第二章 频率的调制与解调
2.1 调频的方法及原理
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。产生调频信号的方法很多，归纳起来主要有两类：第一类是用调制信号直接控制载波的瞬时频率——直接调频。第二类是先将调制信号积分，然后对载波进行调相，结果得到调频波。即由调相变调频——间接调频。
1）直接调频原理
直接调频基本原理是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。因此，凡是能直接影响载波振荡瞬时频率的元件或参数，只要能够用调制信号去控制它们，并从而使载波振荡瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，都可以完成直接调频的任务。
如果载波由LC自激振荡器产生．则振荡频率主要由谐振回路的电感元件和电容元件所决定。因此，只要能用调制信号去控制回路的电感或电容，就能达到控制振荡频率的目的。
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变化。
2）变容二极管调频
变容二极管调频的主要优点是能够获得较大的频移(相对于间接调频而言)，线路简单，并且频率稳定度低。它主Cj?中。
一、基本原理
变容二极管是利用半导体PN结的结电容随反向电压变化这一特性而制成的一种半导体二极管。它是一种电压控制可变电抗元件，其结电容Cj与反向电
压uR存在如下关系：
（2.1.1）
其中，Cj0是未施加反向偏置时的结电容，UD是势垒电压，uR是所施加的反向偏置电压，?为变容系数。图2.1(a)表示变容管结电容随反向电压变化的关系曲线。加到变容管上的反向电压，包括直流偏压U0和调制信号电压
Cj0?uR??1??U??D???几乎不需要调制功率。其主要缺点是中心要用在移动通信以及自动频率微调系统
u??t??U?cos?t，如图2.1 (b)所示，即
uR?t??U0?U?cos?t （2.1.2）
此处假定调制信号为单音频简谐信号。结电容在uR?t?的控制下随时间发生变化，如图2.1(c)所示。
把受到调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路．如图2.2所示，则振荡频率亦受到调制信号的控制。适当选择变容二极管的特性和工作状态，可以使振荡频率的变化近似地与调制信号成线性关系。这样就实现了调频。
在图2.2中，虚线左边是典型的正弦波振荡器，右边是变容管电路。
图2.2-变容二极管调频原理电路
加到变容管上的反向偏压为
uR?UCC?U?u??t??U0?u??t?
（2.1.3）
式中，U0?UCC?U是反向直流偏压。
图2.2中，同时起到隔直流的作用；Cc是变容管与L1C1回路之间的耦合电容，
C?为对调制信号的旁路电容；L2是高频扼流圈，但让调制信号通过。
3）晶体振荡器直接调频
通过振荡器的学习，我们已知，晶体振荡器有两种类型。一种是工作在石英晶体的串联谐振频率上，晶体等效为一个短路元件，起着选频作用。另一种是工作于晶体的串联与并联谐振频率之间．晶体等效为一个高品质因数的电感元件，作为振荡回路元件之一。通常是利用变容二极管控制后一种晶体振荡器的振荡频率来实现调频。
变容二极管接入振荡回路有两种方式。一种是与石英晶体相串联，另一种是与石英晶体相并联。无论哪一种接入方式，当变容二极管的结电容发生变化时，都引起晶体的等效电抗发生变化。在变容二极管与石英晶体相串联的情况下，变容管结电容的变化，主要是使晶体串联谐振频率fq发生变化，从而引起石英晶体的等效电抗的大小变化．如图2.3(a)所示。当变容二极管与石英晶体相并联时，变容二极管结电容的变化，主要是使晶体的并联谐振频率发生变化，这也会引起晶体的等效电抗的大小发生变化，如图2.3(b)所示，该图是电纳曲线。总之，如果用调制信号控制变容二极管的结电容，由于石英晶体的等效电抗(我们应用的是处在fq与fp之间的感抗Xq)的大小也受到控制，因而亦使振荡频率受到调制信号的控制，即获得了调频信号，但所产生的最大相对频移很小，约只有10-4数量级。
变容二极管与晶体并联联接方式有一个较大的缺点，就是变容管参数的不稳定性直接严重地影响调频信号中心频率的稳定度。因而用得比较广泛的还是变容管与石英晶体相串联的方式。图2.4是对皮尔斯晶体振荡器进行频率调制的典型电路。图中，C1、C2与石英晶体、变容管组成皮尔斯振荡电路； L1、L2与L3为高频扼流圈；R1、R2与R3是振荡管的偏置电路；C3对调制信号频率短路：当调制信号使变容管的结电容变化时，晶体振荡器的振荡频率就受到调
图2.3 变容管与晶体的两种联接方式及其电抗曲线
图2.4 晶体振荡器直接调频电路