FM频率调制解调电路的设计和制作

FM调制的基础技术

调变电路为可以将信号波(音频信号等)等乘载在电波上传送的电路。也即是将载波(carrie r)利用信号波加以变形，然后传送出去。在本文中，将针对调变电路中最常使用到的FM调变(F requency Modulation……频率调变)，以及解调(回复到原来的信号)的技术加以说明。

FM调变方式为将载波频率变化而后传送的方式。

FM调变的基础技术

FM调变的理论

图1所示的为FM调变的考查方法。其中的Vc为载波，Vs真为信号波。对于各信号可以如下表示。

图1 FM调变

(FM调变为利用信号而改变频率。由于振幅为一定，较容易去除噪声成分。)

此时的载波频率fc称之为中心频率。

今将此一载波做FM调变。也即是，使载波频率fc会随着信号波的大小而改变。频率变化时角频率w也会变化，因此，

或者

此时的频率变化△f称之为最大频率偏移。经过调变后的信号，称之为被调变波Vm，可以用

下式子表示。

被调变波Vm会随信号波Vs而变化，其瞬间相位为时间积分。因此，相位角成为

所以，被调变波Vm可以如下表示，

此时的称之为调变指数。

FM调变波所占有的频带宽

FM调变波所占有的频带宽会随着调变指数(△f/fs)的增大而扩宽。FM调变波的频谱分布范围很广，而只对于存在有95%以上的能量的频带称之为Carson频带宽。在此，对于占有频带宽B W可以概略计算如下。

△f：最大频率偏移

fsm：信号波的最大频率

图2所示的为△f=±75kHz，fsm=15KHz时的占有频带宽BW。

图2 FM调变波所占有的频带宽

(FM调变波的频率能量为无限大扩广，而其能量成分几乎存在于2△f+2fs)

图3 利用可变电容二极管做成FM调变的实验

(将振荡电路的电容器改为可变电容二极管时，便可以做简单的FM调变。将△V(电压变化)政变成为△f(频率变化)。

FM调变电路的实验

FM调变电路为将信号波的电压变化(△v)变换成为频率变化。在此举一简单的调变电路为例子说明。

图3所示的为使用可变电容二极管，使振荡电路发生调变的FM方式。在无信号时加上直流偏压电压，信号波便以偏压电压为基准而变化。电路的工作原理为信号波的电压变化(△V)→电容量的变化(△C)→谐振频率的变化(△f)，如此可以得到FM调变波。

一般地，振荡电路为晶体振荡电路或陶磁振荡电路时，使振荡器的负载电容量随着信号波而变化时，便可以形成FM波。

FM无线麦克风的设计-制作

为了达到频率稳定化，使用陶瓷振荡器

FM无线麦克风为利用声音改变振荡频率，以达到将声音传送出去的目的。此在无线状态下所传送出去的信号，可以利用FM调谐器等接收之。

大多数的FM无线麦克风为使用LC振荡电路。但是，LC振荡电路容易受到电源电压的变动或温度变化的影响，而使频率变动。

一般地，电源电压虽然可以比较容易稳定化，但是，仍然有温度变化的存在。结果，还是会使LC振荡的频率发生变动。

此种方法所制作的FM无线麦克风，在每次使用时，必须与接收机的接收稳率重新对齐。也即是必须调谐。

为了避免每次都需要重新调整接收，可以使用振荡频率的频率稳定度较佳的陶瓷振荡器。

陶瓷振荡器的性能与晶体相似。图4所示的为陶瓷振荡器的电气特性。图(a)为等效电路，图(b)为电抗特性。振荡频率发生电抗为电感性的fs与fp之间

图4 陶瓷振荡器的构造

在陶瓷振荡器的电感性领域fs～fp晶体的电感性领域fs～fp的数十倍。因此，在做频率调变(FM)时，使用陶瓷振荡器较容易取得高的调变度或者说“响度”、“拾音灵敏度”等。

所制作的无线电麦克风的概要

图5所示的为此次所制作的无线电麦克风的方块图，表1所示的为FM无线麦克风的设计规格。接收机为可以使用FM调谐器，因此，其接收频率为在76MHz～90MHz之间。

表1 待制作的无线麦克风的电气指标规格

(可以使用一般的FM收音机接收，但是，为了避免违反无线电波法，其使用范围只在室内使用。其特征为频率变动小。)

传送频率 FM传送频带7 6MHz~90MHz

电波型式 FM

可能的传输距离20m

频率偏移±75kHz

电源电压 DC306V~6V

电池内藏

频率漂移±20KHz以内

图5 FM无线麦克风的方块图

(由于陶瓷振荡器的种类较少，在此使用较容易取得的12MHz，因此，需要使用7倍频电路。)

为了避免违反电波法，此次所制作的通话传送距离最长为20m，其频率偏移(由于频率调变所产生的频率变化宽幅)与FM广播台同样是±75kHz。

电源为使用镍镉电池或一般的干电池(3个或4个)，工作原理电压范围约为3.6V～6V。考虑到FM调谐器的选择性，在此设定频率变动为±20kHz以内。

利用振荡电路做频率调变

图6所示的为可以形成频率调变的振荡电路的构成。此一振荡电路的基本为如图(a)所示，此为第3章3-4节所示的无调整振荡电路。

在此使用陶瓷振荡器CSA12.0MX(村田制作所)串联可变电容二极管1SV50，直接将调变信号加在此，可以改变可变电容二极管的静电电容量，达到FM调变的目的。

为了易于了解频率调变的工作原理，将无调整振荡电路用图(b)的等效电路表示。

图6 频率调变电路的构成

(为了能使电路容易起振，使用fT较高的晶体管。利用可变电容二极管，直接构成FM调变电路。)

陶瓷振荡器为在电感性的领域工作原理，因此，振荡电路可以视为线圈(电感)工作原理。

虽然串联有可变电容二极管的静电电容，但是，由于陶瓷振荡器的电感量很大，因此,陶瓷振荡器与可变电容二极管的全体还是以线圈形态(电感)工作原理。

但是，此一线圈的电感量会因为可变电容二极管的静电容量而变化，因此，改变加在可变电容二极上的电压，也可以改变振荡频率。

但是，即使陶瓷振荡器的振璗频率再高，也不会高于30MHz，无法直接振荡为FM广播频带的76MHz～90MHz。在此为在12MHz振荡，再7倍频成为84MHz。

在无调整振荡电路的输出并没有连接谐振电路，因此，无调整振荡电路的输出波形不会成为漂亮的波形，而是包含有高谐波成分的失真波形。但是，由于使用其7倍的高频率，因此，其波形稍有失真也不会有太大影响。