Частотная и импульсная модуляция
Из рассмотрения спектра АМ-сигнала с очевидностью вытекает, что можно добиться некоторого улучшения параметров. Большая часть энергии (67% при 100%-ной модуляции) содержится в несущей частоте, не участвующей в переносе информации. Эффективность амплитудной модуляции достигает 33% и то только, если индекс модуляции равен 100%. Поскольку форма импульса голоса обычно имеет большое отношение максимальной амплитуды к средней амплитуде, индекс модуляции АМ-сигнала, передающего речь, чаще всего значительно меньше 100% (хотя можно использовать «компрессию» речевого сигнала для увеличения энергии в боковых полосах).
Кроме того, при симметричном расположении боковых полос перенос идентичной информации приводит к возникновению сигнала, занимающего полосу, в два раза превышающую практически необходимую.
Путем небольших ухищрений можно исключить несущую частоту и получить так называемый «сигнал с двумя боковыми полосами и подавленной несущей», или DSBSC.
используем балансный смеситель,
cosAcosB = 1/2cos(A+B) + 1/2 cos(A-B)
(То же самое можно получить, если звуковой сигнал умножить непосредственно на несущую частоту, при этом, не задавая начального смещения, обеспечивающего постоянное присутствие несущей, как в обычной AM). Далее, использовав либо пьезокристаллический фильтр с крутыми спадами, либо метод, известный как «фазировка», одну боковую полосу спектра сигнала можно подавить.
В «однобоковой» полосе (SSB) сигнал эффективно повторяет спектр речи, сдвинутый в область высоких частот, и этот метод связи широко используется радиолюбителями и промышленными потребителями для создания высокочастотных радиотелефонных каналов. Когда нет речи, то передача сигнала не осуществляется. Чтобы принимать SSB, нужны гетеродин и «умножающий детектор» (как показано на блок-схеме «Супергетеродинный приемник»), чтобы вновь получить исчезнувшую несущую частоту.
Спектры модуляции
На рисунке приведен типичный спектр речевого сигнала при модуляции AM, DSBSC и SSB.
При передаче по типу SSB можно использовать любую боковую полосу сигнала. Отметим, что SSB представляет собой просто звуковой спектр, сдвинутый вверх по частоте на fн. При приеме SSB гетеродин и смеситель комбинируют так, чтобы сдвинуть спектр вниз снова к звуковой частоте. Если гетеродин настроен не совсем точно, все звуковые частоты сдвинутся на величину расстройки. Поэтому от локального генератора (ЛГ) и гетеродина в приемниках SSB требуется хорошая стабильность.
Следует отметить, что смеситель (модулятор) всегда рассматривается как схема сдвига частоты, особенно когда он сочетается с соответствующим фильтром для подавления нежелательных выходных сигналов. Когда он используется в качестве модулятора, полоса низкочастотного сигнала сдвигается вверх на частоту несущего сигнала и образуется полоса, симметричная к fн. Если он используется как смеситель, то частотная зона вокруг fн сдвигается под действием высокой частоты ЛГ вниз до звуковых частот («основной полосы») или до зоны, симметричной к промежуточной частоте (ПЧ).
Частотная модуляция
Вместо модуляции по амплитуде, как в AM, DSBSC и SSB, можно передавать информацию, модулируя частоту или фазу несущего сигнала:
сигнал = cos (ωн + kf(t))t — частотная модуляция (ЧМ),
сигнал = cos [ωн t + kf(t))- фазовая модуляция (ФМ).
ЧМ и ФМ тесно связаны и иногда их вместе относят к так называемой «угловой модуляции». ЧМ хорошо известна как тип модуляции, используемый в СВЧ радиовещательном диапазоне 88-108 МГц (диапазон УКВ). AM используют в полосе 0,06-30 МГц радиовещательного диапазона. Тот, у кого есть настраиваемый ЧМ-приемник, вероятно, обратил внимание на «успокоение» фонового шума при ЧМ-приеме. Это свойство (возрастание отношения С/Ш или увеличение С/Ш канала) и делает широкополосную ЧМ предпочтительнее AМ для высококачественных передач.
Если девиация частоты kf (t)/2π велика по сравнению с модулирующей частотой (в f(t) сохранены самые верхние частоты), мы имеем «широкополосную ЧМ», как в УКВ радиовещательном диапазоне. Индекс модуляции mf, равный отношению девиации частоты к модулирующей частоте, в этом случае больше единицы. Широкополосная ЧМ предпочтительнее, так как при правильных условиях приема С/Ш возрастает на 6 дБ при каждом удвоении девиации ЧМ. Правда, при этом увеличивается ширина полосы канала, поскольку сигнал при широкополосной ЧМ занимает приблизительно 2fдев, где fдев — максимальное отклонение несущей частоты.
ЧМ-радиовещание в полосе 88-108 МГц использует максимальное отклонение fдев = ±75 кГц, т. е. каждая станция занимает полосу около 150 кГц. Этим объясняется, почему широкополосная ЧМ не используется, например, в AM-диапазоне средних волн (0,06-30 МГц). В этом случае во всем диапазоне могли бы работать только шесть станций данной радиовещательной зоны.
Спектр ЧМ
Спектр несущего колебания, частотно-модулированного синусоидальной волной, подобен приведенному на рисунке.
Многочисленные боковые частоты отстоят от несущей частоты на расстояниях, кратных модулирующей частоте, а их амплитуды определяются функциями Бесселя. Число значащих боковых полос, грубо говоря, соответствует индексу модуляции. Для узкополосной ЧМ (индекс модуляции m <1) имеется только по одной боковой с каждой стороны от несущей частоты.
Внешне это похоже на спектр AM, но если учесть фазу боковых полос, то окажется, что эти волны имеют постоянную амплитуду и переменную частоту, а не постоянную частоту и переменную амплитуду (AM). При широкополосной ЧМ амплитуда несущей может быть очень малой, что обусловливает высокую эффективность ЧМ. Это значит, что большая часть передаваемой энергии содержится в боковых частотах, несущих информацию.
Генерация и детектирование
Частотная модуляция легко получается при изменении параметров элементов настраиваемого контура генератора. Варикап (диод, используемый как емкость, управляемая напряжением) здесь идеален. Другие методы включают в себя интегрирование модулирующего сигнала с последующей фазовой модуляцией. В каждом случае лучше вести модуляцию при малых отклонениях, а затем применить умножение частоты, чтобы увеличить индекс модуляции. Это основано на том, что скорость отклонения частоты не меняется при умножении частоты, в то время как значение самого отклонения умножается вместе с несущей частотой.
Для детектирования используют обычный супергетеродинный приемник с двумя особенностями.
Первая особенность — это наличие ограничителя в оконечном каскаде усиления промежуточной частоты (ПЧ), на этом этапе амплитуда постоянна (насыщение).
Вторая — следующий за ограничителем детектор (называемый дискриминатором) должен преобразовывать отклонения частоты в амплитуду.
Несколько распространенных методов детектирования:
«Детектор наклона» — это всего лишь параллельный контур LC, настроенный со сдвигом в одну сторону по отношению к промежуточной частоте. В результате у него получается нарастающая кривая чувствительности в зависимости от частоты во всей полосе ПЧ. При этом ЧМ преобразуется в AM, а обычный детектор преобразует потом AM в звуковые частоты. В улучшенных детекторах наклона используется сбалансированная пара LC-цепей, настроенных симметрично относительно центральной ПЧ.
Детектор Foster-Seely или его вариант «детектор отношений» состоит из одного резонансного контура, подключенного к дьявольски хитроумному диодному устройству для получения на выходе линейной зависимости амплитуды от частоты во всей полосе пропускания ПЧ. Такие дискриминаторы лучше простых детекторов наклона.
Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ). Это устройство изменяет частоту внутреннего генератора, управляемого напряжением, так, чтобы согласовать ее с частотой выходного сигнала. Если на входе его действует сигнал ПЧ, то управляющее генератором напряжение в контуре ФАПЧ линейно зависит от частоты входного сигнала, т. е. его можно использовать как выход звуковой частоты.
Усредняющая схема, в которой сигнал ПЧ преобразуется в последовательность идентичных импульсов, имеющих частоту входного сигнала. В результате усреднения этой последовательности импульсов на выходе вырабатывается сигнал, пропорциональный ПЧ, т. е. звуковому сигналу, сложенному с некоторой постоянной составляющей.
«Балансный квадратурный детектор» является комбинацией фазового детектора и фазосдвигающей цепи. Сигнал ПЧ пропускается через контур, в котором сдвиг фазы меняется линейно с частотой в полосе пропускания ПЧ (LC-цепи прекрасно выполняют эти функции). Сдвинутый по фазе и первичный сигналы подаются на фазовый детектор, на выходе которого сигнал изменяется пропорционально относительному сдвигу фаз. Этот выход и является искомым звуковым сигналом.
Часто указывают, что ЧМ, если канал имеет достаточное отношение С/Ш, обеспечивает прием с существенно меньшими шумами по сравнению с AM, где помехи мало уменьшаются с ростом мощности сигнала. Напомним, что это становится ощутимым, если ЧМ-сигналы ограничиваются по амплитуде перед детектированием. В этом случае система становится относительно нечувствительной к интерферирующим сигналам и шумам, которые проявляются как изменения амплитуды, накладываемые на передаваемый сигнал.
Частотная манипуляция
Передача цифровых сигналов (радиотелетайп, RTTY, телемеханика) обычно осуществляется посредством сдвига по частоте непрерывного несущего сигнала в промежутке между двумя близкорасположенными частотами, соответствующими передаваемым 1 и 0. Сдвиг на 850 Гц является типичным значением. Применение частотной манипуляции, в отличие от модуляции типа включен-выключен, чрезвычайно эффективно при большом затухании сигнала, вызываемом изменением условий распространения (радиоволн).
Для демодуляции при частотной манипуляции обычно используется дифференциальный усилитель, имеющий на выходах пару фильтров, настроенных на две детектируемые звуковые частоты. Частотную манипуляцию можно представить как цифровую ЧМ. Узкий сдвиг следует применять, чтобы не допустить селективное затухание между двумя частотами сигнала. Однако этот сдвиг не может быть меньше, чем информационная полоса пропускания, необходимая для самого переключаемого сигнала, т. е. меньше скорости передачи в бодах (число битов в секунду), или приблизительно 100 Гц для обычного радиотелетайпа.
Импульсная модуляция
Имеется несколько методов передачи аналогового сигнала в виде импульсов. Основной принцип, на котором основана дискретная передача аналогового сигнала, выражен в теореме о выборке Шеннона. Согласно этой теореме, форма сигнала с ограниченным спектром полностью описывается выборкой его амплитуд, производимой со скоростью, равной удвоенной максимальной частоте сигнала. Таким образом, можно передавать значения амплитуды сигнала (цифровым или другим способом) только в моменты времени, разделенные интервалами 1/2fмакс непрерывной модуляции. Несколько методов импульсной модуляции показаны на рисунке.
