调频解调实验.doc
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频率调制解调实验
李祖明131180016
一、实验目的
1．熟悉电子元器件和高频电子线路实验系统；
2．掌握用变容二极管调频振荡器实现FM的方法；
3．理解静态调制特性、动态调制特性概念和测试方法。
4．了解调频波产生和解调的全过程以及整机调试方法，建立起调频系统的初步概念；
5．了解斜率鉴频与相位鉴频器的工作原理；
6．熟悉初、次级回路电容、耦合电容对于电容耦合回路相位鉴频器工作的影响。
二．实验内容
1．用示波器观察调频器输出波形，考察各种因素对于调频器输出波形的影响；
2．变容二极管调频器静态调制特性测量；
3．变容二极管调频器动态调制特性测量。
4．调频-鉴频过程观察：
用示波器观测调频器输入、输出波形，鉴频器输入、输出波形；
5．观察初级回路电容、次级回路电容、耦合电容变化对FM波解调的影响。
三．实验原理
频率调制工作原理:
（1）调频及其数学表达式
设调制信号为，载波信号为。
调频时，载波高频振荡的瞬时频率随调制信号呈线性变化，其比例系数为，即，式中，是载波角频率，也是调频信号的中心角频率。
是由调制信号所引起的角频率偏移，称频偏或频移。
与成正比，。
的最大值称为最大频偏，用表示：
单音频调制时，对于调频信号，它的为
由此就得到调频信号的数学表达式，即有
假定初相角，则得
式中，叫调频波的调制指数，以符号表示，即
它是最大频偏与调制信号角频率之比。
值可以大于1（这与调幅波不同，调幅指数总是小于等于1的）。
所以调频波数学表达式为
（2）调频波的频谱
上述频调波的频谱分析是非常复杂的，需用复杂的数学工具，这里只给出结论。
当时，频调波的频谱和幅调波一样，也是由载频和一对边频
组成。
如图8-2（a）所示。
但下边频的相位和上边频差180度。
如果调制信号是一个频带，则上下边频就成了上下边带。
当逐渐增大，边频数也逐步增大，实际上包含载频和无数对边频。
如果把调制前载波振幅的15%以上的边频作为有效边频，有效边频所占的频带宽度称为有效频带宽度B，则当>2时（这时为宽带调频），，图8-2（b）画出了=3时频调波的振幅频谱。
图8-2（a）图8-2（b）
总之，频调波的频谱成份，理论上有无穷多，所以频率调制是一种非线性调制。
（3）调频信号的产生
调频就是用调制电压去控制载波的频率。
调频的方法和电路很多，最常用的可分为两大类：
直接调频法和间接调频法。
直接调频就是用调制电压直接去控制载频振荡器的频率，以产生调频信号。
间接调频法就是保持振荡器的频率不变，而用调制电压去改变载波输出的相位，这实际上是调相。
目前采用最多的是变容二极管直接调频法，下面主要介绍这种方法。
变容二极管是利用半导体PN结的结电容随外加反向电压而变化这一特性，所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。
变容二极管与普通二极管相比，所不同的是在反向电压作用下的结电容变化较大。
变容二极管的电容随着所加的反向偏压而变化。
图8-4是特性曲线。
图8-3（a）图8-3（b）图8-4
图8-5
图8-5为某发信机的调频电路，其中，虚线框部分为共基极的西勒振荡器，图中仅画出了交流等效电路。
框外部分为变容二极管调频器。
，为一常数。
上式表明已正确实现了调频。
调频波解调工作原理
（1）调频波解调的方法
从调频波中取出原来的调制信号，称为频率检波，又称鉴频。
完成鉴频功能的电路称为鉴频器。
在调频波中，调制信号包含在高频振荡频率的变化量中，所以调频波的解调任务就是要求鉴频器输出信号与输入调频波的瞬时频移成线性关系。
鉴频器实际上包含两个部分，第一是借助谐振电路将等幅的调频波转换成幅度随瞬时频率变化的调幅调频波，第二是用二极管检波器进行幅度检波，以还原出调制信号。
调频波的检波，主要是限福器和鉴频器两个环节，可用图9-1（a）的方框图表示。
其对应各点的波形如图9-2（b）所示。
（b）
（b）
图9-1调谐波的检波
有的鉴频器（如比例鉴频器），本身具有限幅作用，则可以省掉限幅器。
鉴频器的类型很多，根据它们的工作原理，可分为斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器和脉冲计数式鉴频器。
下面我们只介绍斜率鉴频器。
（2）斜率鉴频器
斜率鉴频是由失谐单谐振回路和晶体二极管包络检波器组成，其谐振电路不是调谐于调频波的载波频率，而是比它高或低一些，形成一定的失谐。
由于这种鉴频器是利用并联LC回路幅频特性的倾斜部分将调频波变换成调幅调频波，故通常称它为斜率鉴频器。
在实际调整时，为了获得线性的鉴频特性曲线，总是使输入调频波的中心频率处于谐振特性曲线中接近直线段的中点，如图9-3所示（或）点。
这样，谐振电路电压幅度的变化将与频率成线性关系，就可将调频波转换成调幅调频波。
再通过二极管对调幅波的检波，便可得到调制信号。
图9-3斜率鉴频器的工作原理
（3）调频制和调幅制的比较
和调幅制相比，调频制有许多优点。
严格的分析需要进行繁琐的数学推导，我们直接讲述几点结论。
（1）当调频指数较大（比如>3）时，调频制的抗干扰及噪声性能比调幅制强得多。
（2）调频制的解调信号音质比调幅制好得多。
（3）调频制的缺点是信号频带较宽，因此只适合超短波波段。
四．实验步骤及结果
频率调制部分：
1．实验准备
在实验箱主板上插上变容二极管调频模块、斜率鉴频与相位鉴频模块，按下12K01，此时变容二极管调频模块电源指标灯点亮。
2．静态调制特性测量
输入端先不接音频信号，将示波器接到调频器单元的12TP02。
将频率计接到调频输出（12P02），用万用表测量12TP01点电位值，按表8-1所给的电压值调节电位器12W01，使12TP01点电位在1.65—9.5V范围内变化，并把相应的频率值填入表8-1。
实验测得数据如下
表8-1
V12P01（V）
2.65
3
4
5
6
7
8
9
9.5
F0（MHz）
5.981
6.097
6.377
6.604
6.793
6.942
7.046
7.129
7.162
3．动态调制特性测量
⑴实验步骤
①将斜率鉴频与相位鉴频模块（简称鉴频器单元）中的+12V电源接通（按下13K01开关，相应指示灯亮），从而鉴频器工作于正常状态。
②调整12W01使得变容二极管调频器输出频率f0=6.3MH左右。
③以实验箱上的低频信号源作为音频调制信号，输出频率f=1kHz、峰-峰值Vp-p=300mv（用示波器监测）的正弦波。
④把实验箱上的低频信号源输出的音频调制信号加入到调频器单元的音频输入端12P01，便可在调频器单元的12TP02端上观察到FM波。
实验测得的图片如下：
符合FM波的特性。
⑤把调频器单元的调频输出端12P02连接到鉴频器单元的输入端（13P01），并将鉴频器单元的13K02拨向相位鉴频，便可在鉴频器单元的输出端13P02上观察到经解调后的音频信号。
如果没有波形或波形不好，应调整12W01和13W01。
实验测得的解调后的音频信号如下：
蓝色波形为解调出来的结果，之所以幅值比较大是因为调节调整12W01使得放大倍数变大导致的。
⑥将示波器CH1接调制信号源（可接在调制模块中的12TP03上），CH2接鉴频输出13TP03，比较两个波形有何不同。
改变调制信号源的幅度，观测鉴频器解调输出有何变化。
调整调制信号源的频率，观测鉴频器输出波形的变化。
实验测得的波形图像如下：
可知调制信号与输出信号是同向的，当改变调制信号源的幅度，解调输出也同步改变，当改变信号源的频率，解调输出也同步改变。
.解调信号的幅值要大一点。
频率调整部分：
1．实验准备
插装好斜率鉴频与相位鉴频、变容二极管调频器模块，接通电源，即可开始实验。
2．相位鉴频实验（该实验与实验8的内容有部分重复）
⑴以实验8中的方法产生FM波，即音频调制信号频率为1KHZ，电压峰-峰值300MV，加到12P01音频输入端，并将调频输出中心频率调至6.3MHZ左右，然后将其输出连接到鉴频单元的输入端13P01，即用铆孔线将12P02与13P01相连。
将鉴频器单元开关13K02拨向相位鉴频。
用示波器观察鉴频输出（13TP03）波形，此时可观察到频率为1kHz的正弦波。
如果没有波形或波形不好，应调整12W01和13W01。
建议采用示波器作双线观察：
CH1接调频器输入端12TP03，CH2接鉴频器输出端13TP03，并作比较。
实际观察到的波形如下图：
相位鉴频的输出波形与输入波形同向且变化一致。
⑵若改变调制信号幅度，则鉴频器输出信号幅度亦会随之变大，但信号幅度过大时，输出将会出现失真。
失真的图像如下：
（3）改变调制信号的频率，鉴频器输出频率应随之变化。
将调制信号改成三角波和方波，再观察鉴频输出。
方波以及三角波的波形如下：
3．斜率鉴频实验
（1）将鉴频单元开关13K02拨向斜率鉴频。
（2）信号连接和测试方法与相位鉴频完全相同，但音频调制信号幅度应增大到。
实验结果图片如下：
根据图像我们可以看出输出波形与输入波形反向。
五．实验要求
1．根据实验数据，在坐标纸上画出静态调制特性曲线，说明曲线斜率受哪些因素影响。
答：
静态调制特性曲线如下图：
根据图形可知曲线斜率逐渐减小，主要的影响原因是电压的增大会使得输出频率的变化值减小，一般不能过大，变容二极管不能出现正向导通，否则，它的很小的正向内阻，将使回路值大大降低，影响振荡器的稳定。
关系曲线如下图，当较小时为直线。
当较大时，则出现弯曲。
曲线的斜率即。
图8-9
2．说明12W01对于调频器工作的影响。
答：
调整电位器12W01，可改变变容二极管的偏压，也即改变了变容二极管的容量，从而改变其振荡频率。
实验中发现调整电位器还会使得输出信号的幅值发生变化，调节不当还出现了波形与输入波形相位反相的情况。
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