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第7章角度调制及解调.ppt

第7章角度调制及解调

艾尔小茜茜
2018-09-09 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第7章角度调制及解调ppt》,可适用于工程科技领域

第章角度调制及解调本章知识架构:�幅度调制与解调基本概念角度调制调频波的解调电路仿真斜率鉴频相位鉴频频率调制相位调制本章教学目标与要求:掌握调频的原理及调频电路的定量分析理解调频和调相的关系掌握调频信号的解调原理熟悉常用的鉴频电路掌握调频与鉴频电路的仿真方法概论角度调制信号分析调频器与调频方法调频电路鉴频原理与鉴频方法鉴频电路电路仿真本章主要章节:在无线通信中角度调制是另一类重要的调制方法。角度调制(调角)分为频率调制(FM)和相位调制(PM)。调频指的是利用低频的调制信号去控制高频载波信号的频率使之按照调制信号的规律线性的变化而振幅保持恒定的一种调制方式。调频信号的解调称为频率检波或者鉴频。调相是用调制信号线性地控制高频载波的相位。调相信号的解调称为相位检波或者鉴相。相比于频谱线性搬移的调幅经过调角后信号的频谱结构和形状都会发生改变因此角度调制也叫做非线性调制调角后信号的带宽有所增加但是由于调制信号的信息加载在频率或者相位变化中因此调角信号的抗干扰能力增强提高了信号的传输效率。概论角度调制信号分析调频信号的参数与波形为了便于理解设调制信号为一单音正弦波信号高频载波信号为。调频是用调制信号去线性的控制高频载波的频率变化则调制后已调波的瞬时频率为()式中称为调频比例系数一般情况下为一常数由调频电路确定其数值为瞬时频率偏移简称为频偏调制信号的信息就被加载在频偏中它表示瞬时频率相对于载波频率的偏移量。称为调频信号的最大角频偏且有它与调制信号的振幅成正比表示受调制信号的控制程度。FM信号瞬时频率最大变化量为。对瞬时频率求关于时间的积分则可得到瞬时的相位()其中为载波的固定相位为调频信号的瞬时相位偏移由此可得最大相偏()由此引入参数=称为调频信号的调频指数可见调频指数实际上是最大的相位偏移它与调制信号的振幅成正比与调制频率成反比它等于最大频偏除以调制频率。调频指数是调频信号的一个重要的参数由()式与成正比与成反比。在调频系统中不仅可以大于而且通常远大于。于是可得一般调频信号的数学表达式为()调相信号的参数与波形调相信号已调波的相位随调制信号线形变化的仍然设调制信号为高频载波信号为则调相波的瞬时相位()其中为高频载波的相角调相灵敏度表示单位调制信号振幅引起的相位偏移同样也是由调相电路决定的一个常数。称为瞬时相位偏移量表示调相波的相位相对高频载波的相位的偏移量令,称为调相指数它代表调相波的最大相位偏移即相位摆动的幅度。由此可得调相波的一般数学表达式为()由相位与频率之间的关系对调相波的瞬时相位求微分则可得调相波的瞬时频率有()例角调波(V),调制信号为试确定:()最大频偏()最大相偏()信号带宽()此信号在单位电阻上的功率()能否确定这是FM波还是PM波?()()()()()FM波调角信号的频谱调角信号的频谱一般来说受同一调制信号调制的FM信号和PM信号他们的频谱结构是不同的。但在调制信号为单音信号时他们的频谱结构类似。对于FM信号表达式中的和PM信号表达式中的统一用调制指数来表示则可得调角信号的一般表达式()利用三角函数将其进行展开()其中和可以进一步展开成以贝塞尔函数为系数的三角函数级数()()调角信号的频带宽度过对调角信号的频谱结构的分析可知从理论上来讲调角信号的具有无限个边频分量从这个角度来讲调角信号的带宽应该是无限的。实际上信号的各边频分量的幅度是随着调制指数增加而增加的当给于一定的m时高到一定次数的边频分量的振幅已经小的可以忽略不记为此调角信号的带宽又可近似为是有限的。实际应用中根据所允许的误差大小来确定调角信号的带宽而通常采用的准则是:信号的频带宽度应包括幅度大于未调载波以上的边频分量,即()对于不同的调频指数m有用边频的数目可以通过查贝塞尔函数表获得由图可知当m很小时除了与载频相邻的两个边频分量外其他边频分量的振幅都很小可以忽略不记此时的带宽为()称为窄带调制。而当m比较大时趋近于此时应将n=m的边频计算在带宽范围内此时带宽为()称为宽带调制。目前广泛应用的调角信号的带宽的计算公式是()由于这个式子是卡森提出来的所以把()叫做卡森公式用这个公式计算出的信号带宽叫卡森带宽。调频信号的功率根据帕塞瓦公式调角波的平均功率等于各个频率成分的平均功率之和。因此在单位电阻上调角信号所消耗的功率()根据贝塞尔函数的性质有所以调角信号的平均功率为()可见调角信号所消耗的平均功率等于未调制前载波所消耗的功率而它仅仅与调角信号的振幅有关而与调制指数m无关。因此可以将角度调制看作是一个功率分配的过程经过调制调角信号各个频率分量的功率分配情况随着调制指数m的不同而改变。当时而m=时而其他阶次的贝塞尔函数均为零。所以这种情况只有载波功率而无边带功率。调频器与调频方法调频器能够实现频率调制的电路称为调频器它是能够产生调频信号的一类设备。调频的根本目的在于将调制信号的信息加载带载波信号的频率变化当中。所以调频器是能够实现输出频率随输入信号的规律变化这个特性称为调频器的调制特性如图所示它表明了瞬时频率与调制信号的关系。一般情况下对一个调频器有如下的性能要求:()调制特性的线性度要好这是对调频器最基本的性能要求。如果线性度差产生的调频信号会产生非线性失真。工程中经常用调制特性的非线性度来衡量这一指标其具体表现为瞬时频偏不完全受调制信号控制。()最大频偏要满足要求它指在正常调制电压作用下能产生的最大频偏。不同的系统对最大频偏有不同的要求。实际应用中在保证线性度的前提下应尽量产生较大频率偏移量从而达到较好的调频效果。()调制灵敏度要高这一性能指标通常由调制灵敏度来衡量。定义调制灵敏度为特性曲线中在调制信号为零时的斜率即()它表示单位调制电压产生的频率偏移量显然越大相同的调制电压产生的最大频偏也越大。()载波性要要好载波的性能主要体现在其中心频率的稳定度上。调频信号的中心频率稳定是接收机能够稳定解调的前提条件这就要求载波的频率的稳定度高并且寄生振幅小。调频方法调频信号的产生方法有两种:直接调频法和间接调频法。直接调频方法是由调制信号直接控制振荡回路的电抗元件的参数来实现调频。间接调频法是用调相的方法来实现调频它主要利用频率与相位之间微积分的关系来实现调频。直接调频法这种方法一般是用调制电压直接控制振荡器的振荡频率使振荡频率按照调制电的规律而变化。例如利用LC振荡器实现直接调频则只需用调制信号去控制振荡回路的电感或者电容元件使其电抗参数随调制电压变化就可以达到直接调频的目的。这种方法由于将调频和振荡电路在同一级中实现因此可以产生较大的频偏但是由于振荡频率受到调制所以其中心频率的稳定度比较差因此经常采用自动频率微调电路来克服这样的缺点。间接调频法由于调相信号与调频信号存在这内在的联系把调制信号通过积分器之后再加到调相器后得到的输出信号即为调频信号。由于这种方法是利用调相器实现调频所以把它叫做间接调频法。间接调频法由于振荡和调制分别再两级完成所以信号的频率稳定度较高。在进行间接调频时但在实现线性调相时要求最大瞬时相位偏移因而线性调相的范围很窄因此转换成的调频波的最大频偏也就很小这是间接调频的主要缺点。实现间接调频的关键是如何进行相位调制常见的实现调相的方法有以下三种:()矢量合成法()可变移相法()可变延时法调频电路直接调频电路变容二极管直接调频电路()调频原理利用可控电抗元件改变LC振荡回路的谐振频率可以实现直接调频。最常用的可控电抗元件就是变容二极管它时是利用PN结反向偏置的势垒电容构成的可控电容元件。变容二极管呈现的电容与加在其两端的反向电压有这样的关系()式中是变容管的势垒电压它通常是一个常量。为变容管结电压时的电容为变容指数不同的变容管由于PN结杂质的掺杂浓度的分布不同其变容指数取值也不相同。晶体振荡器直接调频电路在要求调频波中心频率稳定度较高而频偏较小的场合可以采用直接对晶体振荡器调频的方法。图晶体振荡器调频电路的实际电路和等效电路其(a)图中的实际电路(a)实际电路(b)交流等效电路图晶体振荡器直接调频电路与皮尔斯振荡器的形式相同反馈网络由电容、组成晶体在谐振回路中充当电感元件使用调制信号加在变容管两端通过控制变容管的结电容来改变振荡器的输出频率来达到调频的目的。根据(b)图中的等效电路可得回路总电容为()晶体等效电容很小晶体的接入系数近似为()此时振荡器的输出频率可表示为()其中为晶体的串联谐振频率。当结电容受到调制信号控制会随着调制信号变化从而引起回路总电容的变化从而使晶体振荡器的振荡频率也跟随发生变化达到调频的效果并且由于晶体谐振器的工作的稳定性从而可以使得这种调频电路的中心频率非常稳定。但是由于调频频率在晶体的串联谐振频率与并联谐振频率间变化因此这种调频电路产生的FM信号的频偏较小适用于窄带的调频。为获得较大的频率的偏移量可以在晶体支路串联电感以扩大晶体的感性范围以达到扩展调频频偏的目的。间接调频电路由于直接调频产生的调频信号中心频率不稳定所以在一些对调频信号的中心频率要求比较高的一些场合较多的使用间接调频法。间接调频产生的调频信号的稳定度高而间接调频的关键在于实现调相因此这里着重介绍常用的调相电路。图是变容管调相电路其基本电路是一个高频功率放大器从基极输入高频载波信号集电极电流为高频载波电流流过变容管电容C和电感L组成的振荡回路变容管两端反向电压由调制信号控制。图变容管间接调频电路其工作的基本原理是利用调制信号线性的控制移相网络引起的相位变化在高Q值以及小失谐的条件下并联谐振回路电压与电流之间的相移关系为:()设调制信号形式为则其瞬时频偏为(此处为回路谐振频率的偏移)()将()代入()式可得()上式说明回路产生的相移按调制信号的规律变化若调制信号先积分后在加入则输出信号的频率将随积分前调制信号的规律变化。因此这种电路是利用的是并联回路的相移特性时所以产生的频偏也是比较小的所以实际应用中如果为了得到比较大的频偏会产用多级级联的振荡回路来扩展频率偏移量。鉴频原理与鉴频方法鉴频原理调频信号的解调又称为频率检波简称鉴频(FD)。能够实现鉴频的电路称为鉴频器它是把调频信号的频率与载波频率比较得到频差从而实现频率检波。因此可以将一个鉴频器看作是一个频率电压变换器。因此对于鉴频电路来讲其最重要的特性是鉴频特性它反映了输入信号的频偏与输出信号的电压之间的关系可以用鉴频特性曲线来描述如图所示。图鉴频特性曲线从图中可以看出要想不失真的完成鉴频必须保证鉴频器的输出信号与调频信号的瞬时频偏成线性关系。除此之外对于鉴频特性曲线还有以下的性能要求:()鉴频跨导所谓的鉴频跨导就是指鉴频特性曲线在中心频率处的斜率它表示的是单位频偏所能产生的解调输出电压。鉴频跨导又叫做鉴频灵敏度有()从另外一个角度来理解鉴频跨导可以将其看作鉴频电路将输入的频率变化转变为输出电压的能力对鉴频电路的要求就是鉴频跨导要大这样每单位频偏可以获得较大的输出响应从而提高鉴频效果因此鉴频跨导也称之为鉴频效率。()峰峰带宽峰峰带宽指的是鉴频特性曲线中左右两端最大频率偏移量所对应的最大输出电压之间的频率间隔它可以近似的衡量鉴频特性曲线的线性区的宽度因此也叫做鉴频带宽在图中鉴频带宽。对于鉴频电路来讲要求在鉴频带宽的范围内频率与输出电压之间应该有较好的线性关系以保证鉴频器的鉴频质量。鉴频方法频率检波常用的方法分为直接法和间接法直接鉴频主要是利用频率的变化正比与线性网络的输出变化实现鉴频。而间接鉴频是利用反馈控制原理实现频率检波的方法它主要涉及到第八章的内容因此这部分主要介绍利用线性变换网络实现鉴频的方法。常用于鉴频的线性变换网络有两种形式:()幅频网络将调频信号通过一个幅频线性网络经过网络后输出信号的振幅的变化正比于频率频幅网络包络检波器图幅频网络鉴频框图变化这时原来的调频信号将变为一个既调频又调幅的AMFM波再将其输入包络检波器解调出调制信号的信息。利用此种方法构成的鉴频器称为振幅鉴频器。所以只要具有在调频信号的频率变化的范围内具有频率电压变换作用的网络都以及获得AMFM波。其组成框图如图所示。图幅频网络鉴频框图设输入的调频信号为()则经过频幅线性网络后得到的信号为()其中为幅频特性的斜率可以看作线性网络附加的直流分量。由()可以看出经过线性变化网络后输出的信号不单单频率正比于调制信号的变化振幅的变化也同样正比于调制信号因此此时的输出信号为一FMAM波经包络检波器后可得解调信号为()为包络检波器的检波系数。此时正比于从而实现频率检波。相频网络把调频信号通过线性的相频特性网络使其变化成FMPM波信号线性网络附加的相位变化正比于频率的变化之后再将其通过相位检波的方法来实现频率检波利用这种方法实现鉴频的电路称为相位鉴频电路。其组成框图如图所示。图相频网络鉴频框图设经过频相线性网络后得到的FMPM信号为()若相位检波具有线性的鉴相特性时输出信号()式中的称为鉴相灵敏度或鉴相跨导它是描述输出电压对相位的灵敏程度它与鉴频跨导是一组对称的参数。鉴频电路斜率鉴频器斜率鉴频电路是一种振幅鉴频器它是利用线性频幅网络将调频信号变为FMAM信号再由包络检波器解调出调制信号。集成斜率鉴频器如图所示,图中输入信号为端口间的、、构成线性的幅频特性网络。晶体管、构成射级跟随器用以隔离后级电路对线性网络的影响。的发射结与电容、的发射结与电容分别与后级电路的输入电阻组成两个峰值包络检波器。而晶体管、组成一级差分放大器用于差分输出去除输出中的直流分量。线性网络完成幅频变换作用的呢?设由端口向端口看过去网络的等效阻抗为则有()图差分峰值斜率鉴频器相位鉴频器最常见的相位鉴频电路是互感耦合鉴频电路如图所示整个电路可以看作有两部分组成一部分是移相网络输入调频信号为通过互感M组成的耦合回路进行移相经过移相网络得到的信号为FMPM信号而且有。另外经耦合电容加在扼流圈上得到。另外一部分是由和组成的平衡包络检波器两个检波器的输出分别为和则最后的输出有()互感耦合回路相位鉴频器中的耦合双回路是一个频相变换器它把FM波变换成PMFM波而FM波与PMFM波经叠加后变换成两个PMFMAM波经包络检波器后即可恢复原调制信号。图互感耦合鉴频电路电路仿真本仿真部分的调频电路部分包括变容管的直接调频、间接调频电路的仿真以及常用的两种间接鉴频电路进行仿真。变容管直接调频仿真图为压控振荡器的仿真调频电路图仿真电路图为双踪示波器观察调制输入信号与调频信号输出的对比波形。从仿真结果可以看出控制信号幅度大时电路输出频率大反之亦然。图调制信号与调频信号波形直接时域微分调频仿真图为变容管的间接调频的仿真电路。图变容管间接调频仿真电路图所示为调频输出与调制信号波形对比。从图中可以看出调制信号幅度处于波峰时调频波频率高反之幅度处于波谷时调频波频率低。图调频输出与调制信号仿真波形斜率鉴频的仿真本次仿真中选用差分峰值斜率鉴频器对调频信号进行解调仿真仿真电路图如图所示。图差分峰值斜率鉴频仿真图图为仿真输出结果图中包括了变换后的FMAM波和解调输出的波形可以看到斜率鉴频器先将输入的调频信号通过线性网络变为一列FMAM波再进行解调输出。图变换波形与解调输出波形对比叠加型相位鉴频仿真图为叠加型相位鉴频仿真图图为经线性变换后的FMPMAM波形与解调输出的波形对比。图叠加型相位鉴频仿真图图FMPMAM波形与解调输出波形本章小结本章主要讨论了角度调制中的调频信号与调相信号的基本原理研究了两种调角信号的基本数学表达式、时域波形和频谱结构以及常用的调频信号的产生方法和调频电路最后对于调频信号的解调方法与解调电路做了研究和讨论。经过角度调制信号的频谱结构和形状会发生变化其带宽与调制度有关而单单从时域波形无法确定是调频信号还是调相信号。而进行调角后发送信号所消耗的功率不会改变因此调角信号的功率利用率较高。调频信号的产生可以由直接法和间接法来实现同样调频信号的解调也分为直接鉴频或者间接鉴频。

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