角度調制與解調高頻電子技術

1、高頻電子技術第十章 角度調制與解調§10.1概述1調頻相關概念利用高頻振蕩的頻率或相位的變化來攜帶信息調頻或調相。調頻波中，調制信號的振幅由載波頻率的變化表示；頻率則由載波頻率的變化率表示。無論是調頻還是調相，都是通過使載波的相角發(fā)生變化來攜帶信息，因此統(tǒng)稱為角度調制（調角）。角度調制的抗干擾能力很強。調頻主要應用于模擬系統(tǒng)中，如調頻廣播、廣播電視等；調相主要應用于數(shù)字系統(tǒng)中，如數(shù)字通信系統(tǒng)中的移相鍵控。本章主要以討論調頻為主。調頻波主要指標：頻譜寬度、寄生調幅、抗干擾能力2鑒頻器相關概念在接收調頻信號時，必須采用頻率檢波器（鑒頻器），鑒頻方法：(1)波形變換，將等幅調頻波變換成幅度

2、隨瞬時頻率變化的調幅波（調頻-調幅波），然后用振幅檢波器將振幅的變化檢測出來。(2)對調頻波過零點的數(shù)目進行計數(shù)脈沖計數(shù)式鑒頻器(3)利用移相器與門電路配合，通過輸出矩形脈沖的寬度和頻率來表示調頻信號，最后將矩形脈沖的電壓平均值輸出符合門鑒頻器。鑒頻器主要指標：(1)鑒頻跨導：鑒頻器的輸出電壓與輸入調頻波的瞬時頻率偏移的比值。圖（P403）圖中中間部分的斜率為跨導，它表示每單位頻偏產(chǎn)生的輸出電壓大小，鑒頻跨導顯然越大越好；(2)鑒頻靈敏度：使鑒頻器正常工作所需的輸入調幅波的幅度；(3)鑒頻器頻帶：圖（P403）中的寬度為頻帶寬度（跨導的線性區(qū)），一般要求頻帶寬度大于輸入調頻波頻偏的2倍；(4)

3、對寄生調幅的抑制能力；(5)減小能產(chǎn)生調頻波失真的各種影響，提高對電源和溫度變化的穩(wěn)定性；§10.2 調角波的性質10.2.1瞬時頻率與瞬時相位圖10.2.2(P404)設矢量長度為VM（電壓最大振幅），繞原點反時鐘方向旋轉，角速度為(t)，t= 0時初始夾角0，時間為t時，夾角為(t)，矢量在實軸的投影（正弦波的瞬時電壓）為其中瞬時相角(t)等于矢量在時間t內(nèi)轉過的角度和初始相角0的和，即上式兩端微分得即瞬時頻率等于瞬時相位對時間的變化率。10.2.2 調頻波和調相波的數(shù)學表達式一、調頻波數(shù)學表達式設調制信號V(t)，載波電壓（或電流）：注意：這里不是，因為調頻時，載波頻率隨調制信

4、號變化，因此不是固定的頻率0，而是根據(jù)調制信號的大小來確定的(t)。調頻波的載波瞬時頻率(t)隨調制信號V(t)成線性變化：其中0為載波的中心頻率，kfV(t)是瞬時頻率相對于0的偏移瞬時頻率偏移（頻率偏移或頻移），以(t)表示：(t)的最大值稱為最大頻移，或頻偏。故調頻波的瞬時相位：（設初始相位0 = 0）其中相移：（的最大值為調制指數(shù)mf）則調頻波的數(shù)學表達式：二、調相波數(shù)學表達式調相波的載波瞬時相位(t)隨調制信號V(t)成線性變化：其中0t為載波未調相時的相位，kpV(t)是瞬時相位相對于載波未調相時初始相位的偏移瞬時相位偏移（相位偏移或相移），以(t)表示：(t)的最大值稱為最大相移

5、，或調制指數(shù)。調相波的數(shù)學表達式：調相波的瞬時頻率為：其中頻移：三、結論調頻：瞬時頻率的變化與調制信號成線性關系，瞬時相位的變化與調制信號的積分成線性關系；調相：瞬時相位的變化與調制信號成線性關系，瞬時頻率的變化與調制信號的微分成線性關系；表（P406）例：圖（P407）調頻：頻率變化反映調制信號波形矩形波，相位變化為積分三角波調相：相位變化反映調制信號波形矩形波，頻率變化為微分沖擊函數(shù)設調制信號調頻：其中調制指數(shù)：，最大頻移：調相：其中調制指數(shù)：，最大頻移：可見，兩種調制的根本區(qū)別時：調頻的最大頻移與無關，最大相移與成反比；調相的最大頻移與成正比，最大相移與無關。因此，調頻波的頻譜寬度對于不

6、同的信號頻率幾乎維持恒定，調相波的頻譜寬度則隨著的不同劇烈變化。但最大頻移和調制指數(shù)（最大相移）之間的關系都是相同的：或10.2.3 調頻波和調相波的頻譜和頻帶寬度一、調頻波頻譜將展開，得式（），即其中Jn(mf)是以為參數(shù)的n階第一類貝塞爾函數(shù)，圖（P409）可見，由簡諧振蕩信號（正弦波）調制的調頻波，其頻譜有以下特點：(1)載波頻率分量0上、下各有無數(shù)個邊頻分量，間隔為調制信號頻率的整數(shù)倍。奇數(shù)次的上、下邊頻分量相位相反（符號相反）；(2)由圖可以看出，調制指數(shù)mf越大，具有較大振幅的邊頻分量越多；(3)對于某些mf值，載頻或某邊頻振幅（對應的系數(shù)Jn）為零，利用這一點可以測定調制指數(shù)。(

7、4)調頻波的總功率一定，調制指數(shù)的不同將導致能量從載頻向邊頻分量轉移。對比之下，調幅波的調制指數(shù)ma增加，總功率增加，相對于載波功率（調幅前功率）增加了。調頻波的邊頻有無數(shù)多個，但對于某一固定的調制指數(shù)mf，高到一定次數(shù)的邊頻分量振幅已經(jīng)很小，可以忽略，因此可以藉此規(guī)定調頻波的帶寬：振幅小于為調制載波振幅的1%（或10%）的邊頻分量可忽略不計，保留下來的分量就能確定調頻波的帶寬。頻譜寬度可以近似為：（）根據(jù)f不同，調頻制可分為寬帶和窄帶兩種：寬帶調頻制：，即，；窄帶調頻制：，注意：1調制信號頻率F的影響（調制信號的振幅V不變）：在調頻波中，雖然調制指數(shù)mf越大，邊頻分量的數(shù)目就越多，但調頻波調

8、制指數(shù)mf與調制信號頻率F（）成反比，調制指數(shù)mf隨調制信號頻率F降低而提高，邊頻分量增加，但調制信號頻率F減小，使邊頻分量之間的距離減小，最后反而造成頻帶寬度略變窄，實際頻帶沒有因為邊頻數(shù)量的增加而變寬，因此，調頻又叫做恒定帶寬調制。而調相波中，調制指數(shù)mp不變（調制信號的振幅V不變），邊頻分量的數(shù)目不變，但調制指數(shù)與調制信號頻率F（）無關，因此，如果F減小，邊頻分量之間距離減小，頻帶就會變窄；如果F增加，邊頻分量之間距離增加，頻帶也會變寬。即：調頻：減小，mf增大，邊頻分量增加，但分量之間距離減小，總頻帶沒有變寬；調相：減小或增大，mp不變，邊頻分量數(shù)目不變，但分量之間距離會隨減小或增大，

9、從而會引起頻帶寬度的變窄或變寬；（調相的分析方法仍然是將展開，這里與調頻不同的是僅將mf換成mp，而mf和mp與信號頻率F關系的不同，決定了兩種調制方法上頻帶變化的不同；，調制指數(shù)（mf和mp）與調制信號的振幅V成正比，調制信號波動越大，調制指數(shù)就越大。）2調制信號振幅V的影響（調制信號頻率F不變）調制信號振幅V增大，調制指數(shù)（mf和mp）都增大，信號頻率F不變，則調頻波各頻率分量之間的距離不變，調相波也不變，因此，調頻和調相頻帶寬度同樣增加。3實際應用中，調制信號的幅度是限定的（如音頻信號的幅度是在一定限度內(nèi)的），而隨著信號的不同，頻率的變化很大，此時，在頻帶滿足調制信號的幅度的基礎上，調相

10、要比調頻消耗更多的頻帶資源。因此，調頻比調相的頻帶利用要更經(jīng)濟，因此模擬通信系統(tǒng)中調頻制要比調相制應用廣泛。§10.3調頻方法概述產(chǎn)生調頻的方法主要有兩類：第一類：用調制信號直接控制載波的瞬時頻率直接調頻；第二類：先將調制信號積分，然后對載波進行調相，而得到的是調頻波，即由調相變調頻間接調頻。10.3.1 直接調頻原理用調制信號直接線性地改變載波振蕩的瞬時頻率。載波由LC自激振蕩器產(chǎn)生，則振蕩頻率主要由諧振回路的電感元件和電容元件所決定，因此只要能用調制信號控制回路中的電感或電容，就能達到控制振蕩頻率的目的。變?nèi)荻O管：利用PN結的結電容隨反向電壓變化的特性改變電容值；鐵氧體磁芯的電

11、感線圈：線圈電流的改變時，產(chǎn)生的磁場也發(fā)生改變，引起磁芯的磁導率改變，從而引起線圈的電感量改變改變電感值。10.3.2 間接調頻原理調頻時，調制信號為v(t)，相移：與信號V(t)成積分關系。因此，如果將信號V(t)積分，然后對載波調相，則，這正是調頻波的數(shù)學表達式?？梢?，雖然用的是調相方法，但由于對調制信號進行了積分，實際得到的卻是調頻波。圖（P415）采用穩(wěn)定度很高的振蕩器作為主振，調制在振蕩器之后的某一級放大器中進行，也就是用積分后的調制信號對主振器送來的載波振蕩進行調相。§10.4變?nèi)荻O管調頻優(yōu)點：能夠獲得較大的頻移，所需的調制功率低；缺點：中心頻率穩(wěn)定度低；10.4.1

12、基本原理變?nèi)荻O管是一種電壓控制可變電抗元件，利用半導體PN結的結電容隨反向電壓變化這一特性制成。結電容Cj與反向電壓vR有如下關系：其中，VD是PN結勢壘電壓（內(nèi)建電勢差）；Cj0是vR=0時的結電容；是系數(shù)，和PN結的結構和半導體摻雜度有關。圖（P417）結電容隨反向電壓變化的關系把受調制信號控制的變?nèi)荻O管接入載波振蕩器的振蕩回路，適當選擇變?nèi)荻O管的特性和工作狀態(tài)，可以使振蕩頻率的變化近似地與調制信號成線性關系。圖（P417）變?nèi)荻O管調頻電路虛線左邊是正弦波振蕩器，右邊是變?nèi)荻O管電路，變?nèi)荻O管上的反向偏壓為CC是變?nèi)莨芎椭C振回路之間的耦合電容，用來隔直流；C為對調制信號的旁路電容

13、；L2是高頻扼流圈，但允許調制信號（頻率低）通過。§10.5晶體振蕩器直接調頻石英晶體的頻率穩(wěn)定度很高，因此對石英晶體振蕩器進行直接調頻，可以一定程度上提高中心頻率的穩(wěn)定度（可達10-5數(shù)量級）。缺點是所產(chǎn)生的最大頻移很?。?0-4數(shù)量級）。晶體振蕩器工作于串聯(lián)與并聯(lián)諧振頻率之間，可以等效為一個高品質因數(shù)的電感元件，因此，可以利用變?nèi)荻O管控制晶體振蕩器的振蕩頻率來實現(xiàn)調頻。接入振蕩回路兩種方式：1與石英晶體串聯(lián)：變?nèi)荻O管結電容的變化主要是影響晶體的串聯(lián)諧振頻率fq發(fā)生變化；2.與石英晶體并聯(lián)：變?nèi)荻O管結電容的變化主要是影響晶體的并聯(lián)諧振頻率fp發(fā)生變化。圖（P426）晶體振蕩器

14、電抗（或電導）曲線和變?nèi)荻O管的電抗（或電導）曲線相加，就得到二者串聯(lián)（或并聯(lián)）等效電抗（或電導）曲線。注：由于并聯(lián)方式存在變?nèi)莨艿牟环€(wěn)定會影響調頻信號中心頻率的穩(wěn)定度的缺點，因此，用的比較廣泛的是串聯(lián)方式。§10.6間接調頻：由調相實現(xiàn)調頻晶體振蕩器直接調頻的穩(wěn)定度仍然不能和不調頻的晶體振蕩器相比，且相對頻移太小，相比之下，間接調頻是一種提高頻率穩(wěn)定度的簡便有效的方法。10.6.1 調相的方法調相的方法有三類：調制信號控制諧振回路或移相網(wǎng)絡的電抗或電阻元件實現(xiàn)調相；矢量合成法調相；脈沖調相。一、諧振回路或移相網(wǎng)絡的調相方法1利用諧振回路調相設主振之后的放大器負載為調諧網(wǎng)絡，若負載回

15、路電容在調制信號控制下變好了C，且C與v(t)成線性關系：在的情況下（C0是回路初始電容），回路的相對失諧為回路失諧導致輸出電壓產(chǎn)生附加的相移，它與失諧的關系為當時，可近似為將，代入可得可見，在和的條件下，附加相移與調制信號成線性關系。注：這種方法只能產(chǎn)生/6以下的最大相移，即最大調制指數(shù)2利用移相網(wǎng)絡調相圖（P429）RC移相網(wǎng)絡輸入載波電壓經(jīng)過晶體管（構成倒相器）T，在集電極上得到反相電壓（和交流地之間的電壓），在發(fā)射極上得到（和交流地之間的電壓），于是加在移相網(wǎng)絡RC上的電壓為B點電壓為，R上電壓為，則輸出電壓等于與的矢量和：*注：，可見在的基礎上引入了超前的附加相移，見矢量圖（P430

16、）；，可見在的基礎上引入了滯后的附加相移，見矢量圖（P430）；，故超前90°，即和夾角為90°，見矢量圖（P430）；電流，和僅差一個系數(shù)R，故和同相，見矢量圖（P430）；設電壓相對于的相移為，由矢量圖（P430）可得：（和間的距離為，故正好落在的中點上，根據(jù)內(nèi)切圓性質，長度相同）當時，上式近似為可見，與C或R成反比例關系。若調制信號電壓與C或R也成反比例關系，則與調制信號成正比例（線性）關系，即可以實現(xiàn)調相。如：之前提到的變?nèi)荻O管，若將上述分析中的電容以變?nèi)莨艽?，就構成了變?nèi)荻O管控制移相網(wǎng)絡的電抗以實現(xiàn)調相的電路。實際中，用可控電抗或可控電阻元件都能夠實現(xiàn)調相。二、矢量合成調相法（阿姆斯特朗法）將調相波的表達式展開（令）得其中相移（調制指數(shù)）若最大相移很?。ㄈ纾?，則，即可近似認為由兩個信號疊加而成：載波，載波被抑制的雙邊帶調幅，二者相位差為。圖（P431）載波振蕩與雙邊帶調幅波疊加的矢量圖代表，代表，代表。其中的長度受調制信號控制，則的長度及和（或）之間的相角也受到調制信號的控制，即是一個調相調幅波，其中的寄生調幅用限幅的辦法去掉，剩下的為調相波輸出。圖（P431）*注：諧振回路或移相網(wǎng)絡的調相方法和矢量合成調相法的共同缺點是調制系數(shù)很小。10.6.2 間接調頻的實現(xiàn)將調制信號積分，然后加至任何一種調相電路上對載波進