Честотна модулация

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Модулиране на основен (носещ) синусоидален сигнал с информационен такъв при амплитудна (АМ) и честотна (ЧМ) модулация

Честотната модулация (ЧМ) (на английски: frequency modulation (FM) ) е термин въведен и използван в радиотехниката. Свързан е с обясняване обработката на синусоидални сигнали и представлява вид аналогова модулация. При този процес се осъществява обработка на един основен (носещ) синусоидален сигнал с друг модулиращ информационен сигнал. В резултат, без да се променя амплитудата на носещия синусоидален сигнал се променя пропорционално неговата моментна честота, по закон свързан с промените на модулиращия информационен сигнал[1].

Пример за честотна модулация. Горе — модулиращ информационен сигнал на фона носещето високочестотно синусоидално трептение. Долу — резултантен амплитудно-модулиран сигнал

История[редактиране | edit source]

Честотната модулация е предложена от Едуин Армстронг (Edwin Howard Armstrong (1890–1954)) и е патентована от него на 26 декември 1933 г. След 1935 г. се появяват първите радиопредаватели, излъчващи електромагнитни вълни в метровия обхват с честотна модулация на информационния сигнал. [2] Честотната модулация намира приложение в радиотехническите средства за комуникация през Втората световна война. Във Вермахта от 1942 г. се използват двуканални радиорелейни станции с честотна модулация. От началото на 1943 г. Червената армия използва радиостанции А-7А за артилерията, работещи в диапазон 20-26 MHz и А-7Б за пехотата работещи в диапазон 26-32 MHz. [3]

Теория[редактиране | edit source]

В най-общ случай модулиращия сигнал е случайна функция на времето. Обикновено при теоретично разглеждане на въпроса за честотната модулация се приема, че този сигнал има синусоидална форма.

Моментната стойност X_c на напрежението или тока на носещото трептение във функция от t (времето) е:

x_c(t) = A_c \cos (2 \pi f_c t)\,, където fc е честотата, а Ac амплитудата му. Честотното модулиране, при запазване на постоянна амплитуда Ac на един радиотехнически сигнал, с друг модулиращ v_m(t) = V_m \cos (2 \pi f_m t)\,, се свежда до промяната на моментната честота:

y(t) = A_c \cos \left( 2 \pi \int_{0}^{t} f(\tau) d \tau \right)
= A_{c} \cos \left( 2 \pi \int_{0}^{t} \left[ f_{c} + f_{\Delta} x_{m}(\tau) \right] d \tau \right)
 = A_{c} \cos \left( 2 \pi f_{c} t + 2 \pi f_{\Delta} \int_{0}^{t}x_{m}(\tau) d \tau \right) , където

f(\tau)\, е моментната честота на осцилатора (fc + fΔm(t)),
f_{\Delta}\, е максималната девиация (отклонение) на fc,
xm(t) се ограничава от m(t), променящо се в диапазона ±1
2 \pi f_{\Delta} е константа на честотната модулация
\int_{0}^{t}x_{m}(\tau) d \tau ) , изразява действието на модулиращия сигнал

Особености[редактиране | edit source]

Всяко въздействие върху честотата при модулация се отразява и върху фазата на модулираното синусоидалното колебание. Затова в най-общ случай такова манипулиране на носещия сигнал се нарича ъглова модулация с два подвида честотна (ЧМ) и фазова модулация (ФМ). В случая при ЧМ, честотата се изменя по линеен закон - закона на интеграла от модулиращото напрежение. При фазовата модулация честотата на сигнала се изменя по закона на производната от модулиращото напрежение [4] [3]

Въпреки, че математически честотите са ограничени в интервала ±(fc + fΔm(t)), трябва да не се смесват и да не се пренебрегва разликата между моментната честота на носещия сигнал и спектралната честота. Хармоничния спектър на ЧМ сигнал има хармонични компоненти, които достигат до много висок порядък, но с безкрайно малка мощност и действието им е незначително при пренасянето на сигнала и демодулирането му.

Спектър на честотномодулираното напрежение[редактиране | edit source]

Когато носещата честота fc се модулира, например със синусоидално напрежение с честота fm, модулираното напрежение се състои от една съставка с честота fc равна на централната и безкраен ред от съставки с честоти

fc± nfm, където (n=1,2,3,....).

Това показва, че теоретично спектърът на честотномодулираното напрежение е безкрайно широк. Съставките, още наричани странични, са разположени странично две по две на съставката с централна честота, като разликата между две странични съставки е равна на модулиращата честота fm. Амплитудите на страничните съставки зависят от амплитудата и честотата на модулиращото напрежение (наричан индекс на модулацията) и поредния номер n. Скоростта на намаляване на съставките се определя от тези два параметъра - т.е. малък индекс и висок номер водят до бързо намаляване амплитудата на страничните съставки. При предаването и приемането практическа стойност имат съставките, чиято амплитуда е по-голяма от 1% от високочестотното немодулирано напрежение.

За предаване и за висококачествен прием на звукови честоти до 15 000 Hz при максимална честотна девиация ± 75 kHz (при индекс 5), се приема реална честотна лента от 150 до 200 kHz. Поради насищането на ефира с предавателни станции се налага стесняване на използвания честотен диапазон. На практика модулиращата звукова честота се ограничава до 12 kHz (при индекс 5), с което се намалява честотната лента на излъчваното честотно модулирано колебание от 130 до 150 kHz. Това ограничаване на звуковата модулираща честота не влошава съществено ефирно предаваната информация посредством честотна модулация, и се предава и възпроизвежда звукова картина с добро качество. За съпоставяне на възможностите на тази модулация с амплитудната модулация, трябва да се каже, че поради същите съображения, модулиращата звукова честота при последната се ограничава до 4 000 Hz, което води до възпроизвеждането на приемлива, но значително по-нискокачествена звукова картина (например в диапазона средни вълни).

Широката честотна лента определя и избора на честотния обхват за работата на предавателите. Прието е честотно модулирани сигнали да се излъчват в ултракъсовълновият (метровия) обхват и разликата между централните честоти на две съседни радиопредавателни станции да е 300 kHz. [5]

Използване[редактиране | edit source]

Честотната модулация се използва за висококачествено радиоразпръскване в диапазона на ултракъсите вълни (УКВ диапазон или FM). Радиоприемането с използване принципа на суперхетеродинния радиоприемник за много високо качество на възпроизвеждане, в телевизионните предаватели за звуков съпровод на телевизионните програми, предаване сигналите за цветност по телевизионния стандарт SECAM, са изключително на честотна модулация. Прилага се и при видеозапис на магнитна лента, в музикални синтезатори, в радиосвързочни средства и др. За да се обезпечи качествен прием на честотномодулирани сигнали и да не се допуснат изкривявания при възпроизвеждането, е необходимо пропусканата лента на приемника, честотната селекция и усилване да не е по-тясна от излъчваната честотна лента от предавателя.

Голямото предимство на ЧМ пред амплитудната модулация (АМ) се състои в това, че приема е със значително по-слаб фонов шум и по-ниска чувствителност към паразитни сигнали. Честотната лента заемана от ЧМ-сигнала е значително по-широка от тази на АМ-сигнала и може да достигне до 200 kHz, като възпроизвеждането на който и да е звук е с много високо качество и най-близко до оригинала. Вместването на по-голям брой предаватели, работещи с ЧМ, налага да се използва високочестотния диапазон на носещата честота в метровия обхват (приблизително около и над 100 MHz). Недостатъкът на радиоразпръскването на радиовълни с метрова дължина се корени в тяхното разпространение - те се разпространяват практически в зоната на пряката видимост.

Честотно-модулиращи устройства[редактиране | edit source]

Получаването на честотно-модулирани трептения се реализира с реактивно управляемо съпротивление (Ху(t)), въздействащо директно на трептящия кръг на генератора. За управляемо реактивно съпротивление се поставя капацитет, обикновено включен паралелно на трептящия кръг и по този начин пряко влияещ върху честотата на генерираните колебания и големината на честотната девиация спрямо основната честота на генератора.

\omega=\sqrt{1\over LC},

където \omega\ e т.нар. кръгова честота, а L е индуктивността и C капацитета на трептящия кръг. [6]

В съвременната схемотехника като модулатор се използва варикап. Варикапът е полупроводников диод, PN преходът на който при обратна поляризация е капацитет управляем с напрежение. За предавателите има разработени различни схеми за честотно модулиране, всяка от които има предимства и приложение в зависимост от потребностите:

  • - Честотно-модулирани LC генератори с варикапи, като полупроводниковия диод е честотен модулатор. Варикапът има голямо ниво на нелинейни изкривявания като честотен модулатор. Затова се използват схемни решения с два последователно насрещно включени варикапа. По такъв начин високочестотното напрежение се подава към двата диода с реактивно съпротивление в противофаза и четните хармоници на ВЧ токовете взаимно се компенсират.
  • - за постигане на голяма девиация при малки нелинейни изкривявания се използват двугенераторни схеми на честотно модулиращи устройства. Подобни модулиращи схеми се използват в предавателите на радиорелейните линии.
  • - при необходима по-малка честотна девиация се използват честотно-модулирани кварцови генератори. Те не се нуждаят от допълнителна стабилизация на средната честота, за разлика от честотно-модулираните LC генератори, което е основното им предимство. [7]

Честотно демодулиране[редактиране | edit source]

Предимства и недостатъци[редактиране | edit source]

  • Честотната модулация има следните предимства пред амплитудната модулация:
-Поради това, че амплитудата на модулирания сигнал не се променя, предавателят може да работи непрекъснато на максимална мощност. Теоретично това означава, че мощността при излъчване на ЧМ радиовълни може да е четири пъти по-голяма от един сравним предавател работещ с АМ радиовълни. Оттук и напрегнатостта на електромагнитното поле е значително по-висока при равна отдалеченост от предавателя, което обезпечава устойчив прием.
-Импулсният характер на промишлените смущения и техния спектър влияят върху приема на АМ сигнали, но почти не влияят върху приема на ЧМ сигнали. Причината за постиганото високо отношение сигнал/шум е, че ЧМ използва носещи честоти от 60 до над 100 MHz, при което съставките от спектъра на промишлените смущения в този диапазон са с ниско ниво и имат слабо влияние. Освен това, обработката на ЧМ сигнала в приемника със схемите за ограничаване преди детектиране, също подобряват това отношение, като подобряват значително качеството на приема.
-При честотното модулиране се работи с по-широк динамичен обхват на звука без да се премодулира носещия сигнал, като с това не се внасят изкривявания водещи до неестествено звучение при възпроизвеждане.
  • Недостатъци при прием на ЧМ радиовълни:
-Недостатъците при приема на ЧМ сигнали се коренят преди всичко в разпространението на ултракъсите вълни (УКВ). Вследствие праволинейното им разпространение има ограничена далечина на приемане.
-Приемно-предавателната апаратура за ЧМ сигнали е по-сложна и по-скъпа от тази за АМ сигнали, въпреки че градивните елементи използвани от съвременната радиопромишленост значително са намалили тази ценова разлика. [8]

Вижте също[редактиране | edit source]

Външни препратки[редактиране | edit source]

Източници[редактиране | edit source]

  1. Сарман, Жан-Пиер, Енциклопедичен речник по физика, Издателство Мартилен, София, 1995, с. 169, ISBN 954-598-041-9
  2. Тихчев, проф. к.т.н. инж. Христо, Радиопредавателни устройства, Издателство "Техника", София, 1992, с. 7, ISBN 954-03-0071-1
  3. а б Кокеров, доц.д-р инж. Георги Маринов, Комуникационна техника Радиокомуникации, Технически университет - София, София, 2007, с. 142
  4. Тихчев, проф. к.т.н. инж. Христо, Радиопредавателни устройства, Издателство "Техника", София, 1992, с. 314, ISBN 954-03-0071-1
  5. Пецулев, проф.к.т.н. Спиро, проф. д.т.н. Владимир И. Сифоров, Радиоприемни устройства, Държавно издателство "Техника", София, 1979, с. 331
  6. Ненов, проф. к.т.н. инж. Георги Димитров, Радио-технически вериги и сигнали, второ преработено издание, Издателство"Техника", София, 1993, с. 188, ISBN 954-03-0268-4
  7. Тихчев, проф. к.т.н. инж. Христо, Радиопредавателни устройства, Издателство "Техника", София, 1992, с. 318-324, ISBN 954-03-0071-1
  8. Пецулев, проф. к.т.н. Спиро, проф. д.т.н. Владимир И. Сифоров, Радиоприемни устройства, Държавно издателство "Техника", София, 1979, с. 340