第7章角度调制及解调.ppt

第7章 角度调制及解调,本章知识架构：,本章教学目标与要求：,掌握调频的原理及调频电路的定量分析理解调频和调相的关系掌握调频信号的解调原理熟悉常用的鉴频电路掌握调频与鉴频电路的仿真方法,本章主要章节：,7.1 概论7.2 角度调制信号分析7.3 调频器与调频方法7.4 调频电路7.5 鉴频原理与鉴频方法7.6 鉴频电路7.7 电路仿真,在无线通信中，角度调制是另一类重要的调制方法。角度调制（调角）分为频率调制（FM）和相位调制（PM）。调频指的是利用低频的调制信号去控制高频载波信号的频率，使之按照调制信号的规律线性的变化，而振幅保持恒定的一种调制方式。调频信号的解调称为频率检波或者鉴频。调相是用调制信号线性地控制高频载波的相位。调相信号的解调称为相位检波或者鉴相。相比于频谱线性搬移的调幅，经过调角后，信号的频谱结构和形状都会发生改变，因此，角度调制也叫做非线性调制，调角后信号的带宽有所增加，但是由于调制信号的信息加载在频率或者相位变化中，因此调角信号的抗干扰能力增强，提高了信号的传输效率。,7.1 概论,7.2角度调制信号分析,7.2.1调频信号的参数与波形 为了便于理解，设调制信号为一单音正弦波信号，高频载波信号为。调频是用调制信号去线性的控制高频载波的频率变化，则调制后已调波的瞬时频率为（7-1）式中，称为调频比例系数，一般情况下 为一常数，由调频电路确定其数值，为瞬时频率偏移，简称为频偏，调制信号的信息就被加载在频偏中，它表示瞬时频率相对于载波频率的偏移量。称为调频信号的最大角频偏，且有，它与调制信号的振幅成正比，表示受调制信号的控制程度。FM信号瞬时频率最大变化量为。对瞬时频率求关于时间的积分，则可得到瞬时的相位（7-2）,其中，为载波的固定相位，为调频信号的瞬时相位偏移，由此可得最大相偏（7-3）由此引入参数=，称为调频信号的调频指数，可见调频指数实际上是最大的相位偏移，它与调制信号的振幅成正比，与调制频率成反比，它等于最大频偏除以调制频率。调频指数是调频信号的一个重要的参数，由（7-3）式，与 成正比，与 成反比。在调频系统中，不仅可以大于1，而且通常远大于1。于是，可得一般调频信号的数学表达式为（7-4）,7.2.2调相信号的参数与波形,调相信号已调波的相位随调制信号线形变化的，仍然设调制信号为，高频载波信号为，则调相波的瞬时相位（7-5）其中，为高频载波的相角，调相灵敏度，表示单位调制信号振幅引起的相位偏移，同样 也是由调相电路决定的一个常数。1 称为瞬时相位偏移量，表示调相波的相位相对高频载波的相位 的偏移量，令,称为调相指数，它代表调相波的最大相位偏移，即相位摆动的幅度。由此可得，调相波的一般数学表达式为（7-6）由相位与频率之间的关系，对调相波的瞬时相位 求微分则可得调相波的瞬时频率，有（7-7）,例7.1 角调波（V）,调制信号为，试确定：（1）最大频偏，（2）最大相偏，（3）信号带宽，（4）此信号在单位电阻上的功率，（5）能否确定这是FM波还是PM波？（1）（2）（3）（4）（5）FM波,7.2.3 调角信号的频谱,1.调角信号的频谱 一般来说，受同一调制信号调制的FM信号和PM信号，他们的频谱结构是不同的。但在调制信号为单音信号时，他们的频谱结构类似。对于FM信号表达式中 的和PM信号表达式中 的统一用调制指数 来表示，则可得调角信号的一般表达式（7-8）利用三角函数将其进行展开（7-9）其中，和 可以进一步展开成以贝塞尔函数为系数的三角函数级数（7-10）（7-11）,2.调角信号的频带宽度 过对调角信号的频谱结构的分析可知，从理论上来讲，调角信号的具有无限个边频分量，从这个角度来讲，调角信号的带宽应该是无限的。实际上，信号的各边频分量的幅度是随着调制指数增加而增加的，当给于一定的m时，高到一定次数的边频分量的振幅已经小的可以忽略不记，为此调角信号的带宽又可近似为是有限的。实际应用中，根据所允许的误差大小来确定调角信号的带宽，而通常采用的准则是：信号的频带宽度应包括幅度大于未调载波1%以上的边频分量,即（7-13）对于不同的调频指数m，有用边频的数目可以通过查贝塞尔函数表获得，由图7.8可知，当m很小时，除了与载频相邻的两个边频分量外，其他边频分量的振幅都很小可以忽略不记，此时的带宽为（7-14）称为窄带调制。而当m比较大时，趋近于1，此时，应将n=m的边频计算在带宽范围内，此时带宽为（7-15）称为宽带调制。目前，广泛应用的调角信号的带宽的计算公式是（7-16）由于这个式子是卡森提出来的，所以把（7-16）叫做卡森公式，用这个公式计算出的信号带宽叫卡森带宽。,7.2.4 调频信号的功率,根据帕塞瓦公式，调角波的平均功率 等于各个频率成分的平均功率之和。因此，在单位电阻上，调角信号所消耗的功率（7-18）根据贝塞尔函数的性质，有，所以调角信号的平均功率为（7-19）可见，调角信号所消耗的平均功率等于未调制前载波所消耗的功率，而它仅仅与调角信号的振幅有关，而与调制指数m无关。因此，可以将角度调制看作是一个功率分配的过程，经过调制，调角信号各个频率分量的功率分配情况随着调制指数m的不同而改变。当时，而m=0时 而其他阶次的贝塞尔函数均为零。所以，这种情况只有载波功率而无边带功率。,7.3 调频器与调频方法,7.3.1 调频器 能够实现频率调制的电路称为调频器，它是能够产生调频信号的一类设备。调频的根本目的在于将调制信号的信息加载带载波信号的频率变化当中。所以，调频器是能够实现输出频率随输入信号的规律变化，这个特性称为调频器的调制特性，如图7.8所示，它表明了瞬时频率与调制信号的关系。一般情况下，对一个调频器有如下的性能要求：,（1）调制特性的线性度要好，这是对调频器最基本的性能要求。如果线性度差，产生的调频信号会产生非线性失真。工程中，经常用调制特性的非线性度来衡量这一指标，其具体表现为瞬时频偏不完全受调制信号控制。（2）最大频偏 要满足要求，它指在正常调制电压作用下能产生的最大频偏。不同的系统对最大频偏有不同的要求。实际应用中，在保证线性度的前提下，应尽量产生较大频率偏移量，从而达到较好的调频效果。（3）调制灵敏度要高，这一性能指标通常由调制灵敏度 来衡量。定义调制灵敏度为特性曲线中在调制信号为零时的斜率，即（7-20）它表示单位调制电压产生的频率偏移量，显然，越大，相同的调制电压产生的最大频偏也越大。（4）载波性要要好，载波的性能主要体现在其中心频率的稳定度上。调频信号的中心频率稳定是接收机能够稳定解调的前提条件，这就要求载波的频率的稳定度高并且寄生振幅小。,7.3.2 调频方法,调频信号的产生方法有两种：直接调频法和间接调频法。直接调频方法是由调制信号直接控制振荡回路的电抗元件的参数来实现调频。间接调频法是用调相的方法来实现调频，它主要利用频率与相位之间微积分的关系来实现调频。1.直接调频法 这种方法一般是用调制电压直接控制振荡器的振荡频率，使振荡频率按照调制电的 规律而变化。例如，利用LC振荡器实现直接调频，则只需用调制信号去控制振荡回路的电感或者电容元件，使其电抗参数随调制电压变化就可以达到直接调频的目的。这种方法，由于将调频和振荡电路在同一级中实现，因此可以产生较大的频偏，但是，由于振荡频率受到调制，所以其中心频率的稳定度比较差，因此经常采用自动频率微调电路来克服这样的缺点。,2.间接调频法 由于调相信号与调频信号存在这内在的联系，把调制信号通过积分器之后再加到调相器后，得到的输出信号即为调频信号。由于这种方法是利用调相器实现调频，所以把它叫做间接调频法。间接调频法由于振荡和调制分别再两级完成，所以信号的频率稳定度较高。在进行间接调频时，但在实现线性调相时，要求最大瞬时相位偏移，因而线性调相的范围很窄，因此转换成的调频波的最大频偏也就很小，这是间接调频的主要缺点。实现间接调频的关键是如何进行相位调制，常见的实现调相的方法有以下三种：（1）矢量合成法（2）可变移相法（3）可变延时法,7.4调频电路,7.4.1 直接调频电路 1.变容二极管直接调频电路（1）调频原理 利用可控电抗元件，改变LC振荡回路的谐振频率，可以实现直接调频。最常用的可控电抗元件就是变容二极管，它时是利用PN结反向偏置的势垒电容构成的可控电容元件。变容二极管呈现的电容 与加在其两端的反向电压有这样的关系（7-29）式中，是变容管的势垒电压，它通常是一个常量。为变容管结电压 时的电容，为变容指数，不同的变容管由于PN结杂质的掺杂浓度的分布不同，其变容指数取值也不相同。,2.晶体振荡器直接调频电路 在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，可以采用直接对晶体振荡器调频的方法。图7.13晶体振荡器调频电路的实际电路和等效电路，其（a）图中的实际电路（a）实际电路;（b）交流等效电路图7.13 晶体振荡器直接调频电路,与皮尔斯振荡器的形式相同，反馈网络由电容、组成，晶体在谐振回路中充当电感元件使用，调制信号加在变容管两端，通过控制变容管的结电容来改变振荡器的输出频率来达到调频的目的。根据7.9（b）图中的等效电路，可得回路总电容为（7-42）晶体等效电容 很小，晶体的接入系数近似为（7-43）此时，振荡器的输出频率可表示为（7-44）其中 为晶体的串联谐振频率。当结电容 受到调制信号控制，会随着调制信号变化，从而引起回路总电容 的变化，从而使晶体振荡器的振荡频率也跟随发生变化，达到调频的效果，并且由于晶体谐振器的工作的稳定性，从而可以使得这种调频电路的中心频率非常稳定。但是，由于调频频率在晶体的串联谐振频率与并联谐振频率间变化，因此这种调频电路产生的FM信号的频偏较小，适用于窄带的调频。为获得较大的频率的偏移量，可以在晶体支路串联电感，以扩大晶体的感性范围以达到扩展调频频偏的目的。,7.4.2 间接调频电路,由于直接调频产生的调频信号中心频率不稳定，所以在一些对调频信号的中心频率要求比较高的一些场合，较多的使用间接调频法。间接调频产生的调频信号的稳定度高，而间接调频的关键在于实现调相，因此这里着重介绍常用的调相电路。图7.14是变容管调相电路，其基本电路是一个高频功率放大器，从基极输入高频载波信号，集电极电流为高频载波电流流过变容管，电容C和电感L组成的振荡回路，变容管两端反向电压由调制信号控制。,图7.14 变容管间接调频电路,其工作的基本原理是利用调制信号线性的控制移相网络引起的相位变化，在高Q值以及小失谐的条件下，并联谐振回路电压与电流之间的相移关系为：（7-45）设调制信号形式为，则其瞬时频偏为（此处为回路谐振频率的偏移）（7-46）将（7-46）代入（7-45）式，可得（7-47）上式说明，回路产生的相移按调制信号的规律变化，若调制信号先积分后在加入，则输出信号的频率将随积分前调制信号的规律变化。因此，这种电路是利用的是并联回路的相移特性，时，所以产生的频偏也是比较小的，所以实际应用中如果为了得到比较大的频偏会产用多级级联的振荡回路来扩展频率偏移量。,7.5鉴频原理与鉴频方法,7.5.1 鉴频原理 调频信号的解调又称为频率检波，简称鉴频（FD）。能够实现鉴频的电路称为鉴频器，它是把调频信号的频率与载波频率比较得到频差从而实现频率检波。因此，可以将一个鉴频器看作是一个频率电压变换器。因此，对于鉴频电路来讲，其最重要的特性是鉴频特性，它反映了输入信号的频偏与输出信号的电压之间的关系，可以用鉴频特性曲线来描述，如图7.15所示。图7.15 鉴频特性曲线,从图中可以看出，要想不失真的完成鉴频，必须保证鉴频器的输出信号 与调频信号的瞬时频偏 成线性关系。除此之外，对于鉴频特性曲线还有以下的性能要求：(1)鉴频跨导 所谓的鉴频跨导就是指鉴频特性曲线在中心频率 处的斜率，它表示的是单位频偏所能产生的解调输出电压。鉴频跨导又叫做鉴频灵敏度，有（7-48）从另外一个角度来理解鉴频跨导，可以将其看作鉴频电路将输入的频率变化转变为输出电压的能力，对鉴频电路的要求就是鉴频跨导要大，这样，每单位频偏可以获得较大的输出响应，从而提高鉴频效果，因此，鉴频跨导也称之为鉴频效率。(2)峰-峰带宽 峰-峰带宽指的是鉴频特性曲线中左右两端最大频率偏移量所对应的最大输出电压之间的频率间隔，它可以近似的衡量鉴频特性曲线的线性区的宽度，因此也叫做鉴频带宽，在图7.15中，鉴频带宽。对于鉴频电路来讲，要求在鉴频带宽的范围内频率与输出电压之间应该有较好的线性关系，以保证鉴频器的鉴频质量。,7.5.2 鉴频方法,频率检波常用的方法分为直接法和间接法，直接鉴频主要是利用频率的变化正比与线性网络的输出变化实现鉴频。而间接鉴频是利用反馈控制原理实现频率检波的方法，它主要涉及到第八章的内容，因此这部分主要介绍利用线性变换网络实现鉴频的方法。常用于鉴频的线性变换网络有两种形式：（1）幅频网络 将调频信号通过一个幅频线性网络，经过网络后，输出信号的振幅的变化正比于频率 频-幅网络包络检波器 图7.16 幅频网络鉴频框图变化，这时，原来的调频信号将变为一个既调频又调幅的AM-FM波，再将其输入包络检波器解调出调制信号的信息。利用此种方法构成的鉴频器称为振幅鉴频器。所以，只要具有在调频信号的频率变化的范围内具有频率电压变换作用的网络都以及获得AM-FM波。其组成框图如图7.16所示。,图7.16 幅频网络鉴频框图 设输入的调频信号为（7-49）则经过频-幅线性网络后得到的信号为（7-50）其中 为幅频特性的斜率，可以看作线性网络附加的直流分量。由（7-5-3）可以看出，经过线性变化网络后，输出的信号不单单频率正 比于调制信号的变化，振幅的变化也同样正比于调制信号，因此此时的输出信号为一FM-AM波，经包络检波器后可得解调信号为（7-51）为包络检波器的检波系数。此时，正比于，从而实现频率检波。,2.相频网络 把调频信号通过线性的相频特性网络，使其变化成FM-PM波信号，线性网络附加的相位变化正比于频率的变化，之后再将其通过相位检波的方法来实现频率检波，利用这种方法实现鉴频的电路称为相位鉴频电路。其组成框图如图7.17所示。图7.17 相频网络鉴频框图 设经过频相线性网络后得到的FM-PM信号为（7-52）若相位检波具有线性的鉴相特性时，输出信号（7-53）式中的 称为鉴相灵敏度或鉴相跨导，它是描述输出电压对相位的灵敏程度，它与鉴频跨导是一组对称的参数。,7.6鉴频电路,7.6.1 斜率鉴频器 斜率鉴频电路是一种振幅鉴频器，它是利用线性频幅网络将调频信号变为FM-AM信号，再由包络检波器解调出调制信号。集成斜率鉴频器如图7.18所示,图中，输入信号为，端口9，10间的、构成线性的幅频特性网络。晶体管、构成射级跟随器，用以隔离后级电路对线性网络的影响。的发射结与电容、的发射结与电容 分别与后级电路的输入电阻组成两个峰值包络检波器。而晶体管、组成一级差分放大器用于差分输出，去除输出中的直流分量。线性网络完成幅频变换作用的呢？设由9端口向10端口看过去，网络的等效阻抗为，则有（7-54）,图7.18 差分峰值斜率鉴频器,7.6.2 相位鉴频器,最常见的相位鉴频电路是互感耦合鉴频电路，如图7.20所示，整个电路可以看作有两部分组成，一部分是移相网络，输入调频信号为，通过互感M组成的耦合回路进行移相，经过移相网络得到的信号 为FM-PM信号，而且有。另外，经耦合电容 加在扼流圈 上，得到。另外一部分是由 和 组成的平衡包络检波器，两个检波器的输出分别为 和，则最后的输出有（7-57）互感耦合回路相位鉴频器中的耦合双回路是一个频相变换器，它把FM波 变换成PMFM波，而FM波 与PMFM波 经叠加后变换成两个PMFM-AM波，经包络检波器后即可恢复原调制信号。,图7.20 互感耦合鉴频电路,7.7 电路仿真,本仿真部分的调频电路部分包括变容管的直接调频、间接调频电路的仿真以及常用的两种间接鉴频电路进行仿真。,7.7.1变容管直接调频仿真,图7.22为压控振荡器的仿真调频电路图7.22 仿真电路,图7.23为双踪示波器观察调制输入信号与调频信号输出的对比波形。从仿真结果可以看出，控制信号幅度大时，电路输出频率大，反之亦然。图7.23 调制信号与调频信号波形,7.7.2直接时域微分调频仿真,图7.24为变容管的间接调频的仿真电路。图7.24变容管间接调频仿真电路,图7.25所示为调频输出与调制信号波形对比。从图中可以看出调制信号幅度处于波峰时，调频波频率高，反之幅度处于波谷时，调频波频率低。图7.25 调频输出与调制信号仿真波形,7.7.3 斜率鉴频的仿真,本次仿真中选用差分峰值斜率鉴频器对调频信号进行解调仿真，仿真电路图如图7.26所示。图7.26 差分峰值斜率鉴频仿真图,图7.27为仿真输出结果，图中包括了变换后的FM-AM波和解调输出的波形，可以看到斜率鉴频器先将输入的调频信号通过线性网络变为一列FM-AM波，再进行解调输出。图7.27 变换波形与解调输出波形对比,7.7.4 叠加型相位鉴频仿真,图7.28为叠加型相位鉴频仿真图，图7.29为经线性变换后的FM-PM-AM波形与解调输出的波形对比。图7.28 叠加型相位鉴频仿真图,图7.29 FM-PM-AM波形与解调输出波形,7.8本章小结,本章主要讨论了角度调制中的调频信号与调相信号的基本原理，研究了两种调角信号的基本数学表达式、时域波形和频谱结构以及常用的调频信号的产生方法和调频电路，最后对于调频信号的解调方法与解调电路做了研究和讨论。经过角度调制，信号的频谱结构和形状会发生变化，其带宽与调制度有关，而单单从时域波形无法确定是调频信号还是调相信号。而进行调角后，发送信号所消耗的功率不会改变，因此调角信号的功率利用率较高。调频信号的产生可以由直接法和间接法来实现，同样，调频信号的解调也分为直接鉴频或者间接鉴频。,