Частотні модуляція і демодуляція

При частотній модуляції модулювальний сигнал f (t) впливає на частоту ω ₀ несучого коливання, яка змінюється в часі щодо свого центрального значення за законом інформаційного сигналу f (t):

,

де Δ ω — девіація частоти, тобто відхилення кутової частоти ω від центрального значення ω ₀.

Відношення Δ ω ∕ Ω = m_f має назву індекса (коефіцієнта) частотної модуляції. З урахуванням того, що фаза коливання при ЧМ визначається як

і амплітуда модульованої напруги залишається постійною, частотно-модульоване коливання (рис. 6.4, а) матиме вигляд

.

Якщо модулювальним коливанням є інформаційний сигнал однієї частоти Ω, то спектр ЧМ-сигналу (рис. 6.4, б) має дві бічні смуги, які містять нескінченну послідовність гармонійних коливань, віддалених одне від одного на Ω і амплітуда яких зменшується з віддаленням їх від несучої частоти ω ₀.

а

б

Рис. 6.4. Частотно-модульований сигнал (а) і його спектр (б)

Це необхідно враховувати при визначенні ширини спектра, який завжди обмежують частотними складовими, амплітуди які не менші за деяку певну величину (5... 10 % амплітуди U_o несучої частоти). Як правило, ширину спектра сигналів при ЧМ визначають з виразу Δ ω_ЧМ ≈ 2 m_f Ω. Таким чином, ширина спектра значною мірою визначається індексом частотної модуляції m_f. Залежно від вибраного значення т_f розрізняють вузькосмугову (з малими індексами т_f) і широкосмугову (з великими індексами т_f) частотні модуляції. Ширина спектра при вузькосмуговій ЧМ наближається до ширини спектра AM-сигналу.

При використанні послідовності прямокутних імпульсів (рис. 6.5, а) як інформаційних сигналів отримують ДЧМ — дискретну частотну модуляцію (маніпуляцію) (рис. 6.5, б). Спектр сигналу при ДЧМ зображено на рис. 6.5, в.

З його аналізу випливає, що необхідна ширина спектра при цьому дорівнює 2Ω_max + (ω ₂ — ω ₁),що більше, ніж при ДАМ, на величину
(ω ₂ – ω₁), тобто спектр ДЧМ-сигналу більший, ніж спектр ДАМ-сигналу на величину (ω ₂ — ω₁).

До переваг ЧМ у порівнянні з AM належить вища завадостійкість, особливо при широкополосній ЧМ. Це пояснюється тим, що частота сигналу менш схильна до дії завад, ніж амплітуда.

.

ω 2

ω 1

U Ω

U

t

t

а

б

ω

ω 2

ω 1

U

в

Рис. 6.5. Дискретна частотна модуляція: а – інформаційний сигнал;
б – ДЧМ-сигнал; в – спектр ДЧМ-сигналу

На рис. 6.6 зображено спрощену структурну схему системи передачі з частотною модуляцією.

Рис. 6.6. Структурна схема системи передачі з частотною модуляцією

Вхідні сигнали у вигляді послідовності прямокутних імпульсів надходять на вхід частотного модулятора (ЧМ),що містить генератор несучої частоти (ГНЧ), яка змінюється під впливом імпульсів, що надходять на вхід ЧМ, шляхом змінення реактивного параметра контура (наприклад, ємності) відповідно до закону змінення знаку інформаційного імпульсу, який передається. Смуговий фільтр (СФ),установлений на виході пристрою перетворення сигналів передавача (ППС_прд), усуває зайві продукти модуляції і тим самим обмежує спектр ЧМ-сигналу, що передається в канал.

Частотно-модульовані сигнали, що надходять на вхід пристрою перетворення сигналів приймача (ППС_прм), проходять через СФ, який підвищує відношення сигнал/завада, і надходять на підсилювач-обмежувач (ПО). Вінпідсилює сигнали, усуває вплив коливання рівня сигналів в каналі на рівень сигналів, які демодулюються, і зменшує дію імпульсних завад. Частотний детектор (ЧД)(дискримінатор) є основним елементом ППС_прм,який використовується для виділення інформаційного сигналу з частотно-модульованого. Частотні дискримінатори є частотно-залежними пристроями, напруга на виході яких залежить від частоти вхідного сигналу. Таким чином, дискримінатори перетворюють частотно-модульований сигнал на амплітудно-модульований. Для перетворення амплітудно-модульованого сигналу в інформаційний на виході частотного дискримінатора вмикають зазвичай амплітудний детектор.

Існують частотні дискримінатори з одним (рис. 6.7,а) і двома (рис. 6.7, б) розстроєними контурами. Двоконтурна схема дискримінатора отримала назву балансної. У першій схемі контур настроюється на частоту ω ₀ + Ω(або ω ₀ – Ω ). У балансному дискримінаторі один з контурів настроюється на частоту ω ₀ – Ω а другий — на ω ₀ + Ω. Як випливає з графіків на рис. 6.7, вихідна напруга балансного дискримінатора (штрихова лінія) значно перевищує за амплітудою напругу на виході одноконтурної схеми, чим забезпечується його вища чутливість і завадостійкість. Фільтр нижніх частот і пороговий пристрій,що вмикаються на виході ППС_прм, мають ті ж призначення, що й при AM. У разі передачі неперервних сигналів дія схеми є аналогічною. Неперервний сигнал на приймальній стороні може зніматися на виході ФНЧ.Перетворювальний пристрій при цьому відмикається.

До переваг систем з частотною модуляцією перед системами з амплітудною модуляцією належить відсутність необхідності оптимізації порогу спрацьовування ПП для кожного відношення сигнал/завада в каналі, оскільки в системі з частотною модуляцією проводиться порівняння різниці обвідних частот ω ₀ – Ω та ω ₀ + Ω з нульовим порогом, що не залежить від відношення сигнал/завада, за рахунок чого отримується значний виграш у завадостійкості порівняно з амплітудною модуляцією. До недоліків передачі з частотною модуляцією можна віднести значну чутливість приймача до змінення частоти в каналі.

ω 0+Ω ω 0 ω

а

ω 0+Ω ω 0 U 2 U 1 ω 0–Ω ω

б

Рис. 6.7. Частотні дискримінатори з одним (а) і двома (б) розстроєними
контурами