单元十调频.pptx
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1、商丘职业技术学院本讲导航教学内容教学内容教学内容教学内容教学目的教学目的单元十单元十角度调制角度调制1.1.了解瞬时频率和瞬时相位了解瞬时频率和瞬时相位2.2.掌握调频波的基本性质掌握调频波的基本性质 3.3.掌握调相波的基本性质掌握调相波的基本性质 10.110.1调角波的基本性质调角波的基本性质商丘职业技术学院教学重点教学重点教学重点教学重点教学难点教学难点教学难点教学难点1.1.调频波的基本性质调频波的基本性质 单元十单元十角度调制角度调制2.2.调相波的基本性质调相波的基本性质 1.1.调频波的基本性质调频波的基本性质 2.2.调相波的基本性质调相波的基本性质 商丘职业技术学院 在在无
2、无线线电电通通信信中中,角角度度调调制制是是一一种种重重要要的的调调制制方方式式,角角度度调调制制电电路路属属于于频频率率非非线线性性变变换换电电路路,有有较较强强的的抗抗干干扰扰和和噪噪声声能能力力,广广泛泛应应用用于于各各种种无无线线电电通通信和各种仪器仪表中。信和各种仪器仪表中。角角度度调调制制使使高高频频信信号号的的频频率率或或相相位位按按调调制制信信号号的的规规律律变变化化而而变变化化,但但振振幅幅又又保保持持不不变变的的一一种种调调制制方方式。式。单元十单元十角度调制角度调制商丘职业技术学院一、角度调制类型一、角度调制类型频率调制频率调制:简称调频(:简称调频(FM)它是指载波的角
3、频率随它是指载波的角频率随调制信号的变化规律变化调制信号的变化规律变化。相位调制相位调制:简称调相(:简称调相(PM)它是指载波的相位随调它是指载波的相位随调制信号的变化规律变化。制信号的变化规律变化。10.110.1调角波的基本性质调角波的基本性质单元十单元十角度调制角度调制 角角度度调调制制属属于于频频谱谱的的非非线线性性变变换换,即即已已调调波波信信号号的的频频谱谱结结构构不不再再保保持持原原调调制制信信号号频频谱谱的的内内部部结结构构,且且调调制制后后的的信信号号带带宽宽比比原原调调制制信信号号带带宽宽大大得得多多。虽虽然然角角度度调调制制信信号号频频带带的的利利用用率率不不高高,但但
4、其其抗抗干干扰扰和和噪噪声声的的能能力较强,广泛地应用于无线电通信设备中。力较强,广泛地应用于无线电通信设备中。商丘职业技术学院调频(调频(FMFM):载波的幅度不变,而瞬时角频):载波的幅度不变,而瞬时角频率率W Wf f(t t)随调制信号)随调制信号u u作线性变化。作线性变化。1.1.数学表达式数学表达式 设载波为:设载波为:u uC CU UCmCmcoswcoswC Ct t;调制信号为:调制信号为:u uU Ummcostcost 其瞬时角频率其瞬时角频率 单元十单元十角度调制角度调制二、调频波的基本性质二、调频波的基本性质商丘职业技术学院w wC C:载波角频率,即调频波中心角
5、频率:载波角频率,即调频波中心角频率 k kf f:调频灵敏度,表示单位调制信号幅度引:调频灵敏度,表示单位调制信号幅度引起的频率变化,单位起的频率变化,单位rad/s.Vrad/s.V或或Hz/VHz/V w wfmfm:调频波最大角频偏,表示:调频波最大角频偏,表示FMFM波频率摆动的波频率摆动的幅度,幅度,w wfmfm=k=kf f U Umm mf为调频系数为调频系数(指数指数),是调频时在载波信号,是调频时在载波信号的相位上附加的最大相位偏移,的相位上附加的最大相位偏移,其值与其值与Um成成正比,而与正比,而与成反比,成反比,单位为单位为rad,rad,其值可以其值可以大于大于1。
6、单元十单元十角度调制角度调制商丘职业技术学院根据根据 可得可得:则:则:调频波的一般数学表达式:调频波的一般数学表达式:单元十单元十角度调制角度调制其中其中 商丘职业技术学院 表表示示调调频频波波的的相相移移,它它反反映映调调频频信信号号的的瞬瞬时相位按调制信号时间积分的规律变化。时相位按调制信号时间积分的规律变化。以以上上分分析析说说明明:在在调调频频时时,瞬瞬时时角角频频率率的的变变化化与与调调制制信信号号成成线线性性关关系系,瞬瞬时时相相位位的的变变化化与与调调制制信信号号的积分成线性关系。的积分成线性关系。单元十单元十角度调制角度调制商丘职业技术学院2.2.波形波形单元十单元十角度调制
7、角度调制由由上上图图可可以以看看出出,调调频频波波的的波波形形是是等等幅幅的的疏疏密密波波,已已调调波波的的频频率率反反映映了了调调制制信信号号的的变变化化规规律律。调调频频时时,频频偏偏反反映映调调制制信信号号的的变变化化规规律律,而而相相偏偏正正比比于于调调制制信信号号的积分。的积分。商丘职业技术学院3.3.频谱频谱单元十单元十角度调制角度调制调频波的数学表达式为:调频波的数学表达式为:利用三角函数变换公式利用三角函数变换公式 将将上上式变换成式变换成 商丘职业技术学院单元十单元十角度调制角度调制根据贝塞尔理论中,可得下述关系:根据贝塞尔理论中,可得下述关系:将将两两式式代入上式,得:代入
8、上式,得:商丘职业技术学院 可以看到,单频信号调制的调频波,其频谱是由可以看到,单频信号调制的调频波,其频谱是由载波分量和无数对边频分量载波分量和无数对边频分量 所组成,所组成,各分量各分量的间隔为的间隔为。其中,当其中,当n n为奇数时,信号的上、下边为奇数时,信号的上、下边频分量的振幅相等,极性相反;当频分量的振幅相等,极性相反;当n n为偶数时,信号为偶数时,信号上、下边频分量振幅相等,极性相同上、下边频分量振幅相等,极性相同 。第第n n个边频个边频分量的振幅为分量的振幅为 。根据贝塞尔函数的特性。根据贝塞尔函数的特性可知,边频分量的振幅随着可知,边频分量的振幅随着n n的增大而趋于减
9、小的增大而趋于减小.单元十单元十角度调制角度调制商丘职业技术学院其频谱如图所示其频谱如图所示 单元十单元十角度调制角度调制图图8-2 8-2 调频波的频谱图调频波的频谱图商丘职业技术学院 调频指数越大,具有较大振幅的边频分量就越调频指数越大,具有较大振幅的边频分量就越多;对于某些值,载波或某些边频分量的振幅为零。多;对于某些值,载波或某些边频分量的振幅为零。因此,调频波是一种调制信号的频谱进行特定的非因此,调频波是一种调制信号的频谱进行特定的非线性变换的已调波,而调频电路则是一种频谱非线线性变换的已调波,而调频电路则是一种频谱非线性变换电路。性变换电路。单元十单元十角度调制角度调制商丘职业技术
10、学院 由于调频波的频谱包含无数对边频分量,因此理由于调频波的频谱包含无数对边频分量,因此理论上它的频带宽度(带宽)应为无限大。实际上,对论上它的频带宽度(带宽)应为无限大。实际上,对于任一给定的于任一给定的m mf f值,高到一定次数的边频分量的振幅已值,高到一定次数的边频分量的振幅已经小到可以忽略,以致滤除这些边频分量对调频波形经小到可以忽略,以致滤除这些边频分量对调频波形不会产生显著的影响。因此,调频波和频带宽度实际不会产生显著的影响。因此,调频波和频带宽度实际上可以认为是有限的。通常规定将振幅小于未调制载上可以认为是有限的。通常规定将振幅小于未调制载波振幅的波振幅的10%10%的边频分量
11、略去不计,保留下来的频谱分的边频分量略去不计,保留下来的频谱分量就确定了调频波和频带宽度(带宽),它可用下式量就确定了调频波和频带宽度(带宽),它可用下式进行估算:进行估算:单元十单元十角度调制角度调制4.4.通频带通频带商丘职业技术学院 f fbw bw 2F2F(窄带调角信号)(窄带调角信号)当当m mf f远小于远小于1 1时:时:当当m mf f远大于远大于1 1时:时:f fbwbw2m2mf fF=2fF=2fm m(宽带调角信号宽带调角信号)5.5.功率关系功率关系 单元十单元十角度调制角度调制调频波的平均功率等于各个频率分量平均功率调频波的平均功率等于各个频率分量平均功率之和,
12、因此,单位电阻上的平均功率为之和,因此,单位电阻上的平均功率为商丘职业技术学院 由于边频分量包含有用信息,这样便有利提高调由于边频分量包含有用信息,这样便有利提高调频系统接收机输出端的信噪比。可以证明,频系统接收机输出端的信噪比。可以证明,调频指数调频指数越大,调频波的抗干扰能力越强,但是,调频波占有越大,调频波的抗干扰能力越强,但是,调频波占有的有效频带宽度也就越宽。因此,调频制抗干扰能力的有效频带宽度也就越宽。因此,调频制抗干扰能力的提高是以增加有效带宽为代价的。的提高是以增加有效带宽为代价的。单元十单元十角度调制角度调制 在在U Ucmcm一定时,调频波的平均功率也就一定,且等一定时,调
13、频波的平均功率也就一定,且等于未调制时的载波功率,其值与于未调制时的载波功率,其值与m mf f无关无关.改变改变mf仅引仅引起各个分量之间的功率重新分配。这样可适当选择起各个分量之间的功率重新分配。这样可适当选择m mf f的大小,使载波分量携带的功率很小,绝大部分功的大小,使载波分量携带的功率很小,绝大部分功率由边频分量携带,从而极大地提高调频系统设备率由边频分量携带,从而极大地提高调频系统设备的利用率。的利用率。商丘职业技术学院调相(调相(PMPM):载波的幅度不变,而瞬时相位):载波的幅度不变,而瞬时相位pp(t t)随调制信号)随调制信号u u作线性变化作线性变化。1.1.数学表达式
14、数学表达式 其瞬时相位其瞬时相位 三、调相波的基本性质三、调相波的基本性质单元十单元十角度调制角度调制设载波为:设载波为:u uC CU UCmCmcoswcoswC Ct t;调制信号为:调制信号为:u uU Ummcostcost 商丘职业技术学院w wC C:载波角频率:载波角频率 k kp p:调相灵敏度,表示单位调制信号幅度:调相灵敏度,表示单位调制信号幅度 引起的相位变化,单位引起的相位变化,单位rad/Vrad/V m mp p:调相系数,即最大相位偏移,表示:调相系数,即最大相位偏移,表示PMPM 波相位摆动的幅度,波相位摆动的幅度,m mp p=k=kp pU Umm 单位为
15、单位为radrad w wpmpm:PMPM波最大角频偏波最大角频偏 w wpmpm=m=mp p=k=kp pU Umm调相系数调相系数单元十单元十角度调制角度调制根据根据 可得可得:商丘职业技术学院则可得调相波的数学表达式为:则可得调相波的数学表达式为:其中其中 单元十单元十角度调制角度调制调相波的一般数学表达式:调相波的一般数学表达式:表表示示调调相相波波的的相相移移,它它反反映映调调相相信信号号的的瞬瞬时时相相位位按按调制信号的规律变化。调制信号的规律变化。以以上上分分析析说说明明:在在调调相相时时,瞬瞬时时相相位位的的变变化化与与调调制制信信号号成成线线性性关关系系,瞬瞬时时角角频频
16、率率的的变变化化与与调调制制信信号号的的导数成线性关系。导数成线性关系。商丘职业技术学院2.2.波形波形单元十单元十角度调制角度调制由由上上图图可可以以看看出出,调调相相波波的的波波形形是是等等幅幅的的疏疏密密波波。调调相相时时,相相偏偏反反映映调调制制信信号号的的变变化化规规律律,而而频频偏偏正正比比于于调调制制信信号号的导数。的导数。商丘职业技术学院3.3.频谱频谱单元十单元十角度调制角度调制由由于于单单频频信信号号调调制制时时调调频频波波和和调调相相波波的的数数学学表表达达式式很很相相似似(两两者者相相位位只只相相差差90900 0),则则它它们们的的频频谱谱结结构构也也很很相相似似,而
17、而且且它它们们的的分分析析方方法法也也是是相相同同的的,因因此此,前前面面分分析析调调频频波波的的频频谱谱,对对调调相波也是适用的。相波也是适用的。图图8-4 8-4 调相波频谱图调相波频谱图商丘职业技术学院与调频时的计算方法致。与调频时的计算方法致。5.5.功率关系功率关系 在在UcmUcm一定时,调相波的平均功率也就一定,且一定时,调相波的平均功率也就一定,且等于未调制时的载波功率,其值与等于未调制时的载波功率,其值与m mp p无关无关 4.4.通频带通频带单元十单元十角度调制角度调制商丘职业技术学院 在模拟信号调制中,可以证明当系统带宽相在模拟信号调制中,可以证明当系统带宽相同时,调频
18、系统接收机输出端的信号噪声比明显同时,调频系统接收机输出端的信号噪声比明显优于调相系统,因此,目前在模拟通信中,仍广优于调相系统,因此,目前在模拟通信中,仍广泛采用调频制而较少采用调相制。不过,在数字泛采用调频制而较少采用调相制。不过,在数字通信中,相位键控的抗干扰能力优于频率键控和通信中,相位键控的抗干扰能力优于频率键控和幅度键控,因而调相在数字通信中获得了广泛的幅度键控,因而调相在数字通信中获得了广泛的应用。应用。单元十单元十角度调制角度调制商丘职业技术学院1.1.调频信号与调相信号的相同之处在于:调频信号与调相信号的相同之处在于:二者的频率和相位都随调制信号而变化二者的频率和相位都随调制
19、信号而变化,均产生频偏与相偏。均产生频偏与相偏。二者都是等幅信号二者都是等幅信号2.2.调频信号与调相信号的区别在于:调频信号与调相信号的区别在于:二者的频率和相位随调制信号变化的规律不一二者的频率和相位随调制信号变化的规律不一样样,但由于频率与相位是微积分关系但由于频率与相位是微积分关系,故二者故二者是有密切联系的。是有密切联系的。四、调频波与调相波的比较四、调频波与调相波的比较单元十单元十角度调制角度调制商丘职业技术学院单元十单元十角度调制角度调制商丘职业技术学院从表中可以看出从表中可以看出,调频信号的调频指调频信号的调频指数数m mf f与调制频率有关与调制频率有关,最大频偏与调最大频偏
20、与调制频率无关制频率无关,而调相信号的最大频偏而调相信号的最大频偏与调制频率有关与调制频率有关,调相指数调相指数m mP P与调制与调制频率无关。频率无关。单元十单元十角度调制角度调制商丘职业技术学院单元十单元十角度调制角度调制调频制与调幅制的比较调频制与调幅制的比较在通信设备中,采用调频制与采用调幅制相比,具有在通信设备中,采用调频制与采用调幅制相比,具有下述的特点。下述的特点。1.1.调频制的抗干扰能力强调频制的抗干扰能力强这是因为调频波比调幅波具有更大的携带有用信号的这是因为调频波比调幅波具有更大的携带有用信号的边频功率,所以它的信噪比大,抗干扰能力就强。边频功率,所以它的信噪比大,抗干
21、扰能力就强。干扰的表现是引起寄生调幅和寄生调频。对于调幅接收机,寄干扰的表现是引起寄生调幅和寄生调频。对于调幅接收机,寄生调频干扰对它不起作用,寄生调幅干扰却无法消除。显然,调生调频干扰对它不起作用,寄生调幅干扰却无法消除。显然,调幅系数幅系数mama越大,调幅接收机的抗干扰能力越强,但由于越大,调幅接收机的抗干扰能力越强,但由于mama必须小必须小于于1 1,所以它的抗干扰能力较差。对于调频接收机,寄生调幅干,所以它的抗干扰能力较差。对于调频接收机,寄生调幅干扰可通过限幅器除去(因调频波是等幅波),寄生调频干扰却无扰可通过限幅器除去(因调频波是等幅波),寄生调频干扰却无法消除,同样,调频指数
22、法消除,同样,调频指数mfmf越大,调频接收机的抗干扰能力越强。越大,调频接收机的抗干扰能力越强。由于一般由于一般mfmf可远大于可远大于1 1,所以它的抗干扰能力很强。,所以它的抗干扰能力很强。商丘职业技术学院单元十单元十角度调制角度调制 2.2.调频发射机的功率放大管利用率高调频发射机的功率放大管利用率高由于调幅波的平均功率由于调幅波的平均功率PavPav与与mama有关,故应按有关,故应按mama可可能的最大值选用功率放大管,而在实际工作时能的最大值选用功率放大管,而在实际工作时mama较较小,所以造成功率放大管利用率低。而调频波的平小,所以造成功率放大管利用率低。而调频波的平均功率均功
23、率PavPav保持不变,使得功率放大管能按其实际保持不变,使得功率放大管能按其实际需要选取,利用率就高。需要选取,利用率就高。3.3.调频制信号传输的保真度高调频制信号传输的保真度高因为调频制比调幅制抗干扰能力强,又允许占有较因为调频制比调幅制抗干扰能力强,又允许占有较宽的频带,传输的调制信号频率范围也较大,所以宽的频带,传输的调制信号频率范围也较大,所以调频制信号传输的保真度高。调频制信号传输的保真度高。商丘职业技术学院单元十单元十角度调制角度调制 4.4.调频制信号必须工作在超短波以上的波段调频制信号必须工作在超短波以上的波段因为调频信号所占的频带宽,若在中、短波段因为调频信号所占的频带宽
24、,若在中、短波段工作,则这些波段容纳的电台数目很有限,所工作,则这些波段容纳的电台数目很有限,所以必须工作在超短波以上的波段,这也使调频以必须工作在超短波以上的波段,这也使调频信号传送的距离很近(可采用卫星通信)。信号传送的距离很近(可采用卫星通信)。5.5.调频接收机比调幅接收机的设备复杂。调频接收机比调幅接收机的设备复杂。商丘职业技术学院本讲小结单元十单元十角度调制角度调制1.1.调频波的基本性质调频波的基本性质 2.2.调相波的基本性质调相波的基本性质 3.3.调频波与调相波的比较调频波与调相波的比较 商丘职业技术学院本讲作业单元十单元十角度调制角度调制1.1.设载频设载频fcfc12M
25、Hz12MHz,载波振幅,载波振幅UcmUcm5V5V,调制,调制信号信号u(t)=1.5cos210u(t)=1.5cos2103 3t t,调频灵敏度,调频灵敏度kfkf25kHz/V25kHz/V,试求:,试求:(1 1)调频表达式)调频表达式 ;(2 2)调制信号频率和调频波中心频率;()调制信号频率和调频波中心频率;(3 3)最大频偏、调频系数和最大相偏;最大频偏、调频系数和最大相偏;商丘职业技术学院本讲导航教学内容教学内容教学内容教学内容10.210.2调角电路调角电路 教学目的教学目的单元十单元十角度调制角度调制1.1.掌握调频电路掌握调频电路 2.2.了解调相电路了解调相电路
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