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1、毕业设计（论文） 题 目： FM调制与解调电路设计学生姓名： 学 号： 所在学院：电子与信息学院专业班级：通信1303班届 别：2017届指导教师： 皖西学院本科毕业设计（论文）创作诚信承诺书1.本人郑重承诺：所提交的毕业设计（论文），题目FM调制与解调电路设计是本人在指导教师指导下独立完成的，没有弄虚作假，没有抄袭、剽窃别人的内容； 2.毕业设计（论文）所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠，文中所有引用的他人观点、材料、数据、图表均已标注说明来源； 3. 毕业设计（论文）中无抄袭、剽窃或不正当引用他人学术观点、思想和学术成果，伪造、篡改数据的情况； 4.本人已被告知并清楚：学校对毕业设计
2、（论文）中的抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理，并可能导致毕业设计（论文）成绩不合格，无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果； 5.若在省教育厅、学校组织的毕业设计（论文）检查、评比中，被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为，本人愿意接受学校按有关规定给予的处理，并承担相应责任。 学生（签名）： 日期： 年 月 日目 录前言21、概念21.1简述FM21.2调制与解调32、FM调制系统的分析与设计42.1FM调制系统的分析42.2调频电路分析53、FM解调系统的分析与设计93.1FM解调方法的分析93.2解调电路设计103.
3、3锁相环电路的设计134、调频系统的性能分析155、总结17参考文献：18 FM调制与解调电路设计 摘要：众所周知，FM应用于人们最熟悉的无线广播中。FM还用于模拟电视标准中语音信号的传输等常见的应用。虽然FM自身的非线性特质，在许多情形下，只能进行近似分析。但由于它的抗噪性能和恒包络优点以及应用的广泛性，FM的调制与解调还是值得研究一番的。本文采用直接调频和间接调频法对FM进行调制，通过鉴频器、锁相环对FM进行解调。并通过SPLAN软件绘制调制解调电路并对其分析，采用MATLAB/SIMULINK的通信系统仿真对系统性能的分析。关键词：FM调制；FM解调；直接调频；间接调频；鉴频器；锁相环D
4、esign of FM Modulation and Demodulation CircuitStudent: Yang Hui (Faculty Adviser:Wu Zhonghua)(College of Electronic and Information Engineering, West Anhui University)Abstract: As we all know, FM is used in peoples most familiar wireless broadcasting. FM is also used in analog television standards
5、for the transmission of voice signals and other common applications. Although FM has its own nonlinear characteristics, it can only be approximated in many cases. But because of its anti noise performance and constant envelope advantages as well as the wide range of applications, the modulation and
6、demodulation of FM is still worth studying. In this paper, FM is modulated by direct frequency modulation and indirect frequency modulation method, and the FM is demodulated by frequency discriminator and phase-locked loop. And through the Splan software to draw modulation and demodulation circuit a
7、nd its analysis, the use of MATLAB/Simulink communication system simulation, system performance analysis.Keywords: FM modulation;FM demodulation;direct frequency modulation;indirect frequency modulation;frequency discriminator;phase locked loop前言随着人们生活品质的提高，FM技术被广泛运用于高保真音乐广播、立体声广播、多声道电视音响、电子音乐合成技术中。
8、这就需要我们对FM系统的调制与解调熟悉与掌握。本文主要介绍通过直接调频法和间接调频法对FM进行调制，直接调频法即用调制信号直接控制决定振荡器振荡频率的某个元件参数，使振荡器瞬时频率跟随调制信号大小呈线性变化，即可实现频率调制。间接调频法就是利用频率与相位间有微积分的关系，首先要将调制信号进行积分，然后对载波进行调相。其中直接调频法采用变容二极管直接调频电路和电抗管调频电路，间接调频法是采纳变容管调相电路电路。解调主要采用鉴频器（非相干解调）或鉴相器（非相干解调）以及锁相环电路（相干解调），其中锁相环电路是由环路滤波器、鉴相器、压控振荡器组成。1、概念1.1简述FMFM(frequency mo
9、dulation)就是调频。从习惯上通常我们用FM来指普通的调频广播（中国的频段选用88-108MHZ），实际上FM也是一种调制形式，即便在短波范围内的27-30MHZ之内，作为业余的广播电台、太空人造卫星通讯应用的频段，也有采纳调频（FM）的方式。正弦载波有幅度、频率、相位三个参量。我们可以把调制信号的信息荷载于载波的幅度变化之中，还可以将调制信号的信息荷载于载波的频率或相位变化之中。在调制的时候，如果载波的频率跟随着调制信号变化而变化，称为频率调制或调频（FM）。在这样的调制过程中，载波的幅度都表现为恒定不变，而频率和相位的变化都体现为载波瞬时相位的变化。因此我们把调频与调相都称之为角度调
10、制1。角度调制信号的一般表达式为 （1）所谓频率调制（FM），是指瞬时频率偏移随调制信号m(t)成比例变即 （2）这时的相位偏移为 （3） 将（3）带入式（1），可得调频信号为 （4）提到FM就必须要考虑到PM，那么他们之间有什么关系呢？所谓相位调制（PM），指的是瞬时相位偏移跟随着调制信号m(t)作线性变化，即 (5)将（5）带入式（1）中，即可得调相信号为 (6)因为相位和频率之间存在微分与积分的关系，所以PM与FM之间是可以相互转换的。图1 直接调频流程图图2 间接调频流程图调频又分为窄带调频和宽带调频，当FM信号的最大瞬时相位偏移满足（或0.5） (7)FM信号的频谱带宽较窄，我们称为
11、窄带调频（NBFM），否则我们称为宽带调频（WBFM）2。1.2调制与解调大量信源产生的都是模拟信号。模拟信号可以直接进行调制和传输，也可以将其数字化，再利用数字调制技术进行传输。我们提到的调制，就是把信号方式转换成适合在信息通道内传输的一种过程。广义上的调制我们分为两种，基带调制和带通调制（也称之为载波调制）。本文调制指的是载波调制。载波调制即利用调制信号去掌控载波的参数，让载波的某个或某几个参数依照调制信号的法则而变化。调制信号就是来自信源的基带信号，这些信号既可以是模拟信号，也可以是数字信号。载波就是没有经过调制的周期性振荡信号，它可以是正弦波，又可以不是正弦波（就比如周期性脉冲序列）。
12、载波经过调制后，我们称之为已调信号，它包含调制信号的全部特点。解调就是调制的逆过程，它的作用就是将已调制信号中的调制信号从中恢复出来。调制的作用和目的：第一，在无线传输中，为了取得比较高的辐射频率，天线的尺寸长度必须与发射信号的波长相比较。这是因为基带信号通常包括低频分量，如果直接发射，就会因为天线过长而难以实现。第二，可以把多个基带信号分别搬移到不同的载频上，用于实现信道的多路复用，以提高信道的利用率。第三，可以扩大信号的带宽，用于提升系统的抗干扰的能力。因而，调制对通讯系统的有效性及可靠性都有很大的影响和用处。2、FM调制系统的分析与设计2.1FM调制系统的分析 在前言中已提到FM调制主要
13、有两种方法：直接调频方法和间接调频方法（窄带调频-倍频），其实目前广泛使用的调频方法是锁相调频，用这样办法得到的调频信号的载频频率稳定度与时钟源(时钟源是用来为环形脉冲发生器提供电平匹配并且稳定频率的方波时钟脉冲信号。它一般由与非门组成的正反馈振荡电路和石英晶体振荡器组成的，它的输出运送至环形脉冲发生器中)相同,而且还可方便地改变载波频率3。图3 直接调频电路模型图 那么首先我们来了解直接调频的方法，它的电路是怎样设计的。因为角度调制器通常是时变非线性系统。所以对直接调频法，我们可以设计频率随输入电压变化而变化的振荡器。当输入的电压等于零时候，振荡器产生频率为f的正弦波；当输入的电压产生变化的
14、时候，正弦波的频率随之改变。这种振荡器一般称之为压控振荡器（voc），实现它主要有两种方法，一种使用变容二极管，另一种使用电抗管。2.2调频电路分析2.2.1变容二极管直接调频电路变容二极管是使用半导体PN结的结电容跟随加在它的两端的反向电压变化而改变的特点制作成的，它是一种压控可以改变电抗元件，反向电压和结电容间的关系如下公式： (8)在上述式中，就是=0时的结电容值；就是PN结的势垒电位差值；就是电容变化指数值，它是由PN结的构造和半导体掺杂浓度决定。叫作缓变结；叫作突变结；=14叫作超突变结；基本上可以实现线性调频；最大可以高达6以上。由-关系我们可以设计将变容二极管接入振荡器决定振荡频
15、率的回路中，并用调制信号改变他的偏压即可实现调频，但需注意的是变容二极管必须工作在反向偏压范围内。故设计如下中心频率为70MHz100kHz、频偏为6MHz的变容二极管直接调频电路。它的主要优点是可以获得较大的频率偏移，线路比较简单，而且不需求调制功率，但是中心频率稳定度比较低4。下图中振荡器是电感反馈式三点电路，晶体管基极和振荡回路采用部分接入方式，、和组成低通形滤波器，使调制信号加在变容二极管上面，而且高频电压却不能进入调制信号源。对高频是近似短路。为了提高调频信号中心频率的稳定度，变容管的稳压电路采用稳压措施，并用热敏电阻进行温度补偿，用调节变容管的直流工作点电压，使中心频率符合所要求的
16、数值；改变调节晶体管电流，以改变振荡电压的大小和得到最好的调频线性。右图为其交流等效电路。图4 电感反馈式三点电路图下图是一变容二极管直接调频电路的应用例子，中心频率为100MHz的晶体振荡器的变容管直接调频电路，应用于无线话筒的发射机5。图5 无线话筒的发射机图2.2.2电抗管直接调频电路设计电抗管是一种可控电抗电路，它可由任何放大器件所构成，其工作原理都是相同的。与变容管比较，电抗管除了电路稍复杂一点外，其突出优点是便于集成化，用电抗管可以代替集成电路中不易实现的电感元件。下图表示用场效应管组成电抗管的原理电路。图6 场效应管组成电抗管的原理电路图下图是晶体管组成的电抗管直接调频电路，图中
17、与、是电抗管与振荡管的直流偏置电阻，、对高频短路，是耦合电容，、组成谐振回路，、为高频振流圈。电抗管调频器的缺陷是:振荡频率的稳定度不是很高；频率偏移也不能很大,阻抗 Ze一般还有电阻分量，这个电阻分量也会随之变化,这个分量变化使振荡器产生寄生调幅。这种调频器的优点是电路较简单，先期的调频装置经常使用这种电路，其后逐渐被变容二极管调频器所替代6。 | 电抗管电路|振荡器电路|图7 晶体管组成的电抗管直接调频电路2.2.3间接调频电路设计对于间接调频，我们已经在上文中提到过间接调频是怎样设计的，先调相再7皖西学院2017届本科毕业设计（论文）通过积分生成调频信号。那么如何调相？本文主要讲两种方法
18、，矢量合成法和移相法。我们知道调相波的表达式： (9)且当很小时， (10)由上式可得矢量合成法调相电路模型：图8 矢量合成法调相电路模型对于移相法，用可控电抗或可控电阻元件都能够实现调相功能。下图是一个可控移相法调相电路模型：图9 可控移相法调相电路模型上述我们已经了解了矢量合成法和移相法调相电路模型，那么如何在电路中实现他们呢？这里我们主要研究移相法电路实现，最经常用的是变容二极管作可控电抗元件。我们都知道间接调频方法是先将调制信号先积分，然后对载波进行调相，就可以产生一个NBFM信号，再经N次倍频器得到WBFM信号，这种方法也称阿姆斯特朗法。但倍频级数太多会使发射机变得复杂，所以还应从改
19、进调相电路入手，提高相位偏移角，减少倍频级数。下图是一个加大频率的三个单级谐振回路级联构成的调相电路，每级并联回路采用一个变容二极管进行调相。输出总相移是三级回路相移之和，这就增大了频偏7。图10 三个单级谐振回路级联构成的调相电路3、FM解调系统的分析与设计3.1FM解调方法的分析根据FM解调器的工作原理可将其分为如下三大类，鉴频、相移鉴频、锁相环。在现代FM系统中，如果需要非相干FM解调器，则采用正交检波器。这类例子包括低质量和中等质量的FM接收机、电视机中的FM音频解调器。锁相环芯片因其优异的性能和日益下降的成本，现广泛用做FM解调器。首先我们来了解鉴频器解调方法，所谓鉴频，即首先生成一
20、个幅度与FM信号的频率成正比的AM信号，然后利用AM解调器恢复调制信号。为了实现第一步，即把FM信号转换为AM信号，只需要将FM信号通过一个频率响应在FM信号频带范围内近似为直线的线性时不变系统。若系统的频率响应为 （11） 系统输入为 (12)系统的输出为 (13)下图是FM解调电路思路： 图11 FM解调电路模型有了这一思路，我们就可以设计出鉴频器，下图是鉴频器模型： 包络检波器微分器带通限幅器 图12 鉴频解调模型3.2解调电路设计根据模型我们可以设计出各种鉴频器，例如相位鉴频器、比例鉴频器、斜率鉴频器。下面介绍一种鉴频器：单双失谐回路鉴频器。下图的单失谐回路斜率鉴频器是由二极管包络检波
21、器和单失谐回路组成的，图中初级回路调谐于信号载波频率，次级回路调谐于，这里次级回路对输入调频波的中心频率是失谐的。为了取得线性鉴频特征，总是使输入调频波的载波处于谐振特性曲线倾斜部分中靠近直线段的中点,这样，次级回路就可将输入等幅调频波变换为调幅波，而后通过包络检波完成鉴频8。图13 单失谐回路斜率鉴频器为了扩大鉴频特性的线性范围，经常采用两个失谐回路构成的平衡电路。图14 双失谐回路斜率鉴频器下图是双失谐回路鉴频器的实际电路，三个回路分别调谐于、。为减少相互的影响，采用两个共基极放大器将其隔开。图15 双失谐回路鉴频器实际电路图下面介绍另一种鉴频器：相位鉴频器，相位鉴频器的工作原理不是利用电
22、路的振幅-频率特性，而是根据电路的相位-频率特性来完成鉴频作用的。实质上它是利用延时（相移）、相减作用来变调频波为调频调幅波的，因为微分的表达式可构成下面方框图：图16 相位鉴频器微分流程图实际电路中，常用耦合谐振回路作为相移网络。下图是用耦合回路与二极管检波器组成的平衡式相位鉴频器。二极管、，电阻、，电容、分别构成两个振幅检波器，鉴频器的输出电压是这两个检波器输出电压之差。耦合电容Cc和扼流圈是为了让加在两个检波器上的电压不能总是大小相等，这样就能保证输出电压不能永远等于零。接一高频扼流圈，可以保证Cc阻抗很低，接近于短路，这样加在两端的电压就等于。当调频波瞬时频率改变时，由于谐振回路的相位
23、特性，和幅度也随之改变，这就从调频波转变成了调幅波频波9。图17 相位鉴频器原理图前面我们已经讨论了斜率鉴频器和相位鉴频器，这两类鉴频器都不能去掉调频波寄生调幅引起的输出波形失真，所以使用时必须要加限幅器，而有了限幅器，就要使限幅器能够有效限幅，这就需要在限幅器前有较大的放大量，而这样就会导致接收机高频数量的级数增加。如果有一个鉴频器同时具有限幅和鉴频的能力就很好了，而下面介绍的比例鉴频器，就具有限幅和鉴频的能力。那么比例鉴频器是如何实现限幅作用的呢？通过分析我们知道/比值不受调频波振幅变化的影响，所以，鉴频器输出的电压与调频波振幅的变化无关。这就实现了限幅作用。图18 比例鉴频器3.3锁相环
24、电路的设计锁相环技术是现代电子系统中广泛应用的一种反馈控制技术。它的基本的控制作用是在反馈电路中生成一个本地振荡信号当做输出，它的相位“锁定”在环路输入信号的相位上。上面说的相位锁定指的是两个信号的频率完全相等，他们的相位差值保持在恒定的值。锁相环路（PLL）由鉴相器、低通环路滤波器以及压控振荡器组成，鉴相器图19 锁相环电路模型图主要产生误差信号，且该信号正比于输入参考信号相位与本地产生的压控振荡器信号的相位之差；环路滤波器对误差信号滤波，产生构成压控振荡器输入的控制信号；压控振荡器产生的输出信号的频率正比于压控振荡器输入端的控制信号。那么锁相环是怎么工作的呢？下面我们来了解锁相环工作过程，
25、首先鉴相器将输入参考信号的相位与压控振荡器输出的相位进行比较，由此产生误差信号。然后对误差信号滤波，目的是去掉噪声和一些其他不需要的频率分量。压控振荡器的频率随控制电压的值变化而变化，一直到相位的锁定。然后锁相环捕获锁定，一旦捕获，若输入频率变化十分缓慢，压控振荡器就会在某一范围追踪输入参考信号的频率。另外锁相环的输出可以从压控振荡器控制电压、基带压控振荡器控制电压，或从压控振荡器输出中的任一个获取，这取决于具体应用。基带输出会追踪输入相位变化。压控振荡器的输出可作为本地振荡器的信号，也可用作产生数字系统的时钟信号。下图是PLL用作FM解调器的Simulink模型图20 PM解调器Simuli
26、nk建模原消息信号波形和恢复的消息信号波形如下：图21 输出波形图锁相环电路在现代生活中之所以得到日益广泛的应用，是因为它有很多优点及特性：1、当环路被锁定，如果输入信号频率有变化，压控振荡器频率就会发生相应变化，这种随输入信号频率变化而变化的特性，我们称它为环路跟踪特性。2、另外锁相环路中的滤波器还具有窄带滤波的特性，也就是说它能够将混进信号中的噪声和干扰信息滤掉。同时这个通带可以做的很窄，也就是说，可以在几十兆赫的频率上完成几赫的窄带滤波。这种特性是任何滤波器都难以达到的。3、锁相环路通过相位产生误差电压，所以在锁定时只产生剩余相差，没有剩余偏差。而在自动频率微调系统中使通过频率比较产生误
27、差，所以在稳定工作中有剩余频差。正因为锁相环路有如此特性，在自动频控、频率合成技术等都有普遍应用。4、锁相环路的部件容易使用模拟集成电路，经过数字化后，更加容易实现数字集成的电路。集成后的电路具有可以减少体积、降低成本、提高可靠性等优点10。4、调频系统的性能分析上述我们已经了解了调频信号的产生与解调，产生调频信号一般有两类：直接调频法以及间接调频法。对于直接调频法，我们已经知道是振荡器与调制器的合二为一，这种方法的主要优点是，在实现线性调频的条件下，我们可以获得比较大的频率偏移；但他也有缺点，缺点是稳定度不高，需要采用自动频控系统来稳定中心频率。像锁相环调制器就可以获得高质量的FM信号，这种
28、方法稳定度就很高，但同时，它也是有缺点的，它的低频调制特性较差。在直接调频之后，我们又介绍了间接调频，间接调频即先调相再转化为FM信号，这样完成调相的电路独立于高频率载波振荡器之外，所以这种调频波突出的长处是载波中心频率的稳定性能够做到较高，但是也可能得到的最大频率偏移比较小。不管是间接调频，还是直接调频，都需要频率偏移尽可能大，而且要与调制信号维持良好的线性关系；中心频率的稳定度要尽可能高；寄生调幅须要尽可能小；调制的灵敏度尽可能高。其中频率偏移增大调制线性度之间是矛盾的。对于解调模块，我们选用的是鉴频器和锁相环路，上述我们已经介绍了锁相环路比鉴频器具有更优越的特性而得到广泛的应用。下面我们
29、来介绍一下调频系统的抗噪性能情况，下面是调频系统非相干解调抗噪性能模型： 图22 非相干解调抗噪性能模型图通过公式推导及分析，我们知道，在大信噪比的情况下，宽带调频系统增益很高，这就说明他的抗噪声性能很好。另外，我们知道宽带调频的输出信噪比与他们的带宽比的平方成正比，这就说明，对FM系统而言，增加传输带宽即可改善抗噪性能。但以带宽来换取输出信噪比的改善不是永无止境的，随着带宽的增大，在输入信号功率不变的前提下，输入信噪比势必会下降，下降到一定程度，就会出现门限效应，会导致输出信噪比急剧恶化。对于门限效应，我们知道这是在处理调频系统式必须要面临的实际问题，那么如何解决或避免呢？通常我们会采用锁相
30、环解调器和负反馈解调器，他们的门限值比一般鉴频器门限电平都要低610db。除此之外，我们还可以通过预加重和去加重技术来改善。所谓预加重和去加重，即在解调器输出端加一个传输特性随频率增加而滚降的线性网络，使高频段的噪声衰减，总的噪声功率下降。下图是引入加重技术的调频系统。FM解调器信道FM调制器 图23 引入加重技术的调频系统模型不失真条件： （14）上面我们已经了解了非相干解调的抗噪声性能，下面我们来了解相干解调的抗噪声性能，下图是窄带调频系统的相干解调模型：图24 窄带调频系统的相干解调模型图通过公式推导及分析，我们知道窄带调频的信噪比增益很低，但最重要的是窄带调频信号采用相干解调不存在门限
31、效应。5、总结本篇论文主要介绍FM调频系统的调制与解调电路的设计，在调制方面我主要从直接调制和间接调制入手，直接调制主要采用变容二极管和电抗管调制；对于间接调制我先进行调相再生成调频信号。在解调方面，我主要从鉴频器和锁相环路去分析，虽然鉴频器有很多种类，也各有优点，但由于锁相环路有其更明显的优点以及适应社会所需，应用的就较为普遍。研究FM让我明白了很多，懂得了很多，让我对FM有一个全新的认识。从FM系统整体而言，它的性能相比其他系统，它的抗噪性能也是不错的，但也不是无止境的，会导致门限效应，这个时候引入预加重和去加重就可以避免。 参考文献：1 樊昌信，曹丽娜.通信原理M.北京：国防工业出版社，
32、2015:104-121.2 Mohammed Farooque Mesiya(美).现代通信系统M.北京：电子工业出版社，2014:113-125.3 孙爱晶，党薇，吉利萍.通信原理M.北京：人民邮电出版社，2014:94-107.4 (美)John G.Proakis，Masoud Salehi.通信系统原理M.北京：机械工业出版社，2016:103-115.5 刘联会，王建新.通信电路与系统M.北京：北京邮电大学出版社，2014:95-108.6 王福昌，屈代明.通信原理M.第二版.北京：清华大学出版社，2015:83-97.7 邱宽民.多信息移频轨道电路信号调制频率选择的探讨J.铁道学
33、报，2015,(3):64-68.8 贺超英.MATLAB应用于实验教程M.北京：电子工业出版社，2010:45-151.9 葛熠.基于MATLAB的FSK调制信号发生器的模拟仿真J.科技视界，2012,3(4):53-64. 10 钱超.基于OPSK的调制与解调的系统仿真设计J.伺服控制，2012,2(5):38-46. 19致谢时光荏苒，匆匆四年，一晃而过，很快就到了毕业季。在离别之际，我要感谢我的母校皖西学院，在这四年对我的辛苦培养。我要感谢这里的老师、同学，感谢这里的一草一木，有了他们，让我在这四年里度过了一个快乐、充实的时光，也让我明白了很多道理。特别要感谢我的指导老师，在论文阶段对我的耐心指导，还要感谢我的辅导员，在毕业期间，对我们的悉心教导。毕业在即，我要铭记老师们的教诲，在未来的生活中，我会坚持不懈的努力与追求。