通信电子线路第6章 角度调制与解调_图文

第6章 角度调制与解调
1

本章知识点及结构
调角波的性质(数学表达式、频谱特征、功率) 角 度 调 制 与 解 调

调频波的产生(原理,电路,评价指标)

调频波的解调(电路,评价指标)

2

第6章 角度调制与解调
?
? ? ? ? ?

6.1 概述 6.2 调角波的性质 6.3 调频信号的产生 6.4 调频电路 6.5 调频波的解调 6.6调制方式的比较

3

6.1 概 述
回顾问题:(第5章 调幅系统概念)

1. “调制”与“解调”的过程如何实现? 2. “调制”与“解调”的方式有哪些? 3. “调制”对应的波形特征?
4.调制器、解调器在无线电收发系统中的位置?
4

1. “调制”与“解调”的过程:
人 低频信号 高频信号 飞机 控制 飞机的参数(如 载波的参数(如幅度、 重量、速度等) 频率、相位)

调 装 制 载

(载波) (载体)

载有人的飞机 已调波

低频信号 人

解 卸 调 载
还原
5

2. 调制的方式:
低频信号 高频信号 控制 载波的参数

调 制

(载波)

幅度 频率 相位
相角 已调波 幅度调制(简称“调幅”,AM ) 频率调制(简称“调频”,FM) 相位调制(简称“调相”,PM) 6

角度调制

2.解调的方式:
低频信号 高频信号 控制 载波的参数

调 制

(载波)

幅度 频率 相位

调幅波 调频波 调相波 调幅波 调频波 调相波 低频信号

解 调
检波 鉴频 鉴相
7

3.总结:
调制信号(低频信号): 需要传输的电信号 语言 (原始信号) 图像 数据 载波信号(高频信号): uc ? Uc cos(?c t ? ? ) (等幅)高频正弦波振荡信号 已调(波)信号(高频信号): 经过调制后的高频信号
8

信 号

4、调制器在发射机中位置

9

4、解调器在接收机中的位置

10

5.调频与鉴频的典型电路:
R427 C420 C419 + 0.1μF 10μF R403 J401 音频输入 100kΩ TP401 C401 C404 51pF L401 100μH VD401 C403 C402 51pF R402 1kΩ 1.8kΩ S401 4.7kΩ 1 2 3 RP401 L402 R404 47kΩ R405 10kΩ VT401 C407 470pF C405 C406 51pF 100pF R406 R407 5.1kΩ 560Ω C408 0.01μF R409 15kΩ R411 27Ω R412 1kΩ C418 0.1μF L403 C417 + 100μH 10μF R408 51kΩ R410 3kΩ VT402 L404 C431 100μH C416 0.1μF 0.1μF R413 51kΩ C415 + 10μF VD402 C411 0.01μF R414 15kΩ VT403 TP402 C412 0.01μF J402 R415 1kΩ C413 调频波 82pF 输出 R422 5.6kΩ S400 +12V

C410

0.01μF RP402 4.7kΩ

R416 10kΩ S402 1 23

0.47μF

R401 100Ω 0.01μF

C408 0.01μF

L405 56μH

R418 TP403 51kΩ J403 C421

C422 5.1pF

C426

C425

3-15pF 20pF

R422 22kΩ

R423 20kΩ VD403 2AP9

TP405 R427 100Ω R425 51kΩ R426 51kΩ R428 100Ω 解调输出

C434

+

C433

0.1μF 10μF

C427 VT404 VT405 2200pF T401-1 C424 + 10μF R421 330Ω C429 3-15pF R420 100Ω C423 0.1μF

C428 C430 3-15pF 20pF

调频波输入 0.01μF C414 20pF R419 15kΩ

R424 22kΩ VD404

C432 0.01μF

C431 20pF

2AP9

11

6.2 调角波的性质(重点)
调角波的性质: 调频波(FM)的性质(重点)

调相波(PM)的性质(类比的方法学习)
调频波与调相波的比较

12

问题: 一、调频(相)波数学表达式及波形特征如何? 二、调频(相)波的频谱有什么特征? 如何根据频谱计算频带宽度? 三、如何计算调频(相)波的功率?

13

一、调频波数学表达式 1、调频的过程

调制信号
载波信号

控制
载波信号的频率

调频波的频率 已调信号 调频波的相位
14

即:调频波

2.调频过程的数学表达:

15

几个关键参量:
(1).瞬时频率偏移: ?? (t ) ? k f u? (t )

(2).最大频率偏移 ?? ? k u (t ) ? k f U ?m f f ? max (也简称频偏):
角频率偏移程度由调制信号幅度决定 (3).最大相移 m f ? k f

?u
0

t

?

(t )dt
max

?

k f U ?m ?

?

?? f ?

又称作调频波的调制指数mf , 它可以大于1.
16

二、调相波数学表达式——类比法 在理解调频过程与调相波数学表达式之间的关后, 根据调相过程,写出调相波数学表达式 调制信号 载波信号

控制
载波信号的相位

已调信号

调相波的相位
17

即:调相波

关键参量: 最大相移

m p ? k pU ? m

又称作 调相指数

它与调制信号的幅度成正比,
而与调制频率无关。

18

讨论:调频信号与调相信号的比较 如果设载波: uo ( t ) ? U cos(?o t ? ? o ) u? (t ) ? U ? cos ?t 调制信号:
FM波 PM波
(1) 瞬时频率: du? ( t ) (5) 表达式: ? (t ) ? ?o ? k p ? (t ) ? ?o ? kF u? (t ) uFM ( t ) ? U cos ? ( t ) uPM ( t ) ? U cos ? ( t ) dt (2) 瞬时相位: t ? U cos[? o t ? k f ? u? (t t )dt ? ? o ] ? U cos[? o t t ?k p u ? () ? ? ? o ] ? (t ) ? ?o ? k p u (t t ) ?o 0k ? (t ) ? ?o t ? F u? (t )dt ? ? o ? 0 (3) ? k f U ? sin ?t ? ? ] ? U cos[? o t ? k pU ? cos ?t ? ? o ] ? U cos[? o t 最大频偏: o ? ? U cos[? o t ?du? (t cos ?t ? ? o ] mp ) ??m ? kF | u? (t ) |max ? kF U ? ?? m ? k p | |max ? k pU ? ? ? U cos[? o t ? m f sin ?t ? ? o ] dt (4) 最大相位:

?

?? m ? k f U? ?? m ?
f

m

? k F | ? u? ( t )dt |
t 0

max

?? m ? kppU ? ? m ? k p | u? ( t ) |max m ? ??

mf ?

k f U? ?

U ? kF ? ?

m p ? k pU ?

? k pU ?
19

三、调频与调相的关系——总结
1. 调制指数 调频时 m f ? ? ?
载波信号: m 调相时
p

?? f

k f U ?m ?

与调制信号振幅 成正比,频率成 反比。

? k pU ?m

与调制信号频率无关。

2. 最大频率偏移——频偏 FM

?? f ? k f U ?m

与调制信号的幅度成 正比,与其频率无关

PM

?? p ? m p ? ? k pU ?m ?
20

3. FM与PM的共同点 频偏(即最大频率偏移)? ? 与调制指数m 之间都满足:

??=m?

21

四、调角波的频谱

频谱分析的方法:
1. 将调角波(电压)信号的数学表达式展开成 余弦(或正弦)项之和的形式,即

?A
i

mi

cos(?i t ? ? i )

2. 以每一余弦(或正弦)项的频率 ?i 或 f i为 横坐标上的点,其幅度 Ami 为纵坐标上的点, 画出频谱分布图。
22

调频波的频谱 利用贝塞尔函数理论中的两个公式:

cos(m f sin ? t ) ? J 0 (m f ) ? 2 J 2 (m f ) cos 2? t ? ? 2 J 4 (m f ) cos 4? t ? ... sin( m f sin ? t ) ? 2 J 1 (m f ) sin ? t ? 2 J 3 (m f ) sin 3? t ? ? 2 J 5 (m f ) sin 5? t ? ...

其中J n (m f )是参数为m f 的n阶贝塞尔函数。
23

调频波的频谱

结论:

1. 一个FM波,除有载频

?c

分量外,

还有无穷多个边频分量,边频之间的
间隔仍为

?。

2. 边频幅度的大小为 U cm J n (m f ), 由Bessell函数决定。

24

可见,mf值越大,贝塞尔函数的阶数将增多。 这意味着, mf值越大,调频波频谱中的边频数 目增多,从而使频带加宽。

25

mf相同时,随着贝塞尔函数阶数升高,其值变化不一定越小。 这意味着,调频波的频谱幅度不是线性递减的。

26

五、调频波的频带宽度
(1)mf>1

由Bessell函数的特点,当阶数 n ? m f ? 1 时 J n (m f ) ??
则认为 n ? m f ? 1,边频总数为 2n ? 2( m f ? 1)

B f ? 2( m f ? 1) F


B f ? 2( ?f ? F )
当 mf>>1 时,即 ?f ?? F

B f ? 2?f

称为:宽带调频
27

(2)对于窄带调频 mf<1 时

cos(m f sin ? t ) ? 1 sin( m f sin ? t ) ? m f sin ? t
则: 边频分量很少,只有1到3项

u( t ) ? U cm [cos ? c t ?

mf 2

cos(? c ? ? )t ?

mf 2

cos(? c ? ? )t ]

B f ? 2F
28

(3)调角信号频谱与调制信号的关系
例:已知调制信号

u? (t ) ? U ?m cos 2? ?10 t (V ), m f ? mp ? 10
3

求FM和PM波的带宽
(2)若 U ?m 不变,F增大一倍,两种已调信号的带宽如何 (1)若F不变, U ?m增大一倍,两种已调信号的带宽如何 (3)若F与 U ?m 都增大一倍,两种已调信号的带宽如何

说明:
PM 波的频带利用率不如 FM 波好。 因而,调相PM 一般只作为产生调频波的一种 间接手段来应用,没有调频 FM 应用得广。
29

(3)调角信号频谱与调制信号的关系 续

说明:
在调制频率F的高端和低端,PM波的频带宽 度变化极大,所以其频带的利用是不经济的。

即:PM 波的频带利用率不如 FM 波好。
这正是模拟通信系统中调频FM制比调相PM制 应用得广泛的主要原因。 一般PM只作为产生调频FM波的一种间接手段 来应用。
30

六、调角波的功率 计算方法:(设调角波电压加于负载电阻R上) 1. 将调幅(电压)信号的数学表达式展开成余 弦(或正弦)项之和的形式,即

?A
i

mi

cos(?i t ? ? i )

2.

P总 ?

? P ? ? 2R
i i i

2 Ami

31

六、调角波的功率 结论: 调角波在调制前后总的功率不变,只 是将原来载波功率中的一部分转入边频中 去。

因此,调制过程不需要外界供给边频功率。

32

6.3 调频信号的产生
一、调频方法
二、调频电路的性能指标

33

一、调频方法
? (t ) ? ?c ? k f u? (t )
u? (t )

uFM (t ) ? U cm cos(?ct ? k f ? u? (t )dt )
uFM (t )

调频器

direct

FM

直接调频:调制信号直接控制载波振荡器的频率

?0 u? ( t )dt
u? (t )

t

积分

调相

indirect

FM

间接调频:

利用调相来实现调频
34

二、调频电路的性能指标 1. 调制特性 相对频率偏移与调制电压之间的关系 2. 调制灵敏度
?f ? f (u? ) fc

调制电压变化单位数值,所产生的频率偏移。
3. 最大频偏 在正常调制电压作用下, 所能达到的最大频率偏移值。 4.载波频率稳定度
?f / 时间间隔 fc

?f S? ?u

35

6.4 调频电路
一、变容二极管调频电路

二、晶体振荡器调频电路

36

一、变容二极管调频电路

1.变容二极管的特性
2.变容二极管实际调频电路分析 3. 变容二极管调频原理 ——调频过程分析 4. 调频电路的性能分析 ——性能指标
37

1.变容二极管特性
—— 受电压控制的可变电抗元件 (1)符号、等效电路
? n ? 1/ 3 ? ? n ? 1/ 2 ?n ? 1 / 2 ? 缓变结 突变结 超突变结

(2)结电容与反向电压关系 A 常数,取决于二极 C ? A(U ? U ' )? n : 管本身的属性 U 外加反向偏压 : U’ PN结的势垒电压 (Si : 0.7V Ge : : 0.3V) n 结电容变化系数 : 等效电路 符号 38

2. 变容二极管实际调频电路分析

分析思路: ? 变容二极管上要加直流偏压和调制信号 ?变容二极管要作为高频振荡电路的一部分
39

3.变容二极管调频原理 a. 定性分析
Cd ? C0 ? Cm cos ?t

b. 定量分析

1 f ? 2? L(C0 ? Cm cos ?t ) 1 ? Cm 2? LC0 (1 ? cos ?t ) C0
1 1 Cm ? (1 ? cos ?t ) 2 C0 2? LC0

Cm ?? 1 当 时, C0 1 ? Cm 1 Cm (1 ? cos ?t ) 2 ? [1 ? cos ?t C0 2 C0 3 Cm 2 ? ( ) cos 2 ?t ? ...] 8 C0

1 Cm ? fc ? fc cos ?t 2 C0

40

4、调频电路的性能指标
1. 调制特性 相对频率偏移与调制电压之间的关系 2. 调制灵敏度
?f ? f (u? ) fc

调制电压变化单位数值,所产生的频率偏移。
3. 最大频偏 在正常调制电压作用下, 所能达到的最大频率偏移值。 4.载波频率稳定度
?f / 时间间隔 fc

?f S? ?u

41

3.电抗管调频电路的特点 优点:能获得较大的频偏;便于做成集成电路。

缺点:载频不能很高,频率稳定度较低。

42

二、晶体振荡器调频电路
1. 石英晶体振荡器变容管调频电路

较之前两种直接调频电路,提高了载波频率的稳定度, 但频偏不太大

2. 用

?

型网络变换获得较大频偏

43

三、间接调频电路
1、积分电路——RC电路

2、调相电路——失谐法
载波 振荡器 缓冲器 调相器 调频波 输出

积分器

调制信号
44

3、间接调频电路原理 已知FM波:

u(t ) ?U mcos(?ct ?

k f U ?m

?U mcos(? ? ?? )

?

sin ?t )

即FM波相角偏移的最大值需满足:

?? m ?

U ?m

?

则,间接调频的实现过程:

?? m ? U

' ?m

U ?m ? ?

45

(1)积分电路——RC电路
R

其中
C

调制信号

控制变容元件的 信号(调制信号 被积分)

1 R ?? ?C
1 ? U ?m

实现: U ' ? U ?m ?m

1 ?C R 2 ? (1 ?C )2

? U ?m

R?C

?

(2)调相电路——失谐法 实现

?? m ? U ?m
'
46

4.间接调频电路特点 优点:中心频率稳定度高

? 缺点:为了实现线性调相, ? m ? 30? ,因而最大 频偏小。
改善:可以通过倍频法,提高频偏和载频。

47

6.5 调频波的解调
从FM波中得到原来的调制信号 —— 频率检波或鉴频。 完成鉴频功能的电路——鉴频器 一、鉴频器的性能指标 二、鉴频电路

48

一、鉴频电路

1. 斜率鉴频器
2. 相位鉴频器(重点)

3. 比例鉴频器
4. 脉冲计数式鉴频器

49

1. 斜率鉴频器(slope discriminator)
电路与工作原理
振幅鉴频器

斜率鉴频器由失 谐单谐振回路和 二极管包络检波 器组成
V2

优点:电路简单 缺点:灵敏度与线性范围矛盾
fp fc

Q大,灵敏度高,但线性范围窄;
?f (t )

Q小,灵敏度低,但线性范围宽。

?f m

(一般用于质量要求不高的简易 50 接收机中)

2、相位鉴频器 利用回路的频率—-相位特性来实现将 调频波变换为调幅调频波。
调频波 调幅调频波 线性网络 频率—相位变换 相位—幅度 变换 幅度检波器

调制信号

常用的相位鉴频器:
电感耦合相位鉴频器(重点)

电容耦合相位鉴频器
51

(1) 电感耦合相位鉴频器

a. 电路与工作原理 线性变换电路部分(频相转换网络) 幅度检波部分
L3高频扼流圈: 把原边电压引入副边回路 提供直流及低频电路通路

52

原理:
? ? (1) ? 变, U 2 对 U 1 的相位随 的大小随 ? 变,

? 变,? d 1 , U d 2 U ?

正是利用这种相位变化的特点,将频率的 变化转换为幅度的变化。 (2)幅度检波: 每一个检波器的输出电压 Uo1,Uo 2 也随 ? 变,所以总输出也随 ? 变。

U o ? U o1 ? U o 2 ? ?检 (U d1 ? U d 2 )
53

54

鉴频器的性能指标: 1. 鉴频跨导(利用S曲线定义)
2.鉴频频带宽度 B (大于等于2倍的FM波频偏) 3.非线性失真 4.抑制寄生调幅
55

电感耦合相位鉴频器

优点:S曲线线性度好,检波失真小 S曲线斜率大,鉴频灵敏度高 S曲线线性范围大 缺点:线路复杂;调整较困难。

56

(2)电容耦合相位鉴频器

a. 与电感耦合相位鉴频器的不同点 b. 优点:结构简单,调整方便
57

3、比例鉴频器
比例鉴频器是一种类似于相位鉴频器,而又具有 UC UM ? ? U o1 自限幅能力的鉴频器。 2 UC UM ? ? ? U 02 2 U ? Uo2 ? U M ? ? o1 2 是相位鉴频器的一半

(1)两个二极管顺接;

U o1 ? U o 2 UM ? ? 2 (2)在电阻(R1+R2)两端并接一个 2U 01 1 大电容C,容量约在10μF数量级。 ? ? (U 01 ? U 02 )( ? 1) 2 U 01 ? U 02

(3)接地点和输出点改变。

UC 2 ?? [ ? 1] Uo2 2 1? U o1

58

鉴频特性比较
相位鉴频

59

6.6调制方式(FM、AM)的比较
1. 抗干扰性能

问题:为什么目前广播电视采用宽带调 频,而一般移动通信设备采用窄带调频?

2. 频带宽度

问题:若广播要提高声音质量(音质), 采用哪种调制方式较好?为什么?

3. 发射功率和耗电量
问题:相同载波功率的条件下,调频发射 机所需的功率要比调幅发射机小,为什么? 4. 强信号堵塞现象 问题:若发生强信号堵塞现象,对调幅波有什么影响?
60

本章总结
?

理解: 调角波的一般表达式、波形、频谱特点等 调频波产生、解调的方法,及基本原理 评价调频、鉴频电路的主要性能指标。 计算: 调角波带宽、功率,频偏、调制指数 分析:相位鉴频器实现鉴频的过程(矢量图, 鉴频特性曲线)
61

?

?


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