频率调制

我们已经知道调制是一种利用含有信息的信号,来改变载波信号某个参数的过程。请回想一下,在振幅调制中,我们改变的参数是振幅。在频率调制(FM)中,是利用调制信号将载波的频率调高、降低或保持不变。本节将进一步介绍FM,并分析AM与FM接收器的差异。
    在频率调制(FM)信号中,载波频率随着调制信号增加或减少。其偏离载波频率的频率偏移量,与调制信号的振幅有关。频率偏移的改变速率则与调制信号的频率有关。

    图17. 40分别显示利用方波与正弦波的调制信号,来调制载波频率的情形。当调制信号振幅位于正向最大值时,载波频率最高,当调制信号振幅位于负向最大值时,载波频率最低。



1. 基本频率调制器
    频率调制是根据调制信号来改变振荡器频率的调制方式。通常使用电压控制振荡器( voltage -controlledoscillator,VCO)来完成此功能,如图17.41所示。


2.FM解调制
    如果不考虑实际上FM具有较高的工作频率,N341512SJ-25则标准FM广播接收器与AM接收器基本上,从接收端到IF放大器的电路是相同的。除了工作频带的差异之外,两者最主要的差异在于从调制的中频信号还原出音频信号的方法。
    解调制FM信号有好几个方法。包括斜率检测(slope detection)、相移鉴测(phase-shift discrimination)、比率检测(ratio detection)、正交检测(quadrature detection),以及锁相回路解调制等。这些方法的大部分在通信课程中都会详细介绍。然而,因为锁相回路( phase-locked loop,PLI。)在许多类型的应用电路中都扮演重要角色,所以在下一节中我们将介绍利用PLL解调制的方式。

混合频率调制技术是一种将数字调制与模拟调制相结合的通信技术,旨在充分利用两者的优势,从而提升通信系统的性能和频谱效率。该技术通过将数字信号与模拟信号进行融合调制,能够在保证信号传输质量的同时实现更高的数据传输速率和更强的抗干扰能力。 在实现方法上,混合频率调制通常分为两大类:一类是数字-模拟混合调制,另一类是数字-数字混合调制[^1]。数字-模拟混合调制主要通过将数字信号转换为模拟信号,然后利用模拟调制技术进行信号处理。这种方法能够有效提高信号的稳定性,并减少传输过程中的噪声干扰。数字-数字混合调制则是在数字域中直接进行多种调制方式的组合,例如将正交幅度调制(QAM)与相移键控(PSK)相结合,以实现更高的频谱利用率和数据传输效率。 在具体实现中,宽带频率调制(WBFM)是混合频率调制技术的重要应用之一。WBFM可以通过两种主要技术实现:第一种是将调制电压直接注入VCO(压控振荡器)的调谐电压输入端,只要调制信号的频率相对高于环路带宽,该方法就能有效工作。否则,环路可能会检测并消除调制信号的影响。第二种技术则是通过将参考信号调制到PLL(锁相环)中,使VCO能够跟随调制参考信号的频率变化。这种方法适用于调制信号位于环路带宽范围内的场景[^2]。 此外,在某些特定的应用场景中,例如无线对讲机的频率调制实现语音通信,混合频率调制技术也得到了广泛应用。在这种情况下,基带信号的幅度变化被叠加到直流分量上,并通过VCO的输入电压进行调制,从而导致输出信号的频率随着基带信号的幅度变化而同步变化。这种实现方式能够有效反映输入电压幅度的变化,从而实现高质量的语音通信[^3]。 以下是一个简单的Python代码示例,用于模拟基带信号对VCO频率调制的影响: ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 生成基带信号 t = np.linspace(0, 1, 1000) baseband_signal = np.sin(2 * np.pi * 5 * t) # 5Hz的正弦波 # 设置VCO参数 vco_frequency = 100 # VCO的中心频率 modulation_index = 2 # 调制指数 # 计算调制后的频率 modulated_frequency = vco_frequency + modulation_index * baseband_signal # 绘制基带信号和调制后的频率 plt.figure(figsize=(12, 6)) plt.subplot(2, 1, 1) plt.plot(t, baseband_signal) plt.title('Baseband Signal') plt.xlabel('Time (s)') plt.ylabel('Amplitude') plt.subplot(2, 1, 2) plt.plot(t, modulated_frequency) plt.title('Modulated Frequency') plt.xlabel('Time (s)') plt.ylabel('Frequency (Hz)') plt.tight_layout() plt.show() ``` 该代码首先生成一个5Hz的正弦波作为基带信号,然后通过将基带信号乘以调制指数并加到VCO的中心频率上,模拟了频率调制的过程。最后,代码绘制了基带信号和调制频率的变化曲线,以直观展示混合频率调制的效果。
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