《角度調(diào)制與解調(diào)》PPT課件.ppt

1、,第8章 角度調(diào)制與解調(diào),主要內(nèi)容,8.0 概述 8.1 角度調(diào)制信號分析 8.2 調(diào)頻方法概述及直接調(diào)頻 8.3 間接調(diào)頻 8.4 調(diào)頻信號的解調(diào),8.0 概述,為什么要采用角度調(diào)制？,調(diào)頻是使高頻載波的瞬時(shí)頻率按調(diào)制信號規(guī)律變化的一種調(diào)制方式；調(diào)相是使高頻載波的瞬時(shí)相位按調(diào)制信號規(guī)律變化的一種調(diào)制方式。因?yàn)檫@兩種調(diào)制都表現(xiàn)為高頻振蕩波的總瞬時(shí)相角受到調(diào)變，故將它們統(tǒng)稱為角度調(diào)制（簡稱調(diào)角）。,8.1 角度調(diào)制信號分析,8.1.1 瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位的關(guān)系 8.1.2 調(diào)角波的數(shù)學(xué)表示 8.1.3 調(diào)角波的頻譜和頻譜寬度,8.1.1 瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位的關(guān)系,瞬時(shí)頻率,瞬時(shí)相位,8.1.2

2、調(diào)角波的數(shù)學(xué)表示,調(diào)制信號：,載波信號：,對于調(diào)頻：,0是未調(diào)制時(shí)的載波中心頻率；kfv (t)是瞬時(shí)頻率相對于0的偏移，叫瞬時(shí)頻率偏移，簡稱頻率偏移或頻移?？杀硎緸?最大頻移，即頻偏，表示為,瞬時(shí)頻率,瞬時(shí)相位,瞬時(shí)相位偏移（相移）,調(diào)制指數(shù),最大相移（相偏）,8.1.2 調(diào)角波的數(shù)學(xué)表示（續(xù)1）,調(diào)制信號：,載波信號：,對于調(diào)相：,最大相移，即相偏，表示為,瞬時(shí)相位,瞬時(shí)頻率,瞬時(shí)頻率偏移（頻移）,調(diào)制指數(shù),最大頻移（頻偏）,0t+0是未調(diào)制時(shí)的載波相位；kpv (t)是瞬時(shí)相位相對于0t+0的偏移，叫瞬時(shí)相位偏移，簡稱相位偏移或相移。可表示為,8.1.2 調(diào)角波的數(shù)學(xué)表示（續(xù)2）,數(shù)學(xué)表

3、達(dá)式,瞬時(shí)頻率,瞬時(shí)相位,最大頻偏,調(diào)制指數(shù),FM波,PM波,附：上述比較中的調(diào)制信號 v(t)，載波V0cos0t,8.1.2 調(diào)角波的數(shù)學(xué)表示（續(xù)3）,以單音調(diào)制波為例,調(diào)制信號,調(diào)頻,瞬時(shí)頻率,瞬時(shí)相位,調(diào)頻信號,8.1.2 調(diào)角波的數(shù)學(xué)表示（續(xù)4）,調(diào)相,瞬時(shí)頻率,瞬時(shí)相位,調(diào)相信號,8.1.2 調(diào)角波的數(shù)學(xué)表示（續(xù)5）,調(diào)頻,調(diào)相,可以看出調(diào)相制的信號帶寬隨調(diào)制信號頻率的升高而增加，而調(diào)頻波則不變，有時(shí)把調(diào)頻制叫做恒定帶寬調(diào)制。,8.1.3 調(diào)角波的頻譜和頻譜寬度,由于調(diào)頻波和調(diào)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。,調(diào)頻信號,調(diào)相信號,調(diào)頻信號,其中,

4、是以mf為參數(shù)的n階第一類貝賽爾函數(shù)。,一、頻譜,調(diào)制信號,8.1.3 調(diào)角波的頻譜和頻譜寬度（續(xù)1）,8.1.3 調(diào)角波的頻譜和頻譜寬度（續(xù)2）,m,載波,第一類貝賽爾函數(shù)曲線,8.1.3 調(diào)角波的頻譜和頻譜寬度（續(xù)3）,第一類貝賽爾函數(shù)表,8.1.3 調(diào)角波的頻譜和頻譜寬度（續(xù)4）,1) 單音調(diào)制時(shí)，調(diào)頻波的頻譜不是調(diào)制信號頻譜的簡單搬移，而是由載波和無數(shù)對邊帶分量所組成，它們的振幅由對應(yīng)的各階貝塞爾函數(shù)值所確定。其中，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。,2) 調(diào)制指數(shù)mf越大，具有較大振幅的邊頻分量就越多。這與調(diào)幅波不同，在單頻信號調(diào)幅的情況下，邊頻數(shù)目與

5、調(diào)制指數(shù)無關(guān)。,3)載波分量和各邊帶分量的振幅均隨mf變化而變化。對于某些mf值，載頻或某邊頻振幅為零。籍此可以測定調(diào)制指數(shù)mf。,特點(diǎn)：,8.1.3 調(diào)角波的頻譜和頻譜寬度（續(xù)5）,上式表明，改變mf僅會引起載波分量和各邊帶分量之間功率的重新分配，但不會引起總功率的改變。,4)當(dāng)V0一定時(shí)，不論mf為何值，調(diào)頻波的平均功率恒為定值，并且等于未調(diào)制時(shí)的載波功率。 在電阻R上，調(diào)頻波的平均功率應(yīng)為,1,8.1.3 調(diào)角波的頻譜和頻譜寬度（續(xù)6）,一個(gè)例子,8.1.3 調(diào)角波的頻譜和頻譜寬度（續(xù)7）,對于任一給定的mf值，高到一定次數(shù)的邊頻分量其振幅已經(jīng)小到可以忽略，以致濾除這些邊頻分量對調(diào)頻波形

6、不會產(chǎn)生顯著的影響。,二、帶寬,通常規(guī)定：凡是振幅小于未調(diào)制載波振幅的1(或 10，根據(jù)不同要求而定)的邊頻分量均可忽略不計(jì)，保留下來的頻譜分量就確定了調(diào)頻波的頻帶寬度。,如果將小于調(diào)制載波振幅l0的邊頻分量略去不計(jì)，則頻譜寬度BW可由下列近似公式求出：,8.1.3 調(diào)角波的頻譜和頻譜寬度（續(xù)8）,在實(shí)際應(yīng)用中也常區(qū)分為：,從上面的討論知道，調(diào)頻波和調(diào)相波的頻譜結(jié)構(gòu)以及頻帶寬度與調(diào)制指數(shù)有密切的關(guān)系?？偟囊?guī)律是：調(diào)制指數(shù)越大，應(yīng)當(dāng)考慮的邊頻分量的數(shù)目就越多，無論對于調(diào)頻還是調(diào)相均是如此。這是它們共同的性質(zhì)。,但是，由于調(diào)頻與調(diào)相制與調(diào)制頻率F 的關(guān)系不同，僅當(dāng)F變化時(shí)，它們的頻譜結(jié)構(gòu)和頻帶寬度

7、的關(guān)系就互不相同。,8.1.3 調(diào)角波的頻譜和頻譜寬度（續(xù)9）,調(diào)頻,調(diào)相,對于調(diào)頻制，僅當(dāng)F變化時(shí)，在常用的寬帶調(diào)頻制中，頻率分量隨mf變化而變化，但同時(shí)帶寬基本恒定。因此又把調(diào)頻叫做恒定帶寬調(diào)制。,對于調(diào)相制，僅當(dāng)F變化時(shí)，頻率分量不變，但帶寬變化。特別是F增加時(shí)，帶寬增加。對于Fmin Fmax而言， Fmax決定總的帶寬。,8.2 調(diào)頻方法概述及直接調(diào)頻,8.2.1 調(diào)頻方法概述 8.2.2 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻 8.2.3 電抗管直接調(diào)頻 8.2.4 晶體振蕩器直接調(diào)頻,8.2.1 調(diào)頻方法概述,直接調(diào)頻,間接調(diào)頻,變?nèi)荻O管直接調(diào)頻,電抗管直接調(diào)頻,晶體振蕩器直接調(diào)頻,諧振回路/移相

8、網(wǎng)絡(luò)調(diào)相,矢量合成法調(diào)相 （阿姆斯特朗法）,脈沖調(diào)相,調(diào)制信號積分,調(diào)相,8.2.2 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻,主要優(yōu)點(diǎn)：能夠獲得較大的頻移（相對于間接調(diào)頻而言），線路簡單，并且?guī)缀醪恍枰{(diào)制功率。,主要缺點(diǎn)：中心頻率穩(wěn)定度低。,應(yīng)用范圍：在移動(dòng)通信以及自動(dòng)頻率微調(diào)系統(tǒng)中。,8.2.2 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻（續(xù)1）,變?nèi)荻O管是一種電壓控制的可變電抗元件，主要利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓變化這一特性。,結(jié)電容Cj與反向電壓vR存在如下關(guān)系：,Cj0：,時(shí)的電容值（零偏置電容）,: 反向偏置電壓,：結(jié)電容變化指數(shù)，通常=1/21/3，經(jīng)特殊 工藝制成的超突變結(jié)電容=15,VD：PN結(jié)勢壘電位差。,

9、8.2.2 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻（續(xù)2）,C j Q,C j,vR,VQ,靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)的結(jié)電容值,調(diào)制深度,8.2.2 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻（續(xù)3）,中心頻率,瞬時(shí)頻率,電路分析,8.2.2 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻（續(xù)4）,為便于分析，設(shè)C2Cj(C1C3)，,則有CCj,中心頻率,瞬時(shí)頻率,如果條件不成立？,8.2.2 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻（續(xù)5）,當(dāng)2時(shí)，,無非線性失真，為線性調(diào)頻。,調(diào)制靈敏度,最大頻移,8.2.2 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻（續(xù)6）,當(dāng)2時(shí)，,進(jìn)行冪級數(shù)展開：,忽略高次項(xiàng),中心頻率偏移,調(diào)制信號二次諧波引起的最大頻移,調(diào)制靈敏度,最大頻移,8.2.3 電抗管直接調(diào)頻,電抗管是由放大管和9

10、0度相移電路組成的二端有源網(wǎng)絡(luò)。,如圖以場效應(yīng)電抗管為例說明。,AB兩端的輸入阻抗ZAB的性質(zhì)取決于Z1和Z2阻抗的性質(zhì)。,假設(shè)|Z1|Z2|及|ID|I1|，且Z1和Z2中必須有一個(gè)為電阻，不妨設(shè),8.2.3 電抗管直接調(diào)頻（續(xù)1）,其他情況,為使頻率變化和V成線性，須保證Ce的變化不能太大。,8.2.4 晶體振蕩器直接調(diào)頻,直接調(diào)頻的主要優(yōu)點(diǎn)是可以獲得較大的頻偏，但是中心頻率的穩(wěn)定性較差。穩(wěn)定中心頻率可以采用石英晶體振蕩器直接調(diào)頻電路。,變?nèi)荻O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)。,并聯(lián)方式有一個(gè)較大的缺點(diǎn)，就是變?nèi)莨軈?shù)的不穩(wěn)定性直接嚴(yán)重地影響調(diào)頻

11、信號中心頻率的穩(wěn)定度。因而廣泛應(yīng)用的還是串聯(lián)方式。,8.2.4 晶體振蕩器直接調(diào)頻（續(xù)1）,Pierce Oscillators (cb)型振蕩器,8.2.4 晶體振蕩器直接調(diào)頻（續(xù)2）,調(diào)制信號,Pierce 型振蕩器,調(diào)制信號放大,8.3 間接調(diào)頻,寬帶,窄帶,諧振回路/移相網(wǎng)絡(luò)調(diào)相,矢量合成法調(diào)相 （阿姆斯特朗法）,脈沖調(diào)相,調(diào)相,8.3 間接調(diào)頻（續(xù)1）,時(shí)有：,如果設(shè)CCj，則,移相網(wǎng)絡(luò),8.3 間接調(diào)頻（續(xù)2）,回路的諧振頻率：,回路的頻率變化為:,對 而言實(shí)現(xiàn)了調(diào)相。,假設(shè)：,所以回路引入的相位變化:,8.4 調(diào)頻信號的解調(diào),8.4.1 概述 8.4.2 振幅鑒頻器（斜率鑒頻器）

12、 失諧回路振幅鑒頻器 差分峰值振幅鑒頻器 8.4.3 相位鑒頻器 8.4.4 比例鑒頻器 8.4.5 正交鑒頻器（比相鑒頻器）,8.4.1 概述,利用頻幅轉(zhuǎn)換電路得到AM-FM，再用包絡(luò)檢波,失諧回路振幅鑒頻器,乘積型相位鑒頻器 （正交鑒頻器）,利用頻相轉(zhuǎn)換電路得到PM-FM，再疊加或相乘,疊加型相位鑒頻器,脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻,差分峰值振幅鑒頻器,FM+(PM-FM)AM-FM，包絡(luò)檢波,FM(PM-FM)，低通濾波,電容耦合型 互感耦合型,比例鑒頻,8.4.1 概述（續(xù)1）,鑒頻特性曲線,鑒頻器的指標(biāo),鑒頻靈敏度,鑒頻跨導(dǎo),鑒頻帶寬,寄生調(diào)幅抑制能力,失真和穩(wěn)定性,鑒頻跨導(dǎo),鑒頻靈敏度：鑒頻器正

13、常工作所需的最小輸入調(diào)頻波的幅度。,鑒頻帶寬,8.4.2 振幅鑒頻器（斜率鑒頻器）,失諧回路振幅鑒頻器,vo(t),并聯(lián)回路L1C1的諧振頻率為f0,單失諧回路振幅鑒頻器,調(diào)頻波的載波頻率為fc,fcf0,利用諧振回路的幅頻特性,包絡(luò)檢波器,8.4.2 振幅鑒頻器（續(xù)1）,AM-FM,缺點(diǎn)：線性范圍太窄,單失諧回路振幅鑒頻器鑒頻特性及波形示意,8.4.2 振幅鑒頻器（續(xù)2）,雙失諧回路振幅鑒頻器 （平衡斜率鑒頻器）,并聯(lián)回路L1C1的諧振頻率為f01,調(diào)頻波的載波頻率為fc,f02fcf01,并聯(lián)回路L2C2的諧振頻率為f02,8.4.2 振幅鑒頻器（續(xù)3）,缺點(diǎn)：調(diào)整困難,雙失諧回路振幅鑒頻

14、器鑒頻特性,8.4.2 振幅鑒頻器（續(xù)4）,差分峰值振幅鑒頻器,T1和T2: 射極跟隨器,T3、C3、Ri5和T4、C4、Ri6 : 包絡(luò)檢波器,T5、T6: 差分放大器,vg: 調(diào)頻信號,L1、C1 、C2 :頻率幅度轉(zhuǎn)換電路,8.4.2 振幅鑒頻器（續(xù)5）,并聯(lián)諧振頻率,串聯(lián)諧振頻率,合理安排1、2 和c三者關(guān)系，v1、v2的幅度將隨輸入信號的變化而變化：,當(dāng) 1時(shí)，V1最大，V2最小；,當(dāng) 2時(shí)，V1最小，V2最大；,當(dāng) c時(shí)，調(diào)整參數(shù)，令V1V2大小相當(dāng)。,8.4.2 振幅鑒頻器（續(xù)6）,差分峰值振幅鑒頻器鑒頻特性,8.4.3 相位鑒頻器,利用頻相轉(zhuǎn)換電路得到PM-FM，再與FM疊加得

15、到AM-FM波，最后利用包絡(luò)檢波還原出原始調(diào)制信號。,疊加型相位鑒頻器,互感耦合型相位鑒頻器,C4高頻耦合電容,L3高頻扼流圈,初、次級回路均諧振于載波頻率,8.4.3 相位鑒頻器（續(xù)1）,上下兩個(gè)包絡(luò)檢波器的輸入電壓分別為,雖然 、 的振幅都是恒定的，但兩者間的相位差是隨輸入信號的頻率變化而變化的，下面分析該變化過程：,為便于分析，不考慮初級線圈損耗和次級對初級回路的影響，則近似可得如圖所示等效回路,8.4.3 相位鑒頻器（續(xù)2）,當(dāng)f =fc時(shí)，XL2=XC2，故 ，,根據(jù)輸入信號頻率f 可作如下討論：,即 比 超前 。,8.4.3 相位鑒頻器（續(xù)3）,當(dāng)f fc時(shí)，XL2XC2，令X2X

16、L2XC2 0,則,即 比 超前 。,故,8.4.3 相位鑒頻器（續(xù)4）,當(dāng)f fc時(shí)，XL2XC2，令X2XL2XC2 0,則,即 比 超前 。,故,8.4.4 比例鑒頻器,為了抑止寄生調(diào)幅，往往要在鑒頻器前加一級限幅器。,前面的分析假定理想調(diào)頻波，即輸入信號V12振幅恒定。,實(shí)際中，當(dāng)噪聲、各種干擾以及電路頻率特性的不均勻性所引起的輸入信號的寄生調(diào)幅，都可能直接在相位鑒頻器的輸出信號中反映出來。,信號頻率變化引起的輸出,考慮寄生調(diào)幅干擾后信號頻率變化引起的輸出,8.4.4 比例鑒頻器（續(xù)1）,能否對相位鑒頻器的電路作某些改動(dòng)來獲得一定的限幅作用，以省掉限幅器呢?,為了回答這個(gè)問題，需要從一

17、個(gè)新的觀點(diǎn)對相位鑒頻器進(jìn)行深入一步的分析。,前面的圖中,但,分析,如果 能讓,即使輸入存在寄生調(diào)幅干擾，輸出也不變！,8.4.4 比例鑒頻器（續(xù)2）,兩個(gè)檢波器總負(fù)載電阻近似為,8.4.4 比例鑒頻器（續(xù)3）,與前述電路的區(qū)別：,(1) ab兩端的輸出非差電壓而是和電壓,(2) C6為大電容，兩端電壓 近似不變,(3) 輸出改為,即有,減小了一半！,8.4.4 比例鑒頻器（續(xù)4）,下面討論自限幅過程：,由外界因素引起的調(diào)頻波幅度變化會導(dǎo)致 和 向相同的方向變化，而由頻率變化引起的 和 的幅度變化方向是不同的。,8.4.4 比例鑒頻器（續(xù)5）,8.4.5 正交鑒頻器（比相鑒頻器）,由于調(diào)頻信號和參考信號同頻正交(對于載頻而言)，因此，稱之為正交鑒頻器。,移相網(wǎng)絡(luò),8.4.5 正交鑒頻器（續(xù)1）,其中,可見，vF