Частотная и фазовая модуляции гармонической несущей. Частотно-манипулированные сигналы FSK (frequency shift key) и FSK сигналы с непрерывной фазой CPFSK (continuous phase FSK)

Как известно, источником электромагнитного поля является переменный электрический ток, текущий по проводнику. А устройство, создающее электромагнитное поле в пространстве, представляет собой генератор переменного тока, соединенный с антенной. Антенна излучает электромагнитные волны в окружающее пространство. Такое устройство принято называть радиопередающим.
Мы знаем, что в окружающем нас пространстве имеются электромагнитные волны, излучаемые этими устройствами, знаем частоту передачи, знаем, что волны несут для нас информацию. Поэтому нам важно получить техническое средство, с помощью которого мы сможем преобразовать информацию, содержащуюся в электромагнитной волне, к такому виду, который возможен для восприятия нашими органами чувств. В данном случае мы хотим преобразовать ее в звуковые колебания. Так вот, устройство, перехватывающее электромагнитную волну и преобразующее ее в удобный для восприятия вид, называется радиоприемным устройством.
Вопрос второй. Каким образом «насытить» электромагнитную волну необходимой информацией? Самый простой способ — поступить по принципу: есть волна — нет волны. Первые радиопередающие и радиоприемные устройства были спроектированы именно по такому принципу, а для передачи информации приняли азбуку Морзе. К слову сказать, столь примитивный способ передачи информации оказался настолько надежным и помехоустойчивым, что его используют до сих пор, называя «телеграфным» способом.
В начале XX века телеграфная радиосвязь изумила многих, но в дальнейшем, когда к ней привыкли, появилось желание передавать не только точки-тире, но еще и голос. Задача оказалась не слишком простой — ведь диапазон частот, слышимый человеческим ухом, лежит в низкочастотной области, а именно от 16 Гц до 10 кГц. В то же время для получения эффективного излучения электромагнитной энергии необходимы высокочастотные колебания. Как же быть?
Задачу решили наложением низкочастотного сигнала на высокочастотные колебания, а сам процесс наложения назвали модуляцией. Математически процесс модуляции иллюстрируется очень просто. К примеру, периодическое электрическое колебание можно записать так:

где U m -амплитуда колебания

ω 0 - частота колебания

φ 0 - фаза колебания

Процесс модуляции представляет собой изменения одного из параметров колебания высокой частоты по закону управляющего низкочастотного сигнала. В зависимости от того, какой параметр (амплитуда, частота, фаза) подвергается изменению, различают амплитудную, частотную и фазовую модуляции.
Колебания высокой частоты, используемые для передачи сигналов, носят название несущей частоты.
Исторически первой появилась амплитудная модуляция. Она до сих пор используется на радиовещательных диапазонах длинных, средних и коротких волн несмотря на то, что обладает низкой помехозащищенностью и крайне неэффективна. Причин тому несколько. Во-первых, коротковолновый диапазон — это единственный диапазон, в котором сравнительно просто обеспечивается радиовещание по всему миру. Для коротких волн не нужны ретрансляторы — они сами достигают нужных точек за счет отражения. Во-вторых, конструктивные особенности радиоприемников, имеющихся в эксплуатации, не позволяют перейти на более эффективные способы радиовещания.
Давайте кратко рассмотрим особенности амплитудной модуляции. Для простоты будем считать, что управляющим сигналом служит гармоническое (синусоидальное) колебание. Выражение для амплитудно-модулированной несущей запишется следующим образом:

где Ω- частота управляющего сигнала

Кривая, соединяющая точки, соответствующие амплитудным значениям несущей, называется огибающей. Базовый параметр, характеризующий AM колебание, — это коэффициент модуляции. В других источниках может встретиться понятие глубины модуляции, что по сути одно и то же.

Коэффициент модуляции не должен быть слишком маленьким, в противном случае мы не сможем различить полезную информацию на фоне несущей. Однако, если его значение будет больше 1, это вызовет перемодуляцию и, как следствие, искажение информации. Поэтому стандартное значение m в радиовещательной технике равно 0,3. В этом случае при наиболее громких звуках не наступает перемодуляция.
Здесь уместно рассказать о таком понятии, как спектр радиосигнала. Уже знакомая нам гармоническая функция изображается синусоидой во временной области, то есть в такой, где по горизонтальной оси графика откладывается время. Но существует еще одна широко используемая область — частотная, в которой гармоническое колебание выглядит так, как показано на рисунке, то есть вертикальной черточкой. Обратите внимание: по горизонтальной оси откладывается уже не время, а частота.

Важно отметить, что спектр периодического, но несинусоидального колебания представляет собой набор синусоидальных «дискрет», вертикальных черточек.

Французским математиком Ж. Фурье (1768—1830) было доказано, что любой несинусоидальный сигнал можно по определенному правилу составить из суммы гармонических функций. Как показала практика, производить расчеты в частотной области намного проще и нагляднее, чем заниматься тем же делом в области временной. Таким образом, анализ Фурье занял в радиотехнике одно из ведущих мест.
Следует также сказать, что непериодические сигналы, к которым относится речь человека и музыка, тоже подчиняются анализу Фурье, только их спектр уже не дискретный, а сплошной, что и отражено на рисунке.

Амплитудно-модулированное колебание это периодический сигнал, который уже не имеет гармонического характера. Спектральный состав AM сигнала легко оценить, если преобразовать его аналитическое выражение с помощью известной формулы произведения синусов. В результате получим

Хорошо видно, что спектр AM колебания содержит, кроме несущей, две боковые частоты: (ω 0 - Ω) и (ω 0 + Ω) .
Для передачи разборчивой речи необходимо, чтобы передатчик имел возможность модулировать несущую на любой из частот, лежащих в полосе от 250 Гц (Ω H) до 3 кГц (Ω В) . Спектр AM колебания в этом случае будет иметь, кроме несущей, две зеркально-симметричные боковые полосы, в точности повторяющие форму спектра низкочастотного сигнала.

В заключение краткого рассказа об AM сигналах предлагаю оценить эффективность такого вида радиовещания с точки зрения использования мощности передатчика. Действительно, как уже было сказано, коэффициент модуляции в стандартных условиях радиовещания не превосходит 0,3. Амплитуда каждой из боковых полос составляет m /2, то есть 0,15 амплитуды несущей. Мощность, квадратично зависящая от амплитуды сигнала, в данном случае составляет 0,0225 от мощности несущей. Представьте себе: менее 5% сигнала несет полезную информацию, которая содержится в боковых полосах и более нигде! Осознали этот факт достаточно поздно, когда радиовещание на основе классической AM модуляции стало стандартом.
Поиски более удачных, более эффективных и более помехозащищенных способов радиовещания привели к тому, что в 1935 году была предложена система с угловой модуляцией. Угловая модуляция — это модуляция посредством частоты несущей или ее фазы при постоянстве амплитуды. Данный вид модуляции лежит в основе радиовещания на УКВ. В начале рассказ о фазовой модуляции (ФМ). Предположим, что модуляцию несущей осуществляет гармоническое колебание. Тогда закон изменения фазы несущей

Где φ о — начальная фаза колебания.

Подставляя выражение для фазы в аналитическое выражение несущей, получаем

Важно заметить, что величина ΔφsinΩt характеризует опережение (отставание) по фазе модулированного сигнала от фазы, которую имел бы немодулированный сигнал.

Мгновенное значение фазового угла модулированного ФМ колебания определяется из выражения

Угловая частота колебания является производной фазового угла по времени:

Где ΔφΩ = Δω — амплитуда отклонения частоты ω от частоты Θ .

Физический смысл полученного соотношения таков: меняя фазу колебания, мы неизбежно меняем и его частоту, причем величина отклонения частоты зависит как от амплитуды модулирующего сигнала, так и от его частоты. Величина максимального фазового отклонения весьма просто связана с максимальным частотным отклонением — девиацией:

Где Δω — девиация частоты; β — индекс модуляции
На практике девиацию обычно выражают не в рад/с, а в Гц, что в 2π раз меньше.

Теперь настало время рассмотреть частотную модуляцию (ЧМ) при воздействии синусоидального управляющего сигнала. Обозначим амплитуду отклонения частоты через Δω :

После преобразований получим аналитическое выражение ЧМ
колебания:

Обозначим:

Хорошо видно, что при изменении частоты несущей меняется и ее фаза. Более того, мы пришли к выражению, которое было выведено в рассказе об ФМ. Может сложиться впечатление, что ЧМ и ФМ одно и то же. Действительно, рассматривая частный случай (модулирование синусоидальным сигналом), мы получим идентичные спектры и не заметим разницы. Однако разница проявится, как только управляющий сигнал перестанет быть гармоническим. Причина в индексе модуляции и его зависимости от входного воздействия.

Нетрудно заметить, что ФМ обеспечивает постоянный индекс модуляции при любой модулирующей частоте. Для ЧМ индекс модуляции понятие менее определенное, поскольку он меняется с изменением модулирующей частоты. Отсюда можно сделать заключение, что спектры колебаний ЧМ и ФМ вида будут несколько отличаться друг от друга. Но как быть с индексом модуляции для ЧМ, как определить его? В радиотехнике принято оценивать индекс модуляции для максимальной модулирующей частоты. Для более низких частот индекс модуляции становится больше.
Осталось оценить вид и ширину спектра сигнала с угловой модуляцией. При небольших индексах модуляции (β < 0,5 ) выражение для модулированного ЧМ и ФМ сигнала может быть приведено к виду:

He правда ли, знакомое выражение? Давайте взглянем на такое же точно выражение для AM сигнала, чтобы убедиться — память нас не подвела. При малых фазовых отклонениях амплитудные спектры АМ, ФМ и ЧМ сигналов идентичны. Различие наблюдается лишь в фазовых спектрах, но это более тонкий анализ, и мы не будем на нем заострять внимание.
Если индекс модуляции таков, что уже более нельзя пользоваться простыми соотношениями, на помощь приходит анализ Бесселя, позволяющий представить сигнал с угловой модуляцией более наглядно:

Видно, что в спектре сигнала появляются боковые частоты с индексами «к». При возрастании β амплитуды боковых частот высших порядков начинают быстро расти, а амплитуда несущей — уменьшаться. Возможен даже такой вариант, когда амплитуда несущей и боковых полос первого порядка станут равными нулю!
Угловая модуляция, при которой наблюдается заметное появление боковых полос высших порядков, называется широкополосной.

Точно определить ее спектр при воздействии непериодического сигнала - задача намного более трудоемкая, чем такая же задача исследования АМ. Приближенно считают, что ширина спектра радиовещательного широкополосного ЧМ сигнала

Где В - ширина спектра модулированного сигнала

Ω в - верхняя модулирующая частота сигнала.

Можно также определить ширину спектра и через девиацию частоты

Итак, чтобы принять радиопередачу без заметных на слух частотных искажений, необходимо учитывать наличие не только боковых полос первого порядка, но еще и полос высших порядков.

В то время как амплитудная модуляция изменяет огибающую сигнала в «вертикальной плоскости», частотная модуляция (ЧМ) происходит в «горизонтальной плоскости» сигнала. Амплитуда несущей поддерживается постоянной, а частота изменяется пропорционально амплитуде модулирующего сигнала.

Девиация частоты

Максимальная величина, на которую частота несущей возрастает или убывает под воздействием амплитуды модулирующего сигнала, называетсядевиацией частоты . Эта величина зависит исключительно от амплитуды (пикового значения) модулирующего напряжения. При спутниковом ТВ вещании сигнал, излучаемый на Землю, имеет номинальное значение девиации частоты около 16 МГц/В и ширину полосы частот, занимаемую информацией о передаваемом изображении, около 27 МГц.

Индекс модуляции

Индекс модуляции (т) - это отношение девиации частоты fd к высшей модулирующей частоте fm:

m = fd / fm.

В отличие от амплитудной модуляции при ЧМ нет необходимости ограничивать максимальную величину индекса модуляции единицей.

Шумы Джонсона

Шум - это любое нежелательное случайное электрическое возмущение. Он проникает повсюду и является главной проблемой при разработке электроники. Такой шум возникает в обычных электрических цепях(измерьте после окончания штукатурных работ), особенно в цепях с резистором, при любых значениях температуры выше нуля по Кельвину (0 К). Этот мельчайший, но не всегда незначительный тепловой шум, называемый шумом Джонсона, обнаруживается (и может быть измерен как ЭДС) на выходных концах цепи. Причина шума - хаотические колебания молекул внутри корпуса резистора, которые невозможно прекратить. Хотя приведенное ниже выражение не является особенно важным в данном случае, его стоит рассмотреть, чтобы обнаружить связь между шумами ЭДС и температурой.

RMS-значение шума Джонсона = (4k tBR)^1/2 , где

t - абсолютная температура по Кельвину (комнатная температура составляет около 290 К);
к - постоянная Больцмана т 1,38 х 10~23;
R - величина резистора в омах;
В - ширина полосы частот прибора для измерения величины ЭДС.

Расчет шума от резистора в один мегаом при комнатной температуре приводит к величине около 0,4 мВ. Она может показаться небольшой, но ее относительное значение более важно, чем абсолютное. Если полезный сигнал будет такого же порядка, как данная величина (а он может быть и намного меньше), то он потонет в шумах. Согласно рассматриваемому выражению, которое, кстати, распространяется не только на материалы искусственного происхождения, шум зависит от температуры и полосы частот прибора для измерения его величины. Таким прибором является станция приема телевещания. Боковые полосы частот при передаче сигнала высокого качества отличаются большой шириной, поэтому приемная аппаратура также должна иметь широкую полосу частот для обработки поступающей информации. В этих условиях попадание шумов на вход цепи может серьезно ограничить качество приема.

Отношение сигнал/шум

Отношение сигнал/шум (S/N) - это отношение уровня ЭДС полезного сигнала к уровню ЭДС любого существующего шума, которое должно быть как можно более высоким. Если величина этого отношения падает до единицы или ниже, то сигнал передавать практически бесполезно. (В некоторых случаях можно использовать довольно дорогостоящий метод воссоздания компьютером «сигнальной среды», но для национальной системы спутникового ТВ вещания это неприемлемо.)

Сравнение ЧМ и АМ

Существуют два свойства АМ, из-за которых ее использование в прошлом было достаточно популярным:

• схема демодуляции в приемном устройстве, называемая выпрямителем, достаточно проста. Требуется только диод для отсечения одной полуволны от полного сигнала и фильтр нижних частот для удаления остатков несущей частоты;
• ширина боковых полос относительно невелика, поэтому передача сигнала не занимает слишком много пространства в частотном спектре.

Самым серьезным недостатком АМ является шум (или, по крайней мере, большая его часть), который состоит из изменений амплитуды. Иными словами, любые существующие шумы ЭДС располагаются на вершине огибающей сигнала, как это показано на рисунке.

Шумы на АМ сигналах

Поэтому для уменьшения уровня шумов необходимо либо увеличить отношение сигнал/шум путем более тщательной разработки приемных устройств, либо использовать более грубые методы, ухудшающие качество сигнала, например ограничение полосы пропускания.

С другой стороны, ЧМ часто считают свободной от шумов, что в действительности неправильно. Передача ЧМ сигнала также подвержена воздействию шумов, как и передача АМ сигнала. Однако благодаря методу, которым происходит наложение информации на несущую частоту, большая часть шумов может быть устранена схемой приемного устройства. Поскольку шумы располагаются на внешней стороне ЧМ сигнала, можно срезать края верхней и нижней частей принимаемого сигнала, не нарушая информации, которая, скорее всего, находится внутри сигнала, а не на его краях. Такой процесс отсечки называется ограничением амплитуды.

Недостатком ЧМ является требование широкой полосы частот для передачи сигнала. По сути, передача ЧМ сигнала возможна только в том случае, когда частота несущего сигнала относительно высока. Так как спутниковое вещание осуществляется на частотах значительно выше 1 ГГц, этот недостаток можно считать несущественным.

Нельзя отрицать, что схемные решения, которые требуются для извлечения информации с ЧМ несущей, являются, мягко говоря, достаточно сложными. Схема, выполняющая такую функцию, называется ЧМ демодулятором. Существуют различные схемные решения для демодуляции ЧМ сигналов, такие как дискриминаторы, детекторы отношения и схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Децибелы

С помощью децибелов (дБ) отношение между двумя мощностями можно выразить и другим, часто более удобным способом. Вместо фактического отношения используется логарифм отношения по основанию 10:

дБ = 10 log Р1 / Р2.

Результат будет с положительным знаком, если Pt больше, чем Р2, и с отрицательным, если Р{ меньше, чем Р2. Чтобы исключить проблему, связанную с вычислением отрицательных логарифмов, большую из двух мощностей ставят в числитель, а знак определяют позже в соответствии с правилом, приведенным выше.

Пример
Если Р1, = 1000, а Р2 = 10, то дБ = 10 log 1000/10 = 10 log 100 = +20 дБ.
(Если Р1, = 10, а Р2 = 1000, абсолютное значение в децибелах будет тем же самым, но записывают его как -20 дБ.).

Использование децибелов вместо фактических величин отношений имеет следующие преимущества:

• поскольку слух человека реагирует на изменения интенсивности звука логарифмически, использование децибелов является более естественным. Например, если выходная мощность усилителя звука возрастает с 10 до 100 Вт, на слух это не будет восприниматься как десятикратное увеличение;
• децибелы удобно использовать для уменьшения размеров в обозначениях больших чисел. Например, коэффициент усиления в 10 000 000 раз будет равен всего лишь 70 дБ;
• при прохождении от антенны через различные каскады в приемном устройстве сигнал подвергается усилению и потерям. При выражении каждого коэффициента усиления и потерь соответственно в положительных и отрицательных значениях децибелов общий коэффициент усиления легко рассчитать при помощи алгебраического сложения. Например, (+5) + (-2) + (+3) + (-0,5) = 5,5 дБ.

Ниже приведены некоторые из наиболее часто используемых значений децибелов.

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.

Будем изучать модулированные радиосигналы, которые получаются за счет того, что в несущем гармоническом колебании и нес передаваемое сообщение изменяет либо частоту , либо начальную фазу ; амплитуда остается неизменной. Поскольку аргумент гармонического колебания называемый полной фазой, определяет текущее значение фазового угла, такие сигналы получили название сигналов с угловой модуляцией.

Виды угловой модуляции.

Предположим вначале, что полная фаза связана с сигналом s(t) зависимостью

где - значение частоты в отсутствие полезного сигнала; k - некоторый коэффициент пропорциональности. Модуляцию, отвечающую соотношению (4.19), называют фазовой модуляцией (ФМ):

Рис. 4.5. Фазовая модуляция: 1 - модулирующий низкочастотный сигнал; 2 - немодулироваиное гармоническое колебание; 3 - сигнал с фазовой модуляцией

Если сигнал то ФМ-колебание является простым гармоническим колебанием. С увеличением значений сигнала полная фаза растет во времени быстрее, чем по линейному закону. При уменьшении значений модулирующего сигнала происходит спад скорости роста во времени. На рис. 4.5 показано построение графика ФМ-сигнала.

В моменты времени, когда сигнал достигает экстремальных значений, абсолютный фазовый сдвиг между ФМ-сигналом и смодулированным гармоническим колебанием оказывается наибольшим. Предельное значение этого фазового сдвига называют девиацией фазы . В общем случае, когда сигнал изменяет знак, принято различать девиацию фазы вверх и девиацию фазы вниз

На векторной диаграмме изображающий вектор постоянной длины будет совершать вращение с непостоянной угловой скоростью. Мгновенная частота сигнала с угловой модуляцией определяется как первая производная от полной фазы по времени:

(4.22)

При частотной модуляции сигнала (ЧМ) между величинами имеется связь вида

Естественными параметрами ЧМ-сигнала общего вида в соответствии с формулой (4.23) являются девиация частоты вверх Асов - ksaaa и девиация частоты вниз .

Если - достаточно гладкая функция, то внешне осциллограммы ФМ- и ЧМ-сигналов не отличаются. Однако имеется принципиальная разница: фазовый сдвиг между ФМ-сигналом и немодулированным колебанием пропорционален s(t), в то время как для ЧМ-сигнала этот сдвиг пропорционален интегралу от передаваемого сообщения.

Однотональные сигналы с угловой модуляцией.

Анализ ФМ- и ЧМ-сигналов с математической точки зрения гораздо сложнее, чем исследование АМ-колебаний. Поэтому основное внимание будет уделено простейшим однотоиальиым сигналам.

В случае однотонального ЧМ-сигнала мгновенная частота

где - девиация частоты сигнала. На основании формулы (4.22) полная фаза такого сигнала

где - некоторый постоянный фазовый угол.

Отсюда видно, что величина

называемая индексом однотональной угловой модуляции, представляет собой девиацию фазы такого сигнала, выраженную в радианах.

Для краткости положим, что неизменные во времени фазовые углы и выразим мгновенное значение ЧМ-сигнала в виде

Аналитическая форма записи однотонального ФМ-сигнала будет аналогичной. Однако нужно иметь в виду следующее: ЧМ- и ФМ-сигналы ведут себя по-разному при изменении частоты модуляции и амплитуды модулирующего сигнала.

При частотной модуляции девиация частоты пропорциональна амплитуде низкочастотного сигнала. В то же время величина не зависит от частоты модулирующего сигнала. В случае фазовой модуляции ее индекс оказывается пропорциональным амплитуде низкочастотного сигнала независимо от его частоты. Как следствие этого, девиация частоты при фазовой модуляции в соответствии с формулой (4.25) линейно увеличивается с ростом частоты.

Пример 4.2. Радиостанция, работающая в УКВ-диапазоне с несущей частотой , излучает ФМ-сигнал, промодулированный частотой F = 15 кГц. Индекс модуляции Найти пределы, в которых изменяется мгновенная частота сигнала.

Математическая модель сигнала имеет вид

Девиация частоты составит

Таким образом, при модуляции мгновенная частота сигнала изменяется в пределах от до .

Спектральное разложение ЧМ- и ФМ-сигналов при малых индексах модуляции.

Задачу о представлении сигналов с угловой модуляцией посредством суммы гармонических колебаний несложно решить в случае, когда Для этого преобразуем формулу (4.26) следующим образом:

Поскольку индекс угловой модуляции мал, воспользуемся приближенными равенствами

На основании этого из равенства (4.27) получаем

Таким образом, показано, что при в спектре сигнала с угловой модуляцией содержатся несущее колебание и две боковые составляющие (верхняя и нижняя) на частотах Индекс играет здесь такую же роль, как коэффициент амплитудной модуляции [ср. с формулой (4.5)]. Однако можно обнаружить и существенное различие спектров АМ-сигнала и колебания с угловой модуляцией. Для спектральной диаграммы (рис. 4.6, а), построенной по формуле (4.28), характерно то, что нижнее боковое колебание имеет дополнительный фазовый сдвиг на 180°.

Как следствие этого, сумма векторов, отображающих оба боковых колебания (рис. 4.6,б), всегда перпендикулярна вектору . С течением времени вектор будет «качаться» вокруг центрального положения. Незначительные изменения длины этого вектора обусловлены прилиженным характером анализа, и при очень малых ими можно пренебречь.

Рис. 4.6. Диаграммы сигнала с угловой модуляцией при : а - спектральная; б - векторная

Более точный анализ спектрального состава сигналов с угловой модуляцией.

Можно попытаться уточнить полученный результат, воспользовавшись двумя членами ряда в разложении гармонических функций малого аргумента. При этом формула будет выглядеть так:

Несложные тригонометрические преобразования приводят к результату:

Эта формула свидетельствует о том, что в спектре сигнала с однотональной угловой модуляцией, помимо известных составляющих, содержатся также верхние и нижние боковые колебания, соответствующие гармоникам частоты модуляции. Поэтому спектр такого сигнала сложнее спектра аналогичного АМ-сигнала. Отметим также, что возникновение новых спектральных составляющих приводит к перераспределению энергии по спектру. Так, из формулы (4.29) видно, что с ростом амплитуда боковых составляющих увеличивается, в то время как амплитуда несущего колебания уменьшается пропорционально множителю ).

Спектр сигнала с угловой модуляцией при произвольном значении индекса.

Для простейшего случая однотонального ЧМ- или ФМ-сигнала можно найти общее выражение спектра, справедливое при любом значении индекса модуляции .

В разделе курса математики, посвященном специальным функциям, доказывается, что экспонента с мнимым показателем специального вида, периодическая на отрезке разлагается в комплексный ряд Фурье:

где - любое вещественное число; - функция Бесселя индекса от аргумента .

Сравнивая формулы (4.30) и (4.27), а также подставляя перепишем последнюю из указанных формул так:

Отсюда получаем следующую математическую модель ЧМ- или ФМ-сигнала с любым значением индекса модуляции:

Рис. 4.7. Графики функций Бесселя

Спектр одиотонального сигнала с угловой модуляцией в общем случае содержит бесконечное число составляющих, частоты которых равны амплитуды этих составляющих пропорциональны значениям

В теории функций Бесселя доказывается, что функции с положительными и отрицательными индексами связаны между собой:

Поэтому начальные фазы боковых колебаний с частотами совпадают, если к - четное число, и отличаются на 180°, если к - нечетное.

Для детального анализа и построения спектральных диаграмм необходимо знать поведение функций при различных в зависимости от к. На рис. 4.7 приведены графики двух функций Бесселя, существенно различающихся своими индексами.

Можно заметить следующее: чем больше индекс функции Бесселя, тем протяженнее область аргументов, при которых эта функция очень мала. Этот факт отображает табл. 4.1.

Табл. 4.1 совместно с формулой (4.32) позволяет построить типичные спектральные диаграммы сигнала с одиотональной угловой модуляцией при не слишком больших значениях индекса (рис. 4.8).

Важно отметить, что с ростом индекса модуляции расширяется полоса частот, занимаемая сигналом. Обычно полагают, что допустимо пренебречь всеми спектральными составляющими с номерами Отсюда следует оценка практической ширины спектра сигнала с угловой модуляцией

Как правило, реальные ЧМ- и ФМ-сигналы характеризуются условием . В этом случае

Таблица 4.1 Значения функций Бесселя

Таким образом, сигнал с угловой модуляцией занимает полосу частот, приблизительно равную удвоенной девиации частоты.

Как было выяснено, для передачи амплитудно-модулированного сигнала требуется полоса частот, равная т. е. в раз меньшая. Большая широкополосность ЧМ- и ФМ-сигналов обусловливает их применимость для целей радиосвязи лишь на очень высоких частотах, в диапазонах метровых и более коротких волн. Однако именно широкополое ность приводит к гораздо большей помехоустойчивости сигналов с угловой модуляцией по сравнению с АМ-сигналами. Сравнительный анализ помехоустойчивости различных видов модуляции будет детально проведен в гл. 16.

Лекция № 6 Модулированные сигналы

Под модуляцией понимают процесс (медленный по сравнению с периодом несущего колебания), при котором один или несколько параметров несущего колебания изменяют по закону передаваемого сообщения. Получаемые в процессе модуляции колебания называют радиосигналами.В зависимости от того, какой из названных параметров несущего колебания подвергается изменению, различают два основных вида аналоговой модуляции: амплитудную и угловую. Последний вид модуляции, в свою очередь, разделяется на частотную и фазовую.В современных цифровых системах передачи информации широкое распространение получила квадратурная (амплитудно-фазовая, или фазоамплитуд- ная - ФАМ; amplitude phase modulation) модуляция, при которой одновременно изменяются и амплитуда и фаза сигнала. Этот тип модуляции относят как к аналоговым, так и цифровым видам.

В радиосистемах часто применяются и будут применяться различные виды импульсной и цифровой модуляции, при которой радиосигналы представляются в виде так называемых радиоимульсов.

Радиосигналы с аналоговыми видами модуляции В процессе амплитудной модуляции несущего колебания (1)

его амплитуда должна изменяться по закону: (2)

где U H - амплитуда несущей в отсутствие модуляции; ω 0 - угловая частота; φ 0 - начальная фаза; ψ(t) = ω 0 + φ 0 - полная (текущая или мгновенная) фаза несущей; k А - безразмерный коэффициент пропорциональности; e(t) - модулирующий сигнал. U H (t) в радиотехнике принято называть огибающей амплитудно-модулированного сигнала (АМ-сигнала).

Подставив (2) в (1) получим общую формулу АМ- сигнала (3)

Однотональная амплитудная модуляция если модулирующий сигнал - гармоническое колебание (4)

где Е 0 - амплитуда; Ω = 2π/Т 1 = 2πF - угловая частота модуляции; F -

циклическая частота модуляции; Т 1 - период модуляции; θ 0 - начальная фаза.

Подставив формулу (4) в соотношение (3), получим выражение для АМ-сигнала (5)

Обозначив через ∆U = k A E 0 - максимальное отклонение амплитуды АМ- сигнала от амплитуды несущей U H и проведя несложные выкладки, получим (6)

Коэффициент или глубина амплитудной модуляции.

Спектр АМ-сигнала . Применив в выражении (5) тригонометрическую формулу произведения косинусов, после несложных выкладок получим (7)

Из формулы (7) видно, что при однотональной амплитудной модуляции спектр АМ-сигнала состоит из трех высокочастотных составляющих. Первая из них представляет собой исходное несущее колебание с постоянной амплитудой U H и частотой с ω 0 . Вторая и третья составляющие характеризуют новые гармонические колебания, появляющиеся в процессе амплитудной модуляции и отражающие передаваемый сигнал. Колебания с частотами ω 0 + Ω и ω 0 - Ω называются соответственно верхней (upper sideband - USB) и нижней (lower sideband - LSB) боковыми составляющими.

Реальная ширина спектра АМ-сигнала при однотональной модуляции (8)

На практике однотональные АМ-сигналы используются либо для учебных, либо для исследовательских целей. Реальный же модулирующий сигнал имеет сложный спектральный состав. Математически такой сигнал, состоящий из N гармоник, можно представить тригонометрическим рядом N (10)

Здесь амплитуды гармоник сложного модулирующего сигнала E i произвольны, а их частоты образуют упорядоченный спектр Ω 1 < Ω 2 < ...< Ω i < ...< Ω N . В отличие от ряда Фурье частоты Ω i не обязательно кратны друг другу. Подставляя (10) в (3), после несложных преобразований, получим выражение АМ-сигнала с начальной фазой несущего ф0 = О (11)

(12)

Совокупность парциальных (частичных) коэффициентов модуляции.Эти коэффициенты характеризуют влияние гармонических составляющих модулирующего сигнала на общее изменение амплитуды высокочастотного колебания. Воспользовавшись тригонометрической формулой произведения двух косинусов и проделав несложные преобразования, запишем (11) в виде (13)

Рис. 2. Спектральные диаграммы при модуляции сложным сигналом:

а - модулирующего сигнала; б - АМ-сигнала

Ширина спектра сложного АМ-сигнала равна удвоенному значению наивысшей частоты в спектре модулирующего сигнала Ω N , т. е. (14)

Частотная модуляция

При частотной модуляции (frequency modulation; FM) мгновенное значение несущей частоты ω(t) связано с модулирующим сигналом e(t) зависимостью (15)

здесь k Ч - размерный коэффициент пропорциональности между частотой и напряжением, рад/(В-с).

Полную фазу ЧМ-сигнала в любой момент времени t определим путем интегрирования мгновенной частоты, выраженной через формулу (15),

Рис. 3. Частотная однотональная модуляция:

а - несущее колебание; б - модулирующий сигнал; в - ЧМ-сигнал

Максимальное отклонение частоты от значения ω 0 , или девиация частоты (frequency deviation) при частотной модуляции;

Максимальное отклонение от текущей фазы ω 0 t или девиация фазы несущего колебания называется индексом частотной модуляции (index of frequency modulation). Данный парамер определяет интенсивность колебаний начальной фазы радиосигнала.

С учетом полученных соотношений (1) и (16) частотно-модулированный сигнал запишется в следующем виде:

Спектр ЧМ-сигнала при однотональной модуляции. Преобразуем полученное выражение (17)

Спектр ЧМ-сигнала при m«1 (такую угловую модуляцию называют узкополосной). В этом случае имеют место приближенные равенства: (18)

Подставив формулы (18) в выражение (17), после несложных математических преобразований получим (при начальных фазах модулирующего и несущего колебаний θ 0 = 0 и φ 0 = 0): (19)

Видим, что по аналитической записи спектр ЧМ-сигнала при однотональной модуляции напоминает спектр АМ- сигнала и также состоит из несущего колебания и двух боковых составляющих с частотами (ω 0 + Ω) и (ω 0 - Ω) причем и амплитуды их рассчитываются аналогично (только вместо коэффициента амплитудной модуляции М в формуле для ЧМ-сигнала фигурирует индекс угловой модуляции m). Но есть и принципиальное отличие, превращающее амплитудную модуляцию в частотную, знак минус перед одной из боковых составляющих.

Спектр ЧМ-сигнала при m > 1 . Из математики известно (20) (21)

где J n (m) - функция Бесселя 1 -го рода n-го порядка.

В
теории функций Бесселя доказывается, что функции с положительными и отрицательными индексами связаны между собой формулой (22)

Ряды (20) и (21) подставим в формулу (17), а затем заменим произведение косинусов и синусов полусуммами косинусов соответствующих аргументов. Тогда, с учетом (22), получим следующее выражение для ЧМ-сигнала (23)

Итак, спектр ЧМ-сигнала с однотональной модуляцией при индексе

модуляции m > 1 состоит из множества высокочастотных гармоник: несущего колебания и бесконечного числа боковых составляющих с частотами ω 0 + nΩ. и ω 0 -nΩ, расположенными попарно и симметрично относительно несущей частоты ω 0 .

При этом, исходя из (22), можно отметить, что начальные фазы боковых колебаний с частотами ω 0 + nΩ. и ω 0 -nΩ совпадают, если m - четное число, и отличаются на 180°, если m - нечетное. Теоретически спектр ЧМ- сигнала (так же и ФМ-сигнала) бесконечен, однако в реальных случаях он ограничен. Практическая ширина спектра сигналов с угловой модуляцией

ЧМ- и ФМ-сигналы, применяемые на практике в радиотехнике и связи, имеют индекс модуляции m>> 1, поэтому

Полоса частот ЧМ-сигнала с однотональной модуляцией равна удвоенной девиации частоты и не зависит от частоты модуляции.

Сравнение помехоустойчивости радиосистем с амплитудной и угловой модуляцией. Следует отметить, что радиосигналы с угловой модуляцией имеют ряд важных преимуществ перед амплитудно-модулированными колебаниями.

1. Поскольку при угловой модуляции амплитуда модулированных колебаний не несет в себе никакой информации и не требуется ее постоянства (в отличие от амплитудной модуляции), то практически любые вредные нелинейные изменения амплитуды радиосигнала в процессе осуществления связи не приводят к заметному искажению передаваемого сообщения.

2. Постоянство амплитуды радиосигнала при угловой модуляции позволяет полностью использовать энергетические возможности генератора несущей частоты, который работает при неизменной средней мощности колебаний.