Sagedusmodulaator

Sagedusmodulaator on elektroonikaahel või -seade, mis tekitab sagedusmodulatsiooni. See seade muudab kandesignaali sagedust vastavalt moduleeriva signaali amplituudile. Kui modulatsioon on lineaarne, siis sageduse muutus on võrdeline moduleeriva pinge muutusega.
Modulatsioon tähendab info- ja kommunikatsioonitehnoloogias info edastamiseks kasutatava signaali ‒ kandesignaali ‒ mingi parameetri muutmist ülekantava infosignaali muutumise taktis.
Sagedusmodulatsioon (FM, frequency modulation) ‒ kandevõnkumise sagedust muudetakse pidevalt vastavalt infosignaali taseme muutusele; kasutusel näiteks ringhäälingusaadete edastamiseks meeterlainetel. Kandesignaali sagedust võib muuta näiteks pingega tüüritava ostsillaatoriga (VCO) või võnkeringi komponentide valikuga. 
Kõrgsagedusostsillaatorid kasutavad tavaliselt kas LC (induktiiv-mahtuvuslikku) häälestatud ahelat või piesoelektrilist kristalli, et määrata võnkumiste sagedus. Seda sagedust saab kontrollida muutes kogumahtuvuse või -induktiivsuse suurust häälestatud võnkeringis vastavalt moduleerivale signaalile. Praktilistes vooluringides kasutatakse tavaliselt varikapi, et muuta ostsillaatori võnkesagedust vastavalt moduleeriva signaali pingele.
Kõrgsageduslikes elektroonikasüsteemides kasutavad ostsillaatorid, näiteks sagedusmodulatsiooni (FM) saatjates, tavaliselt piesoelektrilisi kristalle saavutamaks täpne kandjasageduse sagedus. Need kristallid on väga kõrge hüveteguriga Q=(3...10)x10⁵ ehk võnkumistel tekkiv energiakadu on väga väike. Kristallikorpusel on juures väike mahtuvus, mis on paralleelühenduses kristalliga ja seega tekitab paralleelresonantsi veidi kõrgemal sagedusel kui kristalli järjestikühenduses olev resonantssagedus. Tegelik ostsillaatori sagedus on üks nendest kahest resonantssagedusest.

Varaktordioodiga modulaator

Pooljuhtdioodi siirdemahtuvus muutub koos dioodile antava vastupingega ja vastupingestatud dioodi võib kasutada, et kontrollida ostsillaatori sagedust sagedusmodulatsiooni tekitamiseks. Madalate kadudega dioode, mis on disainitud selleks tarbeks, nimetatakse varaktordioodideks (mahtuvusdioodid) ning neid tuntakse veel nimega varikap. Lihtne varikapiga moduleerimise skeem on näidatud Joonisel 2. Selles elektriahelas transistor, mis juhib varikapiga modulaatorit, tekitab vastupingestatuse ja samas ka moduleeriva pinge Vₘ. Raadiosageduslik paispool (RFC) tekitab väga kõrge impedantsi (näivtakistuse) ostsillaatori sagedusel, et isoleerida transistorvõimendi väljundimpedants võnkeahelast ning laseb läbi moduleeriva signaali arvestamatult väikese sumbuvusega. Näidatud on ainult ostsillaatori sagedussõltuvuslikku osa.Sümbolid CC, LC ja R määravad elektriliselt ära vastavalt vastavuse, massi ja kaod kristallil; Cₕ on kristalli korpuse (paralleel)mahtuvus ja Cb on alalisvoolu blokeeriv kondensaator.
Joonisel 3 on näha helivõimendi ja varikapiga sagedusmodulaatorit. L1 ja C1 tähistavad häälestatud võnkeringi, mis tekitab kandesageduse. Varikap D1 on ühendatud järjestikku kondensaatoriga C2, mis asub dioodi ja võnkeringi vahel. C2 väärtus on valitud väga suur, et töösageduse juures oleks selle reaktiivtakistus väga madal. Selle tulemusena tekib efekt, et kui C2 on ühendatud järjestikku madala mahtuvusega dioodiga D1 siis näib D1 olevat vahetult ühendatud LC ahelaga. Ahela kogumahtuvus on siis võrdne D1 ja C1 paralleelühendusega, mis paneb paika kandesageduse väärtuse.
D1 mahtuvus sõltub kahest muutujast: valitud eelpinge suurusest ja moduleeriva signaali väärtusest. Joonisel 3 on pinge dioodil määratud pingejaguriga, mis koosneb takistitest R1 ja R2. Tavaliselt on üks nendest takistitest muutliku suurusega (muuttakisti), et oleks võimalik kandesagedust muuta kitsas vahemikus. Moduleeriv signaal antakse läbi C3 ja RFC. C3 on alalisvoolu blokeeriv kondensaator. RFC on paispool (drossel), mille reaktiivtakistus kandesagedusel on suur ja seetõttu takistab kandesignaali sattumist moduleeriva signaali ahelasse. Mikrofonist saadav moduleeriv signaal võimendatakse ja antakse modulaatorisse. Moduleeriva signaali pinge muutudes (suurenedes/vähenedes) muutub dioodile antav pinge ja vastavalt sellele muutub ka dioodi mahtuvus. See omakorda muudab kandesageduse meile meelepärasele suurusele. Pinge tõusul punktis A suureneb vastupingestatus, mis omakorda vähendab mahtuvust ja seega suurendab kandesignaali sagedust. Pinge langemisel punktis A väheneb vastupingestatus, mis omakorda suurendab mahtuvust ja seega kandesignaali sagedus väheneb.

Transistori reaktiivmodulaator

Reaktiivmodulaatori (Joonis 4) eesmärk on lisada süsteemi faasi muutev ahel, mis koosneb  järjestikku ühendatud takistist R ja kondensaatorist C. Modulaatori aktiivelement ja RC ahel on paralleelühenduses kandesagedust tekitava ostsillaatori võnkeringiga (LC ahelaga). Signaali pinge, mis on ühine võnkeringil esineb ka modulaatoril ja järjestikku ühendatud RC ahelal. Sidestuskondensaatoril C4 ja raadiosageduslikul šuntkondensaatoril C2 peab olema suur mahtuvuslik väärtus, et nende reaktiivtakistus ostsillaatori töösagedusel oleks väga väike. Eelnevat arvestades eemaldame nad edasisest analüüsist.

 
Kondensaatori C mahtuvtakistus ostsillaatori sagedusel (võnkesagedusel) on tehtud 5 kuni 10 korda suuremaks kui järjestikühenduse takistus R. Antud juhul 100pF väärtusega kondensaatoril on reaktiivtakistus 500Ω 3,5 MHz sagedusel. R väärtuseks valitakse selletõttu 100Ω. RC ahel tundub olevat nüüd puhtalt mahtuvusliku iseloomuga ahel. Puhtalt mahtuvusliku iseloomuga ahelas edestab vool pinget 90° võrra, seega vool, mis läbib C-d edestab ostsillaatori signaali pinget 90° võrra. Sama voolutugevus läbib takistit R, kus toitepinge E ja voolutugevus I on samas faasis, seega pinge takistil edestab ostsillaatori pinget 90° võrra.
Kuna transistori kollektorvool (IC) on samas faasis baasipingega (pinge, mis läbib takistit R) siis pinge takistil R edestab pinget ostsillaatoril 90° võrra ning ka vool (I) edestab pinget ostsillaatoril 90° võrra. Elektrivool läbi transistori edestab pinget transistoril 90° võrra, mis tekitab näilise efekti, nagu transistor oleks kondensaator. Kui modulaatorisse anda sisse helisignaal siis see muudab kollektorvoolu väärtust. Kollektrovoolu muutus ostsillaatori pinge suhtes tekitab võrdväärse mahtuvusliku muutuse, mis omakorda muudab ostsillaatori sagedust.
Reaktiivahel näeb välja ostsillaatorile nagu mahtuvuslik ahel, mille suurus on:
Ceq=(R∙C)/Zᵢₙ  (faradit)
Ceq – võrdväärne mahtuvus
R – takistus
C – mahtuvus
Zᵢₙ – sisendimpedants

Sagedusmodulaator digitaaltehnikas

Lisaks tavalisele analoogsignaalide moduleerimisele kasutatakse ka digitaalsignaalide moduleerimist. 
Sagedusmanipulatsiooniks (FSK – Frequency-Shift Keying) nimetatakse sageduse modulatsiooni, kus digitaalne info saadetakse läbi diskreetsete kandelaine sageduste muutuste. Lihtsaim FSK on binaarne FSK, mis kasutab diskreetsete sageduste paari, et edastada binaarset informatsiooni (0 ja 1). Nimetatud skeemil "1" tähendab kõrgemal nivool infot andev sagedus ja "0" tähendab madalamal nivool andvat sagedust (pausi). FSK signaali ajaline muutus on näidatud Joonisel 5.