第五章 角度调制与解调电路
5.1 角度调制信号的基本特性
5.2 调频电路
第五章 角度调制与解调电路
频谱变换电路
??
?
?
?
与解调非线性变换:频率调制
解调、混频频谱搬移:振幅调制、
2.
.1
频谱变换电路 频谱搬移电路 频谱非线性变换电路
功 能
用 途
将输入信号的频谱
沿频率轴搬移
将输入信号的频谱进行
特定的非线性变换
振幅调制、解
调、混频 频率调制与解调电路
特 点
位 置
两个参与频谱变换的信号,
仅在频谱线上移动,不产生
与原频谱无关的频谱分量
频谱变换将产
生新的丰富的
频谱分量。
第四章 第五章
本章内容:
1,角度调制信号的基本特性
2,角度调制电路
3,角度信号解调电路的工作原理及其性能特点
5.1 角度调制信号的基本特性
5.1.1 调频信号和调相信号
1,角度调制 (调角 ):
(1) 调频 (Frequency Modulation ),载波信号的 频
率 按调制信号规律变化
(2)调相 (Phase Modulation ),载波信号的 相位
按调制信号的规律变化
两种调制方式均表现为载波信号的瞬时相位受到
调变,故统称为 角度调制,简称 调角 。
2,两种调制信号的 基本特性
载波一般形式:
)(c o sm tVv ??
用矢量表示,Vm —— 矢量的长度, ?(t)—— 矢量转动
的瞬时角度 (类似于圆周运动中的角位移 )。
(1) 调幅信号
矢量长度,在 Vm0上叠加按调制信号规律变化,矢量角
频率,恒为 ?c,即
Vm = Vm0 + kav?(t)
调幅信号表示式为
v(t) = [Vm0 + kav?(t)]cos(?ct + ?0)
ka— 比例常数, ?0— 起始相角, v?(t) — 调制信号电压 。
kp — 比例常数,单位,rad/V
调相信号表达式
v(t) = Vmcos[?ct + kpv?(t) +?0]
(2) 调相信号
矢量长度,为恒值 Vm,瞬时相角,在 ?ct 上叠加按调制
信号规律变化的附加相角 ??(t) = kpv?(t),
瞬时角频率即 ?(t)的时间导数值, 为
)(d )(dd )(d)( cpc tt tvkt tt Ω ????? ??????
按调制信号的时间导数值规律变化。
??(t) = kfv?(t),即
kf — 比例常数,单位为 rad/s?V。
(3) 调频信号
矢量长度,为恒值 Vm,转动角速度,在载波角频率
?c上叠加按调制信号规律变化的瞬时角频率
调频信号的一般表达式
v(t) = Vmcos[?ct + kf +?0]
?t Ω ttv0 d)(
3,小结
(1) 三种调制方法的基本特性比较
类型
物理量
Vm
?(t)
?(t)
v(t)
调 幅 信 号 调 频 信 号 调 相 信 号
Vm0 + kav?(t)
?c
?ct + ?0
[Vm0 + kav?(t)]
cos(?ct + ?0)
恒 值
?c + kfv?(t)
00fc d)( ?? ?? ? ttvkt
t
Ω
Vmcos[?ct +
kf + ?0]
?t Ω ttv0 d)(
恒 值
t
tvk Ω
d
)(d
pc ??
?ct + kpv?(t) +?0
Vmcos[?ct +
kpv?(t) +?0]
(2) 调频、调相比较
一个调频信号可以看
成为 ??(t) 按调制信
号的时间积分值规律
变化的调相信号
区别 (按调制信
号规律线性变
化的物理量 )
一个调相信号可看成
??(t) 按调制信号的
时间导数值规律变化
的调频信号
相 同
调 频 信 号 调 相 信 号
?(t) 和 ?(t) 都同时受到调变
??(t) ??(t)
联 系
4,例:单音调制, v?(t) = V?mcos? t
(1) 若 调频, ?(t),?(t) 和 v(t) 分别为
?(t) =?c + kfV?mcos?t = ?c +??mcos?t
?(t) =?ct + sin?t +?0 =?ct + Mfsin?t +?0
Ω
Vk Ω mf
v(t)= Vmcos[?ct + Mf sin?t +?0]
式中 ??m = 2??fm = kfV?m
Mf = kfV?m/? =
F
f
Ω
mm ??? ?
??m— 最大角频偏,其值与调制信号振幅 V?m 成 正比 ;
Mf — 调频指数,与 V?m 成 正比,与 ? 成 反比,其值
可大于 1。
(2) 若 调相,?(t),?(t) 和 v(t) 分别为
? (t) = ?ct + kpV?mcos?t +?0 =?ct + Mpcos?t +?0
? (t) =?c- Mp?sin?t =?c -??msin?t
v (t) = Vmcos(?ct + Mpcos?t +?0)
式中,Mp — 调相指数,Mp = kpV?m,与 V?m 成正
比;
??m— 最大角频偏,??m = kpV?m? = Mp?, 与
V?m?成正比。
结论,单音调制时,两种已调信号的 ??(t)和 ?? (t)
均为简谐波,但 ??m和 Mf(或 Mp)随 V?m 和 ? 的变化规
律不同。当 V?m 一定,?由小增大时:
FM 中的 ??m不变,而 Mf 则成反比地减小。
PM 中的 Mp 不变,而 ??m呈正比地增加。
注意,两种已调波均有含义截然不同的 三个频率参数:
载波角频率 ?c 表示瞬时角频率变化的平均值。调制角
频率 ? 表示瞬时角频率变化的快慢程度。最大角频率
??m表示瞬时角频率偏离 ?c 的最大值。
5.1.2 调角信号的频谱
单音调制时,两种已调信号中的 ?? (t)均为简谐波,
因而它们的频谱结构是类似的。
以单音调制调频信号 v (t) = Vmcos(?ct ? Mfsin?t +
?0) 为例,用指数函数表示
1,单音调频信号的频谱
v(t)= Vmcos(?ct ? Mfsin?t + ?0)
= VmRe[ejMfsin?t?ej(?ct+ ?0)]
ejMfsin?t是 ? 的周期性函数,它的 傅里叶级数展
开式 为 ejMfsin?t = ejn?t
??
???n
n M )(J f
式中 Jn(Mf) = ejMfsin?t e? jn?td?t?
?
π
ππ2
1
是变量为 Mf 的 n 阶第一类贝塞尔函数,它满足等式
Jn(Mf)=
??
?
?
?
? ?
?
为奇数时
为偶数时
nM
nM
n
n
)(J
)(J
f
f
因而,调频波的 傅里叶级数 展开式为
v(t) = VmRe[ (Mf)ej(?ct+n?t+?0)]
= Vm cos[(?c+n?)t+?0]
??
???n
nJ
??
???n
n M )(J f
为简化,令 ?0 = 0,上式可表示为
v(t) = VmJ0(Mf)cos?ct 载频
+ VmJ1(Mf)[ cos(?c + ?)t ? cos(?c ??)t] 第一对边频
+ VmJ2(Mf)[cos(?c+ 2?)t + cos(?c ? 2?)t] 第二对边频
+ VmJ3(Mf)[cos(?c+3?)t ? cos(?c? 3?)t] 第三对边频
+ ???
(1)单音调频信号的频谱由 载波分
量 和 无数对边频分量 所组成 (已不是调
制信号频谱的不失真搬移 )。其中,n
为奇数的上、下边带分量的振幅相等,
极性相反 ;而 n 为偶数的上、下边频
分量的振幅相等,极性相同 。
(2)载波和各边频分量的振幅均随
Mf 而变化。当 Mf = 2.40,5.52,
8.65… 时,载波分量振幅等于零;而
当 Mf 为某些其它特定值时,又可使
某些边频分量振幅等于零。
根据 帕斯瓦尔定理,调频信号的平均功率等于各频
谱分量平均功率之和,在单位电阻上,其值为
?
?
???
?
n
n M
VP )(J
2 f
2
2
m
av
2.调频信号的平均功率
由 第一类贝塞尔函数 的下列特性:
1)(J f2 ??
?
???n
n M
2
2
m
av
VP ?则
即,改变 Mf 仅引起载波分量和各边频分量之间功
率的重新分配,但不会引起总功率的改变。而调幅信号
却不是这种情况,其平均功率不仅与 Vm还与 Ma 有关,
且随着 Vm 和 Ma 增大而增大。
当 Vm 一定时,调频波的平均功率也就一定,等于
未调制时的载波功率,其值与 Mf 无关。
SB0a0
a
π
π
0
π
π
av d
π
d
π
PPMP
ttMPttPP
????
??? ??
??
)
2
1
1(
)c o s1(
2
1
)(
2
1
2
2
???
5.1.3 调角信号的频谱宽度
调角信号的频谱包括无限多对边频分量,它的频
谱宽度应无限大。
实际上,当 M (Mf 或 Mp)一定时,随着 n 的增加,
Jn(M)虽有起伏,但它的总趋势是减小的。特别是当 n
>M 时,Jn(M) 的数值已很小,且其值随着 n 的增加而
迅速下降。因此,如果忽略振幅小于 ?Vm(?为某一小
值 )的边频分量,则调角信号实际占据的有效频谱宽度
是有限的。其值为 BW?= 2LF
1.调角信号的频宽
式中,L — 有效的上边频 (或下边频 )分量的数目,
F — 调制频率。
在高质量通信系统中,取 ? = 0.01,即边频分量幅
度小于未调制前振幅 Vm的百分一,相应的 BW?用
BW0.01表示;
在中等质量通信系统中,取 ?= 0.1,即 Vm 的十
分一,相应的 BW?用 BW0.1 表示。
如果 L 不是正整数,则应该用大于并最靠近该值
的正整数取代。实际上,当 n > M + 1 时,Jn(M) 恒小
于 0.1。因此,为了方便起见,调角信号的有效频谱宽
度可用卡森公式进行估算:
2.卡森公式
卡森估算公式,
FMBW )1(2CR ??
计算发现,BWCR介于 BW0.1与 BW0.01间,接近 BW0.1
当 M << 1 时,有 BWCR ? 2F, 其值近似为调制频率
的两倍,相当于调幅波的频谱宽度。这时,调角信号的
频谱由载波分量和一对幅值相同,极性相反的上、下边
频分量组成,称 窄带调角信号
M >> 1 时:有
BWCR ? 2MF = 2?fm
称之为 宽带调角信号 。
F
f
Ω
mm ??? ?
( M = )
讨论:
(1)作为调频信号时,由于 ?fm 与 V?m 成正比,因
而,当 V?m 即 ?fm 一定时,BWCR 也就一定,与 F 无关
(2)作为调相波时,由于 ?fm = MPF,其中 MP 与
V?m成正比,因而当 V?m 一定时,BWCR 与 F 成正比
的增加。
以上讨论了 单音调制 时两种调角信号的有效频谱宽
度。如果调制信号为复杂信号,则调角信号的频谱分析
就十分繁琐。但是,实践表明,复杂信号调制时,
2.复杂调制信号频宽
大多数调频信号占有的频谱宽度仍可用单音调制时的
公式表示,仅需将其中的 F用调制信号中 最高 调制频
率 Fmax 取代,?fm用最大频偏取代。
例 1,在调频广播系统中,按国家标准规定
(?fm)max = 75 kHz,Fmax = 15 kHz,通过计算求得
k H z180]1)([2 m a x
m a x
m a xm
CR ??
?? F
F
fBW
BW0.01= 2LFmax = 2 ? 8 ? 15 = 240 kHz
因此,实际选取的频谱宽度为 200 kHz,即二值
的折衷值。
例 2:利用近似公式计算以下三种情况下的调频
波的频带宽度。
(1) ?fm = 75 kHz,Fmax = 0.1 kHz,
(2) ?fm = 75 kHz,Fmax = 1 kHz,
(3) ?fm= 75 kHz,Fmax = 10 kHz,
解:
(1) BWCR = 2 (75+0.1)≈150 kHz
(2) BWCR= 2 (75+0.1) = 152 kHz
(3) BWCR= 2 (75+10) = 170 kHz
尽管调制频率变化了 100倍,但频带宽度变化很小。
= 2( ?fm + F)
FMBW )1(2CR ??
5.1.4 小结
① 调频和调相是两种幅度 Vm 恒定的已调信号,
它们的平均功率 Pav 仅取决于 Vm,而与 Mf (或 Mp )无
关。正是由于这些特点,在构成发射机时,可采用高
效率的丙类谐振功率放大器将它放大到所需的发射功
率,而在接收这些已调信号时将呈现出很强的抗干扰
能力。
② 调频和调相均是由无限频谱分量组成的已调
信号,它不象振幅调制信号那样,有确定的频谱宽度,
工程上,都是根据一个准则,用来确定有效的频谱宽
度,且其值与 M 的大小密切相关。
③ 调频和调相均为频谱非线性变换的已调信号,
因此,理论上,它们的调制与解调电路都不能采用乘
法器和相应的滤波器所组成的电路模型来实现,而必
须根据它们的固有特点,提出相应的实现方法。不过
工程上,在作某些近似后,乘法器仍可作为构成电路
的主要器件。