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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420MHz450MHz,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 Data1. 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。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)表1 测试电路一条件下的输入音频信号频率与产生频偏的关系输入音频信号频率（Hz）产生的频偏相对于3KHz的差值(dB)651.61852.451052.731252.771652.472051.982451.413050.6405-0.93505-1.92605-1.967050.308050.439050.33100001125-0.141225-0.361325-0.521425-0.681525-0.831625-0.961725-1.061825-1.121925-1.212025-1.282125-1.352225-1.402325-1.452425-1.48 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。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输入音频信号频率（Hz）产生的频偏相对于3KHz的差值(dB)65-4.1485-4.20105-4.28125-4.36165-4.57205-4.80245-4.93305-4.95405-4.27505-1.926050.777051.638051.229050.53100001125-0.461225-0.741325-0.931425-1.111525-1.271625-1.321725-1.431825-1.481925-1.562025-1.602125-1.642225-1.702325-1.712425-1.75 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f400Hz一下变化比电路一要缓慢。 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)表3 测试电路二条件下的单端输入音频信号频率与产生频偏的关系输入音频信号频率（Hz）产生的频偏相对于3KHz的差值(dB)63-4.0685-3.92100-3.90125-3.80150-3.60200-3.35250-3.14300-2.76350-2.60400-2.24450-2.00500-1.74600-1.20700-0.69800-0.239000100001200-1.401500-5.362000-11.212500-15.493000-18.583500-20.714000-22.395000-25.416000-26.07000-28.9 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)表4 测试电路二条件下的单端输入音频信号频率与产生频偏的关系输入音频信号频率（Hz）产生的频偏相对于3KHz的差值(dB)63-38.085-34.87100-32.8125-29.65150-27.50200-23.51250-20.32300-17.71350-15.50400-13.49500-10.22600-7.16700-4.84800-2.66900-1.021000012000.561500-0.262000-1.862500-2.863000-3.433500-3.794000-4.05000-4.30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=560；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输入音频信号频率（Hz）在条件1下产生的频偏相对于零点的差值(dB)在条件2下产生的频偏相对于零点的差值(dB)在条件3下产生的频偏相对于零点的差值(dB)65-0.34-0.75-0.82165-0.92-1.01-1.072650.15-0.47-0.943655.451.06-0.084656.262.461.555653.552.632.796651.912.022.587651.021.301.648650.440.660.829650.100.170.171065-0.12-0.15-0.252065-0.67-1.20-1.263065-0.53-1.08-1.204065-0.58-0.95-1.065065-0.71-0.85-0.966065-0.80-0.97-0.907065-1.55-2.11-3.058065-3.57-4.33-4.659065-6.42-7.02-8.20 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=3.3K，R2=560，R3=22；Test Condition 2：R1=20，R2=3.3K，R3=20；Test Condition3：R1=20，R2=3.3K，R3=3.3K；Test Condition 4：R1=20，R2=560，R3=3.3K；Test Conditon 5：R1=20，R2=560，R3=22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输入音频信号频率（Hz）在Condition 1下产生的频偏相对于零点的差值(dB)在Condition 2下产生的频偏相对于零点的差值(dB)在Condition 3下产生的频偏相对于零点的差值(dB)在Condition 4下产生的频偏相对于零点的差值(dB)在Condition 5下产生的频偏相对于零点的差值(dB)63-1.55-1.550.700.690.6985-1.58-1.530.730.730.70100-1.55-1.480.750.740.72125-1.60-1.460.740.760.74150-1.60-1.430.750.740.75200-1.56-1.390.760.770.76250-1.47-1.340.760.800.76300-1.18-1.290.750.820.78350-1.44-1.200.780.800.76420-1.34-1.110.800.800.80500-1.24-0.910.930.860.83600-1.23-0.641.270.730.70700-1.39-0.540.630.390.41800-1.22-0.300.580.170.20900-0.85-0.080.420.070.0910000000012002.69-2.73-3.77-0.020.0420000.83-7.010.57-0.050.1125000.42-5.940.410.840.0630000.45-5.420.531.590.2535000.53-5.170.731.820.5240000.40-5.001.021.870.8745000.22-4.871.071.690.9550000.18-4.721.011.320.9355000.11-4.700.960.430.8360000.06-4.830.760.070.676500-0.15-5.170.32-0.470.237000-0.68-5.88-0.45-1.15-0.547500-1.55-6.78-1.45-1.94-1.548000-2.73-7.93-2.57-2.77-2.668500-4.10-9.22-3.84-3.68-3.96 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VREF与VVCO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VP-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VP-P=596 mV，测得输入VCO的音频信号的幅度为VP-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VREF的幅度不变，VVCO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；VVCO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VREF与VVCO的比例。3. 新旧温补压控振荡器的基本性能测试。a. 输出电压幅度测试：Crystal StyleOutput Voltage (VP-P)(Old)390 mV(New)2.66 Vb.谐波功率测试： 晶体类型基波功率（dBm）2次谐波功率（dBm）3次谐波功率（dBm）4次谐波功率（dBm）5次谐波功率（dBm）(Old)-12.22-49.93-22.95-47.63-27.42(New)7.84-10.66-2.16-11.65-9.50c. 压控范围测试： 晶体类型 加在Vcont端的不同的控制电压下，晶振的输出频率0V1.0V2.0V3.0V3.3V5.0V6V(Old)16.79949516.79978816.80022116.80046216.80049216.80049216.800492(New)16.79986216.79993316.80005016.80012316.80013916.80016416.800164经计算可得出：新晶振的压控灵敏度为K=60Hz/V，压控范围为05.0V；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：VREF2.81 V(VP-P)与VVCO=110 mV (VP-P)条件2：VREF2.62 V(VP-P)与VVCO=96.4 mV (VP-P)表7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输入音频信号频率（Hz）在条件1下产生的频偏相对于参考点的差值(dB)在条件2下产生的频偏相对于参考点的差值(dB)63-0.380.0385-0.41-0.01100-0.48-0.12125-0.61-0.16150-0.170.222000.540.942500.551.033000.420.883500.470.984200.571.125000.871.426001.171.517000.861.028000.470.529000.200.211000001200-0.18-0.202000-0.41-0.392500-0.49-0.483000-0.22-0.37350000.2240000.010.5145000.120.5850000.130.5755000.120.4560000.060.156500-0.21-0.357000-0.80-1.127500-1.72-2.048000-3.02-3.168500-4.23-4.45 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。表8 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输入音频信号频率（Hz）产生的频偏相对于参考点的差值(dB)63-0.2685-0.30100-04.1125-0.311500.132000.842500.933000.643500.354200.335000.456000.607000.488000.289000.1410000.021200-0.092000-0.182500-0.163000-0.123500-0.154000-0.174500-0.165000-0.155500-0.116000-0.116500-0.15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输入音频信号频率（Hz）产生的频偏相对于参考点的差值(dB)63-0.2885-0.36100-0.48125-0.231500.192000.852500.823000.473500.154200.095000.086000.207000.218000.119000.06100001200-0.072000-0.092500-0.073000-0.053500-0.064000-0.094500-0.095000-0.065500-0.036000-0.026500-0.087000-0.207500-0.288000-0.52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。表10 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输入音频信号频率（Hz）产生的频偏相对于参考点的差值(dB)63-0.1685-0.24100-0.35125-0.241500.182000.902500.973000.653500.324200.275000.286000.367000.288000.199000.08100001200-0.072000-0.122500-0.103000-0.083500-0.084000-0.104500-0.125000-0.085500-0.046000-0.036500-0.107000-0.237500-0.388000-0.52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。表11 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输入音频信号频率（Hz）产生的频偏相对于参考点的差值(dB)63-0.1385-0.07100-0.02125-0.011500.032000.062500.093000.133500.134200.07500-0.07600-0.25700-0.25800-0.14900-0.051000012000.0820000.2225000.2630000.2735000.2540000.245000.1650000.1655000.1760000.1565000.087000-0.037500-0.138000-0.24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输入音频信号频率（Hz）产生的频偏相对于参考点的差值(dB)63-0.1185-0.0410001250.021500.042000.082500.103000.133500.124200.05500-0.12600-0.28700-0.25800-0.13900-0.051000012000.1020000.2325000.2730000.3035000.2940000.2145000.2050000.1855000.2160000.1865000.12700007500-0.118000-0.23-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输入音频信号频率（Hz）产生的频偏相对于参考点的差值(dB)63-0.1685-0.08100-0.06125-0.031500.012000.072500.073000.103500.104200.04500-0.13600-0.29700-0.24800-0.18900-0.031000012000.0820000.1925000.2430000.2535000.2340000.1845000.1550000.1555000.1860000.1565000.127000-0.017500-0.158000-0.27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). 新晶振表14 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输入音频信号频率（Hz）在f=425.00MHz下产生的频偏相对于零点的差值(dB)在f=452.00MHz下产生的频偏相对于零点的差值(dB)在f=437.00MHz下产生的频偏相对于零点的差值(dB)63-0.260.29085-0.300.24-0.04100-04.10.12-0.16125-0.310.43-0.021500.130.880.422000.841.661.202500.931.721.303000.641.491.043500.351.400.844200.331.540.885000.451.550.936000.600.650.647000.48-0.410.078000.28-0.93-0.309000.14-1.15-0.4910000.02-1.24-0.601200-0.09-1.27-0.682000-0.18-1.16-0.682500-0.16-1.07-0.623000-0.12-1.01-0.603500-0.15-0.99-0.584000-0.17-1.01-0.604500-0.16-0.98-0.595000-0.15-0.95-0.575500-0.11-0.92-0.526000-0.11-0.91-0.526500-0.15-0.97-0.59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). 旧晶振表15 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输入音频信号频率（Hz）在f=425.00MHz下产生的频偏相对于零点的差值(dB)在f=452.00MHz下产生的频偏相对于零点的差值(dB)在f=437.00MHz下产生的频偏相对于零点的差值(dB)63-0.130.410.1285-0.070.510.20100-0.020.530.23125-0.010.590.291500.030.640.312000.060.780.402500.090.920.453000.131.070.573500.131.240.664200.071.390.69500-0.071.220.56600-0.250.03-0.10700-0.25-1.01-0.61800-0.14-1.32-0.74900-0.05-1.33-0.6910000-1.25-0.6312000.08-1.11-0.5320000.22-0.78-0.2825000.26-0.67-0.2130000.27-0.63-0.1835000.25-0.61-0.2040000.2-0.67-0.2445000.16-0.68-0.2750000.16-0.65-0.2755000.17-0.66-0.2460000.15-0.65-0.2465000.08-0.70-0.347000-0.03-0.72-0.42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