Частота – это одна из характеристик колебаний амплитуды некоторой физической величины относительно ее среднего значения. В физике имеется много видов колебаний различной природы, например, колебания электромагнитного поля. Кроме спонтанных электромагнитных колебаний природного характера, имеются и колебания, возникновение которых задается волей человека для решения определенных задач, вытекающих из потребностей человеческой деятельности. Наиболее часто при помощи колебательных процессов решаются вопросы передачи энергии и/или информации, т.е. осуществляется связь, радиовещание, работа телевидения и т.д.
Процесс передачи информации включает подготовку соответствующего энергетического поля и его модуляцию полезным сигналом и заключается в генерации передатчиком несущей частоты с определенными значениями параметров — амплитудой и частотой. Первый параметр пропорционален энергии поля и определяет дальность передачи, а второй — адресата. На этом этапе мы имеем только сигнал несущей частоты, выполняющей роль «перевозчика» информации.
Кроме амплитудной модуляции, для передачи информации используется и частотная, при которой применяется девиация частоты . Преимущество частотной модуляции – более высокая помехоустойчивость, поэтому в профессиональных системах связи применяют исключительно частотномодулированные сигналы. Пример применения таких сигналов — УКВ радиовещание, телевидение, спецсвязь.
Девиация – это максимальное изменение несущей частоты относительно среднего ее значения. При этом спектр частотно-модулированного колебания несущей зависит от значения амплитуды полезного сигнала, а ее амплитуда не меняется, благодаря чему устойчивость связи изначально значительно выше.
Устройства для модуляции несущей частоты сигналом называются частотными модуляторами. Их роль в процессе передачи радиосигнала — управление генераторами несущей частоты передатчика. Девиация частоты определяет требования к ширине полосы пропускания как передатчика, так и приемника.
deviatio — отклонение) — наибольшее отклонение мгновенной частоты модулированного радиосигнала при частотной модуляции от значения его несущей частоты . Эта величина равна половине полосы качания, то есть разности максимальной и минимальной мгновенных частот. При больших индексах модуляции полоса качания и ширина спектра ЧМ-сигнала приблизительно равны. Единицей девиации частоты является герц (Hz , Гц ), а также кратные ему единицы.
Другие величины, характеризующие ЧМ
- Индекс частотной модуляции — отношение девиации частоты к частоте модулирующего сигнала.
Измерения
- Для измерения девиации частоты используются девиометры , существует также косвенный метод измерения — с помощью функций Бесселя , обеспечивающий высокую точность.
- Эталонными мерами девиации частоты являются специальные поверочные установки — калибраторы измерителей девиации частоты (установка РЭЕДЧ-1).
Эталоны
- Государственный специальный эталон единицы девиации частоты ГЭТ 166-2004 — находится во ВНИИФТРИ .
Методы определения девиации частоты ЧМ(FM) сигнала(по ширине спектра, по функции Бесселя)
Девиация частоты что это
+7 (383) 306-67-17
+7 (383) 292-18-75
630058, Россия
Новосибирск, ул. Русская 41
Девиация частоты сигнала радиопередатчика связной радиостанции
Девиация частоты сигнала радиопередатчика связной радиостанции — это характеристика
угловой модуляции, показывающая, на сколько изменяется частота несущего сигнала передатчика в момент действия модулирующего сигнала с максимальной амплитудой. Разновидностью угловой модуляции является частотная модуляция.
В приёмнике это проявляется следующим образом: чем больше девиация, тем больше по
амплитуде демодулированный сигнал на выходе частотного детектора.
Девиация сигнала совместно с максимальной частотой модуляцией задают частотную
полосу излучения передатчика и полосу пропускания приёмника. Учитывая то, что изменение
несущей частоты передатчика при угловой модуляции изменяется симметрично на величину
суммы максимальных частот девиации и модуляции в сторону повышения и понижения, частотная полоса передатчика и приёмника будет равна удвоенному значению этой суммы.
Теперь остановимся на вопросе о том, какая же девиация должна быть?
Увеличение девиации увеличивает уровень демодулированного сигнала в приёмном тракте,
что облегчает дальнейшую его обработку.
Но это приводит к расширению спектра излучения передатчика. Соответственно
необходимо расширять и полосу приемника. Это увеличивает принимаемую мощность шума на
входе частотного детектора, в то время как мощность ЧМ сигнала остается постоянной и не
зависит от девиации. В результате повышается пороговое отношение «сигнал/принимаемый шум», при работе ниже которого в детекторе приемника сигнал подавляется шумом и дальность связи падает. Но самое главное то, что для связных радиостанций регламентируется частотный диапазон работы, который нельзя превышать, чтобы не мешать работе соседних радиостанций.
Уменьшение девиации уменьшает уровень демодулированного сигнала в приёмном тракте,
что тоже усложняет его обработку из-за увеличения отношения «сигнал/внутренний шум» по
причине малого значения уровня полезного сигнала.
С учётом того, что для разборчивой передачи голоса в связных радиостанциях считается
достаточно передавать частоты 300-3000 герц и при установленной ГОСТ 12252 ширине полосы частот излучения передатчика18 кГц девиация частоты для этого случая может составлять не более 6 кГц. Реально она должна быть несколько меньше из-за возможной нестабильности параметров схемы. ГОСТ 12252 «Радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы» регламентирует максимальную девиацию частоты передатчика не более 5 кГц.
Девиацию частоты передатчиков связных радиостанций, параметры которых
устанавливаются указанным ГОСТом, возможно измерить при помощи переносного
радикоммуникационного тестера РСТ-430. Спектр применения данного прибора довольно широк и не ограничивается только лишь измерением девиации частоты. Данный факт, а также
портативность РСТ-430 позволяют облегчить работу любому радиоинженеру или персоналу,
эксплуатирующему технику радиосвязи. Например, для проверки параметров радиостанции РС-46МЦ Красноярской дирекцией связи, которая входит в состав «Центральной станции связи – филиал ОАО «РЖД» (ЦСС)», была разработана «Методика измерений основных параметров радиостанций РС-46МЦ с помощью радиокоммуникационного тестера РСТ-430».
Записки программиста
Когда пытаешься нормально понять частотную модуляцию, возникает много вопросов. От чего зависит полоса ЧМ-сигнала? Как измерить девиацию частоты? Какие существуют схемы модуляции и демодуляции ЧМ? Давайте же во всем разберемся.
Нагляднее всего изображать ЧМ не во временной области (time domain), как это делают обычно, а в частотной (frequency domain):
Здесь в качестве приемника использован RTL-SDR v3 с программой Gqrx. Сигнал получен при помощи генератора сигналов. Частота несущей — 145.500 МГц, а модулирующего сигнала — 1 Гц. За счет низкой частоты, последний отчетливо виден на спектрограмме. В приведенном примере мгновенная частота (instantaneous frequency) изменяется на ±5 кГц от частоты несущей. Говорят, что девиация частоты равна 5 кГц.
Амплитуда ЧМ-сигнала не несет никакой информации. Помимо прочего, это позволяет использовать более эффективные УМ классов C, D и так далее. Девиация тоже не несет информации. Это просто параметр данного вида модуляции. Девиацию можно изменить, скажем, на 2 кГц, и сигнал будет звучать точно так же. Информацию несет только изменение мгновенной частоты.
Практический метод измерения девиации продемонстрирован в видео How to Measure FM Frequency Deviation Using Carrier / Bessel Null, снятом Alan Wolke, W2AEW. На микрофон рации или трансивера подается аудио-сигнал с генератора. При этом измеряется уровень несущей результирующего сигнала. Необходимо найти минимальную частоту аудио-сигнала, при котором несущая окажется практически полностью подавлена.
Здесь рация Kenwood TH-D72A подключена через аттенюатор к анализатору спектра. Аудио-сигнал идет с генератора на динамик, а с него — на микрофон рации. Рация должна находиться на близком и фиксированном расстоянии от динамика. Несущая хорошо подавлена при частоте аудио-сигнала 1910 Гц.
Отсюда мы можем вычислить девиацию, как 2.41 * 1910 , что равно ~4600 Гц. И действительно, в любительской радиосвязи используют ЧМ с девиацией около 5 кГц. Реальное значение обычно чуть меньше, порядка 4500-4800 Гц. На Си-Би используется девиация не более 2 кГц. У LPD-раций девиация не превосходит 5 кГц, а у PMR-раций — 2.5 кГц. Конкретные устройства могут использовать и меньшую девиацию, но обычно не менее 1 кГц. Вещательные FM-радиостанции имеют девиацию 50 кГц на частотах 65.9-74.0 МГц и 75 кГц на частотах 87.5-108.0 МГц.
Полосу ЧМ-сигнала принято определять по правилу Карсона:
BW = 2 * (Fdev + Fm)
Здесь Fdev — это девиация, а Fm — максимальная частота модулирующего аудио-сигнала. Например, в любительском радио полоса ЧМ-сигнала типично составляет:
>>> Fdev = 5000
>>> Fm = 2500
>>> 2 * (Fdev + Fm)
15000
… около 15 кГц. В этой полосе сосредоточено не менее 98% энергии сигнала. На предыдущем скриншоте изображен интервал в 30 кГц. Можно видеть, что часть сигнала попадает за пределы расчетной полосы. Но там уровень сигнала низок, поэтому этой частью пренебрегают.
Типичным частотным модулятором является недавно рассмотренный ГУН. Подпаяйте между потенциометром 10 кОм и резистором 100 кОм конденсатор на 10 нФ. Подайте через него аудио-сигнал с размахом 3 В. При питании схемы от 9 В вы получите ЧМ с девиацией 2 кГц. Увеличьте размах до 8.3 В, и девиация составит 5 кГц. Чтобы модулятор работал должным образом, постоянная составляющая управляющего напряжения не должна превышать 8.5 В.
Для демодуляции применяют простой ЧМ-детектор (он же slope detector), дискриминатор Фостера-Сили (Foster-Seeley discriminator), детектор отношений (ratio detector), квадратурный демодулятор (quadrature demodulator), а также демодулятор на основе ФАПЧ. В SDR приемниках используется специальный DSP фильтр, дифференциатор. Данные схемы и алгоритмы заслуживают отдельных постов.
Вы можете прислать свой комментарий мне на почту, или воспользоваться комментариями в Telegram-группе.
Теория радиоволн: аналоговая модуляция
При амплитудной модуляции, огибающая амплитуд несущего колебания изменяется по закону, совпадающему с законом передаваемого сообщения. Частота и фаза несущего колебания при этом не меняется.
Одним из основных параметров АМ, является коэфициент модуляции(M).
Коэффициент модуляции — это отношение разности между максимальным и минимальным значениями амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений(%).
Проще говоря, этот коэффициент показывает, насколько сильно значение амплитуда несущего колебания в данный момент отклоняется от среднего значения.
При коэффициенте модуляции больше 1, возникает эффект перемодуляции, в результате чего происходит искажение сигнала.
Данный спектр свойственен для модулирующего колебания постоянной частоты.
На графике, по оси Х представлена частота, по оси У — амплитуда.
Для АМ, кроме амплитуды основной частоты, находящейся в центре, представлены также значения амплитуд справа и слева от частоты несущей. Это так называемые левая и правая боковые полосы. Они отнесены от частоты несущей на расстояние равное частоте модуляции.
Расстояние от левой до правой боковой полосы называют ширина спектра.
В нормальном случае, при коэффициенте модуляции Полезная информация заключена только в верхней или нижней боковых полосах спектра. Основная спектральная составляющая — несущая, не несет полезной информации. Мощность передатчика при амплитудной модуляции в большей части расходуется на «обогрев воздуха», за счет не информативности самого основного элемента спектра.
Амплитудная модуляция с одной боковой полосой
В связи с неэффективностью классической амплитудной модуляции, была придумана амплитудная модуляция с одной боковой полосой.
Суть ее заключается в удалении из спектра несущей и одной из боковых полос, при этом вся необходимая информация передается по оставшейся боковой полосе.
Но в чистом виде в бытовом радиовещании этот вид не прижился, т.к. в приемнике нужно синтезировать несущую с очень высокой точностью. Используется в аппаратуре уплотнения и любительском радио.
В радиовещании чаще используют АМ с одной боковой полосой и частично подавленной несущей:
При такой модуляции соотношение качество/эффективность наилучшим образом достигается.
Частотная модуляция
Вид аналоговой модуляции, при которой, частота несущей изменяется по закону модулирующего низкочастотного сигнала. Амплитуда при этом остается постоянной.
а) — несущая частота, б) модулирующий сигнал, в) результат модуляции
Наибольшее отклонение частоты от среднего значения, называется девиацией.
В идеальном варианте, девиация должна быть прямо пропорционально амплитуде модулирующего колебания.
Спектр при частотной модуляции выглядит следующим образом:
Состоит из несущей и симметрично отстающей от нее вправо и влево гармоник боковых полос, на частоту кратную частоте модулирующего колебания.
Данный спектр представляет гармоническое колебание. В случае реальной модуляции, спектр имеет более сложные очертания.
Различают широкополосную и узкополосную ЧМ модуляцию.
В широкополосной — спектр частот, значительно превосходит частоту модулирующего сигнала. Применяется в ЧМ радиовещании.
В радиостанциях применяют в основном узкополосную ЧМ модуляцию, требующую более точной настройки приемника и соответственно более защищенную от помех.
Спектры широкополосной и узкополосной ЧМ представлены ниже
Спектр узкополосной ЧМ напоминает амплитудную модуляцию, 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.
Основные преимущества ЧМ, перед АМ — энергоэффективность и помехоустойчивость.
Как разновидность ЧМ, выделяют Линейно-частотную модуляцию.
Суть ее заключается в том, что частота несущего сигнала изменяется по линейному закону.
Практическая значимость линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов заключается в возможности существенного сжатия сигнала при приеме с увеличением его амплитуды над уровнем помех.
ЛЧМ находят применение в радиолокации.
Фазовая модуляция
В реальности, больше применяют термин фазовая манипуляция, т.к. в основном производят модуляцию дискретных сигналов.
Смысл ФМ таков, что фаза несущей, изменяется скачкообразно, при приходе очередного дискретного сигнала, отличного от предыдущего.
Из спектра можно видеть, почти полное отсутствие несущей, что указывают на высокую энергоэффективность.
Недостаток данной модуляции в том, что ошибка в одном символе, может привести к некорректному приему всех последующих.
Дифференциально-фазовая манипуляция
В случае этой модуляции, фаза меняется не при каждом изменении значения модулирующего импульса, а при изменении разности. В данном примере при приходе каждой «1».
Преимущество этого вида модуляции в том, что в случае возникновения случайной ошибки в одном символе, это не влечет дальнейшую цепочку ошибок.
Стоит отметить, что существуют также фазовые манипуляции такие как квадратурная, где используется изменение фазы в пределах 90 градусов и ФМ более высоких порядков, но их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.
PS: хочу еще раз отметить, что цель статей не заменить учебник, а рассказать «на пальцах» об основах радио.
Рассмотрены лишь основные виды модуляций для создания у читателя представления о теме.
- Беспроводные технологии
- Стандарты связи
Частотная модуляция (ЧМ)
При частотной модуляции (ЧМ, англ. FM — Frequency Modulation) несущий сигнал является более высокочастотным по отношению к информационному сигналу и амплитуда частотно-модулированного сигнала является неизменной. Частотно модулированный сигнал отличается высокой помехозащищенностью и используется для высококачественной передачи информации: в радиовещании, телевидении, радиотелефонии и др.
Основными характеристиками частотной модуляции являются девиация (отклонение) и индекс модуляции.
Девиация частоты (frequency deviation) – наибольшее отклонение значения модулированного сигнала от значения его несущей частоты. Единицей девиации частоты является герц (Hz), а также кратные ему единицы.
Индекс модуляции (modulation index) – отношение девиации частоты к частоте модулирующего сигнала.
На рисунке ниже приведены временные диаграммы несущего и модулирующего сигналов, а также результирующего частотно-модулированного сигнала. Частота несущего сигнала -100 КГц, частота модулирующего сигнала синусоидальной формы – 10 КГц, величина девиации – 50 КГц.
На следующей анимации приведен пример частотной модуляции по линейному закону:
Частотная модуляция
При частотной модуляции (ЧМ или РЗ) амплитуда модулированного несущего колебания остается неизменной, а меняется только его частота в соответствии с изменением амплитуды первичного сигнала. На рис. 1.8 показаны формы исходного (модулирующего) и частотно-модулированного сигналов.
Максимальное отклонение частоты от среднего значения несущей называется девиацией частоты:
называется индексом частотной модуляции. Здесь W, (F) – частота первичного сигнала.
Рис. 1.8. Принцип частотной модуляции
Также как АМ колебание, частотно-модулированное колебание является сложным. Разложение ЧМ сигнала на гармонические составляющие требует достаточно сложных математических преобразований с использованием функции Бесселя.
Выполнение этих преобразований показывает, что спектр колебания при частотной модуляции состоит из колебаний с частотами w0 (f0) и бесконечного числа боковых частот, расположенных попарно симметрично относительно несущей частоты w0 и отличающихся от последней на nW, где n — любое целое число.
Амплитуды боковых составляющих определяются выражением
где – амплитуда ВЧ колебания;
– функция Бесселя n-го порядка от аргумента .
Пример спектра ЧМ сигнала показан на рис. 1.9.
Рис. 1.9. Спектр ЧМ сигнала
По величине индекса частотной модуляции различают:
– широкополосную ЧМ, когда >1, т.е. > F;.
Теоретически спектр ЧМ колебаний бесконечно широк. Практически, начиная с некоторых частот, амплитуды гармоник столь малы, что ими можно пренебречь. На этом основании ширина спектра ЧМ колебаний определяется как диапазон частот, расположенный симметрично относительно несущей, за пределами которого нет гармоник с амплитудами, превосходящими 0,01 .
Приближенно ширина спектра определяется формулой
Например, при девиации частоты = 5 кГц и наивысшей частоте спектра звукового сигнала F = 3,4 кГц, принятых для военной радиосвязи, ширина спектра ЧМ сигнала составит DFC » 2(5+3,4)=16,8 кГц.
При большом индексе частотной модуляции, когда >>1, формула (2) принимает вид
т. е. ширина спектра практически равна удвоенной девиации частоты.
При малом индексе частотной модуляции
т. е. составит такую же величину, как и при амплитудной модуляции.
В технике радиосвязи при работе в телефонном режиме на частотах выше 20. 30 МГц частотная модуляция нашла широкое применение, а в УКВ радиостанциях малой мощности (до 100 Вт) она является основным видом модуляции. Сигналы при ЧМ имеют более широкий спектр, чем при ОМ, но это обстоятельство при большой частотной емкости диапазона не является решающим при выборе вида модуляции. Кроме того, аппаратура, где применяется только частотная модуляция, значительно упрощается, что очень важно для маломощных радиостанций.
1. Назначение и основные эксплуатационно-технические
характеристики радиопередатчика
Радиопередатчиком называется радиотехническое устройство, преобразующее первичные электрические сигналы в радиосигналы определенной мощности, необходимой для обеспечения радиосвязи на заданное расстояние с требуемой надежностью.
Независимо от вида передаваемых сигналов передатчик выполняет следующие функции:
1) формирование сетки (множества) высокочастотных несущих колебаний в рабочем диапазоне с заданной дискретностью;
2) модуляция (или манипуляция) несущих колебаний по закону передаваемых первичных сигналов;
3) усиление сформированных радиосигналов до заданной мощности за счет энергии местных источников питания;
4) преобразование усиленных радиосигналов в электромагнитные волны.
В состав любого радиопередатчика, обобщенная структурная схема которого представлена на рис.2.1, входят следующие основные элементы: возбудитель, усилитель мощности, согласующее антенное устройство и система электропитания.
Рис. 2.1. Структурная схема радиопередатчика
Основными техническими характеристиками любого радиопередатчика являются:
– диапазон и количество рабочих частот;
– мощность и коэффициент полезного действия;
– стабильность частоты излучаемых радиосигналов;
– уровень побочных излучений;
– время перестройки передатчика с одной частоты на другую.
1. Диапазон рабочих частот характеризуется двумя параметрами: граничными частотами диапазона и , а также коэффициентом перекрытия диапазона по частоте
В УКВ диапазоне обычно не превышает 1,3 (в некоторых случаях может достигать величины 3,0). Для передатчиков КВ диапазона значение коэффициента перекрытия колеблется в пределах 10-20.
При заданном интервале между соседними частотами (шаге сетки) диапазон частот определяет общее количество рабочих частот N, на которое может быть настроен передатчик:
Обычно интервалы между соседними частотами равны 0,01; 0,1; 1,0; 10 и
25 кГц.
2. Виды радиосигналов, используемых для радиосвязи, можно разделить на две группы: телефонные, формируемые в процессе модуляции, и телеграфные, формируемые в процессе манипуляции.
В настоящее время при формировании телефонных радиосигналов наиболее широко используются методы однополосной (ОМ) и частотной (ЧМ) модуляции и практически не применяются устаревшие методы амплитудной (АМ) модуляции. При работе телеграфными радиосигналами применяются методы амплитудного (АТ), частотного (ЧТ и ДЧТ) и относительного фазового (ОФТ) телеграфирования.
3. Мощность радиопередатчика является одной из важнейших характеристик и в значительной степени определяет уровень сигнала в точке приема, а следовательно, дальность радиосвязи и ее надежность. Под мощностью радиопередатчика понимается средняя мощность радиосигнала, подводимая к передающей антенне.
Для всех видов телефонных радиосигналов (кроме ОМ) средняя мощность измеряется при отсутствии первичного сигнала (в режиме молчания). Для телефонных радиосигналов с ОМ мощность радиопередатчика определяется пиковой мощностью радиосигнала при максимальном (пиковом) значении первичного модулирующего сигнала. При работе радиопередатчиков телеграфными радиосигналами мощность оценивается средней мощностью, подводимой к антенне при передаче положительной (токовой) посылки первичного электрического сигнала или, как принято говорить, «в режиме нажатого ключа».
Общий (промышленный) КПД радиопередатчика определяется отношением мощности, подводимой к антенне, к общей мощности, потребляемой его цепями от первичного источника питания. В современных радиопередатчиках средней и большой мощности общий КПД составляет 25. 30 % [2].
4. Стабильность частоты излучаемых радиосигналов определяет устойчивость и надежность радиосвязи, обеспечивает вхождение в связь без поиска корреспондентов и без подстройки приемника. Количественно стабильность частоты оценивается либо абсолютной, либо относительной нестабильностью.
Под абсолютной нестабильностью частоты понимается разность между ее текущим (измеренным) значением/и номинальным (требуемым) значением :
Относительная нестабильность частоты позволяет сравнивать передатчики, работающие в различных диапазонах, и определяется отношением абсолютной нестабильности к номинальному значению частоты, на котором осуществляется измерение:
Относительная нестабильность частоты современных радиопередатчиков составляет = 10 -6 . 10 -7 и выше.
5. Уровень побочных излучений (колебаний). Под побочными (паразитными) излучениями понимаются радиосигналы, излучаемые антенной на частотах, расположенных за пределами спектра основного радиосигнала. Побочные колебания возникают в возбудителях и усилительных трактах, а также в САУ, если в них содержатся нелинейные элементы. Побочные излучения расширяют занимаемую радиосигналом полосу частот и оказывают мешающее действие соседним каналам связи.
Принято различать два вида побочных излучений: излучения на гармониках основной частоты, возникающие в результате нелинейного режима усиления радиосигнала в УМ, и излучения на комбинационных частотах, возникающие в результате нелинейных преобразований при формировании сигналов на рабочей частоте в возбудителе. Последние являются наиболее опасными, поскольку могут находиться в непосредственной близости от спектра основного радиосигнала и практически не фильтруются в усилительных каскадах передатчика.
Относительный уровень побочных излучений оценивается отношением мощности побочного излучения Рпи к мощности основного излучения РА и выражается в децибелах:
В соответствии с современными требованиями гармоники основного излучения (вторые и более высокие) должны быть подавлены на выходе радиопередатчика не менее чем на 65 дБ.
Нормы по подавлению комбинационных частот следующие:
¨ в полосе частот, отстоящих от спектра основного сигнала на
(± 3,5)…(± 25) кГц – не менее 80 дБ;
¨ 4 от ± 25 кГц и до ± 10 % от установленной частоты – не менее 120 дБ;
¨ свыше ± 10 % от установленной частоты – не менее 140 дБ.
6. Время перестройки передатчика с одной частоты на другую в значительной степени определяет надежность радиосвязи, особенно в условиях сложной помеховой обстановки. Современные радиопередатчики, имеющие системы заранее подготовленных частот (ЗПЧ), обеспечивают перестройку с одной ЗПЧ на другую в течение единиц секунд. В настоящее время предъявляются более жесткие требования к указанной характеристике. Так, при использовании радиостанций в частотно-адаптивных радиолиниях время перестройки должно ограничиваться единицами миллисекунд.
Кроме рассмотренных выше характеристик важное значение имеют также эксплуатационные и конструктивные характеристики радиопередатчиков:
– время готовности к работе, которое измеряется с момента включения радиопередатчика и до момента достижения номинальных значений параметров, в том числе требуемой стабильности частоты. В зависимости от типов радиопередатчиков и используемых в них усилительных элементов это время составляет от единиц секунд до десятков минут;
– время непрерывной работы. Радиопередатчики большой мощности, как правило, должны быть рассчитаны на непрерывную работу в течение суток, средней мощности — на непрерывную работу в течение нескольких часов, а для переносных радиостанций в ряде случаев предусматривается работа в течение меньших отрезков времени. Эта характеристика определяет выбор источников питания, системы охлаждения и конструкции выходных каскадов усилителей мощности;
– надежность, оцениваемая наработкой на отказ, которая должна составлять для серийно выпускаемых радиопередатчиков средней и большой мощности на втором году их эксплуатации 2.. .3 тыс. ч;
– устойчивость к механическим воздействиям (вибростойкость, ударо-стойкость) и независимость работы радиопередатчика от климатических условий. Эти требования вытекают из необходимости надежной работы радиопередатчика в различных, порой весьма сложных условиях эксплуатации;
– габариты, масса и т. д.
Требования к основным техническим характеристикам современных радиопередатчиков чрезвычайно высоки и обычно находятся в противоречии.
Дата добавления: 2021-04-21 ; просмотров: 647 ;
Частотная и фазовая модуляции гармонической несущей
Коэффициент называется девиацией частоты (от лат. deviatio – отклонение) и она равна наибольшему отклонению частоты модулированного сигнала от значения частоты несущей . Изменение частоты ЧМ сигнала показана на рисунке, где отмечена девиация частоты , соответствующая наибольшему отклонению частоты вниз , поскольку .
Девиация частоты является одним из главных параметров частотных модуляторов и может принимать значения от единиц герц до сотен мегагерц в модуляторах различного назначения. Однако всегда необходимо, чтобы выполнялось условие .
Математическая модель ЧМ сигнала выглядит следующим образом
Поскольку входит в это выражение под знаком интеграла, ЧМ часто называют интегральным видом модуляции.
Фазовая модуляция гармонической несущей.
Фазовой модуляцией (ФМ) называется процесс отклонения (сдвига) фазы модулированного сигнала от линейной под воздействием модулирующего сигнала
где – коэффициент пропорциональности, который называется девиацией фазы. Физический смысл этого коэффициента поясняется на рисунке, где изображены модулирующий сигнал и полная фаза ФМ сигнала.
С увеличением сигнала полная фаза растет во времени быстрее, чем по линейному закону. При значениях сигнала происходит спад скорости . Абсолютная величина отклонения (сдвига) фазы от линейной наибольшая, когда достигает экстремальных значений. На рисунке отмечено максимальное отклонение фазы вверх и вниз . Наибольшее отклонение фазы от линейной и является девиацией фазы при ФМ. В примере, показанном на рисунке, . Девиация фазы измеряется в радианах и может принимать значение от единиц до десятков тысяч радиан.
Математическая модель ФМ сигнала выглядит следующим образом
Однотональные сигналы с угловой модуляцией.
При модуляции одним тоном аналитические выражения ЧМ и ФМ сигналов по форме записи имеют совершенно одинаковый вид
где – индекс модуляции. Отличие только в порядке вычисления индекса и фазы модулирующего колебания. При ЧМ индекс модуляции – отношение девиации частоты модулированного сигнала к частоте модулирующего гармонического сигнала , то есть . При ФМ индекс модуляции – величина, равная девиации фазы модулированного сигнала при гармоническом модулирующем сигнале , то есть .
Исходя из всего этого следует, что частотно – модулированный сигнал является в то же время и фазо модулированным. Справедливо и обратное утверждение, поэтому ЧМ и ФМ в общем случае являются разновидностями угловой модуляии гармонической несущей.
При гармоническом модулирующем сигнале временные диаграммы ЧМ и ФМ имеют совершенно одинаковый вид. Отличить их можно, только сравнив изменение мгновенной фазы модулированного сигнала с законом изменения модулирующего колебания.
Спектр при угловой
Сигналы с угловой модуляцией, как и при АМ, могут быть представлены в виде суммы гармонических колебаний. Сравнительно просто это можно сделать при однотональной модуляции. Так как временные диаграммы ЧМ и ФМ сигналов практически одинаковы, то и спектры их будут также совпадать при условии, что . Для построения спектра сигналов с угловой модуляцией используют следующую формулу:
где – функция Бесселя -го порядка от аргумента .
В отличии от АМ сигналов, спектр даже для однотональной угловой модуляции является сложным. Этот спектр в себе состоит из: гармонической составляющей с частотой несущей , верхней боковой полосы частот – группы гармонических составляющих с частотами и нижней боковой полосы частот – группы гармонических составляющих с частотами . Число верхних и нижних боковых частот теоретически бесконечно. Боковые гармонические колебания расположены симметрично относительно на расстоянии . Амплитуды всех компонент спектра, в том числе и с частотой , пропорциональны .
Для детального анализа и построения спектральных диаграмм необходимо знание функций Бесселя при различных значениях и . Их можно найти в математических справочниках.
Графики функций Бесселя.
На этом рисунке приведены графики функций Бесселя при , .
Поскольку количество спектральных составляющих спектра угловых модуляций теоретически равно бесконечности, то нужно определиться с тем, сколько их взять для построения спектральной диаграммы. Все зависит от того, составляющие с какими значениями амплитуд отбрасываем. В практике считают, что можно пренебречь всеми спектральными составляющими, номера которых (уровень меньше 5% от уровня несущей). Из этого следует, что ширина спектра сигналов с угловой модуляцией
где – частота модулирующего сигнала. Для передачи модулированного сигнала с высокой точностью иногда считают, что надо учитывать спектральные составляющие с уровнем не менее 1% от уровне несущей. Тогда, ширина спектра с угловой модуляцией
Если , то угловая модуляция считается узкополосной и ее ширина спектра соизмерима с шириной спектра амплитудной модуляции. Если же , то угловая модуляция является широкополосной и ее ширина полосы частот примерно равна удвоенной девиации частоты.
Угловые модуляции, особенно широкополосные, обладают большей помехоустойчивостью, чем амплитудная модуляция, поэтому и они находят применение в системах связи для качественной передачи сообщений. Однако при этом значительно расширяется полоса частот модулированного сигнала.
Например, задано аналитическое выражение модулированного сигнала . Спектральная диаграмма в этом случае будет выглядеть следующим образом
Спектральная диаграмма сигналов с однотональной угловой модуляцией при .
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
