高頻電子8

1、第8章 角度調制與解調,高頻載波信號的瞬時頻率或瞬時相位與調制信號成比例地變化，得到一個幅度不變的已調制信號，稱為角度調制（angle modulation）。若載波的角頻率隨調制信號的大小變化時，稱為頻率調制，簡稱調頻（FM : frequency modulation）；若載波的相位隨調制信號的大小變化時，稱為相位調制，簡稱調相（PM : phase modulation）。,圖8-1 波形圖,調頻波用瞬時頻率的變化來記載信息

2、，當uΩ（t）為最大正值時，調頻波的瞬時頻率最高；當uΩ（t）為最小值時，調頻波的瞬時頻率最低；當按uΩ（t）余弦規(guī)律變化時，調頻波的瞬時頻率在載波頻率的基礎上作相應的變化，瞬時頻率的變化引起瞬時相位的變化。調相波把信息記載于相位變化之中，調相波的瞬時相位是隨uΩ（t）作相應變化的。瞬時相位變化伴隨著瞬時頻率的變化，所以調相波的瞬時頻率也是變化的，它的瞬時頻率變化規(guī)律是不同于調頻波的（兩者相差90°）。在通信系統(tǒng)中，振幅調

3、制（AM、DSB、SSB等）屬于線性調制。角度調制及解調電路不同于頻譜搬移電路。它們是用低頻信號去調制高頻振蕩的相角，或是從已調波中解出調制信號所進行的頻譜變換，這種變換不是線性變換，而是非線性變換。,因此角度調制屬于非線性調制，它們的信號頻譜不是原調制信號頻譜在頻率軸上的線性平移，帶寬要比原調制信號的帶寬大。這從信道傳輸頻帶的利用率來講是不經濟的。但在同樣的發(fā)射功率下，非線性調制把調制信息記載于較寬的已調制信號頻帶內的各邊頻分量之中，

4、因而更有能力去克服信道中噪聲和干擾的影響。這使得非線性調制具有良好的抗噪聲性能，而且傳輸帶寬越大，抗噪聲性能越好。采用增加已調信號帶寬的辦法（實際上是增加信號調制指數），來換取接收端輸出信噪比的提高。所以調頻廣泛應用于廣播電視、移動式無線電通信和遙測等方面。而調相則應用于數字通信系統(tǒng)中的移相鍵控。,圖8-2 調相波的瞬時相位與波形圖,3．調角信號的頻譜與帶寬（1）調角信號的頻譜 單音頻調制時，由于調頻波的頻譜不是調制信號的線性搬移

5、，而是非線性變換，通過分析得出，在單一頻率信號調制下，調角信號頻譜具有以下特點： 調角信號（FM／PM）的頻譜是由無窮多個頻率分量組成的。它包括載頻分量和分布在載頻兩側且與載頻相距±的無窮多對邊頻分量（±）。圖8-3為調角信號的頻譜圖。,圖8-3 調角信號的頻譜圖,調角信號（FM／PM）載頻分量的幅度大小不再是固定不變的，數值可以通過貝塞爾函數計算得到。 FM／PM信號的（平均）功率與未調載波的（平均）功率是一

6、樣的，這表示載頻分量的功率將趨于減小。由于調角波攜帶的總功率是不變的，這說明減小了的載頻分量的功率將被重新分配到各次邊頻分量上去。（2）調角信號的帶寬 調角信號的頻譜包含有無窮多個頻率分量，從理論上講FM／PM信號的頻帶寬度應該是無限寬的。但實際上，FM／PM波中高次邊頻分量的幅度可以小到忽略不計，如果忽略其高次邊頻分量，則不會因此帶來明顯的信號失真。所以也可以把FM／PM信號近似地認為是具有有限帶寬的信號。當然，這個有限帶寬是與

7、調制指數密切相關的。,,4．實現調頻、調相的方法 無論是調頻還是調相，都會使瞬時頻率和瞬時相位發(fā)生變化，說明調頻和調相可以互相轉化。圖8-4和圖8-5給出了實現調頻的電路原理框圖。,圖8-4 直接調頻法,圖8-5 間接調頻法,,圖8-4所示是用調制信號直接對載波進行頻率調制，得到調頻波。圖8-5所示是先對調制信號積分，得到，再由這一積分信號對載波進行相位調制，所得已調信號相對而言是調頻波。 同樣道理，也可以給出實現調

8、相波的原理框圖，如圖8-6和圖8-7所示。,圖8-6 直接調相法,圖8-7 間接調相法,圖8-6所示直接調相法是直接由調制信號對載波的相位進行調制，產生調相波。圖8-7所示間接調相法則是先將調制信號微分，得到，再由此微分信號對載波進行頻率調制，所得已調波相對而言是調相波。例8.4 圖8-8所示為間接調頻的系統(tǒng)框圖，它由積分電路和調相電路組成，設調制頻率為50Hz，調相系數是0.5，試分析它采用倍頻器的作用，并分析該框圖是如何實現

9、頻偏為75kHz，且載波頻率在給定的波段88~108MHz之內的。,圖8-8 例8.4圖,5．調頻制的應用調頻廣播能傳輸高質量的音樂和語音。調頻廣播的頻率范圍為88~108MHz，最高調制頻率為15kHz，最大頻偏規(guī)定為75kHz，調頻信號帶寬為180kHz，小于各電臺之間的規(guī)定頻道間隔200kHz。我國已頒布的廣播電視頻道共68個，頻道間隔為8MHz，工作于米波波段和分米波波段，分布于各波段的工作頻率范圍從48.5MHz到958

10、MHz。目前的廣播電視頻道是甚高頻VHF頻段的12個頻道（48.5~92MHz、167~223MHz），它的伴音信號采用調頻制傳輸。伴音信號的最高頻率為15kHz，最大頻偏規(guī)定為50kHz，可算得調頻信號帶寬為130kHz。,8.3 調頻電路,調頻的實現方法有兩種：直接調頻和間接調頻。直接調頻是利用調制信號直接控制振蕩電路中的振蕩頻率而實現的調頻。例如在LC正弦波振蕩器中，把一個可變電抗接入LC回路，并使可變電抗元件的電抗值隨調制信號

11、變化而變化，則振蕩器的振蕩頻率也隨調制信號變化而變化，從而實現了調頻。在直接調頻法中采用壓控振蕩器（VCO）作為頻率調制器來產生調頻信號。在VCO中，最常用的器件是變容二極管。圖8-9所示為可變電抗器件實現直接調頻的示意圖。,圖8-9 可變電抗直接調頻,直接調頻的優(yōu)點是容易得到較大頻偏，缺點是頻率穩(wěn)定度不高，易產生調頻失真，需要用自動頻率微調來穩(wěn)定頻率。間接調頻的優(yōu)點是產生振蕩過程與調制過程分開，可利用中心頻率高度穩(wěn)定的晶振，使調制

12、失真減小。間接調頻的主要問題是如何實現調相。8.3.1直接調頻電路常用的直接調頻電路有變容二極管（或電抗管）調頻電路、晶振調頻電路和集成調頻電路等。變容二極管調頻電路變容二極管 圖8-10所示為變容二極管的符號和Cj-u曲線。,圖8-10 變容二極管的符號和特性曲線,圖8-11 變容二極管直接調頻的等效電路,圖8-12 變容二極管調頻電路,振蕩器的諧振回路由L、C2、C3組成，調制信號經高頻扼流圈控制變容管的結電容Cj

13、，變容管經隔直電容C5接入諧振回路實現調頻。改變偏壓和電感L的數值可使振蕩器的振蕩頻率變化范圍在50~100MHz之間。兩個變容二極管背靠背連接，對于直流偏壓和調制信號，其工作點和受調制狀態(tài)相同。而對于高頻振蕩信號，兩管串聯，使每個變容二極管上所加的高頻振蕩電壓是諧振回路端電壓的一半，從而避免了二極管兩端電壓過大，進入飽和狀態(tài)而降低回路Q值。,晶振調頻電路晶體振蕩器有很高的頻率穩(wěn)定度，如果將變容二極管與石英晶體共同組成直接調頻晶體振

14、蕩器，則可實現高穩(wěn)定度的直接調頻。這種電路用于頻率穩(wěn)定度要求高的調頻廣播電臺，以減少鄰近電臺的干擾。 （1）調頻原理 變容二極管可與石英晶體串聯，也可以并聯，常用的是串聯接入。原理是通過調制信號對變容二極管結電容的控制，直接改變晶振頻率?；倦娐啡鐖D8-13a所示。 如果用調制信號電壓u?（t）控制變容二極管，使變容二極管的電容發(fā)生變化，則晶體振蕩器的振蕩頻率也隨之發(fā)生變化，從而實現調頻。這就是晶振調頻的基本工作原理。,圖

15、8-13 晶振調頻,（2） 實用電路舉例 圖8-14 a所示為晶振直接調頻的實際電路。圖中，R5、R6、RP1為分壓電阻，2CW14為穩(wěn)壓二極管，C5為交流旁路電容，由RP1中心抽頭取出一定直流負壓，經限流電阻R4加于變容二極管2CA1D正極，作為變容二極管的固定負偏壓，調制信號u?（t）經隔直電容C6，與固定偏壓疊加后共同加于變容二極管兩端，對其進行控制作用，使變容二極管的電容隨調制信號的規(guī)律變化而變化。R1和R2為晶體管VT的基

16、極偏置電阻，R3為射極直流負反饋電阻，C4為高頻旁路電容，C1和C2為振蕩回路電容。以晶體管VT等元器件組成的振蕩器高頻等效電路如圖8-14 b所示。石英晶體在電路中等效于一電感，可見，該電路為頻率可變的克拉潑電路，由于變容二極管等效電容Cj隨調制信號變化而變化，因而，電路輸出為調頻信號。,圖8-14 晶振直接調頻電路,,擴展直接調頻電路最大線性頻偏方法如圖8-15所示，信號調頻后，經倍頻和混頻電路組合后，可使產生的調頻信號的載頻不

17、變，最大線性頻偏擴大為原來的n倍。,圖8-15 擴展直接調頻電路最大線性頻偏原理圖,,8.3.2間接調頻電路直接調頻的主要優(yōu)點是容易獲得大頻偏的FM信號，缺點是頻率穩(wěn)定度低。晶體調頻振蕩器，其頻率穩(wěn)定度比不受調制的晶振有所降低，而且頻偏很小。為了得到頻率穩(wěn)定度更高的調頻器，常采用間接調頻，利用調相電路間接地產生調頻波。間接調頻廣泛地用于廣播發(fā)射機和電視伴音發(fā)射機中。,變容二極管調相電路圖8-16所示間接調頻電路實際上是一級由變容二

18、極管調相的單調諧放大器，輸入信號來自頻率穩(wěn)定性很高的晶振，集電極的負載由電感L、電容C1、Cc及變容管Cj組成的并聯諧振回路，由它構成一級調相電路。當沒有調制時，由L、C1、Cc及變容管靜態(tài)電容CjQ決定的諧振頻率等于晶振頻率?0，回路并聯阻抗為純電阻，因而回路兩端電壓與電流同相。當有調制時，變容管勢壘電容Cj隨調制電壓改變而改變，因而回路對載頻處于不同的失諧狀態(tài)。當Cj減小時，并聯阻抗呈感性，回路兩端電壓超前于電流；反之，當Cj增大時

19、，并聯阻抗呈容性，回路兩端電壓滯后于電流。因此，調制信號通過控制Cj的大小就能使諧振回路兩端電壓產生相應的相位變化，實現調相。若調制信號從2端輸入，則輸出為調相波?，F因由1端經積分器輸入，則輸出為調頻波。,圖8-16 間接調頻電路,8.4 鑒頻電路,調頻波的解調稱為頻率檢波，簡稱鑒頻。在調頻波中，調制信息包含在已調信號瞬時頻率的變化中，因此，鑒頻就是把已調信號瞬時頻率的變化變換成電壓或電流變化。鑒頻特性曲線描述輸出電壓u0與輸入信號

20、頻率f之間的關系，如圖8-18所示。,圖8-18 鑒頻特性曲線,8.4.1斜率鑒頻 在鑒頻的各種實現方法中，一般都是先將調頻波進行波形變換。如果將等幅調頻波變換成幅度隨瞬時頻率變化的調幅-調頻波，此時信號的幅值已與調制信號成正比，然后再進行幅度檢波，還原出調制信號，這種方法稱斜率鑒頻。如圖8-19所示，把調頻信號變換成調幅-調頻信號是由具有幅頻線性特性的電路完成的，而對調幅-調頻波的包絡檢波由包絡檢波器實現。,圖8-19

21、實現斜率鑒頻的電路原理,,單失諧回路斜率鑒頻器 利用失諧回路把調頻信號變換為調幅-調頻波，再通過振幅檢波器檢出調幅-調頻波的包絡，還原出原調制信號，達到調頻波解調的目的。 圖8-20所示給出了LC回路及其幅頻特性曲線、波形變換示意圖。,圖8-20 LC諧振回路及其幅頻特性、波形變換,圖8-21 雙失諧回路斜率鑒頻器及其鑒頻特性,圖8-22 集成斜率鑒頻器,,8.4.2相位鑒頻如果將調頻波先變換為調相-調頻波，使相位

22、的變化與瞬時頻率的變化成正比（即相位變化反映調制信號的變化規(guī)律），然后再用相位檢波器解調出調制信號，這種解調方法稱為相位鑒頻法，其實現電路的原理框圖如圖8-23所示。,圖8-23 實現相位鑒頻的原理框圖,,乘積型相位鑒頻器原理框圖如圖8-24所示，將FM波延時t0，當t0滿足一定條件時，可得到相位隨調制信號線性變化的調相波，再與原調頻波相乘，實現鑒相。,圖8-24 乘積型相位鑒頻原理框圖,正交鑒頻器 （1）正交鑒頻器原理

23、 圖8-25所示是正交鑒頻器的組成框圖。它由移相網絡、相乘器和濾波器三部分組成。由于加到相乘器的FM信號和由它生成的參考信號也必須是同頻正交的（相位相差90°），因而稱之為正交鑒頻器。正交鑒頻器的工作原理為：FM信號與它的正交信號經乘積型鑒相器鑒相后，輸出FM的解調信號，經低通濾波獲得音頻輸出。,圖8-25 正交鑒頻器的組成框圖,（2）正交鑒頻器實例 圖8-26所示為典型的正交鑒頻器電路。圖中C1、L 2、C、R組成移相

24、網絡，L 2、C、R為諧振回路，諧振于輸入FM信號的中心頻率。VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6與恒流源組成一個雙平衡差分式乘法器，是多功能集成電路的一部分。FM輸入信號Ui 加在VT5和VT6的基極，Ui經移相90°后加在VT1和VT4的基極，經過雙平衡乘法器的正交鑒頻，由VT2的集電極輸出FM的解調信號，再經過低通濾波器獲得音頻輸出。,圖8-26 移相乘法(正交)鑒頻電路,鑒頻集成電路μPC1382C為電視

25、機中的伴音中放、鑒頻和前置放大集成電路，用于FM信號解調。它由限幅中放、低通濾波、內部穩(wěn)壓和調頻檢波等幾部分組成，檢波部分為鑒頻器。圖8-27為由μPC1382C芯片組成的一種電視機伴音鑒頻電路。伴音中頻FM信號從μPC1382C的13腳和14腳輸入，在集成電路的內部限幅中放、濾波后，一路直送檢波器，另一路從10腳出經陶瓷濾波器等移相后，再從9腳送到檢波器進行相位鑒頻。鑒頻后的解調信號從6腳出來，經電阻、電容低通濾波得音頻信號，再從

26、4腳送入衰減電路音量控制，經激勵放大在輸出端2腳（音頻信號）和7腳（接地端）之間輸出，再經過功率放大送到揚聲器。,圖8-27 電視機鑒頻電路,8.5 調頻與鑒頻的應用調頻與鑒頻廣泛應用于廣播、移動通信、無繩電話和電視伴音等許多方面，出現了各種型號的集成電路芯片。本節(jié)重點介紹部分常用的芯片。8.5.1發(fā)射機用集成電路1．BA1404和BA1404F寬頻帶發(fā)射機集成電路BA1404和BA1404F是典型的低功耗單片集成發(fā)射機，B

27、A1404采用DIP18的封裝形式，而BA1404F的封裝為SOP18。二者的功能相同，電源電壓低，工作范圍為1.0～2.0V，功率損耗低，典型值為3mA。芯片內部包括FM調制器、RF放大器、緩沖器和振蕩電路等部分，用于信號的發(fā)射和接收，載波信號的頻帶寬為75～108MHz。圖8-28 為BA1404的引腳圖。,圖8-28 BA1404的引腳圖,1腳和18腳接前置電路信號輸入，2腳接旁路電容，3腳接地（低頻信號），4腳接晶振旁路

28、電容，5、6腳接晶振（38KHz），7腳接RF輸出（LC諧振電路），8腳接地（高頻信號），9腳接RF振蕩器旁路電容，10腳接RF振蕩器旁路電容和LC諧振電路。11腳為參考電壓，接可變電容。12腳為調制信號源輸入，13腳控制信號輸出，接RC混頻電路。14腳為多路復用信號輸出，接RC混頻電路。15腳接Ucc，16和17腳接電阻。BA1404的結構簡單，價格低，使用靈活，外接電路簡便，功能較強。圖8-29為BA1404的典型應用，音頻信號經

29、1腳和18腳輸入，通過內部的多路信號調制、信號緩沖和放大，調頻信號放大后從第7腳向外輸出。,圖8-29 BA1404的應用電路,2．KA2312無線電控制發(fā)射集成電路KA2312（封裝為9SIP）是單片集成電路，其作用是發(fā)射無線電信號，使玩具汽車和其他設備具有各種活動功能，其電路內部框圖如圖8-30所示。KA2312內部具有脈沖發(fā)生器、調制器、高頻放大器、脈沖寬度控制器和發(fā)射信號振蕩器（射頻振蕩器）。它的工作電源電壓范圍寬（6~12

30、V），所需外接元器件較少，用戶可以選擇調制頻率。為了獲得適宜的無線電玩具控制系統(tǒng)，KA2312發(fā)射集成電路應與KA2311接收集成電路聯合。,圖8-30 KA2312無線電控制發(fā)射集成電路,,8.5.2 接收機用集成電路移動電臺接收機常用MC3361、 MC3362 、MC3363等集成電路，現以MC3362為例進行介紹。MC3362功能框圖及引腳如圖8-31所示。,圖8-31 MC3362功能框圖及引腳,移動電臺的接收機通常

31、都是采用二次超外差式，同類型的低檔型號芯片MC3357/9和MC3361都不包含第二混頻級以前的高放、一本振、一混頻和一中放等前端電路。而這些前端電路的設計和調試往往棘手。低功耗窄帶FM單片接收機電路MC3362，已經包含了高放外這些前端電路，還增加了載波檢測電路和用于FSK檢測的比較器，它適用于窄帶話音與數據通信。MC3362性能特點如下所述。接收機單片化：它包含有二個本振、二個混頻和二個中放電路，是一個從天線輸入到音頻預放大輸出

32、的全二次超外差式的接收電路。輸入頻帶寬：它的第一混頻工作頻率可以超過450MHz。第一本振可采用靈活的LC振蕩回路，也可作為PLL頻率合成的VCO，工作頻率可到190MHz。在RF輸入為450MHz時，還可以用外部振蕩器（100mV）驅動。,可低電壓工作：電源電壓為2~7V。低功耗：電源電壓為3V時，消耗電流典型值為3.6mA。具有很好的靈敏度和鏡像抑制能力：12dB SINAD，靈敏度典型值為0.7?V。有數據信號整形比較器：

33、可用于FSK數據通信。 有60 dB動態(tài)范圍的接收信號場強指示器：可用于控制有中心和無中心移動通信設備的過區(qū)切換和空閑信道檢測。MC3362的典型應用電路如圖8-32所示。輸入射頻信號經第一混頻器放大（18dB），并混頻轉換成第一中頻信號（10.7MHz），一中頻信號再經進外部帶通陶瓷濾波器濾波，然后輸入到第二混頻器進一步放大（22dB），并混頻轉換成二中頻信號（455kHz），二中頻信號再通過外部帶通陶瓷濾波器濾波后，輸入到

34、限幅放大器和電平檢測電路，最后，通過相移鑒頻器恢復成音頻信號輸出。另外，電平檢測電路用來監(jiān)視輸入RF信號的場強，數據整形比較電路用于檢測FSK調制信號的過零率，該電路檢測數據的速率為2000~35000bps(波特)。,圖8-32 MC3362的典型應用電路,本章小結1．調頻信號的瞬時頻率變化與調制電壓成線性關系，調相信號的瞬時相位變化與調制電壓成線性關系，調頻信號和調相信號兩者都是等幅信號。2．調頻制是一種性能良好的調制方式。與

35、調幅制相比，調頻制具有抗干擾能力強、信號傳輸的保真度高以及發(fā)射機的功放管利用率高等優(yōu)點。但調頻波所占用的頻帶要比調幅波寬得多，因此必須工作在超短波以上的波段。3．實現調頻的方法有直接調頻法和間接調頻法兩種。直接調頻具有頻偏大、調制靈敏度高等優(yōu)點，但頻率穩(wěn)定度差，可采用晶振調頻電路或自動頻率控制技術提高頻率穩(wěn)定度。間接調頻的頻率穩(wěn)定度高，但頻偏小，必須采用倍頻、混頻等措施來擴展線性頻偏。,,4．斜率鑒頻和相位鑒頻是兩種主要的鑒頻方式，集