2.2.3　调频信号的产生

1.窄带调频信号的产生

窄带信号可由平衡调制器（乘法器）产生，图2-31给出了窄带调频信号产生的方法。

平衡调制方法的基本原理是先将调制信号积分，然后对载波进行调相，即可产生一个窄带调频（NBFM）信号，即得到式（2-2-15）所示的NBFM信号sNBFM（t）。

2.宽带调频信号的产生

宽带调频信号的产生有直接调频法和间接调频法。

（1）直接调频法：用调制信号直接去控制载波振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性地变化。如每个压控振荡器（VCO）自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，即

ωi（t）=ωc+Kfm（t）　　（2-2-30）

式中，ωc是外加控制电压为零时压控振荡器的自由振荡角频率，常简称振荡频率，也就是压控振荡器的中心角频率。图2-32是用变容二极管实现直接调频的原理框图。

直接调频法的主要优点是在实现线性调频的要求下可以获得较大的频偏。但缺点是频率稳定度不高，往往需要附加稳频电路来稳定中心频率。改进途径是采用图2-33所示的锁相环（PLL）调制器。

锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成。锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uc（t），对压控振荡器输出信号的角频率ωu实施控制：ωu=ωc+k0uc（t），这里ωc为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。

当uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡角频率ωu也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持ωc=ωi的状态不变（ωi为输入信号的瞬时振荡角频率）。

调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。由ωu=ωc+k0uc（t）可知，压控振荡器的振荡角频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡角频率ωc相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持ωc不变。若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc（t）外，还有调制信号us（t），则压控振荡器输出信号的频率就是以ωc为中心，随调制信号us（t）幅度的变化而变化的调频波信号。

（2）间接法调频：间接法调频又称为阿姆斯特朗（Armstrong）法或窄带调频-倍频法。它不是直接用基带信号去改变载波振荡的频率，而是先将基带信号进行积分，然后实施窄带调相，从而间接得到窄带调频信号。之所以先进行窄带调相，是因为窄带调相时，振荡器可以采用高稳定度的石英振荡器，从而提高载频的稳定度。

产生窄带调频信号以后，可以通过倍频法产生宽带调频信号。间接法调频的原理框图如图2-34所示。

由式（2-2-15）可知，窄带调频信号可看成由正交分量与同相分量合成的。所以，可以用图2-34左边的模型产生窄带调频信号，即

图2-34中倍频的目的是为提高调频指数，从而获得宽带调频。倍频器可以用非线性器件实现。以理想平方律器件为例，其输出/输入特性为

当输入信号为调频信号时，有

由式（2-2-34）可知，滤除直流成分后，可得到一个新的调频信号，其载频和相位偏移均增为2倍，由于相位偏移增为2倍，因而调频指数也必然增为2倍。同理，经n次倍频后可以使调频信号的载频和调频指数增为n倍。

使用倍频法提高了调频指数，但也提高了载波频率，这有可能使载频过高而不符合要求，且频率过高也给电路提出了较高要求。为了解决这个矛盾，往往在使用倍频器的同时使用混频器，用以控制载波的频率。混频器的作用与幅度调制器的作用相同，它将输入信号的频谱搬移到给定的频率位置上，但不改变其频谱结构。

如图2-35所示，混频器由乘法器和带通滤波器组成。中心频率为fc的输入信号和频率为fr的参考信号相乘，相乘的结果使输入信号的频谱搬移到中心频率为fc±fr的位置上，fc+fr称为和频，fc-fr称为差频，用带通滤波器可以滤出和频或差频信号。产生和频信号的混频过程称为上变频，产生差频信号的混频过程称为下变频。

间接法的优点是频率稳定性好，缺点是需要多次倍频和混频，因此电路较复杂。

间接法调频典型实例：调频广播发射机

设载频f1=200kHz；调制信号最高频率fm=15kHz；间接法产生的最大频偏Δf1max=25Hz；调频广播要求的最终频偏Δfmax=75kHz，发射载频在88～108MHz频段内，所以需要经过n次的倍频，n=Δfmax/Δf1max=75×103/25=3000以满足最终频偏为75kHz的要求。

但是，倍频器在提高相位偏移的同时，也使载波频率提高了，倍频后新的载波频率（nf1）高达600MHz，不符合fc=88～108MHz的要求，因此需用混频器进行下变频来解决这个问题。具体方案如图2-36所示，经计算有

fc=n2（n1f1-f2）

Δfmax=n1n2Δf1max

因此通过合适的选择n1、n2和f1、f2可得到所需要的fc和Δfmax。