调角波的性质-课件

YANGTZE NORMAL UNIVERSITY1YANGTZE NORMAL UNIVERSITY10 角度角度调制与解制与解调10.2 调角波的性质调角波的性质10.3 调频方法概述调频方法概述10.4 变容二极管调频变容二极管调频10.5 晶体振荡器直接调频晶体振荡器直接调频10.1 概述概述YANGTZE NORMAL UNIVERSITY10.7 可变延时调频可变延时调频10.8 相位鉴频器相位鉴频器10.9 比例鉴频器比例鉴频器10.10 其他形式的鉴频器其他形式的鉴频器10.6 间接调频间接调频:由调相实现调频由调相实现调频YANGTZE NORMAL UNIVERSITY学习目的学习目的学习目的学习目的掌握调频与调相的原理与二者异同点掌握调频与调相的原理与二者异同点掌握调频与调相的原理与二者异同点掌握调频与调相的原理与二者异同点掌握直接调频的变容二极管调频的分析掌握直接调频的变容二极管调频的分析掌握直接调频的变容二极管调频的分析掌握直接调频的变容二极管调频的分析了解晶体管振荡器直接调频了解晶体管振荡器直接调频了解晶体管振荡器直接调频了解晶体管振荡器直接调频熟悉间接调频的几种方法熟悉间接调频的几种方法熟悉间接调频的几种方法熟悉间接调频的几种方法掌握相位鉴频器原理掌握相位鉴频器原理掌握相位鉴频器原理掌握相位鉴频器原理熟悉比例鉴频器原理熟悉比例鉴频器原理熟悉比例鉴频器原理熟悉比例鉴频器原理YANGTZE NORMAL UNIVERSITY10.1 概述w0Dwmw0+DwmAMFMYANGTZE NORMAL UNIVERSITY调频波的指标调频波的指标寄生调幅寄生调幅频谱宽度频谱宽度抗干扰能力抗干扰能力YANGTZE NORMAL UNIVERSITY幅幅度度调调制制角角度度调调制制调调频频FM调调相相PM载波信号载波信号的受控参量的受控参量振幅振幅频率频率相位相位解调方式解调方式相干解调或相干解调或非相干解调非相干解调鉴频或鉴频或频率检波频率检波鉴相或鉴相或相位检波相位检波解调方式解调方式的差别的差别频谱线性搬频谱线性搬移频谱结构移频谱结构无变化无变化频谱非线性频谱非线性频谱结构发频谱结构发生变化属于生变化属于非线性频率非线性频率变换变换特点特点频带窄频带窄频带利频带利用率高用率高频带宽频带宽频带利频带利用不经用不经济、抗济、抗干扰性干扰性强强用途用途广播广播电视电视通信通信遥测遥测数字数字通信通信调调幅幅AMYANGTZE NORMAL UNIVERSITY图图图图 10.1.1 10.1.1 利用波形变换电路利用波形变换电路利用波形变换电路利用波形变换电路进行进行鉴频鉴频鉴频鉴频 YANGTZE NORMAL UNIVERSITY图图图图 10.1.2 10.1.2 鉴频特性曲线鉴频特性曲线鉴频特性曲线鉴频特性曲线 YANGTZE NORMAL UNIVERSITY鉴频器的指标鉴频器的指标鉴频灵敏度鉴频灵敏度鉴频跨导鉴频跨导鉴频频带宽度鉴频频带宽度寄生调幅抑制能力寄生调幅抑制能力失真和稳定性失真和稳定性YANGTZE NORMAL UNIVERSITY10.2 调角波的性角波的性质10.2.1 瞬时频率与瞬时相位瞬时频率与瞬时相位10.2.2 调频波和调相波的调频波和调相波的数学表示式数学表示式10.2.3 调频波和调相波的调频波和调相波的频谱和频带宽度频谱和频带宽度YANGTZE NORMAL UNIVERSITY10.2.1 瞬瞬时频率与瞬率与瞬时相位相位 调频是使高频载波的瞬时频率按调制信号规律变化的一种调频是使高频载波的瞬时频率按调制信号规律变化的一种调制方式；调相是使高频载波的瞬时相位按调制信号规律变化调制方式；调相是使高频载波的瞬时相位按调制信号规律变化的一种调制方式。因为这两种调制都表现为高频振荡波的总瞬的一种调制方式。因为这两种调制都表现为高频振荡波的总瞬时相角受到调变，故将它们统称为角度调制时相角受到调变，故将它们统称为角度调制(简称调角简称调角)。瞬时频率瞬时频率瞬时相位瞬时相位0实轴实轴YANGTZE NORMAL UNIVERSITY图图图图 10.2.1 10.2.1 频率连续变化的简谐振荡频率连续变化的简谐振荡频率连续变化的简谐振荡频率连续变化的简谐振荡YANGTZE NORMAL UNIVERSITY10.2.2 调频波和波和调相波的数学表示式相波的数学表示式调频调频设调制信号为设调制信号为v(t)，载波信号载波信号 0 0是未调制时的载波中心频率；是未调制时的载波中心频率；kfv(t)是瞬时频率相对于是瞬时频率相对于0 0的偏移，叫瞬时频率偏移，简称频率偏移或频移。的偏移，叫瞬时频率偏移，简称频率偏移或频移。可表示为可表示为最大频移，即频偏，表示为最大频移，即频偏，表示为瞬时频率瞬时频率瞬时相位瞬时相位相移相移调制指数调制指数YANGTZE NORMAL UNIVERSITY调相调相 0 0t t+0 0是未调制时的载波相位；是未调制时的载波相位；kpv(t)是瞬时相位相对是瞬时相位相对于于0 0t+t+0 0的偏移，叫瞬时的偏移，叫瞬时相位相位偏移，简称偏移，简称相位相位偏移或偏移或相相移。移。可可表示为表示为最大相移，即相偏，表示为最大相移，即相偏，表示为瞬时相位瞬时相位瞬时频率瞬时频率频偏频偏调制指数调制指数设调制信号为设调制信号为v(t)，载波信号载波信号YANGTZE NORMAL UNIVERSITY数学表达式数学表达式瞬时频率瞬时频率瞬时相位瞬时相位最大频偏最大频偏调制指数调制指数FM波波PM波波附：上述比较中的调制信号附：上述比较中的调制信号 v(t)，载波，载波V0mcos 0(t)YANGTZE NORMAL UNIVERSITY以单音调制波为例以单音调制波为例调制信号调制信号调频调频瞬时频率瞬时频率瞬时相位瞬时相位已调频信号已调频信号YANGTZE NORMAL UNIVERSITY调相调相瞬时频率瞬时频率瞬时相位瞬时相位已调相信号已调相信号以单音调制波为例以单音调制波为例调制信号调制信号YANGTZE NORMAL UNIVERSITY以单音调制波为例以单音调制波为例调制信号调制信号调频调频调相调相瞬时频率瞬时频率瞬时相位瞬时相位瞬时频率瞬时频率瞬时相位瞬时相位YANGTZE NORMAL UNIVERSITYm pmmm f调频调频调相调相 可以看出调相制的信号带宽随调制信号频率的升高而增可以看出调相制的信号带宽随调制信号频率的升高而增加，而调频波则不变，有时把调频制叫做恒定带宽调制。加，而调频波则不变，有时把调频制叫做恒定带宽调制。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY10.2.3 调频波和波和调相波的相波的频谱和和频带宽度度 由于调频波和调相波的方程式相似，因此只要分析其中一由于调频波和调相波的方程式相似，因此只要分析其中一种的频谱，则对另一种也完全适用。种的频谱，则对另一种也完全适用。已调频信号已调频信号已调相信号已调相信号已调频信号已调频信号其中其中是以是以mf为参数的为参数的n阶第一类贝赛尔函数。阶第一类贝赛尔函数。一、频谱一、频谱调制信号调制信号YANGTZE NORMAL UNIVERSITYYANGTZE NORMAL UNIVERSITYYANGTZE NORMAL UNIVERSITY 1)单音调制时，调频波的频谱不是调制信号频谱的简单搬移，单音调制时，调频波的频谱不是调制信号频谱的简单搬移，而是由载波和无数对边带分量所组成，而是由载波和无数对边带分量所组成，它们的振幅由对应的它们的振幅由对应的各阶贝塞尔函数值所确定。其中，奇次的上、下边带分量振各阶贝塞尔函数值所确定。其中，奇次的上、下边带分量振幅相等、极性相反；偶次的振幅相等、极性相同。幅相等、极性相反；偶次的振幅相等、极性相同。2)调制指数调制指数mf越大，具有较大振幅的边频分量就越多。这越大，具有较大振幅的边频分量就越多。这与调幅波不同，在单频信号调幅的情况下，边频数目与调制与调幅波不同，在单频信号调幅的情况下，边频数目与调制指数无关。指数无关。3)载波分量和各边带分量的振幅均随载波分量和各边带分量的振幅均随mf变化而变化。对于某些变化而变化。对于某些mf值，载频或某边频振幅为零。籍此可以测定调制指数值，载频或某边频振幅为零。籍此可以测定调制指数mf。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 虽然调频波的边频分量有无数多个，但是，对于任一给定虽然调频波的边频分量有无数多个，但是，对于任一给定的的mf值，高到一定次数的边频分量其振幅已经小到可以忽略，值，高到一定次数的边频分量其振幅已经小到可以忽略，以致滤除这些边频分量对调频波形不会产生显著的影响。以致滤除这些边频分量对调频波形不会产生显著的影响。二、带宽二、带宽 通常规定：凡是振幅小于未调制载波振幅的通常规定：凡是振幅小于未调制载波振幅的1(或或10，根，根据不同要求而定据不同要求而定)的边频分量均可忽略不计，保留下来的频谱分量的边频分量均可忽略不计，保留下来的频谱分量就确定了调频波的频带宽度。就确定了调频波的频带宽度。如果将小于调制载波振幅如果将小于调制载波振幅l0的边频分量略去不计，则的边频分量略去不计，则频谱宽度频谱宽度BW可由下列近似公式求出：可由下列近似公式求出：YANGTZE NORMAL UNIVERSITY在实际应用中也常区分为：在实际应用中也常区分为：从上面的讨论知道，调频波和调相波的频谱结构以及频带从上面的讨论知道，调频波和调相波的频谱结构以及频带宽度与调制指数有密切的关系。总的规律是：调制指数越大，宽度与调制指数有密切的关系。总的规律是：调制指数越大，应当考虑的边频分量的数目就越多，无论对于调频还是调相均应当考虑的边频分量的数目就越多，无论对于调频还是调相均是如此。这是它们共同的性质。是如此。这是它们共同的性质。但是，由于调频与调相制与调制频率但是，由于调频与调相制与调制频率F的关系不同，仅当的关系不同，仅当F变化时，它们的频谱结构和频带宽度的关系就互不相同。变化时，它们的频谱结构和频带宽度的关系就互不相同。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY调频调频调相调相 对于调频制，仅当对于调频制，仅当F变化时，在常用的宽带调频制中，变化时，在常用的宽带调频制中，频率分量随频率分量随mf变化而变化，但同时带宽基本恒定。因此又把变化而变化，但同时带宽基本恒定。因此又把调频叫做恒定带宽调制。调频叫做恒定带宽调制。对于调相制，仅当对于调相制，仅当F变化时，频率分量不变，但带宽变变化时，频率分量不变，但带宽变化。特别是化。特别是F增加时，带宽增加。对于增加时，带宽增加。对于Fmin Fmax而言，而言，Fmax决定总的带宽，低端频率分量的频谱利用率不高决定总的带宽，低端频率分量的频谱利用率不高。因此，。因此，模拟通信系统中调频制要比调相制应用得广泛。模拟通信系统中调频制要比调相制应用得广泛。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 下面分析一下含多个频率成分信号调制的调频信号的频谱，下面分析一下含多个频率成分信号调制的调频信号的频谱，以双频信号为例以双频信号为例 此时增加了许多组合频率，使频谱组成大为复杂。因此，此时增加了许多组合频率，使频谱组成大为复杂。因此，调频与调相制属于非线性调制。调频与调相制属于非线性调制。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY10.3 调频方法概述方法概述10.3.1 直接调频原理直接调频原理10.3.2 间接调频原理间接调频原理YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 产生调频信号的电路叫做调频器。对它有四个主产生调频信号的电路叫做调频器。对它有四个主要要求：（要要求：（1）已调波的瞬时频率与调制信号成比例）已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化。这是基本要求。（地变化。这是基本要求。（2）未调制时的载波频率，）未调制时的载波频率，即已调波的中心频率具有一定的稳定度（视应用场合即已调波的中心频率具有一定的稳定度（视应用场合不同而有不同的要求）。（不同而有不同的要求）。（3）最大频移与调制频率）最大频移与调制频率无关。（无关。（4）无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。）无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。产生调频信号的方法很多，归纳起来主要有两类：产生调频信号的方法很多，归纳起来主要有两类：第一类是用调制信号直接控制载波的瞬时频率第一类是用调制信号直接控制载波的瞬时频率直直接调频。第二类是由调相变调频接调频。第二类是由调相变调频间接调频。间接调频。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY10.3.1 直接直接调频原理原理 直接调频的基本原理是用调制信号直接线性地改变载波振直接调频的基本原理是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。因此，凡是能直接影响载波振荡瞬时频率的元荡的瞬时频率。因此，凡是能直接影响载波振荡瞬时频率的元件或参数，只要能够用调制信号去控制它们，并从而使载波振件或参数，只要能够用调制信号去控制它们，并从而使载波振荡瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，都可以完成直接荡瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，都可以完成直接调频的任务。调频的任务。如果载波由如果载波由LC自激振荡器产生，则振荡频率主要由谐振自激振荡器产生，则振荡频率主要由谐振回路的电感元件和电容元件所决定。因此，只要能用调制信回路的电感元件和电容元件所决定。因此，只要能用调制信号去控制回路的电感或电容，就能达到控制振荡频率的目的。号去控制回路的电感或电容，就能达到控制振荡频率的目的。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY受电压控制的元件称为受电压控制的元件称为压控元件压控元件。在调频电路中最常用的压控元件为在调频电路中最常用的压控元件为变容二极管变容二极管。直接调频的特点：直接调频的特点：优点优点：调制器与振荡器合二为一，在实现线性调频的要求下，：调制器与振荡器合二为一，在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏。可以获得较大的频偏。缺点缺点：频率稳定度差，在许多场合需要对载频采取稳频措施，：频率稳定度差，在许多场合需要对载频采取稳频措施，或者对石英晶体振荡器进行直接调频。或者对石英晶体振荡器进行直接调频。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY10.3.2 间接接调频原理原理瞬时频率瞬时频率瞬时相位瞬时相位图图图图 10.3.1 10.3.1 借助于调相器得到调频波借助于调相器得到调频波借助于调相器得到调频波借助于调相器得到调频波YANGTZE NORMAL UNIVERSITY调制器与主振分开，载波中心频率稳定度高。调制器与主振分开，载波中心频率稳定度高。获得线性调频以线性调相为基础，但在线性调相时，要获得线性调频以线性调相为基础，但在线性调相时，要 求求mCj，则，则所以回路的谐振频率：所以回路的谐振频率：而回路频率的频偏移为而回路频率的频偏移为:所以：所以：YANGTZE NORMAL UNIVERSITY（2）利用移相网络调相）利用移相网络调相YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 图图 10.6.2 RC移相网络矢量图移相网络矢量图YANGTZE NORMAL UNIVERSITY图图 10.6.3 利用变容二极管改变移相网络的电抗利用变容二极管改变移相网络的电抗YANGTZE NORMAL UNIVERSITY2）合成调相法阿姆斯特朗法）合成调相法阿姆斯特朗法YANGTZE NORMAL UNIVERSITY图图 10.6.5 实现矢量合成法的方框图实现矢量合成法的方框图YANGTZE NORMAL UNIVERSITY图图图图 10.6.6 10.6.6 用载波振荡与双边带调幅波叠加以实现调相用载波振荡与双边带调幅波叠加以实现调相用载波振荡与双边带调幅波叠加以实现调相用载波振荡与双边带调幅波叠加以实现调相YANGTZE NORMAL UNIVERSITY3）脉冲调相脉冲调相图图 10.6.7 实现脉冲调相的方框图实现脉冲调相的方框图YANGTZE NORMAL UNIVERSITY图图 10.6.8 脉冲调相各部分的波形图脉冲调相各部分的波形图YANGTZE NORMAL UNIVERSITY10.6.2 间接调频的实现图图 10.6.9 间接调频的典型方框图间接调频的典型方框图YANGTZE NORMAL UNIVERSITY10.8 相位鉴频器10.8.1 相位鉴频器的工作原理相位鉴频器的工作原理10.8.2 相位鉴频器回路参数的选择相位鉴频器回路参数的选择YANGTZE NORMAL UNIVERSITY10.8.1 相位鉴频器的工作原理 先将输入调频信号和经过相移网络后的信号相先将输入调频信号和经过相移网络后的信号相加加(或相减或相减)，产生振幅反映附加相位，产生振幅反映附加相位变化的调幅波，变化的调幅波，而后通过包络检波器检出振幅的变化，就可完成鉴而后通过包络检波器检出振幅的变化，就可完成鉴相功能。相功能。相加器相加器包络检波器包络检波器1.数学模型数学模型YANGTZE NORMAL UNIVERSITY0调频信号调频信号YANGTZE NORMAL UNIVERSITYO 令令 当当 当当较小时，较小时，例如例如 上述分析表明，包络上述分析表明，包络V(t)的变化反映的变化反映的变化，的变化，YANGTZE NORMAL UNIVERSITY相加器相加器 包络检波器 包络检波器相加器 但它们之间的关系是非线性的，因而包络检波器的输出解但它们之间的关系是非线性的，因而包络检波器的输出解调电压是失真的。在实际电路中，为了减小失真，广泛采用平调电压是失真的。在实际电路中，为了减小失真，广泛采用平衡鉴相电路。衡鉴相电路。YANGTZE NORMAL UNIVERSITYOYANGTZE NORMAL UNIVERSITY 比较可见，用平衡鉴相电路可在输出解调电压中抵消直流比较可见，用平衡鉴相电路可在输出解调电压中抵消直流项和项和sin的二次方项及其以上的各偶次方项，并使的二次方项及其以上的各偶次方项，并使sin 项幅项幅值增强为二倍。值增强为二倍。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY图图 10.8.1 相位鉴频器原理电路相位鉴频器原理电路2.实现电路实现电路移相网络 包络检波 YANGTZE NORMAL UNIVERSITYO L1C1和和L2C2构成互感耦合的双调谐回路，作为相位鉴频器构成互感耦合的双调谐回路，作为相位鉴频器的相移网络；两个二极管包络检波器构成相位鉴频器的平衡鉴的相移网络；两个二极管包络检波器构成相位鉴频器的平衡鉴相电路，相电路，L3为高频扼流圈，为高频扼流圈，C0为耦合电容，对输入信号频率呈为耦合电容，对输入信号频率呈短路；对输入信号频率呈开路，用来为包络检波器的平均电流短路；对输入信号频率呈开路，用来为包络检波器的平均电流提供通路。提供通路。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY图图 10.8.4 对应于不同耦合因数的鉴频特性曲线对应于不同耦合因数的鉴频特性曲线10.8.2 相位鉴频器回路参数的选择YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 由该曲线可以看出，耦合很弱（即由该曲线可以看出，耦合很弱（即很小）时，线性范围很小）时，线性范围小，鉴频跨导高。一般，当小，鉴频跨导高。一般，当1.5以后，非线性就已经相当严以后，非线性就已经相当严重。反之，耦合比较紧，线性范围就大，而鉴频跨导就小。但重。反之，耦合比较紧，线性范围就大，而鉴频跨导就小。但当当以上时，非线性又严重起来。因此，通常选取以上时，非线性又严重起来。因此，通常选取。由于由于，当回路品质因数，当回路品质因数L不变时，逐渐加强不变时，逐渐加强耦合，鉴频跨导随之下降，但线性范围则随之加宽。耦合，鉴频跨导随之下降，但线性范围则随之加宽。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY10.9 比例鉴频器 以上分析时假定理想调频波，即输入信号以上分析时假定理想调频波，即输入信号V12振幅恒定。振幅恒定。能能能能否否否否对对对对相相相相位位位位鉴鉴鉴鉴频频频频器器器器的的的的电电电电路路路路作作作作某某某某些些些些改改改改动动动动来来来来获获获获得得得得一一一一定定定定的的的的限限限限幅幅幅幅作作作作用，以省掉限幅器呢用，以省掉限幅器呢用，以省掉限幅器呢用，以省掉限幅器呢?实实实实际际际际中中中中，当当当当噪噪噪噪声声声声、各各各各种种种种干干干干扰扰扰扰以以以以及及及及电电电电路路路路频频频频率率率率特特特特性性性性的的的的不不不不均均均均匀匀匀匀性性性性所所所所引引引引起起起起的的的的输输输输入入入入信信信信号号号号的的的的寄寄寄寄生生生生调调调调幅幅幅幅，都都都都可可可可能能能能直直直直接接接接在在在在相相相相位位位位鉴鉴鉴鉴频频频频器器器器的输出信号中反映出来。的输出信号中反映出来。的输出信号中反映出来。的输出信号中反映出来。为为为为了了了了去去去去掉掉掉掉这这这这种种种种虚虚虚虚假假假假信信信信号号号号，就就就就必必必必须须须须在在在在鉴鉴鉴鉴频频频频之之之之前前前前预预预预先先先先进进进进行行行行限限限限幅。幅。幅。幅。为为为为了了了了回回回回答答答答这这这这个个个个问问问问题题题题，需需需需要要要要从从从从一一一一个个个个新新新新的的的的观观观观点点点点对对对对相相相相位位位位鉴鉴鉴鉴频频频频器器器器进进进进行深入一步的分析。行深入一步的分析。行深入一步的分析。行深入一步的分析。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 输输输输入入入入信信信信号号号号V V1212振振振振幅幅幅幅的的的的变变变变化化化化会会会会使使使使V VD1D1和和和和V VD2D2的的的的振振振振幅幅幅幅成成成成比比比比例例例例地地地地变变变变化化化化，因因因因而而而而在在在在相相相相位位位位鉴鉴鉴鉴频频频频器器器器的的的的输输输输出出出出信信信信号号号号中中中中反反反反映映映映出出出出来来来来由由由由V V1212振振振振幅幅幅幅变变变变化化化化产生的虚假信号。产生的虚假信号。产生的虚假信号。产生的虚假信号。OYANGTZE NORMAL UNIVERSITY如果如果如果如果如果如果如果如果可实现可实现可实现可实现同时同时同时同时YANGTZE NORMAL UNIVERSITY为实现为实现为实现为实现为实现为实现为实现为实现1.工作原理工作原理 比例鉴频器的输出恰好等于相位鉴频器输出的一半。比例鉴频器的输出恰好等于相位鉴频器输出的一半。YANGTZE NORMAL UNIVERSITY图图图图 10.8.1 10.8.1 相位鉴频器原理电路相位鉴频器原理电路相位鉴频器原理电路相位鉴频器原理电路2.实现电路实现电路移相网络 包络检波 YANGTZE NORMAL UNIVERSITY 3.动态限幅特性动态限幅特性V 12 限幅原理：限幅原理：iD ，VC6C6不变不变 Rid id Av V 12 谢谢！