高频电子线路课程设计—调相调制

目录前言 (1)工程概况 (1)正文 (2)3.1设计目的 (2)3.2设计的内容 (2)3.2.1. 调相信号原理分析 (2)3.2.2 调角信号频谱及频带宽度 (3)3.2.3 调相和调频的联系和方法 (3)3.2.4 直接调频法原理 (4)3.2.5 间接调频法原理 (6)3.2.6 调制电路 (7)3.2.7 系统的测试及误差分析 (8)总结 (8)致谢 (9)参考文献 (9)传输信息是人类生活的重要内容之一。

传输信息的手段很多，利用无线电技术进行信息传输在这些手段中占有极重要的地位。

无线电通信、广播、电视、等，都是利用无线电技术传输各种不同信息的方式。

无线电通信传送语言、电码或其他信号；无线电广播传送语言、音乐等；电视传送图像、语言、音乐；导航是利用一定的无线电信号指引飞机或船舶安全航行，以保证他们能平安到达目的地。

在以上这些信息传递的过程中，都要用到调制与解调。

调制分为线性调制与非线性调制，线性调制即通过改变载波的幅度，以实现调制信号频谱的线性搬移。

如调幅，其最大的优点是：成本低，带宽窄，因此，通信有效性高。

但抗噪性能低。

为了改善通信系统的可靠性，提出了非线性调制，包括频率调制和相位调制。

它们具有较高的抗造性能，是目前通信系统的主要调制方式。

本次设计应用了multisim软件。

Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的Windows环境下的电路仿真软件，是广泛应用的EWB(Electronics Workbench，电子工作台)的升级版，不仅可以完成电路瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、噪声分析和直流分析等基本功能，而且还提供了离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等电路分析方法，并具有故障模拟和数据储存等功能。

工程概况调制就是对信号源的信息进行处理，使其变为适合于信道传输的形式的过程。

一般来说，信号源的信息（也称为信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。

基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输。

这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。

调制是通过改变高频载波的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。

而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者（也称为信宿）处理和理解的过程。

调制在整个通信过程中是最基本、最重要的一个处理信号方法，在通信系统中，对模拟基带信号进行调制的目的就是为了让多个基带信号经过调制后在有线信道上同时传输，同时也适合于在无线信道中实现频带信号的传输；并且还能增强信号的抗噪声能力。

因此，调制的意义可概括为减小干扰，提高系统抗干扰能力，同时还可实现传输带宽与信噪比之间的互换相位调制电路是使受调波的相位随调制信号而变化的电路。

调相波与调频波的差别是调相波的瞬时相位的变化与调制信号成线性关系,调频波的瞬时频率与调制信号成线性关系。

正弦载波的瞬时相位随调制信号而变化的调制，简称调相(PM)。

正弦波调相器分直接调相和间接调相两类。

前一种方法利用调制信号直接改变谐振回路的参数，使载波（受调波）信号通过回路时产生相移而形成调相波。

现介绍这么一种简易的相位调制电路，该电路的调制信号由RC桥式震荡电路产生，经放大后和载波信号经相位调制器后，输出调相波，输出的调相波经前置放大后再经过功率放大，最后通过匹配网络匹配后就可产生用于天线发送的调相波。

3.1设计目的（1）学习信号的调制基本原理。

（2）掌握信号的调制相关的电路的组成。

（3）掌握用仿真软件仿真出实验电路图。

（4）掌握利用调角实现调相的工作原理。

3.2 设计的内容3.2.1. 调相信号原理分析1、产生调相信号的电路叫做调相器，对他有4个主要的要求：① 已调波的瞬时初相位与调制信号成比例变化。

② 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。

③ 最大相偏与调制频率无关。

④ 无寄生调幅或寄生调幅尽量小。

2、产生调相的方法主要归纳为两类：（1）用调制信号直接控制载波的瞬时相偏——直接调相。

（2）先将调制信号微分，然后对载波进行调频，结果得到调相波——间接调相。

3、变容二极管调相的主要优点是能够获得较大的相移，线路简单，并且几乎不需要调制功率，其主要缺点是中心频率的稳定度低。

在满足设计的各项参数的基础上尽量简化电路。

因此本次课程设计采用变容二极管进行直接调相电路设计。

根据调相波定义，载波信号的瞬时相位随调制信号 线性变化，即t U K t t m P c p Ω+=Ωcos )(ωϕ （1）式中，p K 为与调相电路有关的比例常数，单位是rad ／v 。

令 t U K t m P p Ω=∆Ωcos )(ϕ则表示瞬时相位中与调制信号成线性变化的部分，称为瞬时相位的相位偏移量，简称相移。

用p m 表示最大相移，则 max |)(|t u k m p p Ω= （2）。

称p m 为调相波的调相指数，根据瞬时频率和瞬时相位之间的关系可知，对式两边求导，可得调相波的瞬时频率： （3） 调相波数学表达式为：（4） 将单音频调制信号分别代入式（1）、（2）、（3）和（4）式中得调相波相关参数如下：()()()p c p d t du t t k dt dtϕωωΩ==+()cos ()pM cm c p u U t t ωϕ=+∆()cos ()cm c p U t k u t ωΩ=+相移表达式：t m t U K t p m P p Ω=Ω=∆Ωcos cos )(ϕ角频偏表达式：t m t P p ΩΩ-=∆sin )(ϕ 数学表达式： )cos cos(t m t U u p c cm pm Ω+=ω3.2.2 调角信号频谱及频带宽度（1）调相波和调频波的频谱以调频信号的数学表达式说明调角信号的频谱结构特点 )sin cos(t m t U u f c cm FM Ω+=ω将上式展开为傅立叶级数，省略级数展开时所涉及的数学推导，可得到调频波的展开式：t n m J U t u c f n cm FM )cos()()(Ω+=∑+∞∞-ω单频调制情况下，调频波和调相波课分解为再拼和无穷多上下边频分量之和，各频率分量之间的距离均等于调制频率，且奇数次的上下边频相位相反，包括载频分量在内的各频率分量的振幅均由贝塞尔函数Jn （Mf ）决定。

不论Mf 为何值，随着阶数n 的增大，边频分量的振幅总的趋势是减小的；Mf 越大，具有的较大振幅的边频分量就越多；对与某些Mf 值，载频或某些边频分量的振幅为零，可以测量调频波和调相波的调制指数。

对于调制信号为包含多频率分量的多频率调制情况，调频波和调相波的频谱结构将更复杂，这时不但存在调制信号各频率分量的各阶与载频的组合，还存在调制信号各频率分量间相互组合与载频之间产生的无穷多个组合形成的边频分量。

（2）有效频带宽度所谓窄带调频是指最大频偏小于基带频率 ，所谓宽带调频是指最大频偏大于基带频率 。

基于调频波频谱结构的特点，调角信号的有效频谱宽度，可由卡森（Carson ）公式给出：调相波频带：F m BW p CR )1(2+=可见，调频波和调相波的有效频带宽度与它们的调制系数m 有关，m 越大，有效频带越宽。

但是，对于同一个调制信号对载波进行调频和调相时，两者的频带宽度因Mf 和Mp 的不同而互不相同。

3.2.3 调相和调频的联系和方法根据调频波的数学表达式])(cos[)](cos[0dt t u k t U t t U u t fc cm f c cm FM ⎰Ω+=+=ωϕω和调相波的数学表达式 )](cos[)](cos[t u k t U t t U u p c cm p c cm FM Ω+=+=ωϕω可以看出FM 和PM 两者之间的关系，即调频波可以看成调制信号为 ∫V(t)dt 的调相波，而调相波则可以看成调制信号为dv(t)/dt 的调频波。

根据分析可知，当调制信号频率F 发生变化时，调频波的调制指数Mf 与F 成反比变化，其频带宽度基本不变，故称恒带调制。

而当调制信号频率F 变化时，调相波的调制指数Mp 与F 无关，其频带宽度随调制频率F 变化。

3.2.4 直接调频法原理变容二极管是利用半导体PN 结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种半导体二极管，它是一种电压控制可变电抗元件，它的结电容C j 与反向电压V R 存在如下关系： γ)1(0DR j j V v C C += (1.9) 式中，V D 为PN 结的势垒电压（内建电势差），C j0为V R 为0时的结电容，γ为系数，它的值随半导体的掺杂浓度和PN 结的结构不同而异：对于缓变结，γ=1/3；突变结：γ=1/2;对于超突变结，γ=1~4，最大可达6以上。

图1.1 变容二极管的C j -v 特性曲线变容二极管的C j -v 特性曲线如图1.1所示。

加到变容二极管上的反向电压包括直流偏压V 0和调制信号电压V Ω(t)=V Ωcos Ωt ，即 t V V t v R Ω+=Ωcos )(0结电容在v R (t)的控制下随时间的变化而变化。

把受到调制信号控制的变容二级管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡回路的频率已收到调制信号的控制。

适当选择调频二极管的特性和工作状态，这样就实现了角度调制。

设电路工作在线性调制状态，在静态工作点Q 处，曲线的斜率为V C k ΔΔC =调制灵敏度单位调制电压所引起的最大频偏称为调制灵敏度，以S f 表示，单位为 kHz/V ，即m ΩmV f S f ∆=V Ωm 为调制信号的幅度；△f m 为变容管的结电容变化△C j 时引起的最大频偏。

因为回路总电容的变化量为j 2C p C ∆=∆∑在频偏较小时，△f m 与△C ∑的关系可采用下面近似公式，即∑∑∆⋅-≈∆Q o m 21C C f f 所以 p ↑→ △f ↑ ，△C j ↑→ △f ↑。

调制灵敏度 mQ f V C C f S Ω∑∑∆=.20 式中，△C ∑为回路总电容的变化量；C Q ∑为静态时谐振回路的总电容， 即Q C QC Q C C C C C C ++=∑1所以 C1↓→S f ↑→ △f ↑。

调制灵敏度S f 可以由变容二极管C j-v 特性曲线上V Q 处的斜率k c 计算。

S f 越大，说明调制信号的控制作用越强，产生的频偏越大。

改变C C 的值可以使变容二极管的工作点调节到最佳状态。

变容二极管直接调频原理图变容二极管(Varactor Diodes)为特殊二极管的一种。

当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN （正负极）接面的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。