на чем основаны прямые способы угловой модуляции

Угловая Модуляция

Частотная модуляция — это процесс линейного изменения частоты сигнала несущей с сигналом сообщения.

Фазовая модуляция — это процесс линейного изменения фазы сигнала несущей с сигналом сообщения.

Частотная модуляция — это процесс линейного изменения частоты сигнала несущей с сигналом сообщения.

Фазовая модуляция — это процесс линейного изменения фазы сигнала несущей с сигналом сообщения.

Давайте теперь обсудим эти темы более подробно.

Модуляция частоты

При амплитудной модуляции амплитуда несущей изменяется. Но в частотной модуляции (ЧМ) частота несущего сигнала изменяется в соответствии с мгновенной амплитудой модулирующего сигнала.

Амплитуда и фаза сигнала несущей остается постоянной, тогда как частота несущей изменяется. Это может быть лучше понято при соблюдении следующих рисунков.

Частота модулированной волны остается постоянной как частота несущей волны, когда сигнал сообщения равен нулю. Частота увеличивается, когда сигнал сообщения достигает максимальной амплитуды.

Это означает, что с увеличением амплитуды модулирующего сигнала или сигнала сообщения несущая частота увеличивается. Аналогично, с уменьшением амплитуды модулирующего сигнала частота также уменьшается.

Математическое представление

Пусть несущая частота будет f _c

Частота при максимальной амплитуде сигнала сообщения = f _c + Δf

Частота при минимальной амплитуде сигнала сообщения = f _c — Δf

Размах несущей = 2 × отклонение частоты

Уравнение для FM WAVE

Уравнение для FM-волны —

A _c = амплитуда носителя

m (t) = сигнал сообщения

Узкополосный FM

Особенности узкополосного FM следующие:

Эта частотная модуляция имеет небольшую полосу пропускания.

Индекс модуляции небольшой.

Его спектр состоит из несущей, USB и LSB.

Это используется в мобильной связи, такой как полицейская радиосвязь, машины скорой помощи, такси и т. Д.

Эта частотная модуляция имеет небольшую полосу пропускания.

Индекс модуляции небольшой.

Его спектр состоит из несущей, USB и LSB.

Это используется в мобильной связи, такой как полицейская радиосвязь, машины скорой помощи, такси и т. Д.

Широкополосный FM

Особенности широкополосного FM следующие:

Эта частотная модуляция имеет бесконечную полосу пропускания.

Его спектр состоит из несущей и бесконечного количества боковых полос, которые расположены вокруг него.

Это используется в приложениях развлекательного вещания, таких как FM-радио, ТВ и т. Д.

Эта частотная модуляция имеет бесконечную полосу пропускания.

Его спектр состоит из несущей и бесконечного количества боковых полос, которые расположены вокруг него.

Это используется в приложениях развлекательного вещания, таких как FM-радио, ТВ и т. Д.

Фазовая модуляция

В частотной модуляции частота несущей изменяется. Но в фазовой модуляции (PM) фаза сигнала несущей изменяется в соответствии с мгновенной амплитудой модулирующего сигнала.

Амплитуда и частота несущего сигнала остаются постоянными, тогда как фаза несущей изменяется. Это может быть лучше понято при соблюдении следующих рисунков.

Фаза модулированной волны имеет бесконечные точки, в которых может иметь место фазовый сдвиг в волне. Мгновенная амплитуда модулирующего сигнала изменяет фазу несущей. Когда амплитуда положительна, фаза изменяется в одном направлении, а если амплитуда отрицательна, фаза изменяется в противоположном направлении.

Отношения между PM и FM

Изменение по фазе, изменение частоты модулированной волны. Частота волны также изменяет фазу волны. Хотя они связаны, их отношения не являются линейными. Фазовая модуляция является косвенным методом производства ЧМ. Величина сдвига частоты, создаваемого фазовым модулятором, увеличивается с частотой модуляции. Для компенсации этого используется звуковой эквалайзер.

Уравнение для PM Wave

Уравнение для волны PM —

A _c = амплитуда носителя

m (t) = сигнал сообщения

Фазовая модуляция используется в системах мобильной связи, в то время как частотная модуляция используется главным образом для FM-вещания.

Источник

УГЛОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Принципы, лежащие в основе угловой модуляции, были выдви­нуты еще в прошлом столетии (1862 г.) Гельмгольцем задолго до развития радиотехники. Однако впервые она была применена в радиосвязи в 1912 г. для телеграфной манипуляции передатчи­ков путем изменения их частоты. Первые схемы частотных моду­ляторов с электронными лампами относятся к 1921 г. (Г. А. Зейт-ленок и Е. И. Каменский). В своих работах в 1936—1938 гг. В. И. Сифоров и В. Б. Пестряков исследовали влияние помех при приеме частотно-модулированных (ЧМ) колебаний и показали преимущества этой системы модуляции.

Благодаря высокой помехоустойчивости, малым искажениям, экономичности радиопередатчиков принципы угловой модуляции завоевали широкие области применения. Частотная модуляция (ЧМ)— основной метод модуляции в радиорелейных линиях, пред­назначенных для многоканальной телефонии и телевидения. Угло­вая модуляция используется в настоящее время в радиорелейной связи, радиотелеграфии, радиолокации, в радиовещании и телеви­дении, в измерительной и ядерной технике.

Одной из разновидностей угловой модуляции является фазо­вая модуляция (ФМ). При ФМ модулирующий сигнал воз­действует на начальную фазу несущего колебания. Начальная

фаза несущего колебания становится переменной величиной и ме­няется по закону модулирующего сигнала:

где ψ_H0 — постоянная, равная неизменной части начальной фазы;

Аналитически фазо-модулированные (ФМ) колебания в об­щем случае описываются выражением

где амплитуда неизменна, а фазовый угол изменяется во времени. Частота ω_H и здесь называется несущей частотой. Величина θ(t) представляет полную (текущую) фазу.

При гармонической (однотональной) модуляции, когда ,

для ФМ колебания получаем

Величина m_ψ = Δψ выражает максимальное отклонение фазы при модуляции и называется фазовым отклонением, девиа­цией фазы или индексом фазовой модуляции.

Другой разновидностью угловой модуляции является частот­ная модуляция (ЧМ). При ЧМ модулирующий сигнал воз­действует на частоту несущего колебания. В случае ЧМ изменение мгновенной частоты высокочастотного колебания повторяет закон изменения модулирующего сигнала:

где ω(t)—мгновенная угловая частота несущего колебания.

Угловая частота в общем случае есть скорость изменения пол­ной (текущей) фазы, т, е.

С другой стороны, полная фаза через мгновенную частоту может быть определена как

Таким образом, аналитическое выражение ЧМ колебаний в общем случае принимает вид’

При гармонической (однотональной) модуляции, когда

для ЧМ колебания получаем

Сравним общие выражения для ФМ (15.48) и ЧМ (15.54) ко­лебаний. В обоих случаях физическая сущность явления анало­гична: фаза колебания изменяется, однако соотношение между фазовым углом и модулирующим сигналом различно.

Действительно, при ФМ фазовый угол φ(t) пропорционален модулирующему сигналу:

.

а соответствующая мгновенная частота

пропорциональна производной сигнала.

В случае же ЧМ мгновенная частота

пропорциональна модулирующему сигналу, а начальная фаза про­порциональна его интегралу:

Указанные особенности важны при применении ФМ и ЧМ. Па-пример, если колебание модулируется по фазе сигналом, предва­рительно прошедшим через интегрирующую цепь, то получается колебание, модулированное по частоте исходным сигналом. Таким способом, в частности, с помощью ФМ формируют ЧМ 4 колебания.

При угловой модуляции амплитуда ФМ и ЧМ колебаний остается неизменной. Это повышает экономичность радиопередат­чиков за счет более полного использования их мощности. Кроме того, вследствие неизменности амплитуды ФМ и ЧМ сигналы бо­лее помехоустойчивы.

Источник

Угловая модуляция

различают частотную и фазовую модуляцию.

рассмотрим как изменяются колебания при частотной и фазовой модуляции.

— девиация фазы, пропорциональная амплитуде модулирующего сигнала. ;

— девиация частоты – индекс фазовой модуляции.

Изменение фазы:

Величина Dw/. – индекс частотной модуляции и показывает во сколько раз девиация частоты больше частоты модулирующего сигнала.

При модуляции чистым тоном, частотная и фазовая модуляции неразличимы.

Фазовую модуляцию можно перенести в частотную, если исходное сообщение пропустить через интегрирующую цепь.

Достоинства угловой модуляции:

— высокие энергетические показатели, т.е. амплитуда не изменяется;

— требуется маломощный модулятор, т.к. управление осуществляется неэнергетическим параметром;

— высокое помехоустойчивость (отношение С/Ш в 10 раз меньше, чем при АМ);

— можно обеспечить высокую линейность модуляционной характеристики. К_г=0,01%.

Различают узкополосную и широкополосную ЧМ. Узкополосная: m₄ 3; спектр шире, чем при АМ.

Общая полоса частот, ширина спектра при широкополосной ЧМ:

F_max – max f в спектре модулирующего сигнала.

Различают 2 метода формирования сигнала с ЧМ:

1) прямой метод: осуществляется изменение частоты задающего АГ в соответствии с передаваемым сообщением.

2) косвенный метод: фазовая модуляция сигнала; за счет предискажений сигнала фазовой модуляции переходит в ЧМ.

Работа реактивного транзистора:

. Сопротивление . Одно из сопротивлений: чисто активное; другое: реактивное.

В С – ток опережает U_С.

I_к отстает от U_вх: эквивалентно индуктивности.

Для управления реактивностью таких VT, необходимо менять крутизну их.

В качестве АЭ необходимо выбирать лампу или VT с квадратичной характеристикой (полевые VT).

Управляет крутизной – изменение смещения (сеточная или базовая модуляция).

Х_с>>R

X_L>>R

R>>X_L

Методы получения частотной модуляции

1. прямой метод: управляем частотной задающего АГ

изменяя L или С, можно изменять частоту колебаний АГ.

«-» – показывает, что при увеличении L или С, частота уменьшается.

2. косвенный метод: основан на взаимосвязи частотной и фазовой модуляции. За основу берется фазовая модуляция, но модулирующий сигнал пропускается через интегратор; и ФМ®ЧМ.

Постоянная времени стандартизована.

Сравнительный анализ двух методов.

Достоинства прямого метода: получение большой девиации частоты; простота реализации схемы.

Недостаток: низкая стабильность частоты (т.к. здесь воздействуем на АГ); поэтому вводят автоподстройку частоты АПЧ:

(используется в синтезаторах частоты).

Девиация частоты порядка 5 Гц.

Или для увеличения стабильности частоты переходят к косвенному.

ЗАГ делают кварцевым, т.е. с большой стабильностью частоты.

При ФМ девиация частоты: Dw=Dj×??_min много умножителей; увеличиваются субгармоники.

Достоинство: высокая линейность модуляционной характеристики.

Реализация прямого метода ЧМ:

Наиболее применяемый варикап.

Емкость варикапа = емкость диффузии + емкость заряда + емкость выводов.

Наиболее большая: зарядовая емкость.

На варикап нужно подать смещение U₀ (рабочую точку).

Невысокая линейность (с одиночным варикапом) применяют 2 встречно-включенных, но здесь уменьшается стабильность частоты.

Для увеличения стабильности частоты применяют частотную модуляцию в кварцевом АГ.

L – для расширения полосы между частотой последовательного и параллельного резонанса.

Варикап компенсирует L.

Изменение емкости варикапа приводит к изменению эквивалентной индуктивности цепочки и осуществляется ЧМ.

BQ – обеспечивает высокую Q схемы и увеличивается стабильность частоты АГ.

Источник

Угловая модуляция

8.6.1. Общие принципы получения сигналов с угловой модуляцией

Радиосигналы с угловой модуляцией имеют вид

,

где – изменение фазы несущего колебания при фазовой модуляции;

– изменение фазы несущего колебания при частотной модуляции.

Такие радиосигналы формируются фазовыми и частотными модуляторами.

Фазовый модулятор (ФМ) – это устройство, формирующее высокочастотное колебание, фаза которого изменяется по закону модулирующего сигнала (рис. 8.20,а).

Частотный модулятор (ЧМ) – это устройство, формирующее высокочастотное колебание, частота которого изменяется по закону модулирующего сигнала (рис. 8.20,б).

Рис. 8.20. Фазовый (а) и частотный (б) модуляторы

Фазомодулированное колебание можно получить и с помощью частотного модулятора. Для этого необходимо модулирующий сигнал подать на модулятор через дифференцирующую цепь (диф. цепь, рис. 8.21,а). В свою очередь, с помощью фазового модулятора можно получить частотно-модулированное колебание, если модулирующий сигнал подается на модулятор через интегрирующую цепь (инт. цепь, рис. 8.21,б).

Рис. 8.21. Взаимосвязь частотной и фазовой модуляций

8.6.2. Фазовые модуляторы

Изменение фазы несущего колебания по закону модулирующего сигнала наиболее просто осуществляется с помощью колебательного контура с перестраиваемой фазочастотной характеристикой. Управляя этой характеристикой с помощью модулирующего сигнала, можно изменять в определенных пределах фазу высокочастотного колебания, поступающего на контур. ФЧХ контура зависит от его параметров (индуктивности, емкости, сопротивления). Поэтому управление этой характеристикой можно осуществить, изменяя, например, величину емкости контура с помощью варикапа – параметрического плоскостного диода, барьерная емкость p-n-перехода которого зависит от обратного напряжения, приложенного к нему. Для осуществления процедуры модуляции на варикап необходимо подать модулирующий сигнал.

Схема такого фазового модулятора представлена на рис. 8.22.

Рис. 8.22. Фазовый модулятор на основе перестраиваемого контура

Для устранения паразитной амплитудной модуляции, вызванной неизбежной расстройкой контура относительно частоты несущего колебания, к выходу модулятора подключается усилитель-ограничитель.

Фаза выходного сигнала модулятора будет определяться изменением фазового сдвига контура по закону модулирующего сигнала , т.е.

.

Индекс угловой модуляции определяется произведением амплитуды модулирующего сигнала на крутизну модуляционной характеристики, равную . Крутизна модуляционной характеристики зависит от добротности контура, порядка включения варикапа в контур (последовательно или параллельно емкости контура) и крутизны вольт-кулонной характеристики варикапа. При необходимости получить значительный индекс угловой модуляции применяется умножитель частоты выходного сигнала.

Другой способ построения фазовых модуляторов основан на преобразовании амплитудной модуляции в фазовую. В таких модуляторах формирование ФМ-сигнала производится в два этапа. На первом этапе формируется АМ-сигнал, а на втором этапе осуществляется преобразование данного сигнала в сигнал с фазовой модуляцией.

Второй этап выполняется путем сложения двух колебаний несущей частоты, сдвинутых относительно друг друга на угол . Причем амплитудно-модулированными могут быть одно или оба складываемых колебаний.

На рис. 8.23 и 8.24 приведены схемы подобных фазовых модуляторов и векторные диаграммы, поясняющие эффект фазовой модуляции.

Рис. 8.23. Фазовый модулятор

Фазовый модулятор рис. 8.23 реализует свои функции путем сложения амплитудно–модулированного и немодулированного колебаний. Выходной сигнал равен

.

Как видно из этого выражения, выходной сигнал представляет собой высокочастотное гармоническое колебание, амплитуда и фаза которого зависит от модулирующего колебания. Векторная диаграмма иллюстрирует эффект изменения фазы и тот факт, что фазовая модуляция в этом случае сопровождается паразитным изменением амплитуды результирующего сигнала.

При сложении двух амплитудно-модулированных колебаний (рис. 8.24) можно значительно уменьшить изменения амплитуды фазомодулированного сигнала.

Рис. 8.24. Фазовый модулятор

При небольших индексах угловой модуляции (не более 0,5) для получения сигналов с фазовой модуляцией можно использовать метод Армстронга (Эдвин Армстронг – американский радиотехник). Метод предусматривает сложение под углом немодулированного и балансно-модулированного колебаний. Схема фазовой модуляции по методу Армстронга и векторная диаграмма, поясняющая эффект модуляции, приведены на рис. 8.25. Диаграмма приведена для однотональной фазовой модуляции.

Рис. 8.25. Фазовый модулятор Армстронга

Фазовый модулятор реализует свои функции путем сложения двух колебаний:

модулированного ;

немодулированного .

Выходной сигнал равен

,

.

Таким образом, выходной сигнал модулятора представляет собой высокочастотное гармоническое колебание, амплитуда и фаза которого зависит от модулирующего колебания. Векторная диаграмма иллюстрирует эффект изменения фазы. Фазовая модуляция сопровождается паразитным изменением амплитуды результирующего сигнала.

Рассмотренные фазовые модуляторы сохраняют линейную зависимость фазы выходного сигнала от модулирующего сигнала при малых индексах угловой модуляции. При больших значениях становится существенной нелинейность фазовых модуляционных характеристик. Увеличение индекса модуляции достигается при умножении частоты ФМ-сигнала.

8.6.3. Частотные модуляторы

Существуют прямой и косвенный способы построения частотных модуляторов. Прямой способ предусматривает непосредственное управление частотой колебаний, формируемых автогенератором, с помощью модулирующего сигнала. Косвенный способ основан на возможности получать частотно-модулированное колебание с помощью фазового модулятора, как показано на рис. 8.21.

Рассмотрим реализацию прямого способа.

Рис. 8.26. Схема частотного модулятора с варикапом

Определим характер зависимости частоты генерируемых колебаний от относительного изменения величины емкости. Как уже говорилось, частота колебаний на выходе автогенератора определяется в основном резонансной частотой контура. Поэтому можно считать, что отклонение емкости на величину приводит к изменению частоты на величину .

Исходные формулы и преобразования элементарны, поэтому они даны без комментариев. Обозначения:

– индуктивность и емкость колебательного контура в схеме автогенератора;

– емкость варикапа в рабочей точке (при отсутствии модулирующего напряжения);

– изменение емкости и приращение частоты за счет изменения емкости.

; ;

.

Разделим левую и правую часть равенства на и продолжим преобразования:

; .

Практика применения частотной модуляции при передаче сообщений показывает, что относительное изменение частоты, как правило, незначительно.

Так, например, в УКВ диапазоне величина не превышает нескольких долей процента. В этом случае полученное выражение можно упростить:

.

Таким образом, положительному приращению емкости соответствует отрицательное приращение частоты. Причем, при малых относительных изменениях частоты имеется линейная зависимость между и . Следовательно, для получения частотной модуляции достаточно изменять емкость варикапа по закону модулирующего сигнала.

От величины напряжения, прикладываемого к варикапу, зависит также сопротивление его p-n-перехода. Это приводит к изменению добротности колебательного контура автогенератора, следствием чего является паразитная амплитудная модуляция формируемого ЧМ-колебания. Данный недостаток рассмотренного метода модуляции проявляется при значительных амплитудах модулирующего сигнала.

Источник