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第第8章章角度调角度调制制主要内容主要内容8.1 8.1 概述概述8.2 8.2 调频方法的概述调频方法的概述8.3 8.3 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路8.4 8.4 石英晶体振荡器直接调频石英晶体振荡器直接调频8.5 8.5 调相电路调相电路8.6 8.6 数字频率调制与相位调制数字频率调制与相位调制教学要求教学要求掌握掌握调角信号的定义、表示式、波形、频谱等调角信号的定义、表示式、波形、频谱等基本特征。基本特征。掌握掌握典型的角度调制电路的结构、工作原理、典型的角度调制电路的结构、工作原理、分析方法和性能特点。分析方法和性能特点。了解了解数字角度调制的典型调制方式及其实现方数字角度调制的典型调制方式及其实现方法。法。任意正弦波信号：任意正弦波信号：u uc c(t t)=U Ucmcmcos(cos(0 0 t+t+o o)=)=U Ucmcmcos(cos(t t)如果利用调制信号如果利用调制信号u u(t t)=)=U Um m cos cost t 去控制三个参量中的某去控制三个参量中的某个，产生调制的作用个，产生调制的作用:AM:AM:FM:FM:PM:PM:角度调制角度调制 属属于于频频谱谱线线性性搬搬移移电电路路，调调制制信信号号寄生于已调信号的振幅变化中。寄生于已调信号的振幅变化中。属属于于频频谱谱的的非非线线性性搬搬移移电电路路，已已调调波波为为等等幅幅波波，调制信息寄生于已调波的频率和相位变化中。调制信息寄生于已调波的频率和相位变化中。8.1概述概述 (t t)=)=c c t+t+o o 为总相角为总相角 U Ucmcm为振幅为振幅 c c为角频率为角频率 o o为初始相角为初始相角其中：其中：FM，PM从已调波中检取出原调制信号的过程称为从已调波中检取出原调制信号的过程称为解调解调(AM)(AM)振幅解调振幅解调检波检波(FM)(FM)频率解调频率解调鉴频鉴频 (detecti(detection)on)(frequency(frequency discrimination)discrimination)(PM)(PM)相位解调相位解调鉴相鉴相(phase detection)(phase detection)AMfff1.1.调角电路定义及分类调角电路定义及分类定义：定义：模拟频率调制和相位调制合称为模拟角度调制模拟频率调制和相位调制合称为模拟角度调制(简称调简称调角角)。高频振荡振幅不变，其角度随着调制信号。高频振荡振幅不变，其角度随着调制信号u u(t t)以一定以一定关系变化。关系变化。频率调制频率调制：高频振荡的振幅保持不变，瞬时角频率随：高频振荡的振幅保持不变，瞬时角频率随 调制信号成线性变化调制信号成线性变化 FMFM分类：分类：相位调制相位调制：高频振荡的振幅保持不变，瞬时相位随调：高频振荡的振幅保持不变，瞬时相位随调 制信号成线性变化制信号成线性变化 PMPM注意：注意：（1 1）因为相位是频率的积分，故频率的变化必将引起相位的变化，）因为相位是频率的积分，故频率的变化必将引起相位的变化，反之亦然。反之亦然。调频信号与调相信号在时域特性、调频信号与调相信号在时域特性、频谱宽度、频谱宽度、调制与解调的原理、实现方法等方面都有密切的联系。调制与解调的原理、实现方法等方面都有密切的联系。（2 2）模模拟拟角角度度调调制制与与解解调调属属于于非非线线性性频频率率变变换换，比比属属于于线线性性频频率率变变换的模拟振幅调制与解调在原理和电路实现上都要困难一些。换的模拟振幅调制与解调在原理和电路实现上都要困难一些。（3 3）由由于于角角度度调调制制信信号号在在抗抗干干扰扰方方面面比比振振幅幅调调制制信信号号要要好好得得多多，因因此虽然要占用更多的带宽，但仍得到了广泛的应用。此虽然要占用更多的带宽，但仍得到了广泛的应用。（4 4）在在模模拟拟通通信信方方面面,调调频频制制比比调调相相制制更更加加优优越越，故故大大都都采采用用调调频频制制。所所以以本本章章以以模模拟拟调调频频电电路路为为主主题题，但但由由于于调调频频信信号号与与调调相相信信号号的的内内在在联联系系，调调频频可可以以用用调调相相电电路路间间接接实实现现，因因此此实实际际上上也介绍了一些调相电路。也介绍了一些调相电路。进行角度调制进行角度调制 (FM(FM或或PM)PM)后后 ，其已调，其已调波的角频率将是时间的函数，即波的角频率将是时间的函数，即(t t)。可用右图所示的旋转矢量表可用右图所示的旋转矢量表示。示。t t=t t(t)(t)t t=0=0实轴实轴设旋转矢量的长度为设旋转矢量的长度为U Ucmcm(t t)，且当，且当t t=0=0时，初相角为时，初相角为o o；t t=t t 时时刻，矢量与实轴之间的瞬时相角为刻，矢量与实轴之间的瞬时相角为 (t(t)，显然有：，显然有：而该矢量在实轴上的投影：而该矢量在实轴上的投影：2.2.调角信号的分析与特点调角信号的分析与特点设高频载波信号为设高频载波信号为 ：u uc c(t t)调制信号：调制信号：（1 1）调频）调频FMFM：由于：由于已调波频率随调制信号线形变化已调波频率随调制信号线形变化，则有：，则有：其中：其中：:载波角频率，载波角频率，FMFM波的中心频率波的中心频率.：调频灵敏度，调频灵敏度，单位调制信号振幅引起的频率偏移单位调制信号振幅引起的频率偏移.,瞬时频率偏移瞬时频率偏移（简称（简称频偏频偏）,寄载了调制信息，表示瞬时频率相对于载波频率的偏移寄载了调制信息，表示瞬时频率相对于载波频率的偏移 .最大频偏最大频偏 另外，由瞬时频率与所对应的瞬时相位的关系，若设另外，由瞬时频率与所对应的瞬时相位的关系，若设 则有：则有：瞬时相位偏移，瞬时相位偏移，设：载波：设：载波：最大相位偏移：最大相位偏移：令令 m mf f=m m，称为，称为FMFM波的波的调频指数调频指数，则调频信号的数学表达式：，则调频信号的数学表达式：所以有：所以有：注意：与注意：与AMAM波不同，波不同，m m f f 一般可大于一般可大于1 1，且，且m m f f 越大，抗干扰性能越好，越大，抗干扰性能越好，但频带越宽。但频带越宽。对单一频率调制的对单一频率调制的FMFM波，由于：波，由于：已调波的相位随调制信号线形变化已调波的相位随调制信号线形变化，有：，有：0 0t t：载波的相位角载波的相位角：调相灵敏度，调相灵敏度，单位调制信号振幅引起的相位偏移。单位调制信号振幅引起的相位偏移。：瞬时相位偏移瞬时相位偏移，即，即 相对于相对于 的偏移量的偏移量。(2)(2)调相（调相（PMPM）最大相位偏移：最大相位偏移：（调相指数调相指数）另外，由瞬时相位与所对应的瞬时频率之间的关系，可得：另外，由瞬时相位与所对应的瞬时频率之间的关系，可得：；PMPM波波瞬时频偏。瞬时频偏。最大频偏最大频偏:PMPM波的表达式为：波的表达式为：对于单一频率调制信号对于单一频率调制信号 的的PMPM波：波：载波：载波：调制信号：调制信号：FM FM波波 PMPM波波 (a)(a)瞬时频率：瞬时频率：(3)(3)调频信号与调相信号的比调频信号与调相信号的比较较(b)(b)瞬时相位：瞬时相位：(c)(c)最大频偏：最大频偏：(d)(d)最大相位：最大相位：(e)(e)表达式表达式:讨论：讨论：(a)(a)一般调角信号的表达式：一般调角信号的表达式：m mp p m mm mm mf f(b)FM(b)FM波：波：(c)PM(c)PM波：波：调频波的波形调频波的波形调频与调相信号的调频与调相信号的相同点：相同点：二者都是等幅信号。二者都是等幅信号。二二者者的的频频率率和和相相位位都都随随调调制制信信号号而而变变化化，均均产产生生频频偏偏与与相相偏偏，成成为为疏疏密密波波形形。正正频频偏偏最最大大处处，即即瞬瞬时时频频率率最最高高处处，波波形形最最密密；负负频频偏偏最最大大处处，即即瞬时频率最低处，波形最疏。瞬时频率最低处，波形最疏。调频与调相信号的调频与调相信号的区别区别:二二者者的的频频率率和和相相位位随随调调制制信信号号变变化化的的规规律律不不一一样样,但但由由于于频频率率与与相相位位是微积分关系是微积分关系,故二者是有密切联系的。故二者是有密切联系的。eg:eg:对对于于调调频频信信号号来来说说，调调制制信信号号电电平平最最高高处处对对应应的的瞬瞬时时正正频频偏偏最最大大，波波形形最最密密；对对于于调调相相信信号号来来说说，调调制制信信号号电电平平变变化化率率（斜斜率率）最最大大处处对对应应的的瞬时正频偏最大，波形最密。瞬时正频偏最大，波形最密。从表从表7-17-1中可以看出，调频信号的调频指数中可以看出，调频信号的调频指数M Mf f与调制频率有关与调制频率有关,最大频最大频偏与调制频率无关，而调相信号的最大频偏与调制频率有关，调相指数偏与调制频率无关，而调相信号的最大频偏与调制频率有关，调相指数M Mp p与调制频率无关。与调制频率无关。从理论上讲，调频信号的最大角频偏从理论上讲，调频信号的最大角频偏m mc c，由于载频，由于载频c c很高，很高，故故m m可以很大，即调制范围很大。由于相位以可以很大，即调制范围很大。由于相位以22为周期，因此调相信为周期，因此调相信号的最大相偏号的最大相偏(调相指数调相指数)M Mp p，故调制范围很小。，故调制范围很小。表表7-1 7-1 单频调频信号与单频调相信号参数比单频调频信号与单频调相信号参数比较较 若用若用m m代替代替m mf f 或或 m mp p ，把，把 FM FM 和和 PMPM信号用统一的调角信号来表示，且令信号用统一的调角信号来表示，且令0 0=0=0，则单位频率调制的调角信号可表示为则单位频率调制的调角信号可表示为 ：展开成以下级数：展开成以下级数：3.3.调角信号的频谱与带宽调角信号的频谱与带宽 式中：式中：J Jn n(m m)称为第一类称为第一类Bessel functionBessel function，当，当m m，n n一定时，一定时，J Jn n(m m)为定系为定系数，数，其值可以由曲线和函数表查出其值可以由曲线和函数表查出。SoSo：利用三角函数积化和差公式：利用三角函数积化和差公式：So So 上式可表示为：上式可表示为：FM/PM FM/PM 信号的频谱由载频信号的频谱由载频 和无限对上，下边频分量和无限对上，下边频分量 组成组成.0 0分量：分量：，其大小决定于，其大小决定于m m：调制指数调制指数 上、下边频分量上、下边频分量0 0n n：，与，与m m和和n n的大小有关。的大小有关。o o-FM/PMFM/PM的频谱的频谱o o+o oo o+2+2o o+3+3o o+4+4o o-2-2o o-3-3o o-4-4o o调制信号调制信号u u载波载波u uo o一般有一般有:由第一类由第一类Bessel functionBessel function的性质：的性质：所以有所以有 :各边频分量与载频分量之间的频率间距为各边频分量与载频分量之间的频率间距为n n ，且当，且当n n为偶数时，上下边为偶数时，上下边频分量符号相同，而当频分量符号相同，而当n n为奇数时，上下边频分量符号相反。为奇数时，上下边频分量符号相反。凡是振幅小于未调载波振幅的凡是振幅小于未调载波振幅的10%10%15%15%的边频的边频分量可以忽略不计。分量可以忽略不计。实际上实际上可以把调角信号认为是有限带宽的信号可以把调角信号认为是有限带宽的信号，这取决于实这取决于实际应用中允许解调后信号的失真程度。际应用中允许解调后信号的失真程度。工程上有两种不同的准则：工程上有两种不同的准则：(1)(1)比较精确的准则：比较精确的准则：FMFM信号的带宽包括幅度大于未调载波振幅信号的带宽包括幅度大于未调载波振幅1%1%以上的边频分量，即以上的边频分量，即 如果在满足上述条件下的最高边频的次数为如果在满足上述条件下的最高边频的次数为n n maxmax，则，则FMFM信号的带宽信号的带宽为为 B BFMFM=2n=2nmaxmax 或或 B BFMFM=2n=2nmaxmaxF F，其中其中 (2)(2)常用的工程准则：常用的工程准则：由由 Bessel Bessel functionfunction可可 得得 B BFMFM=2(m=2(mf f+1)F+1)F在实际应用中也常区分为：在实际应用中也常区分为：调频信号的带宽调频信号的带宽 对有限频带的调制信号，即对有限频带的调制信号，即F=F=F F minminF F maxmax，调角信号的频带为：调角信号的频带为：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，有时把调频制叫做波则不变，有时把调频制叫做恒定带宽调制恒定带宽调制。1.1.对调频电路的要求：对调频电路的要求：(1)(1)具有线性的调制作用具有线性的调制作用 (2)(2)具具有有较较高高的的调调制制灵灵活活度度，即即单单位位调调制制电电压压所所产产生生的的频频偏偏要大要大 (3)(3)最大频偏于调制信号频率无关最大频偏于调制信号频率无关 (4)(4)未调制的载波频率应具有一定的频率稳定度未调制的载波频率应具有一定的频率稳定度 (5)(5)无寄生调幅或者寄生调幅尽可能小无寄生调幅或者寄生调幅尽可能小2.2.调频方法分类调频方法分类 实现频率调制的方式一般有两种实现频率调制的方式一般有两种:直接调频直接调频 间接调频间接调频8.2 8.2 调频方法概述调频方法概述3.3.直接调频直接调频根根据据调调频频信信号号的的瞬瞬时时频频率率随随调调制制信信号号成成线线性性变变化化这这一一基基本本特特性性，可可以以将将调调制制信信号号作作为为压压控控振振荡荡器器的的控控制制电电压压，使使其其产产生生的的振振荡荡频频率率随随调调制制信信号号规规律律而而变变化化，压压控控振振荡荡器器的的中中心心频频率率即为载波频率。即为载波频率。显然，这是实现调频的最直接方法，故称为显然，这是实现调频的最直接方法，故称为直接调频直接调频。优点：易于得到较大的频偏优点：易于得到较大的频偏缺点：频率稳定度低缺点：频率稳定度低由相位与频率之间的关系：由相位与频率之间的关系：在同一调制信号在同一调制信号 的控制下，形成的的控制下，形成的FMFM波和波和PMPM波的表达式为：波的表达式为：以上的过程为以上的过程为直接调频直接调频或或直接调相。直接调相。4.4.间接调频间接调频若若先先对对调调制制信信号号u u(t t)进进行行积积分分,得得到到u u1 1(t t)=)=t t0 0u u(t t)d)dt t,然然后后将将u u1 1(t t)作为调制信号对载频信号进行调相，也可实现调频。作为调制信号对载频信号进行调相，也可实现调频。因因此此将将调调制制信信号号积积分分后后调调相相，是是实实现现调调频频的的另另外外一一种种方方式式，称称为为间接调频间接调频。或者说，间接调频是借用调相的方式来实现调频。或者说，间接调频是借用调相的方式来实现调频。优点：频率稳定度高。优点：频率稳定度高。(1)(1)把把u u(t t)先积分后，再经过调相器，也可得到对先积分后，再经过调相器，也可得到对u u(t t)而言而言的调频波，也称为的调频波，也称为间接调频间接调频。（。（indirect frequency indirect frequency modulationmodulation）(2)(2)把把u u(t t)先为微分后，再经过调频器，可得到先为微分后，再经过调频器，可得到间接调相间接调相。（indirect Phase modulationindirect Phase modulation）5.5.调相原理调相原理相相位位调调制制的的基基本本原原理理：使使角角频频率率为为c c的的高高频频载载波波u uc c(t t)通通过过一一个个可可控控相相移移网网络络,此此网网络络产产生生的的相相移移受受调调制制电电压压u u(t t)控控制制,满满足足=k kp pu u(t t)的的关关系系,则则网网络络输输出出调调相相信信号号。调相信号可写成调相信号可写成:u uPMPM=U Ucmcmcoscosc ct t+k+kp pu u(t t)=U Ucmcmcoscos=Ucmcosc(t-)其中：其中：是一比例系数。是一比例系数。将将调调相相信信号号表表示示为为一一个个可可控控时时延延信信号号，时时延延与与调调制制电电压压u u(t t)成正比。可见，时延与相移本质上是一样的。成正比。可见，时延与相移本质上是一样的。所以所以,将将可控相移网络可控相移网络改为改为可控时延网络可控时延网络，也可实现调相。，也可实现调相。6.6.调频制与调相制分析调频制与调相制分析 调调频频制制指指传传送送的的调调角角信信号号中中,瞬瞬时时频频偏偏与与调调制制电电压压成成正正比比；调调相相制制是是指指传传送送的的调调角角信信号号中中,瞬瞬时时相相偏偏与与调调制制电电压压成成正正比比。虽虽然然调调频频信信号号可可以以由由调调相相方方式式间间接接实实现现,调调相相信信号号也也可可以以由由调调频频方方式间接实现，但是两种调制体制的性能是不一样的。式间接实现，但是两种调制体制的性能是不一样的。抗抗干干扰扰性性是是衡衡量量调调制制体体制制性性能能的的一一个个重重要要指指标标。假假定定接接收收机机解解调调器器输输入入的的已已调调波波信信号号信信噪噪比比相相同同,哪哪一一种种调调制制体体制制解解调调器器输输出出信信噪噪比比高高，解解调调失失真真小小，则则说说明明哪哪一一种种调调制制体体制制抗抗干干扰扰性性好。好。显显然然：对对调调幅幅制制的的主主要要干干扰扰是是振振幅幅噪噪声声，对对调调频频制制与与调调相相制制的的主主要干扰是频率噪声和相位噪声。要干扰是频率噪声和相位噪声。研研究究表表明明：在在单单频频干干扰扰情情况况下下,调调幅幅制制、调调频频制制与与调调相相制制对对应应的的已已调调波波信信号号的的电电压压信信噪噪比比的的比比值值大大约约等等于于各各自自调调制制指数指数m ma a、m mf f与与m mp p的比值。的比值。即即调调制制指指数数越越大大,对对应应的的已已调调波波信信号号的的电电压压信信噪噪比比越越大，抗干扰性越好。调幅制的大，抗干扰性越好。调幅制的m ma a11，故抗干扰性差。，故抗干扰性差。对对于于调调频频制制与与调调相相制制来来说说，调调制制指指数数可可以以大大于于1 1，故故抗抗干扰性可以比调幅制好，干扰性可以比调幅制好，当然当然,这是用增加带宽的代价来换取的。这是用增加带宽的代价来换取的。综上：综上：调角制的抗干扰性可以比调幅制好；调角制的抗干扰性可以比调幅制好；调频制在带宽利用和抗干扰性方面又比调相制好调频制在带宽利用和抗干扰性方面又比调相制好,所以在模拟通信系统中广泛采用所以在模拟通信系统中广泛采用调频制调频制而很少用调相制。而很少用调相制。1.1.变容二极管特性变容二极管特性 扩散电容扩散电容(diffusion capacitance)(diffusion capacitance)正向偏置正向偏置，电容效应比较小。，电容效应比较小。势势垒垒电电容容(barrier(barrier capacitance)capacitance)反反向向偏偏置置 ，势势垒垒区区呈呈现现的的电电容容效效应。应。利用状态利用状态8.3 8.3 变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路 (Varactor diode direct Varactor diode direct FMFM)PN PN结反偏时，结电容会随外加反向偏压而变化，专用的变容二极管是经结反偏时，结电容会随外加反向偏压而变化，专用的变容二极管是经过特殊工艺处理（控制半导体的掺杂浓度和掺杂的分布），使势垒电容过特殊工艺处理（控制半导体的掺杂浓度和掺杂的分布），使势垒电容能灵敏地随反向偏置电压的变化而呈现较大变化的压控变容元件。能灵敏地随反向偏置电压的变化而呈现较大变化的压控变容元件。结电容结电容C Cj j与反偏电压与反偏电压u uR R的关系：的关系：C Cj j0 0：u uR R=0=0时的电容值（零偏置电容）时的电容值（零偏置电容）u uR R ：反向偏置电压，：反向偏置电压，U UD D：PNPN结势垒电位差结势垒电位差：结电容变化指数，通常：结电容变化指数，通常=1/21/3=1/21/3，经特殊工艺制成的超突变结电容经特殊工艺制成的超突变结电容 =15=15看看出出：C Cj j与与u uR R之之间间是是非非线线性性关关系系，即即变变容容二二极极管管属属于于非非线线性性电电容容，这这种种非非线线性性电电容容基基本本上上不不消消耗耗能能量量，产产生生的的噪噪声声量量级级也也较较小小，是是较较理理想想的高效率，低噪声非线性电容。的高效率，低噪声非线性电容。PNPN结具有电容效应结具有电容效应 设在变容二极管上加设在变容二极管上加一个静态工作电压一个静态工作电压U Uo o和和一个单频调制信号一个单频调制信号，则结反偏电压：，则结反偏电压：而结电容：而结电容：其中：其中：为：为：静态工作点的结电容静态工作点的结电容。为：为：结电容调制深度的调制指数结电容调制深度的调制指数。CjuRUQuRtCjtCjQ2.2.变容二极管直接调频的原理电路变容二极管直接调频的原理电路 LCLC正弦波振荡器正弦波振荡器变容二极管变容二极管及其偏置电路及其偏置电路变容二极管变容二极管是振荡回路的一个是振荡回路的一个组成部分。组成部分。加在变容二极管的反向电压：加在变容二极管的反向电压：式中式中:V VQ Q：加在变容二极管的直流偏：加在变容二极管的直流偏置电压；置电压；u u(t t)：调制信号电压。：调制信号电压。结电容随调制电压变化关系结电容随调制电压变化关系变容二极管结电容变容二极管结电容C Cj j将在将在u ur r(t t)的控制下随时间变化。的控制下随时间变化。则振荡器的振荡频率要随则振荡器的振荡频率要随 u u(t t)变化。变化。只要电路参数选取合适，只要电路参数选取合适，就可以实现线性调频。就可以实现线性调频。调制信号：调制信号：反向电压：反向电压：电路分析电路分析（1 1）在反向电压）在反向电压 u ur r(t t)作用下，变容二极管的电容值作用下，变容二极管的电容值C Cj j 变容二极管的结电容表示式变容二极管的结电容表示式载波状态时变容二极管的结电容载波状态时变容二极管的结电容C CjQjQ载波状态时，载波状态时，则，则调制状态时变容二极管的结电容调制状态时变容二极管的结电容C Cj j为电容调制度。为电容调制度。振荡回路的等效电路振荡回路的等效电路当振荡回路中的当振荡回路中的 C C1 1未接入，未接入，C Cc c较大较大时，即回路的总电容仅是变容二极管的时，即回路的总电容仅是变容二极管的结电容，等效回路如图所示。可调变容二极管上的高频电压很小，忽略其结电容，等效回路如图所示。可调变容二极管上的高频电压很小，忽略其对变容二极管电容量变化的影响。对变容二极管电容量变化的影响。瞬时振荡频率瞬时振荡频率为为式中：式中：为为时的载波频率。时的载波频率。（2 2）变容二极管作为回路总电容实现调频）变容二极管作为回路总电容实现调频实现线性调频的条件实现线性调频的条件结论：当结论：当=2=2时，能实现线性调频。时，能实现线性调频。当当2 2时，会产生什么影响？时，会产生什么影响？通常通常 ，可以忽略三次方以上各项，可以忽略三次方以上各项，则：则：由于由于 可以在可以在 处展开成泰勒级数，得处展开成泰勒级数，得结论：结论：当变容二极管作为回路总电容时，当变容二极管作为回路总电容时，2 2调频波会产生调频波会产生中心频率偏中心频率偏离离和和非线性失真非线性失真，会产生如下影响：，会产生如下影响：调频波的中心频率会产生偏移。其偏移量为调频波的中心频率会产生偏移。其偏移量为当调频电路要求的相对频偏较小时，当调频电路要求的相对频偏较小时，m m 值很小，电路对值很小，电路对的要求不严格。的要求不严格。例如，调频广播例如，调频广播f fc c=88108MHz=88108MHz，要求最大频偏，要求最大频偏f fm m=75KHz=75KHz。很小，对应中心频率偏移量和非线性失真量很小。故对很小，对应中心频率偏移量和非线性失真量很小。故对的要求不严格。的要求不严格。显然，显然，当调频电路的相对频偏较大时，对当调频电路的相对频偏较大时，对=2的要求就应严格些。的要求就应严格些。调频波的最大频偏调频波的最大频偏调频波会产生非线性失真。其二次谐波失真最大频偏调频波会产生非线性失真。其二次谐波失真最大频偏 变容二极管全部接入时（变容二极管全部接入时（=2=2，C Cj j作为回路总电容）调频电路的特点作为回路总电容）调频电路的特点:优点优点：调频灵敏度高调频灵敏度高,频偏很大频偏很大缺点缺点：中心频率稳定度不好：中心频率稳定度不好变容二极管作为回路总电容实现调频时，由于变容二极管的结电容随温度、变容二极管作为回路总电容实现调频时，由于变容二极管的结电容随温度、偏置电压的不稳会引起结电容变化。因此其中心频率稳定度差。偏置电压的不稳会引起结电容变化。因此其中心频率稳定度差。（3 3）变容二极管部分接入振荡回路）变容二极管部分接入振荡回路变容二极管部分接入的等效回路如图所示。回路总电容变容二极管部分接入的等效回路如图所示。回路总电容 为为相应的调频特性方程为：相应的调频特性方程为：C Cc c与与C Cj j是同数量是同数量级的小电容级的小电容结论：变容二极管部分接入使得频率稳定度更高，但最大频偏要减小。结论：变容二极管部分接入使得频率稳定度更高，但最大频偏要减小。（1 1）8MHz8MHz变容二极管调频振荡电路变容二极管调频振荡电路3.3.应用举例应用举例变容二极管的变容二极管的直流偏压直流偏压由由R R1 1，R R2 2和电位器和电位器W W组成分压电路供给。组成分压电路供给。调制信号调制信号通过通过C C1 1和高频扼流图和高频扼流图ZLZL1 1加到变容二极管上。加在变容二极管上加到变容二极管上。加在变容二极管上电压为直流偏置电压与调制信号电压之和。电压为直流偏置电压与调制信号电压之和。偏置电压为偏置电压为-4V-4V时，时，C Cj j=100pF=100pF；而偏置电压由（而偏置电压由（0-80-8）V V变化时，变化时，C Cj j为（为（2306023060）pFpF。电路为电容三点式振荡电路，振荡频率为电路为电容三点式振荡电路，振荡频率为电路中心频率为电路中心频率为8MHz8MHz，最大线性频偏为，最大线性频偏为200kHz200kHz。其中其中（2）某通信机中的变容二极管调频电路）某通信机中的变容二极管调频电路高频扼流圈高频扼流圈L Lp3p3，L Lp4p4对直流和调制信号短路对直流和调制信号短路，而，而对载频开路对载频开路。因而：加在两。因而：加在两个变容二极管上的反向电压是相同的。个变容二极管上的反向电压是相同的。上图所示是上图所示是电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路，通过变容二极管的电容变化实现调频。，通过变容二极管的电容变化实现调频。本电路的特殊点是采用了两个变容二极管，并且本电路的特殊点是采用了两个变容二极管，并且同极性相对接同极性相对接的方式接入振的方式接入振荡回路。由于回路中两个二极管代替一个二极管，使得每个变容二极管两端的荡回路。由于回路中两个二极管代替一个二极管，使得每个变容二极管两端的高频电压减小。这样就高频电压减小。这样就减小了高频电压对变容二极管总电容的影响减小了高频电压对变容二极管总电容的影响。4.4.变容二极管直接调频电路的优缺点变容二极管直接调频电路的优缺点优点：优点：电路简单，工作频率高，易于获得大的频偏。在频偏小电路简单，工作频率高，易于获得大的频偏。在频偏小时，非线性失真很小。所需调制信号功率很小。时，非线性失真很小。所需调制信号功率很小。缺点：缺点：中心频率稳定度不高。频偏较大时，非线性失真较大。中心频率稳定度不高。频偏较大时，非线性失真较大。在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，可以采用直接在要求调频波中心频率稳定度较高，而频偏较小的场合，可以采用直接对晶体振荡器调频的方法。对晶体振荡器调频的方法。1 1晶体振荡器直接调频原理晶体振荡器直接调频原理并联型并联型Pierce OscillatorPierce Oscillator，其振荡频率为：，其振荡频率为：式中：式中：C Cg g为晶体的动态电容，为晶体的动态电容，C C o o：晶体的静态电容，：晶体的静态电容，f f q q：晶体的串联谐振频率：晶体的串联谐振频率。在在电电路路中中，当当C Cj j变变化化时时，C CL L变变化化，从从而而使使晶晶体体振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率也也发发生生变变化，如果压控元件化，如果压控元件C Cj j受调制电压受调制电压 控控制制，则则Pierce Pierce OscillatorOscillator就就成为一个成为一个晶体调频振荡器。晶体调频振荡器。注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，注意：晶体在电路中呈现为一个等效电感，故只能工作于晶体的串联谐振故只能工作于晶体的串联谐振频率频率f f q q与并联谐振频率与并联谐振频率f f p p之间之间，而，而f f q q与与 f f p p之间的频率变化范围只有之间的频率变化范围只有量级，再加上量级，再加上C Cj j的串联，晶体的的串联，晶体的可调振荡频率更窄可调振荡频率更窄。C C2 2C Cl lC Cj jJ JT T例例如如：载载频频为为40MHz40MHz的的晶晶体体调调频频振振荡荡器器，能能获获得得最最大大频频偏偏只只有有7.5KHz7.5KHz，所所以以采采用用晶晶体体调调频频振振荡荡器器虽虽然然可可以以获获得得较较高高的的频频率率稳稳定定度度，但但缺缺点点是是最最大大频频偏偏很小很小，实际中需要采用扩大频偏的措施。，实际中需要采用扩大频偏的措施。扩大频偏的方法有两种：扩大频偏的方法有两种：晶体支路中串接小电感；晶体支路中串接小电感；利利用用型型网网络络进进行行阻阻抗抗变换来扩展晶体呈现感变换来扩展晶体呈现感 性的工作频率范围。性的工作频率范围。8.4 8.4 晶体振荡器直接调频电路晶体振荡器直接调频电路 2.晶体调频振荡器的实际电路晶体调频振荡器的实际电路 C1C2CjLJT采用串接小电感采用串接小电感L的方法来扩大调频的频偏，的方法来扩大调频的频偏，变变 容容 二二 极极 管管 的的 反反 向向 偏偏 压压 由由 EC经经 稳稳 压压 管管 VDZ稳稳 压压 后后 经经 RZ2=2.4k和和W1=47k电电位位器器分分压压后后，经经R=10K电电阻阻加加至至变变容容管管正正极极。改改变变47K电电位位器器W1的的活活动动端端可可以以调调整整变变容容管管的的Uo从从而而改改变变Cj，把把调调频频器器的的中中心心频频率率调至规定值。调至规定值。调调制制信信号号u(t)经经电电位位器器W2加加于于变变容容管管VD，改改变变4.7K电电位位器器W2的的活活动动头头，可可以以调调整整加加在在变变容容二二极极管管上上的的调调制制信信号号电电压压幅幅值值，从从而而获获得得要要求求的的频偏。频偏。-Uo+C5u(t)W1W2VDJTCLRb1Rb2C1C2ReC3ECRz2Rz1VDzRC4+-高稳定度高稳定度载波振荡载波振荡器器相位相位调制器调制器积分积分电路电路多级倍频多级倍频和混频器和混频器宽带宽带窄带窄带3.间接调频电路间接调频电路但但最最大大频频偏偏小小的的缺缺点点可可以以通通过过多多级级倍倍频频器器后后获获得得符符合合要要求求的的调调频频频频偏偏，另另外外采用混频器变换频率可以得到符合要求的调频波工作范围。采用混频器变换频率可以得到符合要求的调频波工作范围。采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个稳定的载频信号进采用高稳定度的晶体振荡器作为主振级，然后再对这个稳定的载频信号进行调相，这样一来就可得中心频率稳定度高的调频信号。行调相，这样一来就可得中心频率稳定度高的调频信号。在在间间接接调调频频时时，要要获获得得线线性性调调频频必必需需以以线线性性调调相相为为基基础础。但但在在实实现现线线性性调相时，要求最大瞬时相位偏移调相时，要求最大瞬时相位偏移，因而线性调相的范围很窄，因而线性调相的范围很窄，因此转换成的调频波的最大频偏因此转换成的调频波的最大频偏 很小，即：很小，即：m f0时时，变容二极管反向电压加大，结电容减小，变容二极管反向电压加大，结电容减小，L与与Cj组成谐组成谐振回路的谐振频率增大。其相频特性如图振回路的谐振频率增大。其相频特性如图曲线曲线所示。对输入为所示。对输入为c的载的载频信号，输出电压有一个频信号，输出电压有一个正的附加相移正的附加相移。当当u(t)0时时，变容二极管反向电压减小，结电容加大，变容二极管反向电压减小，结电容加大，L与与Cj组成谐组成谐振回路的谐振频率减小，其相频特性如图振回路的谐振频率减小，其相频特性如图曲线曲线所示，对输入为所示，对输入为c的载的载频信号，输出电压有一个频信号，输出电压有一个负的附加相移负的附加相移。附加相移附加相移在在u(t)的控制下变化，这样输出电压的相位也随的控制下变化，这样输出电压的相位也随u(t)变化，变化，从而实现调相。从而实现调相。调相过程调相过程谐振频率变化产生附加相移谐振频率变化产生附加相移R1R2R3R4C1C2C3C4CjL载波输入载波输入高稳定度高稳定度振荡器振荡器调相器调相器积分器积分器电路分析电路分析如果忽略二次方以上各项，可得回路的谐振频率为如果忽略二次方以上各项，可得回路的谐振频率为：将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调相电路。相电路。CjLUQ=9V载波输入载波输入调相波调相波输出输出回路的频率偏移为：回路的频率偏移为：在在高高Q值值及及谐谐振振回回路路失失谐谐不不大大的的情情况况下下，并并联联LC谐谐振振回路电压和电流间的相位关系为：回路电压和电流间的相位关系为：Oo幅频特性幅频特性/6-/6当当/6（或（或30o）时，）时，tan可得可得:表明：表明：单级单级LC谐振回路在满足谐振回路在满足/6的条件的条件下，回路输出电压的相移是与输入调制电压下，回路输出电压的相移是与输入调制电压u(t)成线性关系的。成线性关系的。实现了线性调相。实现了线性调相。输出电压：输出电压：u(t)=IcmZ(c)cos(ct+mpcost)So：幅度会发生变化从而产生寄生调幅，要：幅度会发生变化从而产生寄生调幅，要求求c很小。另外要求很小。另外要求/6。（用多级来实。（用多级来实现更大的调相指数）现更大的调相指数）调相波调相波输出输出载波输入载波输入实用变容二极管调相电路实用变容二极管调相电路 由晶体管组成单由晶体管组成单LC回路调谐放大电路，回路调谐放大电路，电感电感L、电容、电容C1、C2与变容管与变容管Cj组成并联谐振回路；组成并联谐振回路；载波输入载波输入uFM(t)C3、C4、C5为耦合电容；为耦合电容；LZ为高频扼流圈，以防高频载波被调制信号为高频扼流圈，以防高频载波被调制信号源旁路源旁路;R5、R6对电源对电源EC分压后为变容二极管提供静态偏置电压分压后为变容二极管提供静态偏置电压UQ。放大的放大的载波信号载波信号经经C3耦合输入，耦合输入，调制信号调制信号经经C5耦合输入，耦合输入，调相信调相信号号经经C4耦合输出。耦合输出。如果将调制电压如果将调制电压u(t)先积分后再输入，那么从先积分后再输入，那么从C4耦合输出的信号耦合输出的信号就是对调制电压就是对调制电压u(t)的间接调频波。的间接调频波。R5R1R3R4R3CbC1CjC3C2C4C5LLZECR6Ce+UQ-三级单回路变容二极管调相电路三级单回路变容二极管调相电路实例电路实例电路(2)可变延时法可变延时法载波信号通过一可控延时网络，延时时间载波信号通过一可控延时网络，延时时间受调制信号控制，即受调制信号控制，即=kdu(t)则输出信号为则输出信号为u(t)=Ucosc(t-)=Ucosct-kdcu(t)为调相信号。为调相信号。可变时延法调相电路方框图可变时延法调相电路方框图可变时延法调相电路方框图可变时延法调相电路方框图u(t)0时的可变延时波形时的可变延时波形u(t)=0时各点波形图时各点波形图180o相移相移(3)矢量合成法矢量合成法这种方法主要针对的是窄带的调频或调相信号。这种方法主要针对的是窄带的调频或调相信号。对于单音调相信号：对于单音调相信号：uPM=Ucos(ct+mpcost)=Ucos(ct)cos(mpcost)-Usin(mpcost)sin(ct)当当mp/12时，上式近似为时，上式近似为uPMUcosct Umpcost sinct矢量合成实现调相矢量合成实现调相uPMUcosct Umpcost sinct矢量合成法矢量合成法8.6数字频率调制与相位调制数字频率调制与相位调制一、数字频率调制一、数字频率调制用数字基带信号用数字基带信号s(t)对载波的瞬时频率进行控制的方式，叫做数字对载波的瞬时频率进行控制的方式，叫做数字调调频频。在数字通信中，称之为。在数字通信中，称之为频移键控频移键控，记为，记为FSK。式中，式中，g(t)为持续时间为为持续时间为Ts的矩形脉冲。的矩形脉冲。图图7-212FSK信号的波形信号的波形可以用可以用直接调频法和频率键控法直接调频法和频率键控法来实现频移键控。来实现频移键控。（1）直接调频法）直接调频法直接调频法是用数字基带信号直接控制载波振荡器的振荡频率。模拟信号的直接调频法是用数字基带信号直接控制载波振荡器的振荡频率。模拟信号的直接调频电路都可以用来产生直接调频电路都可以用来产生2FSK信号。其信号。其优点优点是电路简单，信号相位连续。是电路简单，信号相位连续。缺点缺点是频率稳定度低。是频率稳定度低。频率键控法原理框图频率键控法原理框图独立信号源与可变分频器组成的频率键控：独立信号源与可变分频器组成的频率键控：独立晶体振荡器作标准信号源，独立晶体振荡器作标准信号源，数字基带信号去控制可变分频器产生不同的载频。其特点是频率稳定度高，数字基带信号去控制可变分频器产生不同的载频。其特点是频率稳定度高，转换速度也较快，且转换相位是连续的。转换速度也较快，且转换相位是连续的。数字调频器数字调频器（2）频率键控法）频率键控法两个独立信号源组成的频率键控：两个独立信号源组成的频率键控：由数字基由数字基带信号控制转换开关接通不同频率的信号源带信号控制转换开关接通不同频率的信号源来实现。其来实现。其特点特点是载波频率稳定度高，转换是载波频率稳定度高，转换速度较快，但其转换相位不连续。速度较快，但其转换相位不连续。二、数字相位调制二、数字相位调制1.绝对调相是以未调制载波相位为基准。绝对调相是以未调制载波相位为基准。在二进制相位键控中，设码元取在二进制相位键控中，设码元取“1”时，已调波相位与未调制载波相位相同，取时，已调波相位与未调制载波相位相同，取“0”时，则反相位。时，则反相位。2.2CPSK的数学表示式的数学表示式分为绝对调相（分为绝对调相（CPSK）和相对调相（）和相对调相（DPSK）。）。用数字基带信号控制载波的相位，使载波的相位发生跳变的调制方式。数字用数字基带信号控制载波的相位，使载波的相位发生跳变的调制方式。数字相位调制又称为相位键控（相位调制又称为相位键控（PSK）。二进制相位键控（）。二进制相位键控（2PSK）用同一载波）用同一载波的两种相位来代表数字信号。的两种相位来代表数字信号。（一）什么是数字相位调制（一）什么是数字相位调制（二）数字调相的分类（二）数字调相的分类（三）绝对调相（三）绝对调相（CPSK）图图7-24 7-24 两相绝对调相波形两相绝对调相波形图图a为数字基带信号为数字基带信号S(t)图图b为载波信号为载波信号图图c为为2CPSK绝对调相波绝对调相波图图d为双极性基带信号为双极性基带信号4.2CPSK信号的产生信号的产生由图由图7-24可知，可知，2CPSK信号可以看信号可以看成是双极性基带信号与载波信号相成是双极性基带信号与载波信号相乘。即乘。即:3.2CPSK信号的波形信号的波形图图7-25直接调相电路直接调相电路1、2端接载波信号端接载波信号。5、6端接双极性基带信号端接双极性基带信号S(t)。3、4端为端为CPSK信号输出。信号输出。当当S(t)为负时，为负时，D3，D4导通，导通，D1，D2截止，输出电压载波与输入载波反相。截止，输出电压载波与输入载波反相。5.采用环型调制器实现采用环型调制器实现2CPSK直接调相直接调相当当S(t)为正时，为正时，D1，D2导通，导通，D3，D4截止，输出电压载波与输入载波同相。截止，输出电压载波与输入载波同相。6.相位选择法实现相位选择法实现2CPSK调相调相图7-26 相位选择法调相电路 振荡器产生载波信号振荡器产生载波信号，一，一路送给与门路送给与门1，另一路经反相器变成，另一路经反相器变成加到与门加到与门2。基带信号也是分两路一路送给与门基带信号也是分两路一路送给与门1，另一路经反相器送给与门，另一路经反相器送给与门2。当基带信号码元为当基带信号码元为“1”时，与门时，与门1选选通，通，输出输出。当基带信号。当基带信号码元为码元为“0”时，与门时，与门2选通，输出为选通，输出为。1.相对调相是各码元的载波相位，不是以未调制载波相位为基准。相对调相是各码元的载波相位，不是以未调制载波相位为基准。而是而是以相邻的前一码元的载波相位为基准。例如，当码元为以相邻的前一码元的载波相位为基准。例如，当码元为“1”时，它的时，它的载波相位取与前一码元的载波相位差为载波相位取与前一码元的载波相位差为。当码元为。当码元为“0”时，它的载时，它的载波相位取与前一码元的载波相位相同。波相位取与前一码元的载波相位相同。图图7-27DPSK信号波形信号波形图图a为数字基带信号为数字基带信号S(t)，又，又称为绝对码。称为绝对码。图图b为载波信号。为载波信号。图图c为为DPSK信号。信号。图图d为数字基带信号的相对码。为数字基带信号的相对码。2.DPSK信号的波形信号的波形（四）相对调相（四）相对调相（DPSK）分析：分析：用用绝对码对载波进行相对调相绝对码对载波进行相对调相用用相对码对载波进行绝对调相相对码对载波进行绝对调相3.DPSK信号的产生信号的产生由图由图7-27可知，用可知，用绝对码对载波进行相对调相绝对码对载波进行相对调相与用与用相对码对载波进行绝对调相相对码对载波进行绝对调相，其输出结果相同。因而将绝对码变换成相对码后，再进行绝对调相。其输出结果相同。因而将绝对码变换成相对码后，再进行绝对调相。图图a为为DPSK产生原理框图。产生原理框图。图图b为绝对码变换成相对码的原理图。为绝对码变换成相对码的原理图。DPSK信号的产生信号的产生集成调频发射机集成调频发射机MC2833人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
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