9.1角度調制的基本原理

由調制的概念可知，除了振幅調制外，還可以實現角度調制。所謂角度調制就是用調制信號去控制高頻載波的頻率或相位，從而使待傳輸的低頻調制信號同樣載到高頻上去。因此，從原理上講，角度調制也是一個頻譜的搬移過程。采用角度調制的目的是為了進一步提高傳輸信號的抗干擾能力，因為高頻載波的角度（頻率或相位）比振幅更不容易受外來信號的干擾。9.1.1調角信號的基本概念

1.調頻信號

（1）定義調頻是頻率調制（FrequencyModulation，FM）的簡稱，它的定義是高頻載波的頻率完全按照調制信號變化規律而變化的一種調制方式，相應產生的調制信號稱為調頻信號，亦稱調頻波。（9－1）式中，kf為比例系數，單位為rad/s·V。則相應調頻波的相位變化為式中，φ0為高頻載波的初始相位，為分析簡單，通常設其為零。則可得到調頻波的表達式為（9－3）由此可見，調頻波的瞬時角頻率的變化與調制信號成正比；而瞬時相位變化與調制信號的積分值成正比。由于頻率與相位之間的固有關系，因此，調頻時一定有相位變化。（9－4）式中，kp為比例系數，單位為rad/V。則相應調相波的頻率變化為（9－5）則調相波的表達式為（9－6）由此可見，調頻波的瞬時相位的變化與調制信號成正比；而瞬時角頻率的變化與調制信號的微分值成正比。同理，由于相位與頻率之間的固有關系，調相時一定有頻率變化。9.1.2調角信號的基本特性

1.調角波的基本參數

為了說明問題，以單音調制為例，即：uΩ(t)=UΩmcosΩt，則對于調頻波，根據式（9－1）可得FM波的頻率變化為（9－7）式中（9－8）稱為最大角頻偏，單位為rad/s；或稱最大頻偏（對Δfm），單位為Hz。同樣，根據式（9－2）可得FM波的相位變化為（9－9）式中（9－10）稱為調頻指數，其實際上就是FM波的最大相位變化量，單位為rad。由此可得到單音調制時FM波的表達式為（9－11）對于調相波，根據式（9－4）可得其相位變化表達式（9－12）式中（9－13）稱為調相指數，也就是PM波的最大相位變化量，單位為rad。根據式（9－5）可得PM波的頻率變化表達式為（9－14）式中（9－15）它是調相波的最大角頻偏，單位為rad/s。由此可得到單音調制時PM波的表達式為（9－16）圖9－1單音調制時的調角信號波形

（a）調頻信號;（b）調相信號

2.調角信號的頻譜與帶寬

為了分析簡單，仍以單音調制為例來說明調角波的頻譜與帶寬。比較式（9－11）和式（9－16）可以發現，調頻波和調相波的表達式非常類似，因此它們的頻譜結構也類似。

將式（9－11）調頻波的表達式用傅立葉級數展開得（9－17）式中，Jn(Mf)是宗數為Mf的n階第一類貝塞爾函數。

由此可見，原來單音調制信號的一根頻譜，經過調頻后被搬移到高頻載波頻率的兩邊，變成無數對邊頻分量。其中，n為奇數的上、下邊頻分量振幅相等，極性相反；n為偶數的上、下邊頻分量振幅相等，極性也相同。因此，調頻波的頻譜已不再是對調制信號的頻譜進行線性的搬移，而是進行非線性的搬移。（9－18） 9.2調頻電路

9.2.1直接調頻電路

1.變容二極管直接調頻原理

圖9－2所示為變容管直接調頻電路的原理圖。其中，圖（a）為變容管及其控制電路接入到高頻振蕩回路的原理電路，圖中的和為隔直耦合和旁路電容，它們對高頻近視短路，對低頻調制信號近視開路，為高頻扼流圈，它通直流、隔高頻，為變容管的反向直流偏置電壓，這樣就能保證變容管的結電容在直流偏壓的基礎上，受控于調制信號。圖（b）為圖（a）的高頻通路，并且結電容作為振蕩回路的總電容，則振蕩器的振蕩角頻率為：（9－19）根據變容管的特性有（9－20）圖9－2變容管直接調頻電路的原理圖

（a）變容管及其控制電路接入振蕩回路；（b）高頻通路（9－21）（9－22）（9-23）是調頻波的最大角頻偏，它與調制信號的振幅和載波頻率成正比，相應的調制靈敏度為或（9－25）

2.實際電路介紹

在實際變容管直接調頻電路中，變容管的結電容Cj接入振蕩回路有兩種情況，一是選擇n=2的變容管，它的結電容Cj作為振蕩回路的總電容，如圖9－2（b）所示，稱為全部接入，其特點是調制靈敏度高、產生頻偏大，但其載頻穩定度較差；二是選擇n＞2的變容管，它的Cj作為振蕩回路電容的一部分，如圖9－4（b）所示，稱為部分接入，其特點是雖然降低了調制靈敏度和最大頻偏，但卻相應提高了載頻穩定度。

圖9－3所示是中心頻率為140MHz的變容管直接調頻電路，用于衛星通信地面站的調頻發射機中。圖中，晶體管T和電感L及變容管結電容Cj構成電感三點式振蕩器，變容管采用全部接入，該調頻電路能產生的最大頻偏達3MHz。圖9－3變容管全部接入的直接調頻電路

圖9－4（a）所示是變容管部分接入的直接調頻電路。其中，晶體管T和電感L和電容C1、C2、C3及結電容Cj構成電容三點式振蕩器，結電容Cj先與C3串聯，再與C1、C2的串聯電容并聯作為回路的總電容，實現典型的部分接入，其回路等效電路如圖9－4（b）所示。圖9－4變容管部分接入的直接調頻電路

(a)實際電路；(b)回路等效電路9.2.2間接調頻電路

1.間接調頻原理

直接調頻電路的調制作用是直接在高頻載波的振蕩器中進行，因此，其載頻穩定度受到影響而達不到一些高質量廣播、通信的要求。根據調頻與調相之間的內在關系可知，只要對調制信號先進行積分，然后再對其進行調相，就能得到相應的調頻信號，這樣就避免了調制在振蕩器中進行，從而可采用高穩定度的晶體振蕩器產生載波信號，使載頻穩定度大大的提高，圖9－5所示為間接調頻的原理框圖。圖9－5間接調頻電路的原理框圖設振蕩器輸出的高頻載波信號為調制信號為uΩ(t)，其積分后為則高頻載波通過調相器產生附加相移Δφ(t)，調相器輸出信號為若調相器能實現線性調相，即則調相器輸出為（9－26）它與式（9－3）調頻波的表達式在形式上完全一致，即對調制信號uΩ(t)而言是調頻波。（9－27）（9－28）式中（9－29）由此可見，變容管調相電路要實現近似的線性調相，必須選用n=2的變容管和限制調制信號的幅度等，使Mp小于30°。圖9－6變容管調相電路原理圖

2）矢量合成法調相電路

對于單音調制的PM信號有（9－30）上式的第一項為高頻載波，第二項為一個雙邊帶信號，即當Mp＜15°的窄帶調相時，調相波近似由高頻載波和一個雙邊帶信號的疊加而成，即是由兩個矢量合成的，其相應的實現模型如圖9－7所示。圖9－7矢量合成法調相的原理框圖

3.間接調頻的線性頻偏擴展

間接調頻的主要優點是載頻穩定度高，但它的頻偏卻很小，往往滿足不了要求。由上述分析可知，在間接調頻中，其最大的相位偏移量不能超過調相器的線性調制范圍，即（9－31）無論是直接調頻還是間接調頻，擴展線性頻偏通常可以采用倍頻和混頻兩種方法實現。若設某一調頻波的瞬時角頻率為對其n倍頻得：【例9－2】若調頻廣播發射機采用矢量合成調相電路，已知其載頻fc1=100kHz，產生的線性頻偏Δfm1=24.41Hz，調制信號的頻率范圍為100~15000Hz，要求最后輸出100MHz載頻，75kHz頻偏的調頻信號，試確定擴展線性頻偏的方案。

解：由題意可知，要擴展的頻偏倍數為一般倍頻器的n小于5，因為所以采用6級倍頻和1級混頻來實現，如圖9－8所示。圖9－8采用矢量合成調相的調頻廣播發射機框圖

9.3鑒頻電路

9.3.1鑒頻方法概述

對調頻信號的解調稱為鑒頻，對調相信號的解調稱為鑒相，鑒頻電路或鑒相電路的功能就是從已調波中檢測出反映在頻率或相位變化上的調制信號電壓。圖9－9典型的鑒頻特性曲線

1.鑒頻特性

對于鑒頻，從原理上講就是把頻率變化轉換成電壓變化，這種轉換特性曲線稱為鑒頻特性曲線，圖9－9所示為典型的鑒頻特性曲線。

（1）鑒頻靈敏度SD

鑒頻靈敏度表示為鑒頻器把輸入頻率變化轉換成輸出電壓變化的能力，其定義為（V/Hz）（9－32）圖9－10斜率鑒頻原理框圖

2.鑒頻的實現方法

實現鑒頻的方法有很多，歸納其工作原理大致有：斜率鑒頻、相位鑒頻、脈沖計數式鑒頻和鎖相鑒頻等。

（1）斜率鑒頻若讓等幅調頻波通過一個線性網絡，并將其頻率變化轉換成幅度變化，使輸出為調幅調頻波，然后再用包絡檢波器檢出其幅度變化，從而實現鑒頻，圖9－10為斜率鑒頻的原理框圖。

（2）相位鑒頻若讓等幅調頻波通過一個線性網絡，并將其頻率變化轉換成相位變化，使輸出為調相調頻波，然后再用相位檢波器檢出其相位變化，從而實現鑒頻，圖9－11為相位鑒頻的原理框圖。圖9－11相位鑒頻原理框圖（3）脈沖計數式鑒頻若讓調頻波通過一個非線性網絡，如圖9－12（a）所示，經過放大、限幅、微分、脈沖形成后輸出一串調頻脈沖序列，由于該脈沖序列的疏密反映了輸入調頻信號的瞬時頻率變化，再將其通過低通濾波器，取出平均分量，便可得到原調制電壓，如圖9－12（b）所示。圖9－12脈沖計數式鑒頻實現框圖

(a)電路組成框圖；(b)波形圖9.3.2斜率鑒頻電路

1.單失諧回路斜率鑒頻電路

圖9－13（a）所示為單失諧回路斜率鑒頻電路，它是由并聯諧振回路和包絡檢波器組成。由并聯諧振回路的幅頻特性曲線可知，當輸入信號的載頻不等于回路的諧振頻率時，即所謂的失諧，則幅頻特性曲線有一段斜線近似為直線，在這段直線范圍內，就能把頻率變化轉換成振幅變化。因此，只要把輸入等幅調頻波的載頻設置在這段直線的中點，并且最大頻偏不超過直線范圍，就能輸出調幅調頻波，如圖9－13（b）所示，而調幅調頻波再通過包絡檢波器，就能把反映調制信號變化規律的包絡檢測出來，完成了鑒頻功能。圖9－13單失諧回路斜率鑒頻電路

(a)電路；(b)波形圖9－14雙失諧回路斜率鑒頻電路

(a)電路；(b)雙失諧回路幅頻特性；(c)合成的鑒頻特性曲線

9.3.3相位鑒頻電路

1.頻－相轉換網絡

實現相位鑒頻的關鍵之一是頻－相轉換網絡，其功能是線性地把反映調制信號變化規律的頻率變化轉換成相位變化。圖9－15所示是典型的頻相轉換網絡，它是由電容C1和LC并聯諧振回路構成。圖9－15頻－相轉換網絡由圖可寫出頻－相轉換網絡的傳遞函數為（9－33）(9－