10.1 10.1 概述概述10.2 10.2 调角波的性质调角波的性质 10.3 10.3 调频方法及电路调频方法及电路10.4 10.4 调角信号解调调角信号解调 10.5 10.5 调频制的抗干扰性能调频制的抗干扰性能Chapter 10 角度调制与解调角度调制与解调 频谱非线性变换电路频谱非线性变换电路1 1 10.1 10.1 概述概述 角度调制是用调制信号去控制载波信号角度角度调制是用调制信号去控制载波信号角度角度调制是用调制信号去控制载波信号角度角度调制是用调制信号去控制载波信号角度( ( ( (频率或频率或频率或频率或相位相位相位相位) ) ) )变化的一种信号变换方式。如果受控的是载波信号变化的一种信号变换方式。如果受控的是载波信号变化的一种信号变换方式。如果受控的是载波信号变化的一种信号变换方式。如果受控的是载波信号的频率，则称频率调制的频率，则称频率调制的频率，则称频率调制的频率，则称频率调制(Frequency Modulation)(Frequency Modulation)(Frequency Modulation)(Frequency Modulation)，简称调，简称调，简称调，简称调频，以频，以频，以频，以FMFMFMFM表示；若受控的是载波信号的相位，则称为相位表示；若受控的是载波信号的相位，则称为相位表示；若受控的是载波信号的相位，则称为相位表示；若受控的是载波信号的相位，则称为相位调制调制调制调制(Phase Modulation)(Phase Modulation)(Phase Modulation)(Phase Modulation)，简称调相，以，简称调相，以，简称调相，以，简称调相，以PMPMPMPM表示。无论是表示。无论是表示。无论是表示。无论是FMFMFMFM还是还是还是还是PMPMPMPM，载频信号的幅度都不受调制信号的影响。，载频信号的幅度都不受调制信号的影响。，载频信号的幅度都不受调制信号的影响。，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，调相波的解调称调频波的解调称为鉴频或频率检波，调相波的解调称调频波的解调称为鉴频或频率检波，调相波的解调称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，鉴频和鉴相也是鉴相或相位检波。与调幅波的检波一样，鉴频和鉴相也是鉴相或相位检波。与调幅波的检波一样，鉴频和鉴相也是鉴相或相位检波。与调幅波的检波一样，鉴频和鉴相也是从已调信号中还原出原调制信号。从已调信号中还原出原调制信号。从已调信号中还原出原调制信号。从已调信号中还原出原调制信号。 2 2 角度调制与解调和振幅调制与解调最大的区别在频率角度调制与解调和振幅调制与解调最大的区别在频率角度调制与解调和振幅调制与解调最大的区别在频率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结构的变化不同。其频率变换前后频谱结构变换前后频谱结构的变化不同。其频率变换前后频谱结构变换前后频谱结构的变化不同。其频率变换前后频谱结构变换前后频谱结构的变化不同。其频率变换前后频谱结构发生了变化，所以属于非线性频率变换。发生了变化，所以属于非线性频率变换。发生了变化，所以属于非线性频率变换。发生了变化，所以属于非线性频率变换。 和振幅调制相比，角度调制的主要优点是抗干扰性强，和振幅调制相比，角度调制的主要优点是抗干扰性强，和振幅调制相比，角度调制的主要优点是抗干扰性强，和振幅调制相比，角度调制的主要优点是抗干扰性强，因此因此因此因此FMFMFMFM广泛应用于广播、电视、通信以及遥测方面，广泛应用于广播、电视、通信以及遥测方面，广泛应用于广播、电视、通信以及遥测方面，广泛应用于广播、电视、通信以及遥测方面，PMPMPMPM主主主主要应用于数字通信。要应用于数字通信。要应用于数字通信。要应用于数字通信。 角度调制的主要缺点是占据频带宽，频带利用不经济。角度调制的主要缺点是占据频带宽，频带利用不经济。角度调制的主要缺点是占据频带宽，频带利用不经济。角度调制的主要缺点是占据频带宽，频带利用不经济。3 3 10.2 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 v(t)=Vcos(t)=Vcos (t)=Vcos(t)=Vcos( 0 0t+t+ 0 0) ) (10-1) 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 v(t)(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 和初相角和初相角 0 0都是常数。都是常数。 4 4 调频时，在式调频时，在式调频时，在式调频时，在式(10-1)(10-1)(10-1)(10-1)中，高频正弦载波的角频率不中，高频正弦载波的角频率不中，高频正弦载波的角频率不中，高频正弦载波的角频率不再是常数再是常数再是常数再是常数 0 0 0 0，而是随调制信号变化的量。即调频波的，而是随调制信号变化的量。即调频波的，而是随调制信号变化的量。即调频波的，而是随调制信号变化的量。即调频波的瞬时角频率瞬时角频率瞬时角频率瞬时角频率 (t)(t)(t)(t)为为为为 (t)=(t)= 0 0+ +k kf fv v (t)=(t)= 0 0+ +(t)(t) (10-2) 式式中中k kf f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/srad/s V V。此时调频波的瞬时相角。此时调频波的瞬时相角 (t)(t)为为(10-3) 5 5 图图10-110-1画出了调频波瞬画出了调频波瞬时频率、瞬时相位随调制信时频率、瞬时相位随调制信号号( (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10-1 10-1 调频时的波形图调频时的波形图 图图图图10-1(a)10-1(a)10-1(a)10-1(a)为调制信号为调制信号为调制信号为调制信号v v v v ，图，图，图，图(b)(b)(b)(b)为调频波，当为调频波，当为调频波，当为调频波，当v v v v 为波峰时，频率为波峰时，频率为波峰时，频率为波峰时，频率 o o o o+ + + + m m m m为为为为最大；当最大；当最大；当最大；当v v v v 为波谷时，频为波谷时，频为波谷时，频为波谷时，频率率率率 o o o o m m m m为最小。为最小。为最小。为最小。6 6 图图图图10-210-210-210-2画出了调相波的瞬时频率、瞬时相位随调制信画出了调相波的瞬时频率、瞬时相位随调制信画出了调相波的瞬时频率、瞬时相位随调制信画出了调相波的瞬时频率、瞬时相位随调制信号号号号( ( ( (单音信号单音信号单音信号单音信号) ) ) )变化的波形图。变化的波形图。变化的波形图。变化的波形图。图图10-2 10-2 调相时的波形图调相时的波形图 v t0p2p2p toq( t) to( t)o( a)( c )( d)m7 7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 线性变化，线性变化， (t)=(t)= 0 0t+t+ 0 0+K+Kp pv v (t)(t) (10-4) 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。此时调相波的瞬时频率为。此时调相波的瞬时频率为(10-5)8 8式式(10-3) (10-3) (t)= (t)= 和式和式(10-5) (10-5) 是角度调制的两个基本关系式，它说明了瞬时相是角度调制的两个基本关系式，它说明了瞬时相位是瞬时角速度对时间的积分，同样，瞬时角频率为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在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，结果使瞬着微积分关系，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。只是变化规律与调制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。信号的关系不同。9 9例例例例10-1 10-1 10-1 10-1 求求求求v v v v(t)=5cos( t+sin5(t)=5cos( t+sin5(t)=5cos( t+sin5(t)=5cos( t+sin5 t)t)t)t)在在在在t=0t=0t=0t=0时的时的时的时的 瞬时频率。瞬时频率。瞬时频率。瞬时频率。解解 (t)= t+sin(5(t)= t+sin(5 t) t) (t)=(t)= 在在t=0t=0时，时， (0)= +5(0)= +5 rad/S rad/S 160kHz 160kHz10102. FM FM、PMPM的数学表达式及频移和相移的数学表达式及频移和相移 根据式根据式(10-2)(10-2)、式、式(10-3)(10-3)设设 0 0=0=0则则(10-6)所以所以FMFM波的数学表达式为波的数学表达式为a af f(t)=Vcos(t)=Vcos (t)=Vcos(t)=Vcos (10-7) 1111同理，根据式同理，根据式(10-4)(10-4)设设 0 0=0=0则则 (t)=(t)= 0 0t+Kt+KP Pv v (t) (t) (10-8)所以所以PMPM波的数学表达式为波的数学表达式为a ap(t)=Vcosp(t)=Vcos (t)=Vcos(t)=Vcos 0 0t+Kt+Kp pv v (t)(t)(10-9) 1212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 m=K=Kf f (10-10)调频指数调频指数 m mf f=K=Kf f (10-11)对调相而言，对调相而言， 频偏频偏 (10-12) 调相指数调相指数 (10-13)1313表表8-1 FM8-1 FM波和波和PMPM波的比较波的比较 调制信号调制信号v (t)(t)，载波，载波VmVmcos 0 0(t)(t)mf=Kfm=Kf1414 下面分析当调制信号为下面分析当调制信号为v v (t)=(t)=V V coscos t t，未调制时载波频，未调制时载波频 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(10-7)(10-7)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(10-14)根据式根据式(10-9)(10-9)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(10-15) 1515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(10-16)调相波的调制指数为调相波的调制指数为 mp = KpV (10-17) 根据式根据式(10-10)(10-10)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 f = = K Kf fV V (10-18) 根据式根据式(10-12)(10-12)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 p = = K Kp p V V (10-19) 1616 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m mf f则则与与 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，调相指数则与成正比，调相指数则与 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10-310-3。图图10-3 10-3 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 1717对照式对照式(10-16)-(10-19)(10-16)-(10-19)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相同的。若频偏都用与调制指数之间的关系都是相同的。若频偏都用m m表示，调制指数都用表示，调制指数都用m m表示，则表示，则m m 与与m m之间满足以下关系之间满足以下关系 m m = m = m 或或 f fm m = mF= mF (10-20) 式中式中 ， 。需要说明的是，在振幅调制中，。需要说明的是，在振幅调制中，调幅度调幅度ma1ma1，否则会产生过调制失真。而在角度调制中，无论，否则会产生过调制失真。而在角度调制中，无论调频还是调相调频还是调相, ,调制指数均可大于调制指数均可大于1 1。1818二、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相似由于调频波和调相波的方程式相似, ,因此要分析其中一种因此要分析其中一种频谱频谱, ,则另一种也完全适用。则另一种也完全适用。1. 1. 调频波和调相波的频谱调频波和调相波的频谱 前面已经提到，调频波的表示式为前面已经提到，调频波的表示式为 a af(t)=Vf(t)=Vo ocos(cos( o ot+ t+ m mf fsinsin t) (Vt) (Vm m=V=Vo o) ) (10-21)利用三角函数关系，可将利用三角函数关系，可将(10-21)(10-21)式改写成式改写成a af=Vf=Vo ocos(cos( o ot+ t+ m mf fsinsin t)t) =V =Vo ocos(cos(m mf fsinsin t)cost)cos o otsin(tsin(m mf fsinsin t)sint)sin o ot t (10-22)1919函数函数cos(cos(m mf fsinsin t)t)和和sin(sin(m mf fsinsin t)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(cos(m mf fsinsin t)=Jt)=J0 0( (m mf f)+2J)+2J2 2( (m mf f)cos2)cos2 t+2Jt+2J4 4( (m mf f)cos4)cos4 t t+2J+2Jn n( (m mf f)cos)cos t+ (nt+ (n为偶数为偶数) ) sin(sin(m mf fsinsin t)=2Jt)=2J1 1( (m mf f)sin)sin t+2Jt+2J3 3( (m mf f)sin3)sin3 t+2Jt+2J2 2+2J+2J5 5( (m mf f)sin5)sin5 t+1(t+1(m mf f)sin (2+1)sin (2+1) t+ (nt+ (n为奇数为奇数) ) 在贝塞尔函数理论中，以上两式中的在贝塞尔函数理论中，以上两式中的Jn(Jn(m mf f) )称为数值称为数值m mf f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。 (10-23) (10-24) 2020图图10-410-4为阶数为阶数n=0-9n=0-9的的J Jn n( (m mf f) )与与mfmf值的关系曲线。由图可知，值的关系曲线。由图可知，阶数阶数n n或数值或数值mfmf越大，越大，J Jn n( (m mf f) )的变化范围越小；的变化范围越小；J Jn n( (m mf f) )随随m mf f的增大作正负交替变化；的增大作正负交替变化；m mf f在某些数值上，在某些数值上，J Jn n( (m mf f) )为零，例为零，例如如m mf f =2.40,5.52,8.65,11.79, =2.40,5.52,8.65,11.79,时，时，J J0 0( (m mf f) )为零。为零。图图8-4 8-4 贝塞尔函数曲线贝塞尔函数曲线2121将式将式(10-23)(10-23)和式和式(10-24)(10-24)代入式代入式(10-22)(10-22)得得af (t) =Vaf (t) =Vo oJ J0 0( (m mf f)cos)cos o ot t V Vo oJ J1 1(m(mf f)cos()cos( o o )tcos()tcos( o o+ + )t)t +V +Vo oJ J2 2( (m mf f)cos()cos( o o22 )t+cos()t+cos( o o+2+2 )t)t V Vo oJ J3 3( (m mf f)cos()cos( o o33 )tcos()tcos( o o+3+3 )t)t + =V Vo o (10-25) 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，各频率分量之间的距离均等和无穷多对上下边频分量之和，各频率分量之间的距离均等于调制频率，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J Jn n( (m mf f) )值决定。值决定。2222 图图10-510-5所示频谱图是根据式所示频谱图是根据式(10-25)(10-25)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距离即各频率分量的间隔距离) )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8-5 单频调制的调频波的频谱图单频调制的调频波的频谱图2323 由图可知，不论由图可知，不论m mf f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；m mf f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m mf f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，利用这一现象，可以测量调频波和调相波的调制指数。这一现象，可以测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结构将更加复杂，这时不但存在调制信号各频率分调相波的频谱结构将更加复杂，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形成的边频分量。后与载频之间产生的无穷多个组合形成的边频分量。 24242. 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(10-25)(10-25)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(10-26) (10-26) 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(8-27) (8-27) 2525 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。这说明，调制的作用仅是将原来的载频功率重新分配到各相等。这说明，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。 进一步分析表明，调制后尽管部分功率由载频向边频转换，进一步分析表明，调制后尽管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若干个边频之中。由贝塞但大部分能量还是集中在载频附近的若干个边频之中。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 0.010.01。2626 所以，通常将振幅小于载波振幅所以，通常将振幅小于载波振幅10%10%的边频分量忽略不的边频分量忽略不计，有效的上下边频分量总数则为计，有效的上下边频分量总数则为2(m+1)2(m+1)个，即调频波和个，即调频波和调相波的有效频带宽度定为调相波的有效频带宽度定为 BW=2(m+1)F=2(BW=2(m+1)F=2( f+F)f+F)(10-28)(10-28) 可见，调频波和调相波的有效频带宽度与它们的调制系数可见，调频波和调相波的有效频带宽度与它们的调制系数m m有关，有关，m m越大，有效频带越宽。但是，对于用同一个调制信号对越大，有效频带越宽。但是，对于用同一个调制信号对载波进行调频和调相时，两者的频带宽度因载波进行调频和调相时，两者的频带宽度因m mf f和和m mp p的不同而互的不同而互不相同。不相同。 2727三、调频波与调相波的联系与区别三、调频波与调相波的联系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a ap(t)=Vp(t)=Vo ocoscos o ot+Kpt+Kpv v (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 而调相波则可以看成调制信号为而调相波则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理论基础这种关系为间接调频方法奠定了理论基础( (下节详下节详 细分析细分析) )。的调相波，的调相波，2828 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m mf f与与F F成反比变化，其频宽宽度基本不变，成反比变化，其频宽宽度基本不变，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10-6(a)10-6(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m mp p与与F F无关，其频带宽度无关，其频带宽度随调制频率随调制频率F F变化，其频谱图如图变化，其频谱图如图10-6(b)10-6(b)所示。所示。2929图图8-6 8-6 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3030 设设设设F=1kHzF=1kHzF=1kHzF=1kHz，m m m mf f f f= m= m= m= mp p p p=12=12=12=12，这时，这时，这时，这时，FMFMFMFM与与与与PMPMPMPM信号的谱宽相信号的谱宽相信号的谱宽相信号的谱宽相等，为等，为等，为等，为26kHz26kHz26kHz26kHz。但是当调制信号幅度不变而频率增加到。但是当调制信号幅度不变而频率增加到。但是当调制信号幅度不变而频率增加到。但是当调制信号幅度不变而频率增加到2kHz2kHz2kHz2kHz及及及及4kHz4kHz4kHz4kHz时，对时，对时，对时，对FMFMFMFM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m m m mf f f f减小，使有效边频数目减小，所以有效谱宽只增加到减小，使有效边频数目减小，所以有效谱宽只增加到减小，使有效边频数目减小，所以有效谱宽只增加到减小，使有效边频数目减小，所以有效谱宽只增加到28kHz28kHz28kHz28kHz及及及及32kHz32kHz32kHz32kHz，即增加是有限的。对，即增加是有限的。对，即增加是有限的。对，即增加是有限的。对PMPMPMPM波来说，波来说，波来说，波来说，m m m mp p p p不变，不变，不变，不变，故谱宽随故谱宽随故谱宽随故谱宽随F F F F成正比例地增加到成正比例地增加到成正比例地增加到成正比例地增加到52kHz52kHz52kHz52kHz及及及及104kHz104kHz104kHz104kHz，因而占用的，因而占用的，因而占用的，因而占用的频带很宽，极不经济。频带很宽，极不经济。频带很宽，极不经济。频带很宽，极不经济。 313110.3 调频方法及电路一、实现调频的方法和基本原理一、实现调频的方法和基本原理 频率调制是对调制信号频谱进行非线性频率变换，而频率调制是对调制信号频谱进行非线性频率变换，而不是线性搬移，因而不能简单地用乘法器和滤波器来实现。不是线性搬移，因而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。如果受控振荡器是产生正弦波的为直接调频法。如果受控振荡器是产生正弦波的LCLC振荡器，振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。将受到调则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，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。 3232 可变电抗器件的种类：可变电抗器件的种类：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 缺点：但中心频率不易稳定。缺点：但中心频率不易稳定。缺点：但中心频率不易稳定。缺点：但中心频率不易稳定。 在正弦振荡器中，若使可控电抗器连接于晶体振荡在正弦振荡器中，若使可控电抗器连接于晶体振荡在正弦振荡器中，若使可控电抗器连接于晶体振荡在正弦振荡器中，若使可控电抗器连接于晶体振荡器中，可以提高频率稳定度，但频偏减小。器中，可以提高频率稳定度，但频偏减小。器中，可以提高频率稳定度，但频偏减小。器中，可以提高频率稳定度，但频偏减小。3333 先将调制信号进行积分处理，然后用它控制载先将调制信号进行积分处理，然后用它控制载先将调制信号进行积分处理，然后用它控制载先将调制信号进行积分处理，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。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：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以外，实现调相的电路独立于高频载波振荡器以外，实现调相的电路独立于高频载波振荡器以外，实现调相的电路独立于高频载波振荡器以外，所以这种调频波突出的优点是载波中心频率的稳所以这种调频波突出的优点是载波中心频率的稳所以这种调频波突出的优点是载波中心频率的稳所以这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。定性可以做得较高。定性可以做得较高。定性可以做得较高。 缺点：可能得到的最大频偏较小。缺点：可能得到的最大频偏较小。缺点：可能得到的最大频偏较小。缺点：可能得到的最大频偏较小。2. 间接调频法间接调频法 3434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10-710-7所示。所示。 图图10-7 10-7 借助于调相器得到调频波借助于调相器得到调频波3535 无论是直接调频，还是间接调频，其主要技术要求是：无论是直接调频，还是间接调频，其主要技术要求是： 频偏尽量大，并且与调制信号保持良好的线性关系；频偏尽量大，并且与调制信号保持良好的线性关系； 中心频率的稳定性尽量高；中心频率的稳定性尽量高； 寄生调幅尽量小；寄生调幅尽量小； 调制灵敏度尽量高。调制灵敏度尽量高。 其中频偏增大与调制线性度之间是矛盾的。其中频偏增大与调制线性度之间是矛盾的。3636二、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，广泛应用于移动通信和自动频率微调系统。其优点是工作频泛应用于移动通信和自动频率微调系统。其优点是工作频泛应用于移动通信和自动频率微调系统。其优点是工作频泛应用于移动通信和自动频率微调系统。其优点是工作频率高，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，其缺点是中心频率稳定度较低。点是中心频率稳定度较低。点是中心频率稳定度较低。点是中心频率稳定度较低。 1. 1. 基本工作原理和定量分析基本工作原理和定量分析 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。 结电容结电容CjCj与反向电压与反向电压v vR R存在如下关系：存在如下关系：3737 加到变容管上的反向电压，加到变容管上的反向电压，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包括直流偏压包括直流偏压V V V V0 0 0 0和调制信号和调制信号和调制信号和调制信号电压电压电压电压v v v v (t)=V(t)=V(t)=V(t)=V coscoscoscos t t t t， v v v vR R R R(t)=V(t)=V(t)=V(t)=V0 0 0 0+V+V+V+V coscoscoscos t t t 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3838 把受到调制信号控制的变容二极把受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10-1010-10所示，则振荡频率亦受到调制所示，则振荡频率亦受到调制信号的控制。适当选择变容二极管的信号的控制。适当选择变容二极管的特性和工作状态，可以使振荡频率的特性和工作状态，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10-10 10-10 3939图图10-9 10-9 变容二极管调频电路变容二极管调频电路 在图在图10-910-9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v vR R=V=VCCCCV+V+v v (t)=V(t)=V0 0+ +v v (t)(t) (10-31) 式中，式中，V V0 0 = V= VCCCCVV是反向直流偏压。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，但让调制信号通过。高频扼流圈，但让调制信号通过。4040图中图中 (10-32) 经整理可得经整理可得 C(t)C(t) c c0 0 (m, (m, ) ) (10-33) 式中式中P P为变容二极管与振荡回路之间的接入系数，为变容二极管与振荡回路之间的接入系数， m=V m=V/ V/ V+ V+ V0 0 为调制深度为调制深度. .4141根据频率稳定度的概念可知，当根据频率稳定度的概念可知，当f0 图图10-24 相位鉴频器矢量图相位鉴频器矢量图VD2V12VD190+qVab2Vab2Finf08787 由于鉴频器的输出电压等于两个检波器输出电压之差，由于鉴频器的输出电压等于两个检波器输出电压之差，由于鉴频器的输出电压等于两个检波器输出电压之差，由于鉴频器的输出电压等于两个检波器输出电压之差，而每个检波器的输出电压而每个检波器的输出电压而每个检波器的输出电压而每个检波器的输出电压( ( ( (峰值或平均值峰值或平均值峰值或平均值峰值或平均值) ) ) )正比于其输入电压正比于其输入电压正比于其输入电压正比于其输入电压的振幅的振幅的振幅的振幅V V V VD1D1D1D1( ( ( (或或或或V V V VD2D2D2D2) ) ) )，所以鉴频器输出电压，所以鉴频器输出电压，所以鉴频器输出电压，所以鉴频器输出电压( ( ( (峰值或平均值峰值或平均值峰值或平均值峰值或平均值) ) ) )为为为为 V V V V0 0 0 0 = V= V= V= Va a a a b b b b = k= k= k= kd d d d(V(V(V(VD1D1D1D1VVVVD2D2D2D2) ) ) ) (10-54)(10-54) 式中式中式中式中kdkdkdkd为检波器的电压传输系数。为检波器的电压传输系数。为检波器的电压传输系数。为检波器的电压传输系数。8888 将上式与图将上式与图将上式与图将上式与图10-2410-2410-2410-24的矢量图联系起来，可以看出：当的矢量图联系起来，可以看出：当的矢量图联系起来，可以看出：当的矢量图联系起来，可以看出：当fin=f0fin=f0fin=f0fin=f0时，因为时，因为时，因为时，因为V V V VD1D1D1D1=V=V=V=VD2D2D2D2，所以，所以，所以，所以VaVaVaVa b b b b =0=0=0=0；当；当；当；当finfinfinfinf0f0f0f0时，时，时，时，因为因为因为因为V V V VD1D1D1D1V V V VD2D2D2D2，所以，所以，所以，所以VaVaVaVa b b b b 0 0 0 0；当；当；当；当finfinfinfinf0f0f0f0时，因为时，因为时，因为时，因为V V V VD1D1D1D1V V V VD2D2D2D2，所以，所以，所以，所以VaVaVaVa b b b b 0 0 0 0，因此，输出电压，因此，输出电压，因此，输出电压，因此，输出电压VaVaVaVa b b b b 反映了输入反映了输入反映了输入反映了输入信号瞬时频率的偏移信号瞬时频率的偏移信号瞬时频率的偏移信号瞬时频率的偏移 f f f f。而。而。而。而 f f f f与原调制信号与原调制信号与原调制信号与原调制信号v v v v (t)(t)(t)(t)成正比，成正比，成正比，成正比，即即即即VaVaVaVa b b b b 与与与与v v v v (t) (t) (t) (t)成正比。亦即实现了调频波的解调。成正比。亦即实现了调频波的解调。成正比。亦即实现了调频波的解调。成正比。亦即实现了调频波的解调。 8989若将若将VaVa b b 与频移与频移 f f之间的关系画成曲线，便得到如图之间的关系画成曲线，便得到如图10-2510-25所示所示的的S S形鉴频特性曲线。形鉴频特性曲线。 (a) 正极性鉴频曲线正极性鉴频曲线 (b) 负极性鉴频曲线负极性鉴频曲线图图10-25 图图(a)(a)为正极性鉴频曲线，鉴频跨导为正极性鉴频曲线，鉴频跨导S S0 0。若次级线圈的同名端。若次级线圈的同名端相反，则为负极性鉴频，鉴频跨导相反，则为负极性鉴频，鉴频跨导S S0 0，如图，如图(b)(b)所示。所示。其矢量图读者可自行画出。其矢量图读者可自行画出。9090 前面介绍的相位鉴频器，当输入调频信号的振幅发生前面介绍的相位鉴频器，当输入调频信号的振幅发生前面介绍的相位鉴频器，当输入调频信号的振幅发生前面介绍的相位鉴频器，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，在鉴频器前必须增设限幅器。而比例了抑制噪声及干扰，在鉴频器前必须增设限幅器。而比例了抑制噪声及干扰，在鉴频器前必须增设限幅器。而比例了抑制噪声及干扰，在鉴频器前必须增设限幅器。而比例鉴频器具有自限幅功能，因而采用它可以省去外加的限幅鉴频器具有自限幅功能，因而采用它可以省去外加的限幅鉴频器具有自限幅功能，因而采用它可以省去外加的限幅鉴频器具有自限幅功能，因而采用它可以省去外加的限幅器。器。器。器。 三、比例鉴频器三、比例鉴频器 9191 图图10-2610-26是比例鉴频器的原理电路是比例鉴频器的原理电路 图图10-269292其波形变换部分与相位鉴频器基本相同，电路上差别主要其波形变换部分与相位鉴频器基本相同，电路上差别主要其波形变换部分与相位鉴频器基本相同，电路上差别主要其波形变换部分与相位鉴频器基本相同，电路上差别主要有以下几点：有以下几点：有以下几点：有以下几点：(1) R1(1) R1(1) R1(1) R1，R2R2R2R2连接点连接点连接点连接点N N N N接地，负载接地，负载接地，负载接地，负载RLRLRLRL接在接在接在接在MNMNMNMN之间，输出电压由之间，输出电压由之间，输出电压由之间，输出电压由 M M M M，N N N N引出。引出。引出。引出。(2) R1(2) R1(2) R1(2) R1和和和和R2R2R2R2两端并接大电容两端并接大电容两端并接大电容两端并接大电容C6(C6(C6(C6(一般为一般为一般为一般为10101010 F)F)F)F)，使得在检波，使得在检波，使得在检波，使得在检波过过过过 程中程中程中程中a a a a b b b b 间的端电压基本保持不变。间的端电压基本保持不变。间的端电压基本保持不变。间的端电压基本保持不变。(3) D1(3) D1(3) D1(3) D1和和和和D2D2D2D2按环路顺接，以保持直流通路，因此按环路顺接，以保持直流通路，因此按环路顺接，以保持直流通路，因此按环路顺接，以保持直流通路，因此C3C3C3C3和和和和C4C4C4C4上的上的上的上的 电压极性一致，电压极性一致，电压极性一致，电压极性一致，VaVaVaVa b b b b =V=V=V=VC3C3C3C3+V+V+V+VC4C4C4C4。比例鉴频器的输出电。比例鉴频器的输出电。比例鉴频器的输出电。比例鉴频器的输出电压压压压9393 2. 2. 2. 2. 自限幅特性分析自限幅特性分析自限幅特性分析自限幅特性分析 比例鉴频器不需要前置限幅器，它本身就具有抑制寄比例鉴频器不需要前置限幅器，它本身就具有抑制寄比例鉴频器不需要前置限幅器，它本身就具有抑制寄比例鉴频器不需要前置限幅器，它本身就具有抑制寄生调幅所产生的干扰的能力，在比例鉴频器中，由于生调幅所产生的干扰的能力，在比例鉴频器中，由于生调幅所产生的干扰的能力，在比例鉴频器中，由于生调幅所产生的干扰的能力，在比例鉴频器中，由于C6C6C6C6的的的的电容量很大，因此电压电容量很大，因此电压电容量很大，因此电压电容量很大，因此电压VaVaVaVa b b b b 基本稳定不变，它只决定于基本稳定不变，它只决定于基本稳定不变，它只决定于基本稳定不变，它只决定于调频波的载波振幅，而与其频偏及寄生调幅都无关调频波的载波振幅，而与其频偏及寄生调幅都无关调频波的载波振幅，而与其频偏及寄生调幅都无关调频波的载波振幅，而与其频偏及寄生调幅都无关. . . . 当输当输当输当输入信号振幅由于干扰突然变大时，由于电压入信号振幅由于干扰突然变大时，由于电压入信号振幅由于干扰突然变大时，由于电压入信号振幅由于干扰突然变大时，由于电压VaVaVaVa b b b b 基本恒基本恒基本恒基本恒定，就使得检波管的电流明显加大，加重了对输入回路的定，就使得检波管的电流明显加大，加重了对输入回路的定，就使得检波管的电流明显加大，加重了对输入回路的定，就使得检波管的电流明显加大，加重了对输入回路的负载，即回路负载，即回路负载，即回路负载，即回路Q Q Q Q值下降值下降值下降值下降, , , ,可迫使信号振幅减小。反之亦然。可迫使信号振幅减小。反之亦然。可迫使信号振幅减小。反之亦然。可迫使信号振幅减小。反之亦然。因而很好地起到了稳幅的作用。因而很好地起到了稳幅的作用。因而很好地起到了稳幅的作用。因而很好地起到了稳幅的作用。 94948.5 调频制的抗干扰(噪声)性能 关于各种调制方式的抗干扰性能分析属于后续课程关于各种调制方式的抗干扰性能分析属于后续课程关于各种调制方式的抗干扰性能分析属于后续课程关于各种调制方式的抗干扰性能分析属于后续课程“通信原理通信原理通信原理通信原理”的课程内容，但是，有些高频电路的组成的课程内容，但是，有些高频电路的组成的课程内容，但是，有些高频电路的组成的课程内容，但是，有些高频电路的组成( ( ( (例如，调频收发信机中的预加重、去加重等特殊电路例如，调频收发信机中的预加重、去加重等特殊电路例如，调频收发信机中的预加重、去加重等特殊电路例如，调频收发信机中的预加重、去加重等特殊电路) ) ) )与与与与抗噪声性能的分析是密切相关的。本课程只能在讲清楚讨抗噪声性能的分析是密切相关的。本课程只能在讲清楚讨抗噪声性能的分析是密切相关的。本课程只能在讲清楚讨抗噪声性能的分析是密切相关的。本课程只能在讲清楚讨论条件后，直接引用有关结论。论条件后，直接引用有关结论。论条件后，直接引用有关结论。论条件后，直接引用有关结论。 抗干扰性是指在接收机解调器的输入端信噪比抗干扰性是指在接收机解调器的输入端信噪比抗干扰性是指在接收机解调器的输入端信噪比抗干扰性是指在接收机解调器的输入端信噪比(SNR)(SNR)(SNR)(SNR)相同时，哪种调制方式的接收机输出端信噪比高，则认为相同时，哪种调制方式的接收机输出端信噪比高，则认为相同时，哪种调制方式的接收机输出端信噪比高，则认为相同时，哪种调制方式的接收机输出端信噪比高，则认为这种调制方式的抗干扰性能好。在本章的开头曾提到调频这种调制方式的抗干扰性能好。在本章的开头曾提到调频这种调制方式的抗干扰性能好。在本章的开头曾提到调频这种调制方式的抗干扰性能好。在本章的开头曾提到调频制的突出特点是它的抗干扰性能优于调幅制，这是为什么制的突出特点是它的抗干扰性能优于调幅制，这是为什么制的突出特点是它的抗干扰性能优于调幅制，这是为什么制的突出特点是它的抗干扰性能优于调幅制，这是为什么呢？对此，简述如下。呢？对此，简述如下。呢？对此，简述如下。呢？对此，简述如下。9595 分析表明，对于单音调频波分析表明，对于单音调频波( (假定干扰也是单频信号假定干扰也是单频信号) )而言，而言，解调的输出电压信噪比为解调的输出电压信噪比为(SNR)(SNR)FM FM (10-55)式中，式中， 为接收机输入端信噪比，为接收机输入端信噪比，VsVs和和VnVn分别表示信号与干扰电分别表示信号与干扰电压的幅值；压的幅值； f f为频偏；为频偏； F F为调制信号频率；为调制信号频率；m mf f为调频指数。为调频指数。一般宽带调频系数一般宽带调频系数m mf f 总是大于总是大于1 1的，因而调频接收机信噪比与的，因而调频接收机信噪比与输入端相比是有所提高的。输入端相比是有所提高的。9696 对于调幅接收机而言，检波输出电压信噪比为对于调幅接收机而言，检波输出电压信噪比为 (SNR)(SNR)AMAM (10-56)当当m ma a=1=1时，输出端信噪比与输入信噪比相等，这是调幅接时，输出端信噪比与输入信噪比相等，这是调幅接收最好的情况。而通过收最好的情况。而通过m ma a11，则结果要差些。，则结果要差些。9797 由于在调幅制中，调幅系数由于在调幅制中，调幅系数由于在调幅制中，调幅系数由于在调幅制中，调幅系数m m m ma a a a不能超过不能超过不能超过不能超过1 1 1 1，而在调频，而在调频，而在调频，而在调频制中，调频系数制中，调频系数制中，调频系数制中，调频系数m m m mf f f f 可以远大于可以远大于可以远大于可以远大于1 1 1 1，所以说调解制的抗干扰，所以说调解制的抗干扰，所以说调解制的抗干扰，所以说调解制的抗干扰性能优于调幅制。以上分析表明，加大调制系数性能优于调幅制。以上分析表明，加大调制系数性能优于调幅制。以上分析表明，加大调制系数性能优于调幅制。以上分析表明，加大调制系数m m m mf f f f 可以可以可以可以使鉴频输出信噪比增加，但必须注意，加大使鉴频输出信噪比增加，但必须注意，加大使鉴频输出信噪比增加，但必须注意，加大使鉴频输出信噪比增加，但必须注意，加大m m m mf f f f 将增加信将增加信将增加信将增加信号带宽。因此，调频制抗干扰性能优于调幅制，是以牺牲号带宽。因此，调频制抗干扰性能优于调幅制，是以牺牲号带宽。因此，调频制抗干扰性能优于调幅制，是以牺牲号带宽。因此，调频制抗干扰性能优于调幅制，是以牺牲带宽为代价的。带宽为代价的。带宽为代价的。带宽为代价的。9898 以上讨论仅指干扰为单频信号的简单情况，如果干扰以上讨论仅指干扰为单频信号的简单情况，如果干扰以上讨论仅指干扰为单频信号的简单情况，如果干扰以上讨论仅指干扰为单频信号的简单情况，如果干扰信号非单频，而是白噪声，分析表明，只有在调频系数大信号非单频，而是白噪声，分析表明，只有在调频系数大信号非单频，而是白噪声，分析表明，只有在调频系数大信号非单频，而是白噪声，分析表明，只有在调频系数大于于于于0.60.60.60.6时，调频制的抗干扰性能才优于调幅制。因此，常时，调频制的抗干扰性能才优于调幅制。因此，常时，调频制的抗干扰性能才优于调幅制。因此，常时，调频制的抗干扰性能才优于调幅制。因此，常把把把把 m m m mf f f f=0.6=0.6=0.6=0.6作为窄带调频与宽带调频的过渡点。在抗干扰作为窄带调频与宽带调频的过渡点。在抗干扰作为窄带调频与宽带调频的过渡点。在抗干扰作为窄带调频与宽带调频的过渡点。在抗干扰性能方面，窄带调频并不优于调幅制，因为窄带调频信号性能方面，窄带调频并不优于调幅制，因为窄带调频信号性能方面，窄带调频并不优于调幅制，因为窄带调频信号性能方面，窄带调频并不优于调幅制，因为窄带调频信号和调幅信号的带宽并无差异。和调幅信号的带宽并无差异。和调幅信号的带宽并无差异。和调幅信号的带宽并无差异。9999 从表面看，增加带宽将使更多的噪声信号进入接收机，从表面看，增加带宽将使更多的噪声信号进入接收机，从表面看，增加带宽将使更多的噪声信号进入接收机，从表面看，增加带宽将使更多的噪声信号进入接收机，但是，为什么宽带的调频信号反而可以提高信噪比呢？这但是，为什么宽带的调频信号反而可以提高信噪比呢？这但是，为什么宽带的调频信号反而可以提高信噪比呢？这但是，为什么宽带的调频信号反而可以提高信噪比呢？这是因为调频信号的频谱是有规律地扩展的，各旁频分量是是因为调频信号的频谱是有规律地扩展的，各旁频分量是是因为调频信号的频谱是有规律地扩展的，各旁频分量是是因为调频信号的频谱是有规律地扩展的，各旁频分量是相关的，经解调后宽带信号可以凝聚为窄带的原始调制信相关的，经解调后宽带信号可以凝聚为窄带的原始调制信相关的，经解调后宽带信号可以凝聚为窄带的原始调制信相关的，经解调后宽带信号可以凝聚为窄带的原始调制信号频谱。而噪声各频率是彼此独立的，不能凝聚，解调后号频谱。而噪声各频率是彼此独立的，不能凝聚，解调后号频谱。而噪声各频率是彼此独立的，不能凝聚，解调后号频谱。而噪声各频率是彼此独立的，不能凝聚，解调后仍分布在宽带内，大部分仍分布在宽带内，大部分仍分布在宽带内，大部分仍分布在宽带内，大部分 将被滤波器滤除，这就使输出将被滤波器滤除，这就使输出将被滤波器滤除，这就使输出将被滤波器滤除，这就使输出信噪比得以提高。信噪比得以提高。信噪比得以提高。信噪比得以提高。100100 从式从式从式从式(10-55)(10-55)(10-55)(10-55)还可以看出，还可以看出，还可以看出，还可以看出，调频接收机中鉴频器输出端的噪调频接收机中鉴频器输出端的噪调频接收机中鉴频器输出端的噪调频接收机中鉴频器输出端的噪声随调制信号频率的增加而增大，声随调制信号频率的增加而增大，声随调制信号频率的增加而增大，声随调制信号频率的增加而增大，即鉴频器输出端噪声电压频谱呈即鉴频器输出端噪声电压频谱呈即鉴频器输出端噪声电压频谱呈即鉴频器输出端噪声电压频谱呈三角形三角形三角形三角形( ( ( (其噪声功率谱呈抛物线其噪声功率谱呈抛物线其噪声功率谱呈抛物线其噪声功率谱呈抛物线形形形形) ) ) )，如图，如图，如图，如图10-2710-2710-2710-27所示。而各种消所示。而各种消所示。而各种消所示。而各种消息信号息信号息信号息信号( ( ( (如话音、音乐等如话音、音乐等如话音、音乐等如话音、音乐等) ) ) )，它们，它们，它们，它们的能量都集中在低频端，因此在的能量都集中在低频端，因此在的能量都集中在低频端，因此在的能量都集中在低频端，因此在调制信号的高频端输出信噪比将调制信号的高频端输出信噪比将调制信号的高频端输出信噪比将调制信号的高频端输出信噪比将明显下降，这对调频信号的接收明显下降，这对调频信号的接收明显下降，这对调频信号的接收明显下降，这对调频信号的接收是很不利的。是很不利的。是很不利的。是很不利的。 图图10-27 鉴频器输出噪声频谱鉴频器输出噪声频谱101101 为了使调频接收机在整个频带内都具有较高的输出信为了使调频接收机在整个频带内都具有较高的输出信为了使调频接收机在整个频带内都具有较高的输出信为了使调频接收机在整个频带内都具有较高的输出信噪比，可以在调频发射机的调制器之前，人为地加重高音噪比，可以在调频发射机的调制器之前，人为地加重高音噪比，可以在调频发射机的调制器之前，人为地加重高音噪比，可以在调频发射机的调制器之前，人为地加重高音频，使高音频电压提升，这被称为频，使高音频电压提升，这被称为频，使高音频电压提升，这被称为频，使高音频电压提升，这被称为“ “预加重预加重预加重预加重” ”技术，实现技术，实现技术，实现技术，实现这一技术的电路称为预加重网络。但这样做的结果，改变这一技术的电路称为预加重网络。但这样做的结果，改变这一技术的电路称为预加重网络。但这样做的结果，改变这一技术的电路称为预加重网络。但这样做的结果，改变了原调制信号各调制频率之间的比例关系，将造成解调信了原调制信号各调制频率之间的比例关系，将造成解调信了原调制信号各调制频率之间的比例关系，将造成解调信了原调制信号各调制频率之间的比例关系，将造成解调信号的失真。因此，需要在调频接收机鉴频器输出端加入一号的失真。因此，需要在调频接收机鉴频器输出端加入一号的失真。因此，需要在调频接收机鉴频器输出端加入一号的失真。因此，需要在调频接收机鉴频器输出端加入一个与预加重网络传输函数相反的去加重网络，把人为提升个与预加重网络传输函数相反的去加重网络，把人为提升个与预加重网络传输函数相反的去加重网络，把人为提升个与预加重网络传输函数相反的去加重网络，把人为提升高音频电压振幅降下来，恢复原调制信号各频率之间的比高音频电压振幅降下来，恢复原调制信号各频率之间的比高音频电压振幅降下来，恢复原调制信号各频率之间的比高音频电压振幅降下来，恢复原调制信号各频率之间的比例关系，使解调信号不失真。例关系，使解调信号不失真。例关系，使解调信号不失真。例关系，使解调信号不失真。1021021. 预加重网络预加重网络 调频噪声频谱呈三角形，即与调制信号频率调频噪声频谱呈三角形，即与调制信号频率F F成正比。与此成正比。与此相对应，可将信号电压做类似处理，要求预加重网络的传输函数相对应，可将信号电压做类似处理，要求预加重网络的传输函数应满足应满足 22 F F，这对应于一个微分电路。但考虑到对信，这对应于一个微分电路。但考虑到对信号的低端不应加重，一般采用的预加重网络及其传输特性分别如号的低端不应加重，一般采用的预加重网络及其传输特性分别如图图8-28(a)8-28(a)、(b)(b)所示所示. .图图8-28 预加重网络预加重网络103103图中图中 ( (式中式中R=R1/R2)R=R1/R2) 对于调频广播发射机中的预加重网络参数对于调频广播发射机中的预加重网络参数C C、R1R1、R2R2的的选择，常使选择，常使F1=2.1kHzF1=2.1kHz，F2=15kHzF2=15kHz，此时，此时R R1 1C=75C=75 s s。1041042. 去加重网络去加重网络 去加重网络及其频响特性见图去加重网络及其频响特性见图8-29(a)8-29(a)、(b)(b)，去加重网络，去加重网络应具有与预加重网络相反的网络特征。因而应使应具有与预加重网络相反的网络特征。因而应使 1/21/2 F F，可见，去加重网络相当于一个积分电路。在广播调频接收机中，可见，去加重网络相当于一个积分电路。在广播调频接收机中，去加重网络参数去加重网络参数R R、C C的选择应使的选择应使F1=2.1kHzF1=2.1kHz，F2=15kHzF2=15kHz，此时，此时R R1 1C=75C=75 s s。图图8-29 去加重网络去加重网络105105本 章 小 结1. 1. 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，其频谱结构与调制指数频谱结构与调制指数频谱结构与调制指数频谱结构与调制指数m m 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。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. 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在中心频率在中心频率f0f0f0f0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载波振幅载波振幅10%10%10%10%以下的边频，可认为调角信号占据的有效带以下的边频，可认为调角信号占据的有效带以下的边频，可认为调角信号占据的有效带以下的边频，可认为调角信号占据的有效带宽为宽为宽为宽为BW=2(BW=2(BW=2(BW=2( fm+Fmax)fm+Fmax)fm+Fmax)fm+Fmax)，其中，其中，其中，其中， fmfmfmfm为频偏，为频偏，为频偏，为频偏，FmaxFmaxFmaxFmax为调制信为调制信为调制信为调制信号最高频率。号最高频率。号最高频率。号最高频率。1061063. 3. 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但其中调频波的但其中调频波的m m m mf f f f与调制频率与调制频率与调制频率与调制频率F F F F成反比，而调相波的成反比，而调相波的成反比，而调相波的成反比，而调相波的m m m mp p p p则与调制频率则与调制频率则与调制频率则与调制频率F F F F无关。调无关。调无关。调无关。调频波的频带宽度与调制信号频率无关近似为恒带调制，调相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。波的频带宽度随调制信号的频率而变化。波的频带宽度随调制信号的频率而变化。波的频带宽度随调制信号的频率而变化。4. 4. 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。率不变。率不变。1071075. 5. 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。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元件元件( ( ( (通常是变容二极管通常是变容二极管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，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，再对高频载波进行变化；间接调频是将调制信号积分后，再对高频载波进行变化；间接调频是将调制信号积分后，再对高频载波进行变化；间接调频是将调制信号积分后，再对高频载波进行调相，获得调频信号。调相，获得调频信号。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。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。1081086.6.6.6. 调频波的解调称为鉴频或频率检波，调相波的解调称为鉴调频波的解调称为鉴频或频率检波，调相波的解调称为鉴调频波的解调称为鉴频或频率检波，调相波的解调称为鉴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。与调幅波的检波一样，鉴频和鉴相也是从相或相位检波。与调幅波的检波一样，鉴频和鉴相也是从相或相位检波。与调幅波的检波一样，鉴频和鉴相也是从相或相位检波。与调幅波的检波一样，鉴频和鉴相也是从已调信号中还原出原调制信号。鉴频的主要方法有斜率鉴已调信号中还原出原调制信号。鉴频的主要方法有斜率鉴已调信号中还原出原调制信号。鉴频的主要方法有斜率鉴已调信号中还原出原调制信号。鉴频的主要方法有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器、相移乘法鉴频器和脉冲频器、相位鉴频器、比例鉴频器、相移乘法鉴频器和脉冲频器、相位鉴频器、比例鉴频器、相移乘法鉴频器和脉冲频器、相位鉴频器、比例鉴频器、相移乘法鉴频器和脉冲计数式鉴频器。前三种鉴频器的基本原理都是由实现波形计数式鉴频器。前三种鉴频器的基本原理都是由实现波形计数式鉴频器。前三种鉴频器的基本原理都是由实现波形计数式鉴频器。前三种鉴频器的基本原理都是由实现波形变换的线性网络和实现频率变换的非线性电路组成。相位变换的线性网络和实现频率变换的非线性电路组成。相位变换的线性网络和实现频率变换的非线性电路组成。相位变换的线性网络和实现频率变换的非线性电路组成。相位鉴频器和比例鉴频器则是利用耦合电路的相频特性将调频鉴频器和比例鉴频器则是利用耦合电路的相频特性将调频鉴频器和比例鉴频器则是利用耦合电路的相频特性将调频鉴频器和比例鉴频器则是利用耦合电路的相频特性将调频波变成调幅调频波，然后再进行振幅检波。比例鉴频器具波变成调幅调频波，然后再进行振幅检波。比例鉴频器具波变成调幅调频波，然后再进行振幅检波。比例鉴频器具波变成调幅调频波，然后再进行振幅检波。比例鉴频器具有自动限幅的功能，能够抑制寄生调幅干扰。有自动限幅的功能，能够抑制寄生调幅干扰。有自动限幅的功能，能够抑制寄生调幅干扰。有自动限幅的功能，能够抑制寄生调幅干扰。109109