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.

Здесь – модулирующий сигнал, – начальная фаза несущего колебания, и – масштабные коэффициенты.

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.

Эффект частотной модуляции можно получить за счет электронного управления резонансной частотой контура в составе LC-генератора гармонических колебаний (рис.8.26). Генератор собран по схеме резонансного усилителя с положительной обратной связью через высокочастотный трансформатор. Частота колебаний определяется резонансной частотой колебательного контура. Динамическое управление этой частотой осуществляется путем изменения емкости контура с помощью варикапа. Варикап подключен параллельно емкости контура, барьерная емкость его p-n - перехода изменяется под воздействием модулирующего сигнала.

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.