第8章 角度調制與解調

1、8.1 概述概述8.2 調角波的性質調角波的性質8.3 調頻方法概述調頻方法概述8.4 變容二極管調頻變容二極管調頻8.5 晶體振動器直接調頻晶體振動器直接調頻8.6 間接調頻：由調相實現(xiàn)調頻間接調頻：由調相實現(xiàn)調頻8.7 相位鑒頻器相位鑒頻器 教學目的一、概述一、概述角度調制和解調電路都屬于角度調制和解調電路都屬于頻譜頻譜非線性變換非線性變換電路。電路。無論是調頻還是調相最終都表現(xiàn)為已調波的總相位（角度）無論是調頻還是調相最終都表現(xiàn)為已調波的總相位（角度）受到調制信號的控制，故統(tǒng)稱為角度調制。受到調制信號的控制，故統(tǒng)稱為角度調制。角度調制可分為兩種：角度調制可分為兩種：頻率調制或調頻頻率調制

2、或調頻：FM(Frequency Modulation) 振幅不變，振幅不變，瞬時頻率瞬時頻率隨調制信號的振幅線性變化隨調制信號的振幅線性變化相位調制或調相：相位調制或調相：PM(Phase Modulation) 振幅不變，振幅不變，相位相位隨調制信號的振幅線性變化隨調制信號的振幅線性變化 8.1 概述概述 調幅：將調制信號的低頻頻譜結構線性搬移到載波附近的高頻區(qū)。調幅：將調制信號的低頻頻譜結構線性搬移到載波附近的高頻區(qū)。 載波的振幅隨調制信號的變化而變化，載波的頻率和相載波的振幅隨調制信號的變化而變化，載波的頻率和相 位不受調制信號的控制，屬于位不受調制信號的控制，屬于線性頻譜搬移技術。線

3、性頻譜搬移技術。二、調幅與調角的區(qū)別：二、調幅與調角的區(qū)別：調角：已調波的頻譜結構與原調制信號的頻譜結構完全不同。載調角：已調波的頻譜結構與原調制信號的頻譜結構完全不同。載 波的振幅不變，它的頻率和相位受調制信號的控制，屬于波的振幅不變，它的頻率和相位受調制信號的控制，屬于 非線性頻譜搬移技術。非線性頻譜搬移技術。8.1 概述概述8.1 概述概述AMFMtV000cosvtVcosvtV000cosvtVcosv 0D D m 0+D D m8.1 概述概述三、調頻的優(yōu)缺點：三、調頻的優(yōu)缺點：調頻優(yōu)點：調頻優(yōu)點： 抗干擾性強抗干擾性強 功率管利用率高功率管利用率高 信號傳輸保真度高信號傳輸保真

4、度高調頻缺點：調頻缺點： 只能工作在超短波以上波段只能工作在超短波以上波段 電路結構復雜電路結構復雜8.1 概述概述四、調頻與調相的比較四、調頻與調相的比較在數(shù)字通信中，相位鍵控的抗干擾能力優(yōu)于頻率在數(shù)字通信中，相位鍵控的抗干擾能力優(yōu)于頻率鍵控和幅度鍵控，因而調相制獲得廣泛應用鍵控和幅度鍵控，因而調相制獲得廣泛應用。在模擬通信中，系統(tǒng)帶寬相同時，調頻系統(tǒng)接收機在模擬通信中，系統(tǒng)帶寬相同時，調頻系統(tǒng)接收機輸出端的信噪比明顯優(yōu)于調相系統(tǒng)，故廣泛采用調輸出端的信噪比明顯優(yōu)于調相系統(tǒng)，故廣泛采用調頻制。廣泛用于廣播、電視、通信、遙感技術。頻制。廣泛用于廣播、電視、通信、遙感技術。8.1 概述概述1.調

5、頻波的指標調頻波的指標寄生調幅寄生調幅頻譜寬度頻譜寬度抗干擾能力抗干擾能力五、調頻波的指標、鑒頻方法和鑒頻指標五、調頻波的指標、鑒頻方法和鑒頻指標2. 鑒頻方法鑒頻方法利用波形變換電路進行鑒頻利用波形變換電路進行鑒頻脈沖計數(shù)式鑒頻器脈沖計數(shù)式鑒頻器符合門鑒頻器符合門鑒頻器3.鑒頻器的指標鑒頻器的指標（2）鑒頻靈敏度）鑒頻靈敏度（1）鑒頻跨導）鑒頻跨導（3）鑒頻頻帶寬度）鑒頻頻帶寬度（4）寄生調幅抑制能力）寄生調幅抑制能力（5）失真和穩(wěn)定性）失真和穩(wěn)定性8.1 概述概述調頻：使高頻載波的瞬時頻率隨調制信號線性變化的調頻：使高頻載波的瞬時頻率隨調制信號線性變化的一種調制方式。一種調制方式。調相：使

6、高頻載波的瞬時相位隨調制信號線性變化的調相：使高頻載波的瞬時相位隨調制信號線性變化的一種調制方式。一種調制方式。 這兩種調制都表現(xiàn)為高頻載波的總瞬時相角受到這兩種調制都表現(xiàn)為高頻載波的總瞬時相角受到調變，故將它們統(tǒng)稱為調變，故將它們統(tǒng)稱為角度調制角度調制(簡稱調角簡稱調角) 。8.2 調頻波的性質調頻波的性質8.2 調頻波的性質調頻波的性質8.2 調頻波的性質調頻波的性質瞬時頻率瞬時頻率)(t瞬時相位瞬時相位)(t00t0實軸實軸)(ttt )(t00)(tttd)(ttdd1、調頻波數(shù)學表達式、調頻波數(shù)學表達式)()(0tktvf設：調制信號為設：調制信號為v (t)，瞬時頻率偏移，簡稱頻移

7、。瞬時頻率偏移，簡稱頻移。)()(tktDvf最大頻移（即頻偏）最大頻移（即頻偏）,表示為：表示為：max)(tkDvf載波信號載波信號)cos()(000tVtv瞬時頻率瞬時頻率:000)()(ttkttdfv000)(dttkttvf瞬時相位：瞬時相位：相移：相移：；ttkttdffD0)()(vmax0)(ttktdffDvfm8.2 調頻波的性質調頻波的性質以單音調制波為例以單音調制波為例調制信號調制信號tVtcos)(vtVktcos)(0f00sin)(tVkttf瞬時頻率瞬時頻率瞬時相位瞬時相位已調頻信號：已調頻信號：)sincos()(000tVktVtaf)sincos(00

8、0tmtVfVkmffDf8.2 調頻波的性質調頻波的性質2、調相波數(shù)學表達式、調相波數(shù)學表達式00)()(tkttvp)()(00tktttvpdd瞬時瞬時相位相位偏移，簡稱偏移，簡稱相相移。移。)()(tktDvp最大相移（即相偏）最大相移（即相偏）,表示表示為：為：max)(tkDvp)(0ttkvddp瞬時相位：瞬時相位：瞬時頻率瞬時頻率:頻偏頻偏:max)()(ttktDvddpppm調制指數(shù)（最大相移）調制指數(shù)（最大相移）00cos)(tVkttptVktsin)(0p瞬時頻率瞬時頻率瞬時相位瞬時相位已調相信號：已調相信號：)coscos()(000tVktVtap)coscos(

9、000tmtVpppVkm DpDm以單音調制波為例：以單音調制波為例：調制信號調制信號tVtcos)(v8.2 調頻波的性質調頻波的性質附：上述比較中的調制信號附：上述比較中的調制信號 v (t)，載波，載波V0mcos 0(t)數(shù)學表達式數(shù)學表達式ttktVtd)(cos0f00v瞬時頻率瞬時頻率瞬時相位瞬時相位頻偏頻偏調制指數(shù)調制指數(shù)FM波波PM波波ttkddp)(0vtttkt0f0d)(vmaxpmd)(dttkDvmax0fd )(ttkmtfvmaxpp)(tkmv)(cosp00tktV v)(f0tvk)(p0tkt vmaxfm)(tkDv8.2 調頻波的性質調頻波的性質m

10、 pmmm f調頻：調頻：調相：調相： 可以看出調相制的信號帶寬隨調制信號頻率的可以看出調相制的信號帶寬隨調制信號頻率的升高而增加，而調頻波則不變，有時把調頻制叫做升高而增加，而調頻波則不變，有時把調頻制叫做恒定帶寬調制。恒定帶寬調制。VkmffDfVkmppDpDVkffDVkpp 由于調頻波和調相波的方程式相似，因此只要分析其中一由于調頻波和調相波的方程式相似，因此只要分析其中一種的頻譜，則對另一種也完全適用。種的頻譜，則對另一種也完全適用。已調頻信號已調頻信號)sincos()(00tmtVtaf已調相信號已調相信號)coscos()(00tmtVtap已調頻信號已調頻信號)sincos

11、()(00tmtVtaf)sinsin(sin)sincos(cos000tmttmtVff其中其中tnmJmJtmn2cos)(2)()sincos(120fnfftnmJtmn) 12sin()(2)sinsin(012fnf)(fnmJ是以是以mf為參數(shù)的為參數(shù)的n階第一類貝賽爾函數(shù)。階第一類貝賽爾函數(shù)。1、頻譜、頻譜調制信號調制信號tVtcos)(v) 12sin()(2sin2cos)(2)(cos)(0f1n201fn2f000tnmJttnmJmJtVtannsin) 12sin()(2cos2cos)(2cos)(00f1n201fn20f00ttnmJttnmJtmJVnn)

12、12(cos)12(cos)()2cos()2cos()(cos)(000f1n20001fn20f00tntnmJVtntnmJtmJVnn 1) 調頻波的頻譜不是調制信號頻譜的簡單搬移，是調頻波的頻譜不是調制信號頻譜的簡單搬移，是由載波和無數(shù)對邊帶分量所組成，由載波和無數(shù)對邊帶分量所組成， 振幅由對應的各振幅由對應的各階貝塞爾函數(shù)值所確定。奇次的上、下邊帶分量振階貝塞爾函數(shù)值所確定。奇次的上、下邊帶分量振幅相等、極性相反；偶次的振幅相等、極性相同。幅相等、極性相反；偶次的振幅相等、極性相同。 2) 調制指數(shù)調制指數(shù)mf越大，具有較大振幅的邊頻分量就越大，具有較大振幅的邊頻分量就越多。越多。

13、 3) 對于某些對于某些mf值，載頻或某邊頻振幅為零。籍此可值，載頻或某邊頻振幅為零。籍此可以測定調制指數(shù)以測定調制指數(shù)mf。 頻譜特點：頻譜特點： 4)調頻波的平均功率恒為定值，并且等于未調制時調頻波的平均功率恒為定值，并且等于未調制時的載波功率。的載波功率。 )(2)(2)(202121222020nnmJmJmJRVPfnfnff fnf )(2)(2122020nmJmJRVRV220 根據帕塞瓦爾根據帕塞瓦爾(Parseval)定理調頻波的平均功率定理調頻波的平均功率等于各頻譜分量平均功率之和。因此，在電阻等于各頻譜分量平均功率之和。因此，在電阻R上，上，調頻波的平均功率應為調頻波的

14、平均功率應為2、帶寬、帶寬 通常規(guī)定：凡是振幅小于未調制載波振幅的通常規(guī)定：凡是振幅小于未調制載波振幅的1(或或10，根據不同要求而定，根據不同要求而定)的邊頻分量均可忽略的邊頻分量均可忽略不計，保留下來的頻譜分量就確定了調頻波的頻帶不計，保留下來的頻譜分量就確定了調頻波的頻帶寬度。寬度。 如果將小于調制載波振幅如果將小于調制載波振幅l0的邊頻分量略去的邊頻分量略去不計，則頻譜寬度不計，則頻譜寬度BW可由下列近似公式求出：可由下列近似公式求出：)(2) 1(2fFfFmBWD1）頻帶寬度）頻帶寬度在實際應用中：在實際應用中：)AM(2, 1f波波頻頻帶帶相相同同與與窄窄帶帶調調頻頻FBWmFm

15、BWm)1(2, 1ff寬寬帶帶調調頻頻)(22,10mmff為為最最大大頻頻偏偏ffFmBWmDD 調制指數(shù)越大，應當考慮的邊頻分量的數(shù)目調制指數(shù)越大，應當考慮的邊頻分量的數(shù)目就越多，無論對于調頻還是調相均是如此。就越多，無論對于調頻還是調相均是如此。2）頻帶寬度與調制指數(shù)的關系）頻帶寬度與調制指數(shù)的關系（1）調頻波的頻帶寬度與調制頻率的關系）調頻波的頻帶寬度與調制頻率的關系VkmffffFDD在常用的寬帶調頻制中，僅當在常用的寬帶調頻制中，僅當F變化時：變化時：3）頻帶寬度與調制頻率的關系）頻帶寬度與調制頻率的關系 mf隨隨F降低而增大，應考慮到邊頻分量增多；但降低而增大，應考慮到邊頻分量

16、增多；但同時各邊頻之間的距離縮小，兩種變化對帶寬的影同時各邊頻之間的距離縮小，兩種變化對帶寬的影響是相反的，總的趨勢是使帶寬基本恒定。因此又響是相反的，總的趨勢是使帶寬基本恒定。因此又把調頻叫做恒定帶寬調制。把調頻叫做恒定帶寬調制。調頻波的頻譜調頻波的頻譜VkmppDp（2）調相波的頻帶寬度與調制頻率的關系）調相波的頻帶寬度與調制頻率的關系 mp不隨不隨F變化，應考慮到邊頻數(shù)目不變；但各邊變化，應考慮到邊頻數(shù)目不變；但各邊頻之間的距離隨頻之間的距離隨F變化，因此頻帶寬度隨變化，因此頻帶寬度隨F變化。變化。 4）多個頻率成分調制信號的調頻信號的頻譜）多個頻率成分調制信號的調頻信號的頻譜)sins

17、insin(sin)sinsincos(cos)sinsincos()(22f11f022f11f0022f11f00tmtmttmtmtVtmtmtVta以雙頻信號為例以雙頻信號為例tnmJmJtmn2cos)(2)()sincos(120fnfftnmJtmn) 12sin()(2)sinsin(012fnf 此時增加了許多組合頻率，使頻譜組成大為復雜。因此，此時增加了許多組合頻率，使頻譜組成大為復雜。因此，調頻與調相制屬于非線性調制。調頻與調相制屬于非線性調制。對調頻電路的主要要求：對調頻電路的主要要求：產生調頻信號的方法：產生調頻信號的方法：（1）已調波的瞬時頻率與調制信號成比例地變化

18、。）已調波的瞬時頻率與調制信號成比例地變化。（2）未調制時的載波頻率，即已調波的中心頻率具）未調制時的載波頻率，即已調波的中心頻率具有一定的穩(wěn)定度（視應用場合不同而有不同的要求）。有一定的穩(wěn)定度（視應用場合不同而有不同的要求）。（3）最大頻移與調制頻率無關。）最大頻移與調制頻率無關。（4）無寄生調幅或寄生調幅盡可能小。）無寄生調幅或寄生調幅盡可能小。直接調頻直接調頻用調制信號直接控制載波的瞬時頻率。用調制信號直接控制載波的瞬時頻率。間接調頻間接調頻由調相變調頻。（先對調制信號積分，由調相變調頻。（先對調制信號積分，然后對載波進行調相）然后對載波進行調相）8.3 調頻方法概述調頻方法概述8.3

19、調頻方法概述調頻方法概述 直接調頻的基本原理是用調制信號直接線性地改直接調頻的基本原理是用調制信號直接線性地改變載波振蕩的瞬時頻率。變載波振蕩的瞬時頻率。 如果載波由如果載波由LC自激振蕩器產生，則振蕩頻率主自激振蕩器產生，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，要由諧振回路的電感元件和電容元件所決定。因此，只要能用調制信號去控制回路的電感或電容，就能只要能用調制信號去控制回路的電感或電容，就能達到控制振蕩頻率的目的。達到控制振蕩頻率的目的。8.3 調頻方法概述調頻方法概述瞬時頻率瞬時頻率)(t瞬時相位瞬時相位)(t00)(tttd)(ttdd借助于調相器得到調頻波借助于調相

20、器得到調頻波tttkt0)()(dfDv)(cos)(000ttktAtatdpv間接調頻中若間接調頻中若載波采用石英載波采用石英晶體振蕩器，晶體振蕩器，則調頻波的中則調頻波的中心頻率的穩(wěn)定心頻率的穩(wěn)定度很高。度很高。主要優(yōu)點：能夠獲得較大的頻移（相對于間接調頻而主要優(yōu)點：能夠獲得較大的頻移（相對于間接調頻而言），線路簡單，并且?guī)缀醪恍枰{制功率。言），線路簡單，并且?guī)缀醪恍枰{制功率。主要缺點：中心頻率穩(wěn)定度低。主要缺點：中心頻率穩(wěn)定度低。應用范圍：在移動通信以及自動頻率微調系統(tǒng)中。應用范圍：在移動通信以及自動頻率微調系統(tǒng)中。8.4 變容二極管調頻變容二極管調頻 利用半導體利用半導體PNPN

21、結的結電容隨反向電壓變化特性結的結電容隨反向電壓變化特性制成的一種半導體二極管制成的一種半導體二極管( (變容變容二極管二極管）。結電容）。結電容C Cj j與反向電壓與反向電壓vR R存在如下關系：存在如下關系：反向電壓反向電壓tVVtcos)(0RvjjD)1 (0VCCRv式中式中 Cj0： 0RvRv：反向偏置電壓，：反向偏置電壓，VD：PN結勢壘電位差。結勢壘電位差。 ：結電容變化指數(shù)，通常：結電容變化指數(shù)，通常=1/21/3，經特殊工，經特殊工藝制成的超突變結電容藝制成的超突變結電容=15。 tmCtmVVCtVVVVVVCVtVVCVtVVCCjjjjcos1cos11cos1c

22、os1)cos(10D000DD0D0D00D00j其中其中： D0001VVCCj為靜態(tài)工作點為靜態(tài)工作點(即調制信即調制信號為零）的結電容。號為零）的結電容。 m為調制深度為調制深度 LC互感耦合正弦振蕩電路?；ジ旭詈险艺袷庪娐贰LCCCCCCcc100011,則振蕩頻率為：當調制信號為零時，振蕩回路總電容為： ：時，振蕩回路總電容為當調制信號tVtcos)(v)cos1 (110111tmCCCCCCCCCCCCCCccjccjcjc001)cos1 (1)(CCCtmCCCCCtCccccDCCCLCCLCLDDD111)(111110振蕩頻率變?yōu)椋?2020002)1 ()(21

23、11DDDDDDDCCCC可得：CCDD210，上式可簡化為：小頻偏時：D0tmtmtmtm3322cos)2)(1(61cos) 1(21cos1)cos1 (),(12coscos12cos) 1(41cos) 2)(1(8 81) 1(411210222mtAtAAtmtmmm)1)(,(1 ),(1),(1 1)(0000200CCmCCCCmCCCCCmCCCtCccccccccD）通常滿足條件：0020021),(C(),()1 (CCmCmCCCCcccc),(2)()(0200mCCCCCftfccDCCpKCCCpcc2,020令：2coscos),()(:21000DtAt

24、AAKfmKftf則 與調制信號成線性關系的成份，其最大頻移為：02011)2)(1(881KfmmfKAfDKfmfKAfKfmfKAf303302022)2)(1(241) 1(41DD數(shù)。三次、總非線性失真系分別為二次、2322133122,kkkffkffkDDDD02000) 1(41KfmfKAfD 直接調頻的主要優(yōu)點是可以獲得較大的頻偏，直接調頻的主要優(yōu)點是可以獲得較大的頻偏，但是中心頻率的穩(wěn)定性（主要是長期穩(wěn)定性）較差。但是中心頻率的穩(wěn)定性（主要是長期穩(wěn)定性）較差。穩(wěn)定中心頻率可以采用對石英晶體振蕩器進行直接穩(wěn)定中心頻率可以采用對石英晶體振蕩器進行直接調頻。變容二極管接入振蕩回

25、路有兩種方式。調頻。變容二極管接入振蕩回路有兩種方式。 變容二極管接入振蕩回路有兩種方式。一種是變容二極管接入振蕩回路有兩種方式。一種是與石英晶體相串聯(lián)，另一種是與石英晶體相并聯(lián)。與石英晶體相串聯(lián)，另一種是與石英晶體相并聯(lián)。變容二極管與晶體并聯(lián)連接方式有一個較大的缺點，變容二極管與晶體并聯(lián)連接方式有一個較大的缺點，就是變容管參數(shù)的不穩(wěn)定性直接嚴重地影響調頻信就是變容管參數(shù)的不穩(wěn)定性直接嚴重地影響調頻信號中心頻率的穩(wěn)定度。因而用得比較廣泛的還是變號中心頻率的穩(wěn)定度。因而用得比較廣泛的還是變容管與石英晶體相串聯(lián)的方式。容管與石英晶體相串聯(lián)的方式。8.5 晶體振動器直接調頻晶體振動器直接調頻 8.5

26、 晶體振動器直接調頻晶體振動器直接調頻Pierce Oscillators (cb)型振蕩器型振蕩器8.5 晶體振動器直接調頻晶體振動器直接調頻高穩(wěn)定度高穩(wěn)定度載波振蕩載波振蕩器器 相位相位調制器調制器積分積分 電路電路多級倍頻多級倍頻和混頻器和混頻器寬帶寬帶 )(tFMv)(tvtt d)(v窄帶窄帶)(tFMv 采用高穩(wěn)定度的晶體振蕩器作為主振級，然后再對這個采用高穩(wěn)定度的晶體振蕩器作為主振級，然后再對這個穩(wěn)定的載頻信號進行調相，這樣一來就可得到中心頻率穩(wěn)定穩(wěn)定的載頻信號進行調相，這樣一來就可得到中心頻率穩(wěn)定度高的調頻信號。度高的調頻信號。8.6 間接調頻：由調相實現(xiàn)調頻間接調頻：由調相實

27、現(xiàn)調頻 調相的方法通常有三類：一類是用調制信號控制諧振回路調相的方法通常有三類：一類是用調制信號控制諧振回路或移相網絡的電抗或電阻元件以實現(xiàn)調相。第二類是矢量合成或移相網絡的電抗或電阻元件以實現(xiàn)調相。第二類是矢量合成法調相。第三類是脈沖調相。法調相。第三類是脈沖調相。1）諧振回路或移相網絡的調相方法）諧振回路或移相網絡的調相方法（1）利用諧振回路調相）利用諧振回路調相)2arctan(0ffQDD8.6.1 調相的方法調相的方法（2）利用移相網絡調相）利用移相網絡調相iViViV28.6.1 調相的方法調相的方法2）合成調相法阿姆斯特朗法）合成調相法阿姆斯特朗法)(sinsin)(coscos)(0000tAtAtAtAtappvv6|)(|ptkvttAAtAta0000sin)(cos)(pvtA00costtAA00sin)(pv8.6.1 調相的方法調相的方法實現(xiàn)矢量合成法的方框圖實現(xiàn)矢量合成法的方框圖8.6.1 調相的方法調相的方法用載波振蕩與雙邊帶調幅波疊加以實現(xiàn)調相用載波振蕩與雙邊帶調幅波疊加以實現(xiàn)調相8.6.1 調相的方法調相的方法8.6.1 調相的方法調相的方法1.電路電路8.7 相位鑒頻器相位鑒頻器12122121212121VVVVVVVVVVabbcDabacD1121,IMj