第10章角度調制與解調第一頁，共94頁。10.7可變延時調頻10.8相位鑒頻器10.9比例鑒頻器10.10其他形式的鑒頻器10.6間接調頻:由調相實現調頻10角度調制與解調第二頁，共94頁。10.1概述調頻或調相：利用高頻振蕩的頻率或相位的變化來攜帶信息。在調頻或調相制中，載波的瞬時頻率或瞬時相位受調制信號的控制，做周期性的變化，變化的大小與調制信號的強度成線性關系，變化的周期由調制信號的頻率所決定。但已調波的振幅保持不變，不受調制信號的影響。第三頁，共94頁。10.1概述w0–Dwmw0+DwmAMFM第四頁，共94頁。調相波（PM）波形10.1概述調相波與前面的調頻波相比只是延遲了一段時間。如不知道原調制信號，則在單頻調制的情況下無法在波形上分辨是FM波還是PM波。第五頁，共94頁。調頻波的指標寄生調幅（不希望的振幅調制)抗干擾能力（比調幅制抗干擾能力強）10.1概述頻譜寬度寬帶調頻（調頻廣播）窄帶調頻（通信）第六頁，共94頁。10.1概述鑒頻和鑒相：在接收調頻或調相信號時，必須采用頻率檢波器或相位檢波器。相位檢波器又叫鑒相器。頻率檢波器又稱鑒頻器，它要求輸出信號與輸入調頻波的瞬時頻率的變化成正比。這樣，輸出信號就是原來傳送的信號。鑒頻的方法（3類）：1、首先進行波形變換，將等幅調頻波變換成幅度隨瞬時頻率變化的調幅波（即調幅——調頻波），然后用振幅檢波器將振幅的變化檢測出來。第七頁，共94頁。圖10.1.1利用波形變換電路進行鑒頻10.1概述第八頁，共94頁。10.1概述鑒頻的方法（3類）：2、對調頻波通過零點的數目進行計數，因為其單位時間內的數目正比于調頻波的瞬時頻率。這種鑒頻器叫脈沖計數式鑒頻器。其線形良好。3、利用移相器與符合門電路相配合來實現的。移相器所產生的相移的大小與頻率偏移有關。這種所謂符合門鑒頻器最易于實現集成化，而且性能優良。第九頁，共94頁。10.1概述圖10.1.2鑒頻特性曲線第十頁，共94頁。鑒頻器的指標鑒頻靈敏度（主要是指為使鑒頻器正常工作所需的輸入調幅波的幅度，其值越小，鑒頻器靈敏度越高。）鑒頻跨導（鑒頻器的輸出電壓與輸入調頻波的瞬時頻率偏移成正比，其比例系數稱做鑒頻跨導。）鑒頻頻帶寬度（2Δfm叫頻帶寬度）寄生調幅抑制能力失真和穩定性10.1概述第十一頁，共94頁。幅度調制角度調制調頻FM調相PM載波信號的受控參量振幅頻率相位解調方式相干解調(同步檢波）或非相干解調（包絡檢波）鑒頻或頻率檢波鑒相或相位檢波解調方式的差別頻譜線性搬移頻譜結構無變化頻譜非線性頻譜結構發生變化屬于非線性頻率變換特點頻帶窄頻帶利用率高頻帶寬頻帶利用不經濟、抗干擾性強用途廣播電視通信遙測數字通信調幅AM10.1概述無線廣播電視圖像傳輸第十二頁，共94頁。10.2調角波的性質10.2.1瞬時頻率與瞬時相位10.2.2調頻波和調相波的 數學表示式10.2.3調頻波和調相波的 頻譜和頻帶寬度第十三頁，共94頁。10.2.1瞬時頻率與瞬時相位

調頻是使高頻載波的瞬時頻率按調制信號規律變化的一種調制方式；調相是使高頻載波的瞬時相位按調制信號規律變化的一種調制方式。因為這兩種調制都表現為高頻振蕩波的總瞬時相角受到調變，故將它們統稱為角度調制(簡稱調角)。瞬時頻率瞬時相位0實軸（10.2.1）（10.2.2）第十四頁，共94頁。圖10.2.1頻率連續變化的簡諧振蕩10.2.1瞬時頻率與瞬時相位第十五頁，共94頁。10.2.2調頻波和調相波的數學表示式調頻設調制信號為vΩ(t)，載波信號

ω0是未調制時的載波中心頻率；kfvΩ(t)是瞬時頻率相對于ω0的偏移，叫瞬時頻率偏移，簡稱頻率偏移或頻移。可表示為最大頻移，即頻偏，表示為瞬時頻率瞬時相位相移調制指數（10.2.3）（10.2.4）第十六頁，共94頁。10.2.2調頻波和調相波的數學表示式設調制信號為vΩ(t)，（10.2.3）調頻瞬時相位設載波信號調頻波的數學表達式為（10.2.6）（10.2.7）第十七頁，共94頁。調相

ω0t+θ0是未調制時的載波相位；kpvΩ(t)是瞬時相位相對于ω0t+θ0的偏移，叫瞬時相位偏移，簡稱相位偏移或相移。可表示為最大相移，即相偏，表示為瞬時相位瞬時頻率頻偏調制指數10.2.2調頻波和調相波的數學表示式設調制信號為vΩ(t)，載波信號（10.2.9）第十八頁，共94頁。10.2.2調頻波和調相波的數學表示式調相設調制信號為vΩ(t)，載波信號設調相波的數學表達式為瞬時相位（10.2.8）（10.2.10）第十九頁，共94頁。數學表達式瞬時頻率瞬時相位最大頻偏調制指數FM波PM波附：上述比較中的調制信號v(t)，載波V0mcos0(t)10.2.2調頻波和調相波的數學表示式第二十頁，共94頁。以單音調制波為例調制信號調頻瞬時頻率瞬時相位即10.2.2調頻波和調相波的數學表示式10.2.7）調頻波的數學表達式為（:調頻波的最大頻移）第二十一頁，共94頁。調相瞬時頻率瞬時相位調相波的數學表達式以單音調制波為例調制信號10.2.2調頻波和調相波的數學表示式（10.2.10）（：調相波的最大頻移）調制指數都用m表示第二十二頁，共94頁。以單音調制波為例調制信號調頻調相瞬時頻率瞬時相位瞬時頻率瞬時相位10.2.2調頻波和調相波的數學表示式總結：第二十三頁，共94頁。m

pΔωmΔωmΩm

fΩ調頻調相可以看出調相制的信號帶寬隨調制信號頻率的升高而增加，而調頻波則不變，有時把調頻制叫做恒定帶寬調制。10.2.2調頻波和調相波的數學表示式第二十四頁，共94頁。10.2.3調頻波和調相波的頻譜和頻帶寬度由于調頻波和調相波的方程式相似，因此只要分析其中一種的頻譜，則對另一種也完全適用。調頻波信號調相波信號調頻波信號其中是以mf為參數的n階第一類貝賽爾函數。一、頻譜調制信號（10.2.21）第二十五頁，共94頁。一、頻譜10.2.3調頻波和調相波的頻譜和頻帶寬度第二十六頁，共94頁。10.2.3調頻波和調相波的頻譜和頻帶寬度第二十七頁，共94頁。一、頻譜1)單音調制時，調頻波的頻譜不是調制信號頻譜的簡單搬移，而是由載波和無數對邊帶分量所組成，它們的振幅由對應的各階貝塞爾函數值所確定。其中，奇次的上、下邊帶分量振幅相等、極性相反；偶次的振幅相等、極性相同。

2)調制指數mf越大，具有較大振幅的邊頻分量就越多。這與調幅波不同，在單頻信號調幅的情況下，邊頻數目與調制指數無關。

3)載波分量和各邊帶分量的振幅均隨mf變化而變化。對于某些mf值，載頻或某邊頻振幅為零。利用這一現象可以測定調制指數mf。10.2.3調頻波和調相波的頻譜和頻帶寬度第二十八頁，共94頁。

上式表明，當A0一定時，不論mf為何值，調頻波的平均功率恒為定值，并且等于未調制時的載波功率。換句話說，改變mf僅會引起載波分量和各邊帶分量之間功率的重新分配，但不會引起總功率的改變。4)根據帕塞瓦爾(Parseval)定理調頻波的平均功率等于各頻譜分量平均功率之和。因此，在電阻R上，調頻波的平均功率應為10.2.3調頻波和調相波的頻譜和頻帶寬度第二十九頁，共94頁。雖然調頻波的邊頻分量有無數多個，但是，對于任一給定的mf值，高到一定次數的邊頻分量其振幅已經小到可以忽略，以致濾除這些邊頻分量對調頻波形不會產生顯著的影響。二、帶寬通常規定：凡是振幅小于未調制載波振幅的1％(或10％，根據不同要求而定)的邊頻分量均可忽略不計，保留下來的頻譜分量就確定了調頻波的頻帶寬度。如果將小于調制載波振幅l0％的邊頻分量略去不計，則頻譜寬度BW可由下列近似公式求出：10.2.3調頻波和調相波的頻譜和頻帶寬度第三十頁，共94頁。在實際應用中也常區分為：從上面的討論知道，調頻波和調相波的頻譜結構以及頻帶寬度與調制指數有密切的關系。總的規律是：調制指數越大，應當考慮的邊頻分量的數目就越多，無論對于調頻還是調相均是如此。這是它們共同的性質。但是，由于調頻與調相制與調制頻率F的關系不同，僅當F變化時，它們的頻譜結構和頻帶寬度的關系就互不相同。10.2.3調頻波和調相波的頻譜和頻帶寬度第三十一頁，共94頁。調頻調相對于調頻制，僅當F變化時，在常用的寬帶調頻制中，頻率分量隨mf變化而變化，但同時帶寬基本恒定。因此又把調頻叫做恒定帶寬調制。對于調相制，僅當F變化時，頻率分量不變，但帶寬變化。特別是F增加時，帶寬增加。對于Fmin～Fmax而言，Fmax決定總的帶寬，低端頻率分量的頻譜利用率不高。因此，模擬通信系統中調頻制要比調相制應用得廣泛。10.2.3調頻波和調相波的頻譜和頻帶寬度第三十二頁，共94頁。下面分析一下含多個頻率成分信號調制的調頻信號的頻譜，以雙頻信號為例此時增加了許多組合頻率，使頻譜組成大為復雜。因此，調頻與調相制屬于非線性調制。10.2.3調頻波和調相波的頻譜和頻帶寬度第三十三頁，共94頁。10.3調頻方法概述10.3.1直接調頻原理10.3.2間接調頻原理第三十四頁，共94頁。10.3調頻方法概述產生調頻信號的電路叫做調頻器。對它有四個主要要求：（1）已調波的瞬時頻率與調制信號成比例地變化。這是基本要求。（2）未調制時的載波頻率，即已調波的中心頻率具有一定的穩定度（視應用場合不同而有不同的要求）。（3）最大頻移與調制頻率無關。（4）無寄生調幅或寄生調幅盡可能小。產生調頻信號的方法很多，歸納起來主要有兩類：第一類是用調制信號直接控制載波的瞬時頻率——直接調頻。第二類是由調相變調頻——間接調頻。第三十五頁，共94頁。10.3.1直接調頻原理直接調頻的基本原理是用調制信號直接線性地改變載波振蕩的瞬時頻率。因此，凡是能直接影響載波振蕩瞬時頻率的元件或參數，只要能夠用調制信號去控制它們，并從而使載波振蕩瞬時頻率按調制信號變化規律線性地改變，都可以完成直接調頻的任務。如果載波由LC自激振蕩器產生，則振蕩頻率主要由諧振回路的電感元件和電容元件所決定。因此，只要能用調制信號去控制回路的電感或電容，就能達到控制振蕩頻率的目的。第三十六頁，共94頁。10.3.2間接調頻原理瞬時頻率瞬時相位圖10.3.1借助于調相器得到調頻波第三十七頁，共94頁。10.4變容二極管調頻10.4.1基本原理10.4.2電路分析第三十八頁，共94頁。10.4變容二極管調頻主要優點：能夠獲得較大的頻移（相對于間接調頻而言），線路簡單，并且幾乎不需要調制功率。主要缺點：中心頻率穩定度低。應用范圍：在移動通信以及自動頻率微調系統中。第三十九頁，共94頁。圖10.4.2變容二極管調頻電路圖10.4.3振蕩回路的等效電路10.4.1基本原理圖10.4.2是變容二極管調頻電路，虛線左邊是典型的正弦波振蕩器，右邊是變容管電路。第四十頁，共94頁。10.4.1基本原理變容二極管是利用半導體PN結的結電容隨反向電壓變化這一特性而制成的一種半導體二極管。結電容Cj與反向電壓vR存在如下關系：反向電壓式中Cj0：

時的電容值（零偏置電容）反向偏置電壓，VD：PN結勢壘電位差。

γ：結電容變化指數，通常γ=1/2～1/3，經特殊工藝制成的超突變結電容γ=1～5（直流偏壓）第四十一頁，共94頁。CjQC

jvRV0其中：

為靜態工作點的結電容。

10.4.1基本原理（調制深度）第四十二頁，共94頁。圖10.4.1用調制信號控制變容二極管結電容10.4.1基本原理第四十三頁，共94頁。理想線性調制條件小頻偏條件下，近似線性。10.4.1基本原理第四十四頁，共94頁。10.4.2電路分析Cc是變容管與LlC1回路之間的耦合電容，同時起到隔直流的作用；Cφ為對直流電壓的旁路電容；

L2是高頻扼流圈，但讓調制信號通過。它的作用都是將振蕩回路和變容管的控制電路隔離防止它們之間的相互影響。

因此，等效的振蕩回路可畫成右圖，主體是LC互感耦合正弦振蕩電路。圖10.4.2變容二極管調頻電路圖10.4.3振蕩回路的等效電路第四十五頁，共94頁。圖10.4.490MHz直接調頻電路及其高頻通路舉例：10.4.2電路分析第四十六頁，共94頁。10.5晶體振蕩器直接調頻直接調頻的主要優點是可以獲得較大的頻偏，但是中心頻率的穩定性（主要是長期穩定性）較差。穩定中心頻率可以采用以下三種方法：1）對石英晶體振蕩器進行直接調頻；2）采用自動頻率控制電路；3）利用鎖相環路穩頻。晶體振蕩器有兩種類型：1）工作在石英晶體的串聯諧振頻率上，晶體等效為一個短路元件，起著選頻作用。2）工作于晶體的串聯與并聯諧振頻率之間，晶體等效為一個高品質因數的電感元件，作為振蕩回路元件之一。通常是利用變容二極管控制后一種晶體振蕩器的振蕩頻率來實現調頻。第四十七頁，共94頁。10.5晶體振蕩器直接調頻變容二極管接入振蕩回路有兩種方式。一種是與石英晶體相串聯，另一種是與石英晶體相并聯。變容二極管與晶體并聯連接方式有一個較大的缺點，就是變容管參數的不穩定性直接嚴重地影響調頻信號中心頻率的穩定度。因而用得比較廣泛的還是變容管與石英晶體相串聯的方式。第四十八頁，共94頁。

圖10.5.1變容管與晶體的兩種連接方式及其電抗曲線10.5晶體振蕩器直接調頻第四十九頁，共94頁。圖10.5.2晶體振蕩器直接調頻電路PierceOscillators(c－b)型振蕩器

10.5晶體振蕩器直接調頻第五十頁，共94頁。圖10.5.3晶體振蕩器的變容管直接調頻電路應用舉例：調制信號

Pierce型振蕩器

調制信號放大

10.5晶體振蕩器直接調頻第五十一頁，共94頁。10.6間接調頻:由調相實現調頻10.6.1調相的方法10.6.2間接調頻的實現第五十二頁，共94頁。10.6間接調頻:由調相實現調頻高穩定度載波振蕩器相位調制器積分電路多級倍頻和混頻器寬帶窄帶

采用高穩定度的晶體振蕩器作為主振級，然后再對這個穩定的載頻信號進行調相，這樣一來就可得到中心頻率穩定度高的調頻信號。

第五十三頁，共94頁。10.6.1調相的方法

調相的方法通常有三類：一類是用調制信號控制諧振回路或移相網絡的電抗或電阻元件以實現調相。第二類是矢量合成法調相。第三類是脈沖調相。1）諧振回路或移相網絡的調相方法（1）利用諧振回路調相主振器之后的放大器（其間一般尚有緩沖級），其輸入信號即載波振蕩的角頻率是固定的。當放大器的負載回路調諧時，放大器的輸出電壓與輸入電壓反相。第五十四頁，共94頁。10.6.1調相的方法（1）利用諧振回路調相（10.6.1）若設負載回路電容在調制信號控制下變化了，且與成線性關系，即這里是回路初始電容，則回路相對失諧為（10.6.2）第五十五頁，共94頁。10.6.1調相的方法（1）利用諧振回路調相由于回路失諧，輸出電壓便產生一個附加的相位移，它與失諧的關系為（10.6.3）若，則（10.6.4）將式（10.6.2）與式（10.6.1）代入（10.6.4），得（10.6.1）（10.6.2）又有（10.6.5）第五十六頁，共94頁。10.6.1調相的方法（1）利用諧振回路調相（10.6.5）上式說明，在滿足與兩個條件時，附加相移與調制信號成線形關系。但這種調相方法只能產生以下的最大相移，即最大調制指數為若用調制信號控制回路電感，可以得到類似的結果。可控電抗可用變容二極管來實現。第五十七頁，共94頁。（2）利用移相網絡調相圖10.6.1RC移相網絡10.6.1調相的方法第五十八頁，共94頁。圖10.6.2RC移相網絡矢量圖10.6.1調相的方法（2）利用移相網絡調相輸出電壓

等于與的矢量和，它相對于的相移為時，上式近似為關系。若調制信號電壓與C或R也稱反比例關系，則與調制信號成線性關系，即能實現線性調相。（10.6.7）與C或R成反比例時，第五十九頁，共94頁。圖10.6.3利用變容二極管改變移相網絡的電抗10.6.1調相的方法第六十頁，共94頁。2）矢量合成調相法［阿姆斯特朗法］10.6.1調相的方法若相移很小，例如，則上式可近似寫成（10.6.8）第六十一頁，共94頁。圖10.6.5實現矢量合成法的方框圖10.6.1調相的方法第六十二頁，共94頁。圖10.6.6用載波振蕩與雙邊帶調幅波疊加以實現調相10.6.1調相的方法第六十三頁，共94頁。3）脈沖調相圖10.6.7實現脈沖調相的方框圖10.6.1調相的方法第六十四頁，共94頁。圖10.6.8脈沖調相各部分的波形圖10.6.1調相的方法第六十五頁，共94頁。10.6.2間接調頻的實現間接調頻的原理：只要將調制信號積分后，再加至一個調相電路上對載波振蕩進行調相，最后即可得到所需要的調頻波。10.6.1所討論知，除脈沖調相外，其余的調相方法都只能得到很小的調制指數。如m≤0.5才能保證一定的調制線性。如最低調制頻率為100HZ，則相應的最大頻移為Δf=mFmin=0.5*100HZ=50HZ，這遠遠不能滿足需要，如調頻廣播所要求的最大頻移為75kHZ。為使頻偏達到所需的數值，常需用倍頻的方法。如倍頻前的載波頻率低如為1MHZ，所需中心頻率較高，如為1500MHZ，如用倍頻許1500次，只是需用混頻的方法。第六十六頁，共94頁。10.6.2間接調頻的實現圖10.6.9間接調頻的典型方框圖第六十七頁，共94頁。積分電路線性可控延時電路

設延時器件的延時是可控的，如將調制信號積分之后，去線性地控制延時時間，若延時器件此時的輸入信號為載波振蕩，則經延時以后，得到延時器件的輸出信號。10.7可變延時調頻第六十八頁，共94頁。10.8相位鑒頻器10.8.1相位鑒頻器的工作原理10.8.2相位鑒頻器回路參數的選擇第六十九頁，共94頁。10.8.1相位鑒頻器的工作原理相位鑒頻器是根據第一類鑒頻方法，利用回路的相位-頻率特性來實現調幅-調頻波變換的，應用較廣泛。圖10.8.1是電感耦合相位鑒頻器原理電路圖。第七十頁，共94頁。圖10.8.1相位鑒頻器原理電路移相網絡

包絡檢波

10.8.1相位鑒頻器的工作原理第七十一頁，共94頁。10.8.1相位鑒頻器的工作原理

L1C1和L2C2構成互感耦合的雙調諧回路，初、次級回路均調諧于調頻波的中心頻率f0,它們完成波形變換，將等幅調頻波變換成幅度隨瞬時頻率變化的調頻波（即調幅-調頻波）。兩個二極管包絡檢波器構成相位鑒頻器的平衡鑒相電路，將振幅的變化檢測出來。L3為高頻扼流圈，負載電阻R通常比旁路電容C3的高頻容抗大的多，而耦合電容C4與旁路電容C3的容抗則遠小于高頻扼流圈L3的感抗。因此，初級回路上的信號電壓幾乎全部降落在扼流圈L3上。初級回路電流經互感耦合，在次級回路兩端感應產生次級回路電壓（10.8.1）（10.8.2）第七十二頁，共94頁。10.8.1相位鑒頻器的工作原理經推導，次級回路電壓為：（10.8.6）是次級回路總電抗，可正，可負，可為零。1）當信號頻率等于中心頻率（即回路諧振頻率）時，（10.8.7）次級回路電壓比初級回路電壓超前。2）當信號頻率高于中心頻率時，（10.8.8）第七十三頁，共94頁。10.8.1相位鑒頻器的工作原理2）當信號頻率高于中心頻率時，（10.8.8）即當信號頻率高于中心頻率時，次級回路電壓超前于初級回路電壓一個小于的角。3）當信號頻率低于中心頻率時，（10.8.9）超前于初級回路電壓一個大于的角。第七十四頁，共94頁。10.8.1相位鑒頻器的工作原理（10.8.10）由于鑒頻器的輸出電壓等于兩個檢波器輸出電壓之差，而每個檢波器的輸出電壓（峰值或平均值）正比于其輸入電壓的振幅(或），所以鑒頻器輸出電壓（峰值或平均值）為為檢波器的電壓傳輸系數。第七十五頁，共94頁。圖10.8.4對應于不同耦合因數的鑒頻特性曲線10.8.2相位鑒頻器回路參數的選擇第七十六頁，共94頁。由該曲線可以看出，耦合很弱（即η很小）時，線性范圍小，鑒頻跨導高。一般，當η＜1.5以后，非線性就已經相當嚴重。反之，耦合比較緊，線性范圍就大，而鑒頻跨導就小。但當η＞３以上時，非線性又嚴重起來。因此，通常選取η＝１～３。

由于η＝ｋＱ，當回路品質因數ＱL不變時，逐漸加強耦合，鑒頻跨導隨之下降，但線性范圍則隨之加寬。10.8.2相位鑒頻器回路參數的選擇第七十七頁，共94頁。10.9比例鑒頻器以上分析時假定理想調頻波，即輸入信號V12振幅恒定。能否對相位鑒頻器的電路作某些改動來獲得一定的限幅作用，以省掉限幅器呢?實際中，當噪聲、各種干擾以及電路頻率特性的不均勻性所引起的輸入信號的寄生調幅，都可能直接在相位鑒頻器的輸出信號中反映出來。為了去掉這種虛假信號，就必須在鑒頻之前預先進行限幅。為了回答這個問題，需要從一個新的觀點對相位鑒頻器進行深入一步的分析。第七十八頁，共94頁。10.9比例鑒頻器輸入信號振幅的變化會使

和

的振幅成比例地變化，因而在相位鑒頻器的輸出信號中反映出來由

振幅變化產生的虛假信號。第七十九頁，共94頁。10.9比例鑒頻器1.工作原理（10.8.1）（10.8.2）以上兩式相加，得上式說明，只要輸入電壓的振幅不變,則兩個包絡檢波器的輸入電壓和保持不變，因而檢波器的輸出電壓之和也保持不變，而與瞬時頻率的變化無關。亦即和電壓只反映輸入調頻波振幅的變化。第八十頁，共94頁。1.工作原理10.9比例鑒頻器比例鑒頻器的思路