CPS Lecture 14 FM Generation
章节目录
- 14-1 FM 生成方法 Methods of FM Generation
- 14-2 直接 FM 生成 Direct FM Generation
- 14-3 间接 FM 生成 Indirect FM Generation
- 14-4 倍频器与变频器 Frequency Multiplier and Frequency Converter
- 14-5 Armstrong 例题 Armstrong Example
- 14-6 间接法优缺点 Advantages and Disadvantages
- 14-7 频分复用 Frequency Division Multiplexing
14-1 FM 生成方法 Methods of FM Generation
14-1-1 直接法与间接法 Direct and Indirect Methods
FM 生成方法分为两类：直接 FM 生成 Direct FM Generation 和 间接 FM 生成 Indirect FM Generation。
直接 FM 生成 Direct FM Generation
直接 FM 生成 Direct FM Generation 直接控制振荡器频率，使瞬时频率按消息信号变化。
间接 FM 生成 Indirect FM Generation
间接 FM 生成 Indirect FM Generation 先生成窄带 FM 或等效相位调制信号，再通过倍频、变频等操作得到目标宽带 FM。
直接法结构短，频偏控制直观。间接法结构长，但可以利用高稳定度晶体振荡器获得更稳定的载波。
14-2 直接 FM 生成 Direct FM Generation
14-2-1 VCO 生成 FM FM Generation with VCO
压控振荡器 Voltage-Controlled Oscillator, VCO 的输出频率由控制电压决定。若控制电压中加入消息信号
则输出为 FM 信号：
常见直接法包括 电抗调制器 Reactance Modulator 和 变容二极管调制器 Varactor Diode Modulator。它们通过改变振荡回路中的等效电容或电抗，使振荡频率随输入电压变化。
14-2-2 直接法的特点 Characteristics of Direct Method
直接法的优点是结构简单，输入消息可以直接控制频偏。主要限制是载波频率稳定性依赖振荡器本身，调制信号进入振荡器后也可能影响中心频率稳定度。
| 方法 | 优点 | 限制 |
|---|---|---|
| Direct FM | 结构简单，频偏控制直接 | 频率稳定性较难做到很高 |
| Indirect FM | 可用晶体振荡器提高稳定度 | 需要倍频、变频和滤波链路 |
14-3 间接 FM 生成 Indirect FM Generation
14-3-1 Armstrong 方法 Armstrong Method
Armstrong 间接法 Armstrong Indirect Method
Armstrong 间接法 Armstrong Indirect Method 先生成稳定的 NBFM，再用倍频器扩大频偏与载波频率，必要时用变频器调整载波位置。
基本流程为
该方法先用小调制指数保证 NBFM 近似成立，再通过频率倍增获得 WBFM。
14-3-2 DSB-SC 生成 NBFM NBFM Generation with DSB-SC
NBFM 近似式为
其中
这个式子说明，NBFM 可以由两部分相加得到：
- 未调制载波
； - 与载波正交的 DSB-SC 项
。
由于该结构只使用小角度近似，输出会有少量幅度波动和高阶失真。实际链路可加入非线性限幅器，压制幅度变化。
窄带条件 Narrowband Condition
NBFM 要求调制指数较小：
14-4 倍频器与变频器 Frequency Multiplier and Frequency Converter
14-4-1 倍频器 Frequency Multiplier
倍频器 Frequency Multiplier
倍频器 Frequency Multiplier 利用非线性器件产生输入频率的谐波，再用带通滤波器选出目标谐波。
非线性器件可写成
若输入为 FM 信号
非线性输出会包含
因此载波频率和频偏同时乘以
14-4-2 变频器 Frequency Converter
变频器 Frequency Converter 或混频器通过乘以本振信号移动载波频率。若输入载波为
带通滤波器选出所需分量。理想变频只平移中心频率，不改变频偏：
TIP
Armstrong 题目中常先用倍频满足目标频偏，再用变频把载波搬到目标频率。倍频改变
14-5 Armstrong 例题 Armstrong Example
14-5-1 题目条件 Problem Setup
PROBLEM L14-E1
要求生成 FM 信号：
- 目标载波频率
- 目标峰值频偏
- 基带高保真频率范围约为
说明如何使用 Armstrong 间接 FM 调制器生成该信号。
SOLUTION
先生成 NBFM。为保证窄带条件，以最低消息频率
则
初始载波选为
之后通过倍频器扩大频偏，再通过变频器调整载波。
14-5-2 设计链路 Design Chain
第一级倍频取
用
第二级倍频取
NOTE
源课件 OCR 在该例中把初始频偏附近的单位识别得不稳定。旧 CPS 笔记和图示链路均对应
14-6 间接法优缺点 Advantages and Disadvantages
14-6-1 稳定性与噪声 Stability and Noise
间接法的主要优点是频率稳定度高。NBFM 可由晶体振荡器提供稳定载波，后续倍频保持相位关系。
主要缺点是链路较长。倍频会同时放大频偏和相位噪声，过多倍频级会提高系统噪声和滤波复杂度。
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 优点 | 晶体振荡器提供高频率稳定度 |
| 优点 | 小调制指数 NBFM 易于用线性结构近似生成 |
| 缺点 | 倍频级数较多时噪声和杂散分量增加 |
| 缺点 | 需要多级带通滤波器选择目标谐波或变频结果 |
14-7 频分复用 Frequency Division Multiplexing
14-7-1 FDM 基本结构 Basic Structure of FDM
频分复用 Frequency Division Multiplexing
频分复用 Frequency Division Multiplexing, FDM 把多个独立信号调制到不同子载波上，使它们在同一物理信道中占据不同频带。
每个信号对应一个 子载波 Subcarrier。相邻子载波之间保留 保护带 Guard Band，用于减小滤波器过渡带造成的频谱重叠。
FDM 中的每个子信道可使用不同调制方式，例如：
- DSB-SC；
- AM；
- SSB-SC；
- FM 或 PM。
14-7-2 接收端分离 Receiver Separation
接收端先得到复合基带或中频信号，再用带通滤波器分离各个子信道。每个子信道随后用对应的解调器恢复原始消息。
基本接收流程为
FDM 的关键约束是频谱不能重叠。保护带越大，串扰越小，但频谱利用率也越低。
14-7-3 模拟电话系统例子 Analog Telephone Example
模拟长途电话系统使用 FDM 把多个语音信道组合到更高频带。课件中的 L-carrier 层级示例中，12 个语音信道组成一个基本组，占据
每个语音信道间隔约为
| 层级 | 频率范围 | 说明 |
|---|---|---|
| Voice channel | 约 | 单路语音 |
| Basic group | 12 路语音 | |
| Super-group | 更高频段 | 多个 basic group 继续复用 |