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 | редактиране на кода]

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 | редактиране на кода]

В най-общия случай модулиращият 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 на напрежението или тока на носещото трептение във функция от t (времето) е:

, където fc е честотата, а Ac амплитудата му. Честотното модулиране, при запазване на постоянна амплитуда Ac на един радиотехнически сигнал, с друг модулиращ , се свежда до промяната на моментната честота:

, където

е моментната честота на осцилатора (fc + fΔm(t)),
е максималната девиация (отклонение) на fc,
xm(t) се ограничава от m(t), променящо се в диапазона ±1
е константа на честотната модулация
, изразява действието на модулиращия сигнал

Особености[редактиране | редактиране на кода]

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 | редактиране на кода]

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 две по две странично 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 ултракъсовълновия (метровия) обхват и разликата между централните честоти на две съседни радиопредавателни станции да е 300 kHz. [5]

Използване[редактиране | редактиране на кода]

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 осигури качествено приемане 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 приемането е със значително по-слаб фонов шум и по-ниска чувствителност към паразитни сигнали. Заеманата от ЧМ-сигнала честотна лента 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 високочестотният 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 | редактиране на кода]

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.

,

където 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 кондензатор, капацитетът на който се управлява 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 полупроводниковият 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 | редактиране на кода]

Предимства и недостатъци[редактиране | редактиране на кода]

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 техният 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 звучене 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 | редактиране на кода]

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  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

Външни препратки[редактиране | редактиране на кода]