42频率调制与相位调制及解调电路培训教材

1．相位调制（调相）
对外于，调又相附波加，了其 一瞬个时变相化位部除分了，原这来个的变载化波部相分位与（调制ct信+）
号成比例关系，因此总的相角可表示为
(t)ctK pU cost （4.2.12）
式为中比，例系为数载。波的初相位；ct为载波信号的相位；Kp Kp u称为调相指数，以符号mp表示，即
2．调相波的解调 从调相波中取出原来的调制信号，称为相位检波，又
称鉴相。
完成鉴相功能的电路，称为鉴相器。
在调相波中，调制信号包含在高频振荡载波信号的相 位变化量中，所以调相波的解调任务就是要求鉴相器 输出信号与输入调相波的瞬时相位变化为线性关系。 电路结构方框图与调频波的解调类似。
此，把调频和调相统称为角度调制或调角。
4.2.1 频率调制（调频）与解调
1．调频电路的性能指标 调频就是利用调制电压去控制载波的频率。最常用的
调频方法可分为两大类：直接调频和间接调频。
直接调频就是用调制电压直接去控制载频振荡器的频 率，以产生调频信号。
间接调频就是保持振荡器的频率不变，而用调制电压 去改变载波输出的相位，即调制不是在振荡器上直接 进行的，而是在振荡器后边的调相器中进行。
Cd和电感L组成LC振荡器的谐振电路。根据式
（4.2.10），fc是Cm=0时由L和固定电容C0所决定的谐
振频率，称为中心频率（即载频），
fc
2
1 LC0
。
f是频率的变化部分，而
1 2
fc
Cm
C 0 是变化部分的幅值，称
为频偏。f公式中的负号表示当回路电容增加时，频
率是降低的。
电4.2容.2C（d随c）时、间图的4变.2化.2（曲d线）如和图图44.2.2.2.2（（c）e）所，示可。以通得过到图
图4.2.1 调频信号随调制信号的变化情况
在调制电压的正半周，载波振荡频率随调制电压变化 而高于载频，到调制电压的正峰值处，已调高频振荡
角波频振率荡为频最率大 随值调制m电ax=压变c+化而。低在于调载制频信，号到负调半制周电，压载 负峰。值而处瞬，时已角调频高率频振则荡按角调频制率信为号最同小样值的规min律=变c化，
频率和时间的关系。
比较图4.2.2（a）和图4.2.2（e），可见频率f随调制 电压u变化而变化，从而可实现频率调制，即调频。
从图4.2.2可以看出，由于C-u和C-f两条曲线并不是完 全全成一正致比，的即， 存最在后调得制到失的真。f-t曲调线制形失状真将的不程与度u不仅-t曲与线变完
容二极管的变容特性有关，而且还与调制电压的大小 有关。
频灵敏度越高，说明在较小的频偏下就能得到较大的 电压输出。
鉴频频带宽度B是指鉴频特性接近于直线的频率范围， 如图4.2.4所示。一般要求B大于输入调频波频偏的两
倍。
在频带宽度B内，鉴频特性只是近似线性，因此鉴频器
也存在着非线性失真。
图4.2.4 鉴频特性曲线（S曲线）
4.2.2 相位调制（调相）与解调
fc
式中，fc为载频的中心频率；f为经过一定“时间间隔”后中心
频率的偏移值。
2．频率调制（调频） 设调制信号为
u(t)U mcost
载波信号为
（4.2.4）
u C ( t) U cc mo c t U scc m2 o fc ts （4.2.5）
调频信号随调制信号的变化情况如图4.2.1所示。
图4.2.2 变容二极管电容与调制信号电压和频率变化之间的关系
一个由变容二极管的电容Cd和电感L组成LC振荡器的谐 振电路，其谐振频率近似为。将代入f的公式，得
f 2
2
1
L(C0 Cm cos t) 1
LC0
1
Cm C0
cos
t
（4.2.9）
在Cm/C0 <<1的条件下，将式（4.2.9）用二项式定理展
3．变容二极管的调频原理
变容二极管利用半导体PN结的结电容随外加反向电压 而变化这一特性制成，等效为一个可变电容器，是一 种电压控制的可变电抗器件。例如2CC1A～F系列的变 容二极管，在反向偏压为4V时的结电容为40～85pF， 结电容的变化范围为10～220pF。
如图4.2.2（a）和图4.2.2（b）所示，在变容二极管上
调频波的检波电路方框图如图4.2.3（a）所示，主要包 含限幅器和鉴频器两个环节，其对应各点波形如图 4.2.3（b）所示。
根据鉴频器的工作原理，鉴频器可分为斜率鉴频器、 相位鉴频器、比例鉴频器和脉冲计数式鉴频器等。有 些鉴频器电路（如比例鉴频器）本身具有限幅作用， 则可以省掉限幅器。
鉴频器的主要技术指标有鉴频跨导gd、鉴频频带宽度B、
显然，调制电压愈大，则失真愈大。为了减小失真， 调制电压不宜过大，但也不宜太小，因为太小则频移 太小。应兼顾二者，一般取调制电压比偏压小一半多， 即
U m U 偏 ≤0.5
（4.2.11）
4．调频波的解调 从调频波中取出原来的调制信号，称为频率检波，又
称鉴频。完成鉴频功能的电路，称为鉴频器。 在调频波中，调制信号包含在高频振荡载波信号的频
加信一号固电定压的为反u向(直t) 流U 偏 m 压cUo偏s 和t调。制信号电压u，调制
此时，变容二极管电容Cd由两部分组成，一部分是由 反向直流偏压U偏设置的固定值C0；另一部分是随调制 信号变化的变化值C ，C =Cm cost，Cm是变化部 分的幅值。变容二极管的电容量Cd（Cd=C0+C ）将 随u 变化而改变。
mp KpU
（4.2.13）
将上面各式整合可以得到调相波的表达式如下：
u (t) U m co cts (m pco t)s（4.2.14）
式（4.2.14）说明，调相信号的相角在载波相位的基 础上，又增加了一项按余弦规律变化的部分。调相波 形随调制信号的变化情况如图4.2.5所示。
图4.2.5 调相波形随调制信号的变化情况
开，并略去平方项以上各项，可得
f
1
1
1
2 LC0 2
Cm C0
cos t
3
8
Cm C0
2
cos2
t
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fc 1
1 Cm
2 C0
cos
t
fc
1 2
fc
Cm cos t
C0
fc f
式中，f
1 2
fc
Cm cost
C0
。
（4.2.10）
在载频振荡器电路中，接入一个由变容二极管的电容
4.2 频率调制与相位调制 及解调电路基础
在调制中，载波信号的频率随调制信号而变，称为频 率调制或调频，用FM（Frequency Modulation）表示； 载波信号的相位随调制信号而变，称为相位调制或调 相，用PM（Phase Modulation）表示。
在这两种调制过程中，载波信号的幅度都保持不变， 而频率的变化和相位的变化都表现为相角的变化，因
率变化量中，所以要求鉴频器的输出信号与输入调频 波的瞬时频移为线性关系。 鉴频器包含两部分，一是借助于谐振电路将等幅的调 频波转换成幅度随瞬时频率变化的调幅调频波；二是 用二极管检波器进行幅度检波，以还原出调制信号。 由于调制信号的最后检出是利用高频振幅的变化，这 就要求输入的调频波本身“干净”，不带有寄生调幅。 否则，这些寄生调幅将混在转换后的调幅调频波中， 使最后检出的信号受到干扰。为此，在输入到鉴频器 前的信号要经过限幅，使其幅度恒定。
由于调相和调频有一定的内在联系，所以只要附加一 个简单的变换网络，就可以从调相中获得调频。所以 间接调频，就是先进行调相，再由调相变为调频。
（2）调制灵敏度S
调制电压变化单位数值所产生的振荡频率偏移称为调
制灵敏度。如果调制电压变化u，相应的频率偏移为 f，那么调制灵敏度S表示为
S f u
（4.2.2）
显然，S越大，调频信号的控制作用越强，越容易产生
大频偏的调频信号。
（3）最大频偏fm 在正常调制电压作用下，所能达到的最大频偏值用fm表示，它是
根据对调频指数mf的要求来选定的。通常要求fm的数值在整个
波段内保持不变。 （4）载波频率稳定度 载波频率的稳定度如下所示
频率稳定度 f 时间间隔 （4.2.3）
即
ccost （4.2.6）
式角中频，率偏 移c为。载波角频率；为由调制信号u所决定的
称频偏或频移，与u(t)成正比，即
KfUm
（4.2.7）
式中，Kf为比例系数。
将上面各式整合可以得到调频波的表达式如下：
u(t)Umcos(ct sint)（4.2.8）
式中，假定初相角=0，/是调频波的调制指数mf。
非线形失真等。
图4.2.3 调频波的解调
鉴系频，器可的用输图4出.2电.4压所u示与的输鉴入频调特频性信曲号线瞬表时示频。偏由于f的曲关线
形状近似S，一般称为S曲线。
所电单谓压位u鉴频频偏与跨所频导产偏g生df输是的出指比电在值压S，曲的g线d大又的小叫中。鉴心鉴频频频灵率曲敏f0线度附越，近陡它，，表输鉴示出