信号变换二：角度调制与解调

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1、6.1 角度调制原理 6.2 调频电路 6.3 角度调制的解调 6.4 自动频率控制 6.5 实训一：49.67MHz窄带调频 发射器的制作 6.6 实训二：49.67MHz窄带调频 接收器的制作,第6章 信号变换二：角度调制与解调,6.1 角度调制原理,6.1.1 调频信号数学表达式 设载波信号电压为 uc(t)Ucmcos(ct+0) 式中，ct+0为载波的瞬时相位；c为载波信号的角频率；0为载波初相角（一般地，可以令0=0）。 设调制信号电压（单音频信号）为 (t)=c+(t)=c+kfu(t) (61),式中，kf为与调频电路有关的比例常数，单位为rad/(sV)；(t)=kfu(t)

2、，称为角频率偏移，简称角频移。(t)的最大值叫角频偏，m=kf|u(t)|max，它表示瞬时角频率偏离中心频率c的最大值。 对式(61)积分可得调频波的瞬时相位f(t),(62),表示调频波的相移，它反映调频信号的瞬时相位按调制信号的时间积分的规律变化。 调频信号的数学表达式,(63),将单音频信号u(t)Um cost分别代入式(61)、(62)、(63)，得,(64),(65),(66),图6.1给出了调频波的u(t)、f、(t)和 u(t)的波形。,图6.1 调频波的波形图,图6.1 调频波的波形图,6.1.2 调相信号数学表达式 根据调相的定义，载波信号的瞬时相位p(t)随调制信号u(

3、t)线性变化，即,(67),对式(67)求导，可得调相波的瞬时角频率(t)为,(68),调相信号的数学表达式为,(69),将单音频信号u(t)Um cost分别代入式(67)、 (68)、(69)，得,(610),(611),(612),图6.2 调相波的波形图,6.1.3 调角信号的频谱和频谱宽度 1.调角信号的频谱 用式(66)来说明调角波的频谱结构特点。,利用三角函数变换式cos(A+B)=cosAcosB-sinAsinB, 将式(6-6)变换成,图6.3 第一贝塞尔函数曲线,在贝塞尔函数理论中，可得下述关系：,将式(614)和式(615)代入式(613)，得,图6.4 不同mf的调频

4、信号频谱图,2. 频谱宽度,(617),下面写出调频波和调相波的频带宽度 调频： 调相：,(618),(619),图6.5 Um不变时调频波频谱图,图6.6 Um不变时调相波频谱图,根据调制后载波瞬时相位偏移大小，可以将角度调制分为窄带和宽带两种。从卡森公式可得： 当m1时,(620),通常将这种调角信号称为窄带调角信号; 当m1时,(621),3. 调频波的平均功率 根据帕塞瓦尔定理，调频波的平均功率等于各个频率分量平均功率之和。因此，单位电阻上的平均功率为,根据第一类贝塞尔函数特性,得调频波的平均功率,(622),(623),6.2 调频电路,调频电路的主要要求如下： 1) 调制特性为线性

5、 2) 调制灵敏度要高 3) 中心频率的稳定度要高 4) 最大频偏,6.2.1 直接调频电路 1.变容二极管直接调频电路,(624),变容二极管的反向电压随调制信号变化，即,(625),图6.7 变容二极管接入振荡回路,振荡频率可由回路电感L和变容二极管结电容Cj所决定，即,(626),变容二极管结电容随调制信号电压变化规律，即,式中，mc为变容管电容调制度；CjQ为UQ处电容。 将式(627)代入式(626)，则得,(628),下面分析0时的工作情况，令x=mccost， 可将式(628)改写成,(629),设x足够小，将式(629)展开成傅里叶级数，并忽略式中的三次方及其以上各次方项，则,

6、(630),由上式求得调频波的最大角频偏为,二次谐波失真分量的最大角频偏为,(631),中心角频率偏离c的数值为,相应地，调频波的二次谐波失真系数为,(632),(633),(634),中心角频率的相对偏离值为,(635),二次谐波失真分量的最大角频偏为,图6.8 变容二极管对接方式,图6.9 变容二极管的部分接入,2. 直接调频实际电路,图6.10 90MHz直接调频电路及其高频通路,图6.11 70MHz变容管直接调频电路,图6.12 100MHz晶体振荡器的变容管直接调频电路,图6.13 间接调频电路框图,6.2.2 间接调频电路 间接调频的方法是：先将调制信号u积分，再加到调相器对载波

7、信号调相，从而完成调频。间接调频电路方框图如图6.13所示。 设调制信号u=Um cost经积分后得,设调制信号u=Um cost经积分后得,(636),式中，k为积分增益。用积分后的调制信号对载波uc(t)=Ucm cosct进行调相，则得,式中,(637),图6.14 变容二极管调相电路,设输入载波电流为,则回路的输出电压为,(638),由于并联谐振回路谐振频率0是随调制信号而变化的，因而相移(c)也是随调制信号而变化的。根据并联谐振回路的特性，可得,式中，Q为并联回路的有载品质因数。当|(c)|30，失谐量不大时(式中分母0c)，上式简化为,积分后的调制信号为,根据式(627)可得,式中

8、，变容管电容调制度为,(639),当=2或mc较小，略去二次方以上各项，则可得,将式(640)代入式(639)，可得,将式(641)代入式(638)，可得,(640),(641),(642),图6.15 三级单回路变容管调相电路,6.2.3 扩展最大频偏的方法 例1 一调频设备，采用间接调频电路。已知间接调频电路输出载波频率100Hz，最大频偏为24.41Hz。要求产生载波频率为100MHz，最大频偏为75kHz。扩展最大频偏方法见图6.16。,图6.16 扩展最大频偏的方法,6.3 角度调制的解调,6.3.1相位检波电路 鉴相电路的功能是从输入调相波中检出反映在相位变化上的调制信号，即完成相

9、位-电压的变换作用。 鉴相器有多种电路，一般可分为双平衡鉴相器、模拟乘积型鉴相器和数字逻辑电路鉴相器。下面重点讨论乘积型鉴相电路。,1. 乘积型鉴相器 乘积型鉴相器组成方框图如图6.17所示。图中，两个输入信号分别为 调相波 u1=U1msin(ct+) 本地参考信号 u2=U2mcosct,(643),图6.17 乘积型鉴相器组成方框图,1) u1和u2均为小信号 当|U1m|26mV、|U2m|26mV时，由式(643)可得输出电流为,式中，K=Io/(4U2T)，为乘法器的相乘增益因子。,通过低通滤波器后，上式中第二项被滤除，于是可得输出电压为,(644),图6.18 乘积型鉴相器的鉴相

10、特性曲线,鉴相器灵敏度为,(645),2) u1为小信号，u2为大信号 当|U1m|26mV、|U2m|100mV时，由式(6-43)可 得输出电流为,3) u1和u2均为大信号 当|U1m|100mV,|U2m|100mV时，由式(643)可得输出电流为,鉴相器灵敏度为,图6.19 两个开关函数相乘后的电流波形,在/23/2内，通过低通滤波器后，可求得输出电压为,(649),鉴相器灵敏度为,图6.20 三角形鉴相特性曲线,图6.21 不同的起始固定相移的鉴相特性 (a)起始固定相移等于90；(b)起始固定相移等于0； (c)起始固定相移等于-90；(d)起始固定相移等于180,图6.22 由

11、MC1596组成的鉴相电路 (a)电路；(b)大信号输入和输出方波；(c)线性鉴相特性,u1和u2为同频率、相位差为的信号。当相位差在0时， 、 及uom的波形如图6.22(b)所示。在/2时，方波uom的阴影面积A1A2，经低通滤波器输出直流电压Uo为,=/2时，Uo=0；=0时，Uo=-IEERe；在0内，Uo与之间有良好的线性特性。同样，在2范围内，亦具有线性相位特性:,6.3.2 频率检波电路 鉴频的方法很多，根据波形变换的不同特点可以分为四种：斜率鉴频器;相位鉴频器;脉冲计数鉴频器;锁相鉴频器。下面重点讨论斜率鉴频器，相位鉴频器。 1.斜率鉴频器,图6.23 斜率鉴频器实现模型,1)

12、 单失谐回路斜率鉴频器,图6.24 单失谐回路鉴频原理电路,当输入调频信号为us1=Us1mcos(ct+mfsint)时，通过起着频幅变换作用的时域微分器(并联失谐回路)后，其输出为,图6.25 单失谐回路斜率鉴频器,2) 双失谐回路斜率鉴频器 回路对调频波中心频率fc的失谐量为f，并且有f=f01-fc=fc-f02，如图6.27(a)所示。显然有,(650),图6.26 双失谐回路斜率鉴频器,图6.27 双失谐回路斜率鉴频器鉴频特性曲线,2. 相位鉴频器,图6.28 相位鉴频器实现模型,1) 频率相位变换网络 由图可写出输出电压表达式,整理上式，并令,(651),由上式可画出网络的幅频特

13、性曲线和相频特性曲线，如图6.29(b)所示。只有在arctan/2时，A()可近似为直线，此时有,假定输入调频波的中心频率c=0，将输入调频波的瞬时角频率=c-mcost=c+代入上式，得,(652),图6.29 频率一相位变换网络,(653),2) 乘积型相位鉴频器 3) 实际应用电路,图6.30 乘积型相位鉴频器实现模型,图6.31 用MC1596构成乘积型相位鉴频器,6.4 自动频率控制,6.4.1 AFC的原理 图6.32所示为AFC的原理框图。其中，标准频率源的振荡频率为fi，压控振荡器VCO的振荡频率为fs。,图6.32 AFC的原理框图,6.4.2 AFC的应用 1. 采用AF

14、C的调频器 图6.33为采用AFC的调频器组成框图。,图6.33 采用AFC电路的调频器组成框图,图6.34 采用AFC电路的调幅接收机组成框图,6.5实训一：49.67MHz窄带调频发射器的制作,1. 制作内容及要求 (1)用集成电路MC2833制作窄带调频器。 (2)设计印刷板电路（利用Protel绘制电路板软件）。 (3)调整机电路时，要确定最佳调制工作点。,2. 制作原理 (1)49.67MHz窄带调频发射器是以Motorola公司推出的窄带调频发射集成电路MC2833为核心。该集成电路具有以下特点： 工作电压范围宽为2.89.0。 低功耗，当UCC=4.0V时，无信号调制时消耗的电流

15、典型值为2.9mA。 外围元器件很少。 具有60MHz的射频输出，典型运用频率49MHz左右。,(2)MC2833的引脚和内部功能框图见图6.35所示。MC2833的内部功能主要包括可压控的射频振荡器、音频电压放大器和辅助晶体管放大器等。 (3)输入信号（语音信号）从引脚5输入，经过高增益运算放大电路后从引脚4输出，再加到引脚3，通过可变电抗控制振荡频率变化，在晶体直接调频工作方式下，产生2.5kHz左右频偏。,图6.35 MC2833的引脚和内部功能框图,3.制作电路说明 (1)49.67MHz窄带调频发射器的典型电路见图6.36。 (2)引脚9处接输出负载回路，49.67MHz窄带调频信号

16、通过拉杆天线辐射。 (3)若要制作窄带调频接收，可采用MC3363类集成电路。参看本章实训二。,图6.36 49.67MHz窄带调频发射器,6.6实训二：49.67MHz窄带调频接收器的制作,1.制作内容及要求 (1)用集成电路MC3363制作窄带调频接收器。 (2)设计印刷板电路（利用Protel绘制电路板软件），印刷板上的元器件要合理安排，注意地线宽度，信号的走线要避免过长。,2 .制作原理 (1)49.67MHz窄带调频接收器是以Motorola公司推出的窄带调频接收集成电路MC3363为核心。该集成电路特点可查阅Motorola公司通信器件手册。 (2)MC3363的引脚和内部功能框图

17、见图6.37所示。MC3363的内部功能主要包括第一混频、第二混频、第一本振、第二本振、限幅中放、正交检波电路等。 (3) 引脚说明：,图6.37 MC3363的引脚和内部功能框图,引脚1 1stMixerInput 1st混频信号的输入 引脚2 Base 基极（基带信号输入） 引脚3 Emitter 发射极 引脚4 Collector 集电极 引脚5 2ndLOEmitter 2ndLO发射极 引脚6 2ndLOBase 2ndLO基极（基带信号输入） 引脚7 2ndMixerOutput 混频信号的输出 引脚8 VCC 电源电压，也用UCC表示 引脚9 LimiterInput 限制输入（

18、限幅输入端）,引脚10 LimiterDecoupling 限制减弱 引脚11 LimiterDecoupling 限制减弱 引脚12 MeterDrive(RSSI) （米、公尺、计、表）驱动 引脚13 CarrierDetect 载波检测 引脚14 QuadratureCoil 积分环 引脚15 MuteInput 弱音输入 引脚16 RecoveredAudio 音量调整 引脚17 ComparatorInput 比较输入 引脚18 ComparatorOutput 比较输出 引脚19 Mute-Ouput 弱音输出,引脚20 VEE 电源电压，也用UEE表示 引脚21 2ndMixer

19、Input 2nd混频信号的输入 引脚22 2ndMixerInput 2nd混频信号的输入 引脚23 1stMixeroutput 1st混频信号的输出 引脚24 1stLOOutput 1stLO（本振）输出 引脚25 1stLOTank 1stLO接外部信号 引脚26 1stLOTank 1stLO接外部信号 引脚27 VaricapControl Varicap控制 引脚28 1stMixerInput 1st混频信号的输入,(4) 49.67MHz窄带调频接收器的典型电路见图6.38。 3.制作电路说明 对于MC3363集成电路来说，在信噪失真比（SINAD）为12dB时，具有优于0.3V的灵敏度。信噪失真比的意义(简称信纳比)为,图6.38 49.67MHz窄带调频接受机,