高频第5章角度调制与解调.ppt

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1、第五章：角度调制与解调,内容提要,内容提要,用调制信号去控制高频振荡的频率或相位，使之随调制信号的变化规律而变化，这一过程称做调频或调相，统称调角,调角的逆过程称频率解调或相位解调，也称频率检波或相位检波。频率检波也称鉴频，相位检波也称鉴相,由于调频方式具有诸多的优点，因而在通信、测量及电子技术的许多领域中，角度调制和解调技术得到广泛应用,瞬时频率和附加相位(一),第一节：角度调制的基本概念,一个高频振荡被低频调制信号调频时，其频率随时间而变化，从而必须引入瞬时频率的概念,一个高频振荡无论其是否被低频调制信号调相，其相位总是变化的。被调相时，增添了一个附加相移，附加相移的大小取决于调制信号的幅

2、度,设载波信号为：,全相角为：,线性调频后的瞬时角频率：,载波频率,调频灵敏度,调制信号,瞬时频率和附加相位(二),第一节：角度调制的基本概念,设载波信号为：,全相角为：,线性调相后的瞬时全相位：,调相灵敏度,调相波的附加相位,左图中，设：,若调制信号是连续函数，则附加相位 和全相位 均为连续函数,调频与调相的数学表达式,第一节：角度调制的基本概念,设载波信号为：,全相角为：,线性调频后的瞬时角频率：,线性调相后的表达式：,间接调频：先将调制信号做积分处理，然后再用处理后的调制信号进行调相，则所得信号对原调制信号为调频波,数学表达式与基本性质(一),第二节：调角信号的分析,设调制信号为，则有：

3、,：调频波的最大频偏,：调频波的调频系数，其物理意义是调频波的最大附加相移,：调相波的最大频偏,：调相系数,数学表达式与基本性质(二),第二节：调角信号的分析,调频波：,调相波：,故有：,需要注意的是调频波的频偏与调制信号振幅成正比，调相波的调制系数与调制信号的幅度成正比，如下图所示：,频谱和频带宽度(一),第二节：调角信号的分析,从数学的角度来看，调频与调相的函数表达式没有本质区别，故可统一表示为：,分析可知，在单一正弦低频信号调制的情况下，调频波可以用角频率为 的载频分量和角频率为 的无限多对上、下边频分量制和来代表,这些边频分量与载频分量之间的角频率差为,第 个边频分量的振幅为，可由贝塞

4、尔函数表求出,频谱和频带宽度(二),第二节：调角信号的分析,随着 值的增加近似周期性变化，且峰值下降,的性质：,对于某一固定 值，有近似关系：,故调频波的频谱中，除了载波频率之外还包含无穷多个旁频分量。且 越大，超出相对原载波幅度一定相对值的旁频分量对数越多,频谱和频带宽度(三),第二节：调角信号的分析,故载波被调角后，总功率不变，因为仍是幅度等于未调情况下的等幅波,调角后总功率在载波及各变频之间重新分配。离开载频时，边频的大小虽有起伏，但随着离载频变远，其总趋势是减小的,由于调频波的功率集中分配在载频和 对变频，舍去 的近频对调频波的影响不大。因此可定义调频波的频带宽度，或称占据频带：,实现

5、调频的基本原理和方法,第三节：实现调频的基本原理和方法,直接调频：用调制信号电压直接去控制自激振荡器的振荡频率,其原理是用调制信号电压去改变振荡器的定频元件,这种振荡器也被叫做压控振荡器,间接调频：利用频率与相位之间的微分与积分关系，首先将调制信号进行积分处理，然后将经过处理的调制信号对高频振荡进行调相,频率稳定性较差，但方法较简单,载频的稳定性高，但不易获得大的频偏,两种调频方式中，受控电抗或电阻可以是压敏元件或有源元件,对调频器的主要要求,第三节：实现调频的基本原理和方法,频率偏移大，且与调制信号保持线性关系,寄生调幅小,调制灵敏度高等,其中最大频率偏移与调制线性通常称为调频器的主要矛盾，

6、在分析、研究和调测调频器时主要精力也常常花在解决这一对主要矛盾上,变容二极管调频器(一),第四节：直接调频电路,电路及工作原理(一),为变容二极管,组成低通滤波器,振荡管本身由正、负两组直流电源供电,由高频等效电路可以看出这是一个电感三点式振荡电路，从而可求出其振荡频率,调频器中的 必须非常稳定，以保证调频器中心频率的精确度和稳定性,对于调制信号，线圈 可视为短路,变容二极管调频器(二),第四节：直接调频电路,电路及工作原理(二),由(a)-(c)图可以看出，C-u和f-C的非线性关系起着相互抵消作用，即使得f-u的关系趋于线性,可得出变容二极管在低频简谐波调制信号作用情况下，电容和振荡频率的

7、变化示意图,变容二极管调频器(三),第四节：直接调频电路,变容二极管调频器获得线性调制的条件,以变容二极管组成谐振回路的LC振荡器的振荡频率为：,但在实际电路中，还应考虑到与变容二极管串联或并联的其它电容以及由此而得的谐振回路总电容,推导可得，为了获得线性调制，谐振回路总电容随控制电压而变化的参数变容指数应等于2，而变容二极管的变容指数必须大于2,变容二极管调频器(四),第四节：直接调频电路,调制灵敏度,调制灵敏度 定义为单位调制电压所产生的频偏,分析可得：,其中B为一与器件结构及变容二极管电容和与之相串、并联的固定电容容量有关的参数,变容二极管调频器(五),第四节：直接调频电路,实际电路介绍

8、,晶体振荡器调频器：原理,变容二极管调频的主要优点是可以获得较大的频偏，但中心频率的稳定性较差,第四节：直接调频电路,稳定中心频率常采用的方法有：,对晶体振荡器进行直接调频,采用自动频率控制电路,利用锁相环稳频,石英晶体振荡器调频的基本原理是将变容二极管和石英晶体接在一起，改变其等效电抗。此时变容二极管必须和石英晶体作为一个整体取代三点式LC振荡电路中的电感元件,这种调频方式所能得到的频偏是很小的，一般小于晶体的,晶体振荡器调频器：实例,第四节：直接调频电路,为语音放大器,为调频振荡器,振荡电路为电容三点式,综述,第五节：间接调频电路,间接调频是将调制信号先做积分处理，再用处理后的调制信号对载

9、波进行调相，方框图如下所示：,本节其余内容限于介绍调相电路,可变移相法调相电路(一),第五节：间接调频电路,为负载谐振回路,为高频扼流圈,为隔直流电容,由电阻 组成的分压器从 分取一个电压加到 的负极，使其工作于反偏,为高频扼流圈,可变移相法调相电路(二),第五节：间接调频电路,时，回路调谐于谐振频率,推导可得：,故欲得到线性调频，必须满足：,变容二极管容量变化时，回路总等效电容变化量应与调制电压 呈线性关系,为增大频偏，可以采用多级单谐振回路构成的变容管移相电路，此时总相移为各级相移之和,可变延时法调相电路(一),第五节：间接调频电路,使时延 受经积分处理后的调制电压 控制，当时延与 之间呈

10、线性关系时，便可得到线性调频,首先将输入载波信号变换为窄脉冲序列,锯齿波发生器为他激式，产生相应锯齿波,将锯齿波电压和可控电压叠加后加到门限检测电路上,当叠加后的电压瞬时值等于门限电压时，门限检测电路产生电压跳变去触发脉冲发生器，产生相应脉冲,可变时延法调相电路(二),第五节：间接调频电路,时，锯齿波中点电压和直流电压 之和，刚好等于门限电压。从而在 的控制下，脉冲的相位发生变化。将这一调相脉冲通过滤波器，取出其基波或某一次谐波，就可得到相移受调制信号控制的正弦调制波,其中 为谐波次数,该方法的相移大，且线性较好,扩展线性频偏的方法：直接调频,第六节：扩展线性频偏的方法,对直接调频电路，调制的

11、非线性随相对频偏(而不是绝对频偏)的增大而增大,若在较高的载频制成调频器，而在相对频偏一定的条件下，就可以获得较大的绝对频偏值,若要求绝对频偏值一定，又要求载频较低时，可以采用如下的框图实现,扩展线性频偏的方法：间接调频,第六节：扩展线性频偏的方法,采用间接调频时，受到非线性限制的不是相对频偏，也不是绝对频偏，而是最大相移，即调相系数,此时不能通过在较高的载频实现调频以扩展线性频偏，可以先在较低的载频实现调频，再通过倍频和混频的方法以得到所需的载频和最大线性频偏,频率解调的基本原理和方法,第七节：频率解调的基本原理和方法,调频-调幅变换法,调频-调相变换法,脉冲计数法,利用锁相环电路进行鉴频,

12、本章介绍前三种方法，第四种方法将在下一章介绍,单失谐回路斜率鉴频器：原理(一),第八节：鉴频电路,该电路利用LC谐振回路的谐振特性对调频波进行调频-调幅变换，变换特性取决于谐振特性曲线的斜率，故称斜率鉴频器,调频-调幅变换器,振幅检波器,调幅-调频变换器中谐振回路的谐振频率不是在输入信号的中心频率，而是高于或低于信号中心频率，所谓“失谐回路”就由此而得名,单失谐回路斜率鉴频器：原理(二),第八节：鉴频电路,可以看出，正是利用了谐振回路对不同频率呈现不同阻抗，从而有不同电压输出的特性，将等幅的调频波转换为幅度随频率变化的调频-调幅波,对于正、负半周对称的信号来说，的大小不影响结果。但对于不对称的

13、信号来说效果会不同,单失谐回路斜率鉴频器：原理(三),第八节：鉴频电路,需要注意的是，在利用单谐振回路的谐振特性进行调频-调幅变换时，由于谐振特性曲线两边倾斜部分不是直线，存在着非线性特性,单失谐回路斜率鉴频器：鉴频特性分析(一),第八节：鉴频电路,鉴频器的性能主要由调频-调幅变换器决定，调频-调幅变换器主要由接于晶体管集电极的谐振回路的谐振特性所决定,设并联谐振回路的阻抗为，谐振时的回路阻抗为，则分析可得：,单谐振回路的通用谐振曲线,定义鉴频灵敏度：,则推导可得：,单失谐回路斜率鉴频器：鉴频特性分析(二),第八节：鉴频电路,故鉴频灵敏度：,随输入调频波的幅度增大而增大,随器件工作点的提高而有

14、所增大,随工作频率的升高而降低,正比于右式中各分子项,将 对 求导数，可得 时，有最大鉴频灵敏度：,因此，如果将调频信号的中心频率选在 处，则在频偏不大时，可以得到较为对称的调频-调幅变换,单失谐回路斜率鉴频器：鉴频特性分析(三),第八节：鉴频电路,双失谐回路斜率鉴频器：引入原因,第八节：鉴频电路,在单失谐回路斜率鉴频器中，若想要增大鉴频器的工作频带，就要使左图所示谐振曲线上的工作点位置向左下方移动，但会引起失真增大，使输出信号成为正半周大而负半周小的波形,故类似于放大器发展至推挽电路，可以引入双失谐回路斜率鉴频器,双失谐回路斜率鉴频器：原理(一),第八节：鉴频电路,双失谐回路斜率鉴频器由两个

15、单失谐回路斜率鉴频器连接而成,设上下两组谐振回路分别调谐于 并对称处于调频波的载频两边，且：,双失谐回路斜率鉴频器：原理(二),第八节：鉴频电路,注意：只有从A，B两点间取出鉴频电压才是失真较小的对称波形。单独任一点对地的波形都是失真比较大的不对称波形,集成电路中应用的斜率鉴频器,第八节：鉴频电路,为外接的实现调频-调幅变换的网络,为射随,的发射结起检波二极管的作用，为检波负载电容,为双端输入，单端输出的差动放大器,由 构成谐振角频率，由 构成谐振角频率,相位检波型相位鉴频器(一),第八节：鉴频电路,综述,相位检波型相位鉴频器由调频-调相变换电路和相位检波器构成，方框图如下所示,在实际电路中，

16、调频-调相变换电路是一个由电感、电容组成的谐振回路,相位检波器可以是模拟相乘器或是异或门,相位检波型相位鉴频器(二),第八节：鉴频电路,调频-调相变换网络,推导可得：,若调频器中心频率等于移相电路的谐振频率时；若偏离中心工作频率时，移相电路输出电压的相位将在 前后摆动,注意：只有在失谐不大时，才有线性鉴频特性,可通过降低Q值来增大线性鉴频特性的频偏值,相位检波型相位鉴频器(三),第八节：鉴频电路,相位检波器(鉴相器)(一),由模拟相乘器加低通滤波器构成,根据模拟相乘器输入波形不同，相位检波器的线性(指输出电压大小和两个输入电压之间相位差的关系)范围也不同,设两个输入为：,则乘法器的输出为：,经

17、低通滤波器滤出高频分量后：,故在 附近，和 有近似线性关系,相位检波型相位鉴频器(四),第八节：鉴频电路,相位检波器(鉴相器)(二),当两个输入为方波时：,最终输出为：,故在频率-相位变换网络有足够线性工作范围的情况下，采用方波输入的相乘型鉴相器可以得到比正弦波输入的相乘型鉴相器更宽的线性工作频宽,相位检波型相位鉴频器(五),第八节：鉴频电路,相位检波器(鉴相器)(三),图(a)为调频-调相变换特性曲线,曲线1为相乘器工作于正弦波输入情况,图(b)为整个鉴频器的鉴频特性曲线,曲线2为相乘器工作于方波输入情况,故在调频-调相网络相同，且线性工作频宽主要受相位检波器的鉴相特性限制的条件下，相乘器工

18、作于方波输入情况时有较宽的线性工作频宽,脉冲计数式鉴频器(一),第八节：鉴频电路,延时法形成脉冲式电路(一),低通滤波器的截止频率应高于解调信号的最高工作频率，而低于调频波的最低瞬时频率,脉冲计数式鉴频器(二),延时法形成脉冲式电路(二),第八节：鉴频电路,当在一定范围内加大延时时间时，可以提高鉴频灵敏度,鉴频器容许的调频波最高瞬时频率：,脉冲计数式鉴频器(三),第八节：鉴频电路,单稳态触发器形成脉冲式电路,当在一定范围内加大 时，可以提高鉴频灵敏度,调频波的瞬时工作频率应满足,方能获得线性鉴频特性,和鉴频器配合使用的限幅器,第八节：鉴频电路,引入原因：一个理想的鉴频器，应该只对输入信号的频率

19、变化敏感，而对输入信号的幅度变化不敏感。然而实际的鉴频器往往很难达到这种理想情况,由于信道频率特性不理想以及叠加干扰的原因，在发送端的理想等幅波在接收后会变成不是等幅波，从而解调信号会出现非线性失真和噪声,为了减小这一不良影响，可以在鉴频之前对信号先做限幅处理,可利用差动放大器的优良特性,移频键控信号的产生,第九节：数字信号的角度调制与解调,数字信号的角度调制也分为频率调制和相位调制。由于数字信号的变化是不连续的，故相应的调频称作移频键控(FSK)，相应的调相称作相位键控(PSK),移频键控信号产生的方法有两种：,数字信号直接调频法和模拟信号直接调频法基本相同。所产生的FSK信号相位是连续的,

20、独立振荡器法采用两个相互独立的振荡器，其振荡频率不同，用数字信号去控制一个电子开关，分别接通两个振荡器的输出。产生的FSK信号相位不连续,移频键控信号的解调：同步解调,第九节：数字信号的角度调制与解调,在 和 两个频率之间变换,两个带通滤波器将输入信号中的相应频率分开，并分别与两个本机振荡信号相乘,模拟相乘器的输出经低通滤波后送至比较器。若输入信号为，则；反之则有。比较器根据输入的相应大小输出1或0,移频键控信号的解调：包络解调,第九节：数字信号的角度调制与解调,输入移频信号经输入端并联，中心工作频率分别为 和 的窄带带通滤波器，其输出分别加到两个包络检波器上,当输入频率为 时，有；反之则有,

21、比较判别器根据 和 的大小输出1或0,移频键控信号的解调：过零检测法解调,第九节：数字信号的角度调制与解调,该方法类似于模拟调频信号的脉冲计数式鉴频器，但上图中微分器的输出接有全波整流器。此时低通滤波器的输出电压增大一倍，但工作频率上限减小一半,移相键控信号的产生(一),第九节：数字信号的角度调制与解调,绝对调相：以未调载波的相位作为基准的调制,在两相调制中，设码元取“1”时已调载波的相位与未调载波的相位相同，取“0”时则相反,两相绝对调制相当于双边带调幅。因此用以产生双边带调幅的方法都可以用来产生两相绝对调相信号,移相键控信号的产生(二),第九节：数字信号的角度调制与解调,相对调相：各码元的

22、载波相位不是以未调载波为基准，而是以相邻的前一码元的载波相位为基准来确定,获得两相相对调相信号的常用办法是先经码变换器将输入的二进制码变换为相对码，再用这个相对码作为调制信号进行双边带调幅，从而得到两相相对调相信号,两相调相信号的解调(一),第九节：数字信号的角度调制与解调,由于两相调相信号相当于一个双边带调幅信号，故模拟双边带信号的解调方法可用来解调数字两相调相信号,常用的是同步解调法，或称相干解调法,可以采用下图所示的方法恢复载波,分频所得信号的初相位不固定，从而会给绝对调相的解调带来困难，而相对解调可在解调后用相应的码变换器来消除影响,两相调相信号的解调(二),第九节：数字信号的角度调制与解调,差动相干解调：由于相对调相是用相邻的前一个码元的载波相位作为基准的，因此可以利用前一个码元的载波作为本码元的相干信号,