畢業(yè)論文--fm調(diào)制與解調(diào)電路設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前言2</b></p><p><b>　　1、概念2</b></p><p><b>　　1.1簡(jiǎn)述FM

2、2</b></p><p>　　1.2調(diào)制與解調(diào)3</p><p>　　2、FM調(diào)制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1FM調(diào)制系統(tǒng)的分析4</p><p>　　2.2調(diào)頻電路分析5</p><p>　　3、FM解調(diào)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1F

3、M解調(diào)方法的分析9</p><p>　　3.2解調(diào)電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.3鎖相環(huán)電路的設(shè)計(jì)13</p><p>　　4、調(diào)頻系統(tǒng)的性能分析15</p><p><b>　　5、總結(jié)17</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：18</b>&l

4、t;/p><p>　　FM調(diào)制與解調(diào)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：眾所周知，F(xiàn)M應(yīng)用于人們最熟悉的無(wú)線廣播中。FM還用于模擬電視標(biāo)準(zhǔn)中語(yǔ)音信號(hào)的傳輸?shù)瘸Ｒ?jiàn)的應(yīng)用。雖然FM自身的非線性特質(zhì)，在許多情形下，只能進(jìn)行近似分析。但由于它的抗噪性能和恒包絡(luò)優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用的廣泛性，F(xiàn)M的調(diào)制與解調(diào)還是值得研究一番的。本文采用直接調(diào)頻和間接調(diào)頻法對(duì)FM進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)鑒頻器、鎖相環(huán)對(duì)FM進(jìn)行解調(diào)。并通過(guò)s

5、plan軟件繪制調(diào)制解調(diào)電路并對(duì)其分析，采用MATLAB/Simulink的通信系統(tǒng)仿真對(duì)系統(tǒng)性能的分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：FM調(diào)制；FM解調(diào)；直接調(diào)頻；間接調(diào)頻；鑒頻器；鎖相環(huán)</p><p>　　Design of FM Modulation and Demodulation Circuit</p><p>　　Abstract: As we all

6、 know, FM is used in people's most familiar wireless broadcasting. FM is also used in analog television standards for the transmission of voice signals and other common applications. Although FM has its own nonlinear

7、 characteristics, it can only be approximated in many cases. But because of its anti noise performance and constant envelope advantages as well as the wide range of applications, the modulation and demodulation of FM is

8、still worth studying. In this paper, FM is mo</p><p>　　Keywords: FM modulation;FM demodulation;direct frequency modulation;indirect frequency modulation;frequency discriminator;phase locked loop</p>&

9、lt;p><b>　　前言</b></p><p>　　隨著人們生活品質(zhì)的提高，F(xiàn)M技術(shù)被廣泛運(yùn)用于高保真音樂(lè)廣播、立體聲廣播、多聲道電視音響、電子音樂(lè)合成技術(shù)中。這就需要我們對(duì)FM系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)熟悉與掌握。本文主要介紹通過(guò)直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻法對(duì)FM進(jìn)行調(diào)制，直接調(diào)頻法即用調(diào)制信號(hào)直接控制決定振蕩器振蕩頻率的某個(gè)元件參數(shù)，使振蕩器瞬時(shí)頻率跟隨調(diào)制信號(hào)大小呈線性變化，即可實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制

10、。間接調(diào)頻法就是利用頻率與相位間有微積分的關(guān)系，首先要將調(diào)制信號(hào)進(jìn)行積分，然后對(duì)載波進(jìn)行調(diào)相。其中直接調(diào)頻法采用變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路和電抗管調(diào)頻電路，間接調(diào)頻法是采納變?nèi)莨苷{(diào)相電路電路。解調(diào)主要采用鑒頻器（非相干解調(diào)）或鑒相器（非相干解調(diào)）以及鎖相環(huán)電路（相干解調(diào)），其中鎖相環(huán)電路是由環(huán)路濾波器、鑒相器、壓控振蕩器組成。</p><p><b>　　1、概念</b></p>

11、<p><b>　　1.1簡(jiǎn)述FM</b></p><p>　　Fm(frequency modulation)就是調(diào)頻。從習(xí)慣上通常我們用FM來(lái)指普通的調(diào)頻廣播（中國(guó)的頻段選用88-108MHZ），實(shí)際上FM也是一種調(diào)制形式，即便在短波范圍內(nèi)的27-30MHZ之內(nèi)，作為業(yè)余的廣播電臺(tái)、太空人造衛(wèi)星通訊應(yīng)用的頻段，也有采納調(diào)頻（FM）的方式。正弦載波有幅度、頻率、相位三個(gè)參量。我們

12、可以把調(diào)制信號(hào)的信息荷載于載波的幅度變化之中，還可以將調(diào)制信號(hào)的信息荷載于載波的頻率或相位變化之中。在調(diào)制的時(shí)候，如果載波的頻率跟隨著調(diào)制信號(hào)變化而變化，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻（FM）。在這樣的調(diào)制過(guò)程中，載波的幅度都表現(xiàn)為恒定不變，而頻率和相位的變化都體現(xiàn)為載波瞬時(shí)相位的變化。因此我們把調(diào)頻與調(diào)相都稱之為角度調(diào)制[1]。</p><p>　　角度調(diào)制信號(hào)的一般表達(dá)式為</p><p><

13、;b>　?。?）</b></p><p>　　所謂頻率調(diào)制（FM），是指瞬時(shí)頻率偏移隨調(diào)制信號(hào)m(t)成比例變即 </p><p><b>　?。?）</b>

14、</p><p><b>　　這時(shí)的相位偏移為</b></p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　將（3）帶入式（1），可得調(diào)頻信號(hào)為</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　提到FM就必須要考慮到PM，

15、那么他們之間有什么關(guān)系呢？所謂相位調(diào)制（PM），指的是瞬時(shí)相位偏移跟隨著調(diào)制信號(hào)m(t)作線性變化，即</p><p><b>　　(5)</b></p><p>　　將（5）帶入式（1）中，即可得調(diào)相信號(hào)為</p><p><b>　　(6)</b></p><p>　　因?yàn)橄辔缓皖l率之間存在微分

16、與積分的關(guān)系，所以PM與FM之間是可以相互轉(zhuǎn)換的。</p><p>　　圖1 直接調(diào)頻流程圖</p><p>　　圖2 間接調(diào)頻流程圖</p><p>　　調(diào)頻又分為窄帶調(diào)頻和寬帶調(diào)頻，當(dāng)FM信號(hào)的最大瞬時(shí)相位偏移滿足</p><p>　?。ɑ?.5） (7)</p><p>　　FM

17、信號(hào)的頻譜帶寬較窄，我們稱為窄帶調(diào)頻（NBFM），否則我們稱為寬帶調(diào)頻（WBFM）[2]。</p><p><b>　　1.2調(diào)制與解調(diào)</b></p><p>　　大量信源產(chǎn)生的都是模擬信號(hào)。模擬信號(hào)可以直接進(jìn)行調(diào)制和傳輸，也可以將其數(shù)字化，再利用數(shù)字調(diào)制技術(shù)進(jìn)行傳輸。我們提到的調(diào)制，就是把信號(hào)方式轉(zhuǎn)換成適合在信息通道內(nèi)傳輸?shù)囊环N過(guò)程。廣義上的調(diào)制我們分為兩種，基帶

18、調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱之為載波調(diào)制）。本文調(diào)制指的是載波調(diào)制。</p><p>　　載波調(diào)制即利用調(diào)制信號(hào)去掌控載波的參數(shù)，讓載波的某個(gè)或某幾個(gè)參數(shù)依照調(diào)制信號(hào)的法則而變化。調(diào)制信號(hào)就是來(lái)自信源的基帶信號(hào)，這些信號(hào)既可以是模擬信號(hào)，也可以是數(shù)字信號(hào)。載波就是沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制的周期性振蕩信號(hào)，它可以是正弦波，又可以不是正弦波（就比如周期性脈沖序列）。載波經(jīng)過(guò)調(diào)制后，我們稱之為已調(diào)信號(hào)，它包含調(diào)制信號(hào)的全部特點(diǎn)。解調(diào)就是調(diào)

19、制的逆過(guò)程，它的作用就是將已調(diào)制信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)從中恢復(fù)出來(lái)。</p><p>　　調(diào)制的作用和目的：第一，在無(wú)線傳輸中，為了取得比較高的輻射頻率，天線的尺寸長(zhǎng)度必須與發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)相比較。這是因?yàn)榛鶐盘?hào)通常包括低頻分量，如果直接發(fā)射，就會(huì)因?yàn)樘炀€過(guò)長(zhǎng)而難以實(shí)現(xiàn)。第二，可以把多個(gè)基帶信號(hào)分別搬移到不同的載頻上，用于實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，以提高信道的利用率。第三，可以擴(kuò)大信號(hào)的帶寬，用于提升系統(tǒng)的抗干擾的能力。因而

20、，調(diào)制對(duì)通訊系統(tǒng)的有效性及可靠性都有很大的影響和用處。</p><p>　　2、FM調(diào)制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1FM調(diào)制系統(tǒng)的分析 </p><p>　　在前言中已提到FM調(diào)制主要有兩種方法：直接調(diào)頻方法和間接調(diào)頻方法（窄帶調(diào)頻-倍頻），其實(shí)目前廣泛使用的調(diào)頻方法是鎖相調(diào)頻，用這樣辦法得到的調(diào)頻信號(hào)的載頻頻率穩(wěn)定度與時(shí)鐘源(時(shí)鐘源是用來(lái)為環(huán)形脈沖

21、發(fā)生器提供電平匹配并且穩(wěn)定頻率的方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)。它一般由與非門組成的正反饋振蕩電路和石英晶體振蕩器組成的，它的輸出運(yùn)送至環(huán)形脈沖發(fā)生器中)相同,而且還可方便地改變載波頻率[3]。</p><p>　　圖3 直接調(diào)頻電路模型圖</p><p>　　那么首先我們來(lái)了解直接調(diào)頻的方法，它的電路是怎樣設(shè)計(jì)的。因?yàn)榻嵌日{(diào)制器通常是時(shí)變非線性系統(tǒng)。所以對(duì)直接調(diào)頻法，我們可以設(shè)計(jì)頻率隨輸入電壓變化而變

22、化的振蕩器。當(dāng)輸入的電壓等于零時(shí)候，振蕩器產(chǎn)生頻率為f的正弦波；當(dāng)輸入的電壓產(chǎn)生變化的時(shí)候，正弦波的頻率隨之改變。這種振蕩器一般稱之為壓控振蕩器（voc），實(shí)現(xiàn)它主要有兩種方法，一種使用變?nèi)荻O管，另一種使用電抗管。</p><p><b>　　2.2調(diào)頻電路分析</b></p><p>　　2.2.1變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路</p><p>　

23、　變?nèi)荻O管是使用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電容跟隨加在它的兩端的反向電壓變化而改變的特點(diǎn)制作成的，它是一種壓控可以改變電抗元件，反向電壓和結(jié)電容間的關(guān)系如下公式：</p><p><b>　　(8)</b></p><p>　　在上述式中，就是=0時(shí)的結(jié)電容值；就是PN結(jié)的勢(shì)壘電位差值；就是電容變化指數(shù)值，它是由PN結(jié)的構(gòu)造和半導(dǎo)體摻雜濃度決定。叫作緩變結(jié)；叫作突變結(jié)；γ=1

24、～4叫作超突變結(jié)；基本上可以實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻；最大可以高達(dá)6以上。由-關(guān)系我們可以設(shè)計(jì)將變?nèi)荻O管接入振蕩器決定振蕩頻率的回路中，并用調(diào)制信號(hào)改變他的偏壓即可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，但需注意的是變?nèi)荻O管必須工作在反向偏壓范圍內(nèi)。故設(shè)計(jì)如下中心頻率為70MHz100kHz、頻偏為6MHz的變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路。它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以獲得較大的頻率偏移，線路比較簡(jiǎn)單，而且不需求調(diào)制功率，但是中心頻率穩(wěn)定度比較低[4]。</p><p>

25、;　　下圖中振蕩器是電感反饋式三點(diǎn)電路，晶體管基極和振蕩回路采用部分接入方式，、和組成低通π形濾波器，使調(diào)制信號(hào)加在變?nèi)荻O管上面，而且高頻電壓卻不能進(jìn)入調(diào)制信號(hào)源。對(duì)高頻是近似短路。為了提高調(diào)頻信號(hào)中心頻率的穩(wěn)定度，變?nèi)莨艿姆€(wěn)壓電路采用穩(wěn)壓措施，并用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償，用調(diào)節(jié)變?nèi)莨艿闹绷鞴ぷ鼽c(diǎn)電壓，使中心頻率符合所要求的數(shù)值；改變調(diào)節(jié)晶體管電流，以改變振蕩電壓的大小和得到最好的調(diào)頻線性。右圖為其交流等效電路。</p>

26、<p>　　圖4 電感反饋式三點(diǎn)電路圖</p><p>　　下圖是一變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路的應(yīng)用例子，中心頻率為100MHz的晶體振蕩器的變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路，應(yīng)用于無(wú)線話筒的發(fā)射機(jī)[5]。</p><p>　　圖5 無(wú)線話筒的發(fā)射機(jī)圖</p><p>　　2.2.2電抗管直接調(diào)頻電路設(shè)計(jì)</p><p>　　電抗管是一種可控電抗電路

27、，它可由任何放大器件所構(gòu)成，其工作原理都是相同的。與變?nèi)莨鼙容^，電抗管除了電路稍復(fù)雜一點(diǎn)外，其突出優(yōu)點(diǎn)是便于集成化，用電抗管可以代替集成電路中不易實(shí)現(xiàn)的電感元件。下圖表示用場(chǎng)效應(yīng)管組成電抗管的原理電路。</p><p>　　圖6 場(chǎng)效應(yīng)管組成電抗管的原理電路圖</p><p>　　下圖是晶體管組成的電抗管直接調(diào)頻電路，圖中～與、是電抗管與振蕩管的直流偏置電阻，、、、對(duì)高頻短路，是耦合電容，

28、、、、組成諧振回路，、為高頻振流圈。電抗管調(diào)頻器的缺陷是:振蕩頻率的穩(wěn)定度不是很高；頻率偏移也不能很大,阻抗 Ze一般還有電阻分量，這個(gè)電阻分量也會(huì)隨之變化,這個(gè)分量變化使振蕩器產(chǎn)生寄生調(diào)幅。這種調(diào)頻器的優(yōu)點(diǎn)是電路較簡(jiǎn)單，先期的調(diào)頻裝置經(jīng)常使用這種電路，其后逐漸被變?nèi)荻O管調(diào)頻器所替代[6]。</p><p>　　| 電抗管電路|振蕩器電路|</p><p>　　圖7 晶體管組成

29、的電抗管直接調(diào)頻電路</p><p>　　2.2.3間接調(diào)頻電路設(shè)計(jì)</p><p>　　對(duì)于間接調(diào)頻，我們已經(jīng)在上文中提到過(guò)間接調(diào)頻是怎樣設(shè)計(jì)的，先調(diào)相再</p><p>　　通過(guò)積分生成調(diào)頻信號(hào)。那么如何調(diào)相？本文主要講兩種方法，矢量合成法和移相法。</p><p>　　我們知道調(diào)相波的表達(dá)式：</p><p>&

30、lt;b>　　(9)</b></p><p><b>　　且當(dāng)很小時(shí)，</b></p><p><b>　　(10)</b></p><p>　　由上式可得矢量合成法調(diào)相電路模型：</p><p>　　圖8 矢量合成法調(diào)相電路模型</p><p>　　對(duì)于移

31、相法，用可控電抗或可控電阻元件都能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)相功能。下圖是一個(gè)可控移相法調(diào)相電路模型：</p><p>　　圖9 可控移相法調(diào)相電路模型</p><p>　　上述我們已經(jīng)了解了矢量合成法和移相法調(diào)相電路模型，那么如何在電路中實(shí)現(xiàn)他們呢？這里我們主要研究移相法電路實(shí)現(xiàn)，最經(jīng)常用的是變?nèi)荻O管作可控電抗元件。我們都知道間接調(diào)頻方法是先將調(diào)制信號(hào)先積分，然后對(duì)載波進(jìn)行調(diào)相，就可以產(chǎn)生一個(gè)NBFM信

32、號(hào)，再經(jīng)N次倍頻器得到WBFM信號(hào)，這種方法也稱阿姆斯特朗法。但倍頻級(jí)數(shù)太多會(huì)使發(fā)射機(jī)變得復(fù)雜，所以還應(yīng)從改進(jìn)調(diào)相電路入手，提高相位偏移角，減少倍頻級(jí)數(shù)。下圖是一個(gè)加大頻率的三個(gè)單級(jí)諧振回路級(jí)聯(lián)構(gòu)成的調(diào)相電路，每級(jí)并聯(lián)回路采用一個(gè)變?nèi)荻O管進(jìn)行調(diào)相。輸出總相移是三級(jí)回路相移之和，這就增大了頻偏[7]。</p><p>　　圖10 三個(gè)單級(jí)諧振回路級(jí)聯(lián)構(gòu)成的調(diào)相電路</p><p>　　3、

33、FM解調(diào)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1FM解調(diào)方法的分析</p><p>　　根據(jù)FM解調(diào)器的工作原理可將其分為如下三大類，鑒頻、相移鑒頻、鎖相環(huán)。在現(xiàn)代FM系統(tǒng)中，如果需要非相干FM解調(diào)器，則采用正交檢波器。這類例子包括低質(zhì)量和中等質(zhì)量的FM接收機(jī)、電視機(jī)中的FM音頻解調(diào)器。鎖相環(huán)芯片因其優(yōu)異的性能和日益下降的成本，現(xiàn)廣泛用做FM解調(diào)器。</p><p&

34、gt;　　首先我們來(lái)了解鑒頻器解調(diào)方法，所謂鑒頻，即首先生成一個(gè)幅度與FM信號(hào)的頻率成正比的AM信號(hào)，然后利用AM解調(diào)器恢復(fù)調(diào)制信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)第一步，即把FM信號(hào)轉(zhuǎn)換為AM信號(hào)，只需要將FM信號(hào)通過(guò)一個(gè)頻率響應(yīng)在FM信號(hào)頻帶范圍內(nèi)近似為直線的線性時(shí)不變系統(tǒng)。</p><p><b>　　若系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為</b></p><p><b>　?。?1）<

35、/b></p><p><b>　　系統(tǒng)輸入為</b></p><p><b>　　(12)</b></p><p><b>　　系統(tǒng)的輸出為</b></p><p><b>　　(13)</b></p><p>　　下圖是F

36、M解調(diào)電路思路： </p><p>　　圖11 FM解調(diào)電路模型</p><p>　　有了這一思路，我們就可以設(shè)計(jì)出鑒頻器，下圖是鑒頻器模型：</p><p>　　圖12 鑒頻解調(diào)模型</p><p><b>　　3.2解調(diào)電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　根據(jù)模型我們可以設(shè)計(jì)出各種鑒頻器，例

37、如相位鑒頻器、比例鑒頻器、斜率鑒頻器。下面介紹一種鑒頻器：?jiǎn)坞p失諧回路鑒頻器。</p><p>　　下圖的單失諧回路斜率鑒頻器是由二極管包絡(luò)檢波器和單失諧回路組成的，圖中初級(jí)回路調(diào)諧于信號(hào)載波頻率，次級(jí)回路調(diào)諧于，這里次級(jí)回路對(duì)輸入調(diào)頻波的中心頻率是失諧的。為了取得線性鑒頻特征，總是使輸入調(diào)頻波的載波處于諧振特性曲線傾斜部分中靠近直線段的中點(diǎn),這樣，次級(jí)回路就可將輸入等幅調(diào)頻波變換為調(diào)幅波，而后通過(guò)包絡(luò)檢波完成鑒

38、頻[8]。</p><p>　　圖13 單失諧回路斜率鑒頻器</p><p>　　為了擴(kuò)大鑒頻特性的線性范圍，經(jīng)常采用兩個(gè)失諧回路構(gòu)成的平衡電路。</p><p>　　圖14 雙失諧回路斜率鑒頻器</p><p>　　下圖是雙失諧回路鑒頻器的實(shí)際電路，三個(gè)回路分別調(diào)諧于、、。為減少相互的影響，采用兩個(gè)共基極放大器將其隔開(kāi)。</p>

39、<p>　　圖15 雙失諧回路鑒頻器實(shí)際電路圖</p><p>　　下面介紹另一種鑒頻器：相位鑒頻器，相位鑒頻器的工作原理不是利用電路的振幅-頻率特性，而是根據(jù)電路的相位-頻率特性來(lái)完成鑒頻作用的。實(shí)質(zhì)上它是利用延時(shí)（相移）、相減作用來(lái)變調(diào)頻波為調(diào)頻調(diào)幅波的，因?yàn)槲⒎值谋磉_(dá)式可構(gòu)成下面方框圖：</p><p>　　圖16 相位鑒頻器微分流程圖</p><p

40、>　　實(shí)際電路中，常用耦合諧振回路作為相移網(wǎng)絡(luò)。下圖是用耦合回路與二極管檢波器組成的平衡式相位鑒頻器。二極管、，電阻、，電容、分別構(gòu)成兩個(gè)振幅檢波器，鑒頻器的輸出電壓是這兩個(gè)檢波器輸出電壓之差。耦合電容Cc和扼流圈是為了讓加在兩個(gè)檢波器上的電壓不能總是大小相等，這樣就能保證輸出電壓不能永遠(yuǎn)等于零。接一高頻扼流圈，可以保證Cc阻抗很低，接近于短路，這樣加在兩端的電壓就等于。當(dāng)調(diào)頻波瞬時(shí)頻率改變時(shí)，由于諧振回路的相位特性，和幅度也隨之

41、改變，這就從調(diào)頻波轉(zhuǎn)變成了調(diào)幅波頻波[9]。</p><p>　　圖17 相位鑒頻器原理圖</p><p>　　前面我們已經(jīng)討論了斜率鑒頻器和相位鑒頻器，這兩類鑒頻器都不能去掉調(diào)頻波寄生調(diào)幅引起的輸出波形失真，所以使用時(shí)必須要加限幅器，而有了限幅器，就要使限幅器能夠有效限幅，這就需要在限幅器前有較大的放大量，而這樣就會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)高頻數(shù)量的級(jí)數(shù)增加。如果有一個(gè)鑒頻器同時(shí)具有限幅和鑒頻的能力就

42、很好了，而下面介紹的比例鑒頻器，就具有限幅和鑒頻的能力。</p><p>　　那么比例鑒頻器是如何實(shí)現(xiàn)限幅作用的呢？通過(guò)分析我們知道/比值不受調(diào)頻波振幅變化的影響，所以，鑒頻器輸出的電壓與調(diào)頻波振幅的變化無(wú)關(guān)。這就實(shí)現(xiàn)了限幅作用。</p><p><b>　　圖18 比例鑒頻器</b></p><p>　　3.3鎖相環(huán)電路的設(shè)計(jì)</p&g

43、t;<p>　　鎖相環(huán)技術(shù)是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種反饋控制技術(shù)。它的基本的控制作用是在反饋電路中生成一個(gè)本地振蕩信號(hào)當(dāng)做輸出，它的相位“鎖定”在環(huán)路輸入信號(hào)的相位上。上面說(shuō)的相位鎖定指的是兩個(gè)信號(hào)的頻率完全相等，他們的相位差值保持在恒定的值。</p><p>　　鎖相環(huán)路（PLL）由鑒相器、低通環(huán)路濾波器以及壓控振蕩器組成，鑒相器</p><p>　　圖19 鎖相環(huán)電路

44、模型圖</p><p>　　主要產(chǎn)生誤差信號(hào)，且該信號(hào)正比于輸入?yún)⒖夹盘?hào)相位與本地產(chǎn)生的壓控振蕩器信號(hào)的相位之差；環(huán)路濾波器對(duì)誤差信號(hào)濾波，產(chǎn)生構(gòu)成壓控振蕩器輸入的控制信號(hào)；壓控振蕩器產(chǎn)生的輸出信號(hào)的頻率正比于壓控振蕩器輸入端的控制信號(hào)。</p><p>　　那么鎖相環(huán)是怎么工作的呢？</p><p>　　下面我們來(lái)了解鎖相環(huán)工作過(guò)程，首先鑒相器將輸入?yún)⒖夹盘?hào)的相位

45、與壓控振蕩器輸出的相位進(jìn)行比較，由此產(chǎn)生誤差信號(hào)。然后對(duì)誤差信號(hào)濾波，目的是去掉噪聲和一些其他不需要的頻率分量。壓控振蕩器的頻率隨控制電壓的值變化而變化，一直到相位的鎖定。然后鎖相環(huán)捕獲鎖定，一旦捕獲，若輸入頻率變化十分緩慢，壓控振蕩器就會(huì)在某一范圍追蹤輸入?yún)⒖夹盘?hào)的頻率。另外鎖相環(huán)的輸出可以從壓控振蕩器控制電壓、基帶壓控振蕩器控制電壓，或從壓控振蕩器輸出中的任一個(gè)獲取，這取決于具體應(yīng)用。基帶輸出會(huì)追蹤輸入相位變化。壓控振蕩器的輸出可作

46、為本地振蕩器的信號(hào)，也可用作產(chǎn)生數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。</p><p>　　下圖是PLL用作FM解調(diào)器的Simulink模型</p><p>　　圖20 PM解調(diào)器Simulink建模</p><p>　　原消息信號(hào)波形和恢復(fù)的消息信號(hào)波形如下：</p><p><b>　　圖21 輸出波形圖</b></p>

47、<p>　　鎖相環(huán)電路在現(xiàn)代生活中之所以得到日益廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗泻芏鄡?yōu)點(diǎn)及特性：</p><p>　　1、當(dāng)環(huán)路被鎖定，如果輸入信號(hào)頻率有變化，壓控振蕩器頻率就會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，這種隨輸入信號(hào)頻率變化而變化的特性，我們稱它為環(huán)路跟蹤特性。</p><p>　　2、另外鎖相環(huán)路中的濾波器還具有窄帶濾波的特性，也就是說(shuō)它能夠?qū)⒒爝M(jìn)信號(hào)中的噪聲和干擾信息濾掉。同時(shí)這個(gè)通帶可以做的

48、很窄，也就是說(shuō)，可以在幾十兆赫的頻率上完成幾赫的窄帶濾波。這種特性是任何濾波器都難以達(dá)到的。</p><p>　　3、鎖相環(huán)路通過(guò)相位產(chǎn)生誤差電壓，所以在鎖定時(shí)只產(chǎn)生剩余相差，沒(méi)有剩余偏差。而在自動(dòng)頻率微調(diào)系統(tǒng)中使通過(guò)頻率比較產(chǎn)生誤差，所以在穩(wěn)定工作中有剩余頻差。正因?yàn)殒i相環(huán)路有如此特性，在自動(dòng)頻控、頻率合成技術(shù)等都有普遍應(yīng)用。</p><p>　　4、鎖相環(huán)路的部件容易使用模擬集成電路，

49、經(jīng)過(guò)數(shù)字化后，更加容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字集成的電路。集成后的電路具有可以減少體積、降低成本、提高可靠性等優(yōu)點(diǎn)[10]。</p><p>　　4、調(diào)頻系統(tǒng)的性能分析</p><p>　　上述我們已經(jīng)了解了調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)，產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)一般有兩類：直接調(diào)頻法以及間接調(diào)頻法。對(duì)于直接調(diào)頻法，我們已經(jīng)知道是振蕩器與調(diào)制器的合二為一，這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是，在實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的條件下，我們可以獲得比較大的頻率偏

50、移；但他也有缺點(diǎn)，缺點(diǎn)是穩(wěn)定度不高，需要采用自動(dòng)頻控系統(tǒng)來(lái)穩(wěn)定中心頻率。像鎖相環(huán)調(diào)制器就可以獲得高質(zhì)量的FM信號(hào)，這種方法穩(wěn)定度就很高，但同時(shí)，它也是有缺點(diǎn)的，它的低頻調(diào)制特性較差。在直接調(diào)頻之后，我們又介紹了間接調(diào)頻，間接調(diào)頻即先調(diào)相再轉(zhuǎn)化為FM信號(hào)，這樣完成調(diào)相的電路獨(dú)立于高頻率載波振蕩器之外，所以這種調(diào)頻波突出的長(zhǎng)處是載波中心頻率的穩(wěn)定性能夠做到較高，但是也可能得到的最大頻率偏移比較小。</p><p>　

51、　不管是間接調(diào)頻，還是直接調(diào)頻，都需要頻率偏移盡可能大，而且要與調(diào)制信號(hào)維持良好的線性關(guān)系；中心頻率的穩(wěn)定度要盡可能高；寄生調(diào)幅須要盡可能??；調(diào)制的靈敏度盡可能高。其中頻率偏移增大調(diào)制線性度之間是矛盾的。</p><p>　　對(duì)于解調(diào)模塊，我們選用的是鑒頻器和鎖相環(huán)路，上述我們已經(jīng)介紹了鎖相環(huán)路比鑒頻器具有更優(yōu)越的特性而得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　下面我們來(lái)介紹一下調(diào)頻系統(tǒng)的抗噪

52、性能情況，下面是調(diào)頻系統(tǒng)非相干解調(diào)抗噪性能模型： </p><p>　　圖22 非相干解調(diào)抗噪性能模型圖</p><p>　　通過(guò)公式推導(dǎo)及分析，我們知道，在大信噪比的情況下，寬帶調(diào)頻系統(tǒng)增益很高，這就說(shuō)明他的抗噪聲性能很好。另外，我們知道寬帶調(diào)頻的輸出信噪比與他們的帶寬比的平方成正比，這就說(shuō)明，對(duì)FM系統(tǒng)而言，增加傳輸帶寬即可改善抗噪性能。但以帶寬來(lái)?yè)Q取輸出信噪比的改善不是永無(wú)止境的，隨

53、著帶寬的增大，在輸入信號(hào)功率不變的前提下，輸入信噪比勢(shì)必會(huì)下降，下降到一定程度，就會(huì)出現(xiàn)門限效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致輸出信噪比急劇惡化。</p><p>　　對(duì)于門限效應(yīng)，我們知道這是在處理調(diào)頻系統(tǒng)式必須要面臨的實(shí)際問(wèn)題，那么如何解決或避免呢？通常我們會(huì)采用鎖相環(huán)解調(diào)器和負(fù)反饋解調(diào)器，他們的門限值比一般鑒頻器門限電平都要低6~10db。除此之外，我們還可以通過(guò)預(yù)加重和去加重技術(shù)來(lái)改善。所謂預(yù)加重和去加重，即在解調(diào)器輸出端加一

54、個(gè)傳輸特性隨頻率增加而滾降的線性網(wǎng)絡(luò)，使高頻段的噪聲衰減，總的噪聲功率下降。下圖是引入加重技術(shù)的調(diào)頻系統(tǒng)。</p><p>　　圖23 引入加重技術(shù)的調(diào)頻系統(tǒng)模型</p><p>　　不失真條件： （14）</p><p>　　上面我們已經(jīng)了解了非相干解調(diào)的抗噪聲性能，下面我們來(lái)了解相干解調(diào)的抗噪聲

55、性能，下圖是窄帶調(diào)頻系統(tǒng)的相干解調(diào)模型：</p><p>　　圖24 窄帶調(diào)頻系統(tǒng)的相干解調(diào)模型圖</p><p>　　通過(guò)公式推導(dǎo)及分析，我們知道窄帶調(diào)頻的信噪比增益很低，但最重要的是窄帶調(diào)頻信號(hào)采用相干解調(diào)不存在門限效應(yīng)。</p><p><b>　　5、總結(jié)</b></p><p>　　本篇論文主要介紹FM調(diào)頻系統(tǒng)

56、的調(diào)制與解調(diào)電路的設(shè)計(jì)，在調(diào)制方面我主要從直接調(diào)制和間接調(diào)制入手，直接調(diào)制主要采用變?nèi)荻O管和電抗管調(diào)制；對(duì)于間接調(diào)制我先進(jìn)行調(diào)相再生成調(diào)頻信號(hào)。在解調(diào)方面，我主要從鑒頻器和鎖相環(huán)路去分析，雖然鑒頻器有很多種類，也各有優(yōu)點(diǎn)，但由于鎖相環(huán)路有其更明顯的優(yōu)點(diǎn)以及適應(yīng)社會(huì)所需，應(yīng)用的就較為普遍。研究FM讓我明白了很多，懂得了很多，讓我對(duì)FM有一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。從FM系統(tǒng)整體而言，它的性能相比其他系統(tǒng)，它的抗噪性能也是不錯(cuò)的，但也不是無(wú)止境的，會(huì)

57、導(dǎo)致門限效應(yīng)，這個(gè)時(shí)候引入預(yù)加重和去加重就可以避免。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2015:104-121.</p><p>　　[2] Mohammed Farooque Mesiya(美).現(xiàn)代通信系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版

58、社，2014:113-125.</p><p>　　[3] 孫愛(ài)晶，黨薇，吉利萍.通信原理[M].北京：人民郵電出版社，2014:94-107.</p><p>　　[4] (美)John G.Proakis，Masoud Salehi.通信系統(tǒng)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016:103-115.</p><p>　　[5] 劉聯(lián)會(huì)，王建新.通信電路與系統(tǒng)[

59、M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2014:95-108.</p><p>　　[6] 王福昌，屈代明.通信原理[M].第二版.北京：清華大學(xué)出版社，2015:83-97.</p><p>　　[7] 邱寬民.多信息移頻軌道電路信號(hào)調(diào)制頻率選擇的探討[J].鐵道學(xué)報(bào)，2015,(3):64-68.</p><p>　　[8] 賀超英.MATLAB應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教程[M].

60、北京：電子工業(yè)出版社，2010:45-151.</p><p>　　[9] 葛熠.基于MATLAB的FSK調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的模擬仿真[J].科技視界，2012,3(4):53-64. </p><p>　　[10] 錢超.基于OPSK的調(diào)制與解調(diào)的系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)[J].伺服控制，2012,2(5):38-46.</p><p><b>　　致謝</b&g

61、t;</p><p>　　時(shí)光荏苒，匆匆四年，一晃而過(guò)，很快就到了畢業(yè)季。在離別之際，我要感謝我的母校皖西學(xué)院，在這四年對(duì)我的辛苦培養(yǎng)。我要感謝這里的老師、同學(xué)，感謝這里的一草一木，有了他們，讓我在這四年里度過(guò)了一個(gè)快樂(lè)、充實(shí)的時(shí)光，也讓我明白了很多道理。特別要感謝我的指導(dǎo)老師，在論文階段對(duì)我的耐心指導(dǎo)，還要感謝我的輔導(dǎo)員，在畢業(yè)期間，對(duì)我們的悉心教導(dǎo)。</p><p>　　畢業(yè)在即，我要