Частотная и фазовая модуляции гармонической несущей. Измерение при частотной модуляции

Общие сведения о модуляции

Модуляция — это процесс преобразования одного или нескольких информационных параметров несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями информационного сигнала.

В результате модуляции сигналы переносятся в область более высоких частот.

Использование модуляции позволяет:

• согласовать параметры сигнала с параметрами линии;
• повысить помехоустойчивость сигналов;
• увеличить дальность передачи сигналов;
• организовать многоканальные системы передачи (МСП с ЧРК).

Модуляция осуществляется в устройствах модуляторах . Условное графическое обозначение модулятора имеет вид:

Рисунок 1 - Условное графическое обозначение модулятора

При модуляции на вход модулятора подаются сигналы:

u(t) — модулирующий , данный сигнал является информационным и низкочастотным (его частоту обозначают W или F);

S(t) — модулируемый (несущий) , данный сигнал является неинформационным и высокочастотным (его частота обозначается w 0 или f 0);

Sм(t) — модулированный сигнал , данный сигнал является информационным и высокочастотным.

В качестве несущего сигнала может использоваться:

• гармоническое колебание, при этом модуляция называется аналоговой или непрерывной ;
• периодическая последовательность импульсов, при этом модуляция называется импульсной ;
• постоянный ток, при этом модуляция называется шумоподобной .

Так как в процессе модуляции изменяются информационные параметры несущего колебания, то название вида модуляции зависит от изменяемого параметра этого колебания.

1. Виды аналоговой модуляции:

• амплитудная модуляция (АМ), происходит изменение амплитуды несущего колебания;
• частотная модуляция (ЧМ), происходит изменение частоты несущего колебания;
• фазовая модуляция (ФМ), происходит изменение фазы несущего колебания.

2. Виды импульсной модуляции:

• амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) , происходит изменение амплитуды импульсов несущего сигнала;
• частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) , происходит изменение частоты следования импульсов несущего сигнала;
• Фазо-импульсная модуляция (ФИМ) , происходит изменение фазы импульсов несущего сигнала;
• Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) , происходит изменение длительности импульсов несущего сигнала.

Амплитудная модуляция

Амплитудная модуляция — процесс изменения амплитуды несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

амплитудно-модулированного (АМ) сигнала при гармоническом модулирующем сигнале. При воздействии модулирующего сигнала

u (t )= Um u sin ? t (1)

на несущее колебание

S (t )= Um sin (? 0 t + ? ) (2)

происходит изменение амплитуды несущего сигнала по закону:

Uам(t)=Um+ а ам Um u sin ? t (3)

где а ам — коэффициент пропорциональности амплитудной модуляции.

Подставив (3) в математическую модель (2) получим:

Sам(t)=(Um+ а ам Um u sin ? t) sin(? 0 t+ ? ). (4)

Вынесем Um за скобки:

Sам(t)=Um(1+ а ам Um u /Um sin ? t) sin (? 0 t+ ? ) (5)

Отношение а ам Um u /Um = m ам называется коэффициентом амплитудной модуляции . Данный коэффициент не должен превышать единицу, т. к. в этом случае появляются искажения огибающей модулированного сигнала называемые перемодуляцией . С учетом m ам математическая модель АМ сигнала при гармоническом модулирующем сигнале будет иметь вид:

Sам(t)=Um(1+m ам sin ? t) sin(? 0 t+ ? ). (6)

Если модулирующий сигнал u(t) является негармоническим, то математическая модель АМ сигнала в этом случае будет иметь вид:

Sам(t)=(Um+ а ам u(t)) sin (? 0 t+ ? ) . (7)

Рассмотрим спектр АМ сигнала для гармонического модулирующего сигнала. Для этого раскроем скобки математической модели модулированного сигнала, т. е. представим его в виде суммы гармонических составляющих.

Sам(t)=Um(1+m ам sin ? t) sin (? 0 t+ ? ) = Um sin (? 0 t+ ? ) +

+m ам Um/2 sin((? 0 — ? ) t+ j ) — m ам Um/2 sin((? 0 + ? )t+ j ). (8)

Как видно из выражения в спектре АМ сигнала присутствует три составляющих: составляющая несущего сигнала и две составляющих на комбинационных частотах. Причем составляющая на частоте ? 0 —? называется нижней боковой составляющей , а на частоте ? 0 + ? — верхней боковой составляющей. Спектральные и временные диаграммы модулирующего, несущего и амплитудно-модулированного сигналов имеют вид (рисунок 2).

Рисунок 2 - Временные и спектральные диаграммы модулирующего (а), несущего (б) и ампдтудно-модулированного (в) сигналов

D? ам =(? 0 + ? ) — (? 0 — ? )=2 ? (9)

Если же модулирующий сигнал является случайным, то в этом случае в спектре составляющие модулирующего сигнала обозначают символически треугольниками (рисунок 3).

Составляющие в диапазоне частот (? 0 — ? max) ? (? 0 — ? min) образуют нижнюю боковую полосу (НБП), а составляющие в диапазоне частот (? 0 + ? min) ? (? 0 + ? max) образуют верхнюю боковую полосу (ВБП)

Рисунок 3 - Временные и спектральные диаграммы сигналов при случайном модулирующем сигнале

Ширина спектра для данного сигнала будет определятся

D ? ам =(? 0 + ? max ) — (? 0 — ? min )=2 ? max (10)

На рисунке 4 приведены временные и спектральные диаграммы АМ сигналов при различных индексах m ам. Как видно при m ам =0 модуляция отсутствует, сигнал представляет собой немодулированную несущую, соответственно и спектр этого сигнала имеет только составляющую несущего сигнала (рисунок 4,

Рисунок 4 - Временные и спектральные диаграммы АМ сигналов при различных mам: а) при mам=0, б) при mам=0,5, в) при mам=1, г) при mам>1

а), при индексе модуляции m ам =1 происходит глубокая модуляция, в спектре АМ сигнала амплитуды боковых составляющих равны половине амплитуды составляющей несущего сигнала (рисунок 4в), данный вариант является оптимальным, т. к. энергия в большей степени приходится на информационные составляющие. На практике добиться коэффициента равного едините тяжело, поэтому добиваются соотношения 01 происходит перемодуляция, что, как отмечалось выше, приводит к искажению огибающей АМ сигнала, в спектре такого сигнала амплитуды боковых составляющих превышают половину амплитуды составляющей несущего сигнала (рисунок 4г).

Основными достоинствами амплитудной модуляции являются:

• узкая ширина спектра АМ сигнала;
• простота получения модулированных сигналов.

Недостатками этой модуляции являются:

• низкая помехоустойчивость (т. к. при воздействии помехи на сигнал искажается его форма — огибающая, которая и содержит передаваемое сообщение);
• неэффективное использование мощности передатчика (т. к. наибольшая часть энергии модулированного сигнала содержится в составляющей несущего сигнала до 64%, а на информационные боковые полосы приходится по 18%).

Амплитудная модуляция нашла широкое применение:

• в системах телевизионного вещания (для передачи телевизионных сигналов);
• в системах звукового радиовещания и радиосвязи на длинных и средних волнах;
• в системе трехпрограммного проводного вещания.

Балансная и однополосная модуляция

Как отмечалось выше, одним из недостатков амплитудной модуляции является наличие составляющей несущего сигнала в спектре модулированного сигнала. Для устранения этого недостатка применяют балансную модуляцию. При балансной модуляции происходит формирование модулированного сигнала без составляющей несущего сигнала. В основном это осуществляется путем использования специальных модуляторов: балансного или кольцевого. Временная диаграмма и спектр балансно-модулированного (БМ) сигнала представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Временные и спектральные диаграммы модулирующего (а), несущего (б) и балансно-модулированного (в) сигналов

Также особенностью модулированного сигнала является наличие в спектре двух боковых полос несущих одинаковую информацию. Подавление одной из полос позволяет уменьшить спектр модулированного сигнала и, соответственно, увеличить число каналов в линии связи. Модуляция при которой формируется модулированный сигнал с одной боковой полосой (верхней или нижней) называется однополосной. Формирование однополосно-модулированного (ОМ) сигнала осуществляется из БМ сигнала специальными методами, которые рассматриваются ниже. Спектры ОМ сигнала представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 - Спектральные диаграммы однополосно-модулированных сигналов: а) с верхней боковой полосой (ВБП), б) с нижней боковой полосой (НБП)

Частотная модуляция

Частотная модуляция — процесс изменения частоты несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

Рассмотрим математическую модель частотно-модулированного (ЧМ) сигнала при гармоническом модулирующем сигнале. При воздействии модулирующего сигнала

u (t ) = Um u sin ? t

на несущее колебание

S (t ) = Um sin (? 0 t + ? )

происходит изменение частоты несущего сигнала по закону:

w чм (t) = ? 0 + а чм Um u sin ? t (9)

где а чм — коэффициент пропорциональности частотной модуляции.

Поскольку значение sin ? t может изменятся в диапазоне от -1 до 1, то наибольшее отклонение частоты ЧМ сигнала от частоты несущего сигнала составляет

? ? m = а чм Um u (10)

Величина Dw m называется девиацией частоты. Следовательно, девиация частоты показывает наибольшее отклонение частоты модулированного сигнала от частоты несущего сигнала.

Значение ? чм (t) непосредственно подставить в S(t) нельзя, т. к. аргумент синуса ? t+j является мгновенной фазой сигнала?(t) которая связана с частотой выражением

? = d ? (t )/ dt (11)

Отсюда следует что, чтобы определить? чм (t) необходимо проинтегрировать ? чм (t)

Причем в выражении (12) ? является начальной фазой несущего сигнала.

Отношение

Мчм = ?? m / ? (13)

называется индексом частотной модуляции .

Учитывая (12) и (13) математическая модель ЧМ сигнала при гармоническом модулирующем сигнале будет иметь вид:

S чм (t)=Um sin(? 0 t — Мчм cos ? t+ ? ) (14)

Временные диаграммы, поясняющие процесс формирования частотно-модулированного сигнала приведены на рисунке 7. На первых диаграммах а) и б) представлены соответственно несущий и модулирующий сигналы, на рисунке в) представлена диаграмма показывающая закон изменения частоты ЧМ сигнала. На диаграмме г) представлен частогтно-модулированный сигнал соответствующий заданному модулирующему сигналу, как видно из диаграммы любое изменение амплитуды модулирующего сигнала вызывает пропорциональное изменение частоты несущего сигнала.

Рисунок 7 - Формирование ЧМ сигнала

Для построения спектра ЧМ сигнала необходимо разложить его математическую модель на гармонические составляющие. В результате разложения получим

S чм (t)= Um J 0 (M чм ) sin(? 0 t+ ? ) —

— Um J 1 (M чм ) {cos[(? 0 — ? )t+ j ]+ cos[(? 0 + ? )t+ ? ]} —

— Um J 2 (M чм ) {sin[(? 0 — 2 ? )t+ j ]+ sin[(? 0 +2 ? )t+ ? ]}+

+ Um J 3 (M чм ) {cos[(? 0 — 3 ? )t+ j ]+ cos[(? 0 +3 ? )t+ ? ]} —

— Um J 4 (M чм ) {sin[(? 0 — 4 ? )t+ j ]+ sin[(? 0 +4 ? )t+ ? ]} — … (15)

где J k (Mчм) — коэффициенты пропорциональности.

J k (Mчм) определяются по функциям Бесселя и зависят от индекса частотной модуляции. На рисунке 8 представлен график содержащий восемь функций Бесселя. Для определения амплитуд составляющих спектра ЧМ сигнала необходимо определить значение функций Бесселя для заданного индекса. Причем как

Рисунок 8 - Функции Бесселя

видно из рисунка различные функции имеют начало в различных значениях Мчм, а следовательно, количество составляющих в спектре будет определятся Мчм (с увеличивается индекса увеличивается и количество составляющих спектра). Например необходимо определить коэффициенты J k (Мчм) при Мчм=2. По графику видно, что при заданном индексе можно определить коэффициенты для пяти функций (J 0 , J 1 , J 2 , J 3 , J 4) Их значение при заданном индексе будет равно: J 0 =0,21; J 1 =0,58; J 2 =0,36; J 3 =0,12; J 4 =0,02. Все остальные функции начинаются после значения Мчм=2 и равны, соответственно, нулю. Для приведенного примера количество составляющих в спектре ЧМ сигнала будет равно 9: одна составляющая несущего сигнала (Um J 0) и по четыре составляющих в каждой боковой полосе (Um J 1 ; Um J 2 ; Um J 3 ; Um J 4).

Еще одной важной особенностью спектра ЧМ сигнала является то, что можно добиться отсутствия составляющей несущего сигнала или сделать ее амплитуду значительно меньше амплитуд информационных составляющих без дополнительных технических усложнений модулятора. Для этого необходимо подобрать такой индекс модуляции Мчм, при котором J 0 (Мчм) будет равно нулю (в месте пересечения функции J 0 с осью Мчм), например Мчм=2,4.

Поскольку увеличение составляющих приводит к увеличению ширины спектра ЧМ сигнала, то значит, ширина спектра зависит от Мчм (рисунок 9). Как видно из рисунка, при Мчм?0,5 ширина спектра ЧМ сигнала соответствует ширине спектра АМ сигнала и в этом случае частотная модуляция является узкополосной , при увеличении Мчм ширина спектра увеличивается, и модуляция в этом случае является широкополосной . Для ЧМ сигнала ширина спектра определяется

D ? чм =2(1+Мчм) ? (16)

Достоинством частотной модуляции являются:

• высокая помехоустойчивость;
• более эффективное использование мощности передатчика;
• сравнительная простота получения модулированных сигналов.

Основным недостатком данной модуляции является большая ширина спектра модулированного сигнала.

Частотная модуляция используется:

• в системах телевизионного вещания (для передачи сигналов звукового сопровождения);
• системах спутникового теле- и радиовещания;
• системах высококачественного стереофонического вещания (FM диапазон);
• радиорелейных линиях (РРЛ);
• сотовой телефонной связи.

Рисунок 9 - Спектры ЧМ сигнала при гармоническом модулирующем сигнале и при различных индексах Мчм: а) при Мчм=0,5, б) при Мчм=1, в) при Мчм=5

Фазовая модуляция

Фазовая модуляция — процесс изменения фазы несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

Рассмотрим математическую модель фазо-модулированного (ФМ) сигнала при гармоническом модулирующем сигнале. При воздействии модулирующего сигнала

u (t ) = Um u sin ? t

на несущее колебание

S (t ) = Um sin (? 0 t + ? )

происходит изменение мгновенной фазы несущего сигнала по закону:

? фм(t) = ? 0 t+ ? + а фм Um u sin ? t (17)

где а фм — коэффициент пропорциональности частотной модуляции.

Подставляя ? фм(t) в S(t) получаем математическую модель ФМ сигнала при гармоническом модулирующем сигнале:

Sфм(t) = Um sin(? 0 t+ а фм Um u sin ? t+ ? ) (18)

Произведение а фм Um u =Dj m называется индексом фазовой модуляции или девиацией фазы .

Поскольку изменение фазы вызывает изменение частоты, то используя (11) определяем закон изменения частоты ФМ сигнала:

? фм (t )= d ? фм(t )/ dt = w 0 +а фм Um u ? cos ? t (19)

Произведение а фм Um u ? =?? m является девиацией частоты фазовой модуляции. Сравнивая девиацию частоты при частотной и фазовой модуляциях можно сделать вывод, что и при ЧМ и при ФМ девиация частоты зависит от коэффициента пропорциональности и амплитуды модулирующего сигнала, но при ФМ девиация частоты также зависит и от частоты модулирующего сигнала.

Временные диаграммы поясняющие процесс формирования ФМ сигнала приведены на рисунке 10.

При разложении математической модели ФМ сигнала на гармонические составляющие получится такой же ряд, как и при частотной модуляции (15), с той лишь разницей, что коэффициенты J k будут зависеть от индекса фазовой модуляции? ? m (J k (? ? m)). Определятся эти коэффициенты будут аналогично, как и при ЧМ, т. е. по функциям Бесселя, с той лишь разницей, что по оси абсцисс необходимо заменить Мчм на? ? m . Поскольку спектр ФМ сигнала строится аналогично спектру ЧМ сигнала, то для него характерны те же выводы что и для ЧМ сигнала (пункт 1.4).

Рисунок 10 - Формирование ФМ сигнала

Ширина спектра ФМ сигнала определяется выражением:

? ? фм =2(1+ ? j m ) ? (20).

Достоинствами фазовой модуляции являются:

• высокая помехоустойчивость;
• более эффективное использование мощности передатчика.
• недостатками фазовой модуляции являются:

• большая ширина спектра;
• сравнительная трудность получения модулированных сигналов и их детектирование

Дискретная двоичная модуляция (манипуляция гармонической несущей)

Дискретная двоичная модуляция (манипуляция) — частный случай аналоговой модуляции, при которой в качестве несущего сигнала используется гармоническая несущая, а в качестве модулирующего сигнала используется дискретный, двоичный сигнал.

Различают четыре вида манипуляции:

• амплитудную манипуляцию (АМн или АМТ);
• частотную манипуляцию (ЧМн или ЧМТ);
• фазовую манипуляцию (ФМн или ФМТ);
• относительно-фазовую манипуляцию (ОФМн или ОФМ).

Временные и спектральные диаграммы модулированных сигналов при различных видах манипуляции представлены на рисунке 11.

При амплитудной манипуляции , также как и при любом другом модулирующем сигнале огибающая S АМн (t) повторяет форму модулирующего сигнала (рисунок 11, в).

При частотной манипуляции используются две частоты? 1 и? 2 . При наличии импульса в модулирующем сигнале (посылке) используется более высокая частота? 2 , при отсутствии импульса (активной паузе) используется более низкая частота w 1 соответствующая немодулированной несущей (рисунок 11, г)). Спектр частотно-манипулированного сигнала S ЧМн (t) имеет две полосы возле частот? 1 и? 2 .

При фазовой манипуляции фаза несущего сигнала изменяется на 180° в момент изменения амплитуды модулирующего сигнала. Если следует серия из нескольких импульсов, то фаза несущего сигнала на этом интервале не изменяется (рисунок 11, д).

Рисунок 11 - Временные и спектральные диаграммы модулированных сигналов различных видов дискретной двоичной модуляции

При относительно-фазовой манипуляции фаза несущего сигнала изменяется на 180° лишь в момент подачи импульса, т. е. при переходе от активной паузы к посылке (0?1) или от посылке к посылке (1?1). При уменьшении амплитуды модулирующего сигнала фаза несущего сигнала не изменяется (рисунок 11, е). Спектры сигналов при ФМн и ОФМн имеют одинаковый вид (рисунок 9, е).

Сравнивая спектры всех модулированных сигналов можно отметить, что наибольшую ширину имеет спектр ЧМн сигнала, наименьшую — АМн, ФМн, ОФМн, но в спектрах ФМн и ОФМн сигналов отсутствует составляющая несущего сигнала.

В виду большей помехоустойчивости наибольшее распространение получили частотная, фазовая и относительно-фазовая манипуляции. Различные их виды используются в телеграфии, при передаче данных, в системах подвижной радиосвязи (телефонной, транкинговой, пейджинговой).

Импульсная модуляция

Импульсная модуляция — это модуляция, при которой в качестве несущего сигнала используется периодическая последовательность импульсов, а в качестве модулирующего может использоваться аналоговый или дискретный сигнал.

Поскольку периодическая последовательность характеризуется четырьмя информационными параметрами (амплитудой, частотой, фазой и длительностью импульса), то различают четыре основных вида импульсной модуляции:

• амплитудно-импульсная модуляция (АИМ); происходит изменение амплитуды импульсов несущего сигнала;
• частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), происходит изменение частоты следования импульсов несущего сигнала;
• фазо-импульсная модуляция (ФИМ), происходит изменение фазы импульсов несущего сигнала;
• широтно-импульсная модуляция (ШИМ), происходит изменение длительности импульсов несущего сигнала.

Временные диаграммы импульсно-модулированных сигналов представлены на рисунке 12.

При АИМ происходит изменение амплитуды несущего сигнала S(t) в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала u(t), т. е. огибающая импульсов повторяет форму модулирующего сигнала (рисунок 12, в).

При ШИМ происходит изменение длительности импульсов S(t) в соответствии с мгновенными значениями u(t) (рисунок 12, г).

Рисунок 12 - Временные диаграммы сигналов при импульсной модуляции

При ЧИМ происходит изменение периода, а соответственно и частоты, несущего сигнала S(t) в соответствии с мгновенными значениями u(t) (рисунок 12, д).

При ФИМ происходит смещение импульсов несущего сигнала относительно их тактового (временного) положения в немодулированной несущей (тактовые моменты обозначены на диаграммах точками Т, 2Т, 3Т и т. д.). ФИМ сигнал представлен на рисунке 12, е.

Поскольку при импульсной модуляции переносчиком сообщения является периодическая последовательность импульсов, то спектр импульсно-модулированных сигналов является дискретным и содержит множество спектральных составляющих. Этот спектр представляет собой спектр периодической последовательности импульсов в котором возле каждой гармонической составляющей несущего сигнала находятся составляющие модулирующего сигнала (рисунок 13). Структура боковых полос возле каждой составляющей несущего сигнала зависит от вида модуляции.

Рисунок 13 - Спектр импульсно-модулированного сигнала

Также важной особенностью спектра импульсно-модулированных сигналов является то, что ширина спектра модулированного сигнала, кроме ШИМ, не зависит от модулирующего сигнала. Она полностью определяется длительностью импульса несущего сигнала. Поскольку при ШИМ длительность импульса изменяется и зависит от модулирующего сигнала, то при этом виде модуляции и ширина спектра также зависти от модулирующего сигнала.

Частоту следования импульсов несущего сигнала может быть определена по теореме В. А. Котельникова как f 0 =2Fmax. При этом Fmax это верхняя частота спектра модулирующего сигнала.

Передача импульсно модулированных сигналов по высокочастотным линиям связи невозможна, т. к. спектр этих сигналов содержит низкочастотные составляющий. Поэтому для передачи осуществляют повторную модуляцию . Это модуляция, при которой в качестве модулирующего сигнала используют импульсно-модулированный сигнал, а в качестве несущего гармоническое колебание. При повторной модуляции спектр импульсно-модулированного сигнала переносится в область несущей частоты. Для повторной модуляции может использоваться любой из видов аналоговой модуляции: АМ, ЧС, ФМ. Полученная модуляция обозначается двумя аббревиатурами: первая указывает на вид импульсной модуляции а вторая — на вид аналоговой модуляции, например АИМ-АМ (рисунок 14, а) или ШИМ-ФМ (рисунок 14, б) и т. д.

Рисунок 14 - Временные диаграммы сигналов при импульсной повторной модуляции

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.

Введение

Частотно-манипулированные FSK сигналы одни из самых распространенных в современной цифровой связи. Это обусловлено прежде всего простотой их генерирования и приема, ввиду нечувствительности к начальной фазе. В данной статье мы рассмотрим принцип формирования и параметры FSK модуляции и одной из ее модификаций — CPFSK (FSK с непрерывной фазой). В русскоязычной литературе также встречается аббревиатура «ЧМн» для обозначения частотно-манипулированных сигналов.

FSK модуляция. Индекс FSK модуляции

Для начала рассмотрим двоичную FSK модуляцию, когда исходный модулирующий сигнал представляет собой двоичную бинарную последовательность нулей и единиц следующую с битовой скоростью . Формирователь FSK сигнала и принцип его функционирования можно условно представить, как это показано на рисунке 1.

Рисунок 1: Принцип формирования FSK сигнала

На рисунке 1 показано два генератора, формирующие колебания и на различных частотах (смотри поясняющие осциллограммы рисунка 1). Также имеется электронный ключ, управляемый цифровым сигналом , таким образом, что при передаче логической «1» на выход подается сигнал , а при передаче логического «0» - сигнал . Таким образом, частота выходного сигнала «манипулируется» в зависимости от битовой последовательности. Не смотря на простоту приведенной схемы, она на практике не применяется, поскольку требуется очень быстродействующий ключ с минимальным переходным процессом, а также при произвольной начальной фазе генераторов возможны скачки по фазе при смене символа, что в свою очередь приводит к расширению спектра. На практике получила распространение FSK модуляция с непрерывной фазой CPFSK. Рассмотрим данный вид модуляции более подробно. FSK сигналы являются частным случаем сигналов с частотной модуляцией (FM) при модулирующем сигнале в виде двоичной битовой последовательности . Таким образом, для модуляции FSK можно использовать схему FM модулятора на базе универсального квадратурного модулятора , как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2: Структурная схема формирования FSK сигнала на базе FM модулятора

Поясняющие графики работы приведенной на рисунке 2 структурной схемы показаны на рисунке 3.

Рисунок 3: Поясняющие графики работы FSK модулятора

На верхнем графике показана исходная битовая последовательность следующая со скоростью бод, т.е. длительность одного бита последовательности . Блок нормировки формирует сигнал с уровнем и с нулевым средним, как это показано на среднем графике рисунка 3, при этом форма сигнала сохраняется. Далее используется как модулирующий сигнал на входе FM модулятора. Первым блоком FM модулятора стоит интегратор, который интегрирует сигнал в результате получается сигнал в виде «пилы» как это показано на нижнем графике рисунка 3. Необходимо отметить, что при интегрировании импульс единичной амплитуды на выходе интегратора будет иметь амплитуду После сигнал на выходе интегратора усиливается в раз, где — частота девиации FM сигнала. При рассмотрении FM сигналов говорилось, что частота девиации задает полосу сигнала на выходе модулятора. При цифровой модуляции частота девиации задает разнос частот манипуляции. Представим в виде произведения:

(1)

Где носит название индекса FSK модуляции и определяет во сколько раз разнос частот манипуляции превышает битовую скорость, — циклическая частота модулирующего сигнала, — частота повторения бита при чередовании нулей и единиц в цифровом сигнале (в 2 раза ниже скорости передачи информации ). После усиления и задания девиации частоты производится формирование квадратурных компонент и и модуляция при помощи универсального квадратурного модулятора.

Сделаем замечание. Смысл сигнала на выходе интегратора ни что иное как мгновенная фаза FSK сигнала. Поскольку на выходе интегратора фаза не имеет разрывов, то формируемый таким образом FSK сигнал называется FSK сигнал с непрерывной фазой или CPFSK. Также в некоторой литературе такой способ модуляции носит название модуляция с памятью, так как интегратор «помнит» значения полученные ранее, в то время как ключ на рисунке 1 « не помнит » свое положение в предыдущие моменты времени (модулятор на рисунке 1 носит название модулятор без памяти).

Cпектр FSK сигнала

Рассмотрим спектр FSK сигнала. Ранее уже говорилось, что спектр сигналов с угловой модуляцией в общем случае не выражается аналитически. Однако в случае с бинарной последовательностью, можно получить оценку спектра FSK сигналов следуя следующим рассуждениям. Представим сигнал на входе FM модулятора в виде суммы двух сигналов:

(2)

Графически это показано на рисунке 5.

Рисунок 5: Представление FSK сигнала

Таким образом, спектр FSK сигнала есть сумма спектров сигналов и . Но согласно (4) и — перенесенные на соответствующие частоты сигналы и , которые в свою очередь представляют собой последовательность импульсов длительности Поскольку битовая последовательность случайная, то спектральная плотности и сигналов и может быть представлена, как это показано на рисунке 6.

Рисунок 6: спектральная плотность случайного битового потока

Тогда спектры и сигналов и , а также результирующий спектр FSK сигнала представлены рисунке 7.

Рисунок 7: Спектр FSK сигнала

Таким образом, мы получили спектр FSK сигнала. Видно, что составляющие FSK сигнала разнесены на частоту девиации, а согласно (1), частота девиации зависит от битовой скорости и индекса модуляции . При фиксированной битовой скорости составляющие спектра FSK сигнала будут тем ближе, чем меньше индекс FSK модуляции. На рисунке 8 показаны спектры FSK сигнала при различном индексе модуляции.

	>

Рисунок 8: Спектры FSK сигнала при различном индексе модуляции

Из рисунка 8 следует, что при уменьшении индекса FSK модуляции составляющие FSK сигнала сдвигаются и при основные лепестки соприкасаются, а при перекрываются на половину. Таким образом, индекс модуляции задает положение составляющих FSK вне зависимости от несущей частоты и битовой скорости модулирующего сигнала.

На рисунке представлен спектр FSK и основные частотные соотношения.

Рисунок 9: Основные частотные соотношения в спектре FSK

Параметр задает количество боковых лепестков между составляющими спектра.

Частотная манипуляция без разрыва фазы (CPFSK)

При передаче информации, как правило, существуют ограничения на ширину спектра сигнала, поэтому на практике используют схему модуляции CPFSK без разрывов фазы и при малых значениях индекса модуляции . Спектр CPFSK сигнала при и показан на рисунке 10 синим цветом (красным показан спектр FSK с разрывом фазы).

Рисунок 10: Спектр CPFSK сигнала при различных индексах модуляции

Из рисунка 10 хорошо видно, что отсутствие разрывов фазы приводит к существенному снижению максимального бокового лепестка на 6..8 дБ, а также скорость убывания боковых лепестков возрастает. Таким образом, формирование CPFSK сигнала на основе универсального квадратурного модулятора (рисунок 2) гораздо предпочтительнее, чем на основе ключа.

Векторная диаграмма CPFSK сигнала

Рассмотрим теперь векторную диаграмму CPFSK сигнала. Для этого вспомним, что CPFSK сигнал является частным случаем FM сигнала при цифровом входном сигнале, поэтому его векторная диаграмма не отличается от векторной диаграммы FM сигнала. Однако при рассмотрении FM сигнала было введено понятие девиации фазы, т.е. фазового набега на одном периоде модулирующего сигнала. Рассмотрим девиацию фазы в случае CPFSK модуляции.

Из выражения (1) можно заметить, что

(5)

Для расчета набега фазы рассмотрим рисунок 11.

Рисунок 11: Пояснения к расчету фазового набега

Исходный нормированный цифровой сигнал показан синим цветом, зеленым показан сигнал на выходе интегратора , а красным сигнал , умноженный на частоту девиации. Тогда набег фазы на одном информационном символе можно рассчитать следующим образом:

Таким образом, получили, что набег фазы зависит от индекса модуляции и при . Необходимо сделать замечание. Под набегом фазы подразумевается набег фазы на временном интервале , т.е. только на одном информационном символе. Если имеется несколько информационных символов, то их суммарный набег зависит от передаваемой информации и может принимать любое значение в интервале от до с шагом где — количество передаваемых символов цифровой информации. Рассмотрим это подробнее. Пусть имеется 3 бита цифровой информации , где может принимать значения 0 или 1. Поведение.

Рисунок 12: Различные фазовые траектории

Аналогично можно построить для всех восьми комбинаций . Если все возможные фазовые траектории свести в одну диаграмму то получится диаграмма представленная на рисунке 13. Зеленым и черным показаны траектории для и , соответствующие рисунку 12.

Рисунок 13: Полная фазовая диаграмма для 3-х бит информации

Выводы

Таким образом мы рассмотрели FSK и CPFSK сигналы, привели структурную схему FSK модулятора на основе управляемого ключа, а также схему формирования CPFSK на основе универсального квадратурного модулятора. Было показано, что спектр CPFSK сигнала обладает меньшим уровнем боковых лепестков по сравнению с FSK сигналом, что обусловлено непрерывной фазой сигнала. Подробно был рассмотрен вопрос связанный с влиянием индекса модуляции на фазу комплексной огибающей CPFSK сигнала. В следующих разделах мы рассмотрим широко распространенный частный случай CPFSK модуляции — MSK.

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.