角度調(diào)制與解調(diào)

角度調(diào)制與解調(diào)第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二頻率調(diào)制又稱調(diào)頻（FM），是使高頻振蕩信號(hào)的頻率按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，而振幅保持恒定的一種調(diào)制方式。調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)稱為鑒頻或頻率檢波。相位調(diào)制又稱調(diào)相（PM），是相位按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，振幅保持不變。調(diào)相信號(hào)的解調(diào)稱為鑒相或相位檢波。調(diào)頻和調(diào)相統(tǒng)稱為角度調(diào)制，屬于頻譜的非線性變換，其抗干擾和噪聲的能力較強(qiáng)。

第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二載波電壓

調(diào)制信號(hào)調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)角頻率調(diào)頻信號(hào)的表達(dá)式與波形

調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)相位

設(shè)

，則

8.1

角度調(diào)制信號(hào)分析第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二：是比例常數(shù)，表示調(diào)頻信號(hào)的基本參數(shù)：載波角頻率，它是沒有受調(diào)時(shí)的載波頻率。

：調(diào)制信號(hào)角頻率，它反映了受調(diào)制的信號(hào)的瞬時(shí)頻率變化的快慢。

：相對(duì)于載頻的最大角頻偏(峰值角頻偏)

：最大頻偏

對(duì)最大角頻偏的控制能力，單位調(diào)制電壓產(chǎn)生的頻率偏移量，稱為調(diào)頻靈敏度。：調(diào)頻波的調(diào)制指數(shù)。與成正比,與成反比。為調(diào)頻指數(shù)，可得FM波的表示式為：

第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二因?yàn)槭侵芷跒?π/Ω的周期性時(shí)間函數(shù)，可以將它展開為傅氏級(jí)數(shù)，其基波角頻率為Ω，即Jn(mf)是宗數(shù)為mf的n階第一類貝塞爾函數(shù),它可以用無窮級(jí)數(shù)進(jìn)行計(jì)算:調(diào)頻波的頻譜1.調(diào)頻波的展開式它隨mf變化的曲線如圖所示，并具有以下特性:Jn(mf)=J-n(mf),n為偶數(shù)

Jn(mf)=-J-n(mf),n為奇數(shù)第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二圖8.1第一類貝塞爾函數(shù)曲線

第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二對(duì)稱地分布在載頻兩邊，其幅度決定于調(diào)制指數(shù)

。將上式進(jìn)一步展開，有

調(diào)頻波是由載波與無數(shù)邊頻組成，這些邊頻調(diào)頻波的特點(diǎn)：第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二單頻調(diào)制時(shí)FM波的振幅譜第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二圖8.2調(diào)頻信號(hào)的矢量表示

第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二圖8.3|Ｊn(mf)|≥0.01時(shí)的n/mf曲線第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

通常采用的準(zhǔn)則是，信號(hào)的頻帶寬度應(yīng)包括幅度大于未調(diào)載波1%以上的邊頻分量，即

|Jn(mf)|≥0.01

當(dāng)mf很大時(shí)，n/mf趨近于1。因此當(dāng)mf1時(shí)，應(yīng)將n=mf的邊頻包括在頻帶內(nèi)，此時(shí)帶寬為

Bs=2nF=2mfF=2Δfm

當(dāng)mf很小時(shí)，如mf<0.5，為窄頻帶調(diào)頻，此時(shí)

Bs=2F調(diào)頻波的信號(hào)帶寬第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

當(dāng)調(diào)制信號(hào)不是單一頻率時(shí)，由于調(diào)頻是非線性過程，其頻譜要復(fù)雜得多。比如有F1、F2兩個(gè)調(diào)制頻率，可寫出

對(duì)于一般情況，帶寬為Bs=2(mf+1)F=2(Δfm+F)更準(zhǔn)確的調(diào)頻波帶寬計(jì)算公式為第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

調(diào)頻信號(hào)uFM(t)在電阻RL上消耗的平均功率為由于余弦項(xiàng)的正交性,總和的均方值等于各項(xiàng)均方值的總和,調(diào)頻波的功率第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)相波是其瞬時(shí)相位以未調(diào)載波相位φc為中心按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化的等幅高頻振蕩。如uΩ(t)=UΩcosΩt,并令φ0=0，則其瞬時(shí)相位為

φ(t)=ωct+Δφ(t)=ωct+kpuΩ(t)=ωct+ΔφmcosΩt=ωct+mpcosΩt從而得到調(diào)相信號(hào)為

uPM(t)=UCcos(ωct+mpcosΩt)調(diào)頻波與調(diào)相波的比較1.調(diào)相波第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)相波的瞬時(shí)頻率為圖8.4調(diào)相波Δfm、mp與F的關(guān)系

第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二圖8.5調(diào)相波波形第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

至于PM波的頻譜及帶寬，其分析方法與FM相同。調(diào)相信號(hào)帶寬為

Bs=2(mp+1)F圖8.6調(diào)頻與調(diào)相的關(guān)系

第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二（1）角度調(diào)制是非線性調(diào)制,在單頻調(diào)制時(shí)會(huì)出現(xiàn)（ωc±nΩ）分量,在多頻調(diào)制時(shí)還會(huì)出現(xiàn)交叉調(diào)制（ωc±nΩ1±kΩ2+…）分量。（2）調(diào)頻的頻譜結(jié)構(gòu)與mf密切相關(guān)。mf大,頻帶寬。（3）與AM制相比,角調(diào)方式的設(shè)備利用率高,因其平均功率與最大功率一樣。

2．調(diào)頻波與調(diào)相波的比較第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

調(diào)頻波與調(diào)相波的比較表

第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二1.直接調(diào)頻法

2.間接調(diào)頻法

用調(diào)制信號(hào)直接去控制振蕩器的振蕩頻率，使振蕩頻率隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。先將調(diào)制信號(hào)積分，再用積分信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)相，也稱為Armstrong法。特點(diǎn)：調(diào)制器與振蕩器分開，對(duì)振蕩器影響較小，頻率穩(wěn)定度高，但設(shè)備較復(fù)雜。（1）矢量合成法（適用于窄帶調(diào)頻或調(diào)相）

uPM=Ucos(ωct+mpcosΩt)=Ucosωctcos(mpcosΩt)-Usin(mpcosΩt)sinωct

8.2

調(diào)頻方法第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二圖8.7矢量合成法調(diào)頻第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二（3）可變延時(shí)法將載波信號(hào)通過一可控延時(shí)網(wǎng)絡(luò)，延時(shí)時(shí)間τ受調(diào)制信號(hào)控制，即τ=kduΩ(t)

u=Ucosωc(t-τ)=Ucos［ωct-kdωcuΩ(t)］（2）可變移相法利用調(diào)制信號(hào)控制移相網(wǎng)絡(luò)或諧振回路的電抗或電阻元件來實(shí)現(xiàn)調(diào)相。

對(duì)于直接調(diào)頻電路,調(diào)制特性的非線性隨最大相對(duì)頻偏Δfm/fc的增大而增大。當(dāng)最大相對(duì)頻偏Δfm/fc限定時(shí),對(duì)于特定的fc，Δfm也就被限定了,其值與調(diào)制頻率的大小無關(guān)。擴(kuò)大調(diào)頻器線性頻偏的方法第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)頻電路的調(diào)頻特性

1.定義：實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的電路或部件稱為調(diào)頻器（頻率調(diào)制器）或調(diào)頻電路。

3.對(duì)調(diào)頻器的主要要求：

（1）調(diào)制特性線性度要好（2）調(diào)制靈敏度要高（3）載波性能要好2.調(diào)頻特性：調(diào)頻器的調(diào)制特性。

圖8.8調(diào)頻特性曲線

第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二1.變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路變?nèi)荻O管可以看作一壓控電容，在調(diào)頻振蕩器中起著可變電容的作用。其結(jié)電容與在其兩端所加反偏電壓靜態(tài)工作點(diǎn)為時(shí)，變?nèi)荻O管結(jié)電容為：

之間存在著如下關(guān)系：直接調(diào)頻電路8.3

調(diào)頻電路第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二2.變?nèi)荻O管調(diào)頻原理

設(shè)在變?nèi)荻O管上加的調(diào)制信號(hào)電壓為，則，稱為電容調(diào)制度，它表示結(jié)電容受調(diào)制信號(hào)調(diào)變的程度。

第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二圖8.9變?nèi)莨茏鳛榛芈房傠娙萑拷尤牖芈?.變?nèi)荻O管全接入調(diào)頻電路第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二為回路總電容

二次諧波失真系數(shù)：

——稱為線性調(diào)頻

第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二變?nèi)莨芫€性調(diào)頻原理第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二4.晶體振蕩器直接調(diào)頻電路

電路的振蕩頻率為：

變?nèi)荻O管（對(duì)LC振蕩器）直接調(diào)頻電路的中心頻率穩(wěn)定度較差。為得到高穩(wěn)定度調(diào)頻信號(hào)，須采取穩(wěn)頻措施，有一種穩(wěn)頻的簡(jiǎn)單方法是直接對(duì)晶體振蕩器調(diào)頻，交流等效電路如下：第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

間接調(diào)頻的關(guān)鍵是調(diào)相，常用的調(diào)相電路有以下幾種：1.回路參數(shù)移相電路2.RC網(wǎng)絡(luò)移相電路3.可變延時(shí)法調(diào)相電路間接調(diào)頻電路第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二圖8.10

三級(jí)回路級(jí)聯(lián)的移相器第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二鑒頻器

1.定義：調(diào)頻波的解調(diào)稱為頻率檢波或鑒頻（FD），

調(diào)相波的解調(diào)稱為相位檢波或鑒相（PD）。

鑒頻器是一個(gè)將輸入調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率（或頻偏）變換為相應(yīng)的解調(diào)輸出電壓的變換器。2.鑒頻器的主要性能指標(biāo)：

（1）鑒頻器中心頻率

（2）鑒頻帶寬

（3）線性度

（4）鑒頻跨導(dǎo)

8.4調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二直接從調(diào)頻信號(hào)的頻率中提取原來調(diào)制信號(hào)的方法。

1.直接鑒頻法

1．振幅鑒頻法

（1）直接時(shí)域微分法

將等幅的調(diào)頻信號(hào)變成振幅也隨瞬時(shí)頻率變化的、既調(diào)頻又調(diào)幅的FM-AM波，通過包絡(luò)檢波器解調(diào)此調(diào)頻信號(hào)。

包絡(luò)檢波變換電路鑒頻方法2.間接鑒頻法

第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

利用調(diào)諧回路幅頻特性傾斜部分對(duì)FM波解調(diào)的方法稱為斜率鑒頻。

（2）斜率微分法

單回路斜率鑒頻器

第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二圖8.11

雙離諧平衡鑒頻器

第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二圖8.12各點(diǎn)波形圖8.13雙離諧鑒頻器的鑒頻特性第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

相位鑒頻法的原理框圖如圖所示。圖中的變換電路具有線性的頻率—相位轉(zhuǎn)換特性，它可以將等幅的調(diào)頻信號(hào)變成相位也隨瞬時(shí)頻率變化的、既調(diào)頻又調(diào)相的FM―PM波。

2．相位鑒頻法

圖8.14

相位鑒頻法的原理框圖第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

同時(shí)加于鑒相器，鑒相器的輸出電壓u0是瞬時(shí)相位差的函數(shù)，即設(shè)輸入鑒相器的兩個(gè)信號(hào)分別為

相位鑒頻法的關(guān)鍵是相位檢波器。相位檢波器或鑒相器就是用來檢出兩個(gè)信號(hào)之間的相位差，完成相位差—電壓變換作用的部件或電路。第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

利用乘積型鑒相器實(shí)現(xiàn)鑒頻的方法稱為乘積型相位鑒頻法或積分(Quadrature)鑒頻法。在乘積型相位鑒頻器中，線性相移網(wǎng)絡(luò)通常是單諧振回路(或耦合回路)，而相位檢波器為乘積型鑒相器，如圖所示。1)乘積型相位鑒頻法

設(shè)乘法器的乘積因子為K，則經(jīng)過相乘器和低通濾波器后的輸出電壓為第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

利用疊加型鑒相器實(shí)現(xiàn)鑒頻的方法稱為疊加型相位鑒頻法。對(duì)于疊加型鑒相器，就是先將u1和u2相加，把兩者的相位差的變化轉(zhuǎn)換為合成信號(hào)的振幅變化，然后用包絡(luò)檢波器檢出其振幅變化，從而達(dá)到鑒相的目的。

2)疊加型相位鑒頻法第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

調(diào)頻信號(hào)的信息寄托在已調(diào)波的頻率上。從某種意義上講，信號(hào)頻率就是信號(hào)電壓或電流波形單位時(shí)間內(nèi)過零點(diǎn)(或零交點(diǎn))的次數(shù)。對(duì)于脈沖或數(shù)字信號(hào)，信號(hào)頻率就是信號(hào)脈沖的個(gè)數(shù)?；谶@種原理的鑒頻器稱為零交點(diǎn)鑒頻器或脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻器。

3.直接脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻法第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二圖8.15直接脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻器

第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二疊加型相位鑒頻電路

1.互感耦合相位鑒頻器

互感耦合相位鑒頻器又稱福斯特.西勒(Foster―Seeley)鑒頻器。8.5

鑒頻電路第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

頻率—相位變換是由互感耦合回路完成的。由等效電路可知，初級(jí)回路電感L1中的電流為1)頻率—相位變換圖8.16互感耦合回路第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二考慮初、次級(jí)回路均為高Q回路，r1也可忽略。這樣，上式可近似為初級(jí)電流在次級(jí)回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在次級(jí)回路形成的電流為第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二圖8.17

頻率—相位變換電路的相頻特性

ξ=2QΔf/f0,則上式變?yōu)榈?6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

2)相位—幅度變換根據(jù)圖中規(guī)定的與的極性，在兩個(gè)檢波二極管上的高頻電壓分別為第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二①f=f0=fc時(shí)，與的振幅相等，即UD1=UD2;②f>f0=fc時(shí)，UD1>UD2，隨著f的增加，兩者差值將加大；③f<f0=fc時(shí)，UD1<UD2，隨著f的增加，兩者差值也將加大。圖8.18不同頻率時(shí)的與矢量圖

第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

設(shè)兩個(gè)包絡(luò)檢波器的檢波系數(shù)分別為Kd1,Kd2(通常Kd1=Kd12=Kd)，則兩個(gè)包絡(luò)檢波器的輸出為uo1=Kd1UD1,uo2=Kd2UD2。鑒頻器的輸出電壓為3)檢波輸出鑒頻特性曲線第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二圖8.19SD～A曲線

第50頁，共55頁，2023年，2月20日，星期二

比例鑒頻器是一種類似于疊加型相位鑒頻器，而又具有自限幅(軟限幅)能力的鑒頻器。它與互感耦合相位鑒頻器電路的區(qū)別在于：

(1)兩個(gè)二極管順接；

(2)在電阻(R1+R2)兩端并接一個(gè)大電容C，容量約在10μF數(shù)量級(jí)。時(shí)間常數(shù)(R1+R2)C很大，約0.1～0.25s，遠(yuǎn)大于低頻信號(hào)的周期；

(3)接地點(diǎn)和輸出點(diǎn)改變。比例鑒頻器1.電路第5