第5章角度调制与解调

n 1 n C 1 n( 1)m m cost 2 8 2
n 最大角频偏为： m mC 2
变容二极管全部接入回路方式优点：调频灵敏度高 缺点：载波频率不稳定 实际中， 常采用变容二极管部分接入回路的方式,
C2
L
C1 Cj
C C1
角度调制(简称调角) ：频率调制和相位调制。
模拟通信中, 调频比调相更加优越, 故大都采用调频。 本章内容：以调频电路、 鉴频(频率解调)电路为主, 由于调频信号与调相信号的内在联系, 调频可以用调 相电路间接实现, 鉴频也可以用鉴相(相位解调, 也称相 位检波)电路间接实现, 实际上也介绍了一些调相与鉴 相电路。
第四边频
调角波的频谱：载波分量和无数对边频分量组成。
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 －0.2 －0.4 0
Jn (M) n＝0 载波部分 n＝1 n＝2 n＝3 n＝4 n＝5 n＝6 n＝7
1
2.405 2
3
4
5.520 5 6
7
8.683 8 9
10
11.79 11 M
宗数为M的n阶第一类贝塞尔函数曲线图
2.间接调频 将调制信号积分后调相, 是实现调频的另外一种方式, 称为 间接调频。 间接调频是借用调相的方式来实现调频的。
正弦波 振荡器 vC
调相器
vFM
v
积分器
正弦波振荡器采用晶体振荡器→产生载波（频率稳定度高）
调相器：产生线性控制的附加相移
vC Vm cosC t
vFM (t ) Vm cosC t (C )
C1
L1
Cj
L
VQ
vΩ
C2
C1隔直电容 C2高频滤波电容 L1高频扼流圈
C1 Lc Cc Rb1 Cb Rb2 Re VD + v C2
L Vcc
L
Cj
VQ
Cc (a) (b)
变容管作为回路总电容全部接入回路 必须正确画出直流通路和高频振荡回路。还须画出变容二 极管的直流偏置电路与低频控制回路。
0 0
v(t ) Vm cos(C t k f v (t )dt 0 )
0
t
调制信号：
vΩ(t)=VΩmcosΩt
(t ) C k f Vm cos t
调频信号：
m k f Vm
最大角频偏
v (t ) Vm cos(C t
k f Vm
Vm cos(C t M f sin t 0 )
f
0
v
调频灵敏度SF ： 对频率的控制能力，
单位调制电压变化产生的角频偏, 即SF=d△f/dvΩ。 SF↑→vΩ对瞬时频
率的控制能力↑ （3）载波性能要好。 载频（即中心频率）稳定度：很高
调频特性曲线
5.2.2 变容二极管直接调频电路 变容二极管作为压控电容接入ＬＣ振荡器中, 就组成了ＬＣ压 控振荡器——直接调频电路。 变容二极管是利用PN结反向偏置的势垒电容构成的可控电容。 其结电容Cj与在其两端反偏电压v之间的关系:
J1 ( M )cos(C )t cos(C )t
载频分量 第一边频 第二边频 第三边频
J 2 ( M )cos(C 2)t cos(C 2)t J 3 ( M )cos(C 3)t cos(C 3)t J 4 ( M )cos(C 4)t cos(C 4)t
m MP
fm M
f
fm M
P
fm
fm
M
P
M
0
f
F
0
F
调频波Δfm、Mf与F的关系
调相波Δfm、MP与F的关系
vc
vc
t
v v
t
t
vFM vFM
t
t
t
vPM
vPM
t
FM FM
t
t
PM PM
t
t
t
调频信号与调相信号的波形 (b) (a) 调制信号是单频正弦波时； (b) 调制信号是三角波时
v (t ) Vm cos(C t k PVm cost 0 )
Vm cos(C t M P cost 0 ) 调相指数： M k V P P m
(t ) C kPVm sin t C m sin t
最大频偏：m k PVm M P
osc ( x )
1 C jQ L (1 x ) n
1 (1 x ) 2 C (1 x ) 2 LC jQ
载频，由VQ控制
n
n
设 v Vm cos t ,
Vm x cos t m cos t VB VQ
n 2
osc (t ) C (1 m cost )
(a)
3. 调频信号与调相信号时域特性的比较 上图给出了调制信号分别为正弦波和三角波时调频 信号和调相信号的波形。 可以得出以下几点结论。 调频信号与调相信号的相同之处在于: (1) 都是等幅信号。 (2) 频率和相位都随调制信号而变化, 均产生频 偏与相偏， 成为疏密波形。 正频偏最大处—— 波形最密； 负频偏最大处—— 波形最疏。
C2C j C2 C j
结论：载波频率稳定度提高了。 但加在变容管上的调制电压对整个LC回路的影响减小, 故调频电路的最大线性频偏有所减小,
电路组成 为了使变容二极管正常工作, 必须正确地给其提供静态负 偏压和交流控制电压，要抑制高频振荡信号对直流偏压和低频 控制电压的干扰，在电路中，要适当采用高频扼流圈、旁路电 容、隔直流电容等。
分析展开式和贝塞尔函数的特点, 单频调角信号频谱具有以下几 个特点: (1) 由载频和无穷多组上、 下边频组成, 这些频率分量满足 ωc±nΩ, 振幅为Jn(M)Vcm,n=0, 1, 2, …。 Vcm是调角信号振幅。 当n为偶数时, 两边频分量振幅相同, 相位相同；当n为奇数时, 两边频分量振幅相同, 相位相反。各边频分量振幅值与对应阶贝塞 尔函数成正比 (2) 随着M值的增大, 具有较大振幅的边频分量数目增加, 载频分 量振幅呈衰减振荡趋势, 在个别地方(如M=2.405, 5.520时), 载频分 量为零。 (3) 当M确定后, 各边频分量振幅值不是随n单调变化, 且有时候 为零。 各阶贝塞尔函数随M增大变化的规律均是衰减振荡。
结论；调频比调相获得更广泛的应用。
5.2 调频电路
5.2.1 概述 调频方法 一般有两种: 一是直接调频, 二是间接调频。 1．直接调频法 这种方法一般是用调制电压直接控制压控振荡器的振荡频 率,使振荡频率f(t)按调制电压的规律变化。若被控制的是LC振 荡器,则只需控制振荡回路的某个元件(L或C),使其参数随调制 电压变化,压控振荡器的中心频率即为载波频率，就可达到直 接调频的目的。
变容二极管部分接入调频电路
C5 C2 10 P C4 1000 P R3 1k C7 1000 P (a) C8 1000 P vO 33 P D1 D2 v R4 D1 -12 V Cb
C6 4.3 k 1000 P R1 4.3 k
R2
L C3 1000 P C6 15 P 1000 P
C9 1000 P
调频信号与调相信号的区别在于: (1) 变化规律不一样 调频信号： 调制信号最高处对应的瞬时正频偏最大， 波 形最密； 调相信号：调制信号变化率（斜率）最大处对应的瞬时 正频偏最大， 波形最密。 (2) 调频信号的调频指数Mf与调制频率有关, 最大频偏 与调制频率无关； 调相信号的最大频偏与调制频率有关, 调相指数Mp与调制 频率无关。 (3) 从理论上讲, 调频信号的最大角频偏Δωm＜ωc, 由 于载频ωc很高, 故Δωm可以很大, 即调制范围很大。 由于 相位以2π为周期, 因此调相信号的最大相偏(调相指数)Mp ＜π,故调制范围很小。
C j ( 0) C j (v ) v n (1 ) VB
L
Cj
C j (0)为v=0时结电容 VB n
PN结内建电位差
1 为变容指数 ( ~ 6) 3
osc
1 LC j
v C j osc
振荡回路
v (VQ v ) , Vm VQ
VQ n C j (0) /(1 ) C j ( 0) VB Cj VQ v n VQ v n VQ n (1 ) (1 ) /(1 ) VB VB VB C jQ C jQ , C jQ 静态工作点上的结电容 n v (1 ) n (1 x ) VB VQ
m
sin t 0 )
Mf
k f Vm
最大相偏—调制指数：调频指数
2. 调相信号 调相信号瞬时相位： 瞬时角频率为
φ(t)=ωct+kpvΩ(t)+ 0
v(t ) Vm cosC t kP v (t ) 0
设单音调制
dv (t ) (t ) C k P dt
VCC=12 V
D2 C3
C2
(b)
5.3 调频波解调电路
调角波的解调就是从调角波中恢复出原调制信号的过程。 调频波的解调电路——频率检波器或鉴频器（FD）,调相波的解 调电路——相位检波器或鉴相器（PD）。 5.3.1 限幅鉴频实现方法概述 一、鉴频电路性能要求 功能：将输入信号的瞬时频率变换为相应输出电压的变换器。 鉴频特性：输出电压随瞬时频偏的变化特性。 鉴频跨导（灵敏度）
宽带调角信号, 通常M>>1，有效带宽(简称带宽)为
BWCR 2 MF 2f m
结论：带宽大致由最大频偏决定。 对于调频方式， 最大频偏与调制频率无关，调频信号的带宽 主要由调制信号的幅度决定，随着调制信号带宽的增加，调频信 号的带宽变化不大。 对于调相方式，由于调相信号的最大频偏正比于调制信号的 频率，所以调相信号的带宽应按最高调制频率确定。即带宽是由 最高调制频率分量获得的最大频偏来决定的。 实际工作中，最高调制频率工作的时间少，大部分情况都处 于调制信号频带的中间部分，所以相位调制不能充分利用频带。