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1、1,概述 角度調(diào)制原理及特性 調(diào)頻電路 調(diào)相電路 調(diào)角信號的解調(diào),2,6.1 概 述,高頻振蕩的振幅不變，而瞬時相位隨調(diào)制信號按一定關(guān)系變化。 （簡稱調(diào)角）,一、角度調(diào)制的定義與分類,定義：,相位調(diào)制（簡稱調(diào)相）：,高頻振蕩的振幅不變，而其瞬時角頻率隨調(diào)制信號 線性關(guān)系變化。 FM,頻率調(diào)制（簡稱調(diào)頻）：,高頻振蕩的振幅不變，而其瞬時相位隨調(diào)制信號 線性關(guān)系變化。 PM,二、角度調(diào)制的優(yōu)點與用途,優(yōu)點：,抗干擾能力強、,載波功率利用率高,用途：,FM：,調(diào)頻廣播、廣播電視、通信及遙控遙測等,PM：,數(shù)字通信等,分類：,3,6.2 角度調(diào)制原理及特性,6.2.1 瞬時角頻率與瞬時相位,當進行角度

2、調(diào)制（FM或PM）后 ,其已調(diào)波的角頻率將是時間的函數(shù)即(t)，可用旋轉(zhuǎn)矢量表示。,t= t,t =0,設(shè)高頻載波信號為 ：,設(shè)旋轉(zhuǎn)矢量的長度為 ，且當t =0時，初相位為 ，t =t 時，矢量與實軸之間的瞬時相位為 。,而該矢量在實軸上的投影：,顯然有：,4,6.2.2 調(diào)角信號的時域特性,一、調(diào)頻信號,載波信號：,調(diào)制信號：,瞬時角頻率：,(t) = c+ kf u(t),rad / sV,= c + (t),瞬時相位：,相移,則FM信號為,角頻移,5,u(t) = U m cos t,(t) = c+ kf U m cos t,= c+ fm cos t,調(diào)頻指數(shù)（最大相移）,最大角頻移

3、,單頻調(diào)制時,則,6,u(t) = U m cos t,調(diào)制信號,瞬時角頻率,調(diào)頻波,相移,特點：,調(diào)制信號電平最高處對應的瞬時正頻移最大，波形最密集；調(diào)制信號電平最低處對應的瞬時負頻移最大，波形最稀疏。,波形（等幅疏密波）：,7,二、調(diào)相信號,載波信號：,調(diào)制信號：,故調(diào)相信號為,rad / V,瞬時相位：,相移,瞬時角頻率：,角頻移,8,調(diào)相指數(shù)（最大相移）,最大角頻移,在振幅調(diào)制中，調(diào)幅指數(shù)ma1，否則會產(chǎn)生過調(diào)幅失真。而在角度調(diào)制中，無論是調(diào)頻還是調(diào)相，調(diào)制指數(shù)均可大于1。,需要說明：,9,u(t) = U m cos t,調(diào)制信號,瞬時角頻率,調(diào)相波,相移,波形（等幅疏密波）：,特點

4、：,調(diào)制信號電平變化率（斜率）最大處對應的瞬時正頻移最大，波形最密集；調(diào)制信號電平變化率最小處對應的瞬時負頻移最大，波形最稀疏。,10,三、調(diào)頻信號與調(diào)相信號的比較,調(diào)制信號u(t) = U m cos t,載波信號 uc(t) = Ucm cos c t,調(diào) 頻,調(diào)相,瞬時角頻率 (t),= c+ kf u(t) = c+ fm cos t,= c pm sin t,瞬時相位,=ct + kp u(t),= ct + mpcos t,最大角頻移,= kf U m= mf ,=kpU m = mp ,最大相移,mp = kpU m,fm,pm,表達式,11,調(diào)頻信號與調(diào)相信號的相同之處在于:,

5、(1) 二者都是等幅信號。,(2) 二者的頻率和相位都隨調(diào)制信號而變化, 均產(chǎn)生頻移與相移，成為疏密波形。正頻移最大處，即瞬時頻率最高處，波形最密；負頻移動最大處，即瞬時頻率最低處，波形最疏。,調(diào)頻信號與調(diào)相信號的區(qū)別在于:,(1) 二者的頻率和相位隨調(diào)制信號變化的規(guī)律不一樣，但由于瞬時頻率與瞬時相位是微積分關(guān)系，故二者是有緊密聯(lián)系的。,(3) 二者的最大角頻移m均等于調(diào)制指數(shù)m與調(diào)制信號頻率的乘積。,12,(2) 調(diào)頻信號的調(diào)頻指數(shù)mf與調(diào)制信號頻率 有關(guān)（成反比）, 最大角頻移fm與調(diào)制信號頻率無關(guān)；而調(diào)相信號的最大角頻移pm與調(diào)制信號頻率 有關(guān)（成正比）,調(diào)相指數(shù)mp與調(diào)制信號頻率無關(guān)。

6、,(3) 從理論上講，調(diào)頻信號的最大角頻移fmc，由于載頻c很高，故fm可以很大，即調(diào)制范圍很大。由于相位以2為周期，因此調(diào)相信號的最大相移（調(diào)相指數(shù)）mp，故調(diào)制范圍很小。,eg: 將調(diào)制信號先微分，然后再對載波調(diào)頻，則得調(diào)相信號；,將調(diào)制信號先積分，再對載波進行調(diào)相，則得調(diào)頻信號。,13,例1,已知,u(t) = 5 cos (2 103 t)V ，,調(diào)角信號表達式為,uo(t) =10 cos (2 106 t ) +10cos (2 103 t)V,試判斷該調(diào)角信號是調(diào)頻信號還是調(diào)相信號，并求調(diào)制指數(shù)、最大頻移、載波頻率和載波振幅。,解,=2 106 t + 10cos (2 103

7、t),調(diào)相指數(shù) mp = 10 rad,載波頻率 fc = 106 (Hz), fpm = mpF,最大頻移,載波振幅 Ucm = 10V,= 10 103 = 10 kHz,相移 正比于調(diào)制信號，故為調(diào)相信號。,14,例2,一組頻率為300 3000Hz的余弦調(diào)制信號，振幅相同，調(diào)頻時最大頻移為 75 kHz，調(diào)相時最大相移為 2 rad，試求調(diào)制信號頻率范圍內(nèi)：(1) 調(diào)頻時mf 的變化范圍;(2) 調(diào)相時 fpm的范圍;,解,(1) 調(diào)頻時， ffm與調(diào)制信號頻率無關(guān)，恒為75 kHz 。,故,(2) 調(diào)相時， mP 與調(diào)制信號頻率無關(guān)，恒為2 rad 。,故,15,6.2.3 調(diào)角信號

8、的頻譜與帶寬,一、調(diào)角信號的頻譜,FM信號和PM信號的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下面僅討論調(diào)頻波的頻譜。,設(shè)調(diào)制信號 ，,載波信號 ，則,根據(jù)貝塞爾函數(shù)理論有：,Jn(mf) 稱為以mf為參數(shù)的n階第一類貝塞爾函數(shù),16,可得,載頻,第一對邊頻,第二對邊頻,第三對邊頻,第四對邊頻,17,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13,m,Jn(m),Jn(m) 隨m、n 變化的規(guī)律,1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 00.2 0.4,n=0,n=1,n=2,n=3,n增大時，總趨勢使邊頻分量振幅減小。 m越大，具有較大振幅的邊頻分量就越多；且有些邊頻分量振幅超過載頻分量振幅。當m為某些值

9、時，載頻分量可能為零，m為其它某些值時，某些邊頻分量振幅可能為零。,18,（3）載頻分量和各邊頻分量的振幅均隨Jn (m) 而變化 。,調(diào)角信號頻譜特點：,（1）調(diào)角信號的頻譜是由載頻 和無數(shù)對上、下邊頻分量 組成，它不是調(diào)制信號頻譜的線性搬移。,（2）奇數(shù)項的上、下邊頻分量的振幅相等，極性相反；偶數(shù)項的上、下兩邊頻分量的振幅相等，極性都相同。,19,二、調(diào)角信號的功率,第一類Bessel function的性質(zhì)：,（1）,，即,（2）對于任何mf值，均有,20,（1）因為調(diào)角波是等幅波，所以它的總功率為常數(shù)，不隨調(diào)制指數(shù)mf的變化而變化，并且等于未調(diào)制前的載波功率。,討論：,（4）調(diào)制后盡管

10、部分功率由載頻向邊頻轉(zhuǎn)換，但大部分能量還是集中在載頻附近的若干個邊頻之中。,（2）調(diào)制后，已調(diào)波出現(xiàn)許多頻率分量，這個總功率就分配到各個分量。隨m的不同，各頻率分量之間功率分配數(shù)值不同。,（3）調(diào)制過程不需要外界供給邊頻功率，只是高頻信號本身載頻功率與邊頻功率的重新分配。,21,三、調(diào)角信號的帶寬,實際上可以把調(diào)角信號認為是有限帶寬的信號，這取決于實際應用中允許解調(diào)后信號的失真程度。,理論上：頻帶無限寬,凡是振幅小于未調(diào)載波振幅的10%的邊頻分量可以忽略不計。即,常用的工程準則：,BW = 2 (m + 1) F= 2F + 2 f m,由 Bessel function 可得調(diào)角信號的有效帶

11、寬為,22,當 m 1時，,BW 2 m F,= 2 fm,，稱為寬帶調(diào)角信號。,當 m 1時，,BW 2 F,，其值近似為調(diào)制信號頻率的兩倍，相當于調(diào)幅波的帶寬。,這時，調(diào)角信號的頻譜由載波分量和一對幅值相同，極性相反的上、下邊頻分量組成，稱窄帶調(diào)角信號。,討論：,（2）作為調(diào)相波時，由于 mp = kpUm與F無關(guān)?？梢?，BWPM=2(mp+1)F，在Um 不變條件下，BWPM 與 F 成正比的增加。,（1）作為調(diào)頻信號時， 與F成反比?？梢姡珺WFM=2(mf+1)F，在Um不變條件下，增大F，BWFM 變化不大。,23,BW = 2 (m + 1) Fmax,當 m 1時，,BW 2

12、Fmax,當 m 1時，,BW 2 m F,= 2 fm,其中， fm=mFmax,PM信號的有效帶寬與調(diào)制信號的頻率成正比。如果按最高調(diào)制頻率設(shè)計信道，則在調(diào)制頻率低時有很大余量，系統(tǒng)頻帶利用不充分，因此在模擬通信系統(tǒng)中，調(diào)頻比調(diào)相應用更廣。,對有限頻帶的調(diào)制信號，即F= FminFmax，則調(diào)角信號的帶寬為,24,四、調(diào)角信號與調(diào)幅信號的比較,調(diào)角信號比之調(diào)幅信號的優(yōu)缺點：,調(diào)角信號功率等于未調(diào)制時的載波功率，與調(diào)制指數(shù)m無關(guān)，因此不論m為多大，發(fā)射機末級均可工作在最大功率狀態(tài)，從而可提高發(fā)送設(shè)備的功率利用率。,故角度調(diào)制不宜在信道擁擠、且頻率范圍不寬的短波波段使用，而適合在頻率范圍很寬的

13、超高頻或微波波段使用。,優(yōu)點：,（1）抗干擾能力強,（2）功率利用率高,因為調(diào)角信號為等幅信號，其幅度不攜帶信息，故可采用限幅電路消除干擾所引起的寄生調(diào)幅。,缺點：,有效帶寬比調(diào)幅信號大得多，且有效帶寬與m相關(guān)。,25,1. 直接調(diào)頻,用調(diào)制信號直接控制載波振蕩器頻率，使其與調(diào)制信號成正比。,調(diào)頻輸出,直接調(diào)頻法優(yōu)點：頻偏較大缺點：中心頻率易不穩(wěn)定,6.3.1 調(diào)頻電路的實現(xiàn)方法與主要性能要求,一、調(diào)頻方法,直接調(diào)頻,間接調(diào)頻,可控的電容元件：變?nèi)荻O管、電抗管可控的電感元件：電抗管、具有鐵氧體 磁芯的電感線圈,6.3 調(diào)頻電路,26,2. 間接調(diào)頻,載波振蕩器,Ucmcosct,u(t),積

14、分器,調(diào)相器,（先對調(diào)制信號積分，后對載波進行調(diào)相）,間接調(diào)頻法不在振蕩器中進行，故優(yōu)點：中心頻率較穩(wěn)定缺點：不易獲得大頻偏,27,二、調(diào)頻電路的主要性能要求,（1）具有線性的調(diào)制特性，即,（2）調(diào)制靈敏度要高，即kf 要大,（3）載波的頻率穩(wěn)定度要高,（4）最大頻偏與調(diào)制信號頻率無關(guān),（5）無寄生調(diào)幅,28,6.3.2 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路,一、變?nèi)荻O管,特點: (1)必須工作在反向偏壓,符號:,壓控特性,或,（電壓控制可變電抗元件）,(2)結(jié)電容隨外加的反向電壓變化而變化,ur = 0 時的結(jié)電容,外加反向偏壓,PN結(jié)勢壘電壓（導通電壓）,變?nèi)葜笖?shù)取值1/36,29,二、工作原理,1.

15、電路組成,互感耦合振蕩器,變?nèi)荻O管和它的偏置電路,低頻旁路電容,加在Cj上的反向直流偏壓,30,CjQ,2.具體分析,為電容調(diào)制度,對應的結(jié)電容為CjQ,調(diào)制狀態(tài)時變?nèi)荻O管的結(jié)電容Cj,此時,31,瞬時振蕩頻率:,最大頻偏,未加調(diào)制信號時的載波頻率：,即為調(diào)頻振蕩器的中心頻率。,討論： 設(shè) =2,即實現(xiàn)線性調(diào)頻。,（1）變?nèi)荻O管作為振蕩回路的總電容,32,當m很小可忽略三次方以上的高次項，則瞬時頻率為：,可見 會導致如下影響：,1)中心頻率會產(chǎn)生偏移，其偏移量為：,2)調(diào)頻波會產(chǎn)生非線性失真, 二次諧波失真最大偏移為, 當,33,3)調(diào)頻波的最大頻偏為：,當調(diào)頻電路要求的相對頻偏較小時，

16、m值就很小，此時對 的要求就不高。,例：調(diào)頻廣播的中心頻率為 若要求最大頻偏為 ,則,可見m很小，則對應的中心頻率偏移量和非線性失真就很小，故對 的要求不高,當調(diào)頻電路要求的相對頻偏較大時，對 的要求就嚴格些。,變?nèi)荻O管直接接入振蕩回路的缺點：調(diào)頻電路的中心頻率穩(wěn)定度較差。,34,（2）變?nèi)荻O管部分接入振蕩回路,變?nèi)莨懿糠纸尤牖芈匪鶚?gòu)成的調(diào)頻電路，中心頻率的穩(wěn)定提高了，但調(diào)制靈敏度和最大頻偏都降低。,35,三、電路實例,b,c,e,(1)是電容三點式振蕩電路，通過變?nèi)荻O管的電容變化實現(xiàn)調(diào)頻。,(2)高頻扼流圖 對直流和調(diào)制信號短路，而對載頻開路。因而加在兩個變?nèi)荻O管上的反向電壓是相同的。,+Ur_,(3)本電路的特殊點是采用了兩個變?nèi)荻O管反向串聯(lián)接入振蕩回路，對高頻信號而言，使得每個變?nèi)荻O管兩端的高頻電壓減小一半，可減弱高頻電壓對變?nèi)荻O管總電容的影響。,36,例1：,37,38,在要求調(diào)頻波中心頻率穩(wěn)定度較高，而頻偏較小的場合，可以采用直接對晶體振蕩器調(diào)頻的方法。,6.3.3 晶體振蕩器直接調(diào)頻電路,1晶體振蕩器直接調(diào)頻原理,其振蕩頻率為：,在電路中，當Cj變化時，CL變