7.1 概述概述 7.2 调调角波的性角波的性质质 7.3 调频调频方法及方法及电电路路 7.4 调调角信号解角信号解调调 Chapter 7 角度角度调调制与解制与解调调 频谱频谱非非线线性性变换电变换电路路 7.1 7.1 概述概述 角度调制是用调制信号去控制载波信号角度(频率或相位)变化的一种信号变换方式。假设受控的是载波信号的频率，那么称频率调制(Frequency Modulation)，简称调频，以FM表示；假设受控的是载波信号的相位，那么称为相位调制(Phase Modulation)，简称调相，以PM表示。无论是FM还是PM，载频信号的幅度都不受调制信号的影响。 调频波的解调称为鉴频或频率检波，调相波的解调称鉴相或相位检波。与调幅波的检波一样，鉴频和鉴相也是从已调信号中复原出原调制信号。 oommo+mo+mAMFM调幅与调频的波形图调幅与调频的波形图FMAMffff调幅与调频的频谱调幅与调频的频谱 f0f0f0f0 角度调制与解调和振幅调制与解调最大的区别在频率变换前后频谱构造的变化不同。 角度调制:频率变换前后频谱构造发生了变化， 属于非线性频率变换。 角度调制的主要优点: 抗干扰性强. FM广泛运用于广播、电视、通讯以及遥测方面，PM主要运用于数字通讯。 角度调制的主要缺陷: 占据频带宽，频带利用不经济。 7.2 调角波的性质一、调频波和调相波的波形和数学表达式一、调频波和调相波的波形和数学表达式1. 1. 瞬时频率、瞬时相位及波形瞬时频率、瞬时相位及波形设未调高频载波为一简谐振荡，其数学表达式为设未调高频载波为一简谐振荡，其数学表达式为v(t)=Vcosv(t)=Vcos(t)=Vcos(t)=Vcos(0t+0t+0) 0) (7-1) (7-1) 式中，式中，0 0为载波初相角；为载波初相角；0 0是载波的角频率，是载波的角频率， (t)(t)为载波振荡的瞬时相位。为载波振荡的瞬时相位。 当没有调制时，当没有调制时，v(t)v(t)就是载波振荡电压，其角就是载波振荡电压，其角 频率频率0 0和初相角和初相角0 0都是常数。都是常数。 调频时，在式调频时，在式(7-1)(7-1)中，高频正弦载波的角频率不再是常数中，高频正弦载波的角频率不再是常数0 0，而是随调制信号变化的量。即调频波的瞬时角频率，而是随调制信号变化的量。即调频波的瞬时角频率(t)(t)为为 (t)=(t)= 0+kfv0+kfv (t)=(t)= 0+0+(t) (t) (7-2)(7-2) 式中式中kf为比例常数，即单位调制信号电压引起的角频为比例常数，即单位调制信号电压引起的角频率变化，单位为率变化，单位为rad/s V。调频波的瞬时相角。调频波的瞬时相角(t)为为(7-3) 调频波瞬时频率、瞬时相位随调制信号调频波瞬时频率、瞬时相位随调制信号( (单音信号单音信号) )变化的波形图变化的波形图以及调频波的波形图。以及调频波的波形图。 图图7-1 7-1 调频时的波形图调频时的波形图 图图(a)(a)(a)(a)为调为调制信号制信号制信号制信号v v v v ， 图图(b)(b)(b)(b)为调频为调频波，当波，当波，当波，当v v v v 为为波峰波峰波峰波峰时时，频频率率率率 o+o+o+o+m m m m为为最大；当最大；当最大；当最大；当v v v v 为为波波波波谷谷谷谷时时，频频率率率率 oooom m m m为为最小。最小。最小。最小。 图图(c)(c)为瞬时频率的方式，为瞬时频率的方式， 是在载频的根底上叠加了随调制是在载频的根底上叠加了随调制信号变化的部分。信号变化的部分。 图图(d)(d)为调频时引起的附加相位为调频时引起的附加相位偏移的瞬时值，偏移的瞬时值， (t)(t)与调制信号相差与调制信号相差9090 。 由图可知由图可知调频波的瞬时频率随调制信号成线性变化，调频波的瞬时频率随调制信号成线性变化，而瞬时相位随调制信号的积分线性变化。而瞬时相位随调制信号的积分线性变化。 图图7-27-2画出了调相波的瞬时频率、瞬时相位画出了调相波的瞬时频率、瞬时相位随调制信号随调制信号( (单音信号单音信号) )变化的波形图。变化的波形图。调相时的波形图调相时的波形图 v t0p2p2p toq( t) to( t)o(a)( c )( d)图图7-2 调相时，高频载波的瞬时相位调相时，高频载波的瞬时相位(t)(t)随随v v线性变化，线性变化， (t)=(t)=0t+0t+0+Kpv0+Kpv(t) (t) (7-4) (7-4) 式中式中KpKp为比例系数，代表单位调制信号电压引起为比例系数，代表单位调制信号电压引起的相位变化，单位为的相位变化，单位为rad/Vrad/V。调相波的瞬时频率为。调相波的瞬时频率为(7-5) (t)=(t)= 这是角度调制的两个根本关系式，它阐明了瞬时这是角度调制的两个根本关系式，它阐明了瞬时相位是瞬时角速度对时间的积分，同样，瞬时角频率相位是瞬时角速度对时间的积分，同样，瞬时角频率为瞬时相位对时间的变化率。由于频率与相位之间存为瞬时相位对时间的变化率。由于频率与相位之间存在着微积分关系，因此不论是调频还是调相，结果使在着微积分关系，因此不论是调频还是调相，结果使瞬时频率和瞬时相位都发生变化。只是变化规律与调瞬时频率和瞬时相位都发生变化。只是变化规律与调制信号的关系不同。制信号的关系不同。和和例例7-1 7-1 求求v(t)=5cos( t+sin5v(t)=5cos( t+sin5 t) t)在在t=0t=0时的时的 瞬时频率。瞬时频率。解解 (t)= t+sin(5 t) (t)= 在在t=0时， (0)= +5 rad/S 160kHz2. FM、PM的数学表达式及的数学表达式及频频移和相移移和相移 设设0=00=0(7-6)所以所以FMFM波的数学表达式为波的数学表达式为af(t)=Vcosaf(t)=Vcos(t)=Vco(t)=Vcos s (7-7) (t)=(t)= 0+kfv0+kfv (t)=(t)= 0+0+(t)(t)根据式根据式同理，根据式同理，根据式(7-4)(7-4)设设0=00=0那么那么 (t)=0t+KPv(t) (7-8)所以所以PMPM波的数学表达式为波的数学表达式为ap(t)=Vcosap(t)=Vcos(t)=Vcos(t)=Vcos0t+Kpv0t+Kpv(t)(t) (7-9) (7-9) 我们将瞬时频率偏移的最大值称为频偏，记为我们将瞬时频率偏移的最大值称为频偏，记为 m= maxm= max。瞬时相位偏移的最大值称为调制指数，瞬时相位偏移的最大值称为调制指数，m= maxm= max。对调频而言，对调频而言， 频偏频偏 m=Kfm=Kf (7-10) (7-10)调频指数调频指数 mf=Kf mf=Kf (7-11) (7-11)对调相而言，对调相而言， 频偏频偏 (7-12) (7-12) 调相指数调相指数 (7-13) (7-13) 根据以上分析得出如下结论： 调频时，载波的瞬时频率与调制信号成线性关系， 载波的瞬时相位与调制信号的积分成线性关系； 调相时，载波的瞬时频率与调制信号的微分成线性关系， 载波的瞬时相位与调制信号成线性关系。 调频与调相的比较可参见表7-1。表表7-1 FM7-1 FM波和波和PMPM波的比较波的比较 调制信号调制信号v v(t)(t)，载波，载波VmcosVmcos0(t)0(t)FM波波PM波波数学表达式数学表达式Vmcos0t+kpv(t)瞬瞬时频率率0+kfv(t)瞬瞬时相位相位0t+kpv(t)最大最大频偏偏调制指数制指数mf=Kfm=Kf 下面分析当调制信号为下面分析当调制信号为v v(t)=V(t)=Vcoscost t，未调制时载波，未调制时载波频频 率为率为0 0时的调频波和调相波。时的调频波和调相波。 根据式根据式(7-7)(7-7)可写出调频波的数学表达式为可写出调频波的数学表达式为(7-14)根据式根据式(7-9)(7-9)可写出调相波的数学表达式为可写出调相波的数学表达式为(7-15) 从以上二式可知，从以上二式可知，此时调频波的调制指数为此时调频波的调制指数为(7-16)调相波的调制指数为调相波的调制指数为 mp = KpV (7-17) 根据式根据式(7-10)(7-10)可求出调频波的最大频移为可求出调频波的最大频移为f = KfVf = KfV (7-18) 根据式根据式(7-12)(7-12)可求出调相波的最大频移为可求出调相波的最大频移为 p = KpVp = KpV(7-19) 由此可知，调频波的频偏与调制频率由此可知，调频波的频偏与调制频率无关，调频指数无关，调频指数mfmf那么那么与与成反比；调相波的频偏成反比；调相波的频偏 p p与与成正比，调相指数那么与成正比，调相指数那么与无关。无关。这是调频、调相二种调制方法的根本区别。它们之间的关系参这是调频、调相二种调制方法的根本区别。它们之间的关系参见图见图7-37-3。图图7-3 7-3 频偏和调制指数与调制频率的关系频偏和调制指数与调制频率的关系( (当当V V恒定时恒定时) ) (a) (a) 调频波；调频波；(b) (b) 调相波调相波 对照式对照式(7-16)-(7-19)(7-16)-(7-19)可以看出：无论调频还是调相，最大可以看出：无论调频还是调相，最大频移频移( (频偏频偏) )与调制指数之间的关系都是一样的。假设频偏都用与调制指数之间的关系都是一样的。假设频偏都用 m m表示，调制指数都用表示，调制指数都用m m表示，那么表示，那么 m m 与与m m之间满足以下关系之间满足以下关系m = mm = m 或或 fm = mFfm = mF (7-20) (7-20) 式中式中 需求需求阐明明: :在振幅在振幅调制中，制中，调幅度幅度ma1ma1，否那么会，否那么会产生生过调制失真。制失真。而在角度而在角度调制中，无制中，无论调频还是是调相相, ,调制指数均可大于制指数均可大于1 1。二、调角信号的频谱与有效频带宽度二、调角信号的频谱与有效频带宽度 由于调频波和调相波的方程式类似由于调频波和调相波的方程式类似, ,因此要分析其中一种因此要分析其中一种频谱频谱, ,那么另一种也完全适用。那么另一种也完全适用。1. 1. 调频波和调相波的频谱调频波和调相波的频谱 前面曾经提到，调频波的表示式为前面曾经提到，调频波的表示式为 af(t)=Vocos(ot+ mfsint) (Vm=Vo) (7-21)利用三角函数关系，可将利用三角函数关系，可将(7-21)(7-21)式改写成式改写成 af(t)=Vocos( af(t)=Vocos( ot+ mfsinot+ mfsin t)t) =Vocos(mfsin =Vocos(mfsin t)cost)cos otsin(mfsinotsin(mfsin t)sint)sin ot (7-22)ot (7-22)函数函数cos(mfsincos(mfsint)t)和和sin(mfsinsin(mfsint)t)，为特殊函数，为特殊函数, ,采用贝塞尔函数分析，可分解为采用贝塞尔函数分析，可分解为cos(mfsincos(mfsin t)=J0(mf)+2J2(mf)cos2t)=J0(mf)+2J2(mf)cos2 t+2J4(mf)cos4t+2J4(mf)cos4 t t+2Jn(mf)cos+2Jn(mf)cos t+ (nt+ (n为为偶数偶数) ) sin(mfsinsin(mfsin t)=2J1(mf)sint)=2J1(mf)sin t+2J3(mf)sin3t+2J3(mf)sin3 t t+2J5(mf)sin5+2J5(mf)sin5 t+2J2n+1(mf)sin (2n+1)t+2J2n+1(mf)sin (2n+1) t+ (nt+ (n为为奇数奇数) ) 在贝塞尔函数实际中，以上两式中的在贝塞尔函数实际中，以上两式中的Jn(mf)Jn(mf)称为数值称为数值mfmf的的n n阶阶第一类贝塞尔函数值。它可由第一类贝塞尔函数表求得。第一类贝塞尔函数值。它可由第一类贝塞尔函数表求得。 (7-23) (7-24) 图7-47-4为阶数数n=0-9n=0-9的的Jn(mf)Jn(mf)与与mfmf值的关系曲的关系曲线。由。由图可知，可知，阶数数n n或数或数值mfmf越大，越大，Jn(mf)Jn(mf)的的变化范化范围越小；越小；Jn(mf)Jn(mf)随随mfmf的增大作正的增大作正负交替交替变化；化；mfmf在某些数在某些数值上，上，Jn(mf)Jn(mf)为零，例零，例如如mf =2.40,5.52,8.65,11.79,mf =2.40,5.52,8.65,11.79,时，J0(mf)J0(mf)为零。零。图图7-4 7-4 贝塞尔函数曲线贝塞尔函数曲线将式将式(7-23)(7-23)和式和式(7-24)(7-24)代入式代入式(7-22)(7-22)得得af(t) =VoJ0(mf)cosaf(t) =VoJ0(mf)cos otot VoJ1(mf)cos( VoJ1(mf)cos( oo )tcos()tcos( o+o+ )t)t +VoJ2(mf)cos( +VoJ2(mf)cos( o2o2 )t+cos()t+cos( o+2o+2 )t)t VoJ3(mf)cos( o3 )tcos( o+3 )t + =Vo (7-25) 可见，单频调制情况下，调频波和调相波可分解为载频可见，单频调制情况下，调频波和调相波可分解为载频和无穷多对上下边频分量之和，各频率分量之间的间隔均等和无穷多对上下边频分量之和，各频率分量之间的间隔均等于调制频率，且奇数次的上下边频相位相反，包括载频分量于调制频率，且奇数次的上下边频相位相反，包括载频分量在内的各频率分量的振幅均由贝塞尔函数在内的各频率分量的振幅均由贝塞尔函数Jn(mf)Jn(mf)值决议。值决议。 图图7-57-5所示频谱图是根据式所示频谱图是根据式(7-25)(7-25)和贝塞尔函数值画出和贝塞尔函数值画出的几个调频频率的几个调频频率( (即各频率分量的间隔间隔即各频率分量的间隔间隔) )相等、调制系数相等、调制系数mfmf不等的调频波频谱图。为简化起见，图中各频率分量均取不等的调频波频谱图。为简化起见，图中各频率分量均取振幅的绝对值。振幅的绝对值。 图图7-5 单频调制的调频波的频谱图单频调制的调频波的频谱图 由图可知，不论由图可知，不论mfmf为何值，随着阶数为何值，随着阶数n n的增大，边频分量的的增大，边频分量的振幅总的趋势是减小的；振幅总的趋势是减小的；mfmf越大，具有较大振幅的边频分量就越大，具有较大振幅的边频分量就越多；对于某些越多；对于某些mfmf值，载频或某些边频分量的振幅为零，利用值，载频或某些边频分量的振幅为零，利用这一景象，可以丈量调频波和调相波的调制指数。这一景象，可以丈量调频波和调相波的调制指数。 对于调制信号为包含多频率分量的多频调制情况，调频波和对于调制信号为包含多频率分量的多频调制情况，调频波和调相波的频谱构造将更加复杂，这时不但存在调制信号各频率分调相波的频谱构造将更加复杂，这时不但存在调制信号各频率分量的各阶与载频的组合，还存在调制信号各频率分量间相互组合量的各阶与载频的组合，还存在调制信号各频率分量间相互组合后与载频之间产生的无穷多个组合构成的边频分量。后与载频之间产生的无穷多个组合构成的边频分量。 2. 2. 调频波和调相波的功率和有效频带宽度调频波和调相波的功率和有效频带宽度 调频波和调相波的平均功率与调幅波一样，也为载频功率调频波和调相波的平均功率与调幅波一样，也为载频功率和各边频功率之和。单频调制时，调频波和调相波的平均功率和各边频功率之和。单频调制时，调频波和调相波的平均功率均可由式均可由式(7-26)(7-26)求得，此处略去调制系数的下角标，即求得，此处略去调制系数的下角标，即(7-26) (7-26) 根据第一类贝塞尔函数的性质，上式括弧中各项之和恒等根据第一类贝塞尔函数的性质，上式括弧中各项之和恒等于于1 1，所以调频波和调相波的平均功率为，所以调频波和调相波的平均功率为(7-27) (7-27) )m(J)m(J)m(J 2)m(JRV21P2n22120L2oavLL+=2 可见，调频波和调相波的平均功率与调制前的等幅载波功率可见，调频波和调相波的平均功率与调制前的等幅载波功率相等。这阐明，调制的作用仅是将原来的载频功率重新分配到各相等。这阐明，调制的作用仅是将原来的载频功率重新分配到各个边频上，而总的功率不变。这一点与调幅波完全不同。个边频上，而总的功率不变。这一点与调幅波完全不同。 进一步分析阐明，调制后虽然部分功率由载频向边频转换，进一步分析阐明，调制后虽然部分功率由载频向边频转换，但大部分能量还是集中在载频附近的假设干个边频之中。由贝塞但大部分能量还是集中在载频附近的假设干个边频之中。由贝塞尔函数可以发现，当阶数尔函数可以发现，当阶数n nm m时，时，Jn(m)Jn(m)值随值随n n的增大迅速下降，的增大迅速下降，而且当而且当n n(m+1)(m+1)时，时，Jn(m)Jn(m)的绝对值小于的绝对值小于0.10.1或相对功率值小于或相对功率值小于 0.01 0.01。通常将振幅小于载波振幅通常将振幅小于载波振幅10%10%的边频分量忽略不计，有效的上的边频分量忽略不计，有效的上下边频分量总数那么为下边频分量总数那么为2(m+1)2(m+1)个，即调频波和调相波的有效频个，即调频波和调相波的有效频带宽度定为带宽度定为 BW=2(m+1)F=2( BW=2(m+1)F=2( f+F)f+F)(7-28)(7-28) 可见，调频波和调相波的有效频带宽度与它们的调制系可见，调频波和调相波的有效频带宽度与它们的调制系数数m m有关，有关，m m越大，有效频带越宽。对于用同一个调制信号对越大，有效频带越宽。对于用同一个调制信号对载波进展调频和调相时，两者的频带宽度因载波进展调频和调相时，两者的频带宽度因mfmf和和mpmp的不同而的不同而互不一样。互不一样。 调频波和调相波的有效频带宽度调频波和调相波的有效频带宽度三、调频波与调相波的联络与区别三、调频波与调相波的联络与区别根据调频波的数学表达式根据调频波的数学表达式 和调相波的数学表达式和调相波的数学表达式ap(t)=Vocosap(t)=Vocosot+Kpvot+Kpv(t)(t)可以看出可以看出FMFM与与PMPM两者之间的关系，即调频波可以看成两者之间的关系，即调频波可以看成调制信号为调制信号为 而调相波那么可以看成调制信号为而调相波那么可以看成调制信号为 的调频的调频 波波. .这种关系为间接调频方法奠定了实际根底。这种关系为间接调频方法奠定了实际根底。 的调相波，的调相波， 根据前述分析可知，当调制信号频率根据前述分析可知，当调制信号频率F F发生变化时，调发生变化时，调频波的调制指数频波的调制指数mfmf与与F F成反比变化，其频宽宽度根本不变，成反比变化，其频宽宽度根本不变，故称恒带调制，其频谱宽度如图故称恒带调制，其频谱宽度如图7-6(a)7-6(a)所示。而当调制信所示。而当调制信号频率号频率F F变化时，调相波的调制指数变化时，调相波的调制指数mpmp与与F F无关，其频带宽无关，其频带宽度随调制频率度随调制频率F F变化，其频谱图如图变化，其频谱图如图7-6(b)7-6(b)所示。所示。图图7-6 7-6 调制频率不同时调制频率不同时FMFM及及PMPM信号的频谱信号的频谱 设设F=1kHzF=1kHz，mf= mp=12mf= mp=12，这时，这时，FMFM与与PMPM信号的谱宽相信号的谱宽相等，为等，为26kHz26kHz。但是当调制信号幅度不变而频率添加到。但是当调制信号幅度不变而频率添加到2kHz2kHz及及4kHz4kHz时，时，对对FMFM波来说，虽然调制频率提高了，但因波来说，虽然调制频率提高了，但因mfmf减小，使有效减小，使有效边频数目减小，所以有效谱宽只添加到边频数目减小，所以有效谱宽只添加到28kHz28kHz及及32kHz32kHz，即，即添加是有限的。添加是有限的。对对PMPM波来说，波来说，mpmp不变，故谱宽随不变，故谱宽随F F成正比例地添加到成正比例地添加到52kHz52kHz及及104kHz104kHz，因此占用的频带很宽，极不经济。，因此占用的频带很宽，极不经济。 7.3 调频方法及电路一、实现调频的方法和根本原理一、实现调频的方法和根本原理 频率调制是对调制信号频谱进展非线性频率变换，而频率调制是对调制信号频谱进展非线性频率变换，而不是线性搬移，因此不能简单地用乘法器和滤波器来实现。不是线性搬移，因此不能简单地用乘法器和滤波器来实现。实现调频的方法分为两大类：直接调频法和间接调频法。实现调频的方法分为两大类：直接调频法和间接调频法。 1. 1. 直接调频法直接调频法 用调制信号直接控制振荡器的瞬时频率变化的方法称用调制信号直接控制振荡器的瞬时频率变化的方法称为直接调频法。假设受控振荡器是产生正弦波的为直接调频法。假设受控振荡器是产生正弦波的LCLC振荡器，振荡器，那么振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。将遭到调那么振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。将遭到调制信号控制的可变电抗与谐振回路衔接，就可以使振荡频制信号控制的可变电抗与谐振回路衔接，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。率按调制信号的规律变化，实现直接调频。 可变电抗器件的种类：可变电抗器件的种类： 变容二极管变容二极管 具有铁氧体磁芯的电感线圈具有铁氧体磁芯的电感线圈 电抗管电路电抗管电路 直接调频法的优点：原理简单，频偏较大直接调频法的优点：原理简单，频偏较大 缺陷：但中心频率不易稳定。缺陷：但中心频率不易稳定。 在正弦振荡器中，假设使可控电抗器衔接于晶体振在正弦振荡器中，假设使可控电抗器衔接于晶体振荡器中，可以提高频率稳定度，但频偏减小。荡器中，可以提高频率稳定度，但频偏减小。 先将调制信号进展积分处置，然后用它控制载先将调制信号进展积分处置，然后用它控制载波的瞬时相位变化，从而实现间接控制载波的瞬波的瞬时相位变化，从而实现间接控制载波的瞬时频率变化的方法，称为间接调频法。时频率变化的方法，称为间接调频法。 间接调频法的优点：间接调频法的优点： 实现调相的电路独立于高频载波振荡器，所以这实现调相的电路独立于高频载波振荡器，所以这种调频波突出的优点是载波中心频率的稳定性可种调频波突出的优点是载波中心频率的稳定性可以做得较高。以做得较高。 缺陷：能够得到的最大频偏较小。缺陷：能够得到的最大频偏较小。2. 间间接接调频调频法法 间接调频实现的原理框图如图间接调频实现的原理框图如图7-77-7所示。所示。 图图7-7 7-7 借助于调相器得到调频波借助于调相器得到调频波二、变容二极管直接调频电路 变容二极管调频电路是一种常用的直接调频电路，广变容二极管调频电路是一种常用的直接调频电路，广泛运用于挪动通讯和自动频率微调系统。其优点是任务频泛运用于挪动通讯和自动频率微调系统。其优点是任务频率高，固有损耗小且线路简单，能获得较大的频偏，其缺率高，固有损耗小且线路简单，能获得较大的频偏，其缺陷是中心频率稳定度较低。陷是中心频率稳定度较低。 1. 1. 根本任务原理和定量分析根本任务原理和定量分析 变容二极管是利用半导体变容二极管是利用半导体PNPN结的结电容随反向电压变结的结电容随反向电压变化这一特性而制成的一种半导体二极管。它是一种电压控化这一特性而制成的一种半导体二极管。它是一种电压控制可变电抗元件。制可变电抗元件。 加到变容管上的反向电压，加到变容管上的反向电压，包括直流偏压包括直流偏压V0V0和调制信号和调制信号电压电压v v(t)=V(t)=Vcoscost t， vR(t)=V0+VvR(t)=V0+Vcoscost t用调制信号控制变容二极管结电容用调制信号控制变容二极管结电容 把遭到调制信号控制的变容二极把遭到调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，如图管接入载波振荡器的振荡回路，如图7-107-10所示，那么振荡频率亦遭到调制所示，那么振荡频率亦遭到调制信号的控制。适中选择变容二极管的信号的控制。适中选择变容二极管的特性和任务形状，可以使振荡频率的特性和任务形状，可以使振荡频率的变化近似地与调制信号成线性关系。变化近似地与调制信号成线性关系。这样就实现了调频。这样就实现了调频。图图7-10 7-10 图图7-9 7-9 变容二极管调频电路变容二极管调频电路 在图在图7-97-9中，虚线左边是典型的正中，虚线左边是典型的正弦波振荡器，右边是变容管电路。加到弦波振荡器，右边是变容管电路。加到变容管上的反向偏压为变容管上的反向偏压为vR=VCCV+vvR=VCCV+v (t)=V0+v(t)=V0+v (t)(t) (7-31) (7-31) 式中，式中，V0 = VCCVV0 = VCCV是反向直流偏是反向直流偏压。 图中，图中， 是变容管与是变容管与L1C1L1C1回路之间的耦合电容，同时回路之间的耦合电容，同时起到隔直流的作用；起到隔直流的作用；C C为对调制信号的旁路电容；为对调制信号的旁路电容；L2L2是是高频扼流圈，但让调制信号经过。高频扼流圈，但让调制信号经过。2. 变变容二极管容二极管调频实调频实践践电电路分析路分析下面是下面是90MHz90MHz变容管直接调频电路变容管直接调频电路. .电路图如图电路图如图7-117-11所示。所示。(a)(b)图图7-11 变容管直接调频实例变容管直接调频实例 由振荡器的等效电路可见，这是电容三点式电路，由振荡器的等效电路可见，这是电容三点式电路，变容管部分接入振荡回路，它的固定反偏电压由变容管部分接入振荡回路，它的固定反偏电压由+9V+9V电源电源经电阻经电阻56k56k和和22k22k分压后获得，调制信号分压后获得，调制信号v v经高频扼经高频扼流圈流圈4747H H加至变容管起调频作用。图中各个加至变容管起调频作用。图中各个1000pF1000pF电容电容对高频均呈短路作用，振荡管接成共基极组态。对高频均呈短路作用，振荡管接成共基极组态。 变容二极管调频电路的优点是电路简单，任务频率较变容二极管调频电路的优点是电路简单，任务频率较高，容易获得较大的频偏，在频偏不需很大的情况下，非高，容易获得较大的频偏，在频偏不需很大的情况下，非线性失真可以做得很小。线性失真可以做得很小。 其缺陷是变容管的一致性较差，大量消费时会给调试其缺陷是变容管的一致性较差，大量消费时会给调试带来某些费事；另外偏置电压的漂移、温度的变化会引起带来某些费事；另外偏置电压的漂移、温度的变化会引起中心频率漂移，因此调频波的载波频率稳定度不高。中心频率漂移，因此调频波的载波频率稳定度不高。三、晶体振荡器直接调频 上述的直接调频，主要优点是可获得较大的频偏，但上述的直接调频，主要优点是可获得较大的频偏，但其中心频率稳定较差，影响了它的运用。其中心频率稳定较差，影响了它的运用。 例如例如88-108MHz88-108MHz的调频广播中，各个调频台的中心频的调频广播中，各个调频台的中心频率对稳定度不可超越率对稳定度不可超越 2kHz2kHz，否那么相邻电台就要发生相，否那么相邻电台就要发生相互关扰。假设某台的中心频率为互关扰。假设某台的中心频率为100MHz100MHz，那么该电台的振，那么该电台的振荡频率相对稳定度不应劣于荡频率相对稳定度不应劣于2 2 图图7-127-12是晶体振荡器直接调频原理图。是晶体振荡器直接调频原理图。 图图7-12 晶体直接调频原理图晶体直接调频原理图图图7-12(a)7-12(a)是皮尔斯电路，变容管与石英晶体相串联，是皮尔斯电路，变容管与石英晶体相串联，CjCj受受调制电压调制电压v v的控制，因此石英晶体的等效电感也遭到控制，的控制，因此石英晶体的等效电感也遭到控制，也即振荡器的振荡频率遭到调制电压也即振荡器的振荡频率遭到调制电压v v的控制，获得了调的控制，获得了调频波。频波。 图图7-137-13是中心频率为是中心频率为4.0MHz4.0MHz的晶体调频振荡器的实践电路，的晶体调频振荡器的实践电路，图图(b)(b)是它的交流等效电路。是它的交流等效电路。图图7-13 晶体振荡器直接调频电路图晶体振荡器直接调频电路图 (a)(b)四、间接调频方法由PMFM 间接调频的频稳度高，广泛地用于广播发射机和电视间接调频的频稳度高，广泛地用于广播发射机和电视伴音发射机中。由前述间接调频的原理图可知，间接调频伴音发射机中。由前述间接调频的原理图可知，间接调频的关键在于如何实现调相。常用的调相方法主要有移相法的关键在于如何实现调相。常用的调相方法主要有移相法调相调相,可变时延调相和矢量合成调相法。可变时延调相和矢量合成调相法。1. 1. 移相法调相移相法调相 将载频信号将载频信号VcosVcos0t0t经过一个相移受调制信号经过一个相移受调制信号v v线性线性控制的移相网络，即可实现调相，原理框图如图控制的移相网络，即可实现调相，原理框图如图7-147-14所示。所示。 图图7-14 移相法调相框图移相法调相框图 图中，图中， = kpv = mpcost v0 = Vcos0t (7-40) 常用的移相网络有多种方式，如常用的移相网络有多种方式，如RCRC移相网络、移相网络、LCLC调谐回调谐回路移相网络等。图路移相网络等。图7-15(a)7-15(a)引见的是用变容管对引见的是用变容管对LCLC调谐回路调谐回路作可变移相的一种调相电路，图作可变移相的一种调相电路，图(b)(b)为等效电路。为等效电路。 (a) (b) 图图7-15 LC回路变容管调相电路回路变容管调相电路 由由图可知，可知，这是用是用调制制电压v v 控制控制变容管容管电容容Cj Cj 的的变化，由化，由Cj Cj 的的变化化实现调谐回路回路对输入入载频f0f0的相移，的相移，详细过程程为 v v Cj Cj f f0 0f(=ff(=ff0)f0) 根据根据LCLC调谐回路的分析，在回路的分析，在v v =0=0时，回路，回路谐振于振于载频f0f0，呈，呈纯阻性，回路相移阻性，回路相移=0=0；当；当v v 00时，回路失，回路失谐，呈，呈电感性或感性或电容性，得相移容性，得相移0 0或或0 0，数学，数学关系式关系式为在在 3030 时，上式可近似为时，上式可近似为 (7-42)(7-41) 单级单级LCLC回路的线性相位变化范围较小，普通在回路的线性相位变化范围较小，普通在3030 以下，以下，为了增大调相系数为了增大调相系数mpmp，可以用多级单调谐回路构成的变容管，可以用多级单调谐回路构成的变容管调相电路。调相电路。 (c) (c)图图7-15 LC7-15 LC回路变容管调相电路回路变容管调相电路 图图7-15(c)7-15(c)是三级单回路构成的移相电路，每个回路是三级单回路构成的移相电路，每个回路的的Q Q值由可变电阻值由可变电阻(22k(22k) )调理，以使每个回路产生相等的调理，以使每个回路产生相等的相移。为了减小各回路之间的相互影响，各回路之间均以相移。为了减小各回路之间的相互影响，各回路之间均以小电容作弱耦合。这样，电路总相移近似等于小电容作弱耦合。这样，电路总相移近似等于3 3个回路的个回路的相移之和。这种电路可在相移之和。这种电路可在9090 范围内得到线性调相。假设范围内得到线性调相。假设各级回路之间的耦合电容过大，那么该电路就不能看成是各级回路之间的耦合电容过大，那么该电路就不能看成是3 3个单回路的串接，而变成三调谐回路的耦合电路了，这个单回路的串接，而变成三调谐回路的耦合电路了，这时，即使相移较小也会产生较大的非线性失真。时，即使相移较小也会产生较大的非线性失真。2. 可可变时变时延法延法调调相相 周期信号在经过一个网络后，假设在时间轴上有所挪周期信号在经过一个网络后，假设在时间轴上有所挪动，那么此信号的相角必然发生变化，时延法调相就是利动，那么此信号的相角必然发生变化，时延法调相就是利用调制信号控制时延大小而实现调相的一种方法，其原理用调制信号控制时延大小而实现调相的一种方法，其原理框图如图框图如图7-167-16所示。所示。 图图7-16 7-16 时延调相原理框图时延调相原理框图7.4 调角信号解调 调频波的解波的解调又称又称频率率检波，波，简称称鉴频；调相波的解相波的解调又称相位又称相位检波，波，简称称鉴相。本相。本节讨论的重点在的重点在鉴频。 对调频波而言，波而言，调制信息包含在已制信息包含在已调信号瞬信号瞬时频率的率的变化中，所以解化中，所以解调的的义务就是把已就是把已调信号瞬信号瞬时频率的率的变化化不失真地不失真地转变成成电压变化，即化，即实现“频率率电压转换，完成完成这一功能的一功能的电路，称路，称为频率解率解调器，器，简称称鉴频器。器。 一、鉴频方法概述和鉴频器的主要技术目的一、鉴频方法概述和鉴频器的主要技术目的1. 1. 实现鉴频的方法实现鉴频的方法 实现鉴频的方法很多，但常用的方法有以下几种：实现鉴频的方法很多，但常用的方法有以下几种： (1) (1) 利用波形变换进展鉴频利用波形变换进展鉴频 将调频信号先经过一个线性变换网络，使调频波变换成将调频信号先经过一个线性变换网络，使调频波变换成调频调幅波，其幅度正比于瞬时频率的变化，经变换网络输调频调幅波，其幅度正比于瞬时频率的变化，经变换网络输出的调频调幅信号再作振幅检波即可恢复出原调制信号，斜出的调频调幅信号再作振幅检波即可恢复出原调制信号，斜率鉴频率鉴频( (即失谐回路鉴频即失谐回路鉴频) )、相位鉴频等均属于此类。其方框、相位鉴频等均属于此类。其方框图和波形图见图图和波形图见图7-187-18。图图7-18 利用波形变换鉴频的方框图与波形图利用波形变换鉴频的方框图与波形图(2) 相移乘法鉴频相移乘法鉴频 这种鉴频的原理是：将调频波经过移相电路变成调频调相这种鉴频的原理是：将调频波经过移相电路变成调频调相波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系；波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系；然后将此调频调相波与未相移的调频波然后将此调频调相波与未相移的调频波( (为参考信号为参考信号) )进展相位进展相位比较，即可得到鉴频电路的解调输出。由于相位比较器普通都比较，即可得到鉴频电路的解调输出。由于相位比较器普通都选用乘法电路，所以此类鉴频电路就称为相移乘法电路。选用乘法电路，所以此类鉴频电路就称为相移乘法电路。 其组成框图如图其组成框图如图7-197-19所示。所示。图图7-19 相移乘法鉴频框图相移乘法鉴频框图 这种鉴频电路在集成电路中被广泛运用，其主要特点这种鉴频电路在集成电路中被广泛运用，其主要特点是性能良好，片外电路非常简单，通常只需一个可调电感，是性能良好，片外电路非常简单，通常只需一个可调电感，调整非常方便。调整非常方便。 这是利用调频波单位时间内过零信息的不同来实现解这是利用调频波单位时间内过零信息的不同来实现解调的一种鉴频器。由于调频波的频率是随调制信号变化的，调的一种鉴频器。由于调频波的频率是随调制信号变化的，当瞬时频率高时，过零的数目就多；瞬时频率低时，过零当瞬时频率高时，过零的数目就多；瞬时频率低时，过零点的数目就少。利用调频波的这个特点，就可以实现解调，点的数目就少。利用调频波的这个特点，就可以实现解调，其最大优点是线性良好。图其最大优点是线性良好。图7-207-20就是这种鉴频的一种框图，就是这种鉴频的一种框图，其主要点的波形变化情况也在图中标出。其主要点的波形变化情况也在图中标出。 (3) 脉冲计数式鉴频器脉冲计数式鉴频器图图7-20 脉冲计数式鉴频器实现方框图和波形图脉冲计数式鉴频器实现方框图和波形图 首先将输入调频波经过限幅器变为调频方波，首先将输入调频波经过限幅器变为调频方波，然后微分变为尖脉冲序列，用其中正脉冲去触发然后微分变为尖脉冲序列，用其中正脉冲去触发脉冲构成电路，这样调频波就变换成脉宽一样而脉冲构成电路，这样调频波就变换成脉宽一样而周期变化的脉冲序列，它的周期变化反映调频波周期变化的脉冲序列，它的周期变化反映调频波瞬时频率的变化。将此信号进展低通滤波，取出瞬时频率的变化。将此信号进展低通滤波，取出其平均分量，就可得到原调制信号。其平均分量，就可得到原调制信号。 相位相位鉴频器也是利用波形器也是利用波形变换鉴频的一种方法。它是的一种方法。它是利用回路的相位利用回路的相位频率特性将率特性将调频波波变为调幅幅调频波，然波，然后用振幅后用振幅检波恢复波恢复调制信号。制信号。 常用的相位常用的相位鉴频器器电路有两种，即路有两种，即电感耦合相位感耦合相位鉴频器和器和电容耦合相位容耦合相位鉴频器。本器。本节主要主要讨论电感耦合相位感耦合相位鉴频器。器。二、相位鉴频二、相位鉴频1. 电路阐明电路阐明 图图7-227-22是电感耦合相是电感耦合相位鉴频器原理电路图。输位鉴频器原理电路图。输入电路的初级回路入电路的初级回路C1C1、L1L1和次级回路和次级回路C2C2、L2L2均调谐均调谐于调频波的中心频率于调频波的中心频率f0f0。它们完成波形变换，将等它们完成波形变换，将等幅调频波变换成幅度随瞬幅调频波变换成幅度随瞬时频率变化的调频波时频率变化的调频波( (即调即调幅幅- -调频波调频波) )。图图7-22 相位鉴频器原理电路相位鉴频器原理电路 2. 任务原理任务原理 经过一系列分析，可以找到次级回路电压与初级回路电压经过一系列分析，可以找到次级回路电压与初级回路电压之间的相位关系。之间的相位关系。 归纳起来就是：归纳起来就是： 将超前于将超前于 一个角度。一个角度。 这个角度能够是这个角度能够是 ，能够大于，能够大于 ，也能够小于，也能够小于 ， 主要取决于信号频率是等于、小于或大于中心频率。正是由于主要取决于信号频率是等于、小于或大于中心频率。正是由于这种相位关系与信号频率有关，才导致两个检波器的输入电这种相位关系与信号频率有关，才导致两个检波器的输入电压的大小产生了差别。压的大小产生了差别。 前面引见的相位鉴频器，当输入调频信号的振幅发生前面引见的相位鉴频器，当输入调频信号的振幅发生变化时，输出电压也会发生变化，因此由各种噪声和干扰变化时，输出电压也会发生变化，因此由各种噪声和干扰引起的输入信号寄生调幅，都将在其输出端反映出来。为引起的输入信号寄生调幅，都将在其输出端反映出来。为了抑制噪声及干扰，在鉴频器前必需增设限幅器。而比例了抑制噪声及干扰，在鉴频器前必需增设限幅器。而比例鉴频器具有自限幅功能，因此采用它可以省去外加的限幅鉴频器具有自限幅功能，因此采用它可以省去外加的限幅器。器。 三、比例鉴频器三、比例鉴频器 图图7-267-26是比例鉴频器的原理电路是比例鉴频器的原理电路 图图7-26本 章 小 结1. 1. 角度调制是载波的总相角随调制信号变化，它分为调频角度调制是载波的总相角随调制信号变化，它分为调频和调相。调频的瞬时频率随调制信号线性变化，调相波的和调相。调频的瞬时频率随调制信号线性变化，调相波的瞬时相位随调制信号线性变化。调角波的频谱不是调制信瞬时相位随调制信号线性变化。调角波的频谱不是调制信号频谱的线性搬移，而是产生了无数个组合频率分量，其号频谱的线性搬移，而是产生了无数个组合频率分量，其频谱构造与调制指数频谱构造与调制指数m m有关，这一点与调幅是不同的。有关，这一点与调幅是不同的。2. 2. 角度调制信号包含的频谱虽然是无限宽，但其能量集中角度调制信号包含的频谱虽然是无限宽，但其能量集中在中心频率在中心频率f0f0附近的一个有限频段内。略去小于未调高频附近的一个有限频段内。略去小于未调高频载波振幅载波振幅10%10%以下的边频，可以为调角信号占据的有效带以下的边频，可以为调角信号占据的有效带宽为宽为BW=2(BW=2( fm+Fmax)fm+Fmax)，其中，其中， fmfm为频偏，为频偏，FmaxFmax为调制信为调制信号最高频率。号最高频率。3. 3. 调角波的调制指数可表达为调角波的调制指数可表达为 , , 但其中调频波的但其中调频波的mfmf与调制频率与调制频率F F成反比，而调相波的成反比，而调相波的mpmp那么与调制频率那么与调制频率F F无关。无关。调频波的频带宽度与调制信号频率无关近似为恒带调制，调调频波的频带宽度与调制信号频率无关近似为恒带调制，调相波的频带宽度随调制信号的频率而变化。相波的频带宽度随调制信号的频率而变化。4. 4. 调角波的平均功率与调制前的等幅载波功率相等。调制的调角波的平均功率与调制前的等幅载波功率相等。调制的作用仅是将原来的载频功率重新分配到各个边频上而总的功作用仅是将原来的载频功率重新分配到各个边频上而总的功率不变。率不变。5. 5. 实现调频的方法有两类，直接调频与间接调频。实现调频的方法有两类，直接调频与间接调频。 直接调频是用调制信号去控制振荡器中的可变电抗直接调频是用调制信号去控制振荡器中的可变电抗元件元件( (通常是变容二极管通常是变容二极管) )，使其振荡频率随调制信号线性，使其振荡频率随调制信号线性变化；间接调频是将调制信号积分后，再对高频载波进展变化；间接调频是将调制信号积分后，再对高频载波进展调相，获得调频信号。调相，获得调频信号。 直接调频可获得大的频偏，但中心频率的频率稳定直接调频可获得大的频偏，但中心频率的频率稳定度低；间接调频时中心频率的频率稳定度高，但难以获得度低；间接调频时中心频率的频率稳定度高，但难以获得大的频偏，需采用多次倍频、混频加大频偏。大的频偏，需采用多次倍频、混频加大频偏。6. 6. 调频波的解调称为鉴频或频率检波，调相调频波的解调称为鉴频或频率检波，调相波的解调称为鉴相或相位检波。与调幅波波的解调称为鉴相或相位检波。与调幅波的检波一样，鉴频和鉴相也是从已调信号的检波一样，鉴频和鉴相也是从已调信号中复原出原调制信号。鉴频的主要方法有中复原出原调制信号。鉴频的主要方法有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器。斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器。