第六章角度調制與解調6.1調角波的性質

6.2調頻方法及直接調頻電路6.3間接調頻電路6.4限幅器（了解）6.5鑒頻器概述

角度調制是頻率調制和相位調制的合稱。

頻率調制是指用調制信號控制載波的瞬時頻率,使之與調制信號的變化規(guī)律成線性關系；

相位調制是指用調制信號控制載波的瞬時相位，使之與調制信號的變化規(guī)律成線性關系。調幅、調頻、調相波形角度調制和調幅制相比具有以下優(yōu)點：1.抗干擾能力強2.設備的功率利用率高3.調角信號傳輸?shù)谋Ｕ娑雀?/p>

本節(jié)主要介紹調角波的性質，具體內容如下：6.1調角波的性質6.1.1調角波的表達式6.1.2調角信號的頻譜和頻寬6.1.3調制方式的比較一、調頻波（FM）的表達式設載波uc(t)的表達式和調制信號uΩ(t)的表達式分別為：當完成頻率調制時，載波高頻振蕩的瞬時頻率隨調制信號呈線性變化，其比例系數(shù)為Kf,故有瞬時角頻率：6.1.1調角波的表達式調頻信號的數(shù)學表達式為：圖6.1.1調頻波的波形圖注意：uΩ(t)、ω(t)和φ(t)的關系。二、調相波（PM）的表達式設載波uc(t)的表達式和調制信號uΩ(t)的表達式分別為：對于調相波，其瞬間相位除了原來的載波相位外，又附加了一個變化部分，這個變化部分與調制信號成比例關系，因此總相角可表示為：式中φ0為載波的初始相位，ωc(t)為載波信號的相位，Kp為比例系數(shù)，mp為調相指數(shù)。調相波的瞬時頻率為：調相信號的數(shù)學表達式為：圖6.1.2調相波的波形圖三、調頻與調相的關系1、調制信號按余弦規(guī)律變化時，調頻波和調相波在相位上相差；2、調制指數(shù)3、最大頻率偏移結論：同一單音頻調制的調相波和調頻波的兩個基本參數(shù)，最大頻率偏移和調制指數(shù)隨調制信號的振幅和調制角頻率的變化規(guī)律不同。如果設載波：，調制信號：FM波PM波(1)瞬時頻率：調頻信號與調相信號的比較(2)瞬時相位：(3)最大頻偏：(4)最大相位：(5)表達式:一、調角信號的頻譜令Ucm=1，則可得：6.1.2調角信號的頻譜和頻寬調頻信號的頻譜，如圖:圖6.1.3mf（Mf

）為不同值時調頻波的頻譜

單頻信號調制的調頻信號的頻譜具有以下特點：①載頻分量上、下各有無數(shù)個邊頻分量，它們與載頻分量相隔都是貝塞爾函數(shù)的整數(shù)倍。載頻分量與各個邊頻分量的振幅由對應的各階貝塞爾函數(shù)所確定。②邊頻次數(shù)越高，其振幅越?。ㄖ虚g可能有起伏），且mf越大，振幅大的邊頻分量越多。③對于某些mf值，載頻或某些邊頻分量振幅為零，如mf=2.5時，載頻分量振幅為零。

二、調角信號的頻譜寬度

如果將小于載波振幅10%的邊頻分量略去不計，則頻譜的有效帶寬BW可由下列近似公式求出:BW=2(mf+1)F由于根據(jù)調制后載波瞬時相位偏移大小，可以將角度調制分為窄帶和寬帶兩種：1〉一般把mf<1的調頻稱為窄帶調頻，這時BW2F;2〉把mf>>1的調頻稱為寬帶調頻，這時BW2(f+F)?？偟囊?guī)則是：調制指數(shù)越大，應考慮的邊頻分量越多（2n=2(m+1)）。圖6.1.4mf（Mf

）為不同值時調頻波的頻譜

從圖中可以看出：例1：利用近似公式計算以下情況的調頻波的頻帶寬度。(1)fm=75kHz，F(xiàn)max=0.1kHz，(2)fm=75kHz，F(xiàn)max=1kHz，(3)fm=75kHz，F(xiàn)max=10kHz。解：BW=2(mf+1)F

=2(fm

+

F)

(1)BW=2(75+0.1)kHz150kHz(2)BW=2(75+1)kHz=152kHz(3)BW=2(75+10)kHz=170kHz盡管調制頻率變化了100倍，但頻帶寬度變化很小。例2：已知音頻調制信號最低頻率Fmin=20Hz,最高頻率Fmax=15kHz,若要求最大頻偏Δfm=45kHz,求出相應調頻信號的調頻指數(shù)mf、帶寬BW和帶寬內各頻率分量的功率之和(假定調頻信號總功率為1W),畫出F=15kHz對應的頻譜圖,并求出相應調相信號的調相指數(shù)mp、帶寬。解：調頻信號的調頻指數(shù)mf與調制頻率成反比,即所以radrad

因為F=15kHz對應的mf=3,從表中可查出J0(3)=-0.261,J1(3)=0.339,J2(3)=0.486,J3(3)=0.309,J4(3)=0.132,由此可畫出對應調頻信號帶寬內的頻譜圖,共9條譜線,如下圖所示：

因為調頻信號總功率為1W,故Ucm=,調相信號的最大頻偏是與調制信號頻率成正比的,為了保證所有調制頻率對應的最大頻偏不超過45kHz,故除了最高調制頻率外,其余調制頻率對應的最大頻偏必然小于45kHz。另外,調相信號的調相指數(shù)mp與調制頻率無關。所以：一、抗干擾性

在FM接收機和AM接收機輸入信噪比相同時，有下式：6.1.3調制方式比較二、信號頻譜寬度1〉調制信號頻率若為F,則AM波的譜寬為2F；而產(chǎn)生的FM波或PM波譜寬為2(m+1)F,且m一般遠大于1，故調角信號譜寬總是遠大于調幅信號；2〉在調角系統(tǒng)中，F(xiàn)M又優(yōu)于PM，PM占用頻帶過寬，不經(jīng)濟，且FM抗干擾性強；三、設備利用率1〉調角系統(tǒng)比調幅系統(tǒng)設備利用率高；2〉調角系統(tǒng)設備復雜。6.2調頻方法直接調頻電路6.2.1調頻方法概述6.2.2變容二極管直接調頻電路6.2.3晶體振蕩器直接調頻電路6.2.1調頻方法概述一、調頻方法直接調頻：就是用調制電壓直接去控制振蕩器的振蕩頻率，使其不失真地反映調制信號變化規(guī)律。間接調頻：就是保持振蕩器的頻率不變，而用調制電壓去改變載波輸出的相位，即先進行調相，再由調相變?yōu)檎{頻。二、調頻電路的性能要求1．調制特性(1)定義調頻電路輸出電壓的瞬時頻率偏移f(=f-fc)與調制電壓

u

的關系稱為調制特性。(2)要求在特定調制電壓范圍內是線性的，但在實際電路中應盡可能減小非線性失真。2．調頻靈敏度調制電壓變化單位數(shù)值產(chǎn)生的振蕩頻率偏移稱為調制靈敏度，定義式為：

Kf(SF)單位為:Hz/V，Kf

(SF)越大，調制信號對瞬時頻率的控制能力就越強,越容易產(chǎn)生大頻偏的調頻信號。3．載波中心頻率準確度和穩(wěn)定度4．最大頻偏6.2.2變容二極管直接調頻電路一、變容二極管變容二極管是利用半導體PN結的結電容隨外加反向電壓變化而變化這一特性，制成的一種半導體二極管，是一種電壓控制可變元件。圖(a)變容二極管的符號圖(b)串聯(lián)和并聯(lián)的等效電路其中Cd代表二極管的電容，R串和R并代表串聯(lián)和并聯(lián)的等效損耗電阻由于二極管正常工作于反向狀態(tài)，其損耗很小，故R并很大而R串很小。變容二極管在反向電壓作用下的結電容變化較大，并且電容和反向偏壓的關系呈非線性，即：圖6.2.2變容二極管接入振蕩回路二、大頻偏直接調頻電路L和變容管為振蕩電路的電感和電容，虛線方框為變容管控制電路，L1為高頻扼流圈，C1和C2為濾波電容，C3為高頻濾波電容。1、直接調頻電路工作原理由于結電容Cj與反向電壓u之間存在關系：(6―1)變容二極管的反向電壓隨調制信號變化，即(6―2)振蕩頻率可由回路電感L和變容二極管結電容Cj所決定，即(6―3)變容二極管結電容隨調制信號電壓變化規(guī)律，即(6―4)將式(6―4)代入式(6―3)，則得：(6―5)圖（a）為：在變容二極管上加一固定的反向直流偏壓和調制信號圖（b）為：二極管的變容特性圖（c）為：電容C隨時間的變化曲線2、分析

推導：下面分析γ≠0時的工作情況，令x=mccosΩt，可將式(6―5)改寫成：(6―6)

設x足夠小，將式(6―6)展開成傅里葉級數(shù)，并忽略式中的三次方及其以上各次方項，則可得到：(6―7)由上式求得調頻波的最大角頻偏為調制靈敏度為：式（6-8）和（6-9）反映的是調頻波基波分量的參數(shù)；對于二次諧波而言，其二次諧波失真分量的最大角頻偏及二次諧波失真系數(shù)分別為：(6―8)(6―9)中心角頻率偏離ωc的數(shù)值為相應地，調頻波的二次諧波失真系數(shù)為(6―10)(6―11)(6―12)中心角頻率的相對偏離值為(6―13)小結：因為變容二極管結電容隨反向偏壓而變，如果將變容二極管接在諧振回路兩端，使反向偏壓受調制信號所控制，這時回路電容有一部分按正弦規(guī)律變化，必然引起振蕩頻率作相應的變化，它以為中心作上下偏移，其偏移大?。l偏）與電容變化最大值成正比。所以回路的振蕩頻率是隨調制信號變化的，這就是變容二極管調頻的基本原理。

實際電路：90MHz直接調頻電路及其高頻通路三、小頻偏直接調頻電路

(b)圖6.2.3變容管部分接入的振蕩回路

(b)圖6.2.3變容管部分接入的振蕩回路電容串聯(lián)接入方法主要改善低頻區(qū)的調制特性曲線。電容并聯(lián)接入方法主要改善高頻區(qū)的調制特性曲線。圖6.2.4Cj與固定電容串、并聯(lián)后的特性

振蕩頻率為：故可以看出,當Cj部分接入時,其最大頻偏為：圖6.2.4Cj與固定電容串、并聯(lián)后的特性

調頻靈敏度比變容管全接入直接調頻電路減小了p倍；調制靈敏度和最大角頻偏減小了p倍；加到變容管上的高頻振蕩電壓振幅也相應減小，對于減小調制失真非常有利。優(yōu)點：載波頻率的穩(wěn)定性提高了p倍。C2ClCjJT6.2.3晶體振蕩器直接調頻電路(了解)變容二極管（對LC振蕩器）直接調頻電路的中心頻率穩(wěn)定度較差。為得到高穩(wěn)定度調頻信號,須采取穩(wěn)頻措施,如增加自動頻率微調電路或鎖相環(huán)路。還有一種穩(wěn)頻的簡單方法是直接對晶體振蕩器調頻。變容二極管接入振蕩回路有兩種形式。一種是與晶體管串聯(lián)，另一種是與晶體管并聯(lián)。一、晶體振蕩器直接調頻原理右圖為并聯(lián)型PierceOscillator，其振蕩頻率為：式中：Cg為晶體的動態(tài)電容，C

o：晶體的靜態(tài)電容，

，f

q：晶體的串聯(lián)諧振頻率。在電路中，當Cj變化時，CL變化，從而使晶體振蕩器的振蕩頻率也發(fā)生變化，如果壓控元件Cj受調制電壓控制，則PierceOscillator就成為一個晶體調頻振蕩器。注意：晶體在電路中呈現(xiàn)為一個等效電感，故只能工作于晶體的串聯(lián)諧振頻率f

q與并聯(lián)諧振頻率fp之間，而f

q與f

p之間的頻率變化范圍只有：量級，再加上Cj的串聯(lián)，晶體可調振蕩頻率更窄。例如載頻為40MHZ的晶體調頻振蕩器，能獲得最大頻偏只有7.5KHZ，所以采用晶體調頻振蕩器雖然可以獲得較高的頻率穩(wěn)定度，但缺點是最大頻偏很小，實際中需要采用擴大頻偏的措施。擴大頻偏的方法有兩種：1〉晶體支路中串接小電感；2〉利用π型網(wǎng)絡進行阻抗變換來擴展晶體呈現(xiàn)感性的工作頻率范圍。晶體調頻振蕩器的實際電路

C1C2CjLJT采用串接小電感L的方法來擴大調頻的頻偏，變容二極管的反向偏壓由EC經(jīng)穩(wěn)壓管VDZ穩(wěn)壓后經(jīng)RZ2=2.4k和W1=47k電位器分壓后，經(jīng)R=10K電阻加至變容管正極。改變47K電位器W1的活動端可以調整變容管的Uo從而改變Cj，把調頻器的中心頻率調至規(guī)定值。調制信號經(jīng)電位器W2加于變容管VD，改變4.7KΩ電位器W2的活動頭，可以調整加在變容二極管上的調制信號電壓幅值，從而獲得要求的頻偏。-Uo+C5uΩ(t)W1W2VDJTCLRb1Rb2C1C2ReC3ECRz2Rz1VDzRC4+-100MHz晶體振蕩器的變容管直接調頻電路6.3間接調頻電路一、間接調頻法原理高穩(wěn)定度載波振蕩器相位調制器積分電路多級倍頻和混頻器寬帶窄帶在間接調頻時，要獲得線性調頻必須以線性調相為基礎。但在實現(xiàn)線性調相時，要求最大瞬時相位偏移，因而線性調相的范圍很窄，轉換成的調頻波的最大頻偏很小。圖6.3.1間接調頻電路原理圖R1R2R3R4C1C2C3C4CjL載波輸入高穩(wěn)定度振蕩器調相器積分器參式（6-5）知，如果忽略二次方以上各項，可得回路的諧振頻率為：UQ=9V載波輸入調相波輸出回路的頻率偏移為：在高Q值及諧振回路失諧不大的情況下，并聯(lián)LC諧振回路電壓和電流間的相位關系為：當Δφ

<30o時，tanΔφ≈Δφ可得:表明:單級LC諧振回路滿足Δφ

<30o時，回路輸出電壓的相移與輸入調制電壓uΩ(t)成線性關系。Oωωcω幅頻特性Δφπ/6-π/6R1R2R3R4C1C2C3C4CjL載波輸入調相波輸出實用變容二極管調相電路載波輸入

uFM(t)R5R1R3R4R3CbC1CjC3C2C4C5LLZECR6Ce+UQ-從調頻波中取出原來的調制信號，稱為頻率檢波，又稱鑒頻，而完成鑒頻功能的電路稱為鑒頻器。解調任務：要求鑒頻器輸出信號與輸入調頻波的瞬時頻移成線性關系。鑒頻器包含兩部分：第一是借助于調諧電路將等幅的調頻波轉換成幅度隨瞬時頻率變化的調幅調頻波；第二是用二極管檢波器進行幅度檢波，還原調制信號。6.5鑒頻器6.5.1鑒頻方法概述鑒頻就是把調頻波瞬時頻率變化轉換成電壓的變化，完成頻率-電壓的變換。鑒頻的方法有兩種：1.振幅鑒頻一、鑒頻的實現(xiàn)方法圖6.5.1振幅鑒頻器的基本框圖

2.相位鑒頻圖6.5.2相位鑒頻器的組成框圖

二、鑒頻特性鑒頻器的主要特性表現(xiàn)為它的輸出電壓uo的大小與輸入調頻波頻率f之間的關系，稱為鑒頻特性，它們的關系曲線稱為鑒頻特性曲線。圖6.5.3鑒頻特性曲線

圖6.5.3鑒頻特性曲線

三、鑒頻器的質量指標1.鑒頻靈敏度假設在中心頻率fc附近，頻率偏離Δf時的輸出為ΔUo，則ΔUo/Δf稱為鑒頻靈敏度。2.線性范圍（鑒頻頻帶寬度

）線性范圍是指鑒頻曲線可以近似為直線的頻率范圍。此范圍應該不小于調頻信號最大頻偏Δf的兩倍，否則將產(chǎn)生嚴重失真。3.非線性失真鑒頻曲線在兩峰之間都存在著一定的非線性，通常只有在Δf＝0附近才有較好的線性。6.5.2斜率鑒頻器一、單回路斜率鑒頻器組成由失諧單諧振回路和晶體二極管包絡檢波器組成。二、單回路斜率鑒頻器諧振電路失諧于調頻波的載波頻率，利用并聯(lián)LC回路幅頻特性的傾斜部分將調頻波變換成調幅調頻波，故通常稱它為斜率鑒頻器。鑒頻器關鍵部分：頻-幅變換器，即失諧的LC并聯(lián)回路。LC并聯(lián)回路幅-頻轉換原理：當調頻信號中心頻率fc與LC并聯(lián)回路中心角頻率f0不相同時，輸入調頻信號的振幅將隨頻率的變化而改變。圖6.5.4斜率鑒頻器電路及工作原理圖

斜率鑒頻器一般用于質量要求不高的簡易接收機中。三、平衡回路斜率鑒頻器（參差調諧鑒頻器）6.5.3相位鑒頻器鑒相器是用來比較兩個同頻輸入電壓和的相位，而輸出電壓是兩個輸入電壓相位差的函數(shù)，即當線性鑒相的情況下，輸出電壓與兩個輸入電壓的瞬時相位差成正比，即：鑒相器

鑒相器的實現(xiàn)方法：乘積型鑒相器 疊加型鑒相器其中：的瞬時相位。的瞬時相位。則相乘器的輸出信號為：一、乘