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第7章 模拟角度调制与解调.ppt

第7章 模拟角度调制与解调

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2019-04-27 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第7章 模拟角度调制与解调ppt》,可适用于高等教育领域

第章模拟角度调制与解调电路(非线性频率变换电路)角度调制与解调原理调频电路鉴频电路概述模拟频率调制和相位调制合称为模拟角度调制(简称调角)。相位是频率的积分,故频率的变化必将引起相位的变化,反之亦然。调频信号与调相信号在时域特性、频谱宽度、调制与解调的原理和实现方法等方面都有密切的联系。模拟角度调制与解调属于非线性频率变换,比属于线性频率变换的模拟振幅调制与解调在原理和电路实现上都要困难一些。由于角度调制信号在抗干扰方面比振幅调制信号要好得多,因此虽然要占用更多的带宽,但仍得到了广泛的应用。在模拟通信中,调频制比调相制更加优越,故大都采用调频制。本章在介绍电路时,以模拟调频电路、鉴频(频率解调)电路为主题,但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,因此实际上也介绍了一些调相与鉴相电路。角度调制与解调原理调角信号的时域特性调频信号假设高频载波为:调制信号为:则调频信号的瞬时角频率为:瞬时相位为:调频信号:其中kf为比例系数初相位。调频信号的振幅恒定,瞬时角频率是在固定的载频上叠加一个与调制信号电压成正比的角频率偏移(简称角频偏)瞬时相位是在随时间变化的载波相位上叠加了一个与调制电压积分成正比的相位偏移(简称相偏)。其最大角频偏Δωm和调频指数(最大相偏)Mf分别定义为:若调制信号是单频信号,即则相应的调频信号即调相信号假设高频载波为调制信号为则调相信号的瞬时相位为瞬时角频率为调相信号为其中kp为比例系数初相位。调相信号的振幅恒定,瞬时相位是在随时间变化的载波相位上叠加了一个与调制电压成正比的相偏瞬时角频率是在固定载频上叠加了一个与调制电压的导数成正比的角频偏最大角频偏Δωm和调相指数(最大相偏)Mp分别定义为:若调制信号是单频信号,即则相应的调相信号即调频信号与调相信号时域特性的比较如图所示调制信号分别为单频正弦波和三角波时调频信号和调相信号的相关波形。结论:调频信号与调相信号的相同之处: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。正频偏最大处即瞬时频率最高处波形最密负频偏最大处即瞬时频率最低处波形最疏。调频信号与调相信号的不同之处:①频率和相位随调制信号变化的规律不一样。例如对于调频信号来说调制信号电平最高处对应的瞬时正频偏最大波形最密对于调相信号来说调制信号电平变化率(斜率)最大处对应的瞬时正频偏最大波形最密。②从下表数据可以看出,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,而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π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。调角信号的频谱单频调制时,调频信号与调相信号的时域表达式是相似的,仅瞬时相偏分别随正弦函数或余弦函数变化,无本质区别,故可写成统一的调角信号表达式即式中用调角指数M统一代替了Mf与Mp。调角信号表达式可展开为:贝塞尔函数理论中的两个公式:注:Jn(M)是宗数为M的n阶第一类贝塞尔函数。下面是宗数为M的n阶第一类贝塞尔函数曲线,和M为几个离散值时的贝塞尔函数值。贝塞尔函数表将两个贝塞尔公式代入调角信号表达展开式可得单频调角信号频谱的特点:单频调角信号频谱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)Ucm,n=,,,…。Ucm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。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。因为各阶贝塞尔函数随M增大变化的规律均是衰减振荡,而各边频分量振幅值与对应阶贝塞尔函数成正比。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=,时),载频分量为零。若调角信号振幅不变,M值变化,总功率是保持不变的。但载频与各边频分量的功率将重新分配。对于任何M值均有:结论调角是完全不同于调幅的一种非线性频率变换过程。作为调角的逆过程,角度解调也是一种非线性频率变换过程。调角信号的带宽根据调角信号的频谱特点可以看到,虽然理论上它的频带无限宽,但具有较大振幅的频率分量还是集中在载频附近,且上下边频在振幅上是对称的。当M<<时(工程上只需M<),此时称窄带调频,有近似公式则此时的频谱由载频和一对振幅相同、相位相反的上下边频组成,带宽为:BW=F对于M﹥,称宽带调频定义有效带宽(简称带宽)为:BW=(M)F因为从贝塞尔函数表中可以看出,M以上各阶边频的振幅均小于调角信号振幅的,故可以忽略。对于一般调制信号形成的调角波,采用其中最高调制角频率,代入以上两式就可以求得频带宽度。调角信号的调制原理调频原理实现频率调制的方式一般有两种:直接调频间接调频()直接调频根据调频信号的瞬时频率随调制信号成线性变化这一基本特性,可以将调制信号作为压控振荡器的控制电压,使其产生的振荡频率随调制信号规律而变化,压控振荡器的中心频率即为载波频率。显然,这是实现调频的最直接方法,故称为直接调频。()间接调频若先对调制信号uΩ(t)进行积分,得到然后将u(t)作为调制信号对载频信号进行调相,可得到这种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原理如图所示:调相原理实现相位调制的基本原理是使角频率为ωc的高频载波uc(t)通过一个可控相移网络,此网络产生的相移受调制电压控制,满足的关系,那么网络输出就是调相信号。可控相移网络调相原理如图所示:又调相信号式中其中kd=kpωc是一比例系数。上式调相信号表示为一个可控时延信号,时延τ与调制电压uΩ(t)成正比。时延与相移本质上是一样的。所以,将“可控相移网络调相原理”中的可控相移网络改为可控时延网络,即可实现调相。调角信号的解调原理鉴相原理采用乘积鉴相是最常用的方法。若调相信号为:同步信号与载波信号相差π,为:则用低通滤波器取出uo中的低频分量即式中k为乘法器增益,低通滤波器增益为。乘积鉴相的线性鉴相范围较小,只能解调Mp≤π的调相信号。乘积鉴相原理如图所示。由于相乘的两个信号有°的固定相位差,故这种方法又称为正交乘积鉴相。鉴频原理从调频信号表达式来看,由于随调制信号uΩ(t)成线性变化的瞬时角频率与相位是微分关系,而相位与电压又是三角函数关系,因此要从调频信号中直接提取与uΩ(t)成正比的电压信号很困难。通常采用两种间接方法。①是先将调频信号通过频幅转换网络变成调频调幅信号,然后利用包络检波的方式取出调制信号。②是先将调频信号通过频相转换网络变成调频调相信号,然后利用鉴相方式取出调制信号。调频电路调频电路的主要性能指标调频线性特性调频电路输出信号的瞬时频偏与调制电压的关系称为调频特性。显然,理想调频特性应该是线性的,然而实际电路会产生一些非线性失真,应尽量设法使其减小。调频灵敏度单位调制电压变化产生的角频偏称为调频灵敏度Sf,即Sf=dωduΩ。在线性调频范围内,Sf相当于下式中的kf。最大线性调制频偏(简称最大线性频偏)通常实际电路的调频特性从整体上看是非线性的,其中线性部分能够实现的最大频偏称为最大线性频偏。不同的调频系统要求不同的最大频偏,所以调频电路能达到的最大线性频偏应满足要求。如调频广播系统的要求是kHz,调频电视伴音系统的要求是kHz。由公式Mf=ΔfmFBW=(Mf)F=(ΔfmF)可知,最大频偏与调频指数、带宽等参数有密切的关系。载频稳定度调频电路的载频(即中心频率)稳定性是接收电路能够正常工作而且不会造成邻近信道互相干扰的重要保证。不同调频系统对载频稳定度的要求是不同的,如调频广播系统要求载频漂移不超过±kHz,调频电视伴音系统要求载频漂移不超过±Hz。直接调频电路变容二极管调频电路是广泛采用的一种直接调频电路。为了提高中心频率稳定度,可以加入晶振,但加入晶振后又会使最大线性频偏减小。采用倍频和混频措施可以扩展晶振变容二极管调频电路的最大线性频偏。变容二极管调频电路变容二极管调频电路实际上就是一个变容二极管压控振荡器。将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。为了使变容二极管能正常工作,必须正确地给其提供静态负偏压和交流控制电压,而且要抑制高频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干扰。所以,在电路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路电容、隔直流电容等。如图所示变容二极管压控振荡器的振荡回路由一个电感L、一个变容二极管Cj和两个电容C、C组成。变容二极管调频电路的性能指标为简化分析假定变容二极管调频电路的振荡回路仅包括一个等效电感L和一个变容二极管组成的等效电容Cj。若调制信号:回路振荡角频率:其中(详情可参考第章节相关内容)是uΩ=时的振荡角频率,即调频电路中心角频率。x=mcosΩt=uΩ(UBUQ)是归一化调制信号电压,|x|≤。CjQ静态结电容。UQ变容二极管的静态直流偏压UB为PN节内建电位差。m结电容调制度。n变容指数。当变容二极管变容指数n=时,有故频偏为:此情况称为线性调频,无非线性失真。当变容二极管变容指数n≠时,其中线性角频偏部分为结论a上式中右边第三项及其以后各项一方面将产生与的二次方及其以上各次方有关的角频偏,显然这些将产生调制特性的非线性失真另一方面还将使载频产生一个附加偏移,使载频稳定度降低。b非线性失真和载频偏移随着m的增大以及n与之间差值的增大而增大。统一的最大线性角频偏可表示为上式表明当n确定之后,最大相对线性角频偏Δωmωc与电容调制度m成正比。虽然增大m会增加最大相对角频偏,但也会增加非线性失真和减小载频稳定度,所以最大相对角频偏受m的限制。调频灵敏度可表示为晶振变容二极管调频电路在晶振变容二极管调频电路中,常采用晶振与变容二极管串联的方式右图所示。晶体变容二极管调频电路实质上就是晶振变容二极管压控振荡器。晶振的频率控制范围很窄,仅在串联谐振频率fs与并联谐振频率fp之间,所以晶振调频电路的最大相对频偏Δfmfc只能达到左右,最大线性频偏Δfm也就很小。晶振:在振荡频率点等效为一个短路元件起选频作用或等效为一个高Q值的电感元件作为振荡回路元件之一。晶振变容二极管调频电路的突出优点是载频(中心频率)稳定度高,可达左右,因而在调频通信发送设备中得到了广泛应用。为了增加最大线性频偏,即扩展晶振的频率控制范围,可以采用串联或并联电感的方法。(感兴趣可参考第章节相关内容)扩展直接调频电路最大线性频偏的方法方法:直接提高载频法已知从上式可以看出变容管直接调频电路的最大相对线性频偏Δfmfc受到变容管参数电容调制度m、变容指数n的限制晶振直接调频电路的最大相对线性频偏也受到晶振特性的限制。显然,提高载频是扩展最大线性频偏最直接的方法。例如,当载频为MHz时,即使最大相对线性频偏仅,最大线性频偏也可达到kHz,这对于一般语音通信也足够了。方法:倍频混频法设调频电路产生的单频调频信号的瞬时角频率为经过n倍频电路之后,瞬时角频率变成可见n倍频电路可将调频信号的载频和最大频偏同时扩大为原来的n倍,但最大相对频偏仍保持不变。若将瞬时角频率为ω的调频信号与固定角频率为ω=(n)ωc的高频正弦信号进行混频,则差频为可见混频能使调频信号最大频偏保持不变,最大相对频偏发生变化。根据以上分析,由直接调频、倍频和混频电路三者的组合可使产生的调频信号的载频不变,最大线性频偏扩大为原来的n倍。间接调频电路根据以前章节所述间接调频的原理(先积分后调相),由于积分电路可以用简单的RC积分器实现,故可控相移网络是间接调频电路的关键部件。可控相移网络有多种实现电路,变容二极管相移网络是其中应用最广的一种。变容二极管相移网络下图(a)给出了变容二极管相移网络的实用电路,(b)是其高频等效电路。对于高频载波来说,三个μF的小电容短路对于低频调制信号来说,三个μF的小电容开路,μF电容短路。设调制信号uΩ=UΩmcosΩt经μF电容耦合到变容二极管上,则由电感L和变容二极管组成的LCj回路的中心角频率ω(t)将随调制电压而变化。当角频率为ωc的载波信号通过这个LCj回路后,会发生什么变化呢借助并联LC回路阻抗的幅频特性和相频特性,将输入视为电流信号,输出视为电压信号,我们来讨论以下三种不同的情况。LC回路中心角频率ω(t)与输入信号中心角频率ωc相互变化关系情况a若LC回路中心角频率恒定为ω,输入载波的角频率ωc=ω,则称回路处于谐振状态,输出载波信号的频率不变,相移为零。情况b若LC回路中心角频率仍恒定为ω,输入是载频ωc=ω的等幅单频调频电流信号,瞬时角频偏为ΔωmcosΩt,则回路处于失谐状态,如图(a)所示。由于ω附近的幅频特性曲线较平坦故阻抗的幅值变化ΔZ不大最大变化量为ΔZm。然而ω附近的相频特性曲线较陡峭故产生的相移变化Δφ很大最大变化量为±Δφm即输出(一般为电压信号)的相位与输入(电流信号)的相位不同有一个最大相移为±Δφm的相位差。情况c与上一种情况相反,若输入是角频率恒定为ωc的载波信号,LC回路的中心角频率ω(t)发生变化,满足ω(t)=ωΔωmcosΩt,且ω=ωc,如图(b)所示,显然,回路也处于失谐状态不过是由于回路阻抗特性曲线的左右平移而产生的。这时输出电压的振幅变化与相位变化与情况b完全相似。情况b、c下的LC回路均称为失谐回路。变容二极管相移网络属于情况c。现在来分析这种情况下输出信号的相移表达式Δφ(t)。参照相同情况下LCj回路中心角频率表达式()和(),在电容调制度m较小时,有因为输入载波角频率ωc=ω所以瞬时角频率差为根据第章节对LC并联谐振回路的分析,当失谐不大时,回路输出电压与输入电流的相位差可近似表示为当|Δφ(t)|≤π时,有近似式:当变容二极管相移网络的可变中心角频率ω(t)对于输入载波角频率ωc失谐不大时,二者之间的相位差,也就是载波信号通过相移网络产生的相移可用上式近似表示。将Δω(t)代入上式,于是求得式中Qe是LCj回路有载品质因数。由此可见,变容二极管相移网络能够实现线性调相,但受回路相频特性非线性的限制,必须满足Mp≤π,调制范围很窄,属窄带调相。为了增大调相指数,可以采用多个相移网络级联方式,各级之间用小电容耦合,对载频呈现较大的电抗,使各级之间相互独立。下图是一个三级单回路变容二极管相移网络,可产生的最大相偏为π。其中kΩ可调电阻用于调节各回路的Qe值,使三个回路产生相同的相移。图中kΩ电阻和个并联μF电容组成积分电路。调制信号uΩ(t)经过μF电容耦合后输入积分电路,μF电容上的输出积分电压控制变容二极管的结电容变化,回路电感L对于低频积分电压可视为短路。扩展间接调频电路最大线性频偏的方法由前面对变容二极管相移网络的分析可知,调相电路的调相指数Mp受到变容管和回路参数的限制,而调相信号的最大频偏Δfm又与Mp成正比,故Δfm也受到限制。为了扩展间接调频电路的最大线性频偏,同样可以采用倍频和混频的方法。(此部分内容不要求)鉴频电路鉴频电路的主要性能指标鉴频线性特性鉴频电路输出低频解调电压与输入调频信号瞬时频偏的关系称为鉴频特性,理想的鉴频特性应是线性的。实际电路的非线性失真应该尽量减小。鉴频线性范围由于输入调频信号的瞬时频率是在载频附近变化,故鉴频特性曲线位于载频附近,其中线性部分大小称为鉴频线性范围。鉴频灵敏度在鉴频线性范围内,单位频偏产生的解调信号电压的大小称为鉴频灵敏度Sd。LC回路的频幅和频相转换特性鉴频方法中,频幅转换网络和频相转换网络是首先需要考虑的问题。转换网络的线性特性是保证线性鉴频的基础。LC并联回路具有的幅频特性和相频特性使之成为简单而实用的频幅转换和频相转换网络,应用非常广泛。LC并联回路的频相转换特性高频信号(调频信号)通过LC并联回路时存在三种不同情况,其中第二种情况说明调频信号通过参数恒定的LC回路后,其振幅和相位都发生了变化。(第节)考虑到正交乘积鉴相的需要,为了获得°的固定相移,可以在LC并联回路输入端串联一个小电容C,整个频相转换网络可看作是一个分压网络,如图所示。网络的相移函数为若|Δφ(t)|≤π,有设输入单频调频信号的相位为则在ωc=ω的情况下,输出信号的相位为结论输出信号与输入信号相比,不仅产生了°固定相移,而且产生了一个与调制信号uΩ(t)成正比的瞬时相移,所以称此网络为°频相转换网络。显然输出是一个调频调相信号。由图(b)所示网络相频特性可知,在ω=ω附近,相频特性曲线近似为直线,线性频相转换范围为±π。需注意:受网络幅频特性的影响,输出信号的振幅也会发生一些变化不再是等幅信号了。LC并联回路的频幅转换特性LC并联回路的频幅转换特性如图所示。为取得较好的线性转换特性,将ωc置于幅频特性曲线下降段线性部分中点(A点),显然,与A点对称的B点也可以。设输入单频调频信号为回路幅频特性曲线在A点处的斜率即为频幅转换灵敏度:其中ΔU和Δω分别是线性范围内的振幅变化量和角频率变化量。由频幅转换原理图可写出输出信号振幅表达式斜率鉴频电路利用频幅转换网络将调频信号转换成调频调幅信号,然后再经过检波电路取出原调制信号,这种方法称为斜率鉴频。在斜率鉴频电路中,频幅转换网络通常采用LC并联回路或LC互感耦合回路,检波电路通常采用差分检波电路或二极管包络检波电路。差分峰值鉴频电路如图所示为差分峰值鉴频电路原理图。此电路便于集成,仅LC回路元件需外接,且调试方便。为了扩大线性转换范围,提高鉴频灵敏度,在图中LC并联回路上又添加了一个电容C,一起组成了频幅转换网络。检波部分由差分峰值包络检波器组成。调频信号us经LCC网络转换成两个不同的调频调幅信号u和u。假设X和X为LC并联回路和C的电抗。考虑到V、V基极输入电阻非常大,故输入调频信号us在负载上产生的电压u的振幅Um主要由电抗曲线XX决定。从V基极朝左看时由于源电阻Rs很小近似短路故C上电压u的振幅Um主要由电抗曲线X∥X决定。u、u分别从差分电路两端输入,先经V、V射随,然后经V、V峰值包络检波,(V、V输入电阻作为低通滤波器电阻)V、V差分放大,最后由V集电极单端输出解调信号uo。uo与调频信号瞬时频偏Δω(t)之间满足关系式双失谐回路鉴频器如图所示双失谐回路鉴频器利用两个失谐LC回路进行频幅转换,然后分别进行二极管包络检波,输出是两个检波电压的差值。图中变压器初级LC回路调谐于ωc次级两个LC回路分别调谐于ω和ω,输入调频信号载频ωc处于ω与ω的中点,如图(b)所示。两条虚线Am(ω)、Am(ω)分别是次级两个LC回路的鉴频特性曲线实线Am(ω)=Am(ω)Am(ω)是两个回路合成的鉴频特性曲线。假定两个检波器参数相同检波效率ηd=则有若ω与ω位置合适,两回路鉴频特性曲线中的弯曲部分互相补偿,相减后的鉴频特性不但线性好,而且线性鉴频范围增大。Sd是Am(ω)线性部分的斜率即鉴频灵敏度。此电路的主要缺点是调试比较困难,因为需要调整三个LC回路的参数使之满足要求。相位鉴频电路利用频相转换网络将调频信号转换成调频调相信号,然后经过鉴相器(相位检波器)取出原调制信号,这就是相位鉴频电路的工作原理。在相位鉴频电路中,目前越来越广泛地采用集成化的双差分正交移相式鉴频器。双差分正交移相式鉴频电路由下图所示°频相转换网络和双差分乘积鉴相器组成,其中乘积鉴相原理已在第节中讨论过。调频信号经V射随后,一路是大信号u从V单端输入,另一路是小信号u经C、L、C和R组成的°频相转换网络后得到调频调相信号u,再经V射随后得到u,从V、V的基极双端输入,V、V的基极是固定偏置。乘法器低频分量为当|Δφ|≤π时,该电路中产生一个与调频信号有°固定相移的调频调相信号的目的是使乘法器输出的低频分量与正弦函数成线性关系,以便从中取出与瞬时角频偏Δω(t)成正比的电压分量。章末总结调频信号的瞬时频率变化Δf(t)与调制电压成线性关系,调相信号的瞬时相位变化Δφ(t)与调制电压成线性关系,两者都是等幅信号。对于单频调频或调相信号来说,只要调制指数相同,则频谱结构与参数相同,均由载频与无穷多对上下边频组成,即频带无限宽。但是,当调制信号由多个频率分量组成时,相应的调频信号和调相信号的频谱不相同,而且各自的频谱都并非只是单个频率分量调制后所得频谱的简单叠加。这些都说明了非线性频率变换与线性频率变换是不一样的。最大频偏Δfm、最大相偏Δφm(即调制指数Mf或Mp)和带宽BW是调角信号的三个重要参数。要注意区别Δfm和BW两个不同概念,注意区别调频信号和调相信号中Δfm、Δφm与其它参数的不同关系。直接调频方式可获得较大的线性频偏,但载频稳定度较差间接调频方式载频稳定度较高,但可获得的线性频偏较小。前者的最大相对线性频偏受限制,后者的最大绝对线性频偏受限制。采用晶振、多级单元级联、倍频和混频等措施可改善两种调频方式的载频稳定度或最大线性频偏等性能指标。斜率鉴频和相位鉴频是两种主要鉴频方式,其中差分峰值鉴频和正交移相式鉴频两种实用电路便于集成、调谐容易、线性性能较好,故得到了普遍应用,尤其是后者,应用更为广泛。在鉴频电路中,LC并联回路作为线性网络,利用其幅频特性和相频特性,分别可将调频信号转换成调频调幅信号和调频调相信号,为频率解调准备了条件。在调频电路中,由变容二极管(或其它可变电抗元件)组成的LC并联回路作为非线性网络,更是经常用到的关键部件。作业例题:习题:、

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