【電子科技大學】《通信原理》精品課 P24 - 24. 3.6.1 FM信號的產生與接收方法

你好 今天這一講我們主要來討論角度調製信號的產生與接收方法 我們還要說一下角度調製中間最著名的應用 這就是無線電調頻廣播 在實際情況中 模擬角度調製主要使用頻率調製方法 所以我們以它為重點來討論 我們首先就來看一下FM信號是如何產生的 從調頻信號的生成原理 我們知道要產生調頻信號 就是要實現這麼一個過程 把消息信號的起伏轉換為正弦波的密與疏 這樣一個過程就把消息信號放到頻率上去了 有什麼樣的電路能實現這樣一個過程呢 實際上還真是有 這就是VCO VCO是壓控振盪器的縮寫 壓控振盪器我們在前面討論鎖項環的時候曾經提到過 這是一個特殊的電路 這個電路它能夠產生振盪 而這個振盪根據它輸入的電壓而變化 電壓控制著振盪的頻率 所以我們將消息信號以適當的形式放在這裡做輸入 然後VCO的輸出就正好是一個調頻信號 所以這樣一個方法就叫直接調頻法 通常VCO產生的調頻信號 其角度的寬度不是很寬 所以我們可以通過倍頻器來做 倍頻器就是對振旋波的角度進行放大 它的原理就是省以一個k倍 這樣我們得到的總的信號 前面有一個調頻 調頻產生頻率為f1 常數為k1的這個AMT的積分 然後我們再經過倍頻 倍頻這個k省在這裡 我們就得到了一個調頻信號 只要我們適當的控制這中間的k f1 k1 我們就能使得我們生成需要的 位於我們要求的載頻處 帶寬符合我們的期望 VCO是一個比較複雜的電路 尤其是在早期要做得非常好並不容易 所以在早期的時候 廣泛應用的是另外一種稱為間接調頻方法 也稱為阿姆斯特朗法 阿姆斯特朗法是美國著名工程師 阿姆斯特朗提出的 阿姆斯特朗其實也是調頻方法的主要發現人 也為它的廣泛應用 發明瞭許許多多的實用技術 阿姆斯特朗的間接調頻方法的基本框圖是這樣的 我們先來看看它的技巧 不忙討論這個具體的框圖 阿姆斯特朗注意到 作為角度條的型號 它的一般形式是這樣的 我們利用三角函數的公式 合角把它展開為cosθ cos2πfct sinθ sin2πfct 阿姆斯特朗利用了這麼一個技巧 他發現只要θ很小 那麼cosθ約等於1 sinθ也等於θt本身 這樣對於θ小的角度條子 就可以用這樣一個公式來解釋 當然作為調頻型號 θ本身是消息型號積分的結構 由於這樣得到的θ很小 θ小就意味著θ相片很小 θ相片小 β調子指數小 所以這樣得到的信號 它的頻帶很窄 是窄帶調頻 窄帶調頻 Narrow Band Frequency Modulation 簡寫為NBFM 窄帶調頻這個結構 這個公式可以用這個框圖來產生 消息型號先積分得到θt 我們控制這個θt很小 然後我們審議正全波 sin可以用cos經過向移來得到 然後加上cos 這個過程跟常規調幅 用到的技術是一樣的 所以是當時很成熟的技術 這樣我們生成窄帶調頻型號 因為θ很小 所以窄帶調頻型號本身來講 幅度起伏並不大 但畢竟有一些起伏 這個起伏就是因為 它僅僅是近似的調頻型號 基於調頻的基本原理 我們可以通過線伏器去掉這個波動 然後我們可以把它轉換為 寬帶的調頻 轉換寬帶的調頻 同樣用倍頻器來完成 這樣就實現了調頻的過程 我們下面來看看 調頻型號怎麼來接收 在接收的時候 我們需要做一個反過來的過程 我們要基於收到的 正弦波的頻率的密和疏 反過來提取出消息信號 也就是說我們需要有一個系統 這個系統是頻率高則信號強 頻率低則信號弱 如果我們用信號系統的觀點 用頻響來說明 也就是這個頻響具有 與F呈線性關係 一般來講我們寫成AF加B 通過這個轉換 使得頻率的高低 變成信號幅度的高低 實際上這個系統 這個系統函數 這個系統的響應並不神祕 我們在信號系統裡面知道 微分它的頻響是這樣的 在原來的頻譜上 乘以JF 乘以JF就相當於 你做一個微分運算 就是讓它通過了一個 響應為JF的系統 這正是我們需要的 所以接收調頻信號的關鍵 是微分器 微分器把它轉換到幅度上去 然後我們再用包絡簡報 就可以提取到消息信號 微分器和包絡簡報合起來 就可以用於從調頻信號裡面 提取消息信號 我們稱它為減頻器 當然實際的調頻信號 它通過信道傳送會有噪聲 會受到幹擾 我們可以用帶通濾波器濾除噪聲 還可以根據調頻信號的特點 它幅度上是恆定的 我們可以限幅 在實際電路中間 我們怎麼來做這個微分器呢 我們可以用調寫迴路 調寫迴路是個經商用的迴路 調寫迴路本質上是一個帶通濾波器 它的過渡帶是斜線的 這裡就可以找到一段線性區域 當然你也可以用高通濾波器 高通濾波器的過渡帶也有這個特性 在實際應用中間 我們常常是採用兩個調寫迴路的特性 互補地來構造一個性能更好的曲線 這個平向曲線可以比單個的更寬 而且由於這樣互補地來構造 這樣就沒有直流 這個裡面可能有較強的直流 在實際電路中間 如果輸出的有直流 我們要隔除直流 在隔除直流的時候 如果做得不好 很容易傷害消息信號的低頻段 所以這樣一個電路的性能 往往會更好一點 當然這需要對稱地來做 需要互補性很好 至於怎麼來具體做漸頻器的電路 我們這裡不打算詳細的討論 其實無論是發送還是接收 今天最流行的方案 都是採用基帶處理 與真焦調製相結合的方案 就像單邊帶相依法的方法一樣 基帶處理通常用DSP技術 可以方便靈活地實現 各種各樣的調製方案 真焦調製可以採用通用的射頻電路 這種結構的理論基礎 就是帶通信號的福巴洛公式 及其調製解調原理