高中物理 无线电调频到底是怎么回事？教学论文 新人教版3-4

高中物理 无线电调频到底是怎么回事？教学论文 新人教版3-4

无线电调频到底是怎么回事？ ‎ 无线电调频是怎么回事？‎ 高中《物理》教科书如是说：在电磁波发射技术中，使电磁波随各种信号而改变叫做调制。使高频震荡的振幅随信号而改变叫做调幅，调幅广播（AM）一般使用中波和短波段。使高频震荡的频率随信号而改变叫做调幅，调幅广播（FM）和电视广播（TV）都采用调频的方法来调制，通常使用微波中的甚高频（VHF）和超高频（UHF）波段。（见人民教育出版社物理室 编著 人民教育出版社出版的全日制普通高级中学教科书（实验修订本 必修加选修）《物理》第二册 第十九章第五节第219页）。‎ 有的教科书上还有如下三幅图象帮助理解。‎ 图1调频波的波形 那么，怎样才能使(b)图中的载波信号（高频信号）的频率随 ‎(a)图的调制信号（广播中的声音或电视中的伴音或图象信号，相对(b)图是低频）的振幅的变化而变化从而变成(c)图中的调频波了呢？也就是说无线电调频到底是怎么回事？‎ 说句老实话，我教了30多年的物理，对这个问题一直没有明白，幸亏没有学生打破沙锅纹（问）到底。可能是因为我上大学时碰上“文化大革命”，书没有读完；也可能是我们物理系不是无线电系，因为我问过一些同行，不是说不知道，就是说忘记了。但是，“以己昏昏，使人昭昭”是不行的，“要给人一碗水，自己要有一桶水”。最近，我翻了一些书，也上了一些网，终于懂得了，把它奉献出来，与物理教师同行共勉。‎ 1. 调频波的表达式 所谓调频就是使高频载波的瞬时频率按调制信号的变化而变化，同时幅度保持不变。当调制信号电压为，载波信号电压为时，按调频的定义，调频波的瞬时频率为:‎ 式中是瞬时频率相对于的偏移，叫做瞬时频率偏移，它与调制电压成正比。的最大值叫做最大偏移，用表示，即 上式中，是比例常数，表示单位调制信号所引起的频移，单位是弧度/秒·伏（rad/s·V）。习惯上把最大频率偏移称为频偏。‎ 根据式可求得调频波的瞬时相位为 式中 其中是调频波的相位变化量，它和调制电压对时间的积分成正比。因此调频波的瞬时表达式为 式中， 称为调频系数，它表示调频波的最大相位偏移。调频系数与调制信号的振幅成正比，而与调制信号的角频率成反比。‎ 2 调频波的波形和频谱 从调频波的波形可以看出，调频波的幅度保持不变，仍为等幅波。但调频波的频率则随着调制信号的变化而变化，并与调制信号的幅度成正比。当调制信号的幅度达到最大时调频波的频率最高，波形最密；而当调制信号的幅度达到最小时调频波的频率最低，波形最疏。‎ 利用数学方法可对调频波的频谱进行分析。通过分析发现，调频波的频谱由载频和无数对边频组成，其中n为任意正整数，相邻边频之间的间隔等于调制信号频率，第n条谱线与载频之差为。边频的相对幅度是以调频系数数为参量的各阶贝塞尔函数，其边频振幅可能超出载频振幅。‎ 从理论上说调频波的边频有无限多个，因而频带也为无限宽。但实际上调频波的能量的绝大部分是集中在载频附近的一些边频中。 不同时调频波的频谱 给出了不同值时的频谱图。谱线的长度都是相对值（设未调制时的载波振幅为100%）。‎ 由图可见，随着值的增大，调频波边频分量中幅度较大者的数目增加，有效频谱宽度也相应增大。在较大的情况下，离载频较远的变频分量幅度很小，滤除这些边频分量，对调频波的失真影响不大。在此情况下，调频波的有效带宽为 由于，或，所以有 我国的调频广播标准规定，100%调制时的频偏为75kHz，即Δfmax=75kHz。音频信号的最高频率为15kHz，即Fmax=15kHz。则带入上式可得 我国调频广播标准规定,一套调频广播节目所占的带宽为200kHz。调频波所占的频带宽度要比调幅波宽得多（约大20倍），若放在中、短波波段内传输，则可容纳的节目频道很少，所以调频广播都工作在超短波波段内。超短波波段频带较宽，调频广播电台所传送的音频信号的最高频率可达15kHz，可使所传声音的保真度较高，音质优美动听。另外，可进行调频立体声广播，使收听者能获得立体感、方位感、临场感强的声音。而且调频广播的抗干扰能力强，噪声小，所以声音清晰。但由于使用超短波传输，即以空间波直线传播，所以传输距离较近，覆盖范围不大。‎ 图2 调频波的频谱