11第七章调角波,直接调频方法(4学时)

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,通信电路,第七章 模拟角度调制与解调电路,（,非线性频率变换电路）,调制与解调,7.1,概述,7.2,角度调制与解调原理,基本概念,频率调制信号的性质,7.3,调频电路,技术指标,直接调频电路,间接调频电路,7.4,鉴频电路,2,7.1,概述,正弦波的瞬时频率和瞬时相位随调制信号变化的调制，称为角度调制,如果瞬时频率随调制信号线性变化，称为频率调制（,Frequency Modulation）,如果瞬时相位随调制信号线性变化，称为相位调制（,Phase Modulation）,从考察瞬时频率和瞬时相位的关系入手，研究频率调制和相位调制之间的关系,3,7.2,角度调制与解调原理,余弦信号,全相角,瞬时相位,称某一时刻的全相角为瞬时相位,瞬时频率,称某一时刻的角频率为瞬时频率,如果是纯余弦信号，瞬时频率为,c,4,7.2.1,调角信号的时域特性,频率调制是使余弦信号的瞬时角频率与调制信号成线性关系变化，而初始相位不变,5,相位调制，保持余弦信号的中心角频率不变，而使其瞬时相位与调制信号成线性关系变化,6,调频波与调相波,7,调频波与调相波的关系,频率调制和相位调制都是改变载波信号的相角，只是该相角的变化随调制信号的变化关系不同,如果事先不知道调制信号的动态变化特性，就,不能区分,调频波和调相波,如果先将调制信号经积分处理后，再进行相位调制，得到的是调制信号的,调频波,如果先将调制信号经微分处理后，再进行频率调制，得到的是调制信号的,调相波,8,9,调角指标：最大频偏与调制指数,10,调制指数,调频波的调制指数有如下特点,m,F,等于最大相偏,m,F,可以小于1，可以大于1,m,F,正比于频偏,m,m,F,反比于调制信号频率,11,调相波,调相波的调制指数只和调制信号幅度成正比,其频偏和调制信号幅度成正比，和调制信号的频率也成正比,12,调角波参数比较,13,7.2.2,调角信号的频谱,频率调制过程是一个非线性过程，分析比较复杂,为了避免复杂的计算和分析，我们只讨论最为简单的单频和双频情况，所得结果可以用来揭示一般调频信号的频谱情况,调制信号为单频余弦信号,调制信号为双频余弦信号,14,调频波的傅立叶展开表示,单频调制信号的调频波可以分解为无穷多个间隔为调制信号频率的余弦波的叠加,调频波除了载波频率外，还有无穷多个旁频分量，其幅度由调制指数的第一类,Bessel,函数决定,15,贝塞尔函数的性质,16,17,m,F,J,0,J,1,J,2,J,3,J,4,J,5,J,6,J,7,J,8,J,9,J,10,J,11,J,12,J,13,J,14,0.00,1,0.25,0.98,0.12,0.50,0.94,0.24,0.03,1.00,0.77,0.44,0.11,0.02,1.50,0.51,0.56,0.23,0.06,0.01,2.00,0.22,0.58,0.35,0.13,0.03,2.40,0,.00,0.52,0.43,0.20,0.06,0.02,2.50,-.05,0.50,0.45,0.22,0.07,0.02,0.01,3.00,-.26,0.34,0.49,0.31,0.13,0.04,0.01,4.00,-.40,-.07,0.36,0.43,0.28,0.13,0.05,0.02,5.00,-.18,-.33,0.05,0.36,0.39,0.26,0.13,0.05,0.02,5.45,0,.00,-.34,-.12,0.26,0.40,0.32,0.19,0.09,0.03,0.01,6.00,0.15,-.28,-.24,0.11,0.36,0.36,0.25,0.13,0.06,0.02,7.00,0.30,0.00,-.30,-.17,0.16,0.35,0.34,0.23,0.13,0.06,0.02,8.00,0.17,0.23,-.11,-.29,-.10,0.19,0.34,0.32,0.22,0.13,0.06,0.03,8.65,0,.00,0.27,0.06,-.24,-.23,0.03,0.26,0.34,0.28,0.18,0.10,0.05,0.02,9.00,-.09,0.25,0.14,-.18,-.27,-.06,0.20,0.33,0.31,0.21,0.12,0.06,0.03,0.01,10.0,-.25,0.05,0.25,0.06,-.22,-.23,-.01,0.22,0.32,0.29,0.21,0.12,0.06,0.03,0.01,18,调频波频谱结构,理论上包含无穷多个旁频分量,各旁频分量之间的距离是调制信号频率：,，,F,各频率分量的幅度由贝塞尔函数决定：,J,n,(m,F,),奇次旁频分量的相位相反：,J,-(2k+1),(m,F,) = -,J,(2k+1),(m,F,),包含载波频率分量,其幅度小于1，与,调制指数有关,-,J,0,(m,F,),19,调频波频谱结构特点,调频波的频谱结构与调制指数,m,F,关系密切。,m,F,愈大，则具有一定幅度的旁频数目愈多，这是调频波频谱的主要特点,与标准调幅情况不同，调频波的调制指数可大于1，而且通常应用于大于1的情况,对于某些特殊的,m,F,值，载频分量或某次旁频分量的,幅度可以为零,：例如，当,m,F,=2.40,5.52,8.65,时，没有载频分量,频率调制不是将信号的频谱在频率轴上平移,而是将信号各频率分量进行非线性变换，调频是非线性频率变换,20,调频波各频谱分量的功率分配,调频波是一个等幅波，所以它的总功率为常数，不随调制指数的变化而变化，并且等于未调载波的功率,调制后，已调波出现许多频率分量，这个总功率就分配到各分量之中,随调制指数的不同，各频率分量之间功率分配的数值不同,21,7.2.3,调频波的带宽,调频波所占的带宽，理论上说是无穷宽的，因为它包含有无穷多个频率分量,但实际上，在调制指数一定时，超过某一阶数的贝塞尔函数的值已经相当小，其影响可以忽略，这时则可认为调频波所具有的频带宽度是近似有限的,近似公式,22,窄带调频,m,F,0.01),最小带宽近似值（幅值0.1）,输出,频谱结构图,25,解,26,例：由频谱结构确定调制指数,调频波的幅度为1,V，,频谱结构如下所示，试给出调频波的各参数。,27,调制信号为双频信号,28,组合频率,29,双频调制信号调频波性质,当两个频率不同的信号同时对一个载波进行频率调制时，所得调频波的频谱中，除有载波角频率分量,c,及,c,n,1,和,c,k,2,分量外，还有,c,n,1,k,2,分量,，它们是两个调制信号频率之间的组合频率分量,频带宽度近似有限，公式相似,30,调频波的性质,三个频率,中心角频率：,c,（,f,c,）,调制信号角频率：, （,F）,调制频偏：,m,（,f,m,）,恒定带宽,在调制指数较大的情况下，调频波的带宽近似等于两倍的频偏,和调制信号频率几乎无关,调相波带宽与调制信号频率有关,调相波频带宽度在调制信号频率的高端和低端相差很大，所以对频带的利用是不经济的,31,预加重和去加重,预加重,调制前，在发射机中加强调制信号频率高端的振幅,去加重,解调后，在接收机中对调制信号频率高端进行衰减,去加重恢复了预加重对原始调制信号的改变，对有用调制信号的影响是相互抵消的,在调制信号的整个频偏内，预加重和去加重产生一个均匀的信噪比,FM,中，采用预加重和去加重，可以改善噪声性能（调频广播：10,dB）,预加重网络为高通（微分），去加重网络为低通（积分）,这说明了预加重其实是将,FM,转换为,PM,32,例,这是预加重和去加重的原理图，试计算预加重和去加重的频率转折点,在商用广播调制器中，当频率小于2.12,kHz,时，产生调频；,当频率大于2.12,kHz,时，产生调相,将,FM,转换为,PM,不是预加重网络的功能，但却实现了这一结果,33,预加重,去加重,34,7.3,调频电路,调频方法总体上可分为两大类,直接调频,直接使振荡器的频率随调制信号呈线性关系变化,间接调频,现将调制信号积分处理后，再进行调相,窄带调频/调相可以采用阿姆斯特朗法,矢量叠加,35,直接调频,直接调频就是直接使振荡器的频率随调制信号成线性关系变化,在一个由,LC,回路决定振荡频率的振荡器中，将一个可变电抗元件接入回路，使可变电抗元件的电抗值随调制电压而变化，则可使振荡器的振荡频率随调制信号而变化,变容二极管,等效可变电抗,特点：可变电抗在振荡回路中,优点：易于得到比较大的频偏,缺点：中心频率的频率稳定度不高,36,间接调频,先将调制信号进行积分处理，再进行调相而得到调频波,相位调制器,积分器,优点：载波中心频率稳定度高,缺点：频偏小,载波振荡器,（晶体振荡器）,缓冲器,（放大器）,调相器,积分器,37,7.3.1,调频电路的技术指标（1）,调制特性,被调振荡器的频率偏移与调制电压的关系,调制特性应为线性,实际电路中，在,u,的某一电压范围内，调制特性近似为线性,38,调频电路的技术指标（2,3）,调制灵敏度,调制电压变化单位数值所产生的频率偏移,调制灵敏度越高，调制信号的控制作用越强,最大频偏,在调制电压作用下，所能达到的最大频率偏移：,f,m,FM,中，一般要求最大频偏在整个调制信号所占有的频带内保持不变,不同的调频系统对最大频偏有不同的要求,调频广播：,75,kHz,；,电视伴音：,50,kHz,；,无线电话：,5,kHz,39,调频电路的技术指标（4）,中心频率稳定度,调频信号的瞬时频率是随调制信号而变化的，但这种变化是以稳定的中心频率（载波频率）为基准的,如果中心频率稳定，接收机可正常接收信号,如果中心频率不稳，有可能使调频信号的频谱落到接收机通带之外，以致不能正常通信；同时可能还会影响到邻近信道,40,扩大频偏的方法,倍频,倍频（提高频偏）,混频,-,获得需要的中心频率,41,倍频,扩展频偏,N,次倍频,42,混频,获得需要的中心频率,带通滤波器,（取和频）,43,7.3.2,直接调频电路,变容管全部接入,1.,变容二极管调频电路,44,变容二极管特性,变容管是利用,PN,结来实现的,PN,结的电容包括势垒电容和扩散电容两部分,变容管利用的是势垒电容，所以,PN,结总是,反向偏置,记,u,=0,时变容管的等效电容为,C,0,为,变容指数，它是一个取决于,PN,结结构和杂质分布情况的系数,缓变结变容管：,=1/3,突变结变容管：,=1/2,超突变结变容管：,=2,称为,接触电位差,硅管约为0.7,V，,锗管约为0.2,V,45,加在变容二极管上的电压,变容二极管在振荡回路中，加在二极管上的电压包括三部分,直流偏置电压：,V,B,调制信号电压：,u,(t),回路振荡电压：,v,osc,(t,),通常，回路振荡电压幅度较小，可以认为变容管所呈现的电容主要由偏置电压和调制电压决定,假定调制信号为单频余弦信号，则加于变容管两端的电压为,46,电容随调制电压而变化,47,振荡频率随调制电压而变化,48,调制特性,为了减小非线性失真，应选用超突变结变容管,49,例,R、C，,电源滤波,R,b1,、R,b2,、R,E,晶体管直流偏置,R,1,、R,2,、R,3,变容管直流偏置,C,1,、C,2,、C,B,、C,E,、C,C,旁路电容或隔直电容,L,c,高频扼流圈,50,变容二极管全接入的特点,用变容管做为回路总电容的直接调频振荡器频偏大，调制灵敏度高：优点,振荡器载频频率稳定度不高：缺点,电源电压、温度变化引起变容二极管电容变化,振荡回路的高频电压全部都作用在变容管上,变容二极管的电容不仅受直流偏压和调制电压的控制，同时还受高频振荡电压的控制,51,高频电压的影响,变容管曲线的非线性使得电容变大了，变化量和高频振荡幅度有关，使得振荡器幅度的变化转化为频率的变化，频率稳定性变差,变容管上电压过大，可能使得变容管部分导通，电阻下降，影响回路,Q,值,为了提高调频振荡器的频率稳定度，应减小变容管上的高频电压振荡幅度,52,变容管部分接入,如果将回路总电容看作是一个等效变容管，那么它的等效变容指数必然小于,原变容管的变容指数，为了实现线性调频，必须选用2的变容管； 同时，,应正确选择和调整,C,1,、,C,2,以及变容管直流偏置电压，以获得近似线性调频,53,部分接入提高了频率稳定度,假设变容管部分接入和全部接入最大频偏减小了,P,倍,调制灵敏度降低了,P,倍,载波频率稳定度提高了,P,倍,同时，由于变容二极管的部分接入，加到变容管上的高频电压只是回路振荡电压的一部分，减小了高频信号振幅变化对频率的影响，从而更进一步提高了载波频率稳定度,54,例,C,7,C,8,L,c4,电源滤波,R,1, R,2, R,3, L,c1,晶体管直流偏置,L,c2,R,4,变容管直流偏置,L,c3,C,9,避免高频振荡,进入音频调制源,音频调制信号通过,L,c2, L,c3,加到变容管上,55,双变容管背靠背连接,对直流偏置和调制信号而言，两变容管并联，其工作点和受调制状态相同,对高频振荡信号，两变容管串联,每个变容管上所承受的高频电压减半,56,直接调频发射机,变容二极管直接调频电路简单，工作频率高，易于获得较大的频偏,但是，直接调频的频率稳定度往往达不到要求，为了解决这个问题，可以采用如下措施,采用晶体振荡器,采用自动频率控制技术（,AFC）,采用锁相环技术（,PLL）,57,晶体振荡器变容二极管直接调频,无线话筒发射机,输出回路调谐在振荡器三次谐波100,MHz,上,晶体振荡器变容二极管直接调频的,相对频偏很小，只有10,-4,量级,预加重,58,