Частотная модуляция

 

 

 

 

 

                                               Содержание:

 

 

 

1. Модуляция

 

2. Недостатки амплитудной модуляции

 

3. Достоинства частотной модуляции

 

4. Частотная модуляция

 

5. Частотный модулятор

 

6. Стабилизация частоты

 

7. Косвенный метод модуляции

 

8. Частотная модуляция дискретных сообщений

 

9. Частотная телеграфия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Модуляция

 
(от лат. Modulatio – мерность, размеренность) – изменение какого – либо параметра периодических колебаний высокой частоты под воздействием других колебаний существенно более низкой (модулирующей) частоты.  

 

 

Для передачи сообщений  звуковой частоты (речь, музыка, изображение) сигналы преобразовывают в электрическую  форму. В такой форме эти сигналы  не всегда пригодны для эффективного излучения с помощью антенн и  распространения в свободном пространстве, так как представляют собой низкочастотные колебания, которые быстро затухают. Для передачи низкочастотных колебаний на большие расстояния используются высокочастотные колебания, которые обладают свойствами, необходимыми для передачи на большие расстояния. Содержащее сообщение низкочастотное колебание как бы накладывают на высокочастотное колебание, в результате чего оно изменяется по закону передаваемого сообщения.

Высокочастотное колебание  называется несущим, а передаваемое сообщение, содержащее низкочастотное колебание, называется управляющим ( модулирующим ) сигналом.  

 

 

преобразование  колебаний – процессы изменения амплитуды, частоты или фазы при модуляции и детектировании.

 

 

 

Рис.1. Изображение модулятора:

Uнес – несущее колебание; Uупр – управляющий сигнал; Uмод – модулированное колебание

 

Модуляцию осуществляют в специальных устройствах –  модуляторах  (рис. 1.)

      На два входа модулятора подают управляющий (низкочастотный) сигнал Uупр и гармоническое несущее (высокочастотное) колебание Uнес, а на выходе появляется модулированное (высокочастотное) колебание.

 

В зависимости от того, воздействует ли модулирующий сигнал  на амплитуду, частоту или фазу несущего высокочастотного колебания, различают  соответственно амплитудную, частотную или фазовую модуляцию

 

 

Недостатки  амплитудной модуляции.

 

Недостатком амплитудной  модуляции является плохое использование  мощности высокочастотных колебаний  и, как следствие этого, уменьшение дальности действия радиостанции. В  приемниках амплитудно-модулированных сигналов трудно бороться с помехами от атмосферных разрядов и электрических установок. Помехи производят дополнительную амплитудную модуляцию принятых колебаний, которая проявляется в виде шорохов и тресков.

 

 

Достоинства частотной модуляции

 

Главным достоинством частотной  модуляции является ослабление действия помех, что позволяет улучшить качество приема. По сравнению с амплитудной  модуляцией при частотной модуляции  лучше используется мощность передатчика.

 

В радиосвязи и радиовещании успешно применяется частотная модуляция. В нашей стране создана сеть УКВ радиовещательных станций, работающих с частотной модуляцией в диапазоне 64,5 – 73 МГц. Для радиовещания применяется широкополосная частотная модуляция, при которой наибольшее отклонение частоты от первоначального значения достигает десятков килогерц (обычно + 75 кГц). Такое отклонение частоты допустимо только в случае, если частота несущих колебаний достаточно велика. Поэтому радиовещание с частотной модуляцией ведется на ультракоротких волнах, т. е. на частотах не менее десятков мегагерц.

 

 

 

Частотная модуляция 
 
При частотной модуляции амплитуда несущего колебания остается постоянной, а несущая частота ω0 изменяется во времени по закону модулирующего сигнала.  

 

 

 

 

  Рис. 2. Частотная модуляция

         а – несущее колебание; б – модулирующий сигнал;

         в – частотно – модулированный сигнал; ин – мгновенное значение напряжения несущего колебания; и – мгновенное значение напряжения модулирующего сигнала; ичм – мгновенное значение напряжения частотно – модулированного сигнала; t – текущее значение времени. 

 

На рис.2. показаны графики  модулирующего синусоидального  звука и колебания с переменной высокой частотой, полученного в  результате частотной модуляции. Во время первого положительного полупериода звукового колебания частота несущего колебания возрастает, доходит до наибольшего значения, а затем возвращается к первому значению. В течение другого отрицательного полупериода звука частота несущего колебания уменьшается, доходит до наименьшего значения и снова принимает первоначальное значение. Чем больше амплитуда модулирующего сигнала, тем сильнее изменяется частота.

 

При частотной модуляции  модулируемым параметром является частота  гармонического колебания ω0, которая получает приращение Δω, зависящее от времени и пропорциональное мгновенному значению модулирующего сигнала U. В случае гармонического колебания мгновенная частота ω не меняется во времени, она равна несущей частоте ω0. 
 При частотной модуляции частота несущего колебания ωсвязана с модулирующим сигналом U зависимостью 
 
   ω = ω0 +kчU, 
 
где ω0 – несущая частота несущего колебания; kч – размеренный коэффициент пропорциональности между частотой и напряжением, рад / (В·с). 
 Максимальное отклонение мгновенного значения частоты модулированного колебания от среднего значения называется девиацией частоты. 
 
   ωд = ωmф = kчU/ω, 
 
где ω - мгновенное значение круговой частоты; mф - девиация фазы несущего колебания (индекс частотной модуляции); U – амплитуда модулирующего сигнала.

 

 

 

Частотный модулятор

 

Наибольшее применение имеет частотный модулятор на основе варикапа – полупроводникового диода с обратно смещенным p-n-переходом. Закон изменения емкости p-n-перехода, называемой барьерной, или зарядной, от величины обратного напряжения U имеет вид:

 

  C(U)=Cнач / (1 + |U|/φ0)΄,

 

     где Снач – начальная емкость; φ0 =0,5 … 0,7 В (для кремния)- контактная разность потенциалов.

 

 

 

График  зависимости приведен на рис. 3а.

 

 

Схема частотного модулятора с варикапом, подключенным к контуру автогенератора, приведена на рис. 3б.  

Стабилизация  частоты несущей при частотной  модуляции

 

 

При прямом методе частотной  модуляции к контуру автогенератора подключается частотный модулятор, это приводит к снижению стабильности частоты автоколебаний.

 

 

 Для нейтрализации этого явления используют три способа:

 

1. Применяют косвенной метод модуляции, т.е. преобразование фазовой модуляции в частотную;

 

2. Модуляцию осуществляют в кварцевом автогенераторе;

 

3. Стабилизируют частоту автогенератора, к которому подключен частотный модулятор, с помощью системы автоматической подстройки частоты.

 

Косвенный метод модуляции

 

 

 

Рис. 4. Структурная  схема преобразования фазовой модуляции  в частотную:

  Г- автогенератор; У – усилитель; ЧМ – частотный модулятор; И – интегратор.

 

 

Косвенный метод заключается  в преобразовании фазовой модуляции  в частотную.

 

Для преобразования фазовой  модуляции в частотную на входе  фазового модулятора включается интегратор рис. 4.

 

Минимальному значению частоты модулирующего сигнала  соответствует максимальное значение отклонения девиации фазы. Небольшое значение девиации частоты, которое можно получить при косвенном методе, ограничивает область его использования. Повышение девиации частоты возможно путем увеличения максимальной девиации фазы за счет применения многоконтурных колебательных цепей или умножения частоты сигнала в n раз, что в такое же число раз увеличивает девиацию частоты.   

 

 

Пример кварцевого автогенератора с частотным модулятором  на варикапе  

 

 

 

Рис. 5. кварцевый  генератор 

 

В ней Δfдев = 2…3 кГц при частоте несущей 10…20 МГц.

 

Два первых способа обеспечивают получение сравнительно малой девиации частоты, и поэтому они применяются  в основном при узкополосной частотной  модуляции, когда девиация частоты  не превышает несколько килогерц.    

 

 

Метод стабилизации частоты автогенератора, к которому подключен частотный  модулятор, с помощью системы  автоматической подстройки частоты

 

 

Данный метод позволяет  обеспечить малую нестабильность частоты, требуемое, большое значение девиации частоты.

 

В схеме на рис. 6. частотный  модулятор подключен к стабилизируемому автогенератору согласно рис. 7.

 

 

 

 

Следует установить такое  быстродействие системы авторегулирования, чтобы она реагировала на относительно медленные изменения частоты  автогенератора под действием дестабилизирующих факторов (например, изменение температуры) и не откликалась бы на относительно быстрые изменения частоты под действием модулирующего сигнала. Для реализации данного условия амплитудно–частотная характеристика замкнутого конца автоподстройки частоты должна иметь вид согласно рис. 8, на котором   Ώ1 - Ώ2 спектр частот модулирующего сигнала

 

 

 

 

Частотная модуляция дискретных сообщений

 

 

При передаче дискретной информации, в том числе цифровой, кодированной информации – комбинации двоичных сигналов, состоящей из логических 1 и 0 , модуляцию называют манипуляцией, а устройство, реализующее процесс, - как модулятором, так и манипулятором. Процесс манипуляции называют также телеграфным режимом работы, соответственно заменяется название частотная модуляция на частотная телеграфия. 

 

Частотная телеграфия

 

 

При модуляции дискретных сообщений используется двухступенчатая  модуляция, это связанно с тем, что  в идеальном случае полоса пропускания  радиоприемника должна быть равна спектру  принятого сигнала. Практически данное требование из–за нестабильности частоты несущей радиопередатчика и частоты гетеродина радиоприемника реализовать не удается: полосу пропускания с учетом названых нестабильностей частоты приходится расширять, что снижает помехоустойчивость. По этому более эффективной оказалась двухступенчатая модуляция, при которой логические 1 и 0 модулируют сначала поднесущую сравнительно низкой частоты, а затем этой поднесущей модулируют частоту несущей радиопередатчика. 

 

Структурная схема частотной телеграфии

 

 

 

 

В первой ступени модуляции  сигнал, поступающий от источника  информации, с помощью кодирующего  устройства (кодера) преобразуется  в последовательность двоичных сигналов – в биты информации. Далее в  модуляторе 1 логической 1 присваивается частота F1, а логическому 0 – F2. Далее синусоидальный сигнал с частотой F1 и F2 во второй ступени модулирует с девиацией частоту несущей радиопередатчика. В радиоприемнике такой сигнал дважды проходит процедуру демодуляции: сначала выделяется частота, а затем – исходящее цифровое сообщение – битовая последовательность. При такой двухступенчатой модуляции полос пропускания фильтров, устанавливаемых в канале поднесущей частоты, удается сузить до ширины спектра передаваемого сообщения и тем самым повысить помехоустойчивость.

 

 

 

Используемая  литература

 

 

 

1. В. И. Каганов. Радиопередающие устройства. М. ИРПО: Издательский центр « Академия» 2002

 

 

2. Н. Н. Малов. Радиотехника. М. »Просвещение», 1971

 

 

3. И. П. Жеребцов. Радиотехника. М. издательство «Связь» 1965