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9角度调制信号的解调

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实验九 角度解调

一、实验目的

1、掌握锁相环鉴频的原理，熟悉锁相环鉴频电路的设计方法；

2、熟悉乘法器鉴频的原理及乘法器鉴频电路的设计方法；

3、掌握相位鉴频器的工作原理及相位鉴频器电路的设计方法；

4、掌握斜率鉴频器的工作原理及斜率鉴频器电路的设计方法。 二、实验仪器

1、示波器 一台

2、稳压电源 一台

3、频谱分析仪 一台

4、高频毫伏表 一台

5、万用表 一台

6、高频信号发生器 一台 三、实验原理及相关知识

对调频波而言，调制信息包含在已调信号瞬时频率的变化中，所以解调的任务就是把已调信号瞬时频率的变化不失真地转变成电压变化，即实现“频率—电压”转换，完成这一功能的电路，称为频率解调器，简称鉴频器。调频波的解调称为鉴频或频率检波，调相波的解调称为鉴相或相位检波。与调幅波的检波一样，鉴频和鉴相也是从已调信号中还原出原调制信号。鉴频的主要方法有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器、相移乘法鉴频器和脉冲计数式鉴频器，锁相环鉴频器。 1、鉴频器的主要技术指标： 鉴频器的主要特性是鉴频特性，也就是鉴频器输出电压vo与输入调频波频率f之间的关系，典型的鉴频特性曲线如图9-1所示。 (1) 鉴频跨导S 在中心频率附近，单位频偏所引起的输出电压的变化量，即

offofS=ΔΔ=v (9-1)

显然，鉴频灵敏度越高，意味着鉴频特性曲线越陡峭，鉴频能力越强。 (2)线性范围：指鉴频特性曲线近似于直线段的频率范围，用2Δfmax表示，如图9-1所示，它表明鉴频器不失真解调时所允许的频率变化范围。因此，要求2Δfmax应在于调频波最大频偏的两倍。2Δfmax又称为鉴频器的带宽。 vo

(3) 鉴频灵敏度：主要是指为使鉴频器正常工作所需的输入调频波的幅度，其值越小，鉴频器灵敏度越高。 (4)调频失真的影响：如对寄生调幅应有一定的抑制能力。 2、鉴频的方法 ffoΔvo

fΔ

BWDfmax2Δ 图9-1 鉴频特性曲线 实现鉴频的方法很多，但常用的方法有以下几种：（1）利用波形变换进行鉴频（2）脉冲计数式鉴频器（3）符合门鉴频器等。 利用波形变换进行鉴频是常用的鉴频方法，其原理将调频信号先通过一个线性变换网络，使调频波变换成调频调幅波，其幅度正比于瞬时频率的变化，经变换网络输出的调频调幅信号再作振幅检波即可恢复出原调制信号。如相位鉴频器。 （1）、相位鉴频器 相位鉴频器是利用耦合回路的初、次级电压之间的相位差随频率变化的特性将调频波变为调幅—调频波，然后用振幅检波恢复调制信号。先将调频波经过一个线性移相网络变换成调频调相波，然后再与原调频波一起加到一个相位检波器进行鉴频。因此，实现鉴频的核心部件是相位检波器。 常用的相位鉴频器电路有两种，即电感耦合相位鉴频器和电容耦合相位鉴频器。 图9-2是电感耦合相位鉴频器原理电路图。输入电路的初级回路C1、L1和次级回路C2、L2均调谐于调频波的中心频率f0。它们完成波形变换，将等幅调频波变换成幅度随瞬时频率变化的调频波(即调幅-调频波)。D1、R1、C3和D2、R2、C4组成上、下两个振幅检波器，且特性完全相同，将振幅的变化检测出来。负载电阻R通常比旁路电容C3的高频容抗大得多，而耦合电容C4与旁路电容C3的容抗则远小于高频扼流圈L3的感抗。因此，初级回路

上的信号电压几乎全部降落在扼流圈L3上。 12V&

其工作原理是：由于鉴频器的输出电压等于两个检波器输出电压之差，根据与之

间的相位关系可以分析，当f12V&abV&

in=f0时，因为VD1=VD2，所以Va′b′=0；当fin＞f0时，因为VD1＞VD2，所以Va′b′＞0；当fin＜f0时，因为VD1＜VD2，所以Va′b′＜0，因此，输出电压Va′b′反映了输入信号瞬时频率的偏移Δf。而Δf与原调制信号vΩ(t)成正比，即Va′b′与vΩ (t)成正比。亦即实现了调频波的解调。

Va′b′C1L1M+

–C2L2c

bb′aD1

D2R2R1C3

C4a′+

–V12C5

L3V12+–

图9-2 相位鉴频器原理电路

（2）、比例鉴频器 对于9-2图的相位鉴频器，当输入调频信号的振幅发生变化时，输出电压也会发生变化，因此由各种噪声和干扰引起的输入信号寄生调幅，都将在其输出端反映出来。为了抑制噪声及干扰，在鉴频器前必须增设限幅器。 比例鉴频器具有自限幅功能，因而采用它可以省去外加的限幅器。比例鉴频器本身就具有抑制寄生调幅所产生的干扰的能力，图9-3是比例鉴频器的原理电路，其频率—相位变换部分与相位鉴频器基本相同，电路上差别主要有以下几点： (1) R1，R2连接点N接地，负载RL接在MN之间，输出电压由M，N引出。 (2) R1和R2两端并接大电容C6(一般为10μF)，使得在检波过程中a′b′间的端电压基本保持不变。

+L1C2V2Va′b′

V12VoRLV12C1C5a

bD2D1

C3

C4MNR1

R2C6a′

b′ML2c

L3

图9-3比例鉴频器的原理电路 在比例鉴频器中，由于C6的电容量很大，因此电压Va′b′基本稳定不变，它只决定于调频波的载波振幅，而与其频偏及寄生调幅都无关. 当输入信号振幅由于干扰突然变大时，由于电压Va′b′基本恒定，就使得检波管的电流明显加大，加重了对输入回路的负载，即回路Q值下降,可迫使信号振幅减小。反之亦然。因而比例鉴频器很好地起到了稳幅的作用。 （3）、斜率鉴频器 斜率鉴频电路的工作原理，是利用LC谐振回路的谐振特性对不同频率信号呈现不同的阻抗，对调频波进行调频－调幅变换，得到调频－调幅波，然后再进行振幅检波，得到输出电压，调频－调幅变换特性取决于谐振特性曲线的斜率，故称为斜率鉴频器。如图9-4所示为一个单失谐回路斜率斜率鉴频器。

uFMuiUo

uFM

tui

t0Uo

t00

(a)

Ui

0工作区(线性区)

fcf0fUi

t

Δ f (t)

Δ fm

t

(b)0

图9-4 单失谐回路斜率斜率鉴频器 从9-4b看出，输入调频信号的频率随时间变化，相应信号频率变化，由于输出谐振回路对不同频率呈现不同阻抗，所以可以得到不同的电压输出，即等幅的调频波转换成为振幅随频率变化的调频－调幅波。 （4）、乘法器鉴频

将调频波经过移相电路变成调频调相波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成

线性关系；然后将此调频调相波与未相移的调频波(为参考信号)进行相位检波，即可得到鉴频电路的解调输出。

相位检波又分为叠加型相位检波和乘积型相位检波，上面介绍的都是叠加型相位检波，

利用模拟乘法器的相乘原理可实现乘积型相位检波，将此类鉴频电路就称为相移乘法电路。

这种鉴频电路在集成电路中被广泛应用，其主要特点是性能良好，片外电路十分简单，通常

只有一个可调电感，调整非常方便。

其组成框图如图9-5示。 移相器相位比较器(鉴相器)(乘法器)vB限幅器vAFM波

vAFM波移相器解调输出vL(FM—PM波)

图9-5 相移乘法鉴频框图

基本原理：在乘法器的一个输入端输入调频波，设其表达式为 )(tvs

]sincos[)(tmwVtvfcsmsΩ+=

式中， 为调频系数，fmΩΔ=/ωfm或ffmf/Δ=，其中ωΔ为调制信号产生的频

偏。另一输入端输入经线性移相网络移相后的调频调相波，设其表达式为 )('tvs

)]}(2[sincos{)(''ωϕπω++Ω+=tmVtvfcsms

)](sinsin['ωϕω+Ω+=tmVfcsm

式中，第一项为高频分量，可以被滤波器滤掉。第二项是所需要的频率分量，只要线性

移相网络的相频特性)(ωϕ在调频波的频率变化范围内是线性的，当rad4.0)(≤ωϕ 时，

)()(sinωϕωϕ≈。因此鉴频器的输出电压的变化规律与调频波瞬时频率的变化规律

相同，从而实现了相位鉴频。但是相位鉴频器的线性鉴频范围受到移相网络相频特性的线性

范围的限制。 )(tvo

用集成芯片MCl496即可构成的乘积型相位鉴频器实验电路。

（5）、脉冲计数式鉴频器 利用调频波单位时间内过零信息的不同来实现解调的一种鉴频器。如图9-6所示，首先

将输入调频波通过限幅器变为调频方波，然后微分变为尖脉冲序列，用其中正脉冲去触发脉

冲形成电路，这样调频波就变换成脉宽相同而周期变化的脉冲序列，它的周期变化反映调频

波瞬时频率的变化。将此信号进行低通滤波，取出其平均分量，就可得到原调制信号。

这种电路的突出优点是线性好、频带宽、便于集成，同时它能工作于一个相当宽的中心

频率范围。

限幅放大微分uFMu1半波整流u2单稳u3低通滤波u4uo

(a)

(b

)uFMt

u1t

u2t

u3t

u4t

uot

图9-6 脉冲计数式鉴频电路原理框图

（6）、锁相鉴频 如图9-7所示，根据压控振荡器的原理，由于压控振荡器始终想要和外来信号的频率锁定，为达到锁定的条件，相位比较器和低通滤波器向压控振荡器输出的误差电压必须随外来信号的载波频率偏移的变化而变化。也就是说这个误差控制信号就是一个随调制信号频率而变化的解调信号，即实现了鉴频。

限幅鉴相环路低通滤波

VCO带通滤波调频信号

)(tVi1θ

eθ)(tVd)(tVΩ

图9-7 锁相环路鉴频方框图 （7）、集成芯片鉴频电路

本实验所涉及的集成鉴频芯片为MC3361。它是美国Motorola公司生产的单片窄带调频

接收电路，主要用于语音通讯的无线接收机。片内包含振荡电路、混频电路、限幅放大器、

积分鉴频器、滤波器、抑制器、扫描控制器及静噪开关电路。如图9-8所示工作电压典型值

为+5V。内部振荡信号10.245MHz。

图9-8 集成芯片MC3361功能结构方框图和工程应用 如图9-8，MC3361的集成芯片采用二次混频, 即将输入调频信号的载频先降到10.7 MHz

的第一中频, 然后降到455 kHz的第二中频, 再进行鉴频。该系列芯片则相当于一个完整的单

片接收机。9-8a是MC3361B内部功能框图, (b)是典型应用电路。从16脚输入第一中频为107

MHz的调频信号与10245MHz的晶振进行第二次混频, 产生的455kHz调频信号从③脚外接的

带通滤波器FL1取出, 然后由⑤脚进入限幅放大器。 ⑧脚外接的LC并联网络和片内的10 pF

小电容组成90°频相转换网络。相位鉴频器输出低频分量由片内放大器放大后, 由⑨脚外接

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角度调制

角度调制

4.7角度调制（非线性调制）系统概述(1)

一、角度调制的基本概念

在前几节中，我们系统的介绍了线性调制系统，线性调制系统有一定的优点，如它的实现简单，传输信号所需的频带窄(如SSB)，因此，目前仍有许多场合使用线性调制。

随着人类社会的发展，人们对通信质量的要求愈来愈高，随着传送消息的内容愈来愈广泛，特别是广播的出现，传送的消息内容从语言扩展到了音乐，这样人们就有了对音质、音色及抗干扰性的要求，而角度调制系统能比较好的解决这个问题。

角度调制属于非线性调制，即调制后信号的频谱不再是调制前信号频谱的线性搬移，而产生出很多新的频率成分。

1、 角度调制的概念

一个余弦信号可以写成

其中，A0为常数，当θ(t)随基带信号m(t)变化时，则称角度调制。

2、 角度调制的方法

两种方法： 调频FM：角频率随消息信号m(t)变化；

调相PM：相位随消息信号m(t)变化。

3、瞬时相位与瞬时角频率

为了清楚地介绍调频波和调相波的概念，在这里先引入两个概念：瞬时相位和瞬时角频率。

瞬时相位：公式（4.7-1）中θ(t)称为瞬时相位(或瞬时相角)

瞬时角频率：瞬时相位的导数称为瞬时角频率，ω(t)＝dθ(t)/dt

二者之间的关系为：

4、 角度调制的特点

角度调制的优点：（1）、抗干扰性强；（2）.实现和解调都较简单。

缺点：频带利用率低(有效性低)。

二、调相信号PM及其性质

1、调相信号

对于调相信号，其瞬时相位θ(t)有如下形式：

式中：KPM是引入的系数，称为调相器的灵敏度（或调相系数），它由调相电路决定，单位是弧度/伏。

调相波的时域表达式为

此时，瞬时角频率ω(t)为

可见，虽然上PM波，但其角频率仍与m(t)有关。

2、PM波的性质

（1）调相波的瞬时相位θ(t)随m(t)线性变化

（2）调相波的瞬时角频率ω(t)随dm(t)/dt 线性变化。

3、最大相位偏移ΔθPM

高频电子线路最新版课后习题解答第七章——角度调制与解调答案

高频电子线路最新版课后习题解答第七章——角度调制与解调答案

15 第七章 思考题与习题

7.1 什么是角度调制？

解：用调制信号控制高频载波的频率（相位），使其随调制信号的变化规律线性变化的过程即为角度调制。

7.2 调频波和调相波有哪些共同点和不同点，它们有何联系？

解：调频波和调相波的共同点调频波瞬时频率和调相波瞬时相位都随调制信号线性变化，体现在mfMF；

调频波和调相波的不同点在：调频波mfmfkV与调制信号频率F无关，但fmfkVM与调制信号频率F成反比；调相波ppmMkV与调制信号频率F无关，但mfmfkV与调制信号频率F成正比；

它们的联系在于()()dttdt，从而具有mfMF关系成立。

7.3 调角波和调幅波的主要区别是什么？

解：调角波是载波信号的频率（相位）随调制信号的变化规律线性变化，振幅不变，为等福波；

调幅波是载波信号的振幅随调制信号的变化规律线性变化，频率不变，即高频信号的变化规律恒定。

7.4 调频波的频谱宽度在理论上是无限宽，在传送和放大调频波时，工程上如何确定设备的频谱宽度？

解：工程上确定设备的频谱宽度是依据2mBWf确定

7.5为什么调幅波调制度 Ma不能大于1，而调角波调制度可以大于1？

解：调幅波调制度 Ma不能大于，大于1将产生过调制失真，包络不再反映调制信号的变化规律；调角波调制度可以大于1，因为ffcmmVMkV。

7.6 有一余弦电压信号00()cos[]mtVt。其中0和0均为常数，求其瞬时角频率和瞬时相位

解： 瞬时相位 00()tt

瞬时角频率0()()/tdtdt

7.7 有一已调波电压1()cos()mctVAtt，试求它的()t、()t的表达式。如果它是调频波或调相波，它们相应的调制电压各为什么？

解：t＝21At，12dttAtdt

数字信号处理基础----FM的调制与解调

数字信号处理基础----FM的调制与解调

1. FM

调制与解调的数学原理

1.1 FM

调制中的常用指标

FM

是模拟调制中的一种，也就是频率调制。就是把基带信号用载波的频率来承载。直接的表现方式是调角，也是一种非线性调制。

角度调制时，已调信号的振幅恒定，信息是通过角度来承载的。

对于FM

调制，基带信号的信息，是通过频率来承载的，需要满足的关系是，基带信号与瞬时角频偏呈线性

关系。

其中 Kf

是调频灵敏度，也就是

单位基带信号的幅度变化

引起的已调信号的

频率偏移量

。反应

瞬时角频

率偏移

随着基带信号的幅度线性变化。。

对于FM

调制，还需要关注的指数是最大角频偏和调制指数。首先从最简单的单音信号开始，最大的角频偏就是

调频灵敏度 Kf

和单音信号幅度最大值的乘积。对频率进行积分可以得到载波信号中的角度。这个 mf

也最大相位

偏移。由此可以得到信号的调频指数。

调频指数就是

最大频偏

和

基带信号的频率

的比值（最大角频偏和基带

角频率的比值）。对于非单音信号，其基本和单音信号差不多，一般信号可以分解为多个单音信号，因此常常

关注和单音信号类似的指标即可，比如最大的基带信号频率。

有了已调信号的时域表达式，可以得到已调信号的频域表达式，从而可以得到已调信号的带宽。在工程上满足如下关系：

1.2 FM

正交调制

在现在的调制接调方案当中常常会采取的一种方案就是通过正交调制，在之前学习数字信号处理基础的时候，

也学习了正交调制的方法，和基本概念。其实FM

也可以通过正交调制地方式来进行。

使用三角公式将已调信号进行展开，即可以得到一个IQ

信号的调制形式。IQ

路信号的相位为，调频灵敏度Kf

与

基带信号在0~t

时刻的积分的乘积。

如何产生IQ

路信号？

通过已知的基带信号，调频灵敏度，产生一个正余弦形式的信号就可以了。调频灵敏度Kf

与

基带信号在0~t

时刻的积分的乘积，就是相位。因此，使用一个ROM

保存一个周期的正余弦信号的波形，然

后将调频灵敏度Kf

与

基带信号在0~t

时刻的积分的乘积，作为地址提供给ROM

电路邱关源第六章课后知识题目解析

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第6章 角度调制与解调电路

6.1 已知调制信号38cos(2π10)Vut，载波输出电压6o()5cos(2π10)Vutt，3f2π10rad/sVk，试求调频信号的调频指数fm、最大频偏mf和有效频谱带宽BW，写出调频信号表示式

[解] 3m3m2π108810Hz2π2πfkUf

3m33632π1088rad2π102(1)2(81)1018kHz()5cos(2π108sin2π10)(V)ffokUmBWmFuttt

6.2 已知调频信号72()3cos[2π105sin(2π10)]Vouttt，3f10πrad/sVk，试：(1) 求该调频信号的最大相位偏移fm、最大频偏mf和有效频谱带宽BW；(2) 写出调制信号和载波输出电压表示式。

[解] (1) 5fm

5100500Hz=2(+1)2(51)1001200HzmffmFBWmF

(2) 因为mffkUm，所以352π1001Vπ10fmfmUk，故

27()cos2π10(V)()3cos2π10(V)Outtutt

6.3 已知载波信号mc()cos()outUt，调制信号()ut为周期性方波，如图P6.3所示，试画出调频信号、瞬时角频率偏移()t和瞬时相位偏移()t的波形。

[解] FM()ut、()t和()t波形如图P6.3(s)所示。

.

6.4 调频信号的最大频偏为75 kHz，当调制信号频率分别为100 Hz和15 kHz时，求调频信号的fm和BW。

[解] 当100HzF时，37510750100mffmF

2(1)2(7501)100Hz150kHzfBWmF

当15kHzF时，33751051510mffmF