Фазові модуляція і демодуляція

При фазовій модуляції модулювальний сигнал f (t) впливає на фазу несучого коливання, яка змінюється в часі відносно свого початкового значення за законом інформаційного сигналу:

де Δφ — індекс фазової модуляції.

Ширина спектра ФМ-сигналу визначається виразом

Δ ω_ФМ = 2Δ φ Ω.

Для передачі інформації застосовується, як правило, дискретна фазова модуляція (ДФМ) (маніпуляція), коли як інформаційне повідомлення використовуються дискретні повідомлення у вигляді послідовності прямокутних імпульсів (рис. 6.8, а).

Варіанти ДФМ розрізняють за кратністю. При простій, одноразовій ФМ фази несучого коливання (рис. 6.8, б), що відповідають струмовій і безструмовій посилкам або позитивному і негативному імпульсам, відрізняються на 180° (рис. 6.8, в).

Рис. 6.8. Дискретна фазова модуляція: а – інформаційний сигнал;
б – несуча частота; в – ДФМ-сигнал при однократній ФМ;
г – спектр сигналу при однократній фазовій модуляції

Спектр сигналу при одноразовій ФМ (рис. 6.8, г) приблизно відповідає спектру ДАМ-сигналу. Окрім одноразової ФМ, на практиці набули поширення також дворазова й триразова ФМ. Фазові методи модуляції більшої кратності не застосовуються через їх низьку завадостійкість. До переваг методів ФМ порівняно з AM можна віднести їхню високу завадостійкість.

Структурну схему системи передачі з фазовою модуляцією зображено на рис. 6.9. При поданні на вхід модулятора ФМнеперервних сигналів фазову модуляцію з малим індексом отримують шляхом підсумовування вихідних сигналів з двох паралельно ввімкнених кілець амплітудних модуляторів, на які подаються коливання, що несуть інформацію, зсунуті за фазою одне відносно одного на 90°. ДФМ отримують на основі використання ключових і діодних схем. Прості фазові модулятори для одноразової ФМ будуються за ключовою (рис. 6.10, а) і кільцевою (рис. 6.10, б) схемами.

Рис. 6.9. Структурна схема системи передачі з ФМ

а б

Рис. 6.10. Ключова (а) і кільцева (б) схеми фазових модуляторів

У ключовій схемі змінення фази гармонійного коливання на вході отримують за допомогою трансформатора із середньою точкою і ключів Кл ₁ та Кл ₂, які залежно від полярності напруги, що подається на їхні керувальні входи, відкриваються або закриваються, посилаючи в лінію напругу з різною фазою (0° або 180°). У кільцевому модуляторі змінення напряму струму в первинній обмотці вихідного трансформатора Т ₂проводитьсяза допомогою перемикання діодів різнополярними імпульсами з напругою U _Ω.При цьому фаза вихідного сигналу змінюється на 180°. ППС_прд містить окрім фазового модулятора (ФМ) і генератора несучої частоти смуговий фільтр, призначення якого таке саме, як і для AM і ЧМ. На приймальній стороні в ППС_прм ФМ-сигнал фільтрується СФ, обмежується за амплітудою обмежувачем амплітуди (ОА) і подається на фазовий демодулятор (ФД).

Фазові демодулятори призначені для демодуляції фазо модульованих сигналів і виконуються на тих самих схемах, що й фазові модулятори. Для демодуляції ДФМ-сигналів застосовуються схеми балансного

(рис. 6.11,а) і кільцевого (рис. 6.11, б) фазових детекторів.

U _вих₁

U _ОП

U _ФМ

Рис. 6.11. Демодуляція ФМ-сигналів: а – балансний фазовий детектор;
б – кільцевий фазовий детектор; в – вхідний ФМ-сигнал;
г – опорна напруга; д– сигнал на виході балансного детектора;
е – сигнал на виході кільцевого детектора

Необхідною умовою якісної демодуляції вхідного ДФМ-сигналу (рис. 6.11, е) є вибір опорної напруги U_оп (рис. 6.11, г), яка має збігатися за частотою з вхідним коливанням U_вх і перевищувати його за амплітудою в 1,5 - 2 рази для управління роботою діодів детектора. Напруга на виходах детекторів не залежить від U_оп і визначається тільки вхідним сигналом.

Сигнали на виходах фазових детекторів мають імпульсний характер. Однак через те, що в балансній схемі детектора використовується лише одна пара діодів, форма вихідного сигналу (рис. 6.11, д)буде відрізнятися від форми сигналу (рис. 6.11, е)на виході кільцевого детектора.

Для отримання імпульсів постійного струму прямокутної форми на виході ФД вмикають ФНЧ і пороговий пристрій (ПП).

Фазова модуляція забезпечує вищу завадостійкість передачі, ніж ЧМ і особливо AM. Однак реалізація системи з ФМ позв'язана з деякими труднощами, основною з яких є необхідність формування на приймальній стороні синфазної з приймальним сигналом опорної напруги U_oп несучої частоти. У балансному демодуляторі
(рис. 6.11, а) роботою діодів VD ₁і VD ₂керує опорна напруга U_oп (рис. 6.11, г), що подається на один з його входів.

Діоди VD ₁і VD ₂відкриваються лише у разі надходження позитивних напівперіодів U_oп і замкнуті в негативні напівперіоди. Кут зсуву фаз між опорним сигналом U_оп і вхідним фазомодульованим сигналом U_вх (рис. 6.11, в) визначає напрям струму, що протікає через резистори R ₁та R ₂. Коли фази U_вх і U_oп збігаються, струм протікає через VD ₁, у випадку, коли фази U_вх і U_oп відрізняються на 180°, — через VD ₂.Таким чином, напруга на виході демодулятора (рис. 6.11, д) буде виникати лише в позитивні напівперіоди U_on,а її полярність буде залежати від взаємодії фаз U_вх і U_oп.

У схемі кільцевого фазового демодулятора
(рис. 6.11, б), як і в схемі балансного, роботою діодів керує опорна напруга U_oп,якаподається на один із входів демодулятора. На другий вхід демодулятора подаєтся фазомодульований
сигнал U_вх (рис. 6.11, в),фаза якого змінюється за законом інформаційного сигналу U _Ω(рис. 6.8, а).

За допомогою балансних резисторів і добиваються того, щоб значення вихідної напруги дорівнювало нулю за відсутності однієї з вхідних напруг (U_вх або U_оп).

При виникненні позитивної півхвилі U_oп в точці в демодуляторабуде позитивний потенціал, а в точці е — негативний. При цьому діоди VD ₂ і VD ₃ будуть відкритими. При зміненні полярності в точках в і г демодуляторавідкриваються діоди VD ₄і VD ₁.

Розглянемо випадок збігу фаз сигналів U_oп і U_вх. При позитивних потенціалах в точках а і в (діоди VD ₂і VD ₃ відкриті ) струм, що виникає під дією напруги U_вх,проходить від точки а до точки б через резистор навантаження R в напрямку від точки д до точки е за ланцюжком: «плюс» — точка a, ,точка д, R_н,точка е, ,точка в, діод VD ₂, R ₂, точка б — «мінус». Оскільки f_вх = f_оп, то змінення полярностей напруг U_вх, U_оп відбувається одночасно. Тому в наступний напівперіод U_oп позитивні потенціали будуть у точках б і г, а негативні — в точках а і в. Діоди VD ₄і VD₁ відкриваються.

Струм, утворений дією напруги U_вх,протікає від точки б до точки а через резистор у тому ж напрямку тобто від точки д доточки е за ланцюжком: «плюс» — точка б, , точка д, R_н,точка е, , точка г, діод VD₄, R₄, точка а – «мінус».

Через R_н протікає імпульсний струм (рис. 6.11, е) з постійною складовою, що обумовлює постійну напругу, «плюс» якої прикладено до точки д, а «мінус» — до точки е. Якщо U_вх та U_оп не збігаються за фазою, тобто вони зсунуті за фазою на 180°, струм через R_н буде протікати в протилежному напрямку — від точки е доточки д.

Наприклад, у випадку подачі позитивних потенціалів у точки б і в будуть відкриті діоди VD ₂та VD ₃, а струм, що обумовлений напругою U_вх, буде протікати через резистор R_н за ланцюжком: «плюс» — точка б, діод VD ₃, R ₃, точка г, , R_н, точка д, R ₁, точка а — «мінус».

При зміненні фаз вхідної U_вх та опорної U_oп напруг на 180° позитивні потенціали опиняться в точках а і г, діоди VD ₄і VD ₁відкриютьсяй струм, створюваний під дією напруги U_вн, буде протікати через R_н за тим же напрямом — від точки е доточки д заланцюжком: «плюс» — точка а, діод VD ₁, R ₁,точка в, , точка е, R_н,точка д, ,точка б — «мінус» (рис. 6.11, е).