非線性調制(角度調制)原理

非線性調制（角度調制）原理

1．角度調制的基本概念

（1）相位調制（PM）

①相位調制的定義

相位調制是指瞬時相位偏移隨調制信號m(t)作線性變化的過程。即

②相位調制的信號表達式

當調制信號為m(t)，調相信號一般表達式為

（5-1-1）

設調制信號時，可得PM信號為

（5-

1-2）

③相位調制的參量

a．調相靈敏度K

P

式（5-1-1）中K

p

為調相靈敏度（rad／V），是單位調制信號幅度引起PM信號的相位偏

移量。

b．調相指數m

p

式（5-1-2）中m

ppm

＝KA為調相指數，是最大的相位偏移。

④相位調制的波形圖

圖5-16 PM信號波形圖

（2）頻率調制（FM）

①頻率調制的定義

頻率調制是指瞬時頻率偏移隨調制信號m(t)成比例變化的過程，即

②頻率調制的信號表達式

當調制信號為m(t)，可得調頻信號一般表達式為

（5-1-3）

設調制信號時，可得FM信號為

（5-1-4）

③頻率調制的參量

a．調頻靈敏度K

f

式（5-1-3）中K

f

為調頻靈敏度（rad／（s·V）），是單位調制信號幅度引起FM信號的瞬

時頻偏量。

b．調頻指數m

f

式（5-1-4）中m

f

為調頻指數，其表達式

是最大的相位偏移；其中的Δω＝K

fmfm

A，為最大角頻偏；Δf＝m·f，為最大頻偏。

④相位調制的波形圖

圖5-17 FM信號波形圖

（3）FM與PM之間的關系

①PM與FM的區別

PM是相位偏移隨調制信號rn(t)線性變化，FM是相位偏移隨m(t)的積分呈線性變化。

②FM與PM的關系圖

圖5-18 FM與PM之間的關系圖

③FM與PM相互轉換關系

a．間接調相：將調制信號先微分，而后進行調頻，得到調相波的方式。

b．間接調頻：將調制信號先積分，而后進行調相，得到調頻波的方式。

2．窄帶調頻

（1）窄帶調頻的概念

當FM信號的最大瞬時相位偏移滿足

（5-1-5）

時，FM信號的頻譜寬度比較窄，稱為窄帶調頻（NBFM）。

（2）窄帶調頻的信號表達式

窄帶調頻信號的時域表達式為

（3）窄帶調頻的頻譜

①頻譜表達式

窄帶調頻信號的頻域表達式為

②頻譜特性

a．頻譜含有一個載波和位于±ω處的兩個邊帶；

c

b．帶寬是調制信號最高頻率的兩倍；

c．邊頻分別乘了因式和，頻率加權的結果引起調制信號頻譜的失

真；

d．一個邊帶和AM反相。

（4）窄帶調頻的特點

①最大頻率偏移較小；

②占據的帶寬較窄；

③抗干擾性能比AM系統要好；

3．寬帶調頻

（1）寬帶調頻的概念

當FM信號的最大瞬時相位偏移不滿足式（5-1-5）時，FM信號的頻譜寬度比較寬，稱為

寬帶調頻（WBFM）。

（2）寬帶調頻的信號表達式

設單音調制信號為，寬帶調頻的信號時域

表達式為

式中，J

nff

(m)為第一類n階貝塞爾（Besl）函數，是調頻指數m的函數。

（3）寬帶調頻的頻譜

①頻譜表達式

寬帶調頻的信號頻域表達式為

②頻譜特性

a．頻譜由載波分量ω和無數邊頻ω±nω組成；

ccm

b．當n＝0時是載波分量ω，其幅度為AJ(m)；

c0f

c．當n≠0時就是對稱分布在載頻兩側的邊頻分量ω±nω，幅度為AJ(m)，相鄰邊頻之間

cmnf

的間隔為ω

m

；

d．當n為奇數時，上、下邊頻極性相反；當n為偶數時極性相同。

（4）寬帶調頻的的帶寬

①單一頻率調制

a．調頻波FM的有效帶寬為

式中，為最大頻偏，為調制頻率。

b．當m＜＜1時，帶寬近似為

f

B≈2f（NBFM）

FMm

即窄帶調頻的帶寬，帶寬只隨調制頻率f

m

變化，與最大頻偏Δf無關。

c．當m＞＞1時，帶寬近似為

f

B≈2Δf（WBFM）

FM

此時，帶寬由最大頻偏Δf決定，與調制頻率f

m

無關。

②非單一頻率調制

對于多音或任意帶限信號調制的調頻信號的帶寬為

式中，f

mfm

是調制信號的最高頻率，m是最大頻偏Δf與f的比值。

（5）寬帶調頻的功率分配

調頻信號s

FM

(t)在1Ω電阻上消耗的平均功率為

調制后總的功率不變，將原來載波功率中的一部分分配給每個邊頻分量。即調制過程是進

行功率的重新分配，分配原則與調制指數m

f

有關。

4．調頻信號的產生與解調

調頻：用調制信號控制載波頻率的變化。

（1）調頻信號的產生

①直接調頻法

a．直接調頻的定義

直接調頻是用調制信號直接控制載波振蕩器的頻率，使其按調制信號的規律作線性變化的

過程。

b．直接調頻的實現框圖

圖5-19 直接調頻實現框圖

其中，VCO是壓控振蕩器，其振蕩頻率正比于輸入控制電壓，即

②間接調頻法（阿姆斯特朗法）

a．間接調頻的定義

間接調頻是先將調制信號積分，然后對載波進行調相，產生一個NBFM信號，再經n次倍

頻器得到WBFM信號的方法。

b．間接調頻的實現框圖

圖5-20 間接調頻實現框圖

c．間接調頻的特點

優點：頻率穩定度好。

缺點：需多次倍頻和混頻，電路較復雜。

（2）調頻信號的解調

①非相干解調

a．非相干解調的表達式

當調頻信號的一般表達式為

時，解調器的輸出應為

b．非相干解調的實現

圖5-21 非相干解調實現框圖

限幅器：消除信道中噪聲和其他原因引起的調頻波的幅度起伏。

帶通濾波器（BPF）：讓調頻信號順利通過，同時濾除帶外噪聲及高次諧波分量。

鑒頻器：產生與輸入調頻信號的頻率呈線性關系的輸出電壓。關系圖如下所示：

圖5-22 振幅鑒頻器特性

圖5-23 振幅鑒頻器的原理框圖

微分器：把幅度恒定的調頻波s

FM

(t)變成幅度和頻率都隨調制信號m(t)變化的調幅調頻波

s(t)，即

d

包絡檢波器：將其幅度變化檢出并濾去直流。

低通濾波器（LPF）：經低通濾波后得到的解調輸出為

式中，K

d

為鑒頻器靈敏度（V／（rad／s））。

c．非相干解調的應用

調頻波進行解調時，非相干解調不需要同步信號對NBFM信號和WBFM信號均適用，是

FM系統的主要解調方式。

②相干解調

a．相干解調的原理

圖5-24 NBFM信號的相干解調圖

b．相干解調的輸出

c．相干解調的條件

本地載波與調制載波同步。

d．相干解調的應用

調頻波進行解調時，相干解調僅對NBFM信號適用，且需同步信號，故應用范圍受限。