高频电子课件第5章.ppt

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1、第五章 角度调制与解调-频率的非线性变换,5.1 概述,通信、广播电视、导航、雷达、遥测遥控等都是利用电磁波来传送信息的。与振幅调制一样，角度调制也是无线电传送信息的重要方式。,一、角度调制电路的分类与功能 角度调制是高频振荡的振幅，保持不变，而角度却以一定的关系随调制信号变化。如果振荡的瞬时角频率随调制信号作线性变化，则已调波称为调频波。这种调制称频率调制，常用FM表示；如果振荡的瞬时相位随调制信号作线性变化，则已调波称为调相波。这种调制称相位调制，常用PM表示。这两种调制都表现为高频振荡波的总瞬时相角受到调制，故将FM和PM统称为角度调制。,二、角度调制的优点与用途,优点：抗干扰能力强、较

2、高的载波功率利用系数 缺点：占有更宽的传送频带。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。,调频波的指标主要有以下几个：,1)频谱宽度,2)寄生调幅,3)抗干扰能力,三、调角信号的解调电路的功能,调角信号的解调电路的功能是从调角波中取出原调制信号。,对于调相波的解调电路来说，是从调相波中取出原调制信号，又称为鉴相器。对于调频波的解调电路来说，是从调频波中取出原调制信号，又称为鉴频器。,鉴频的方法很多，但主要可归纳为如下几类：,第一类,首先进行波形变换，将等幅调频波变换成幅度随瞬时频率变化的调幅波(即调幅调频波)，然后用振幅检波器将振幅的变化检测出

3、来。,第二类,对调频波通过零点的数目进行计数，因为其单位时间内的数目正比于调频波的瞬时频率。这种鉴频器叫做脉冲计数式鉴频器。,第三类,利用移相器与符合门电路相配合来实现的。,四、调角信号的解调电路的主要技术指标鉴相器的主要指标是：(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。(3)鉴相线性范围，通常应大于调相波最大相移的二倍，并 留有一定余量。(4)对寄生调幅有一定抑制能力。(5)非线性失真，应尽可能小。,图5.1-1 鉴频特性曲线,5.2 调角波的基本特性,5.2.1 调角波

4、的基本概念 无论是调相波还是调频波，它们的总瞬时相角和瞬时角频率都同时受调制信号调变。调相波与调频波的差别是调相波的瞬时相位的变化与调制信号成线性关系，调频波的瞬时角频率与调制信号成线性关系。,调角波调制指数的定义是调角波的最大相移称为调制指数。,1调相波的调制指数 与调制信号频率无关，最大频移 与调制信号频率成正比；,2调频波的调制指数 与调制信号频率成反比，最大 频移 与调制信号频率无关。3调相波和调频波的最大频移 均等于调制指数m与 调制频率的乘积。,这里必须注意的是，单频调制时，调频波和调相波均包含有截然不同的三个频率参数。载波角频率：它表示调制信号为零时的载波角频率，即调角波的中心角

5、频率；最大角频移：它表示调制信号变化时，瞬时角频率偏离 中心角频率的最大值；调制信号角频率：它表示调角波的瞬时角频率从最大 值到最小值之间往返变化的角频率。,2023/10/6,12,第五章 角度调制与解调,5.2.2 调角波的数学表达式,高频振荡信号的一般表示式可用下式表示,=cos(t),调频波的一般表示式为,2023/10/6,13,第五章 角度调制与解调,调角波的频谱与带宽,为了决定调角信号传输系统的带宽，必须对调角波的频谱进行分析。单频调制时，调频波和调相波的表达式是相似的，因此，它们具有相同的频谱，下面仅讨论调频波的频谱。,设调制信号 载波信号 则调频波的表示式为,14,第五章 角

6、度调制与解调,将上式进行三角变换,式中，,得,和,均可直接展开成傅里叶级数。,得,载频,第一对边频,第二对边频,第三对边频,第四对边频,+,由单音频调制的调频波，其按频谱具有以下特点：,1、调频波的频谱不是调制信号的频谱的简单搬移，而是由载波分量和无数对边频分量所组成；2、奇数项的上、下边频分量振幅相等，极性相反；偶数项的上、下边频分量振幅相等，极性相同；3、载波分量和各边频分量的振幅均与有关。越大，有效边频分量越多，这与调幅波是不同的，单频调制下，调幅波的边频数目与调制指数无关。4、对于某些值，载波或某边频振幅为零。,在高质量通信系统中，常以忽略小于1末调制载波振幅的边频分量来决定频谱宽度。

7、,在中等质量通信系统中，以忽略小于10未调制载波振幅的边频分量来决定频谱宽度。,调频波的频谱宽度变化不大的原因是，在最大频移一定的条件下，调频波的调制指数与调制频率F成反比，调制频率越高,越小，而振幅小于10的边频对数减少，故频谱宽度变化不大。这是调频波的一个重要特点。,图5.2-2 调频波的频谱,图5.2-3 调相波的频谱,调相波的频带宽度没有得到充分利用。这是调相制的弱点，也是调相制在模拟通信系统中不能直接应用的原因。但在数字通信系统中得到了广泛的应用。而在模拟通信系统中调频制得到了广泛的应用。,5.3 角度调制电路,对于调频电路的性能指标，一般有以下几方而的要求：具有线性的调制特性。即已

8、调波的瞬时频率与调制信号成线性关系变化。具有较高的调制灵敏度。即单位调制电压所产生的振荡频率偏移要大。最大频率偏移，与调制信号频率无关。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。无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。,5.3.1 直接调频电路,直接调频的基本原理是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。,(1)改变振荡回路的元件参数实现调频,调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有PIN二极管和场效应管。若将这样的可控参数元件或电路直接代替振荡器振荡回路的某一元件(

9、例如L或C)或者直接并接在振荡回路两端，这样振荡频率就会与可控参数元件的数值有关，用调制信号去控制这样元件的参数值，就能够实现直接调频。,(2)控制振荡器的工作状态实现调频,1变容二极管直接调频电路（1）变容二极管的特性,变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变而变化的原理设计的一种二极管。它的极间结构、伏安特性与一般检波二极管没有多大差别。不同的是在加反向偏压时，变容二管呈现一个较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会明显地随调制电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的

10、。,图5.3-1变容二极管的反向电压与其结电容呈非线性关系,（2）基本原理 变容二极管是振荡回路的一个组成部分，加在变容二极管上的反向电压 结电容是振荡器的振荡回路的一部分，结电容随调制信号变化，回路总电容也随调制信号变化，故振荡频率也将随调制信号而变化。只要适当选取变容二极管的特性及工作状态，可以使振荡频率的变化与调制信号近似成线性关系，从而实现调频。,图5.3-2 变容二极管调频器,（3）电路分析,（a）变容二极管作为振荡回路的总电容,根据调频的要求，当变容二极管的结电容作为回路总电容时，实现线性调频的条件是变容二极管的电容变化系数=2。在相对频偏较小的情况下，对变容二极管值的要求并不严格

11、。然而在微波调频制多路通信系统中，通常需要产生相对频偏比较大的调频信号。这时由于m值较大，当时就会产生较大的非线性失真和中心频率偏移。这种情况下，则应采用 近于2的变容二极管。,（b）变容二极管部分接入振荡回路,调频特性取决于回路的总电容，而 可以看成一个等效的变容二极管，随调制电压 的变化规律不仅决定于变容二极管的结电容 随调制电压 的变化规律，而且还与 和 的大小有关。因为变容二极管部分接入振荡回路，其中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，但其最大频偏要减小。,变容二极管调频电路的优点是电路简单，工作频率高，易于获得较大的频偏，而且在频偏较小的情况下，非线性失真可以很小。因为变容二极管是电

12、压控制器件，所需调制信号的功率很小。这种电路的缺点是偏置电压漂移，温度变化等会改变变容二极管的结电容，即调频振荡器的中心频率稳定度不高，而在频偏较大时，非线性失真较大。,2石英晶体振荡器直接调频,稳定中心频率的办法有：对石英晶体振荡器进行直接调频；采用自动频率微调电路；锁相环路稳频。晶体振荡器直接调频电路通常是将变容二极管接入并联型晶体振荡器的回路中实现调频。,图5.3-6 变容二极管与石英晶体两种连接方式的电抗特性,图5.3-7 晶体振荡器直接调频电路,从高频等效电路来看，它是一个典型的电容三点式振荡电路。晶体振荡器的振荡频率只能在 与 之间变化。因为晶体的并联谐振频率与串联谐振频率相差很小

13、，其调频的频偏不可能大。,对晶体振荡器进行直接调频时，因为振荡回路中引入了变容二极管，所以调频振荡器的频率稳定度相对于不调频的晶体振荡器是有所下降。,5.3.2 间接调频-由调相实现调频,实现调相的方法通常有三类：一类是可变移相法调相；第二类是可变时延法调相；第三类是矢量合成法调相。因为调相电路输入的载波振荡信号可采用频率稳定度很高的晶体振荡器，所以采用调相电路实现间接调频，可以提高调频电路中心频率的稳定度。在实际应用中，间接调频是一种应用较为广泛的方式。,1变移相法调相电路 将载波振荡信号电压通过一个受调制信号电压控制的相移网络，即可以实现调相。可控相移网络有多种实现电路。其中，应用最广的是

14、变容二极管调相电路。图5.3-8所示电路是单回路变容二极管调相电路。,图5.3-8 单回路变容二极管调相电路,谐振回路的相频特性如图5.3-9中的曲线所示。,图5.3-9 调相电路的相频特性,等幅的频率恒定的载波信号通过谐振频率受调制信号调变的谐振回路，其输出电压将是一个幅度受调制信号控制的调相波。在实际应用中通常需要较大的调相指数，为了增大它，可以采用多级单回路构成的变容二极管调相电路。,图5.3-10 三级单回路变容二极管调相电路,图5.3-10是一个三级单回路变容二极管调相电路。每一个回路均有一个变容二极管以实现调相。三个变容二极管的电容量变化均受同一调制信号控制。为了保证三个回路产生相

15、等的相移，每个回路的Q值都可用可变电阻(22k)调节。级间采用小电容(1PF)作为耦合电容，因其耦合弱，可认为级与级之间的相互影响较小，总相移是三级相移之和。这种电路能在范围内得到线性调制。这类电路由于电路简单、调整方便、故得到了广泛的应用。,2变时延法调相 将载波振荡电压通过一个受调制信号电压控制的时延网络，如图5.3-11所示。,式中,式中,图5.3-11可变时延法调相,脉冲调相电路是一种对脉冲波进行可控时延的调相电路。其组成方框原理图如图5.3-12所示。,图5.3-12 脉冲调相电路组成方框原理图,在调制信号电压等于零时，对应各点的波形如图5.3-13所示。,图5.3-13 时对应各点

16、的波形,当加入调制信号后，因门限电压和 不变，故脉冲产生器的输出脉冲相对于 时的输出脉冲产生可变延时，如图5.3-14所示。,图5.3-14 时对应各点的波形,3量合成法调相,设调制信号为，则相应的调相波的数学表示式为,可见，调相波可以由两个信号进行矢量合成而成。前一项是载波振荡信号；第二项是载波被抑制的双边带调幅波，它与载波信号的高频相位相差。图5.3-15所示的方框图就是根据上面的实现的调相。,图5.3-15 矢量合成法调相,5.4调角信号的解调鉴相器,鉴相电路通常可分为模拟电路型和数字电路型两大类。而在集成电路系统中，常用的电路有乘积型鉴相和门电路鉴相。鉴相器除了用于解调调相波外，还可构

17、成移相鉴频电路。特别是在锁相环路中作为主要组成部分得到了广泛的应用。,1积型鉴相电路 这种鉴相电路采用模拟乘法器作为非线性器件进行频率变换，然后通过低通滤波器取出原调制信号。其方框原理图如图5.4-1所示。,图中u1是需解调的调相波，u2是由u1变化来的或是系统本身产生的与u1有确定关系的参考信号。设u1、u2为正交关系，即,图5.4-1乘积型鉴相电路,(1)u1 和 u2 均为小信号,根据模拟乘法器特性，其输出电流为,=,式中第二项高频成分经低通滤波器滤除，在负载RL上可得输出电压为,图5.4-2所示，为鉴相器的鉴相特性曲线，这是一个周期性的正弦曲线。,图5.4-2 小信号乘积型鉴相鉴相特性

18、曲线,从鉴相特性曲线可以看出鉴相器的两个主要指标：1鉴相跨导，其定义为,2线性鉴相范围，它表示不失真解调所允许输入信号 的最大相位变化范围，用 表示。,对于正弦形鉴相特性来说，可认为 时，鉴相特性近于直线，即,(2)u1为小信号 u2 均为大信号,当u2的振幅大于100mV时，此时可认为是大信号状态。设,在u1为小信号 u2 均为大信号条件下,乘法器的输出电流可表示为：,经分析推导,得,经低通滤波器取出输出电流的低频分量，在负载RL上得到输出电压为,乘积型鉴相器的一个输入为大信号时，鉴相特性曲线仍是正弦形，只是相跨导为,(3)u1和 u2 均为大信号,当u2的振幅大于100mV时，此时可认为是

19、大信号状态。乘法器的输出电流i可表示为,经低通滤波器取出低频分量，在负载上建立电压为,=,两个输入信号均为大信号时，其鉴相特性为区间，鉴相特性是线性的。线性鉴相范围为 比正弦形鉴相特性的线性鉴相范围大。而鉴相跨导为,以上分析表明，乘积型鉴相器应尽量采用大信号工作状态，这样可获得较宽的线性鉴相范围。,2门电路鉴相器,门电路鉴相器的电路简单，线性鉴相范围大、易于集成化，得到较为广泛的应用。常用的有或门鉴相器和异或门鉴相器。,图5.4-4(a)是一个异或门鉴相器的原理图。它是由异或门电路和低通滤波器组成。,图5.4-4 异或门鉴相器及波形,从图中可以看出，异或门鉴相器的输出 与 的关系为三角形曲线，

20、并可表示为,其鉴相跨导为,鉴频器,实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类：第一类是调频-调幅调频变换型。第二类是相移乘法鉴频型。第三类是脉冲均值型。,1双失谐回路鉴频器,图5.4-5是双失谐回路鉴频器的原理图。它是由三个调谐回路组成的调频调幅调频变换电路和上下对称的两个振幅检波器组成。初级回路谐振于调频信号的中心频率，其通带较宽。次级两个回路的谐振频率分别为、，并使二者成对称失谐。即。,图5.4-6左边是双失谐回路鉴频器的幅频特性，其中实线表示第一个回路的幅频特性，虚线表示第二个回路的幅频特性，这两个幅频特性对于 是对称的。当输入调频信号的频率为 时，两个次级回路输出电压幅度相等，经检波后输出电

21、压，故 0。,图5.4-6 双失谐回路鉴频器的特性,图5.4-7是某微波通信机采用的双失谐回路鉴频器的实际电路，它的谐振频率是35MHz比和40MHz。调频信号经两个共基放大器分别加到上、下两个回路上而两个回路的连接点与检波电容一起接地。这与前面电路不同。由于接地点改变，输出电压改从检波器电阻中间取出，它是由检波电流I1和I2决定的。因为检波二极管D1和D2的方向是相反的，所以队决定于两个检波电流之差。,图5.4-7 双失谐回路鉴频器的实际电路,2相位鉴频器 相位鉴频器是利用双耦合回路的相位频率特性将调频波变成调幅调频波，通过振幅检波器实现鉴频的一种鉴频器。它常用于频偏在几百kHz以下的调频无

22、线接收设备中。常用的相位鉴频器根据其耦合方式可分为互感耦合和电容耦合两种鉴频器。,(1)相位鉴频器的工作原理,图5.4-8所示电路是互感耦合相位鉴频器的基本电路。它是由调频调幅调频变换电路和振幅检波器两部分组成。调频-调幅调频变换电路是由双耦合回路组成，其初级 和次级 都调谐于输入调频波的中心频率。,为了实现调频-调幅调频变换，初级与次级之间采用了两种耦合方式，一是互感M的耦合，另一是通过电容 将 耦合到高频扼流圈ZL上。,图5.4-8 互感耦合相位鉴频器,(2)相位鉴频器的鉴频特性的定性分析,为了分析的简化，先假设相位鉴频器的初级回路的品质因数较高，初、次级回路的互感耦合比较弱。这样在估算初

23、级回路电流时，就不必考虑初级本身的损耗电阻和从次级引入到初级的损耗电阻。于是可以近似地得到图5.4-9所示的等效电路。,图5.4-9 相位鉴频器等效电路,当输入信号频率 时，,此式表明，次级回路电压 比初级回路电压,滞后,则电压矢量图如图5.4-10（a）所示。,图5.4-10 电压矢量合成图,当输入信号频率 时，0,此式表明，次级回路电压 比初级回路电压,滞后,对应的矢量图如图5.4-10（b）所示。,当输入信号频率 时，0,此式表明，次级回路电压 比初级回路电压,滞后,对应的矢量图如图5.4-10（c）所示。,由上分析可得鉴频器输出电压 与频率 f 的关系曲线如图5.4-11所示。,(3)

24、相位鉴频器的鉴频特性 对于实际电路，前面定性分析中的两点假设是不完全符合实际的，因而应该考虑回路损耗和耦合强弱的影响。设初、次级回路的谐振频率都为，且品质因数 和谐振电阻 都相同，一般来说，初级回路是接在晶体管的集电极电路中，可用图5.4-12所示等效电路表示。,鉴频器的输出电压,显然，鉴频特性在、I、一 定时，取决于鉴频特性可用一组通用的曲线族表示，图5.4-13是 曲线的一半，即 0的一半。,图5.4-13不同耦合因数对应的鉴领特性曲线,3比例鉴频器 相位鉴频器的输出电压除了与输入电压的瞬时频率有关外，还与输入电压的振幅有关。而在实际工作中，调频信号通过传输很难保证是理想的等幅波，特别是寄

25、生调幅的干扰分量必须尽可能去掉或减小。因而在相位鉴频器前通常是需加一级限幅放大，以消除寄生调幅。对于要求不太高的设备，例如调频广播和电视接收中，常采用一种兼有抑制寄生调幅能力的鉴频器，这就是比例鉴频器。,(1)比例鉴频器的基本电路及工作原理 比例鉴频器的基本电路如图5.4-14所示。它与相位鉴频器在调频分相同，但检波器部分有较大变化，主要差别是,在ab两端并接一个大电容量Co，其电容量约为10F，由于Co和(R+R)组成电路的时间常数很大，通常约为(0.10.2)秒左右，这样在检波过程中，对于15Hz以上的寄生调幅变化，电容Co上的电压Udc基本保持不变。,两个二极管中一个与相位鉴频器接法方向

26、相反。这样除了保证两个二极管的直流通路外，还使得两个检波器的输出电压变成极性相同。因此，ab两端就是两个检波电压之和，即,把两个检波电容C3和C4的连接点d与两个电阻连接点e分开，鉴频器的输出电压uO从d,e两点取出。,鉴频器的输出电压uO为,(2)比例鉴频器抑制寄生调幅的原理比例鉴频器的输出电压为,因为Udc不变，所以uO的大不取决于 与 比值，而不取决于它本身的大小。与相位鉴频器分析一样，在调频信号的瞬时频率变化时，与 一个增大，一个减小，其比值随频率变化而变化，这就实现了鉴频作用。但是，当输入调频信号的幅度发生变化时，与 同时增大或同时减小，但其比值可保持不变，这样比例鉴频器输出电压就不

27、随输入调频信号的振幅变化而变化，起到抑制寄生调幅作用。,4相移乘法鉴频器 图5.4-15是相移乘法鉴频器的方框原理图。它是由进行调频一调相调频波形变换的移相器、实现相位比较的乘法器和低通滤波器组成。目前广泛采用谐振回路作为移相器。图5.4-16(a)所示是一个由电容C1和单调谐回路LC2R只组成的分压传输移相网络。其特性曲线如图5.4-16(b)所示。,图5.4-16 移相网络及其特性,5脉冲均值型鉴频器（脉冲计数式鉴频器）,把原始调频信号转换成了重复频率与调频信号的瞬时频率相同的单向矩形脉冲序列。这时单位时间内矩形脉冲的数目就反映了调频波的瞬时频率，该脉冲序列振幅的平均值能直接反映单位时间内矩形脉冲的数目。脉冲个数越多，平均分量越大，脉冲个数越少，平均分量越小。因此实际应用时，不需要对脉冲直接计数，而只需用一个低通滤波器取出这一反映单位时间内脉冲个数的平均分量，就能实现鉴频。,设调频信号通过变换电路得到一个矩形脉冲序列，并让这一脉冲序列通过传输系数为 的低通滤波器进行滤波，则滤波后的输出电压 可写成,式中 是脉冲宽度；是脉冲振幅；是低通滤波器的传输系数；是重复频率，也就是调频信号的瞬时频率 T 是重复周期。,滤波后输出电压与调制信号的瞬时频率 成正比。脉冲计数式鉴频器的优点是线性好，频带宽，易于集成化。一般能工作在10MHz左右，是一种应用较广泛的鉴频器。,