Системы с частотной модуляцией обладают высокой помехоустойчивостью, поэтому их применяют для высокочастотного радиовещания на ультразвуковых волнах, для передачи сигналов звукового сопровождения телевидения, в радиорелейных и спутниковых линиях связи, а также для передачи телеграфных и фототелеграфных сигналов.

Если модуляция производится одним синусоидальным тоном, то выражение для частотномодулированного колебания имеет вид

где – амплитуда высокочастотного колебания;

– значение высокой (несущей) частоты до модуляции;

– частоты модулирующего напряжения;

– индекс частотной модуляции, определяемый из выражения

, (2.5)

где – отклонение высокой частоты при модуляции – девиация частоты.

Мгновенное значение частоты частотномодулированного сигнала будет .

Девиация частоты при модуляции пропорциональна только амплитуде модулирующего напряжения и не зависит от его частоты:

На рисунке 2 приведен график частотномодулированного колебания, соответствующий выражению (2.4). Частота модулирующего колебания определяет скорость изменения мгновенного значения девиации , ( – максимальная девиация).

Рисунок 3 – График частотно-модулированного колебания

В практике радиоизмерений, особенно в условиях эксплуатации, определяется девиация частоты ; индекс частотной модуляции при модуляции одной частотой определяется по формуле (2.5). Для точных измерений частотно-модулированных колебаний при настройке передающих и калибровке измерительных устройств определяется индекс частотной модуляции , а по формуле (2.5) – девиация частоты .

Измерение девиации частоты

Наиболее просто девиацию частоты измерять методом частотного детектора. Сущность его состоит в том, что частотно-модулированные колебания преобразуются в амплитудно-модулированные, а затем детектируются амплитудным детектором, в результате чего получается напряжение, пропорциональное напряжению модулирующей частоты. Это напряжение измеряется пиковым вольтметром, включенным на выходе амплитудного детектора. Как следует из выражения (2.6), шкалу пикового вольтметра можно проградуировать непосредственно в единицах отклонения частоты – килогерцах. Частотно-модулированные колебания преобразуются в колебания низкой частоты частотным детектором (см. рисунок 4), характеристика которого имеет вид S-образной кривой. Детали частотного детектора, в особенности колебательные контуры, должны быть особо высокого качества, так как малейшее изменение их параметров во времени вызывает значительную погрешность измерений.

Рисунок 4 – Схема частотного детектора

Блок-схема прибора для измерения девиации методом частотного детектора приведена на рисунке 4. Прибор представляет собой, по существу, калиброванный высокочастотный приемник частотно-модулированных колебаний с измерительными приборами для непосредственного считывания нужных величин. Модулированный сигнал преобразуется в промежуточную частоту, усиливается, ограничивается и поступает на частотный детектор, выходное напряжение которого пропорционально девиации частоты; результат детектирования проходит через фильтр нижних частот, усиливается и измеряется пиковым вольтметром. Шкала последнего проградуирована в единицах девиации – килогерцах. При помощи внутреннего калибратора проверяются частотный детектор и вся измерительная часть прибора. Погрешность измерения составляет .

Рисунок 5 – Блок-схема измерителя девиации частоты

Задание: определить действительное значение девиации частоты, учитывая погрешность измерения и показания пикового вольтметра, шкала которого проградуирована в единицах девиации – килогерцах.

Например, на РРЛ с частотным уплотнением многоканальное сообщение передается с помощью частотной модуляции передатчика. Для осуществления соединения РРЛ необходимо чтобы девиация частоты была одинакова, т.е для различного числа каналов МККР указывает величину эффективной девиации частоты. При этом измерительный уровень и .

Обычно определяют верхний предел средней мощности многоканального сообщения и рассчитывают эффективную величину девиации частоты.

Таблица 9 – Эффективное значение девиации частоты на канал , кГц

Загрузка одного телефонного канала с уровнем создает эффективную девиацию частоты на один канал

Например, эффективная величина девиации частоты приходящаяся на один канал, при 240>N >100 .

Таблица 10

При сравнении измеренной величины с учетом погрешности с расчетной сделать вывод о соответствии рекомендациям МККР.

Рисунок 7 – Спектр ЧМ сигнала одного канала

Расчетно-графическая работа

Также было показано, что при управлении в соответствии с модулирующим сигналом амплитудой полосового радиосигнала получим различные разновидности амплитудной модуляции при неизменной . В данной статье мы рассмотрим класс сигналов с угловой модуляцией, у которых будет изменятся фаза радиосигнала, а амплитуда остается постоянной.

Полная фаза и мгновенная частота. Сигналы с угловой модуляцией

Для начала вспомним понятие полной фазы радиосигнала

Сигналы, у которых изменяется полная фаза в соответствии с модулирующим сигналом называются сигналами с угловой модуляцией.

Для начала рассмотрим сигналы с фазовой модуляцией (phase modulation PM). У сигналов с PM полная фаза изменяется в соответствии с модулирующим сигналом:

(4)

Где называется индексом фазовой модуляции или девиацией фазы, а модулирующий сигнал по модулю не превосходит единицы

Тогда комплексная огибающая PM сигнала имеет вид:

Теперь рассмотрим сигнал с частотной модуляцией (frequency modulation FM). В отличии от PM при частотной модуляции происходит изменение мгновенной частоты радиосигнала:

(7)

Где называется индексом частотной модуляции или девиацией частоты, а модулирующий сигнал по модулю не превосходит единицы Тогда полную фазу радиосигнала можно рассчитать как интеграл от мгновенной частоты:

Где - произвольная постоянная интегрирования полной фазы (8). Обратите внимание, что абсолютно не верно подставлять выражение для мгновенной частоты вместо несущей частоты в выражение для полосового сигнала:

(10)

Так как Правильным является выражение (9)!

Девиация частоты и фазы

Поясним смысл девиации частоты и фазы. При PM задается девиация фазы, которая показывает максимальное фазовое отклонение модулированного сигнала относительно несущего колебания при этом при PM отклонение мгновенной частоты от несущей частоты не регулируется, а определяется частотой модулирующего сигнала. При FM задается девиация частоты, то есть максимальное отклонение мгновенной частоты от частоты сигнала вне зависимости от частоты модулирующего сигнала. Отклонения фазы при этом будут такие, какие необходимы для заданной девиации частоты. Рассмотрим вышесказанное на примере однотональной угловой модуляции при , где - частота модулирующего сигнала, - начальная фаза модулирующего сигнала. Заметим, что . Тогда сигнал с фазовой модуляцией:

Тогда сравнивая (11) и (12) учтя что при соответствующих значениях может переходить в косинус, можно сделать вывод, что при однотональной угловой модуляции девиация частоты и фазы связаны соотношением:

(13)

Можно сделать вывод: при FM, когда задана девиация частоты , девиация фазы будет тем больше чем меньше частота модулирующего колебания. И наоборот при PM и фиксированной девиации фазы , девиация частоты будет тем больше, чем больше . Рассмотрим это на примере. Пусть сигнал с FM и задана девиация частоты , частота модулирующего сигнала , тогда девиация фазы при заданных частотах будет равна Теперь уменьшим частоту модулирующего сигнала в 10 раз до , тогда при той же заданной частоте девиации девиация фазы увеличится в 10 раз до значения Таким образом, при фиксированной девиации частоты, девиация фазы увеличивается с уменьшением частоты модулирующего сигнала. Увеличение девиации фазы можно пояснить так: частота сигнала уменьшилась, а требуемое частотное отклонение осталось неизменным и для того чтобы получить тоже частотное отклонение необходимо поворачивать фазу несущего колебания на бОльший угол. Пусть теперь сигнал с PM и уже задана девиация фазы , тогда при получим девиацию частоты , но при увеличении частоты модулирующего сигнала в 10 раз получим увеличение девиации частоты в 10 раз до . Думаю, данный пример понятен. Если остались вопросы по вышесказанному, прошу на форум . Мы же перейдем к схемам формирования сигналов с угловой модуляцией.

Структурные схемы PM и FM модуляторов

Для этого рассмотрим комплексные огибающие сигналов PM и FM и воспользуемся универсальным квадратурным модулятором. Комплексная огибающая сигналов c PM представлена выражением (5), из которого следуют следующие квадратурные составляющие:

(14)

Тогда PM модулятор на базе универсального квадратурного модулятора может быть представлен следующим образом (рисунок 1).

Рисунок 1: Структурная схема PM модулятора

На вход подается модулирующий сигнал, который нормируется по амплитуде, так чтобы амплитуда не превышала единицы. Затем сигнал усиливается в раз, тем самым задается девиация фазы, затем формируется комплексная огибающая согласно выражению (14), и наконец квадратурный модулятор формирует радиосигнал. Усилитель - вынесен на выход, он усиливает радиосигнал до нужного уровня.

Комплексная огибающая FM имеет вид:

,

(15)

(16)

Схема FM модулятора (рисунок 2) очень похожа на схему PM модулятора (рисунок 1):

Рисунок 2: Структурная схема FM модулятора

Отличие схемы FM модулятора от схемы PM заключается в том, что нормированный модулирующий сигнал интегрируется, и усилитель задает не девиацию фазы , а девиацию частоты . Если модулирующий сигнал нормирован по амплитуде тогда формировать PM сигнал можно при помощи FM модулятора, а FM сигнал при помощи PM модулятора, как это показано на рисунке 3.

Рисунок 3: Формирование FM при помощи PM и PM при помощи FM

Рассмотрим формирование FM сигнала при помощи PM модулятора. Входной сигнал нормируется потом интегрируется, затем подается на вход PM модулятора, выделенного желтым на рисунке 1. В качестве девиации фазы в PM модулятор вводится значение девиации частоты и на выходе будет FM сигнал. Теперь рассмотрим формирование PM сигнала при помощи FM модулятора. В FM модуляторе нормированный сигнал интегрируется, однако этого не требуется в PM модуляторе. Поэтому предварительно нормированный модулирующий сигнал дифференцируется. Таким образом, последовательное дифференцирование и интегрирование не изменяют нормированный модулирующий сигнал. В качестве девиации частоты в FM модулятор вводится девиация фазы .

Вектор может делать несколько оборотов (рисунок 4 в).

Рисунок 4: Векторная диаграмма комплексной огибающей PM сигнала

Скорость вращения вектора задается модулирующим сигналом. Векторная диаграмма комплексной огибающей FM сигнала качественно не отличается от векторной диаграммы комплексной огибающей PM сигнала. Отличие заключается в том что максимальный угол поворота вектора равный девиации фазы изменяется в зависимости от частоты входного сигнала согласно выражению (13). При низкочастотном входном сигнале, когда , согласно (13) и вектор комплексной огибающей FM сигнала отклоняется на угол , совершая при этом множество оборотов.

В конце приведем осциллограммы PM и FM сигналов (рисунок 5).

Рисунок 5: Осциллограммы PM и FM сигналов

Из рисунка 5 следует, что максимальная частота несущего колебания при PM будет при максимальной производной модулирующего сигнала (в районе 75 и 175 мкс), а минимальная частота сигнала с PM будет при минимальной отрицательной производной модулирующего сигнала (в районе 25, 125 и 225 мкс). При FM максимальная частота сигнала соответствует максимальному значению модулирующего сигнала (в районе 100 и 200 мкс), а минимальная частота будет при минимальном отрицательном значении модулирующего сигнала (в районе 50 и 150 мкс).

Выводы

Таким образом, мы рассмотрели фазовую PM и частотную FM модуляции, показали их взаимосвязь. Получены выражения для комплексной огибающей PM и FM. Рассмотрены параметры угловой модуляции девиация частоты и фазы и показана их взаимосвязь. Приведены структурные схемы PM и FM модуляторов на базе универсального квадратурного модулятора.

Лекция № 12.

Частотная модуляция гармонической несущей .

Частотной модуляцией (ЧМ) называется процесс изменения частоты несущего колебания под воздействием модулирующего сигнала

,

где – коэффициент пропорциональности.

Коэффициент называется девиацией частоты (от лат. deviatio – отклонение) и она равна наибольшему отклонению частоты модулированного сигнала от значения частоты несущей . Изменение частоты ЧМ сигнала показана на рисунке, где отмечена девиация частоты , соответствующая наибольшему отклонению частоты вниз , поскольку .

Девиация частоты является одним из главных параметров частотных модуляторов и может принимать значения от единиц герц до сотен мегагерц в модуляторах различного назначения. Однако всегда необходимо, чтобы выполнялось условие .

Математическая модель ЧМ сигнала выглядит следующим образом

Поскольку входит в это выражение под знаком интеграла, ЧМ часто называют интегральным видом модуляции.

Фазовая модуляция гармонической несущей .

Фазовой модуляцией (ФМ) называется процесс отклонения (сдвига) фазы модулированного сигнала от линейной под воздействием модулирующего сигнала

где – коэффициент пропорциональности, который называется девиацией фазы . Физический смысл этого коэффициента поясняется на рисунке, где изображены модулирующий сигнал и полная фаза ФМ сигнала.

С увеличением сигнала полная фаза растет во времени быстрее, чем по линейному закону. При значениях сигнала происходит спад скорости . Абсолютная величина отклонения (сдвига) фазы от линейной наибольшая, когда достигает экстремальных значений. На рисунке отмечено максимальное отклонение фазы вверх и вниз . Наибольшее отклонение фазы от линейной и является девиацией фазы при ФМ. В примере, показанном на рисунке, . Девиация фазы измеряется в радианах и может принимать значение от единиц до десятков тысяч радиан.

Математическая модель ФМ сигнала выглядит следующим образом

Однотональные сигналы с угловой модуляцией .

При модуляции одним тоном аналитические выражения ЧМ и ФМ сигналов по форме записи имеют совершенно одинаковый вид

где – индекс модуляции . Отличие только в порядке вычисления индекса и фазы модулирующего колебания. При ЧМ индекс модуляции – отношение девиации частоты модулированного сигнала к частоте модулирующего гармонического сигнала , то есть . При ФМ индекс модуляции – величина, равная девиации фазы модулированного сигнала при гармоническом модулирующем сигнале , то есть .

Исходя из всего этого следует, что частотно – модулированный сигнал является в то же время и фазо ­ модулированным. Справедливо и обратное утверждение, поэтому ЧМ и ФМ в общем случае являются разновидностями угловой модуляии гармонической несущей.

При гармоническом модулирующем сигнале временные диаграммы ЧМ и ФМ имеют совершенно одинаковый вид. Отличить их можно, только сравнив изменение мгновенной фазы модулированного сигнала с законом изменения модулирующего колебания.

Спектр при угловой

модуляции .

Сигналы с угловой модуляцией, как и при АМ, могут быть представлены в виде суммы гармонических колебаний. Сравнительно просто это можно сделать при однотональной модуляции. Так как временные диаграммы ЧМ и ФМ сигналов практически одинаковы, то и спектры их будут также совпадать при условии, что . Для построения спектра сигналов с угловой модуляцией используют следующую формулу:

,

где – функция Бесселя -го порядка от аргумента .

В отличии от АМ сигналов, спектр даже для однотональной угловой модуляции является сложным . Этот спектр в себе состоит из: гармонической составляющей с частотой несущей , верхней боковой полосы частот – группы гармонических составляющих с частотами и нижней боковой полосы частот – группы гармонических составляющих с частотами . Число верхних и нижних боковых частот теоретически бесконечно. Боковые гармонические колебания расположены симметрично относительно на расстоянии . Амплитуды всех компонент спектра, в том числе и с частотой , пропорциональны .

Для детального анализа и построения спектральных диаграмм необходимо знание функций Бесселя при различных значениях и . Их можно найти в математических справочниках.

Графики функций Бесселя.

На этом рисунке приведены графики функций Бесселя при , .

Поскольку количество спектральных составляющих спектра угловых модуляций теоретически равно бесконечности, то нужно определиться с тем, сколько их взять для построения спектральной диаграммы. Все зависит от того, составляющие с какими значениями амплитуд отбрасываем. В практике считают, что можно пренебречь всеми спектральными составляющими, номера которых (уровень меньше 5% от уровня несущей). Из этого следует, что ширина спектра сигналов с угловой модуляцией

,

где – частота модулирующего сигнала. Для передачи модулированного сигнала с высокой точностью иногда считают, что надо учитывать спектральные составляющие с уровнем не менее 1% от уровне несущей. Тогда, ширина спектра с угловой модуляцией

Если , то угловая модуляция считается узкополосной и ее ширина спектра соизмерима с шириной спектра амплитудной модуляции. Если же , то угловая модуляция является широкополосной и ее ширина полосы частот примерно равна удвоенной девиации частоты.

Угловые модуляции, особенно широкополосные, обладают большей помехоустойчивостью, чем амплитудная модуляция, поэтому и они находят применение в системах связи для качественной передачи сообщений. Однако при этом значительно расширяется полоса частот модулированного сигнала.

Например, задано аналитическое выражение модулированного сигнала . Спектральная диаграмма в этом случае будет выглядеть следующим образом

Спектральная диаграмма сигналов с однотональной угловой модуляцией при .

Другим распространенным типом модуляции, применяемым в радиосвя­зи, является частотная модуляция (ЧМ), при которой частота несущей изменяется в соответствии с модулирующим сигналом (рис. 15.1).

Рис. 15.1. Частотная модуляция.

Обратите внимание, что амплитуда несущей остается постоянной, а частота изменяется.

Девиация частоты

Девиация частоты есть степень изменения частоты несущей при измене­нии уровня сигнала на 1 В. Девиация частоты измеряется в килогер­цах на вольт (кГц/В). Предположим, например, что несущая с частотой 1000 кГц должна быть промодулирована сигналом в виде меандра с ам­плитудой 5 В (рис. 15.2). Предположим также, что девиация частоты равна 10 кГц/В. Тогда во временном интервале от А до В частота не­сущей увеличится на 5 · 10 = 50 кГц (произведение амплитуды сигнала на девиацию частоты) и станет равной 1000 кГц + 50 кГц = 1050 кГц. Во временном интервале от В до С частота несущей изменится на ту же величину, а именно на 5 · 10 = 50 кГц, но на этот раз в отрицательную сторону с уменьшением частоты несущей до 1000 – 50 = 950 кГц.

Рис. 15.2.

Максимальная девиация

Изменение частоты несущей при изменении уровня сигнала должно быть ограничено некоторой максимальной величиной, превышение которой не­допустимо. Эта величина называется максимальной девиацией. Напри­мер, при ЧМ-передачах радиостанции Би-би-си используется девиация частоты 15 кГц/В и максимальная девиация 75 кГц. Максимальная ве­личина модулирующего сигнала определяется максимальной допустимой девиацией.

Максимальная девиация ±75

Максимальный сигнал = -------------- = -- = ±5 В

Девиация частоты 15

или, другими словами, 5 В в положительную или отрицательную область.

Боковые частоты и ширина полосы

Если несущая промодулирована по частоте гармоническим сигналом, образуется неограниченное число боковых частот. Амплитуды боковых Компонент постепенно уменьшаются по мере отдаления частоты этих ком­понент от частоты несущей.

Таким образом, для размещения всех боковых частот ширина полосы частот ЧМ-системы должна быть бесконечной. На практике малые по амплитуде боковые компоненты ЧМ-сигнала могут быть отброшены без внесения каких-либо заметных искажений. Например, ЧМ-передачи ра­диостанции Би-би-си ведутся с использованием полосы частот шириной 250 кГц.

Сравнение AM - и ЧМ-систем модуляции

Амплитудная Частотная

модуляция модуляция

1. Амплитуда несущей Изменяется вместе Остается

С сигналом постоянной

2. Боковые частоты Две для каждой Бесконечное

Частоты в спектре число

Сигнала

3. Ширина занимаемой 9 кГц 250 кГц полосы частот

4. Диапазон частот ДВ, СВ. KB УКВ

Преимущества частотной модуляции

Радиовещание с использованием ЧМ имеет следующие преимущества по сравнению с АМ-передачей программ.

1. В системе с ЧМ обеспечивается лучшее качество звучания. Это свя­зано с большой шириной полосы частот ЧМ-сигнала, охватывающей гораздо большее число гармоник.

2. При ЧМ-передаче достигается очень низкий уровень шума. Шум - это нежелательные сигналы, которые появляются на выходе обычно в форме изменения амплитуды несущей. В ЧМ-системе эти сигналы легко устраняются путем двустороннего ограничения амплитуды не­сущей. Информация, которую несет изменяющаяся частота, при этом полностью сохраняется.

В этом видео рассказывается о частотной модуляции:

Cтраница 3

Выше было показано, что невозможность получения значительных девиаций частоты путем изменения фазового угла колебательного контура автогенератора связана с тем, что для этого требуется элемент, в эквивалентной реактивности которого запасалась бы энергия того же порядка, что и в контуре. Благодаря усилительным свойствам ламп по цепям обратной связи передается энергия, во много раз меньшая энергии, сосредоточенной в контуре. Поэтому изменять фазовый угол обратной связи значительно легче, и можно предполагать, что именно таким путем удастся получить максимальную девиацию частоты изменением напряжений, воздействующих на генератор.  

В современных радиовещательных приемниках высших и средних классов предусматривают кроме диапазонов длинных, средних и коротких волн диапазон ультракоротких волн (УКВ) для приема станций с частотной модуляцией. При использовании частотной модуляции удается во много раз снизить уровень шума на выходе приемника по сравнению с уровнем сигнала и повысить реальную чувствительность приемника при одновременном улучшении качества воспроизведения. Максимальное отклонение частоты передатчика под действием модулирующего напряжения (максимальная девиация частоты) принято равным 75 кгц. Оно соответствует максимальной амплитуде модулирующего сигнала. При меньших значениях модулирующего сигнала получается пропорционально меньшая девиация.  

Чувствительность СФД тесно связана с полосой удержания. Чувствительность определяется минимальным напряжением сигнала, при котором еще не происходит срыва слежения. Если бы сигнал не был модулирован, а гетеродин СФД можно было настроить на частоту сигнала очень точно, то чувствительность СФД была бы бесконечно высокой. Для реального ЧМ сигнала полоса удержания СФД должна быть по крайней мере больше, чем максимальная девиация частоты сигнала.  

Демодулятор ЧМ-колебаний с управляемым затягиванием частоты по Брэдли.| Примеры демодуляторов ЧМ-колебаний с отрезками линий.

Вследствие краткости импульса тока лампы это затягивающее напряжение изменяет лишь амплитуду тока, но не его фазу. В зависимости от сдвига фазы между затягивающим напряжением и напряжением генератора изменяется амплитуда тока лампы и вместе с ней амплитуда реактивного напряжения, подводимого к генератору. Так как напряжение, подводимое к генератору для поддержания затягивания, пропорционально мгновенной девиации частоты, то фаза между затягивающим напряжением и напряжением ге-нератор. Вследствие того, что импульсы тока коротки, переменный ток лампы пропорционален ее постоянному току и с сопротивления, введенного в анодную цепь, может быть снято демодулированное сообщение. Искажения могут вноситься фазовой кривой анодного контура или. Как только входное напряжение достигает амплитуды, необходимой для затягивания при максимальной девиации частоты, AM полностью исчезает и специальный ограничитель не требуется.