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一、先理解：鉴频要解决什么问题？

场景回顾：FM信号的特点

FM信号是频率变化、幅度不变的波：

发送端：声音大 → 频率变高 声音小 → 频率变低 （但振幅始终不变） 接收端：收到一个“频率在跳舞”的信号

问题：我们的扬声器只能响应电压变化，听不懂“频率变化”！

所以鉴频的使命是：

把频率变化 → 转换成电压变化

输入：频率随声音变化的FM波（频率在跳舞） 输出：电压随声音变化的音频信号（电压在跳舞）

二、核心原理比喻

比喻1：测速仪

FM信号像一辆速度变化的汽车：

• 速度快（频率高）

• 速度慢（频率低）

鉴频器就像雷达测速仪：

• 测量汽车的速度变化

• 输出一个电压，电压高低对应速度快慢

比喻2：秋千

FM信号像荡秋千：

• 往前荡得快（频率高）

• 往前荡得慢（频率低）

鉴频器像记录秋千速度的人：

• 记录每次荡的速度

• 画成速度曲线（就是声音！）

三、三种经典的鉴频方法

方法1：斜率鉴频（最直观）——“山坡滚球法”

原理：

1. 让FM信号通过一个滤波器，它的增益随频率斜着变化

2. 频率高 → 增益高 → 输出幅度大

3. 频率低 → 增益低 → 输出幅度小

4. 这样就把频率变化变成了幅度变化

5. 再用AM检波器提取幅度变化

电路示意图：

FM信号 → [带通滤波器] → 幅度变化的信号 → [包络检波] → 音频 （频率-幅度转换） （提取幅度变化）

生活比喻：

就像小球从倾斜山坡滚下：

• 频率高 = 从高处滚 → 滚得远（幅度大）

• 频率低 = 从低处滚 → 滚得近（幅度小）

• 记录滚的距离 → 就知道起始高度（频率）

缺点：

• 线性范围窄

• 对滤波器要求高

• 现代收音机已很少用

方法2：相位鉴频（主流）——“双胞胎比较法”

核心思想：

利用FM信号经过延时后的相位变化来检测频率。

工作原理：

1. 把FM信号分成两路：

   • 直通路

   • 延时路（经过LC谐振回路）

2. 频率变化时，两路信号的相位差会变化

3. 比较相位差 → 得到电压变化

关键电路：

FM信号 ↓ ┌─────┴─────┐ │ │ 直通 LC谐振回路 信号 （延时） │ │ └─────┬─────┘ 比较器 ↓ 音频

相位差的秘密：

LC谐振回路有个特性：

• 在谐振频率f₀时：输出相位滞后90°

• 高于f₀时：滞后小于90°

• 低于f₀时：滞后大于90°

所以频率变化 → 相位差变化 → 比较器输出电压变化

生活比喻：

就像双胞胎赛跑：

• 频率正常（f₀）：哥哥领先弟弟90米（固定相位差）

• 频率变高：哥哥领先小于90米

• 频率变低：哥哥领先大于90米

• 裁判（鉴相器）记录领先距离的变化 → 知道速度变化

优点：

• 线性好

• 灵敏度高

• 广泛应用在FM收音机

方法3：锁相环鉴频（现代主流）——“智能追踪法”

这是最高级的方法，完全不同的思路：

原理框图：

FM信号 → [鉴相器] → [低通滤波器] → 音频输出 ↑ │ └──[VCO]←───────┘ （压控振荡器）

工作过程（像“鹰捉兔子”）：

1. 鉴相器比较：

   • 输入FM信号（频率在变，像逃跑的兔子）

   • VCO输出信号（像追逐的老鹰）

2. 输出误差电压（反映两者频率差）

3. 误差电压经滤波后：

   • 一部分作为音频输出（这就是我们要的声音！）

   • 一部分控制VCO频率，让它跟踪输入FM信号

4. VCO紧紧“咬住”FM信号的频率变化

精妙之处：

音频信号就藏在VCO的控制电压里！

• FM信号频率高 → VCO需要更高控制电压才能跟上

• FM信号频率低 → VCO需要更低控制电压

• 这个控制电压的变化 = 原始音频信号

生活比喻：

像你开车追前车：

• 前车加速（频率升高）→ 你踩油门（电压升高）

• 前车减速（频率降低）→ 你松油门（电压降低）

• 你的油门深浅变化= 前车的速度变化= 音频信号

优点：

• 性能最好（抗噪声强）

• 集成方便（一个芯片搞定）

• 广泛应用在对讲机、手机、数字通信

四、三种方法对比表

五、实际FM收音机中的鉴频

以汽车FM收音机为例：

天线 → 高频放大 → 混频（变中频10.7MHz） → 中频放大 ↓ [鉴频器] ← 这里！ ↓ 音频放大 → 喇叭

那个鉴频器通常就是锁相环芯片或相位鉴频电路。

关键参数：

• 中频：10.7MHz（全球FM广播标准）

• 最大频偏：±75kHz（FM广播规定）

• 音频带宽：15kHz（能听到的最高频率）

六、鉴频器的技术挑战

1. 如何应对幅度干扰？

FM信号在传输中可能幅度也变化（比如经过建筑物反射），这会干扰鉴频。

解决方案：

• 加限幅器在鉴频前（切掉幅度变化）

• 锁相环本身对幅度变化不敏感

2. 如何提高线性度？

要在整个±75kHz范围内，频率变化与输出电压成严格正比。

解决方案：

• 精心设计LC回路（相位鉴频）

• 深度负反馈（锁相环）

3. 如何降低噪声？

FM虽有“静噪效应”，但鉴频器本身也会引入噪声。

解决方案：

• 提高中频放大增益

• 优化滤波器设计

七、数字时代的鉴频

现代数字通信（如4G/5G）中，鉴频通常在数字域完成：

模拟FM → ADC（采样） → 数字信号处理 → 计算瞬时频率 → 输出音频

算法思路：

1. 采样得到离散信号 x[n]

2. 计算相位变化：Δφ[n] = arg(x[n]·x*[n-1])

3. 频率 = Δφ / Δt

4. 映射为音频电压

这其实就是数字鉴频，比模拟方式更精确、灵活。

八、一句话总结

鉴频 = FM信号的“翻译官”

• 输入：频率变化的密码

• 翻译：频率变化 → 电压变化

• 输出：我们能听懂的声音

就像摩斯电码：

• 滴滴答答（频率变化）

• 翻译成文字（电压变化）

• 我们才能读懂（听到声音）