Pro úhlové modulace je charakteristické, že modulační signál je obsažen ve změnách okamžitého fázového úhlu nosné vlny (Ωt + φ). Amplituda nosné přitom zůstává konstantní. V konkrétním pohledu pak rozlišujeme dvě úhlové modulace – kmitočtovou a fázovou.
Při kmitočtové (frekvenční) modulaci (FM) se na nemodulovanou nosnou vlnu s průběhem UMNsin(Ωt + φ) působí tak, že amplituda UMN i fáze φ nosné se nemění, ale její kruhová frekvence Ω se mění v závislosti na amplitudě signálu UMS. Největší změna nosné frekvence ΔΩ se pask nazývá frekvenční zdvih. Poměr mezi zdvihem a frekvencí signálu Ω se označuje jako index frekvenční modulace a je dán vztahem
Časový průběh napětí kmitočtově modulované vlny při modulaci spojitým harmonickým signálem lze pak při zanedbávání fáze φ vyjádřit vztahem
u = UMN sin[Ω(+mfsinωt)]t
Závislost mezi časovými průběhy signálu ω nosné |Omega; a modulačního produktu podle vztahu víše jsou graficky vyjádřeny na obrázku.
Užitečné spektrum kmitočtové modulace je rozloženo teoreticky do nekonečného počtu spektrálních složek, umístěných symetricky vzhledem k nosné a s odstupem o šířce ω. Prakticky se však pro přenos využívá jen omezeného počtu těchto složek, které v sobě obsahují převážnou část celkové energie frekvenčně modulované vlny. Na dalším obrázku jsou uvedeny opři příklady spektrálních složek frekvenčně modulované vlny pro různé indexy frekvenční modulace. Na svislé je vynesena poměrná absolutní hodnota amplitudy jednotlivých složek a na vodorovné ose pak symetricky k frekvenci nosné Ω násobky součtových (Ω + ω, Ω + 2ω, …) a rozdílových frekvencí (Ω - ω, Ω - 2ω, …).
Nároky na šířku pásma se řídí zejména požadavkem na stupeň potlačení rušivých vlivů. Obecně platí, že čím větší jsou nároky na kvalitu přenášeného signálu, tím větší musí být index frekvenční modulace, a tím větší je potřebná šířka pásma pro přenos frekvenčně modulované vlny. V praktických případech jsou nároky na šířku pásma proti amplitudové modulaci značně vyšší. Tak např. rozhlasový kanál v základním pásmu 30 Hz až 15 000 Hz (tedy v základní šířce pásma Δf = 15 kHz) potřebujeme pro přenos modulačního produktu takovéto šířky pásma:
a) při použití AM s přenosem obou postranních pásem - Δfmod = 30 kHz
b) při použití AM s přenosem jednoho postranního pásma - Δfmod = 15 kHz
c) při použití FM s indexem frekvenční modulace mf=8 - Δfmod = 240 kHz
Modulátory pro kmitočtovou modulaci jsou nejčastěji založeny na použití reaktančních prvků (kapacitní diody, varikap), kterými přelaďujeme kmitočet oscilátoru. Demodulátory kmitočtově modulovaných vln (diskriminátory) převádějí okamžitou hodnotu kmitočtu na velikost napětí.
Při fázové modulaci (PM) se mění souhlasně s amplitudou signálu UMS fáze nosné vlny φ při stálé amplitudě UMN a stálé kruhové frekvenci Ω. Napětí fázově modulované vlny je dáno vztahem
u = UMNsin(Ωt + mPsinωt)
Pro vyjádření úměrnosti změny fáze nosné vzhledem k velikosti amplitudy signálu se zavádí, obdobně jako u kmitočtové modulace, tzv. index fázové modulace mP. Grafické vyjádření vztahu podává obrázek. Charakter spektra fázově modulované vlny je obdobný spektru kmitočtově modulované vlny.
Vnější rušení vnikající do přenosového kanálu by však mohlo vyvolat u úhlových modulací dodatečnou amplitudovou modulaci, což by způsobilo zkreslení signálu při jeho demodulaci. Tomu lze zabránit omezením (oříznutím) amplitud úhlově modulovaného signálu na konstantní hodnotu. Tzv. amplitudový omezovač je proto důležitou částí celkového schématu frekvenčních a fázových modulátorů. Tím se dosáhne zmenšení vlivu rušení na signál, což je největší výhodou úhlových modulací. Naopak jejich nevýhodou, na rozdíl od amplitudové modulace, je složitější zapojení modulátorů i demodulátoru a zejména mnohem širší frekvenční pásmo potřebné pro přenos modulované vlny.