频率调制-fm

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1、Frequency Modulation 我 们 习 惯 上 用 FM 来 指 一 般 的 调 频 广 播 （ 76-108MHz， 在 我 国 为 87.5-108MHz、 日 本 为 76-90MHz） ， 事 实 上 FM 也 是 一 种 调 制 方 式 ， 即 使 在 短 波范 围 内 的 27-30MHz 之 间 ， 做 为 业 余 电 台 、 太 空 、 人 造 卫 星 通 讯 应 用 的 波 段 ，也 有 采 用 调 频 （ FM） 方 式 的 。 FM radio 即 为 调 频 收 音 机 。频 率 调 制 （ FM） 合 成 技 术 频 率 调 制 （ FM） 在 电 子

2、音 乐 合 成 技 术 中 ， 是 最 有 效 的 合 成 技 术 之 一 ， 它最 早 由 美 国 斯 坦 福 大 学 约 翰 .卓 宁 （ JohnChowning） 博 士 提 出 。 20 世 纪 60年 代 ， 卓 宁 在 斯 坦 福 大 学 开 始 尝 试 使 用 不 同 类 型 的 颤 音 ， 他 发 现 当 调 制 信 号的 频 率 增 加 并 超 过 某 个 点 的 时 候 ， 颤 音 效 果 就 在 调 制 过 的 声 音 里 消 失 了 ， 取而 代 之 的 是 一 个 新 的 更 复 杂 的 声 音 。 今 天 看 来 ， 卓 宁 当 时 只 是 在 完 成 无 线 电

3、 广 播 发 射 中 最 常 用 的 调 频 技术 （ 也 就 是 FM 广 播 ） 。 但 卓 宁 的 偶 然 发 现 ， 却 使 这 种 传 统 的 调 频 技 术 在 声音 合 成 方 面 有 了 新 的 用 武 之 地 。 当 卓 宁 领 悟 了 FM 调 制 的 基 本 原 理 后 ， 他 立即 开 始 着 手 研 究 FM 理 论 合 成 技 术 ， 并 在 1966 年 成 为 使 用 FM 技 术 制 作 音 乐的 第 一 人 。基 本 原 理 音 频 信 号 的 改 变 往 往 是 周 期 性 的 ， 一 个 最 容 易 理 解 音 频 调 制 技 术 的 范例 是 小 提

4、琴 和 揉 弦 ， 揉 弦 通 过 手 指 和 手 腕 在 琴 弦 上 快 速 颤 动 ， 使 琴 弦 的 长 度发 生 快 速 变 化 ， 从 而 最 终 影 响 小 提 琴 声 音 的 柔 和 度 。 与 “FM 无 线 电 波 ”相同 ， “FM 合 成 理 论 ”同 样 也 有 着 发 音 体 （ 载 体 ） 和 调 制 体 两 个 元 素 。 发 音 体或 称 载 波 体 ， 是 实 际 发 出 声 音 的 频 率 振 荡 器 ； 调 制 体 或 称 调 制 器 ， 负 责 调 整变 化 载 波 所 产 生 出 来 的 声 音 。 载 波 频 率 、 调 制 体 频 率 以 及 调

5、制 数 值 大 小 ， 是影 响 FM 合 成 理 论 的 重 要 因 素 。 最 基 本 的 FMinstrument 包 括 两 个 正 弦 曲 线 振 荡 器 ， 一 个 是 稳 定 不 变 的载 波 频 率 fc（ CarrierFrequnecy） 振 荡 器 ； 一 个 是 调 制 频 率fm（ ModulationFrequency） 振 荡 器 。 载 波 频 率 被 加 在 调 制 振 荡 器 的 输 出 上 。载 波 振 荡 器 是 一 个 带 有 fc 频 率 的 简 单 的 正 弦 波 频 率 ， 当 调 制 器 发 生 时 ， 来自 调 制 振 荡 器 的 信 号 ，

6、 即 带 有 fm 频 率 的 正 弦 波 ， 驱 使 载 波 振 荡 器 的 频 率 向上 或 向 下 变 动 ， 比 如 ， 一 个 250Hz 正 弦 波 的 调 制 波 ， 调 制 一 个 1000Hz 正 弦波 的 载 波 ， 那 么 意 味 着 载 波 所 产 生 的 1000Hz 的 频 率 ， 每 秒 要 接 受 250 次 的影 响 产 生 的 调 制 。 制 体 和 载 波 体 都 是 有 频 率 、 振 幅 、 波 形 的 周 期 性 或 准 周 期性 振 荡 器 。 在 频 率 调 制 技 术 中 ， 调 制 体 的 振 幅 同 样 对 频 率 调 制 起 关 关 键

7、作 用 ， 调 制体 振 幅 影 响 着 载 波 频 率 调 制 后 变 化 的 深 度 ， 假 如 调 制 信 号 的 振 幅 是 0， 就不 会 出 现 任 何 调 制 ， 因 此 说 ， 就 像 在 振 幅 调 制 （ AM） 中 ， 调 制 体 的 频 率 对载 波 体 的 振 幅 有 影 响 一 样 ， 在 频 率 调 制 （ FM） 中 ， 载 波 的 频 率 变 化 同 样 受调 制 体 振 幅 大 小 变 化 的 影 响 。 因 此 ， 在 频 率 调 制 过 程 中 ， 我 们 可 以 发 现 ： 1.调 制 体 的 频 率 影 响 载 波体 的 频 率 的 速 度 变 化

8、。 2.调 制 体 的 振 幅 影 响 载 波 频 率 的 深 度 变 化 。 3.调 制体 的 波 形 （ 或 音 色 ） 影 响 载 波 频 率 的 波 形 变 化 。 4.载 波 体 的 振 幅 在 频 率 调制 过 程 中 保 持 不 变 。 FM 中 频 谱 的 计 算 在 简 单 频 率 调 制 中 ， 两 个 振 荡 器 都 只 用 正 弦 曲 线 （ Sinusoidal） 的 波形 。 不 过 ， 由 于 频 率 调 制 技 术 可 以 制 造 出 非 常 丰 富 的 频 谱 ， 这 使 得 作 曲 家也 不 必 用 频 谱 过 于 复 杂 的 波 形 完 成 FM 合 成

9、。 事 实 上 ， 如 用 一 个 频 谱 成 分 非常 丰 富 的 波 形 作 为 调 制 体 来 调 制 另 一 个 声 音 （ 载 波 体 ） ， 调 制 后 的 频 谱 会 极其 复 杂 ， 以 至 于 听 起 来 非 常 粗 糙 、 刺 耳 。 在 载 波 频 率 的 任 何 一 边 有 一 些 频 谱 构 成 ， 其 间 隔 距 离 与 调 制 的 频 率 相 一致 。 这 些 上 边 频 和 下 边 频 是 成 对 地 根 据 调 制 频 率 （ fm） 的 泛 音 数 组 合 在 一起 的 。 用 数 学 的 语 言 解 释 ， 一 个 简 单 的 FM 频 谱 显 示 的 频

10、 率 是 fckfm.k 是一 个 整 数 （ Integer） ， 可 以 假 定 为 任 何 大 于 或 等 于 0 的 值 ， 载 波 成 分 就 是由 k=0 来 显 示 的 。 频 谱 构 成 中 的 能 量 分 配 ， 部 分 地 根 据 频 率 偏 离 的 量 影 响 。 这 种 偏 离（ Deviation 缩 写 为 d） 是 由 调 制 振 荡 器 产 生 的 。 当 d=0 时 ， 指 没 有 任 何 调制 发 生 。 增 加 偏 离 指 数 就 会 产 生 边 频 ， 从 而 获 得 更 大 的 能 量 ， 但 是 以 牺 牲 载波 频 率 的 能 量 为 代 价 。

11、偏 离 越 大 ， 在 边 频 之 间 分 配 的 能 量 越 宽 ， 就 会 带 来 有振 幅 变 化 的 更 大 的 边 频 数 。 因 此 ， 偏 离 可 以 担 当 控 制 FM 信 号 频 谱 边 频 的 角色 。 假 如 输 入 载 波 为 1000Hz 调 制 体 为 250Hz， 那 么 根 据 FM 频 谱 分 配 计 算原 则 ， 最 终 ， 所 得 频 率 调 制 后 的 输 出 频 率 值 应 该 如 图 13-7 所 示 。 每 个 频 谱成 分 的 振 幅 是 由 偏 离 指 数 和 调 制 频 率 决 定 的 。 频 率 调 制 的 效 果 有 时 与 加 法 合

12、 成 有 类 似 的 地 方 ， 两 者 的 本 质 区 别 是 ， 加法 合 成 在 基 本 波 形 上 加 上 谐 波 分 音 ， 一 层 又 一 层 ， 基 本 波 形 与 其 谐 波 分 音 同时 存 在 ， 而 FM 合 成 加 上 去 的 波 形 却 完 全 调 制 了 其 基 本 波 形 而 产 生 另 一 种 十分 复 杂 的 波 形 ， 因 此 ， 频 率 调 制 技 术 与 加 法 合 成 技 术 是 截 然 不 同 的 两 种 合 成技 术 。 FM 的 高 级 形 式 ： 复 合 频 率 调 制 复 合 频 率 调 制 （ Composite frequency mod

13、ulation） 包 含 两 个 或 两 个以 上 载 波 体 振 荡 器 和 两 个 以 上 调 制 体 振 荡 器 ， 它 能 够 产 生 更 多 的 边 频 ， 同 时也 增 加 了 计 算 的 复 杂 性 。 复 合 频 率 调 制 的 组 合 可 能 性 很 多 ， 每 一 种 组 合 都 会带 来 独 特 的 频 率 合 效 果 。 总 体 归 这 ， 复 合 频 率 调 制 至 少 有 5 个 基 本 组 合 方 式 。 一 、 有 各 自 独 立 调 制 器 的 多 载 波 组 合 （ Additive carriers with one modulator） 这 个 组 合

14、包 括 两 个 或 更 多 简 单 的 FM instruments 同 时 工 作 ， 所 获 得 的效 果 是 每 个 FM instruments 输 出 的 总 和 （ 图 例 符 号 缩 写 中 ， al 表 示 载 波1 的 振 幅 ， fl 表 示 载 波 1 的 频 率 ， d1 表 示 调 制 体 1 的 频 率 偏 移 ， 也 就 是 调制 体 1 的 振 幅 ， f1 表 示 调 制 体 1 的 频 率 ， a 表 示 载 波 振 幅 ， 其 他 图 示 缩 写符 号 也 依 此 辨 别 ） 。 二 、 只 有 一 个 调 制 器 的 多 载 波 组 合 （ Additi

15、ve carriers with one modulator） 它 所 获 得 的 效 果 是 每 个 载 波 输 出 的 相 加 总 和 。 三 、 带 有 平 行 调 制 器 的 单 载 波 （ Single carrier with parallel modulators） 四 、 有 多 个 （ 逐 级 ） 调 制 器 的 单 载 波 （ Single carrier with serial modulators） 五 、 自 我 调 制 的 载 波 （ Self-modulating carrier） 所 谓 自 我 调 制 的 载 波 ， 就 是 用 信 号 振 荡 器 的 输 出 调 制 自 身 的 频 率 。 振 荡器 的 输 出 信 号 用 一 个 反 馈 因 素 （ 用 fb 表 示 ） 相 乘 ， 在 被 重 新 输 入 到 自 身 的频 率 输 入 之 前 加 一 个 频 率 值 （ fm） 。 反 馈 因 素 （ 用 fb 表 示 ） 在 这 里 可 以 被看 作 是 一 个 调 制 指 数 。 由 于 自 我 调 制 的 处 理 技 术 总 是 在 1： 1 的 频 率 比 率 中 工 作 ， 因 此 永远 生 成 锯 齿 波 状 的 波 形 。 谐 波 分 音 的 振 幅 是 按 反 馈 因 素 值 （ fb） 的 比 例 变化 的 。