第8章 频谱的非线性搬移

,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,*,第,8,章,角 度 调 制,与,解 调 电 路,全相角可以用旋转矢量在横轴上的投影表示。,一、调角信号的时域特性,8-1,调角波的基本特性,1,、瞬时频率和瞬时相位,0,t,0,=,t,1,t,t,=,),(,t,w,余弦信号,全相角,:,（,角频率是常数,）,初始相位,瞬时角频率,瞬时相位,2,、调频信号,在频率调制时，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。,调频信号,c,为中心角频率（即载波角频率）,k,f,为比例常数，单位是,rad/s,v,瞬时角频率,为：,瞬时相位,为：,3,、调相信号,相位调制时，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,。,调相信号,瞬时相位,为：,k,p,为,比例常数，单位是,rad/v,瞬时角频率,为：,4,、单音调角波的数学表示式、频移和相移,假定未调载波表示为：,调制信号为：,调频波的瞬时角频率,为：,频移的幅度，称为,最大频偏或简称频偏,:,瞬时角频偏,：,调频波的瞬时相位,附加相移部分,：,调频波的最大附加相移为,调频指数,M,f,：,M,f,可以小于,1,，也可大于,1,正比于 ，反比于 。,调频波的数学表示式,以单频余弦波作调制信号的调频波，其主要性质有：,频偏决定于调制信号的振幅，瞬时频率的变化规律决定于调制信号的变化规律。,调频波的幅度为常数。,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。调制指数与频偏成正比，与调制频率成反比。,调相波的数学表示式,调相波的瞬时相位为：,调相波的最大附加相移,M,p,称为调相指数,调相波的瞬时角频率为,：,调相波：,瞬时角频偏为,：,单音调角信号参数比较,表达式,最大附加相移,（调制指数）,最大频偏,附加相位,瞬时相位,瞬时角频偏,瞬时角频率,相位调制,频率调制,单音调制波形,二、调角信号的频域特性,调制信号为：,调频波的表示式为：,下面分析单频余弦信号调制下，调频波的频谱。,式中，出现了 两个特殊函数。,利用三角函数公式，展开可得：,1,、第一类贝塞尔函数 的性质,：,2,、调频波的频谱结构,包含载波频率分量（但是幅度小于,1,，与,M,f,有关。,),；还包含无穷多个边频分量；,各边频分量之间的距离是调制信号角频率,；,各频率分量的幅度由贝塞尔函数 决定；,奇次旁频分量的相位相反。,0.77,0.44,0.44,0.11,0.11,0.02,0.02,调频波的频谱结构与调制指数,M,f,关系密切。,M,f,愈大，则具有一定幅度的边频数目愈多,。,对于某些,M,f,值，载频分量或某次边频分量的幅度是零。,频率调制不是将信号的频谱在频率轴上直接平移,而是将信号各频率分量进行非线性变换。因此，频率调制又称为非线性调制。,各频率分量间的功率分配。调频波的功率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。随,M,f,的不同，各频率分量之间功率分配的数值不同。,频谱结构特点,3,、调频波的频带宽度,调频波的频带宽度有两种近似：,忽略小于,0.01,的分量：,（集中,99%,以上的功率）,忽略小于,0.1,的分量：（集中,98-99%,的功率）,卡森（,Carson,）,公式,理论上，调频波包含有无穷多个频率分量，其带宽是无穷宽的；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,不同,M,f,时的调频波带宽,上式表明，在调制指数较小的情况下，调频波只有角频率分别,为 和 的三个分量，它与用同样调制信号进行标准,调幅所得调幅波的频带宽度相同。通常，把这种情况的频率调,制称为,窄带调频。,上式表明，在调制指数较大的情况下，调频波的带宽等于二倍,频偏。通常，把这种情况的频率调制称为,宽带调频。,又称为,恒定带宽调频。,介于前两种情况之间。,恒定带宽调频槪念,调制指数较大时，调频波的带宽等于二倍频偏。,对于调相波，。,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。,对于调频波，,当 减小，增加。,增加，则具有一定幅度的边频数目愈多，,带宽增加。,减小，则各旁频分量之间的距离减小，,带宽减小。,最大频偏,复杂频率信号的调角信号的频谱,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 及,和 分量外，还有分量,它们是两个调制信号频率之间的组合频率分量。,复杂调角信号频带宽度：,调频波的功率,使振荡器的频率随调制信号成线性关系变化。如：,变容二极管直接调频电路。,8-2,调频电路,一、调制原理概述,1,、直接调频,优点：易于得到比较大的频偏。,缺点：中心频率的稳定度不易做得很高。,2,、间接调频,优点：载波中心频率稳定度较好,二、调频电路的技术指标,1,、调制特性,定义：振荡器的频率偏移与调制电压的关系称为调制特性，表示为：,在一定电压范围内，,调制特性应近似为直线特性。,2,、调制灵敏度,单位调制电压变化产生的频偏,在调制电压作用下，所能达到的最大频率偏移。,3,、最大频偏,4,、中心频率稳定度,调频信号的瞬时频率是以稳定的中心频率（载波频率）为基准变化的。如果中心频率不稳定，就有可能使调频信号的频谱落到接收机通带范围之外，以致不能保证正常通信。,因此，对于调频电路，不仅要满足频偏的要求，而且要使中心频率保持足够高的稳定度。,三、变容二极管直接调频电路,1,、变容二极管的特性,PN,结反向偏置,时，势垒电容随反偏电压改变,0,V,C,C,0,为,V,=0,时变容管的等效电容,。,为变容指数,，,大小取决于,PN,结的结构和杂质分布情况。,缓变结变容管，其,=1/3,；,突变结变容管，其,=1/2,；,超突变结变容管，其,=1,4,。,V,B,为内建电位差,，,硅管约为,0.7V,，,锗管约为,0.2V,。,因 ，故 。,2,、变容管做回路总电容,可展开为：,可得,调制特性,为,：,利用展开式：,变容管调频电路中，变容管工作在,=2,的区域,中心频率的偏移,非线性失真,3,、变容管部分接入的直接调频电路,电容,C,1,C,2,对频率的影响,变容管部分接入的直接调频电路,90MHz,高频通路,晶体振荡器直接调频电路,100MHz,无线话筒中的发射机,四、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，其方框如下图所示。,优点：载波中心频率稳定度较好。,调相器：,矢量合成法。,可,变,相移法。,可变时延法。,1,、矢量合成法调相电路,振荡器,移相,网络,相乘器,加法器,产生窄带调相信号,2,、,可变相移法调相电路,振荡器,可控相移网络,回路对载波失谐较小,则并联回路失谐产生相移,3,、可变时延法调相电路,振荡器,可控延时网络,教材,P280,脉冲调相电路。,四、间接调频与直接调频电路比较,直接调频电路,可产生较大频偏,但最大相对频偏受调制非线性限制,间接调频电路,最大线性相移小，即,M,p,（,M,f,）,小,且最大频偏受调制非线性限制,五、扩展最大频偏的办法,倍频器：,混频器：,直接调频电路：,相对频偏受限制，,可采用高频率调制，再降低载波。,间接调频电路：,最大频偏受限制，,可采用低频率调制，提高相对频偏，,再提高载波。,5-3,调频波解调电路,作用：从已调波中捡出反映在频率或相位上的调制信号。,调频波的解调称为频率检波，简称鉴频,调相波的解调称为相位检波，简称鉴相,一、鉴频电路的主要性能指标,1,、鉴频线性性,3,、鉴频灵敏度,2,、鉴频线性范围,鉴频特性,：鉴频电路输出低频解调电压与输入调频信号瞬时频偏的关系。理想鉴频特性应该为线性。,单位频偏产生的输出电压的大小（鉴频跨导）,二、调角信号的解调原理,1,、鉴频原理,方法二：限幅鉴频,方法一：锁相鉴频,频幅转换,网络,包络检波,包络检波鉴频,频相转换,网络,鉴相,相位鉴频,变换器,限幅器,非线性,变换网络,低通或,脉冲计数器,脉冲计数式鉴频,包络检波型鉴频器,频幅转,换网络,包络,检波,包络检波鉴频,据线性变换网络不同，分为：,斜率鉴频,、,叠加型相位鉴频,包络检波,非线性,变换网络,低通或,脉冲计数器,脉冲计数式鉴频,调频信号的信息寄托在已调波的频率上。从某种意义上讲，信号频率就是信号电压或电流波形单位时间内过零点,(,或零交点,),的次数。对于脉冲或数字信号，信号频率就是信号脉冲的个数。基于这种原理的鉴频器称为零交点鉴频器或脉冲计数式鉴频器。,2,、鉴相原理,乘法器,LP,载波提取,90,0,相移,叠加型相位鉴频,包络,检波器,三、,LC,回路的频幅和频相转换特性,四、鉴频器电路,1,、,斜率鉴频电路,LC,构成单失谐回路,CR,L,构成低通滤波器,双,失谐回路斜率鉴频器,由于单谐回路的线性范围很小，为扩展鉴频特性的线性范围，实际电路常采用两个单失谐回路构成的平衡电路。,2,、,叠加型相位鉴频器,耦合回路叠加型相位鉴频电路,3,、比例鉴频器,两个二极管顺接,C,6,为大电容，使调制信号周期内电压值保持不变,输出信号很接地位置与叠加型相位鉴频电路不同,自动限幅作用,4,、,乘积型相位鉴频器,五、限幅电路,限幅器,鉴频器的输出信号为：,鉴频器的输出电压能线性跟随输入调频波瞬时频率变化，要求输入信号幅度,Vcm,恒定。,限幅器的作用是维持等幅高频信号输出。,削波器,选频回路,限幅器组成框图,数字调制与解调,数字调制：调制信号为数字信号的调制方式，又称键控。,优点：抗干扰能力强，可以同时传输语言、图像和数据，保密性强。,分类：振幅键控、频率键控、相位键控,