FM頻率調製/解調電路的設計和製作

FM調製的基礎技術

        調變電路為可以將信號波(音頻信號等)等乘載在電波上傳送的電路。也即是將載波(carrier)利用信號波加以變形，然後傳送出去。在本文中，將針對調變電路中最常使用到的FM調變(Frequency Modulation……頻率調變)，以及解調(回復到原來的信號)的技術加以說明。
        FM調變方式為將載波頻率變化而後傳送的方式。

 FM調變的基礎技術

     FM調變的理論
    圖1所示的為FM調變的考查方法。其中的Vc為載波，Vs真為信號波。對於各信號可以如下表示。
圖1 FM調變
(FM調變為利用信號而改變頻率。由於振幅為一定，較容易去除雜訊成分。)   

    此時的載波頻率fc稱之為中心頻率。
    今將此一載波做FM調變。也即是，使載波頻率fc會隨著信號波的大小而改變。頻率變化時角頻率w也會變化，因此，
           
    或者
       
    此時的頻率變化△f稱之為最大頻率偏移。經過調變后的信號，稱之為被調變波Vm，可以用下式子表示。 
          
    被調變波Vm會隨信號波Vs而變化，其瞬間相位為時間積分。因此，相位角 成為
      
    所以，被調變波Vm可以如下表示，

           
         此時的   稱之為調變指數。

     FM調變波所佔有的頻帶寬
    FM調變波所佔有的頻帶寬會隨著調變指數(△f/fs)的增大而擴寬。FM調變波的頻譜分佈範圍很廣，而只對於存在有95%以上的能量的頻帶稱之為Carson頻帶寬。在此，對於佔有頻帶寬BW可以概略計算如下。 
       
        △f：最大頻率偏移
    fsm：信號波的最大頻率
    圖2所示的為△f=±75kHz，fsm=15KHz時的佔有頻帶寬BW。
 
圖2 FM調變波所佔有的頻帶寬
(FM調變波的頻率能量為無限大擴廣，而其能量成分幾乎存在於2△f+2fs)    
  
 
圖3 利用可變電容二極體做成FM調變的實驗
(將振蕩電路的電容器改為可變電容二極體時，便可以做簡單的FM調變。將△V(電壓變化)政變成為△f(頻率變化)。

     FM調變電路的實驗

    FM調變電路為將信號波的電壓變化(△v)變換成為頻率變化。在此舉一簡單的調變電路為例子說明。
圖3所示的為使用可變電容二極體，使振蕩電路發生調變的FM方式。在無信號時加上直流偏壓電壓，信號波便以偏壓電壓為基準而變化。電路的工作原理為信號波的電壓變化(△V)→電容量的變化(△C)→諧振頻率的變化(△f)，如此可以得到FM調變波。
    一般地，振蕩電路為晶體振蕩電路或陶磁振蕩電路時，使振蕩器的負載電容量隨著信號波而變化時，便可以形成FM波。

FM無線麥克風的設計-製作

     為了達到頻率穩定化，使用陶瓷振蕩器
    FM無線麥克風為利用聲音改變振蕩頻率，以達到將聲音傳送出去的目的。此在無線狀態下所傳送出去的信號，可以利用FM調諧器等接收之。
    大多數的FM無線麥克風為使用LC振蕩電路。但是，LC振蕩電路容易受到電源電壓的變動或溫度變化的影響，而使頻率變動。
    一般地，電源電壓雖然可以比較容易穩定化，但是，仍然有溫度變化的存在。結果，還是會使LC振蕩的頻率發生變動。
    此種方法所製作的FM無線麥克風，在每次使用時，必須與接收機的接收穩率重新對齊。也即是必須調諧。
    為了避免每次都需要重新調整接收，可以使用振蕩頻率的頻率穩定度較佳的陶瓷振蕩器。
    陶瓷振蕩器的性能與晶體相似。圖4所示的為陶瓷振蕩器的電氣特性。圖(a)為等效電路，圖(b)為電抗特性。振蕩頻率發生電抗為電感性的fs與fp之間
 
圖4 陶瓷振蕩器的構造
 
    在陶瓷振蕩器的電感性領域fs～fp晶體的電感性領域fs～fp的數十倍。因此，在做頻率調變(FM)時，使用陶瓷振蕩器較容易取得高的調變度或者說“響度”、“拾音靈敏度”等。

     所製作的無線電麥克風的概要
    圖5所示的為此次所製作的無線電麥克風的方塊圖，表1所示的為FM無線麥克風的設計規格。接收機為可以使用FM調諧器，因此，其接收頻率為在76MHz～90MHz之間。

表1 待製作的無線麥克風的電氣指標規格
(可以使用一般的FM收音機接收，但是，為了避免違反無線電波法，其使用範圍只在室內使用。其特徵為頻率變動小。) 　
傳送頻率                              FM傳送頻帶  76MHz~90MHz
電波型式                              FM
可能的傳輸距離                20m
頻率偏移                             ±75kHz
電源電壓                            DC306V~6V      電池內藏
頻率漂移                             ±20KHz以內

  
圖5 FM無線麥克風的方塊圖
(由於陶瓷振蕩器的種類較少，在此使用較容易取得的12MHz，因此，需要使用7倍頻電路。)

    為了避免違反電波法，此次所製作的通話傳送距離最長為20m，其頻率偏移(由於頻率調變所產生的頻率變化寬幅)與FM廣播台同樣是±75kHz。
    電源為使用鎳鎘電池或一般的乾電池(3個或4個)，工作原理電壓範圍約為3.6V～6V。考慮到FM調諧器的選擇性，在此設定頻率變動為±20kHz以內。 
  
     利用振蕩電路做頻率調變
    圖6所示的為可以形成頻率調變的振蕩電路的構成。此一振蕩電路的基本為如圖(a)所示，此為第3章3-4節所示的無調整振蕩電路。
    在此使用陶瓷振蕩器CSA12.0MX(村田製作所)串聯可變電容二極體1SV50，直接將調變信號加在此，可以改變可變電容二極體的靜電電容量，達到FM調變的目的。
    為了易於了解頻率調變的工作原理，將無調整振蕩電路用圖(b)的等效電路表示。
 
圖6 頻率調變電路的構成
(為了能使電路容易起振，使用fT較高的晶體管。利用可變電容二極體，直接構成FM調變電路。)

    陶瓷振蕩器為在電感性的領域工作原理，因此，振蕩電路可以視為線圈(電感)工作原理。
    雖然串聯有可變電容二極體的靜電電容，但是，由於陶瓷振蕩器的電感量很大，因此,陶瓷振蕩器與可變電容二極體的全體還是以線圈形態(電感)工作原理。
    但是，此一線圈的電感量會因為可變電容二極體的靜電容量而變化，因此，改變加在可變電容二極上的電壓，也可以改變振蕩頻率。
    但是，即使陶瓷振蕩器的振?頻率再高，也不會高於30MHz，無法直接振蕩為FM廣播頻帶的76MHz～90MHz。在此為在12MHz振蕩，再7倍頻成為84MHz。
    在無調整振蕩電路的輸出並沒有連接諧振電路，因此，無調整振蕩電路的輸出波形不會成為漂亮的波形，而是包含有高諧波成分的失真波形。但是，由於使用其7倍的高頻率，因此，其波形稍有失真也不會有太大影響。