4.3角度調(diào)制原理與特性.

1、4.3角度調(diào)制原理與特性4.3.1 概述角度調(diào)制是用調(diào)制信號控制載波信號的頻率或相位來實現(xiàn)調(diào)制的。如果載波信號的瞬時頻率隨調(diào)制信號線性變化則稱頻率調(diào)制（簡稱調(diào)頻FM）。如果載波信號的瞬時相位隨調(diào)制信號線性變化則稱相位調(diào)制（簡稱調(diào)相PM）。由于調(diào)頻或調(diào)相的結(jié)果都可以看作是載波總相位 的變化，故又把調(diào)頻 FM和調(diào)相PM統(tǒng)稱為角度調(diào)制。與幅度調(diào)制不同，角度調(diào)制在頻譜變換過程中，信號的頻譜不再保持調(diào)制信號的頻譜 結(jié)構(gòu)，所以常把角度調(diào)制稱為非線性調(diào)制，而把幅度調(diào)制稱為線性調(diào)制。角度調(diào)制信號與幅度調(diào)制信號相比，要占據(jù)更多的頻帶寬度。但角度調(diào)制信號具有較 好的抗干擾能力。在不增加信號發(fā)射功率的前提下，用增加

2、帶寬的方法可以換取高質(zhì)量通信信號。因此，角度調(diào)制在通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。本節(jié)重點討論角度調(diào)制的基本原理、調(diào)角波的頻譜及帶寬，最后介紹調(diào)頻信號的產(chǎn)生 方法和調(diào)頻電路等。4.3.2 調(diào)頻信號分析下面首先分析調(diào)頻信號數(shù)學(xué)表達(dá)式設(shè)載波信號表達(dá)式為Uc(t)= UcmC0C9(ct%)(4-22)直表示瞬時角頻率偏離中心頻率的最大值。習(xí)慣上把最大頻偏 心®m稱為頻偏。式中：Ucm為載波的振幅;®ct +%為載波的瞬時相位;為其角頻率，是一常數(shù);%為載波的初相位，為簡化分析，常令 = 0。(4-23)設(shè)單音頻調(diào)制信號為UG(t) =UfmCog t式中，U純?yōu)檎{(diào)制信號的振幅；O為調(diào)

3、制信號的角頻率。根據(jù)調(diào)頻的定義，載波信號的瞬時頻率隨調(diào)制信號uc（t）線性變化，可寫出=©c+but) =©c+申(t)(4-24 )式中，瓷f為與調(diào)頻電路有關(guān)的比例常數(shù),單位是rad/s.v ,又稱為調(diào)頻靈敏度。 （t）表示瞬時頻率的線性變化部分，稱為瞬時頻偏,簡稱角頻偏。用表示其最大值，則max(4-25)根據(jù)瞬時相位與瞬時角頻率的關(guān)系可知，對式(4-24 )積分可得調(diào)頻波的瞬時相位tt _t®f(t) = 0©(t)dt = 0 產(chǎn)c +KfUc(t)卞t =«ct + 瓷f J0uc(t)dt(4-26 )t式中 A申f(t)=陷取兇)

4、dt表示調(diào)頻波瞬時相位與載波信號相位的偏移量，簡稱相移。調(diào)頻波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為(4-27)UFM = UcCO 理址 W 呼 UcrcjOs+tcM 以上分析表明，在調(diào)頻時，瞬時角頻率的變化與調(diào)制信號成線性關(guān)系, 制信號積分成線性關(guān)系。設(shè)調(diào)制信號為單音頻f u q d t瞬時相位的變化與調(diào)(4-28 )u/t) =UCog t(4-29)將上式分別代入式瞬時角頻率(4-24 )、(4-26 )、(4-28 )得(t) =cOc + kfU "m cos0t ；=c +ABmC0Ot(4-30)瞬時相位®(t) =©ctsin fit =©ct +mf si

5、nOt(4-31 )調(diào)頻信號數(shù)學(xué)表達(dá)式Ufm =Ucm cosset+mf sinCt)(4-32 )式中，mfkfUdQiom，為調(diào)頻波的最大相移，又稱調(diào)頻指數(shù)。mf值可大于如圖4-19所示,給出了調(diào)制信號 uc(t)、瞬時頻偏A© (t)、瞬時相偏護(hù)f(t)、UFM (t)對應(yīng)的波形圖。40MlII i叭0I0433 調(diào)相信號分析根據(jù)調(diào)相波定義，載波信號的瞬時相位甲p (t)隨調(diào)制信號u】(t)線性變化，即 P =eoct +k pU ecosfjt(4-33 )式中，kp為與調(diào)相電路有關(guān)的比例常數(shù)，單位是rad/v。令A(yù)Wp(t) =kpU他cost，貝UAWp (t)表示瞬時

6、相位中與調(diào)制信號 UQ(t)成線性變化的部分， 稱為瞬時相位的相位偏移量,簡稱相移。用mp表示最大相移，則mp = kp U0(t)max(4-34 )稱mp為調(diào)相波的調(diào)相指數(shù)。根據(jù)瞬時頻率和瞬時相位之間的關(guān)系可知，對式(3.3 12)兩邊求導(dǎo)，可得調(diào)相波的瞬時頻率呵冒-c+k p譽(4-35)令p(t) =kp也，稱p(t)為調(diào)相波的頻偏或頻移。 dt調(diào)相波數(shù)學(xué)表達(dá)式為(4-36)UpM =UcmCOS(©ct 中 AWp (t) )=Ucm COS(©ct +k pU 盤t)將單音頻調(diào)制信號 Uc(t)=UaCogt分別代入式(4-33 )、(4-35)、(4-36)得

7、調(diào)相波hn相移申 p( t)=k pU 他 cosOt =mpcos0t(4-37)角頻偏gp( t) = -mp Qsi not(4-38 )數(shù)學(xué)表達(dá)式(4-3 9)UpM =u cm cosct + mp cosOt)式中，mp =kfUd為調(diào)相波的最大相移，又稱為調(diào)相指數(shù)。圖3.20所示為調(diào)相波的七、護(hù)P (t)、iOS p(t)及Up M(t)。從上述分析可知，調(diào)頻和調(diào)相是密不可分的。調(diào)頻必然引起高頻載波相位的變化，調(diào)相也必然引起高頻載波頻率的變化。兩者本質(zhì)上是相同的。4.3.4調(diào)角信號頻譜及頻帶寬度以調(diào)頻信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式說明調(diào)角信號的頻譜結(jié)構(gòu)特點。(4-40 )(4-41)Ufm =

8、UcmCOS®ct+mf si not)將上式展開為傅立葉級數(shù)，省略級數(shù)展開時所涉及的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可得到調(diào)頻波的展開式:-beUFM (t) =Ucm S Jn(mf )C0s(c +視)tnC式中Jn(mf)是n階貝塞爾函數(shù),送 是n從一s至+ g 時的函數(shù)之和。，因此它由無窮多n嚴(yán)個貝塞爾函數(shù)值構(gòu)成。式中調(diào)頻指數(shù)mf是貝塞爾函數(shù)的變量。從表達(dá)式還可以看出， 調(diào)頻信號中的每一項分量都是余弦波，因此可以將調(diào)頻波看作是無數(shù)個余弦波之和，而且這些余弦波的頻率依次為O C、O c ±Q、O c± 2Q、o c± 3Q,其振幅則為Ucm和各階貝塞爾函數(shù)的乘積。由此

9、可以看出，調(diào)頻波的頻譜具有以下特點：(1) 調(diào)頻信號的頻譜是以載頻 o c為中心，兩邊分布著無數(shù)個邊頻分量。 且當(dāng)調(diào)制信號 為單音頻信號時，和 AM信號一樣，只有上下兩個邊頻。并且相鄰邊頻的間隔為Q,如圖 4-21 (a)所示。(2) 調(diào)頻信號邊頻分量的幅值隨n的增加而減小。在允許誤差范圍內(nèi)，可以忽略n值高于某一數(shù)值的譜線，即幅值較小的邊頻。因此可以把調(diào)頻波的無限頻寬看成有限頻寬。(3) 根據(jù)調(diào)頻指數(shù)大于 1還是小于1,可以將調(diào)頻分為窄帶調(diào)頻和寬帶調(diào)頻。所謂窄帶調(diào)頻是指最大頻偏小于基帶頻率，即m1。窄帶調(diào)頻具有以下特點：載頻分量幅值較大，而且邊頻個數(shù)較少，特別是當(dāng)mfL 1時，頻譜結(jié)構(gòu)同調(diào)幅波

10、，只需保留3c±0兩條邊頻，如圖 4-21(b)所示。所謂寬帶調(diào)頻是指最大頻偏大于基帶頻率，即mf >1o寬帶調(diào)頻具有載頻分量的幅值較小，邊頻較多等特點。如圖4-21(a)所示為寬帶調(diào)頻?；谡{(diào)頻波頻譜結(jié)構(gòu)的特點，調(diào)角信號的有效頻譜寬度，可由卡森( 出：Carson)公式給調(diào)頻波BWCr =2(mf +1)F(4-41)調(diào)相波BWCr =2(m p +1)F(4-42)式中，mf、mp為調(diào)角指數(shù)。F為調(diào)制信號的頻率，F(xiàn)o2兀(a)1:,11 1 1 1 11 1 1 1 r 1 ；3fc3 c-Q 3 c+ QBW(b)一IIkQujr3c3 cQ3 c+ Q圖4-21調(diào)頻波頻

11、譜結(jié)構(gòu)圖順帶說明，調(diào)頻信號的帶寬基本上不隨調(diào)制信號的頻率變化而變化。，屬于恒定帶寬調(diào)制。而調(diào)相信號的帶寬隨調(diào)制信號的頻率變化，其帶寬利用率低。因此，在模擬通信中較多采用調(diào)頻方式。4.3.5調(diào)頻信號的產(chǎn)生方法由調(diào)頻波和調(diào)相波的表達(dá)式可以看出，無論是調(diào)頻或調(diào)相，都是使載波瞬時相位發(fā)生變化。說明二者之間可以相互轉(zhuǎn)化的。圖4-22給出了調(diào)頻信號產(chǎn)生的兩種方法。圖4-22 ( a)% L G)(b)頻率調(diào)制器為直接調(diào)頻法圖4-22 ( b)為間接調(diào)頻法。(a)圖4-22調(diào)頻信號產(chǎn)生原理方框圖(a)直接調(diào)頻(b)間接調(diào)頻1. 直接調(diào)頻法直接調(diào)頻是用調(diào)制信號直接控制載波振蕩器振蕩元件的參數(shù)，如控制振蕩回路的

12、電容C (或電感L),使振蕩頻率隨調(diào)制信號變化而變化，從而產(chǎn)生調(diào)頻波的方法。目前廣泛采用的是變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路，這種電路簡單，性能良好。變?nèi)荻O管是利用電路符號和特性曲線如圖知，變?nèi)荻O管的結(jié)電容Cj隨外加反向偏置電壓變化而變化。若將變?nèi)荻O管接入LC正PN結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓變化這一特性制成的一種壓控電抗元件。4-23所示。當(dāng)變?nèi)荻O管工作于反向偏壓狀態(tài)時，由特性曲線可則可實現(xiàn)直接調(diào)頻。弦波振蕩器的諧振電路中，如圖4-24所示為變?nèi)荻O管直接調(diào)頻原理圖。圖中虛線部分為電容如圖4- 24所示為變?nèi)荻O管直接調(diào)頻原理圖。圖中虛線部分為電容三點式振蕩電路，將變?nèi)荻O管作為壓控電 容接入LC振蕩

13、電路中，由正弦波振蕩器知識可知， 振蕩器頻率取決于電感 L和電容G、C2與變?nèi)荻O管的結(jié)電容 Cj的值。將基帶電壓加到變?nèi)荻O管兩端，就能實現(xiàn)調(diào)制信號對總電容量C的控制，從而也就控制了 LC回路的諧振頻率，從而實現(xiàn)了直接調(diào)頻。 直接調(diào)頻電路的特點是電路簡單、頻偏較大，但頻率穩(wěn)定性較差。圖4-23變?nèi)荻O管符號和特性曲線L可控電元件圖4-24變?nèi)荻O管直接調(diào)頻原理圖2.間接調(diào)頻法由于調(diào)頻信號與調(diào)相信號之間存在一定的聯(lián)系，若先將調(diào)制信號相器對載頻信號調(diào)相，則從調(diào)相器輸出的便是對調(diào)制信號而言的調(diào)頻信號。 間接調(diào)頻原理框圖，這種利用調(diào)相器實現(xiàn)調(diào)頻的方法稱為間接調(diào)頻法。 的關(guān)鍵電路是調(diào)相器。間接調(diào)頻法將

14、振蕩和調(diào)制分兩級完成。載波信號可以由晶振產(chǎn)生,是頻偏比較小，若要增加頻偏，需要外加擴(kuò)頻電路。««儲號出七(t)積分，再加到調(diào)圖4- 25所示為可見，實現(xiàn)間接調(diào)頻頻率穩(wěn)定性較好，但圖4-25間接調(diào)頻法原理框圖4.3.6 調(diào)頻電路識讀產(chǎn)生調(diào)頻信號的電路叫頻率調(diào)制器，簡稱調(diào)頻器。本節(jié)介紹幾個典型電路的調(diào)頻原理。1.調(diào)頻電路的質(zhì)量指標(biāo)（1） 調(diào)制特性 是指調(diào)頻波頻率偏移與調(diào)制電壓之間的關(guān)系曲線。要求它們之間呈線性 關(guān)系。曲線的線性范圍越寬，實現(xiàn)線性調(diào)頻的范圍也越寬，最大頻偏也越大。提高靈敏度,（2） 調(diào)制靈敏度單位調(diào)制電壓所產(chǎn)生的頻率偏移大小稱為調(diào)制靈敏度。 可提高調(diào)制信號的控制作

15、用。f。它是根據(jù)（3） 中心頻率穩(wěn)定度 調(diào)頻波的中心頻率就是載波頻率。 雖然調(diào)頻信號的瞬時頻率隨調(diào) 制信號變化。但要求調(diào)頻電路中心頻率要有足夠的穩(wěn)定度。例如，調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)，要求中 心頻率頻移不超出± 2kHz。（4）頻偏 是指在正常調(diào)制電壓作用下，所能達(dá)到的最大頻率偏移量 對調(diào)頻指數(shù)mf的要求確定的，要求其數(shù)值在整個調(diào)制信號所占有的頻帶內(nèi)保持穩(wěn)定。圖中，電感L和變?nèi)荻OUq和調(diào)制信號電壓2. 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路（1）變?nèi)荻O管饋電電路圖4-26為變?nèi)荻O管饋電電路, 管的結(jié)電容Cj組成振蕩電路。變?nèi)荻O管兩端的電壓包括靜態(tài)電壓u/t）。圖4-27 （a）示出了直流饋電等效電路。

16、調(diào)制信號饋入的交流等效電路如圖4-27（ b）所示。為了防止Uq和Uf（t）對振蕩電路的影響，在電路中接入了L1和C3。其中L,為高頻扼圖 4-27變?nèi)荻O管饋電等效電路（a）直流饋電等效電流（b）調(diào)制信號饋電等效電路流圈，它對調(diào)制電壓 ujt）和靜態(tài)電壓Uq阻抗近似為零，視為短路，而對高頻電壓阻抗很大，視為開路。C2為高頻濾波電容。電容 G、C3有隔直作用，電容 C3防止電感L將信號 u/t）和Uq短路。變?nèi)荻O管兩端的電壓 Ud =Uq +uyt）,在此電壓作用下，變?nèi)荻O管的結(jié)電容Cj將隨著ujt）的變化而變化。（2）變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路圖4- 28是某通信機(jī)的變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路。

17、圖中,電阻 R=10k Q、R2 = 4.3kR3=1k Q;電容 C1 =1000pF、C2=10pF > C3 =15pF> C4=15pF、C5 =33pF、C6 =1000pF、C7=1000pF ;電感L,= 12 AH、L2=1H、L3 =mH、 5=20 AH ;變?nèi)荻O管 Dj、D2型號為2X 2CC1E它的基本電路是電容三點式振蕩器。圖4-29為其高頻等效電路。圖4-28變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路圖4-28中，調(diào)制信號U0（t）、偏置電壓Ub以及變?nèi)荻O管 D1、D2、C5、C6、C7、Li構(gòu)成了饋電電路。 Di、D2為同極對接的兩個變?nèi)荻O管，直流偏置同時加到兩管正

18、極,調(diào)制信號經(jīng)電感加到兩管負(fù)極，兩管構(gòu)成反向串聯(lián)組態(tài)，可消除某些高頻諧波干擾。 控制回L ,可使電路的中心頻率在路的總電容為D1、D2串聯(lián)后再與C5串聯(lián)的值。這樣控制電路的總電容隨調(diào)制信號七(t)變 化，從而實現(xiàn)調(diào)頻。另外，改變變?nèi)荻O管的偏置及調(diào)節(jié)電感50100MHz范圍內(nèi)變化。(3) 晶體振蕩器直接調(diào)頻電路在第三章我們討論了石英晶體振蕩器的幅頻特性曲線，從特性曲線可以看出， 石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率，即串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp,當(dāng)工作頻率f滿足fs < f < fp時，石英晶體振蕩器等效于一個電感(其品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)高于普通導(dǎo)線組成的電感)，超出這一范圍即表現(xiàn)為電容，利

19、用諧振器這一特性可構(gòu)成頻率穩(wěn) 定的振蕩電路。BT,為晶體振蕩器，Cj為變?nèi)荻鐖D4-30所示，為晶體振蕩器直接調(diào)頻電路。圖中,極管，型號為1SV147 , VT1為高頻三極管，各電阻和電容的數(shù)值如下：R=2.2k Q、R2 =33kQ、R3=33k Q、R4=100k Q、Ci =47pF、C2 =68pF。中高頻管其交流等效電路如VT、電容Ci、C2、晶體BT、變?nèi)莨蹸j組成電容三點式振蕩電路,4-31所示。諧振時晶體 BT等效于電感，因此用電感符號表示，變?nèi)莨芟喈?dāng)于一可變電容。振蕩頻率由LC諧振頻率決定,電容CjST與BT相串聯(lián)，振蕩頻率將隨Cj容量的變化而變化。當(dāng)調(diào)制信號增大時，變?nèi)荻O管的反偏電壓增加, 其電容減小，振蕩頻率變高；調(diào)制信號減小時，變?nèi)?管反偏壓