第三章调频器模块制作与测试

3.3.2调频器模块制作与测试相位调制可分为两种：一种是频率调制，简称调频（FM）；另一种是相位调制，简称调相（PM）。角度调制和解调电路都属于频谱非线性变换电路调频（FM）：载波的幅度不变，而瞬时角频率ωC(t)随调制信号uΩ作线性变化。调相（PM）：载波的幅度不变，而瞬时相位C(t)随调制信号uΩ作线性变化。uΩ

→ωCuΩ

→(t)前一项目研究的振幅调制，是使高频载波的振幅受调制信号的控制，使它依照调制频率作周期性的变化，变化的幅度与调制信号的强度成线性关系，但载波的频率和相位则保持不变，不受调制信号的影响，高频振荡振幅的变化携带着信号所反映的信息。本项目则研究如何利用高频振荡的频率或相位的变化来携带信息，这叫做频率调制或相位调制，简称调频或调相，统称相位调制。uC=UCmcos(ωct+φ0)调相调频uΩuΩ调频波的解调称为鉴频或频率检波，调相波的解调称鉴相或相位检波。与调幅波的检波一样，鉴频和鉴相也是从已调信号中还原出原调制信号。调频比调幅抗干扰能力强：外来的各种干扰如:工业和天电干扰等，对已调波的影响主要表现为产生寄生调幅，形成噪声。调频制可以用限幅的方法，消除干扰所引起的寄生调幅。而调幅制中已调幅信号的幅度是变化的，因而不能采用限幅，也就很难消除外来的干扰。调频波比调幅波频带宽另外，信号的信噪比愈大，抗干扰能力就愈强。而解调后获得的信号的信噪比与调制系数有关，调制系数越大，信噪比越大。由于调频系数远大于调幅系数，因此，调频波信噪比高，调频广播中干扰噪声小。调频较调幅功率利用率高调频较调幅的好处:mf

高瞬时频率与瞬时相位之间的关系准备知识图.简谐振荡的矢量表示1.调角波的性质调角波的电压表达式：数学表达式⑴调频波FM

设载波uC＝UCmcosω0t，调制信号uΩ瞬时角频率:ωf

（t）=ω

0＋kf

uΩ调频波令：uΩ＝UΩmcosΩt

ωf(t)=ω

0＋kf

UΩm

cosΩt=ω

0＋∆ω

fmcosΩtω

0—载波角频率，即调频波中心角频率,kf—调频灵敏度，表示单位调制信号幅度引起的频率变化，单位rad/s.V或Hz/V⊿ω

fm——调频波最大角频偏，表示FM波频率摆动的幅度，⊿ω

fm=kf

UΩm

FM波表达式∴ψ(t)=∫ωf（t）dt

ω

f（t）=ω

0＋kf

UΩm

cosΩt调频系数:是调频时在载波信号的相位上附加的最大相位偏移，单位rad。则uFM＝UCmcos

ψ(t)=Ucmcos(ω

Ct+mfsinΩt)用DDS函数信号发生器产生一个调频波uFM，并看波形。设置调制信号频率上键进入调频功能模式按设置载波波形按设置载波频率按设置载波幅度按菜单：1即可选择调制波形为正弦波默认为正弦波按上键按上键设置调制信号频偏载波信号为正弦波:f=500K,vp-p

=2v,调制信号:f=2KHz,调制频偏为10KHz例：设载频f0=12MHz,载波振幅U0m=5V,调制信号uΩ(t)=1.5sin6280t(V),调频灵敏度kf=25kHz/V,试导出调频波表达式,并求:(1)调制信号频率和调频波中心频率;(2)最大频偏,调频系数和最大相偏;(3)调制信号频率减半时的最大频偏和相偏;(4)调制信号振幅加倍时的最大频偏和相偏.uΩ(t)=1.5sin6280t(V)=UΩmsinΩt,f0=12MHzω（t）=ω

0＋kf

UΩm

sinΩtΨ（t）=∫ω

（t）dt(2)调频系数,最大频偏,最大相偏(3)调制信号频率减半时的最大频偏和相偏;不变加倍(4)调制信号振幅加倍时的最大频偏和相偏.加倍加倍调频波频偏受调制信号幅度控制，与调制信号频率无关图画出了调频波瞬时频率、瞬时相位随调制信号(单音信号)变化的波形图以及调频波的波形图。

图8-1调频时的波形图

图（a）为调制信号v，图(b)为调频波，当v为波峰时，频率o+m为最大；当v为波谷时，频率o–m为最小。⑵调相波PM①瞬时相位若调制信号为

ψ（t）=ω0t＋kpUΩm

cosΩt=ω

0t+mpcosΩt令：mp=kp

UΩmω0——载波角频率kp——调相灵敏度，表示单位调制信号幅度引起的相位变化，单位rad/Vmp——调相系数，即最大相位偏移，表示PM波相位摆动的幅度，mp=kp

UΩm单位为rad。②PM波表达式uPM(t)＝U0mcos（

ω0t+mpcosΩt

）ω（t）=dψ（t）/dt=ω0－mpΩsinΩt=ω0－

∆ωpmsinΩt

∆ωpm=mpΩ=kp

UΩmΩ

—PM波最大角频偏调相系数mp=∆ωpm/Ω=∆fm/F关系与调频波一样仍成立调频、调相比较FM：

∆ωfm=kf

UΩm

mf＝∆ωfm/Ω=∆fm/F=kf

UΩm

／ΩPM：

∆ωpm=mpΩ=kp

UΩmΩmp=∆ωpm/Ω=∆fm/F相同点：载波幅度不变、

调制系数

m=∆ωm/Ω=⊿fm/F不同点：FM的∆ω

fm∝

UΩm

与Ω无关

PM的∆ω

pm∝

UΩm

、∆ω

pm∝

Ω

由此可知，调频波的最大频移与调制频率无关，则与成反比；与成正比，则与无关。几乎维持恒定，调相波的频谱宽度则随的不同而有剧烈变化。调频指数调相波的最大频移调相指数这是两种调制的根本区别。正是由于这一根本区别，调频波的频谱宽度对于不同的（2）调频波和调相波的频谱和频带宽度由于调频波和调相波的方程式相似，因此只要分析其中一种的频谱，则对另一种也完全适用。根据贝塞尔函数可以知道，调频波的频谱有无穷多个，见右图。并且调制指数mf

越大，具有较大振幅的边频分量就越多。在给定mf的情况下我们认为凡是振幅小于未调制载波振幅的1％(或10％，根据不同要求而定)的边频分量均可忽略不计，保留下来的频谱分量就确定了调频波的频带宽度。频谱宽度近似公式：（保留大于调制载波10%的变频分量的带宽）宽带调频：窄带调频由此我们可以看出宽带调频器带宽为最大频偏的两倍，而窄带调频带宽约等于调制频率的两倍。调频波的调制指数越大，边频分量也就越多。但当调制信号振幅恒定时，调频波的调制指数mf与调制频率F成反比，当F减小时，mf增大，谱线增加，但谱线间距减小，因此所占频带宽度略有下降，基本不变，是一种恒定带宽调制的方法。调相波的指数mp与调制频率F无关，所以mp不随F变化，但F变化时，谱线间距跟着变化，因此带宽也跟着变化，是一种非恒定带宽的调制，这就是调频制比调相制得到广泛应用的原因。例3.3.3

利用近似公式(3.3.26)和（3.3.27）计算以下三种情况下调频波的频带宽度：(1)=50kHz，=0.1kHz(为最高调制频率)

(2)=50kHz，=1kHz

(3)=50kHz，=10kHz

(1)=2(50+0.1)≈100kHz(2)=2(50+1)=102kHz(3)=2(50+10)=120kHz从上例可以看出，尽管调制频率变化了100倍，但频带宽度变化却非常小。但对于调相波来说假如调制频率变化了100倍，其频带宽度也会近似的按比例增加100倍。调频广播最高工作频率Fmax

=15K,调频指数mf=5rad,求(1)最大频偏∆fm,

fbw,(2)给定∆fm=75KHz,求F=1KHz,和10KHz时的带宽。(1)∆fm=mfFmax

=5×15=75KHzfBW

=2（∆fm+F）=2(75+15)=180K(2)F=1KHz,fBW=2（⊿fm+F）=2×(75+1)=152KHz

F=10KHz,fBW

=170KHz例2.设调角信号表达式u＝5cos〔2×106t＋5cos（2×103t）〕V，试指出该调角信号是调频,还是调相信号？求(1)调制指数、载波频率以及最大频偏、最大相偏、通频带各为多少？

(2)原调制信号uΩ

(kf=2KHz,KP=1rad/v)uFM=

U0mcos（

ω0t+mfcosΩt

）uPM=U0mcos（ω0t+mpcosΩt

）Mf=MP=5＝∆Φm∆fm=mfF=5x1=5KfBW

=2（∆fm+F）=2(5+1)=12KuFM=

U0mcos（

ω0t+mfcosΩt

）mfcosΩt=设uΩ=-UΩmsinΩtUΩm=2.5v(2)原调制信号uΩ调频波调相波uPM=Ucmcos（ωCt+mpcosΩt

）mpcosΩt＝kp

uΩuPM＝UCmcosФ（t）=Ucmcos（ωCt+mpcosΩt

）uFM=

Ucmcos（

ωCt+mfcosΩt

）（3）调频器性能指标①最大频偏最大频偏指在正常调制电压作用下，调频电路所能达到的最大频率偏离。

不同调频系统对最大频偏有不同的要求，

如调频广播要求

电视伴音要求无线电话要求②调频器带宽宽带调频器带宽为最大频偏的两倍，而窄带调频带宽约等于调制频率的两倍。③调制灵敏度单位电压引起的频率偏离量，称为调制灵敏度，其单位为调频、调幅比较调频优点：⒈抗干扰性强⒉功率管利用率高⒊信号传输保真度高调频缺点：⒈只能工作在超短波以上波段⒉电路结构复杂产生调频信号的电路叫做调频器。对它有四个主要要求：(1)已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化。这是基本要求。(2)未调制时的载波频率，即已调波的中心频率具有一定的稳定度(视应用场合不同而有不同的要求)。(3)最大频移与调制频率无关。(4)无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。2.调频的方法调频的方法主要有两类：A.用调制信号直接控制载波的瞬时频率——直接调频。——uΩ或iΩ直接去改变振荡回路的谐振频率来获得调频波。基本原理：振荡回路两端并接一个电抗元件X，利用调制电压去控制电抗元件的电感或电容，从而得到频率随调制信号变化的调频波。变容二极管或反向偏置的半导体PN结，可以作为电压控制可变电容元件；具有铁氧体磁芯的电感线圈，可以作为电流控制可变电感元件。方法是在磁芯上绕一个附加线圈，当这个线圈中的电流改变时，它所产生的磁场随之改变，引起磁芯的磁导率改变(当工作在磁饱和状态时)，因而使主线圈的电感量改变，于是振荡频率随之产生