ADALM2000实验：FM检波器

目标

本实验活动的目标是了解FM解调的基本原理，以及用于从接收到的FM信号中检测信息的不同电路。

背景知识

为了实现有效通信，发送方和接收方所使用的信道必须达成一致。发送方会对消息进行编码，并将其传输给接收方。接收方随后接收消息，并进行解码操作。此过程与FM通信类似：接收所发射的FM信号后，必须经过解调才能获取信息。

FM检波器也被称为频率解调器或鉴频器，是一种电路，能够将载波信号的频率变化即时转换为相应的输出电压变化，FM检波器的转换函数是非线性的。然而，在线性范围内工作时，该函数为：

Equation 1.

其中：

➤ V_OUT =输出电压（信息），V

➤ f_INPUT =输入FM信号，Hz

➤ K_d =转换函数，V/Hz

电路输入是幅度恒定的频率变化信号。电路将这些瞬时频率变化转换为幅度变化，这样，输出中的每个电压水平都与输入中的瞬时频率变化相对应。因此，FM解调器转换函数的单位是伏特/赫兹(V/Hz)。

与AM一样，FM也有调制指数，它等于频率偏差与调制频率之比。频率偏差是调制信号产生的载波频率变化量或摆动量。FM的调制指数定义为：

Equation 2.

其中：

➤ Delta f = 频率偏差

➤ f_m =调制频率

与AM类似，FM的调制指数m是对峰值频率偏差的度量，这种方法可以将峰值偏差频率表示为最大调制频率的倍数。图2进一步说明了这一点。

载波信号频率为1 kHz，调制频率为100 Hz，调制指数为3。由调制指数可以得出，峰值频率偏差为300 Hz，频率将在700 Hz和1300 Hz之间摆动。或者说，调制频率的作用是确定该周期完成的速度。

FM解调器有多种类型，包括：

斜率检波器
Foster-Seeley鉴频器
比率检波器
脉冲平均鉴频器
正交检波器
锁相环

为简单起见，我们将深入研究斜率检波器，了解FM解调器的基本功能。

斜率检波器

斜率检波器（也称为单端斜率检波器）是最简单的FM解调器。它是一种调谐电路频率解调器，使用调谐(LC)电路将FM信号转换为AM，并使用串联的二极管和电容（常规峰值检波器）从AM包络中提取信息。此器件可以用于任何无线电，无论其有无FM功能。斜率检波器依赖于接收器的选择性，其电路操作是所有调谐电路鉴频器的基础。它主要由一个调谐电路和一个二极管峰值检波器组成，这种组合是典型调谐电路鉴频器的基本结构。图3和图4分别为传统版和简化版的原理图。

斜率检波器尽管结构简单，但其电压与频率的关系呈高度非线性，因此鲜有应用。图5显示了其电压与频率的关系。

斜率检波器的另一种变体是平衡斜率检波器，它由两个并联连接且相位相差180°的单端斜率检波器组成。

程序步骤

打开仿真文件（图6中的电路）。在该电路中，调制频率为1 kHz、载波信号为5 V/20 kHz、调制指数为5的FM信号被馈送到输入端。C1和L1组成的调谐电路执行FM到AM的转换，D1、R2和C2组成的峰值检波器从AM包络中提取信息。运行仿真文件并观察波形。

观察到的波形应该与图7类似。

其他电路

Foster-Seeley鉴频器和比率检波器

Foster-Seeley鉴频器和比率检波器是广泛使用的FM解调器，适用于通常采用分立元件的无线电接收器。图8为Foster-Seeley鉴频器原理图，图9为比率检波器。乍一看，这两个电路很相似。它们都有一个射频变压器和一对二极管，但与比率检波器不同的是，Foster-Seeley没有第三绕组，而是有一个扼流圈。

这两种解调器均采用分立元件构建，结构简单，性能出色，线性度高。然而，Foster-Seeley与比率检波器相比，输出更高且失真更低，而比率检波器与Foster-Seeley相比，有更强的幅度噪声抑制能力，并且带宽更宽。这些解调器的缺点包括：其变压器的成本高，难以将其与集成电路整合，导致目前的使用范围有限。