草稿:调相器

在无线电通信和电子技术领域中，调相器是指通过控制正弦波（载波）的瞬时相位，使载波的瞬时相位随调制信号的幅度变化而变化，实现相位调制的电路。

在模拟调制中，常见的调相器实现方法有：

使用相移网络
使用谐振回路
Armstrong法调相
脉冲调相

在数字相移键控调制中，由于基带信号是取值范围只有若干个离散值的数字信号，所以可以很方便地使用模拟乘法器和加法电路实现。

使用谐振回路调相

这种电路是通过影响主振器后连接的放大器负载 LC回路来实现调相的。与使用变容二极管的调频器不同，这种电路没有直接改变振荡器的谐振频率，相反，其振荡器的谐振频率是恒定的，而相移是通过人为造成后续放大器电路的失谐实现。

假设负载回路的电容近似与v_Ω(t)成线性关系（可以使用变容二极管实现），且相移很小。经过简单推导，可知回路相对失谐为 ${\frac {\left\vert \Delta \omega \right\vert }{\omega _{0}}}\approx -{\frac {1}{2}}{\frac {\Delta C}{C_{0}}}$ ，其中C₀是回路初始电容。那么，可以得到输出电压的附加相移为 $\phi =-\arctan 2Q{\frac {\Delta \omega }{\omega _{0}}}\approx -2Q{\frac {\Delta \omega }{\omega _{0}}}$ （上式的近似在相移小于 ${\frac {\pi }{6}}$ 时成立）。这样我们就可以实现小相移调相。

使用调制信号控制负载回路的电感也可以得到类似的结果。

使用移相网络调相

这种电路是使用RC相移电路来实现调相的。载波电压 ${\dot {V_{i}}}$ 通过设计合理的三极管（BJT）倒相电路后，三极管的集电极交流电压为 $-{\dot {V_{i}}}$ ，发射极交流电压为 ${\dot {V_{i}}}$ 。在三极管发射极和集电极之间连接一个RC移相网络，其中电容靠近集电极，电阻靠近发射极，加在其上的电压为 $-2{\dot {V_{i}}}$ 。输出电压接在电阻和地之间。则有输出电压为 ${\dot {V_{i}}}+{\dot {V_{R}}}$ 。可以得到输出电压的相位为 $\pi +\phi =\pi +2\arctan {\frac {V_{C}}{V_{R}}}=\pi +2\arctan {\frac {1}{\omega _{0}CR}}$ 。在 $\phi$ 小于 ${\frac {\pi }{6}}$ 时，相移为 $\pi +\phi \approx \pi +{\frac {2}{\omega _{0}CR}}$ 。某些类型的超突变结变容二极管的结电容的倒数在一定范围内与反向偏置电压成近似线性关系。所以可以借此来实现线性调相。

Armstrong法调相

调相波的一般数学形式如下：

${\begin{alignedat}{2}f_{PM}(t)&=A_{0}\cos[\omega _{0}t+A_{p}v_{\Omega }(t)]\\&=A_{0}\cos \omega _{0}t\cos[A_{p}v_{\Omega }(t)]-A_{0}\sin \omega _{0}t\sin[A_{p}v_{\Omega }(t)]\\&\approx A_{0}\cos \omega _{0}t-A_{0}A_{p}v_{\Omega }(t)\sin \omega _{0}t\\\end{alignedat}}$ ，

最后一行的近似在相移小于 ${\frac {\pi }{6}}$ 时成立。

我们可以使用简单的运算电路实现调相：

由主振器产生载波 $A_{0}\cos \omega _{0}t$ ；
由90度相移器得到 $A_{0}\sin \omega _{0}t$ ；
使用模拟乘法器得到 $A_{0}A_{p}v_{\Omega }(t)\sin \omega _{0}t$ ，再叠加得到调相波。

这种方法叫做Armstrong法，这是为了纪念其提出者。

这种方法得到的是调相调幅（PM-AM）波，其实际上的包络幅度为 $A_{0}{\sqrt {1+A_{p}^{2}v_{\Omega }^{2}(t)}}$ ，需要使用限幅器去除寄生调幅。其实际上的相位为 $\arctan A_{p}v_{\Omega }(t)$ 。

脉冲调相

上述调相方法具有明显的缺点：对最大相移的限制（小于 ${\frac {\pi }{6}}$ ）使得其调制指数无法达到很高。而脉冲调相可以克服这样的缺点。

由抽样脉冲发生器产生抽样脉冲，使用抽样保持电路对调制信号进行抽样保持。与此同时，锯齿波发生器根据抽样脉冲产生一系列锯齿波，在抽样脉冲到来时锯齿波会归零。锯齿波电压与调制信号的抽样保持信号叠加，输入门限比较电路，与预先设定的门限值进行比较。当该电压超过门限值时，门限检测电路会输出窄脉冲，其位置受到调制信号的控制。将窄脉冲序列通过带通滤波器滤波后得到调相波。

数字调相（相移键控）的实现

二进制相移键控（2PSK，BPSK）可以很方便地由双极性矩形脉冲信号（使用正电平代表“1”，负电平代表“0”）与载波相乘得到。它只需要模拟乘法器电路。值得注意的是，单极性矩形脉冲信号（使用正电平代表“1”，零电平代表“0”）与载波相乘得到的是二进制幅移键控信号（2ASK，BASK，OOK）

差分相移键控（DPSK）是一种非相干的调相方式，不需要再接收机处有相干参考信号，因而得到广泛使用。在DPSK中，输入的比特序列先进行差分编码，再用BPSK调相器调相。差分编码d_k满足 $d_{k}={\overline {m_{k}\oplus d_{k-1}}}$ ，其中m_k是输入的比特序列。

四进制相移键控（4PSK，QPSK，4QAM）可以通过模拟乘法器和加法电路得到。由QPSK信号的星座图可以知道，我们可以先对二进制比特流进行串行并行转换得到双比特组；再用双比特组的高位和低位分别对相位相差π/2的两路载波进行BPSK调制，得到信号的同相分量和正交分量；最终将两者叠加起来，得到QPSK信号。

QPSK信号还可以通过相位选择来得到：由四个载波源分别产生四个不同相位的载波，按照输入的双比特，决定选择哪个相位的载波输出。这可以通过2-4译码器和模拟开关实现。

QPSK信号存在包络不恒定的缺点，这是由于其存在π相移导致的。这会导致信号在低电平处的失真，而低电平处线性度较好的放大器效率往往较低。为此人们开发了交错QPSK和π/4 QPSK的调制方式来解决问题。

在普通QPSK中，偶数位比特流与奇数位比特流的比特同时跳变。而在交错QPSK中则不同，交错QPSK中奇数位比特与偶数位比特的跳变会错开半个周期。这样相位跳变时载波相位最多相移π/2，可以避免载波相位瞬时跳变π弧度。

π/4 QPSK中，已调信号的相位拥有两个相差π/4的QPSK星座图。

应用

调相器及其产生的相位调制信号在多个领域有重要应用：

数字通信：调相是相移键控（PSK）的基础，广泛应用于现代数字通信系统，如Wi-Fi、数字电视（DVB）、卫星通信（如GPS）和蜂窝网络。
间接调频：由于直接生成大频偏的线性调频信号较困难，常采用“积分后调相”的方式（如Armstrong间接法）来产生高质量的调频波。
雷达与测距：在某些类型的雷达（如相位编码雷达）中，利用相位调制来提高抗干扰能力和测距精度。
声音合成：在电子音乐中，相位调制是产生复杂音色的一种重要技术。

参见

参考文献