第五章角度调制与解调电路

第五章 角度调制与解调电路

教学要求：

1. 掌握调频、调相信号的特点（时域、频域和功率）及它们之间的区别；

2. 掌握变容管直接调频电路的组成原理及其性能特点；

3. 掌握间接调频电路的工作原理，了解变容管间接调频电路的组成原理；

4. 掌握斜率鉴频器，相位鉴频器、脉冲计数式鉴频器的工作原理，熟悉相位鉴 频器的性能特点；

5. 本章 5.4 节根据教学需要作为扩充内容。精品文档

教学内容:

角度调制及解调电路属于频谱非线性变换电路，它们的实现方法与上一章讨论的频谱搬移电路 有所不同。

§ 5.1角度调制信号的基本特性

5.1.1调频信号和调相信号

频率调制和相位调制是广泛应用的两种基本调制方式。其中，频率调制简称调频( FM)，它是

使载波信号按调制信号规律变化的一种调制方式； 相位调制简称调相(PM)，它是使载波信号的相

位按调制信号规律变化的一种调制方式。两种调制方式都表现为载波信号的瞬时相位受到调变，故 统称为角度调制，简称调角。

载波信号 V =V mCOS © ( t)

在矢量式中，Vm是矢量的长度，© (t)是矢量转动的瞬时角度

作为调幅信号，相应的矢量长度是在VmO上叠加按调制信号规律变化，而矢量的转动角速度(角

t

频率)为恒值CDc，即卩 Vm=VmO+kaV Q (t)、申(t) = J。⑷Cd +化 却成+申。

式中，ka为比例常数，©0为起始相角，V Q (t、为调制信号电压；因而相应的调幅信号表示式

为 V(t)二 Vmo kaV「(t)】CO SQ °)

作为调相信号，相应的矢量长度为恒值 Vm,而矢量的瞬时相角在参考值Ctct上叠加按调制信

号规律变化的附加相角二(t)二 kpV,. ](t)，即卩「(t)二・ct ：(t) •「0 二 ct ■ kpV, ](t) 「0

式中，kp为比例常数；因而相应的调相信号表示式为V(t)二Vm cos[ ct • kpV^tp o]

而它的瞬时角频率即© (t、的时间导数值为「(t) = d ©二c kp dVi」(t) =(t)

dt dt

可见，在调相信号中，叠加在Wct(角度)上的附加值相角按调制信号规律变化， 而叠加在Wc (频

率)上的瞬时角频率厶W (t)则按调制信号的时间导数值规律变化。

作为调频信号，相应的矢量长度为恒值 Vm，而矢量的转动角速度在载波角频率 Wc上叠加按调

制信号规律变化的瞬时角频率 s(t)=kfV「(t)，即，(t)二c ： s(t)二c • kf V「(t)

式中，kf为比例常数，因而，它的总瞬时相角为

t t

■(t) = o「(t)dt ■，o = ct kf oV {t)d^ = c^ (t^ o

t

则调频信号的一般表示式为V(t)二Vm cos[ ct kf oV「(t)dt o] 可见，在调频信 号中，叠加在Wc上的 瞬时角频率按调制信 号规律变化，而叠加 在Wct上的瞬时相角 则按调制信号的时间 积分值规律变化。表 中黑体字是三种已调 信号的一般定义。 物理

调相信号

讨E Vmo + “ (r) 恒值 恒值

f + 护. + k( I；卫门 1 丄)ch + 叭『+ fl (f)+ Vo

v(f) [迟+趴两"叮 叫七+爭0 } 陷0|[ «Urt + %'. Halt)山 + 孚”'

» 5 - J - 1 由表可见，无论是调频信号还是调相信号，它们的 CD ( t)和© ( t )都同时受到调变，其区别 仅在于按调制信号规律线性变化的物理量不同，这个物理量在调相信号中是厶 © ( t ),在调频信号

中是△ D ( t) o由于D ( t )和© ( t)之间的确定关系，由此，两种已调信号又是相互联系的。 一

个调频信号可看成为△ © ( t)按调制信号的时间积分值规律变化的调相信号；一个调相信号可看成

D ( t)按调制信号的时间导数值规律变化的调频信号。

以单音调制为例〔VQ ( t)= V QmCOSOt〕，对于调频信号而言

(t) = c kfV, m cos'」t = c ：匸 MmCOS'」t

k%

」(t)二 ct - -sin“t 「° 二 ct M f sin'」t [

Q

v(t) =Vm cos( ct M f sin "t I)

kfVi — - m -f m

式中， 沁 m = 2 =fm = kfV,. m Mf —

通常将△ Dm称为最大角频偏，其值与调制信号振幅V饷成正比；Mf称为调频指数，其值与V Q- 成正比，而与Q成反比，且其值可大于1o (图5-1-1)

(d) v(i)

对于调相信号而言

(t)二 ct kpV-co^^ \ = ct M p cos4 o

(t)二 c-Mp'」sin ''4 = c-' *：mSin'」t

v(t) =Vm cos( ct M p cos'」t o)

式中，Mp 二kpV.m •"- =kpVm「二Mp「 5' I - 1单音调制时的调轉馆号

(a) ) (b) Aw(f) (c) t} 其中Mp和△ Dm分别称为调相指数和最大角频偏，前者与 V Q-成正比，后者与V Q-和Q的乘

积成正比。(图5-1-2)精品文档

两种调制的比较表:

表

5-1-2

调频波(FM) 澗相波(PM)

Aot( t )(rad/s)

卩 Vfjnj/Jsin Qt = - MpHsinH/

色爭(D(rafl) 幻 sin血—Mfsin fk &"缶切》Of —

讥 f)(V)

VniCOst+ MpOOS @ * 轴)

a - a (罰

心％ 二 h F 也E( md/s)

必须强调指出，单音调制时，两种已调波均有含义截然不同的三个频率参数：载波角频率 Wc

表示瞬时角频率变化的平均值；调制角频率 Q表示瞬时角频率变化的快慢程度；最大角频偏△ Wm 表示瞬时角频率偏离Wc的最大值。

5.1.2调角信号的频谱

如前所述，单音调制时，两种信号中的 △( t)均为间谐波，因而它们的频谱结构是类似的。

对于单音调频信号，将它写成指数函数：

v(t)=VmCos( ct Mf Sin t 0)= VmRe[ejM,sin"ej( ct S]

式中，Re[X(t)]表示函数X(t)的实部。

ejMfS"' tl是Q的周期性函数，对它进行傅里叶级数展开(式 5-1-23)可知：单音调制信号的频

谱不是调制信号频谱的不失真搬移，而是由载波分量和无数对边频分量所组成的。

5.1.3调角信号的频谱宽度

既然调角信号的频谱包含无限多对边频分量，它的频谱宽度就应无限大；不过，实际上当 M

一定时，随着级数的增加，信号将减小；特别当是 n>M时，其值将随着n的增加而迅速下降。在 实际上按通信系统的要求，可用卡森公式 BWCR=2(M+1)F估算。

因此，实际选取的频谱宽度为 200kHz,为上述计算结果的折衷值。

5.1.4小结

调频和调相是两种Vm恒定的已调信号，它们的平均功率 Pav取决于Vm,而与Mf (或Mp)无 关。正由于这些特点，在构成发射机时可以利用高效率的丙类谐振放大器将它放大到所需的功率， 而在接收这些已调信号时将呈现出很强的抗干扰能力。

调频和调相均是由无限的频谱分量组成的已调信号， 它不像振幅调制信号那样，具有确定的频

谱宽度。工程上，都是根据要求规定一个准则。

调频和调相均为频谱非线性变换的已调信号， 因此，理论上，它们的调制解调电路都不能采用

相乘器和相应的滤波器所组成的电路模型来实现，而必须根据它们的固有特点，提出相应的方案。 不过，工程上，在作某些近似后，相乘器仍可作为构成电路的主要器件。

§ 5.2调频电路

调频有两种方法，分别称为直接调频和间接调频。

5.2.1调频电路概述

一、直接调频和间接调频

1.直接调频

调频信号的基本特点是它的瞬时频率按调制信号规律变化。

用调制信号直接控制振荡器的振荡频率， 使其不失真地反映调制信号的变化规律， 称为直接调 频法。 Vo(t) =Vm cos

式中, kpkM m 精品文档

2 •间接调频

将调制信号进行积分，用其值进行调相，便得到所需的调 频信号，称为间接调频法。

图中，由正弦波振荡器产生频率为 g的载波电压 VmCOSWct，这个电压通过调相器后引入附加相移 ©(伙)，即

VO(t)=VmCOS〔 Wct + © ( Wc)〕。

若这个附加相移受到V Q(t)的积分值.卜f v°(t) dt I的控制， 且控制特性为线性，则输出信号就是调制信号为v Q(t)的调频信 号，即卩

$ct +kpki fvHt)dt 1

当 v,. (t)二V,. m cosi】t时，上式可表示为 vo (t) =Vm cos set kpk1 ^^sin '」t = Vm cos・ct M f sin '」t 】可见，调相器的作用是产生线性控制的附加相移 © ( wc)，它是实现间接调频的关键；与直接

调频电路比较，下面将会看到调相电路的实现方法要灵活得多。

二、调频电路性能要求

调频电路的作用是产生瞬时角频率按调制信号规律变化的调制信号， 因此，调频电路的基本特

性是描述瞬时频率的偏移△ f (二f - fc)随调制电压v ◎变化的调 频特性，要求它在特定的调制电压范围内是线性的。

c d(Af)

原点上的斜率SF = —-好称为调频灵敏度，单位为 dvQ "

Hz/V，显然SF越大，调制信号对瞬时频率的控制能力就越强。 图中，△

fm即为调频信号的最大偏频，当 V饷一定时，△ fm 应保持不变。

若调频特性为非线性，则由余弦调制电压产生的△ f (t)为

非余弦信号，它的傅里叶展开式中的平均分量表示了调频信号的 中心频率由fc偏离fo，称为中心频率偏离量。

522在正弦振荡器中实现直接调频

一、 工作原理及其性能分析

如前所述，在工作原理上，正弦波振荡器的振荡频率是根据振荡环路的相位平衡条件来确定的， 即©T(wosc)=

2n n。如果在振荡环路中，弓I入移相网络，并使其相移量受调制信号控制，就能达到 调频的目的。在LC正弦振荡器中，©T( W主要取决于LC谐振回路，工程上，可以认为它的振荡频 率近似等于回路的固有频率。因此，用一可变电抗器件，它的电容量或电感量受调制信号控制， 将

它接入振荡回路中，就能实现调频。

可变电抗器件：驻极体话筒、电容式话筒、变容二极管、铁氧化磁心线圈等

1 •变容管作为振荡回路总电容的直接调频电路

优点是调频信号对振荡频率的调变能力强，即灵敏度高。

2•变容管部分接入振荡回路的直接调频电路

优点是受温度等外界因素影响小。

二、 电路组成

在LC正弦振荡器中，构成直接调频电路时，关键是如何接入调变变容管电容量的控制电路， 要求控制电路的接入即能有效地将 VQ和v◎加到变容管使，又不影响振荡器的正常工作。 ® 5 - 2 - 1间接调频电踣組成才樞團

M f = kpk1

HS 5'2-2 谴频电路的调袖特艸