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.

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 .

При частотной и фазовой модуляциях соответственно частота или фаза высокочастотного колебания изменяются по закону изменения амплитуды управляющего сигнала. При этих видах модуляции амплитуда высокочастотных модулированных колебаний остается неизменной, что обеспечивает постоянство энергетического баланса и одновременно высокий к. п. д. Однако спектр частот при частотно- и фазово-модулированных колебаниях значительно шире, чем при . Поэтому частотная и фазовая модуляции находят практическое применение лишь в диапазоне ультракоротких волн.

Анализируя модулированные колебания, нетрудно прийти к выводу, что графики частотно-модулированного (ЧМ) и фазово-модулированного (ФМ) колебаний ничем не отличаются друг от друга; поэтому на рис. 202 обоим случаям соответствует один и тот же график модулированных колебаний.

Действительно, если при осуществлении частотной модуляции меняется частота на величину Δω"= Δω sin Ωt, то при этом имеют место и отклонения фазы на величину Δφ" = Δφ sin Ωt. Во время положительного полупериода модулирующего напряжения частота частотно-модулированного колебания больше несущей (Т н >Т м); при этом возникает также и сдвиг по фазе в сторону опережения. Во время отрицательного полупериода частота частотно-модулированного колебания меньше несущей (Т н < Т м), но возникает сдвиг по фазе в сторону отставания, пропорциональный величине модулирующего напряжения.

i ω =I mн sin ω н t

где ωн - несущая частота высокочастотного колебания.

Угловая частота частотно-модулированного колебания

ω" = ω н + Δω" = ω н + Δω cos Ωt, (391)

где Δω" = Δω cos Ωt - мгновенное значение приращения несущей частоты, если модулирующий сигнал изменяется по косинусоидальному закону; Δω - девиация частоты, или максимальное отклонение частоты, которое соответствует наибольшему (амплитудному) значению модулирующего напряжения.

Тогда уравнение частотно-модулированного колебания можно записать так:

i чм = I mн sin (ωн + Δω cos Ωt) t. (392)

Известно, что частота является первой производной фазы по времени:

Точно так же фаза равна интегралу от частоты по времени:

(394)

Воспользовавшись уравнением (391) и формулой (394), можно определить закон изменения фазы при частотной модуляции

(395)

Отношение девиации частоты к частоте модулирующего сигнала представляет собой девиацию фазы Δφ при частотной модуляции. Это отношение, обозначаемое буквой М, называется индексом модуляции:

Индекс модуляции численно равен амплитуде отклонения фазы Δφ при частотной модуляции. Поэтому

φ = ω н t + М sin Ωt. (397)

Уравнение для частотно-модулированного колебания (392) можно выразить через индекс модуляции

i чм = I mн sin (ω н t + M sin Ωt). (398)

Рассуждая аналогичным образом, нетрудно получить выражение, позволяющее определить закон изменения фазы фазово-модулированных колебаний:

φ = ω н t + Δφ sin Ωt, (399)

где Δφ - девиация фазы при фазово-модулированных колебаниях, соответствующая наибольшему (амплитудному) значению модулирующего сигнала.

При фазовой модуляции меняется и частота модулированного колебания:

Произведение ΔφΩ представляет собой девиацию частоты при фазовой модуляции:

Следовательно, девиация фазы при фазовой модуляции равна индексу модуляции при частотной модуляции:

Тогда уравнение фазово-модулированного колебания приобретает тот же вид, что уравнение (398), т. е.

i фм = I mн sin (ω н t + М sin Ωt). (400)

Сопоставляя уравнения, соответствующие частотной и фазовой модуляциям , можно сделать следующие выводы:

1. При частотной модуляции имеют место как девиации частоты, так и девиация фазы. Последняя пропорциональна амплитуде модулирующего колебания и обратно пропорциональна частоте модулирующего сигнала.
2. При фазовой модуляции также имеют место девиация фазы и девиация частоты. Последняя пропорциональна как амплитуде, так и частоте модулирующего колебания.
3. Если модуляция осуществляется сигналом одной частоты, то нельзя установить разницу между частотно-модулированным и фазово-модулированным колебаниями. Они определяются одними и теми же уравнениями (398) и (400).
4. При модуляции спектром частот частотная и фазовая модуляции существенно различаются между собой. В первом случае девиация частоты не зависит от частоты модулирующего сигнала, во втором - девиация фазы не зависит от частоты модулирующего сигнала.

Частотно- и фазово-модулированные колебания можно представить бесконечным рядом гармоник, отличающихся друг от друга не только частотой, но и амплитудой. В состав частотно- и фазово-модулированных колебаний при модуляции одним тоном (одной частотой Ω) входит бесконечно большое число пар боковых частот ω н ± Ω, ω н ± 2Ω, ω н ± 3Ω и т. д. С увеличением порядкового номера боковой частоты ее амплитуда уменьшается. Чем меньше индекс модуляции, тем быстрее убывают амплитуды боковых составляющих модулированного сигнала; ширина полосы модулированного сигнала при этом получается равной 2F макс (как и при амплитудной модуляции). За ширину полосы частот частотно-модулированного колебания принимают интервал частот, в пределах которого амплитуды боковых составляющих составляют не менее 5- 10% амплитуды несущей частоты.

На практике системы ЧМ связи разделяют на узкополосные и широкополосные. Узкополосные системы ЧМ связи находят применение в служебной радиосвязи. Ширина полосы частот при этом не превышает 6-8 кгц при максимальном индексе модуляции. Широкополосные системы ЧМ связи используются при высококачественном радиовещании (звуковом сопровождении телевизионных программ). Полоса частот, занимаемая модулированным сигналом при широкополосной частотной модуляции, доходит до 200-300 кгц.

Частотные спектры частотной и фазовой модуляции имеют и некоторые различия. Сущность этих различий заключается в следующем. Ширина полосы частот ЧМ колебания почти не зависит от частоты модуляции, но с ростом частоты модуляции уменьшается индекс модуляции и число боковых частот, меняется соотношение между их амплитудами. Частотный состав ФМ колебания по мере увеличения частоты модуляции расширяется за счет увеличения интервалов между боковыми частотами.

Следует помнить, что при фазовой модуляции ширина полосы зависит не только от амплитуды, но и от частоты модулирующего сигнала. Последнее является существенным недостатком фазовой модуляции по сравнению с частотной.

Балансная и однополосная модуляции

Для более эффективного использования мощности спектра AM сигнала возможно исключение из спектра AM сигнала несущего колебания. Такой АМ сигнал называют балансно-модулированным (БМ). Также из спектра можно исключить одну боковую полосу час­тот (верхнюю или нижнюю), поскольку каждая из них содержит полную информацию о модулирующем сигнале .При этом получается однополосную модуляцию(ОМ), т.е. модуляцию с одной боковой полосой - ОБП.

ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Угловая модуляция

Воздействие модулирующего сигнала на аргумент (текущую фазу) гармонической несущей , называется угловой модуляцией (УМ). Разновидностями УМ являются частотная и фазовая.

19.2 Частотная модуляция

Частотная модуляция (ЧМ) - процесс управления частотой гармонической несущей по закону модулирующего сигнала.

Угловая частота изменяется по закону:

где - частота несущей;

Отклонение частоты модулированного сигнала от значения ;

Модулирующий сигнал. Может быть гармоническим (используется для учебных или исследовательских целей) и негармоническим (реальный сигнал);

Размерный коэффициент пропорциональности, рад/(с∙В) или рад/(с∙А). Определяется схемотехникой модулятора.

Полная фаза в момент времени t находится путем интегрирования частоты:

где - набег фазы за время от начала отсчета до рассматриваемого момента ;

Постоянная интегрирования.

Математическая модель ЧМ сигнала:

ЧМ называют интегральным видом модуляции, т.к. входит в это выражение под знаком интеграла.

Рисунок 19.1 – Временные диаграммы модулирующего, несущего и

модулированного колебаний.

Гармоническая ЧМ

Рассмотрим гармоническую ЧМ (модулирующий сигнал является гармоническим ).

Частота изменяется по закону:

где - девиация частоты при ЧМ. Девиация частоты – наибольшее отклонение частоты модулированного сигнала от значения частоты несущей. При ЧМ может принимать значения от единиц герц до сотен мегагерц.

Фаза в момент времени :

где - индекс частотной модуляции. Является девиацией фазы при ЧМ. Девиация фазы - наибольшее отклонение фазы модулированного сигнала от линейной .

Математическая модель сигнала при гармонической ЧМ:

Воспользовавшись тригонометрической формулой: , - преобразуем выражение:

Проведем анализ отдельно для малых и больших индексов модуляции.

В первом случае () имеют место приближенные равенства:

Воспользовавшись тригонометрической формулой: , -

приходим к следующему выражению для ЧМ сигнала:

Рисунок 19.2 – Спектральная диаграмма ЧМ сигнала при М ЧМ <1.

При малом индексе модуляции – узкополосной ЧМ – амплитудная спектральная диаграмма ЧМ сигнала совпадает по составу (содержит центральную составляющую с частотой несущей , нижнюю и верхнюю боковые составляющие с частотами и ) и ширине полосы частот () с АМ сигналом. Отличие заключается в фазовой спектральной диаграмме: фаза нижней боковой составляющей сдвинута на 180 0 .

При малом значении индекса модуляции не будут проявляться преимущества ЧМ (высокая помехозащищенность). Ширина спектра такая же, как и при АМ.

Во втором случае () сложные периодические функции: и - можно разложить в ряд Фурье, а ЧМ сигнал представить в виде суммы гармонических колебаний:

где - функция Бесселя 1-го рода n-го порядка от вещественного аргумента . Табулированы;

n – номер гармонической составляющей: центральная составляющая имеет n=0, боковые – n=1, 2, 3, … .

Рисунок 19.3 – Спектр ЧМ сигнала при М ЧМ =2.

При большом индексе модуляции – широкополосной ЧМ – спектр ЧМ сигнала состоит из бесконечного числа гармоник: из составляющей с частотой несущей , нижней и верхней боковых полос частот, образованных группами составляющих с частотами и . На практике учитывают только те боковые составляющие, амплитуды которых не меньше 5% амплитуды несущей, т.е. для которых . Тогда ширина спектра ЧМ сигнала: .

Данный случай представляет основной практический интерес, поскольку при больших индексах модуляции помехоустойчивость передачи сигнала существенно выше, чем при АМ. Ширина спектра ЧМ сигнала также значительно больше, чем при АМ.

При сложном модулирующем сигнале спектр модулированного сигнала оказывается сложным, содержащим различные комбинационные частоты. Общая полоса частот, занимаемая таким сигналом: , где - максимальная частота спектра модулирующего сигнала; - индекс модуляции на этой частоте.

ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Фазовая модуляция

Фазовая модуляция (ФМ) – изменение фазы гармонической несущей по закону модулирующего сигнала.

Мгновенная фаза ФМ сигнала определяется выражением:

где - отклонение (сдвиг) фазы модулированного сигнала от линейно-изменяющейся фазы гармонической несущей ;

Размерный коэффициент пропорциональности, рад/В или рад/А.

Математическая модель ФМ сигнала:

Угловая частота – это скорость изменения (т.е. производная по времени) полной фазы колебания. Выражение для мгновенной частоты:

Таким образом, ФМ сигнал с модулирующим сигналом можно рассматривать как ЧМ сигнал с модулирующим сигналом .

Рисунок 20.1 – Модулирующий сигнал, несущее колебание, изменение фазы ФМ сигнала, изменение частоты ФМ сигнала и ФМ сигнал.

Гармоническая ФМ

Рассмотрим случай гармонического модулирующего сигнала:

Фаза сигнала с гармонической ФМ:

где - индекс фазовой модуляции или девиация фазы при ФМ. Может принимать значение от единиц до десятков тысяч радиан.

Математическая модель сигнала с гармонической ФМ:

Частота ФМ сигнала:

где - девиация частоты при ФМ.

Методология вычисления и структура спектра ФМ сигнала аналогичны ЧМ сигналу, но индекс частотной модуляции необходимо заменить индексом фазовой модуляции. Аналогичная тесная связь между спектрами ФМ и ЧМ сигналов имеет место и при негармонических модулирующих сигналах.

ФМ применяется в схемах косвенного метода получения ЧМ.

МАНИПУЛЯЦИЯ

Виды манипуляции

дискретная модуляция (манипуляция) - модуляция гармонического несущего колебания дискретным (цифровым) модулирующим сигналом. При этом модулируемые (информационные) параметры переносчика изменяются скачкообразно. Устройство, реализующее процесс манипуляции, называют манипулятором.

Дискретным модулирующим сигналом является первичный сигнал, отображающий символы кодовых комбинаций дискретных сообщений. Примеры дискретных первичных сигналов: телеграфный, передачи данных, ИКМ.

Различают следующие виды манипуляции:

В зависимости от изменяемых параметров переносчика:

Амплитудную (АМн; английский термин – amplitude shift keying, ASK),

Частотную (ЧМн; английский термин – frequency shift keying, FSK),

Фазовую (ФМн; английский термин – phase shift keying, PSK),

Амплитудно-фазовую (АФМн; английский термин – APK/PSK, или amplitude phase keying, APK).

При АМн каждому возможному значению передаваемого символа ставится в соответствие своя амплитуда гармонического несущего колебания, при ЧМн – частота, при ФМн – фаза, а при АФМн – комбинация амплитуды и начальной фазы;

В зависимости от используемых кодов:

Многопозиционную или -арную (по-английски – m-ary),

Двоичную (по-английски – binary).

Многопозиционная манипуляция используется для повышения скорости передачи информации при одной и той же скорости модуляции. - основание многопозиционного кода – число различных его символов. На практике обычно является ненулевой степенью двойки: , где - число двоичных цифр (битов), представляющих символы многопозиционного кода. Двоичная манипуляция ( , ) является частным случаем многопозиционной. Как правило, в системах передачи дискретных сообщений используются двоичные коды.

Двоичная АМн

При двоичном коде первичный сигнал принимает два значения, соответствующие кодовым символам 0 и 1:

- (-U m и, U m и) – двухполярный сигнал;

- (0, U m и) – однополярный сигнал.

При двоичной АМн (BASK) символу 1 соответствует отрезок гармонического несущего колебания (посылка), символу 0 – отсутствие колебания (пауза), поэтому часто АМн называют манипуляцией с пассивной паузой.

Примем в качестве модулирующего меандровый сигнал – сигнал, отображающий последовательность битов повторяющегося двоичного кода 1010.

Рисунок 21.1 – Временные диаграммы модулирующего и АМн сигналов.

АМн можно рассматривать как модуляцию сигналом со спектром, богатым гармониками: спектр меандрового сигнала содержит бесконечное количество нечетных гармоник. Спектр АМн сигнала содержит составляющую с частотой несущей и две боковые полосы, каждая из которых повторяет спектр первичного сигнала.

Рисунок 21.2 – Спектральные диаграммы модулирующего и АМн сигналов.

Теоретически спектр сигнала при АМн бесконечен. На практике бесконечный спектр ограничивается полосой пропускания фильтра. Соотношение для расчета ширины спектра АМн сигнала:

где - символьная скорость или скорость модуляции, Бод – число символов кода, передаваемых за единицу времени (1 с);

Символьный (тактовый) интервал – интервал времени, отведенный для передачи одного символа.

АМн была изобретена в начале 20 столетия для беспроводной телеграфии. В настоящее время АМн в системах цифровой связи уже не используется.

Двоичная ЧМн

При двоичной ЧМн (BFSK) символу 1 соответствует отрезок гармонического колебания с частотой , а символу 0 – с частотой , где - девиация частоты – изменение частоты при передаче 1 (0) относительно ее среднего значения . При ЧМн нет пассивной паузы, по этой причине ее называют манипуляцией с активной паузой.

Возможно два случая ЧМн: с разрывом фазы и без разрыва фазы (continuous-phase FSK – CPFSK).

При ЧМн с разрывом фазы назначение каждому двоичному символу своей частоты является произвольным. Полученный сигнал содержит скачки фазы.

t

t

Рисунок 21.3 – Временные сигналов: модулирующего и ЧМн с разрывом фазы.

Наличие разрывов фазы приводит к «размытию» спектра сигнала. Это снижает помехоустойчивость приема и создает помехи другим системам связи. Поэтому при выборе частот следует обеспечить условие плавного (без скачка фазы) перехода от сигнала с частотой к сигналу с частотой :

При двоичной ФМн (BPSK) передаче 1 соответствует отрезок гармонического колебания, совпадающего по фазе с несущей, а передаче 0 - отличающегося по фазе на 180°, т.е. фаза меняется на 180° при каждом переходе от 1 к 0 и наоборот.

t

Рисунок 21.6 – Временная диаграмма модулирующего и ФМн сигналов.

ФМн сигнал можно представить в виде суммы двух АМн сигналов, для получения первого из которых используется несущая , а второго - . Спектр амплитуд ФМн сигнала содержит те же составляющие, что и спектр АМн сигнала, кроме составляющей с частотой несущей (она исчезает, когда символы 1 и 0 появляются с равной вероятностью). Амплитуды боковых составляющих примерно в два раза больше. При передаче реальных кодовых слов амплитуда составляющей с частотой несущей не равна нулю, но будет значительно ослаблена.

Рисунок 21.6 – Спектр ФМн сигнала.

При ОФМн символ 0 передается отрезком гармонического колебания с начальной фазой предшествующего элемента сигнала, а символ 1 – таким же отрезком с начальной фазой, отличающейся от начальной фазы предшествующего элемента на 180° (фаза изменяется при передаче символов 1), или наоборот (фаза изменяется при передаче символов 0). При ОФМн передача начинается с посылки одного не несущего информации элемента, который служит опорным сигналом для сравнения фазы последующего элемента.

Рисунок 21.7 – Временная диаграмма модулирующего и ОФМн сигнала.

Спектр ОФМн сигнала подобен спектру ФМн сигнала.

ФМн сигнал имеет такую же полосу частот, как АМн сигнал:

.

ФМн была разработана в начале развития программы исследования дальнего космоса и сейчас широко используется в коммерческих и военных системах связи.

Обратимся к модулированным сигналам, полученным путем изменения по закону передаваемого сообщения в несущем колебании частоты w 0 , или начальной фазы j 0 . Поскольку в обоих случаях аргумент гармонического колебания y(t ) = w 0 t + j 0 определяет мгновенное значение фазового угла, такие радиосигналы получили название сигналов с угловой модуляцией. Если в несущем колебании изменяется частота w 0 , то имеем дело с частотной модуляцией (ЧМ), если же изменяется фаза j 0 – фазовой модуляцией (ФМ).

Частотная модуляция. При частотной модуляции несущая частота w(t ) связана с модулирующим сигналом e (t ) зависимостью:

w(t ) = w 0 + k ч e (t ) (5.1)

здесь k ч - размерный коэффициент пропорциональности между частотой и напряжением, рад.

Рассмотрим однотональную частотную модуляцию, когда модулирующим сигналом является гармоническое колебание e (t ) = E 0 cosWt , у которого для упрощения начальная фаза q 0 = 0. Пусть также начальная фаза несущего колебания j 0 = 0. При необходимости начальные фазы q 0 и j 0 легко могут быть введены в окончательные соотношения. Полную фазу ЧМ – сигнала в любой момент времени t определим путем интегрирования частоты, выраженной через формулу (5.1):

где w дч = - максимальное отклонение частоты от значения w 0 , или девиация частоты при частотной модуляции.

Отношение m ч = w дч /W = k ч E 0 /W, (5.3)

являющееся девиацией фазы несущего колебания, называют индексом частотной модуляции.

С учетом (5.2) и (5.3) ЧМ – сигнал запишется в следующем виде:

На рис. 5.1 представлены временные диаграммы соответственно несущего колебания u н (t ) и модулирующего сигнала e (t ) с начальными фазами j 0 = q 0 = 90 o , и полученный в результате процесса частотной модуляции ЧМ – сигнал u чм (t ) . Нетрудно заметить, что по формуле ЧМ-сигнал напоминает сжатые и растянутые меха русской гармошки.

Фазовая модуляция. В ФМ – сигнале полная фаза несущего колебания изменяется пропорционально модулирующему напряжению

y (t ) = w 0 t + k ф e (t ), (5.5)

где k ф - размерный коэффициент пропорциональности, рад/В.

Рис. 5.1 Частотная однотональная модуляция:

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

При однотональной модуляции фаза несущего колебания:

y (t ) = w 0 t + k ф E 0 cosWt , (5.6)

Из (5.6) следует, что, как и в случае частотной модуляции, полная фаза несущего колебания изменяется по гармоническому закону. Максимальное отклонение фазы несущего колебания от начальной фазы характеризует индекс фазовой модуляции

m ф = k ф E 0 . (5.7)

Подставляя формулы (5.5) и (5.6) в (4.1), запишем ФМ - сигнал

Дифференцирование формулы (5.6) дает частоту ФМ – сигнала

w(t ) = w 0 - m ф W sinWt = w 0 - w дф sinWt , (5.9)

где w дф = m ф W = k ф E 0 W - максимальное отклонение частоты от значения несущей w 0 , т. е. девиация частоты при фазовой модуляции.

Выражения (5.4), (5.8) показывают, что при однотональной угловой модуляции нельзя определить, является ли сигнал частотно или фазо-модулированным. Различия между этими видами однотональной модуляции проявляется только при изменении амплитуды Е 0 или частоты W моду-лирующего сигнала e (t ).

В случае частотной модуляции девиации частоты w дч пропорциональна амплитуде Е 0 и не зависит от частоты W модулирующего сигнала e (t ) = E 0 cosWt . Индекс же модуляции m ч прямо пропорционален амплитуде Е 0 и обратно пропорционален частоте W модулирующего сигнала. При фазовой модуляции девиации частоты w дф изменяется пропорционально амплитуде Е 0 и частоте модулирующего сигнала. Индекс модуляции m ф пропорционален амплитуде Е 0 и нее зависит от частоты W модулирующего сигнала.

Спектр ЧМ – сигнала при однотональной модуляции. Используя тригонометрические преобразования, запишем соотношение (5.4) следующим образом:

= U н cos(m sinWt )cosw 0 t - U н sin(m sinWt )sinw 0 t . (5.10)

Проанализируем выражение (5.10) отдельно для малых (m << 1) и больших (m >1) индексов модуляции.

Спектр ЧМ – сигнала при m << 1. В этом случае имеют место приближенные равенства

cos(m sinWt ) » 1; sin(m sinWt ) » m sinWt . (5.11)

Подставив (5.11) в (5.10), получим

u ЧМ (t ) = U н cosw 0 t - U н m sinW sinw 0 t =

+ U н cosw 0 t + (mU н /2)cos(w 0 + W)t - (mU н /2) cos(w 0 - W)t . (5.12)

Рис.5.2. Диаграммы ЧМ – сигнала при m << 1:

а – спектральная; б - векторная

Сравнение соотношений (5.12) и (4.6) показывает, что спектр ЧМ – сигнала аналогичен спектру АМП – сигнала и также состоит из несущего колебания и двух боковых составляющих с частотами (w 0 + W) и (w 0 - W). Индекс модуляции m играет здесь ту же роль, что и коэффициент амплитудной модуляции М . Единственное и принципиальное отличие - знак минус перед нижней боковой составляющей в формуле для ЧМ – сигнала, который характеризирует поворот ее фазы на 180 0 , что аналитически приводит к превращению АМП – сигнала в ЧМ – сигнал.

На рис.5.2,а представлена спектральная диаграмма для ЧМ – сигнала при индексе модуляции m << 1. Отметим, что ширина спектра в данном случае равна 2W, как и при амплитудной модуляции.

На векторной диаграмме рис.5.2, б показано, как изменение фазы нижней боковой составляющей на 180 0 (вектор АД) влияет на вектор результирующего колебания ОВ. Направление вектора АД нижней боковой составляющей при АМ – сигнале обозначено штриховой линией. Изменение направления этого вектора на 180 0 не влияет на вектор модуляции АВ, который всегда перпендикулярен вектору несущей ОА. Вектор результирующего колебания ОВ изменяется как по фазе, так и по амплитуде, т.е. с течением времени «качается» вокруг центрального положения. Однако при m<< 1 изменения амплитуды настолько малы, что ими можно пренебречь и модуляцию рассматривать как чисто фазовую.

Теоретический спектр ЧМ – сигнала (аналогично и ФМ – сигнала) бесконечен по полосе частот, однако в реальных случаях он ограничен. Дело в том, что начиная с номера порядка n > m+1 , значения функций Бесселя становится весьма малыми. Поэтому считается, что практическая ширина спектра радиосигналов с угловой модуляцией

Dw ум = 2(m +1)W.

Рис. 5.3. Спектр ЧМ – сигнала.

ЧМ – и ФМ – сигналы, применяемые на практике, имеют индекс модуляции m >>1, поэтому

Dw ум = 2m W = 2w д.

Таким образом, полоса частот, занимаемая сигналами с однотональной частоты модуляцией, равна удвоенной величине девиации частоты и не зависит от частоты модуляции. Спектр сигналов с угловой модуляцией при негармоническом модулирующем сигнале определить достаточно трудно. Но он всегда сложнее, чем спектр АМ – сигнала при том же модулирующем сигнале. Ширина его спектра также значительно больше, чем при амплитудной модуляции.

Примерная структура спектра ЧМ– сигнала при индексе модуляции m =3 показана на рис. 5.3.

Следует отметить, что радиосигналы с частотой и фазовой модуляцией имеют ряд важных преимуществ перед амплитудно-модулированными колебаниями.

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

2.Постоянство амплитуды радиосигнала при угловой модуляции позволяет полностью использовать энергетические возможности генератора несущей частоты, который работает в этом случае при неизменной колебательной мощности.

Литература: 1, 2; 6[ 46-61].

Контрольные вопросы:

1.Как осуществляется частотная модуляция?

2.Покажите индекс частотной модуляции.

3.Что такое девиация частоты?

4. Покажите индекс фазавой модуляции.

5. Нарисуйте вид колебания однотональной частотной модуляции.

6. Как изменяется индекс модуляции с ростом частоты?

7. Покажите спектр частотной модуляции.