频率调制（简称：调频，英语：Frequency Modulation，缩写：FM）是一种以载波的瞬时频率变化来表示信息的调制方式。与此相对应的调幅方式是透过载波幅度的变化来表示信息，而其频率却保持不变。
（注意静音时频谱图上为一条深线）
在无线电的早期，静电是一个令人头疼的问题，每个人都试图减少静电影响的方法是减少带宽 - 这样接收器可能拾取到的噪声就会更少。一位名叫埃德温·阿姆斯特朗（Edwin Armstrong）的美国工程师正在研究这个问题——频率调制而不是幅度调制是否具有优势。大约在1928年，阿姆斯特朗开始发展使用FM的概念，他没有减少带宽，而是增加了带宽。由于各种原因，许多人不同意阿姆斯特朗的想法。他联系了RCA，尽管他们印象深刻，但他们专注于电视，不想将任何资源转移到新的广播形式上。
一路走来，阿姆斯特朗经历了许多困难，于1939年创办了自己的广播电台，以展示FM的有效性。为了适应这个电台和其他电台，FCC分配了一个42到50 MHz之间的频段。其他人很快紧随其后，但战后，美国的 FCC 将分配的频段更改为我们今天所知的 88 到 108 MHz 之间的频段。尽管由于售出了几十万台收音机，最初有一些痛苦，但该频段在全球范围内被接受，它就是我们今天所知道的 VHF FM 频段。随着 FM 作为高质量广播媒体的确立，它迅速发展起来。除此之外，一种窄带FM形式在VHF和UHF移动通信中变得流行。FM的性质意味着信号强度变化对操作的影响几乎不如AM信号那么大。
¶ 频率调制的概念
顾名思义，调频是根据调制信号的强度改变载波的频率，调制信号通常可以是音频，但也可以是任何形式的信号。信号的频率是调制信号的线性函数，因此可以看到幅度和时间图的变化，如下图所示。
从中可以看出，频率随着调制信号瞬时电平的变化而变化。当音频信号被调制到射频载波上时，新的射频信号在频率上上下移动。信号上下移动的量很重要。它被称为频偏，通常被引用为千赫兹偏差数。例如，信号的频偏可能为正负3kHz，即±3kHz。在这种情况下，载波上下移动 3 kHz。
频率在88.5至108 MHz之间的VHF部分的广播电台使用较大的频偏值，通常为±75 kHz。这被称为宽带 FM （WBFM或WFM）。这些信号能够支持高质量的传输，但占用大量带宽。通常每个宽带 FM 传输允许 200 kHz。出于方便容纳更多设备通信的目的，对讲机设备使用的带宽较少，业余对讲机常用的窄带FM（NBFM或NFM）通常使用大约±3-5kHz的频偏，信道间隔通常为25kHz、12.5kHz或有时更低。
¶ 频率调制的应用
FM能够提供近乎无干扰的接收，正是出于这个原因，它被VHF声音广播所采用。这些传输可以提供高保真音频，因此，频率调制比长波、中波和短波频段的旧传输更受欢迎。调频技术通常运用在甚高频段（VHF无线电波段）以及更高频率上的高保真音乐和语音的无线电广播。普通的（模拟）电视的音频信号也是透过调频方式传递。窄带形式的调频广播(N-FM)限于商业上的声音通信和业余无线电领域，广播中使用的调频技术则一般称为宽带调频（W-FM）。
调频技术还用于大多数的模拟VCR，包括家庭视频系统VHS，用于记录视频信号的亮度（黑和白）信息，不过是在中频段使用。调频是用于录取视频磁带时唯一不造成大的信号走样的调制技术，因为视频信息的所包含的频谱范围很广，从几赫兹到几十兆赫，同均衡器工作时很难将噪声信息保持在-60dB以下。调频方式也使磁带处于饱和状态，起到降噪的作用，同时接收端的调频捕获效应基本消除了透印和前回声等现象。如果在信号上加上一个连续的导频音，就像在V2000以及许多Hi-band 格式上作的那样，机械抖动可以得到有效的控制，从而有助于时基校正。
调频技术还应用在音频的合成上，即所谓的调频合成，在早期的数字合成器上应用很普遍，并成为几代个人电脑声卡的标准特征。除此之外，FM有时还可用于其他形式的无线通信，因此有许多类型的设备用调频技术应用于各种工作。
¶ 调频的调制与解调
与任何形式的调制一样，FM必须能够成功解调信号并恢复原始的信号。FM解调器可以称为多种名称，包括FM解调器，FM检测器或FM鉴频器（很多较老的文献会常常以鉴频代指FM解调）。
FM解调是接收调频信号的关键过程。一旦信号被接收、滤波和放大，就必须从载波中恢复原始调制。这个过程称为解调或检测。
FM 解调器电路存在于任何使用 FM 的接收器中：广播接收器、使用 FM 的对讲机和手持式收音机等双向收音机，以及任何使用调频的接收器。这些术语：FM检测器、FM鉴频器和FM解调器可能看起来有很大不同，但它们都可以互换使用，但指的是同一类型的电路。对于某些基于分立元件的电路，术语FM鉴别器可能更常用。FM解调器一词可能在最新的技术交流中更广泛地使用。
¶ 降噪解调
任何幅度信号都可能是噪声，通过使接收机对幅度变化不敏感，可以提高信噪比。抗噪声能力是为高保真音频广播等应用提供低噪声 FM 接收的主要因素。这也意味着，对于移动无线电或手持无线电通信，信号电平变化和由于移动而衰落的影响会减少。如果FM解调器对幅度变化和频率变化都很敏感，则解调器可以在限幅放大器级之前进行。当存在足够强度的信号时，该阶段进入饱和状态。通过在饱和状态下运行，可以消除振幅变化。
由于显而易见的原因，FM解调器/FM检波器通常看到的响应称为“S”曲线。响应曲线的中心有一个线性部分，朝向边缘，响应变得非常失真。可以预见，检波器响应曲线不能在很大的频率范围内保持线性。相反，它应该足够宽以适应信号偏差的宽度，并且应该更大一点以提供额外的裕量。
¶ 解调的类型
可以使用几种不同类型的FM检测器/解调器，每种类型都有自己的特点，优点和缺点。在无线电由分立器件制成的日子里，某些类型更受欢迎，但现在基于 PLL 的探测器和正交/符合探测器使用最广泛，因为它们很容易集成到集成电路中，并且不需要太多（如果有的话）调整。
此外，锁相环和符合检波器不需要电感器，与电容器和电阻器甚至集成电路相比，电感器的制造成本很高。此外，当可以将探测器集成到IC中时，这减少了元件数量，从而在保持性能的同时进一步降低了成本。
为了提高FM接收器的噪声性能，通常IF级可以工作，使IF放大器被驱动到限制状态。这消除了会导致噪声的幅度变化，并且只允许通过频率变化。将IF级驱动到限制状态还可以消除任何电平变化，从而允许各种类型的衰落 - 它对于移动无线电通信特别有用，因为信号变化是任何移动无线电通信系统的一个特征。
广播接收机、无线电通信系统、双向无线电或对讲机/手持无线电等中的调频解调器主要类型概述如下：
- 斜率检测：这是一种非常简单的FM解调形式，它依靠接收机本身的选择性来提供解调。它不是特别有效，除非接收器没有 FM 功能，否则不会使用。这种形式的FM检测有很多局限性——收音机的选择性曲线根本不是线性的，并且会出现失真以及接收器将对幅度变化等敏感。
- 比率检测器：这种类型的检测器是在晶体管无线电中使用分立元件时广泛使用的检测器。比率检测器需要使用具有第三个绕组的变压器来产生一个额外的信号，该信号在解调过程中进行相移。比率检测器使用两个二极管以及一些电阻器和电容器。尽管它性能良好，但鉴于它使用的变压器，比率FM探测器是一种昂贵的探测器形式。由于所有绕组元件都比电阻器和电容器贵，因此这些FM解调器的制造成本很高，并且在引入可以使用不同电路的集成电路技术后，很少使用比率检测器。尽管如此，在过去的这种形式的FM解调也流行过一段时间。
- Foster Seeley FM ：在收音机使用分立元件的日子里，这是收音机中FM解调器的另一个主要竞争者。Foster Seeley FM解调器在许多方面与比率检测器非常相似。然而，它没有在变压器上使用第三个绕组，而是使用了一个单独的扼流圈。与比率检波器一样，当集成电路被引入时，Foster Seeley检波器不再广泛使用，因为其他形式的FM解调器更容易在IC上实现，而且它们的性能更胜一筹。
- 锁相环解调器（PLL FM）：可以使用锁相环来解调FM。PLL FM检波器具有出色的性能，在制造过程中不需要进行太多调整。PLL FM解调器的另一个优点是，它很容易集成到集成电路中，因此可以以非常小的增量成本添加到整个接收器芯片中，从而添加到无线电接收器中。锁相环或PLL FM解调器之所以工作，是因为环路被设置为跟踪输入FM信号的瞬时频率。为了保持环路锁定，环路内的压控振荡器需要跟踪输入信号的频率。VCO的调谐电压随信号的瞬时频率而变化，因此提供了音频或其他调制信号的解调输出。锁相环解调器最大的优点是其借助IC可以在短时间内变换频率从而实现扫频等高级操作。
- 正交检测器：正交FM检波器现在广泛用于FM无线电IC。它易于实现，并能提供出色的性能水平。正交FM解调器的重合形式很容易集成到集成电路中，并且几乎可以在不增加成本的情况下添加。这使其成为现代接收器设计中非常有吸引力的选择。许多设计用于提供竞争接收机或IF条带功能的集成电路都集成了正交检波器/符合检波器，因此几乎可以不另外增加成本地将FM解调添加到最终的成品接收机中。
这些FM解调器用于不同的应用。不同类型的调频解调器为设计人员提供了根据应用选择的方法：广播、双向无线电通信（包括对讲机和手持无线电）、高规格通信接收器等。
尽管 PLL FM 检波器和正交检波器以及基于锁相环的电路使用最广泛。Foster Seeley 和 ratio FM 检测器在某些情况下仍在使用，但它们通常只存在于使用分立元件的旧收音机中。
¶ 调制的类型
有多种不同的方法可用于生成调频信号。
- 变容二极管振荡器：这种方法只需要使用放置在振荡器电路的调谐电路中的变容二极管。甚至可以在晶体振荡器电路中使用变容二极管。通常，当晶体振荡器被重新使用时，信号需要在频率上成倍增加，并且只能获得窄带FM。
- 锁相环：和解调一样，锁相环提供了一种产生频率调制的极好方法。通常需要仔细管理循环中的约束，但一旦实现，这种调制方法就会提供出色的解决方式。
¶ FM调制指数和偏差比
调频信号的两个关键参数是调制指数和偏差比。在研究调频信号及其特性时，它们被广泛使用。
这两个参数描述了给定FM信号的一些基本特性 - 调制指数（提供有效调制电平的量度）和偏差比（相对于调制频率的偏差的量度）。
在规划和设计无线电通信系统和广播发射机等时，这两个数字是关键 - 它们定义了调频信号的一些基本参数，影响边带电平和信号所需的带宽。从大型调频广播发射机、专业无线电通信系统到小型双向收音机或对讲机，它都很重要。
¶ 调制指数
调制指数（FM Modulation Index）相当于AM的调制指数，但显然与FM有关。鉴于两种调制形式之间的差异，FM调制指数的测量方式不同。
FM调制指数等于频率偏差与调制频率的比值。
调制指数=频偏/调制频率
从调制指数的公式和定义可以看出，调频没有包含载波频率的项，这意味着它完全独立于载波频率。举个FM调制指数的例子，举个例子，一个信号的频差为±5kHz，调制频率为1kHz，那么这个特定实例的调制指数是5 / 1 = 5。同样，如果偏差为 ±10 kHz，调制频率为 s kHz，则其偏差比也为 5。
由于普通音频在音频声音中包含各种不同的频率，因此偏差比通常使用最大音频频率和最大偏差来计算。然后，该计算中使用的数字将用于确定信号的带宽和其他特性。
¶ 频差比
调制指数的问题之一是它会根据频差和调制频率的瞬时值而变化。
在典型的音频传输中，频率偏差和调制频率都会有所不同。频率偏差会根据当时的音频电平而变化。此外，调制频率也会发生变化，因为普通音频由各种频率组成，这些频率会根据语音或音乐等而变化。
对于许多应用，有一个最大值的数字更有用。因此，FM频差比可以定义为：最大载波频率偏差与最高音频调制频率的比值。
FM频差比的一个常见例子可以通过获取典型FM广播电台的参数来了解。在这些电台中，最大频率偏差为 ±75 kHz，调制的最大音频频率为 15 kHz。使用上面的公式，这意味着偏差比为 75 / 15 = 5。
计算许多其他系统的偏差比也非常容易。例如，通信系统的最大偏差可能为 ± 7.5 kHz，最高频率限制为 3 kHz。在这种情况下，偏差比为 7.5 / 3 = 2.5。
¶ 调频的带宽和调制指数
对于广播FM传输，目标是能够传输高质量的音频，并实现这种高水平的频差，并且带宽很宽。出于通信目的，质量不是问题，但带宽更重要。因此，偏差水平更小，带宽更小。
FM信号的带宽尤为重要，因为它需要足够宽以正确传输信息，同时又不会占用太多频谱。如果带宽太宽，则它可能会传播到所需信道之外，并对其他信道上的其他用户造成干扰。
随着频谱使用量的增加，越来越多的无线和通用无线电应用（从短距离无线通信到传统的语音双向无线电通信、数据链路等等），管理频谱并确保传输在其分配的带宽内的需求变得更加重要。
调频信号主要分为两类，与调制指数和频差比有关。
¶ 宽带调频
宽带FM通常用于FM调制指数高于约0.5的信号。对于这些信号，超出前两项的边带并非微不足道。广播 FM 电台使用宽带 FM，这使它们能够传输高质量的音频，以及其他设施，如立体声，以及其他设施，如 FM-RDS 等。
宽带FM的宽带宽使高质量的广播传输成为可能，将宽频率响应与低噪声水平相结合。一旦信号足够强，音频信噪比就非常好。有时，高保真 FM 调谐器可能会使用宽带滤波器来获取强信号，以确保最佳保真度和性能。在这里，强信号的静音效果将允许宽带接收和完整的音频带宽。对于较低强度的信号，他们可能会切换到更窄的滤波器以降低噪声水平，尽管这会导致音频带宽降低。然而，总的来说，当接收信号较低时，较窄的带宽将产生更悦耳的声音。
¶ 窄带调频
窄带FM（NBFM）用于偏差足够小的信号，贝塞尔函数中的项很小，并且主边带是出现在±调制频率下的边带。更远的边带可以忽略不计。对于NBFM，FM调制指数必须小于0.5，尽管通常使用0.2的数字。对于NBFM，音频或数据带宽很小，但这对于这种类型的通信是可以接受的。
窄带调频广泛用于双向无线电通信。尽管数字技术正在接管，但NBFM仍然被广泛使用并且非常有效。许多双向无线电或对讲机使用 NBFM，尤其是那些符合免许可标准（如 PMR446 和 FRS 无线电通信系统）的无线电或对讲机。NBFM是低成本无线电通信系统的理想选择，尤其是那些使用小型对讲机的无线电通信系统，因为它可以用最少的电路来实现，其中大部分是低成本的。尽管数字技术变得越来越便宜，但窄带FM仍然非常具有成本效益。
这些小型对讲机或其他提供无线电通信的发射接收器通常具有有限的音频带宽。这对于无线电通信系统来说是正常的，因为不需要高保真度 - 需要最大的清晰度以及有限的射频带宽。特别是人声只占了人耳听觉范围频谱中很窄的一块。无线电通信系统中使用的有限音频带宽有助于降低调制指数，从而降低传输占用的带宽。
通常，窄带FM和宽带FM在调制指数方面的区别有些武断。然而，大多数 FM 信号要么是用于高保真度的宽带信号，要么是用于无线电通信的窄带信号，其中带宽限制很重要。通常两者之间几乎没有什么联系。
¶ 调频的边带和带宽
调频信号的带宽、边带形成和频谱并不像调幅信号那样简单。尽管如此，FM信号的边带和带宽仍然非常重要，并用于无线电广播和无线电通信系统的规划、设计甚至维护。
使用一个众所周知的卡森法则，可以很好地估计FM信号的带宽。这个估计对于几乎所有的要求都足够完美，因此卡森法则被广泛使用。了解边带电平和信号带宽对于广播发射机和接收机以及无线电通信应用的收发信机和接收机都非常重要。
¶ 调频边带
以任何方式对任何载波进行调制都会产生边带。对于调幅信号，这些边带的创建方式及其带宽和幅度非常简单。调频信号的情况则大不相同：
调频信号的边带取决于偏差电平和调制频率。事实上，调频信号的总频谱由载波加上无限数量的边带组成，这些边带以调制频率的整数倍分布在载波的两侧。
从下图中可以看出，边带电平的值随着偏差和调制频率的变化而上升和下降。
从理论上讲，调频信号的边带永远超出范围。幸运的是，在主信号区域之外，边带的电平会下降，对于实际系统来说，滤波几乎可以消除它们，而不会对信号造成任何主要损害。
对于较小的调制指数值，当使用窄带FM、NBFM和无线电通信系统时，信号由载波和两个边带组成，这些边带在载波两侧的调制频率上间隔开来。更远的边带是最小的，可以忽略不计。在频谱分析仪上，信号看起来非常类似于AM信号的频谱。不同之处在于下边带相位 180°。
随着调制指数电平的增加，调制频率两倍的其他边带开始出现。调制指数的进一步增加导致其他边带的电平增加。
¶ 带宽的卡森法则
FM 信号的带宽不像 AM 信号那样能够简单计算。
许多工程师用来确定无线电广播和无线电通信系统 FM 信号带宽的一个非常有用的经验法则称为卡森法则。该规则指出，98%的信号功率包含在等于频差频率的带宽内，加上调制频率的两倍。卡森法则可以简单地表示为一个公式：
𝐵𝑇=2(𝛥𝑓+𝑓𝑚)
其中：
Δf = 频差
BT = 总带宽（98% 功率）
fm = 调制频率
以频差为 ±75kHz 且最大调制频率为 15 kHz 的典型广播 FM 信号为例，98% 功率的带宽近似于 2 （75 + 15） = 180kHz。为了提供方便的通道间隔，每个电台允许 200 kHz。
在确定许多双向无线电通信系统的带宽时，该规则也非常有用。它们使用窄带 FM，并且边带不会对可能被其他用户占用的相邻信道造成干扰，这一点尤为重要。
¶ 调频的优点和缺点
与任何形式的调制一样，其使用有几个优点和缺点。在对其使用做出任何决定或选择之前，需要考虑这些因素：
¶ 调频、FM的优点：
鉴于调频的许多优点，它已被广泛用于高质量的音频广播以及双向无线电通信以及许多其他应用。
- 对噪声和信号变化的适应能力： 频率调制的一个特殊优点是它对信号电平变化的适应能力。调制仅以频率变化的形式进行。这意味着任何信号电平变化都不会影响音频输出，前提是信号不会下降到接收器无法应对的水平。因此，这使得FM成为移动无线电通信应用的理想选择，包括更通用的双向无线电通信或信号电平可能变化很大的便携式应用。FM的另一个优点是它对噪声和干扰的适应能力。这又是由于噪声往往是幅度变化，因此在接收器中可以忽略这些变化。正是出于这个原因，FM被用于高质量的广播传输。
- 易于在发射器的低功率级应用调制： 频率调制的另一个优点与发射机有关。可以将调制应用于发射器的低功率级，并且无需使用线性形式的放大来将信号的功率电平提高到其最终值。可以使用带有调频信号的高效射频放大器： 可以使用非线性射频放大器来放大发射器中的FM信号，这些放大器比具有任何幅度变化的信号（例如AM和SSB）所需的线性放大器更有效。这意味着对于给定的功率输出，需要更少的电池电量，这使得FM的使用在便携式双向无线电应用中更加可行。
¶ 调频的缺点，FM：
与所有方案和技术一样，调频也有一些缺点，当可能使用FM时，需要考虑这些缺点。
- FM 的频谱效率比其他一些调制格式差：某些相位调制和正交幅度调制格式的数据传输频谱效率高于频移键控（一种频率调制形式）。因此，大多数数据传输系统都使用 PSK 和 QAM。
- 需要更复杂的解调器：调频器的一个小缺点是解调器稍微复杂一些，因此比用于AM的非常简单的二极管检波器略贵。然而，如今这个问题要少得多，因为许多无线电集成电路都包含内置频率解调器。
- 其他一些模式具有更高的数据频谱效率：一些相位调制和正交幅度调制格式具有更高的数据传输频谱效率，即频移键控，一种调频形式。因此，大多数数据传输系统都使用 PSK 和 QAM。
- 边带延伸到任一侧的无穷大：FM传输的边带理论上延伸到无穷大。它们通常对于宽带调频传输很重要，但对于窄带调频传输来说很小。为了限制传输的带宽，通常使用滤波器，这些滤波器会使信号失真以及衰减信号。通常，这不是一个太大的问题，尽管必须注意包括这些用于宽带FM的滤波器，并确保它们设计正确。