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调频

调频,全称“频率调制”。使载波的瞬时频率按照所需传递信号的变化规律而变化的调制方法。 [1] 它是一种使受调波瞬时频率随调制信号而变的调制方法。实现这种调制方法的电路称调频器,广泛用于调频广播、电视伴音、微波通信、锁相电路和扫频仪等方面。对调频器的基本要求是调频频移大、调频特性好、寄生调幅小。 [2] 由调频方法产生的无线电波叫调频波,其基本特征是载波的振荡幅度保持不变,振荡频率随调制信号而变。调频(FM),就是高频载波的频率不是一个常数,是随调制信号而在一定范围内变化的调制方式,其幅值则是一个常数。与其对应的,调幅就是载频的频率是不变的,其幅值随调制信号而变。

使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定,变化的周期由调制信号的频率决定。已调波的振幅保持不变。调频波的波形,就像是个被压缩得不均匀的弹簧,调频波用英文字母FM表示。

载波的瞬时频率按调制信号的变化而变,但振幅不变的调制方式。载波经调频后成为调频波。用调频波传送信号可避免幅度干扰的影响而提高通信质量。广泛应用在通信、调频立体声广播和电视中。一般干扰信号总是叠加在信号上,改变其幅值。所以调频波虽然受到干扰后幅度上也会有变化,但在接收端可以用限幅器将信号幅度上的变化削去,所以调频波的抗干扰性极好。例如,用收音机接收调频广播,基本上听不到杂音。

我们习惯上用FM来指一般的调频广播(76-108MHz,在我国为87-108MHz、日本为76-90MHz),事实上FM也是一种调制方式,即使在短波范围内的27-30MHz之间,做为业余电台、太空、人造卫星通讯应用的波段,也有采用调频(FM)方式的。FM radio即为调频收音机。

FM调频即收音机功能。作为MP3的一项附加功能。当然,如果你注重这个功能的话,也有做得不错的产品。而在具体机型上,针对FM,不同产品还有细分,是否可以保存选定的频道、可以保存多少个频道、立体声和普通声道可以自己设定还是由机器来设定。

一次调频是指由发电机组调速系统的频率特性所固有的能力,随频率变化而自动进行频率调整。其特点是频率调整速度快,但调整量随发电机组不同而不同,且调整量有限,值班调度员难以控制。

二次调频是指当电力系统负荷或发电出力发生较大变化时,一次调频不能恢复频率至规定范围时采用的调频方式。二次调频分为手动调频及自动调频:

手动调频:在调频厂,由运行人员根据系统频率的变动来调节发电机的出力,使频率保持在规定范围内,手动调频的特点是反映速度慢,在调整幅度较大时,往往不能满足频率质量的要求,同时值班人员操作频繁,劳动强度大。

自动调频:这是现代电力系统采用的调频方式,自动调频是通过装在发电厂和调度中心的自动装置随系统频率的变化自动增减发电机的发电出力,保持系统频率在较小的范围内波动,自动调频是电力系统调度自动化的组成部分,它具有完成调频、系统间联络线交换功率控制、和经济调度等综合功能。

1)调频比调幅抗干扰能力强:

外来的各种干扰、加工业和天电干扰等,对已调波的影响主要表现为产生寄生调幅,形成噪声。调频制可以用限幅的方法,消除干扰所引起的寄生调幅。而调幅制中已调幅信号的幅度是变化的,因而不能采用限幅,也就很难消除外来的干扰。

另外,信号的信噪比愈大,抗干扰能力就愈强。而解调后获得的信号的信噪比与调制系数有关,调制系数越大,信噪比越大。由于调频系数远大于调幅系数,因此,调频波信噪比高,调频广播中干扰噪声小。

2)调频波比调幅波频带宽:

频带宽度与调制系数有关,即:调制系数大,频带宽。调频中常取调频系数大于1,而调幅系数是小于1的,所以,调频波的频带宽度比调幅波的频带宽度大得多。

3)调频制功率利用率大于调幅制:

发射总功率中,边频功率为传送调制信号的有效功率,而边频功率与调制系数有关,调制系数大,边频功率大。由于调频系数mf大于调幅系数ma,所以,调频制的功率利用率比调幅制高。

频率调制(FM)在电子音乐合成技术中,是最有效的合成技术之一,它最早由美国斯坦福大学约翰。卓宁(JohnChowning)博士提出。20世纪60年代,卓宁在斯坦福大学开始尝度使用不同类型的颤音,他发现当调制信号的频率增加并超过某个点的时候,颤音效果就在调制过的声音里消失了,取而代之的是一个新的更复杂的声音。

今天看来,卓宁当时只是在完成无线电广播发射中最常用的调频技术(也就是FM广播)。但卓宁的偶然发现,却使这种传统的调频技术在声音合成方面有了新的用武之地。当卓宁领悟了FM调制的基本原理后,他立即开始着手研究FM理论合成技术,并在1966年成为使用FM技术制作音乐的第一人。

若欲传送信号,其振幅限制不可大于,载波为,

fc为载波中心频率,单位为赫兹。A是任意振幅。

传送信号将会是

在此,f(t) = fc + fΔxm(t)

公式中,f(t)是振荡器的瞬时频率,是frequency deviation, 代表在一个方向上相对fc的最大频率偏离,在此我们假定xm(t)是有限的幅值限于±1之间。

音频信号的改变往往是周期性的,一个最容易理解音频调制技术的范例是小提琴和揉弦,揉弦通过手指和手腕在琴弦上快速颤动,使琴弦的长度发生快速变化,从而最终影响小提琴声音的柔和度。与“FM无线电波”相同,“FM合成理论”同样也有着发音体(载体)和调制体两个元素。发音体或称载波体,是实际发出声音的频率振荡器;调制体或称调制器,负责调整变化载波所产生出来的声音。载波频率、调制体频率以及调制数值大小,是影响FM合成理论的重要因素。

最基本的FMinstrument包括两个正弦曲线振荡器,一个是稳定不变的载波频率fc(CarrierFrequnecy)振荡器;一个是调制频率fm(ModulationFrequency)振荡器。载波频率被加在调制振荡器的输出上。载波振荡器是一个带有fc频率的简单的正弦波频率,当调制器发生时,来自调制振荡器的信号,即带有fm频率的正弦波,驱使载波振荡器的频率向上或向下变动,比如,一个250Hz正弦波的调制波,调制一个1000Hz正弦波的载波,那么意味着载波所产生的1000Hz的频率,每秒要接受250次的影响产生的调制。制体和载波体都是有频率、振幅、波形的周期性或准周期性振荡器。

在频率调制技术中,调制体的振幅同样对频率调制起关关键作用,调制体振幅影响着载波频率调制后变化的深度,假如调制信号的振幅是0,就不会出现任何调制。因此说,就像在振幅调制(AM)中,调制体的频率对载波体的振幅有影响一样,在频率调制(FM)中,载波的频率变化同样受调制体振幅大小变化的影响。

因此,在频率调制过程中,我们可以发现:

调制体的频率影响载波体的频率的速度变化。

调制体的振幅影响载波频率的深度变化。

调制体的波形(或音色)影响载波频率的波形变化。

载波体的振幅在频率调制过程中保持不变。

在简单频率调制中,两个振荡器都只用正弦曲线(Sinusoidal)的波形。不过,由于频率调制技术可以制造出非常丰富的频谱,这使得作曲家也不必用频谱过于复杂的波形完成FM合成。事实上,如用一个频谱成分非常丰富的波形作为调制体来调制另一个声音(载波体),调制后的频谱会极其复杂,以至于听起来非常粗糙、刺耳。

在载波频率的任何一边有一些频谱构成,其间隔距离与调制的频率相一致。这些上边频和下边频是成对地根据调制频率(fm)的泛音数组合在一起的。用数学的语言解释,一个简单的FM频谱显示的频率是fc±kfm.k是一个整数(Integer),可以假定为任何大于或等于0的值,载波成分就是由k=0来显示的。

频谱构成中的能量分配,部分地根据频率偏离的量影响。这种偏离(Deviation缩写为d)是由调制振荡器产生的。当d=0时,指没有任何调制发生。增加偏离指数就会产生边频,从而获得更大的能量,但是以牺牲载波频率的能量为代价。偏离越大,在边频之间分配的能量越宽,就会带来有振幅变化的更大的边频数。因此,偏离可以担当控制FM信号频谱边频的角色。

假如输入载波为1000Hz调制体为250Hz,那么根据FM频谱分配计算原则,最终,所得频率调制后的输出频率值应该如图13-7所示。每个频谱成分的振幅是由偏离指数和调制频率决定的。

频率调制的效果有时与加法合成有类似的地方,两者的本质区别是,加法合成在基本波形上加上谐波分音,一层又一层,基本波形与其谐波分音同时存在,而FM合成加上去的波形却完全调制了其基本波形而产生另一种十分复杂的波形。因此,频率调制技术与加法合成技术是截然不同的两种合成技术。

复合频率调制(Composite frequency modulation)包含两个或两个以上载波体振荡器和两个以上调制体振荡器,它能够产生更多的边频,同时也增加了计算的复杂性。复合频率调制的组合可能性很多,每一种组合都会带来独特的频率合效果。

总体归这,复合频率调制至少有5个基本组合方式。

一、有各自独立调制器的多载波组合- Additive carriers with one modulator

这个组合包括两个或更多简单的FM instruments同时工作,所获得的效果是每个FM instruments输出的总和(图例符号缩写中,al表示载波1的振幅,fl表示载波1的频率,d1表示调制体1的频率偏移,也就是调制体1的振幅,f1表示调制体1的频率,a表示载波振幅,其他图示缩写符号也依此辨别)。

二、只有一个调制器的多载波组合- Additive carriers with one modulator

它所获得的效果是每个载波输出的相加总和。

三、带有平行调制器的单载波- Single carrier with parallel modulators

四、有多个(逐级)调制器的单载波- Single carrier with serial modulators

五、自我调制的载波- Self-modulating carrier

所谓自我调制的载波,就是用信号振荡器的输出调制自身的频率。振荡器的输出信号用一个反馈因素(用fb表示)相乘,在被重新输入到自身的频率输入之前加一个频率值(fm)。反馈因素(用fb表示)在这里可以被看作是一个调制指数。

由于自我调制的处理技术总是在1:1的频率比率中工作,因此永远生成锯齿波状的波形。谐波分音的振幅是按反馈因素值(fb)的比例变化的。


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