Йота

Девиация частотная модуляция. Частотная и фазовая модуляции гармонической несущей

Также было показано, что при управлении в соответствии с модулирующим сигналом амплитудой полосового радиосигнала получим различные разновидности амплитудной модуляции при неизменной . В данной статье мы рассмотрим класс сигналов с угловой модуляцией, у которых будет изменятся фаза радиосигнала, а амплитуда остается постоянной.

Полная фаза и мгновенная частота. Сигналы с угловой модуляцией

Для начала вспомним понятие полной фазы радиосигнала

Сигналы, у которых изменяется полная фаза в соответствии с модулирующим сигналом называются сигналами с угловой модуляцией.

Для начала рассмотрим сигналы с фазовой модуляцией (phase modulation PM). У сигналов с PM полная фаза изменяется в соответствии с модулирующим сигналом:

(4)

Где называется индексом фазовой модуляции или девиацией фазы, а модулирующий сигнал по модулю не превосходит единицы

Тогда комплексная огибающая PM сигнала имеет вид:

Теперь рассмотрим сигнал с частотной модуляцией (frequency modulation FM). В отличии от PM при частотной модуляции происходит изменение мгновенной частоты радиосигнала:

(7)

Где называется индексом частотной модуляции или девиацией частоты, а модулирующий сигнал по модулю не превосходит единицы Тогда полную фазу радиосигнала можно рассчитать как интеграл от мгновенной частоты:

Где - произвольная постоянная интегрирования полной фазы (8). Обратите внимание, что абсолютно не верно подставлять выражение для мгновенной частоты вместо несущей частоты в выражение для полосового сигнала:

(10)

Так как Правильным является выражение (9)!

Девиация частоты и фазы

Поясним смысл девиации частоты и фазы. При PM задается девиация фазы, которая показывает максимальное фазовое отклонение модулированного сигнала относительно несущего колебания при этом при PM отклонение мгновенной частоты от несущей частоты не регулируется, а определяется частотой модулирующего сигнала. При FM задается девиация частоты, то есть максимальное отклонение мгновенной частоты от частоты сигнала вне зависимости от частоты модулирующего сигнала. Отклонения фазы при этом будут такие, какие необходимы для заданной девиации частоты. Рассмотрим вышесказанное на примере однотональной угловой модуляции при , где - частота модулирующего сигнала, - начальная фаза модулирующего сигнала. Заметим, что . Тогда сигнал с фазовой модуляцией:

Тогда сравнивая (11) и (12) учтя что при соответствующих значениях может переходить в косинус, можно сделать вывод, что при однотональной угловой модуляции девиация частоты и фазы связаны соотношением:

(13)

Можно сделать вывод: при FM, когда задана девиация частоты , девиация фазы будет тем больше чем меньше частота модулирующего колебания. И наоборот при PM и фиксированной девиации фазы , девиация частоты будет тем больше, чем больше . Рассмотрим это на примере. Пусть сигнал с FM и задана девиация частоты , частота модулирующего сигнала , тогда девиация фазы при заданных частотах будет равна Теперь уменьшим частоту модулирующего сигнала в 10 раз до , тогда при той же заданной частоте девиации девиация фазы увеличится в 10 раз до значения Таким образом, при фиксированной девиации частоты, девиация фазы увеличивается с уменьшением частоты модулирующего сигнала. Увеличение девиации фазы можно пояснить так: частота сигнала уменьшилась, а требуемое частотное отклонение осталось неизменным и для того чтобы получить тоже частотное отклонение необходимо поворачивать фазу несущего колебания на бОльший угол. Пусть теперь сигнал с PM и уже задана девиация фазы , тогда при получим девиацию частоты , но при увеличении частоты модулирующего сигнала в 10 раз получим увеличение девиации частоты в 10 раз до . Думаю, данный пример понятен. Если остались вопросы по вышесказанному, прошу на форум . Мы же перейдем к схемам формирования сигналов с угловой модуляцией.

Структурные схемы PM и FM модуляторов

Для этого рассмотрим комплексные огибающие сигналов PM и FM и воспользуемся универсальным квадратурным модулятором. Комплексная огибающая сигналов c PM представлена выражением (5), из которого следуют следующие квадратурные составляющие:

(14)

Тогда PM модулятор на базе универсального квадратурного модулятора может быть представлен следующим образом (рисунок 1).

Рисунок 1: Структурная схема PM модулятора

На вход подается модулирующий сигнал, который нормируется по амплитуде, так чтобы амплитуда не превышала единицы. Затем сигнал усиливается в раз, тем самым задается девиация фазы, затем формируется комплексная огибающая согласно выражению (14), и наконец квадратурный модулятор формирует радиосигнал. Усилитель - вынесен на выход, он усиливает радиосигнал до нужного уровня.

Комплексная огибающая FM имеет вид:

(15)

(16)

Схема FM модулятора (рисунок 2) очень похожа на схему PM модулятора (рисунок 1):

Рисунок 2: Структурная схема FM модулятора

Отличие схемы FM модулятора от схемы PM заключается в том, что нормированный модулирующий сигнал интегрируется, и усилитель задает не девиацию фазы , а девиацию частоты . Если модулирующий сигнал нормирован по амплитуде тогда формировать PM сигнал можно при помощи FM модулятора, а FM сигнал при помощи PM модулятора, как это показано на рисунке 3.

Рисунок 3: Формирование FM при помощи PM и PM при помощи FM

Рассмотрим формирование FM сигнала при помощи PM модулятора. Входной сигнал нормируется потом интегрируется, затем подается на вход PM модулятора, выделенного желтым на рисунке 1. В качестве девиации фазы в PM модулятор вводится значение девиации частоты и на выходе будет FM сигнал. Теперь рассмотрим формирование PM сигнала при помощи FM модулятора. В FM модуляторе нормированный сигнал интегрируется, однако этого не требуется в PM модуляторе. Поэтому предварительно нормированный модулирующий сигнал дифференцируется. Таким образом, последовательное дифференцирование и интегрирование не изменяют нормированный модулирующий сигнал. В качестве девиации частоты в FM модулятор вводится девиация фазы .

Вектор может делать несколько оборотов (рисунок 4 в).

Рисунок 4: Векторная диаграмма комплексной огибающей PM сигнала

Скорость вращения вектора задается модулирующим сигналом. Векторная диаграмма комплексной огибающей FM сигнала качественно не отличается от векторной диаграммы комплексной огибающей PM сигнала. Отличие заключается в том что максимальный угол поворота вектора равный девиации фазы изменяется в зависимости от частоты входного сигнала согласно выражению (13). При низкочастотном входном сигнале, когда , согласно (13) и вектор комплексной огибающей FM сигнала отклоняется на угол , совершая при этом множество оборотов.

В конце приведем осциллограммы PM и FM сигналов (рисунок 5).

Рисунок 5: Осциллограммы PM и FM сигналов

Из рисунка 5 следует, что максимальная частота несущего колебания при PM будет при максимальной производной модулирующего сигнала (в районе 75 и 175 мкс), а минимальная частота сигнала с PM будет при минимальной отрицательной производной модулирующего сигнала (в районе 25, 125 и 225 мкс). При FM максимальная частота сигнала соответствует максимальному значению модулирующего сигнала (в районе 100 и 200 мкс), а минимальная частота будет при минимальном отрицательном значении модулирующего сигнала (в районе 50 и 150 мкс).

Выводы

Таким образом, мы рассмотрели фазовую PM и частотную FM модуляции, показали их взаимосвязь. Получены выражения для комплексной огибающей PM и FM. Рассмотрены параметры угловой модуляции девиация частоты и фазы и показана их взаимосвязь. Приведены структурные схемы PM и FM модуляторов на базе универсального квадратурного модулятора.

Частота - это одна из характеристик колебаний амплитуды некоторой физической величины относительно ее среднего значения. В физике имеется много 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 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.

Информационное содержание энергетического поля привносится в сигнал соответствующим изменением какого-либо его параметра. На практике применяют различные варианты изменения параметров поля - этот процесс и называется модуляцией несущей частоты. При этом применяется изменение амплитуды несущей или девиация частоты несущей. На этапе становления радиосвязи чаще применялась амплитудная модуляция, когда информация содержится в амплитуде сигнала несущей частоты. При этом изменения амплитуды несущей в точности
повторяют информационный Потребитель принимает сигнал по
признаку несущей частоты, а затем выделяет демодулятором содержащуюся в нем
информацию. На малых частотах, вплоть до коротковолнового диапазона, используют только амплитудную модуляцию. Основным ее недостатком является изменение амплитуды несущей частоты, из-за чего соотношение сигнал - шум, очень важный показатель качества канала связи, снижается.

Кроме 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 как передатчика, так и приемника.

Если индексы модуляции имеют большие значения, то оба параметра, которыми
характеризуется девиация частоты, имеют примерно одинаковые величины. Девиация измеряется в единицах частоты Гц.

Другие величины, характеризующие ЧМ

Индекс частотной модуляции - отношение девиации частоты к частоте модулирующего сигнала

Метрологические аспекты

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

Литература

Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники . Под.ред. Б. Х. Кривицкого. В 2-х т. - М: Энергия,

Ссылки

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Девиация частоты" в других словарях:

девиация частоты - 3.15 девиация частоты: Наибольшее отклонение частоты модулированного радиосигнала при частотной модуляции от значения его несущей частоты. Источник: РД 45.298 2002: Оборудование аналоговых транкинговых систем подвижной радиосвязи. Общие… …

Отклонение частоты колебаний от среднего значения. В частотной модуляции (См. Частотная модуляция) Д. ч. обычно называют максимальное отклонение частоты. От значения его существенно зависит состав и значения амплитуд составляющих спектра… … Большая советская энциклопедия

Девиация частоты - 1. Наибольшее отклонение частоты модулированного сигнала от значения несущей частоты при частотной модуляции Употребляется в документе: ОСТ 45.159 2000 Отраслевая система обеспечения единства измерений. Термины и определения … Телекоммуникационный словарь

девиация частоты (фазы) прибора СВЧ - девиация частоты (фазы) Δfдев (Δφдев) Наибольшее изменение рабочей частоты (фазы) генерируемых или усиливаемых колебаний прибора СВЧ при частотной (фазовой) модуляции. [ГОСТ 23769 79] Тематики приборы и устройства защитные СВЧ… …

Девиация частоты (фазы) прибора СВЧ - 170. Девиация частоты (фазы) прибора СВЧ Девиация частоты (фазы) Frequency (phase) deviation Δfдев (Δφдев) Наибольшее изменение рабочей частоты (фазы) генерируемых или усиливаемых колебаний прибора СВЧ при частотной (фазовой) модуляции Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Девиация частоты «вниз» - 31. Девиация частоты «вниз» Пиковое отклонение «вниз» закона модуляции при частотной модуляции. Примечание. Если fgв = fgн = fg как, например, при гармоническом законе модуляции, то величина fg называется девиацией частоты Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Девиация частоты «вверх» - 30. Девиация частоты «вверх» Пиковое отклонение «вверх» закона модуляции при частотной модуляции где переменная составляющая закона модуляции при частотной модуляции; f(t) закон модуляции при частотной модуляции (мгновенная частота); … … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Девиация частоты «вверх» - 1. Пиковое отклонение «вверх» закона модуляции при частотной модуляции Употребляется в документе: ГОСТ 16465 70 Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения … Телекоммуникационный словарь

Девиация частоты «вниз» - 1. Пиковое отклонение «вниз» закона модуляции при частотной модуляции Употребляется в документе: ГОСТ 16465 70 Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения … Телекоммуникационный словарь

абсолютная девиация частоты - (абсолютная) девиация частоты девиация частоты Наибольшее отклонение частоты модулированного сигнала от значения несущей частоты при частотной модуляции (ОСТ 45.159 2000.1 Термины и определения (Минсвязи России)).… … Справочник технического переводчика

Другим распространенным типом модуляции, применяемым в радиосвязи, является частотная модуляция (ЧМ), при которой частота несущей изменяется в соответствии с модулирующим сигналом (рис. 15.1).

Рис. 15.1. Частотная модуляция.

Обратите внимание, что амплитуда несущей остается постоянной, а частота изменяется.

Девиация частоты

Девиация частоты есть степень изменения частоты несущей при изменении уровня сигнала на 1 В. Девиация частоты измеряется в килогерцах на вольт (кГц/В). Предположим, например, что несущая с частотой 1000 кГц должна быть промодулирована сигналом в виде меандра с амплитудой 5 В (рис. 15.2). Предположим также, что девиация частоты равна 10 кГц/В. Тогда во временном интервале от А до В частота несущей увеличится на 5 · 10 = 50 кГц (произведение амплитуды сигнала на девиацию частоты) и станет равной 1000 кГц + 50 кГц = 1050 кГц. Во временном интервале от В до С частота несущей изменится на ту же величину, а именно на 5 · 10 = 50 кГц, но на этот раз в отрицательную сторону с уменьшением частоты несущей до 1000 – 50 = 950 кГц.

Рис. 15.2.

Максимальная девиация

Изменение частоты несущей при изменении уровня сигнала должно быть ограничено некоторой максимальной величиной, превышение которой недопустимо. Эта величина называется максимальной девиацией. Например, при ЧМ-передачах радиостанции Би-би-си используется девиация частоты 15 кГц/В и максимальная девиация 75 кГц. Максимальная величина модулирующего сигнала определяется максимальной допустимой девиацией.

Максимальная девиация ±75

Максимальный сигнал = -------------- = -- = ±5 В

Девиация частоты 15

или, другими словами, 5 В в положительную или отрицательную область.

Боковые частоты и ширина полосы

Если несущая промодулирована по частоте гармоническим сигналом, образуется неограниченное число боковых частот. Амплитуды боковых Компонент постепенно уменьшаются по мере отдаления частоты этих компонент от частоты несущей.

Таким образом, для размещения всех боковых частот ширина полосы частот ЧМ-системы должна быть бесконечной. На практике малые по амплитуде боковые компоненты ЧМ-сигнала могут быть отброшены без внесения каких-либо заметных искажений. Например, ЧМ-передачи радиостанции Би-би-си ведутся с использованием полосы частот шириной 250 кГц.

Сравнение AM - и ЧМ-систем модуляции

Амплитудная Частотная

модуляция модуляция

1. Амплитуда несущей Изменяется вместе Остается

С сигналом постоянной

2. Боковые частоты Две для каждой Бесконечное

Частоты в спектре число

Сигнала

3. Ширина занимаемой 9 кГц 250 кГц полосы частот

4. Диапазон частот ДВ, СВ. KB УКВ

Преимущества частотной модуляции

Радиовещание с использованием ЧМ имеет следующие преимущества по сравнению с АМ-передачей программ.

1. В системе с ЧМ обеспечивается лучшее качество звучания. Это связано с большой шириной полосы частот ЧМ-сигнала, охватывающей гораздо большее число гармоник.

2. При ЧМ-передаче достигается очень низкий уровень шума. Шум - это нежелательные сигналы, которые появляются на выходе обычно в форме изменения амплитуды несущей. В ЧМ-системе эти сигналы легко устраняются путем двустороннего ограничения амплитуды несущей. Информация, которую несет изменяющаяся частота, при этом полностью сохраняется.

В этом видео рассказывается о частотной модуляции: