两点调制调制方式
Two Point Modulation
一. Introduction
FM 调制就是指用声音信号对载波波形的频率参数进行控制,使载波信号带有声音信息。调频是指让高频振荡的频率随着音频信号大小而变化,常用的调频方式为:1. 直接调频; 2. 间接调频。 1. 直接调制
这种方法一般用调制电压直接控制振荡器的振荡频率,使振荡频率f(t)按调制电压的规律变化。在LC 振荡器中,采用的是变容二极管实现直接调频,其电路简单,性能良好,以成为目前最广泛采用的调频电路之一,在实现线性调频的要求下,可以获的最大的频偏,但缺点就是频率稳定度差,在许多场合需要采取稳频措施或对晶体振荡进行调制。因此延伸出来两点调制,一路音频去调变容管,另一路音频去调参考晶振。 2. 间接调制
通常是先将调制信号积分,然后在对载波进行调相,间接调制时,调制器与振荡器是分开的,对振荡器的影响小,频率稳定度高,但设备复杂。
二. Experiment Equipment
基于PLL 的两点调制的FM 调制器如图1所示。音频信号分别对锁相环路的温补压控晶振和压控振荡VCO 进行调制。
图1 基于PLL 的两点调制的FM 调制器
电路实现为:PLL 选用富士通的小数分频芯片MB15E65UV ,VCO 为用分离器件搭建的,振荡范围在为420MHz~450MHz,环路采用经典的3介无源滤波器。
音频信号Vm(t)分两路去调制,通过调节滑阻R 来调节两者的比例。
三. Experiment Process And Data
1. 滑阻R1调节总的进入调制的音频信号,滑阻R2调节去VCO 和去REF 两端的音频信
号的比例。
Audio Frequency Signal
图2 测试电路一
输入音频信号的频率f=1KHz,幅度为3000mV ,调节滑动变阻器,使其产生3KHz 的频偏,并取该点做为参考点进行测试,测试结果入下表1。(载波频率为425.00MHz)
图3 随输入音频信号的频率产生的频偏的变化 从图中可以看出:1. 低频部分偏离零点大,高频部分偏离小。
2. 波动很大,即产生的频偏变化大,频率稳定度差。
2. 滑阻R1调节去VCO 和去REF 两端的音频信号的比例, 滑阻R2再细微的调节去VCO 端的信号大小。
Audio Frequency Signal
图4 测试电路二
a. 输入音频信号的频率f=1KHz,幅度为130mV ,调节滑阻使产生的频偏在整个频带内的波动较小,这时候产生3KHz 的频偏,并取该点做为参考点进行测试,测试结果入下表2。(载波频率为425.00MHz)
表2 测试电路二条件下的输入音频信号频率与产生频偏的关系
图5 随输入音频信号的频率产生的频偏的变化
从图中可以看出:1. 高频部分变化比电路一要缓慢,低频部分在f
要缓慢。
2. 整个频段上频偏还是不平,波动较电路一缓慢些。 b. 在a 的条件上测试单点调制。
1). 在参考晶体控制端加入100mV 的信号,单端调制输出频偏,取1KHz 时的频偏2.86KHz 作为参考点。(载波频率为425.00MHz)
图6 随输入音频信号的频率产生的频偏的变化
2). 单端输入VCO 的音频信号频率为1KHz ,幅度为100mV ,调节滑阻使产生的频偏在整个频带内的波动较小,这时候产生13.03KHz 的频偏,并以此作为参考点。(载波频率为425.00MHz)
图7 随输入音频信号的频率产生的频偏的变化
图8 随输入音频信号的频率产生的频偏的变化
从图中可以看出:1. 单点调制会使整个频段不平稳。
2. 将图8与图5做比较会发现两点调制为单点调制的叠加。输入相同频率
的信号,当一端能调制上,且与1KHz 的零点相差不太远,而另一端与1KHz 的零点相差太远,则这时表现的是能够调制上的那一点的特性;当输入的频率在两端都能调制上的时候,且与1KHz 的零点相差不太远,则这时表现的是两者的叠加。
c. 在电路二的条件下测试环路对调制的影响。
图9 环路参数
1). 测试环路电容的影响。
输入音频信号的大小为:1000mV ,频率为1KHz ,调节滑阻使产生的频偏在整个频带内的波动较小,这时候产生2.222KHz 的频偏,以该点作为参考点。 R1=R2=R3=560Ω;Test Condition 1:C1=0.47uF,C2=1uF ,C3=2700pF;Test Condition 2:C1=NC,C2=1uF ,C3=2700pF;Test Condition 3:C1=NC,C2=0.47uF ,C3=2700pF。
表5 测试电路二条件下的输入音频信号频率与产生频偏的关系
图10 不同环路电容下的随输入音频信号的频率产生的频偏的变化 2). 测试环路电阻的影响
Audio Frequency Signal
图11 测试电路三
C1=0.01uF,C2=0.47uF,C3=2700pF
输入音频信号的大小为:210mV ,频率为1KHz ,调节滑阻使产生的频偏在整个频带内的波动较小,这时候产生
2.222KHz 的频偏,以该点作为参考点。
Test Condition 1:R1=3.3KΩ,R2=560Ω,R3=22Ω;Test Condition 2:R1=20Ω,R2=3.3KΩ,R3=20Ω;Test Condition3:R1=20Ω,R2=3.3KΩ,R3=3.3KΩ;Test Condition 4:R1=20Ω,R2=560Ω,R3=3.3KΩ;Test Conditon 5:R1=20Ω,R2=560Ω,R3=22Ω
表6 测试电路三条件下的输入音频信号频率与产生频偏的关系
图12 不同环路电阻下的随输入音频信号的频率产生的频偏的变化
从图中可以看出:1. 环路中的电容对整个频段频偏的影响较小,即不影响图中的拐点;环
路中的电阻会影响其拐点,但其拐点的值主要是受两端的比例的影响,即去REF 和去VCO 的音频信号的大小决定其差值;在同等情况下,改变环路的电阻会影响其拐点的位置和大小。
2. 当输入同样频率和同样大小的音频信号的时候,环路中的电容和电阻
对频偏有影响,且电阻的影响比电容大些。特别是改变三介无源滤波器的第2介对频偏的影响较明显。
3. 由于环路的参数有很多中组合,会影响到很多东西,故以上只是举例
分析。从实际调试的情况来看,只有V REF 与V VCO 的比例合适了,也就是两边产生的频率变化相当的时候,细调环路滤波器对频偏的变化没有影响。
在Condtion 5下,测得输入的音频信号的幅度为V P-P =596 mV ,在测试电路三的条件下,输入参考晶振的音频信号的幅度为V P-P =596 mV ,测得输入VCO 的音频信号的幅度为V P-P =111 mV。
在Condtion 5下,输入1KHz 的音频信号,其幅度为197mV ,产生3KHz 的频偏,载频为 425.00MHz 。测得:S/N:44.19 (300-3KHz);Distn :0.7%;SINAD :44.67 (300-3KHz);剩余调频:44Hz (300-3KHz),78Hz (50-15KHz)。
保持V REF 的幅度不变,V VCO 的幅度增加,则低频部分与1KHz 标准相差减小,但高频部分与1KHz 标准相差增大;V VCO 的幅度减小,则低频部分与1KHz 标准相差增加,但高频部分与1KHz 标准相差减小。因此,要保持整个频带平坦,则需要细心的调节V REF 与V VCO 的比例。
3. 新旧温补压控振荡器的基本性能测试。
b. 谐波功率测试:
c. 压控范围测试:
新晶振的压控灵敏度为K=60Hz/V,压控范围为0~5.0V ;旧晶振的压控灵敏度为K=302Hz/V压控范围为0~ 3.3V 。
4. 新旧温补压控振荡器的调制性能测试。
a. 新晶振调制性能测试。
1). 在测试电路三的条件下,输入音频信号的频率f=1KHz,幅度为1000mV ,调节滑阻使产生的频偏在整个频带内的波动较小,这时候使其产生3.330KHz 的频偏,并取该点做为参考点进行测试,测试结果入下表2。(载波频率为425.00MHz)
条件1:V REF =2.81 V(VP-P ) 与V VCO =110 mV (VP-P ) 条件2:V REF =2.62 V(VP-P ) 与V VCO =96.4 mV (VP-P )
图13 在测试条件三下的输入音频信号与产生的频偏的变化
图14 新旧晶振调制性能对比(旧晶振的测试条件见表6的condition 5;新晶振的测试条件见表7的condition 1) b. 新旧晶振调制方波性能测试。
输入100Hz 的方波,其幅度为1000 mV,经过调制后,用综测仪解调出来的波形下图所
示:(载波频率为425MHz )
图 15 综测仪解调的方波
图15的一图表示的是新晶振调制的方波经综测仪解调出来的波形;图15的二图表示的是旧晶振调制的方波经综测仪解调出来的波形。从图中可以看出,新晶振的高频部分很平稳,但低频部分的波动较旧晶振大;旧晶振对于整个频带较平稳,其倾斜部分为电容导致的。
对于不同载频,相同音频的调制,波动很大。比如:在新晶振调制中,随着载频的增加,低频部分相对于1KHz 的频偏差值增大(一图的A 部分变得更突起),高频部分变化很小;在旧晶振调制中,随着载频的增加,低频部分会变得不平稳,高频部分也会有变化(二图的B 部分会突起或者凹下)。
c. 新晶振在不同载频下的调制特性。
1). 载波频率为f=425.00 MHz,输入音频信号的幅度为1000 mV,频率为1KHz ,调节滑阻使产生的频偏在整个频带内的波动较小,这时候产生3.21KHz 的频偏,以该点作为参考点。
图 16随输入音频信号的频率产生的频偏的变化
2). 载波频率为f=452.00 MHz,输入音频信号的幅度为870 mV,频率为1KHz ,调节滑阻使产生的频偏在整个频带内的波动较小,这时候产生3.295KHz 的频偏,以该点作为参考点。
表9 测试电路三条件下的输入音频信号频率与产生频偏的关系
图 17随输入音频信号的频率产生的频偏的变化
3). 载波频率为f=437.00 MHz,输入音频信号的幅度为870 mV,频率为1KHz ,调节滑阻使产生的频偏在整个频带内的波动较小,这时候产生3.156KHz 的频偏,以该点作为参考点。
图 18随输入音频信号的频率产生的频偏的变化
d. 旧晶振在不同载频下的调制特性。
1). 载波频率为f=425.00 MHz,输入音频信号的幅度为190 mV,频率为1KHz ,调节滑阻使产生的频偏在整个频带内的波动较小,这时候产生2.975KHz 的频偏,以该点作为参考点。
图 19随输入音频信号的频率产生的频偏的变化
2). 载波频率为f=437.00 MHz,输入音频信号的幅度为190 mV,频率为1KHz ,调节滑阻使产生的频偏在整个频带内的波动较小,这时候产生3.081KHz 的频偏,以该点作为参考点。
表12 测试电路三条件下的输入音频信号频率与产生频偏的关系
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图 20随输入音频信号的频率产生的频偏的变化
3). 载波频率为f=452.00 MHz,输入音频信号的幅度为190 mV,频率为1KHz ,调节滑阻使产生的频偏在整个频带内的波动较小,这时候产生3.174KHz 的频偏,以该点作为参考点。
表13 测试电路三条件下的输入音频信号频率与产生频偏的关系
图 21随输入音频信号的频率产生的频偏的变化
e. 新旧晶振在相同的音频输入下,不同载频的调制特性(调节滑阻,使音频信号在载频为f=425.00处平稳)。 1). 新晶振
图 22 在不同载频下随输入音频信号的频率产生的频偏的变化
2). 旧晶振
图 23在不同载频下随输入音频信号的频率产生的频偏的变化
由以上可知:1. 新晶振对于高频部分的调制很平稳,但在低频部分有凸起部分。旧晶振整
个频带比较平坦。
2.对于不同载频的调制,其调制曲线相同,与参考点的差值变化不大。(都要
滑动滑阻,调到波动较小处)。
3. 对于不同载频的调制,输入相同的音频调制信号,其调制曲线相同(都要调到波动较小处),载频越高,偏离参考点越远,对于新晶振,低频部分为正
向远离,高频部分为负向远离。
图 24 新旧晶振调制特性对比
通过对比:可以看出旧晶振的波动小,且对于不同载频的变化不大(都要滑动滑阻,调到波动较小处)。
四. Conclusion
在本文中,我们对PLL 两点调制的原理进行了阐述,并在PLLTEST 实验板上验证了采用快速PLL 两点调制实现FM 调制的可行性,两点调制改善了PLL 单点调制对低频信号响应能力的不足。
在调试的过程中,由于器件的精度和手动调节等原因,使得不容易找到一个最佳点,可以通过调制方波来进行校正,一般方波调平了,则调正弦波也就平了。
Author:
scochen
August 26, 2007