低功耗，当UCC=4.0V时，无信号调制时消耗的电流典型值为2.9mA。外围元器件很少。具有60MHz的射频输出，典型运用频率49MHz左右。,通信电子电路,86,(2)MC2833的引脚和内部功能框图见图6.35所示。MC2833的内部功能主要包括可压控的射频振荡器、音频电压放大器和辅助晶体管放大器等。(3)输入信

22、号（语音信号）从引脚5输入，经过高增益运算放大电路后从引脚4输出，再加到引脚3，通过可变电抗控制振荡频率变化，在晶体直接调频工作方式下，产生2.5kHz左右频偏。,通信电子电路,87,图6.35 MC2833的引脚和内部功能框图,通信电子电路,88,3.制作电路说明(1)49.67MHz窄带调频发射器的典型电路见图6.36。(2)引脚9处接输出负载回路，49.67MHz窄带调频信号通过拉杆天线辐射。(3)若要制作窄带调频接收，可采用MC3363类集成电路。参看实例二。,通信电子电路,89,图6.36 49.67MHz窄带调频发射器,通信电子电路,90,实例二：49.67MHz窄带调频接收器的制

23、作,1.制作内容及要求(1)用集成电路MC3363制作窄带调频接收器。(2)设计印刷板电路（利用Protel绘制电路板软件），印刷板上的元器件要合理安排，注意地线宽度，信号的走线要避免过长。,通信电子电路,91,2.制作原理(1)49.67MHz窄带调频接收器是以Motorola公司推出的窄带调频接收集成电路MC3363为核心。该集成电路特点可查阅Motorola公司通信器件手册。(2)MC3363的引脚和内部功能框图见图6.37所示。MC3363的内部功能主要包括第一混频、第二混频、第一本振、第二本振、限幅中放、正交检波电路等。(3)引脚说明：,通信电子电路,92,图6.37 MC3363的

24、引脚和内部功能框图,通信电子电路,93,引脚1 1stMixerInput 1st混频信号的输入引脚2 Base 基极（基带信号输入）引脚3 Emitter 发射极引脚4 Collector 集电极引脚5 2ndLOEmitter 2ndLO发射极引脚6 2ndLOBase 2ndLO基极（基带信号输入）引脚7 2ndMixerOutput 混频信号的输出引脚8 VCC 电源电压，也用UCC表示引脚9 LimiterInput 限制输入（限幅输入端）,通信电子电路,94,引脚10 LimiterDecoupling 限制减弱引脚11 LimiterDecoupling 限制减弱引脚12 Met

25、erDrive(RSSI)（米、公尺、计、表）驱动引脚13 CarrierDetect 载波检测引脚14 QuadratureCoil 积分环引脚15 MuteInput 弱音输入引脚16 RecoveredAudio 音量调整引脚17 ComparatorInput 比较输入引脚18 ComparatorOutput 比较输出引脚19 Mute-Ouput 弱音输出,通信电子电路,95,引脚20 VEE 电源电压，也用UEE表示引脚21 2ndMixerInput 2nd混频信号的输入引脚22 2ndMixerInput 2nd混频信号的输入引脚23 1stMixeroutput 1st混频

26、信号的输出引脚24 1stLOOutput 1stLO（本振）输出引脚25 1stLOTank 1stLO接外部信号引脚26 1stLOTank 1stLO接外部信号引脚27 VaricapControl Varicap控制引脚28 1stMixerInput 1st混频信号的输入,通信电子电路,96,(4)49.67MHz窄带调频接收器的典型电路见图6.38。3.制作电路说明 对于MC3363集成电路来说，在信噪失真比（SINAD）为12dB时，具有优于0.3V的灵敏度。信噪失真比的意义(简称信纳比)为,通信电子电路,97,图6.38 49.67MHz窄带调频接受机,通信电子电路,98,有关

27、贝塞尔函数,1、Jn(x)的表达式,2、Jn(x)的曲线,通信电子电路,99,3、Jn(x)的数值表,通信电子电路,100,4、Jn(x)数值的确定方法,查曲线：给出阶数n和x后，直接在贝塞尔函数曲线上查值。数值不精确。查表：根据阶数n和x，直接查表。方便，且数值精确。计算：根据阶数n和x，直接用公式进行计算。计算繁杂，但数值精确。,通信电子电路,101,5、Jn(mf)的性质,（1）随着mf 的增加，Jn(mf)近似周期性地变化，且其峰值下降。,（4）,（5）对于某一固定的mf，有如下近似关系：当nmf+1时，Jn(mf)0,（3）J-n(mf)=(-1)nJn(mf),（6）当mf很小时：J0(mf)1，J1(mf)0.5mf，Jn(mf)=0（n1）,（2）n，Jn(mf)0,通信电子电路,102,6、数学公式 在此基础上，将cos(xsin)、sin(xcos)展开为傅立叶级数有如下形式。,