通信电子电路第6章

第一节调角波的性质第六章角度调制与解调第二节调频方法及电路第三节限幅器第四节鉴频器可编辑ppt第六章角度调制与解调上一章讲的调幅是以uΩ去控制载波振幅，反映到频谱上是频率搬移，其频谱结构不变，所以属于线性调制。本章讲的调角是以uΩ去控制载波的频率或相位，反映到频谱上是一种复杂的变换（增加了许多组合频率），属于非线性调制。调角的优点：抗干扰能力强。可编辑ppt以调制信号uΩ去控制载波的频率或相位，使载波的频率或相位随调制信号的规律变化，这样得到的已调波称调频波或调相波，统称调角波。设载波uo(t)=Ucos(ωt+o)=Ucosθ(t),第一节调角波的性质未调制时=常数；调角后≠常数,其显见，不论是FM还是PM，都会引起(t)的变化，所以统称为调角。瞬时相位：其中，(t)=ωt+o或瞬时频率：可编辑ppt第一节调角波的性质一、调角波的示式（一）调频（FM）波表示式设uΩ(t)=UΩcosΩt,载波uc(t)=Uccos(ωct+o)，据调频定义：FM波的瞬时频率：ω(t)=C+kfuΩ=C+kfUΩcosΩt=C+fcosΩt其中,C~载频，FM波中的中心频率kf~比例系数，单位调制信号强度引起的频率变化，表明控制能力的大小f~最大频偏，即FM瞬时频率偏离C的最大值可编辑ppt∴FM波的表示式：u(t)=Uccos(ωct+mfSinΩt+o)其中:mf称调频指数，是载波相位上附加的最大相移，它表明调制深度。FM波的瞬时相位：调频引起的附加相移特点：频率变化与uΩ成正比，附加相移与uΩ相差90°。具体波形如图uΩΩtωtΩtΩtu(t)ω(t)(t)mffωc可编辑pptPM波瞬时频率：其中：mp=kpUΩ：称调相指数，代表调相波的最大相偏，kp的物理意义是单位调制信号强度引起的相位变化。第一节调角波的性质据调相定义，PM波的瞬时相位随uΩ线性变化，即PM波的瞬时相位:θ(t))=ωct+o+KpUΩcosΩt=ωct+o+mpcosΩt（二）调相波的表示式可编辑ppt第一节调角波的性质∴PM波表示式：U(t)=Uccos(ωct+o+mpcosΩt)波形分析见图瞬时相位变化与uΩ成正比，瞬时频率p的变化与uΩ的微分成正比。特点：uΩΩtωtΩtΩtu(t)ω(t)(t)mppωc可编辑ppt第一节调角波的性质FM、PM波的比较可编辑ppt值得强调的两点差别:1、调频时：fU，与无关调相时：在mp一定时，p2、调频时：mf1/(f一定时)调相时：mpU，(与无关)第一节调角波的性质mffmpp=mp用曲线表示：fmpp可编辑ppt例6-1设一组正弦调制信号，信号频率最低为Fmin=300HZ,最高为3400HZ调制信号的幅度都一样，调制时，最大频偏ff=75kHZ;调相时，最大相偏mp=1.5rad/s试求调频时，mf的变化范围；调相时，fp的变化范围。解：1、调频时，mf=f/=ff/F(mf)max=ff/Fmin=75103/300=250rad/s(mf)min=ff/Fmax=75103/3400==22rad/s第一节调角波的性质2、调相fp=mp(Fmin~Fmax)=1.5(300~3400)=450~5100HZ可见调相时mp=kpU是不变的,但fpF可编辑ppt二、调角信号的频谱和有效带宽(二)调角信号的频谱FM：u(t)=UCcos(ωct+mfsinΩt+0)PM：u(t)=UCcos(ωct+mpcosΩt+0)由uΩ引起的相移相差/2，无本质区别。第一节调角波的性质归并成通式：u(t)=UCcos(ωct+msinΩt+0)利用和角公式u(t)=UC[cos(msinΩt)cos(ωct+0)-sin(msinΩt)sin(ωct+0)]在贝塞尔函数理论中有以下关系：cos(msinΩt)=J0(m)+2J2(m)cos2Ωt+2J4(m)cos4Ωt+……sin(msinΩt)=2J1(m)sinΩt+2J3(m)sin3Ωt+……可编辑ppt第一节调角波的性质所以,u(t)=UCJo(m）Cos(ct+o)+UCJ1(m){Cos(c+Ω)t+o-Cos(c-Ω)t+o}+UCJ2(m){Cos(c+2Ω)t+o+Cos(c-2Ω)t+o}+UCJ3(m){Cos(c+3Ω)t+o-Cos(c-3Ω)t+o}+……其中:J0(m)～以m为宗量的载频分量的振幅系数Jn(m)～以m为宗量的边频分量nc的振幅系数由式可以看出调角波频谱特点：（1）频率成分：ωc、ωc±nΩ，n=1,2,…（2）边频分量的幅度：Un=UcJn（m）(3）相位：当n=奇数时，上、下边频相位相反；当n=偶数时，上下边频相位相同；可编辑ppt当m,n为已知时，以m为变量的振幅系数可由贝塞尔函数曲线（P234图7-3）或P276的附表查得。查曲线方法:例m=4,则由P234图7-3可查得J0(4)=-39.71%J1(4)=-6.6%J2(4)=36.42%第一节调角波的性质横坐标为m,纵坐标为n,Jn(m)%表示振幅系数值,显然其正负、大小无规律。查表可知，当m变量相同时，查的结果与查曲线所得结果相同。查表的方法:由P276的附表可以看出：当调制指数时，有较大振幅的边频分量也增多，而它的功率增加正是由于载频分量功率下降的结果。只要载频振幅不变，则调角波的平均功率就不变。m的变化只是使各频率分量间的功率重新分配。即：可编辑ppt（二）调角波的频谱宽度第一节调角波的性质窄带调制（m<1）；宽带调制（m>1）。1．窄带调制（m<1）当m很小时，cos(msinΩt)1sin(msinΩt)msinΩt显然，和AM波的频谱相似，只是上、下边频相位相反。频带宽度：B=2Ω把B=2Ω的FM波调制称窄带调制，它广泛用于移动通信。据m的大小，调角信号分为两种：频谱如图所示:可编辑ppt2．宽带调制（m>1）完整的频谱由U(t)式决定。理论上说，调角波的频谱应是无限宽的，但能量大都集中在载频附近的边频分量。所以在通信中，一般认为边频幅度小于载波幅度的10%即可忽略。这样做不太影响传输质量。由P276的附表显见，当n>(m+1)时，边频幅度均小于载频振幅的10%。第一节调角波的性质所以，绝大部分能量都集中在n≤(m+1)边频分量。∴其有效带宽可表示为:B=2(m+1)Ω或BHZ=2(m+1)F例如:当m=4，B=2(4+1)Ω=10Ω所以BHZ=2(75+15)=180KHZ(单声道)立体声为198kHZ一般广播系统中选取BHz=200kHZ调频广播中规定最高频偏fmax=75kHZFmax=15kHZ当信号为非简谐信号时，可编辑ppt应该指出，最大频偏与频谱宽度概念是不同的。前者指在UΩ的作用下，瞬时频率偏离fc的最大值；而频谱宽度则是获得主要调制信号能量的频率范围。第一节调角波的性质三、调制方式的比较可编辑ppt第一节调角波的性质可编辑ppt第一节调角波的性质可编辑pptFM、PM的比较第一节调角波的性质综合说：调角优于调幅，而调频又优于调相。可编辑ppt一、调频电路主要指标及实现方法（一）调频器的主要技术指标（1）调制特性的线性：调频波频偏与调制电压关系特性Δf=f(UΩ)称调制特性，即要求Δf∝uΩ。（2）调制灵敏度：指单位调制电压变化能产生的频偏S=Δf/uΩ，S越大越好。第二节调频方法及电路（3）载频稳定度：越高越好。载频稳定是保证正常通信的必要条件。（4）最大频偏Δff：在正常调制电压作用下能获得的最大频偏。要求Δff与F无关。(在整个波段内保持不变)。相对频偏<10-3时称小频偏用于移动电台、FM台、电视伴音例：FM台：fc=96.5MHZff=75KHZ>10-2时称大频偏用于卫星通信、微波中继可编辑ppt（二）调频方法有二种：(1)直接调频：u变化LC回路的L或C变化变化特点：简单，Δff大，但fc稳定性较差。(因为变频管偏置电压漂移、温度T变化fc变化)第二节调频方法及电路（2）间接调频:首先u(t)dt再调相得调频波特点：fc稳定，但Δff小。可编辑ppt二、直接调频电路（一）变容二极管直接调频电路电路如图第二节调频方法及电路图中C1～为隔直电容C2～高频旁路电容RFC～高频扼流圈通直隔交变容管电容当外加电压U=0，CT=CT0可编辑ppt-UB保证变容管工作的反向直流偏压。UB>UmU调制电压第二节调频方法及电路其中：～变容管的电容调～u=0时的结电容将其代入U=UB+u=UB+Umcost由图变容管两端电压可编辑ppt回路振荡频率第二节调频方法及电路若令电容指数n=2，则有=C(1-mTcost)=C-mTCcost=C-mcost其中：m=mTC为FM波最大角频偏。c=mcost即cU(t)当电容指数n2时，令x=mTcost,将展成麦格劳林级数①可编辑ppt第二节调频方法及电路可编辑pptm可由cost项决定，即m=cnmT/2Um一定时，m越大越好。调制灵敏度：Sm=m/Um=nc/[2(U-UB)]固定频偏由直流项决定co=n(n/2-1)/8mT2c它存在使载频不稳，所以co越小越好。二次谐波失真的最大频偏2m由cos2t项决定，2m=n(n/2-1)/8mTc它使失真增加，所以2m越小越好。第二节调频方法及电路结论：若n一定，mTm(频偏增大)Sm但mTco，2m，因此必须合理的选择mT。可编辑ppt为了避免高频振荡电压对CT的影响，常用对称直接调频电路如图：对u,UB来说，两变容管并联；对高频振荡电压，两变容管串联，相互抵消。第二节调频方法及电路可编辑ppt(二)石英晶体调谐振荡器实际电路见P248图7-20优点：中心频率稳定性高(因为晶体振荡器)缺点：频偏小三、间接调频电路(阿姆斯特朗系统)1）间接调频原理先将调制信号积分，再去调相，所得结果就是FM波（如图）第二节调频方法及电路若设:U=Umcost可编辑ppt用U’去调相，其相偏(t)=kpu’=kpUmsint/RC=kfUmsint/=mfsint(其中，kf=kp/RC,mf=kfUm/)显然，这与调频波的瞬时相偏表示式完全一致，所以可实现间接调频。第二节调频方法及电路则u积分后,可编辑pptC1~C3隔直电容-9V提供反偏直流C4,R4为积分器，以获得u’L，CT组成并联谐振回路当u=0时，CT=CTQ,f=fc,电路呈纯阻uCT对载频信号而言，回路呈容性U滞后I第二节调频方法及电路2)间接调频电路电路如图可编辑pptuCT对载频信号而言，回路呈感性U导前I所以u改变CT改变改变，实现调相分析：若u=Umcost则经积分后，U=Umsint第二节调频方法及电路可编辑ppt展成麦格劳林级数：因为mT<1，忽略mT2以上项，第二节调频方法及电路可编辑ppt在小频偏时(/很小)，LC回路产生的相移可见Um第二节调频方法及电路可编辑ppt最大频偏：m=mf=nmTQL应该指出：φ改变，使回路的等效阻抗|Z|也在变，因此调相波的幅度是变化的，即产生所谓寄生调幅。φ越大，寄生调幅越大，调相的非线性失真越大。∴φ应限制在π/6以内。要获得较大频偏，可采用多级调相电路，见P251图7-25。输出FM波第二节调频方法及电路可编辑ppt第三节限幅器为了消除调角波的寄生调幅，通常采用限幅器。对限幅器的主要技术要求：（1）限幅区应具有平坦特性：进入限幅区后，输出电压应基本维持在限幅值不变。（2）限幅门限要低：进入限幅区时，输入电压幅值越低越好。（3）进入限幅区之前应具有尽可能高的线性放大系数。常用的限幅器有：二极管限幅器、三极管限幅器和差分对限幅器。它们各具特点。（自学）可编辑ppt第四节鉴频器鉴频器---实现FM波解调的装置实现鉴频方法有三种：（1）将等幅的FM波变换成振幅与调频波频率成正比的FM-AM波，再进行振幅检波，得到uΩ。这种方法的优点是：电路简单可靠，是目前应用最广泛的一种，如斜率鉴频器、相位鉴频器等。(2）利用移相器，得到与调频波的f变化成正比的FM-PM波，再通过鉴相器检出uΩ。这种方法优点是：性能好，便于集成，是发展方向，如符合门鉴频器。可编辑ppt（3）利用计数过零点脉冲数目的方法，又称脉冲计数式鉴频器。优点是：线性好，但f受限。鉴频器的主要特性是鉴频特性曲线[UΩ～f(f)]，由于它的形状呈S形，又称S曲线。鉴频器的主要质量指标：（1）鉴频跨导（亦称鉴频灵敏度）第四节鉴频器可编辑ppt表示单位频偏能产生输出电压的大小。显然，gD越大，S越陡，灵敏度越高，即以较小的Δf,可获得较大的uΩ。第四节鉴频器（3）非线性失真：B内S曲线为直线，gD=常数，无非线性失真，所以要求鉴频器工作在B内。但由曲线可见，gD与B是矛盾的，gDB，反之BgD，所以必须兼顾。（2）频带宽度B（S曲线的线性范围）要求B>2Δfmax，Δfmax为FM波的最大频偏可编辑ppt基本思想：FM波FM-AM波uL=UL+u峰包检波变换器一、斜率鉴频器1．单端斜率鉴频器电路如图：第四节鉴频器ttttupupupuLu优点：简单缺点：线性范围窄Δω大时失真严重。为克服此缺点引出平衡斜率鉴频器。UL原理：Up~曲线如图0c输入FM波的C<0，使之处于失谐状态。可编辑ppt2.平衡斜率鉴频器(1)电路如图第四节鉴频器要求：D1=D2C3=C4R1=R2,2<0<1=1-0=0-2up2012显见合成后S曲线的线性范围变宽，gDutup1uKdUp1KdUp2(2)工作原理将up1，up2的幅频特性曲线合成如红线所示可编辑ppt（3）优点：gD、u为单端的2倍。输出无直流，无偶次谐波成分，失真小。B较宽，可用于宽带通信接收机.第四节鉴频器（4）缺点：调试不方便，难以做到严格对称。可编辑ppt二、相位鉴频器利用耦合谐振回路初、次级间相移随f变化的特性实现鉴频。第四节鉴频器（一）电路（如图）要求电路完全对称，即：C3=C4D1=D2R3=R4Ld的作用：（1）提供检波器的直流通路;（2）加U1于Ld两端(C0、C4对FM波短路)。可编辑ppt第四节鉴频器(二）工作原理：等效电路如图：由图可见，UD1=U1+U2/2UD2=U1-U2/2分析：U1、U2与频率的关系设初、次级回路参数完全相同，即:L1=L2=L,r1=r2=rQ1=Q2=Q,1=2=U=kd(UD1-UD2)kd~检波效率可编辑ppt次级回路阻抗IL1经M在次级产生的感应电势：第四节鉴频器I2在电容C2两端产生电压：其中,A=kQ~耦合因子显见：变化变化U2变化U2变化、U2-U1变化所以称相位鉴频器可编辑ppt由第四节鉴频器UD1UD2U1UD1UD2U1UD2UD1U1=0时，U2导前U1900（=0或2=0）>0时，U2导前U1小于900（+或2>0）<0时，U2导前U1大于900（--或2<0）可编辑pptU0由此得到S曲线：当达到某限度时，严重失谐，使U1、U2U出现拐点的原因：峰包检波后：所以，FM波：f变化U2-U1UD1UD2变化FM-AM波U可编辑ppt三）鉴频特性分析：求鉴频特性的数学表示式第四节鉴频器考虑初级线圈阻抗和次级反射阻抗时其中，可编辑ppt第四节鉴频器其中若kd=1，则UI1Rp(,A)，此即鉴频特性的数学表示式由此得鉴频曲线如图(图中只画出第一象限部分):可编辑ppt必须兼顾，一般取A=1.5~3曲线特点：(,A)是的奇函数，即曲线关于原点对称（一、四象限)=A时，(,A)max=-A时，(,A)min第四节鉴频器即曲线拐点出现于=A处B=2=2A=2kQ，此即鉴频线性范围A线性范围，但gD鉴频灵敏度A线性范围，但gD鉴频灵敏度相位鉴频器的优点：电路简单，线性较好，灵敏度较高.缺点：工作频带较窄可编辑ppt三、比例鉴频器前述两种鉴频器，当输入FM波振幅变化时，uΩ也变化。因此一旦有寄生调幅，会引起uΩ失真。为消除这种干扰，鉴频器前必须加限幅器。但要较好限幅，输入信号必须加1V级的电压。这将要求高放级数增加，带来电路复杂。采用比例鉴频器，可省去限幅器。第四节鉴频器一）电路001、与相位鉴频器的相同点：FM-AM变换部分相同，L1C1、L2C2均谐振于0。可编辑ppt(b)A、B点接大电容C5(一般10F，C5与R3、R4组成大的时间常数，一般约0.1~0.2s)，检波过程中UAB常数；（二）原理等效电路如图第四节鉴频器2、与相位鉴频器的不同点：(a)输出电压取处不同，从M、N端取U；U（C）D1、D2按环路顺接,构成检波直流通路，C3、C4上电压极性相同可编辑pptUD1=U1+U2/2UC3=kdUD1UD2=-U1+U2/2UC4=kdUD2据前面相位鉴频器的讨论，波形变换影响相位。第四节鉴频器=0时>0时<0时可编辑ppt又因为R3=R4，所以UR3=UR4=UAB/2所以有U=UC4-UR4，或U=UR3-UC3考虑到UR3=UR4,将两式相加有第四节鉴频器因为：RL>>R3、R4，其分流作用忽略，所以UABUR3+UR4可见，在参数相同时，比例鉴频器的灵敏度低了一半。可编辑ppt（2）U只与结论：（1）UAB=常数,由于C5大，，对突变信号起限幅作用。它的大小取决于FM的振幅。（3）灵敏度不高，相当于相位鉴频器的1/2。第四节鉴频器（4）调节麻烦，对FM幅度缓慢的寄生调幅，C5不起限幅作用。有关，寄生调幅使UD1、UD2同时变化，可编辑ppt移相器作用：把FM波变换为FM-PM波相位检波器：由乘法器构成，把U1、U2的相位差检出下面我们分析一下移相器的波形变换原理：最大优点：适合于集成化，因而有发展前景。(一）工作原理框图：常用的移相器如图：四、符合鉴频器可编辑ppt移相器的电压传输函数为：可编辑ppt相位检波过程：FM波经限幅放大后，u1、u2接近于方波，如图电压平均值=面积/2显然U与（U1U2的相位差）成线性关系第四节鉴频器红阴影面积蓝阴影面积相乘后得到幅为U0=KmU1U2，u0仍近似为脉冲波形。可编辑ppt当f较小时，较小，第四节鉴频器U大信号小信号由此可得出符合鉴频器的鉴频特性曲线如图：结论：1.大信号鉴频时，斜率较大（灵敏度高）线性范围较宽，但由于B较宽，所以噪声较大2.小信号鉴频时，B较窄，所以引入噪声小，信噪比高，但鉴频灵敏度较低，线性范围窄。可编辑ppt它是限幅器、鉴相器集成在一块芯片上，移相器和低通滤波器作为外接电路由三部分构成：1.T1~T9组成六级差分中放（含限幅）2.D1~D5、T10与外接元件配合构成偏置电路3.T12~T18等构成模拟乘法器（鉴相器）(二）集成符合鉴频器7CD13：内部电路见P266图7-48第四节鉴频器可编辑ppt五、脉冲计数式鉴频器：利用计数过零值脉冲数目的方法实现鉴频。方框图和波形图如图：uiFM波b放大限幅c微分d削波e脉冲发生器f低通u第四节鉴频器经处理后得到幅度相同的矩形脉冲，如图(f)对给定的单一频率，这些脉冲具有恒定的平均值，其密度与FM波的频率成正比。所以平均幅度随调制信号而线性变化。滤波器去掉无用成分就可得到原调制信号。可编辑ppt这种方法的优点：解调失真小；便于集成。这种方法的缺点：工作频率较低（受限于脉冲发生器的分辨率）。若能生成的最小脉冲为min，则fmax=(fc+ff)<1/min第四节鉴频器可编辑ppt1．角度调制/解调的基本原理和调角波的性质2．调频方法及实现电路3．各种调制方式的比较4．鉴频器指标、原理电路及其优缺点：本章小结单端斜率鉴频器：电路简单，线性范围窄；平衡斜率鉴频器：线性范围宽，B大，失真小，难调对称；相位鉴频器：简单、线性好，灵敏度，B小；比例鉴频器：可省去限幅器，但灵敏度；符合鉴频器：S/N高、易集成，线性范围窄，灵敏度；脉冲计数器：失真小，易集成，工作f可编辑ppt