Ďalším bežným typom modulácie používaným v rádiovej komunikácii je frekvenčná modulácia (FM), pri ktorej sa nosná frekvencia mení v súlade so signálom v základnom pásme (obrázok 15.1).

Ryža. 15.1. Frekvenčná modulácia.

Všimnite si, že amplitúda nosnej vlny zostáva konštantná, kým sa frekvencia mení.

Frekvenčná odchýlka

Frekvenčná odchýlka je rýchlosť, ktorou sa mení nosná frekvencia pri zmene úrovne signálu o 1 V. Frekvenčná odchýlka sa meria v kilohertzoch na volt (kHz / V). Predpokladajme napríklad, že nosná frekvencia 1 000 kHz má byť modulovaná 5 V štvorcovým signálom (obrázok 15.2). Predpokladajme tiež, že frekvenčná odchýlka je 10 kHz / V. Potom v časovom intervale od A do B sa nosná frekvencia zvýši o 5 · 10 = 50 kHz (súčin amplitúdy signálu a frekvenčnej odchýlky) a stane sa rovným 1000 kHz + 50 kHz = 1050 kHz. V časovom intervale od B do C sa nosná frekvencia zmení o rovnakú hodnotu, a to o 5 · 10 = 50 kHz, tentoraz však v negatívnom smere s poklesom nosnej frekvencie na 1000 - 50 = 950 kHz.

Ryža. 15.2.

Maximálna odchýlka

Zmena nosnej frekvencie so zmenou úrovne signálu by mala byť obmedzená na určitú maximálnu hodnotu, ktorej prekročenie je neprijateľné. Táto hodnota sa nazýva maximálna odchýlka. Napríklad vysielanie BBC FM používa frekvenčnú odchýlku 15 kHz / V a maximálnu odchýlku 75 kHz. Maximálna hodnota modulačného signálu je určená maximálnou dovolenou odchýlkou.

Maximálna odchýlka ± 75

Maximálny signál = -------------- = - = ± 5V

Frekvenčná odchýlka 15

alebo inými slovami 5 V do kladnej alebo zápornej oblasti.

Bočné frekvencie a šírka pásma

Ak je nosná frekvencia modulovaná harmonický signál, vzniká neobmedzený počet bočných frekvencií. Amplitúdy bočných komponentov sa postupne znižujú, keď sa frekvencia týchto komponentov vzďaľuje od nosnej frekvencie.

Na prispôsobenie sa všetkým postranným pásmam musí byť šírka pásma FM systému nekonečná. V praxi môžu byť zložky postranného pásma s malou amplitúdou signálu FM vyradené bez toho, aby došlo k akémukoľvek viditeľnému skresleniu. Napríklad vysielanie BBC FM sa uskutočňuje pomocou šírky pásma 250 kHz.

PorovnanieAM- a FM modulačné systémy

Amplitúdová frekvencia

modulácia modulácia

1. Amplitúda nosiča sa mení spolu Zostáva

So signálnou konštantou

2. Bočné frekvencie Dve pre každé Nekonečno

Frekvencie v čísle spektra

Signál

3. Šírka obsadená 9 kHz Šírka pásma 250 kHz

4. Frekvenčný rozsah DV, SV. KB VHF

Výhody frekvenčnej modulácie

FM vysielanie má nasledujúce výhody v porovnaní s AM vysielaním programov.

1. V systéme FM najlepšia kvalita znejúce. Je to spôsobené veľkou frekvenčnou šírkou pásma FM signálu, pokrývajúceho oveľa väčší počet harmonických.

2. S FM prenosom veľmi nízky level hluk. Šum sú nežiaduce signály, ktoré sa objavujú na výstupe, zvyčajne vo forme zmeny amplitúdy nosnej vlny. V systéme FM sú tieto signály ľahko eliminované obojsmerným obmedzením amplitúdy nosnej. Informácie prenášané meniacou sa frekvenciou sú plne zachované.

Toto video hovorí o frekvenčnej modulácii:

Hneď vás varujem: jednoducho to nepôjde. Modulácia je príliš komplikovaná.

Aby ste pochopili, čo je modulácia, musíte vedieť, čo je frekvencia, a začnime týmto.
Zoberme si napríklad hojdanie: frekvencia hojdania je počet celkových vibrácií, hojdačiek za sekundu.
Plný, to znamená, že jeden švih je pohyb hojdačky z krajnej ľavej polohy dole, cez stred až do úplného maximálna úroveň vpravo a potom znova stredom na rovnakú úroveň vľavo.
Bežná yardová hojdačka má frekvenciu rádovo 0,5 hertzu, čo znamená, že celý švih dokončia za 2 sekundy.
Hovorca zvukový stĺpec sa hojdá oveľa rýchlejšie, reprodukuje tón „A“ prvej oktávy (440 hertzov), vytvára 440 vibrácií za sekundu.
V elektrické obvody kolísanie, to je kolísanie napätia, od maximálnej kladnej hodnoty, dole, cez nulové napätie až po maximálnu zápornú hodnotu, hore, cez nulu zase až po maximálne kladné. Alebo od maximálneho napätia, cez nejaký priemer k minimu, potom opäť cez priemer, opäť k maximu.
Na grafe (alebo obrazovke osciloskopu) to vyzerá takto:

Frekvencia kolísania napätia na výstupe rádiovej stanice vysielajúcej nosnú vlnu na 18. kanáli mriežky C v "europe" bude 27175000 vibrácií za sekundu alebo 27 megahertzov a 175 kilohertzov (mega - milión; kilo - tisíc).

Aby bola modulácia vizuálna, vymyslime dva určité signály, jeden s frekvenciou 1000 Hz, druhý s frekvenciou 3000 Hz, graficky vyzerajú takto:

Všimnite si, ako sú tieto signály zobrazené na grafoch vľavo. Ide o grafy frekvencie a úrovne. Čím vyššia je frekvencia signálu, tým viac vpravo sa signál na takomto grafe zobrazí, čím vyššia je jeho úroveň (výkon), tým vyššia je čiara tohto signálu na grafe.

Teraz si predstavme, že sme pridali oba tieto signály, čiže v hotovej podobe je náš fiktívny testovací signál súčtom dvoch signálov. Ako si to dal dole? Je to veľmi jednoduché - dali mikrofón a postavili pred neho dvoch ľudí: muža, ktorý kričal na frekvencii 1000 Hz a ženu, ktorá kričala na frekvencii 3000 Hz, na výstup z mikrofónu sme dostali náš testovací signál, ktorý vyzerá takto:

A práve tento testovací signál budeme „napájať“ na mikrofónny vstup nášho fiktívneho vysielača, pričom budeme študovať, čo sa na výstupe (na anténe) získava a ako to všetko ovplyvňuje zrozumiteľnosť a dosah komunikácie.

Modulácia vo všeobecnosti

Modulovaný nosný signál na výstupe ľubovoľného vysielača sa v každom prípade (pre akúkoľvek moduláciu) získa pripočítaním alebo vynásobením nosného signálu signálom, ktorý sa má prenášať, napríklad signálom z výstupu mikrofónu. Rozdiel medzi moduláciami je len v tom, čo sa násobí, čím sa pridáva a v ktorej časti obvodu vysielača sa to deje.
Z hľadiska príjmu sa to všetko scvrkáva na to, že sa od prijímaného signálu oddelí to, čím bol signál modulovaný, zosilní sa to a stane sa zrozumiteľným (počuteľným, viditeľným).

Amplitúdová modulácia - AM (AM, amplitúdová modulácia)

Ako vidíte, pri amplitúdovej modulácii je úroveň napätia vibrácií vysoká frekvencia(nosič) priamo závisí od veľkosti napätia dodávaného z mikrofónu.
Zvyšuje sa napätie na výstupe mikrofónu a zvyšuje sa aj nosné napätie na výstupe vysielača, tzn viac energie na výstupe, menšie napätie z mikrofónu, menšie napätie na výstupe. Keď je napätie na výstupe mikrofónu v určitej centrálnej polohe, vysielač vyžaruje určitý centrálny výkon (s AM moduláciou na 100% s 50% tichom výkonu pred mikrofónom).
Hĺbka AM modulácie je úroveň vplyvu signálu z mikrofónu na úroveň výstupného výkonu vysielača. Ak je kolísanie 30%, potom najsilnejší záporný napäťový impulz z mikrofónu zníži nosnú úroveň na výstupe o 30% maximálneho výkonu.
A takto vyzerá spektrum signálu s AM moduláciou (rozloženie jeho zložiek po frekvenciách):

V strede, na frekvencii 27175000 Hz, máme nosnú a nižšiu a vyššiu frekvenciu “ bočné pruhy“, teda súčet nosného signálu a zvukových frekvencií nášho testovacieho signálu:
27175000 + 1000Hz a 27175000-1000Hz
27175000 + 3000Hz a 27175000-3000Hz
Nosič mínus zvuk je spodné postranné pásmo a nosič plus zvuk je horné postranné pásmo.
Nie je ťažké si všimnúť, že na prenos informácie stačí len jedno postranné pásmo, druhé len opakuje tú istú informáciu, ale len s opačným znamienkom, čím sa plytvá výkonom vysielača na vysielanie tejto duplicitnej informácie do éteru.
Ak odstránime nosič, ktorý užitočná informácia neobsahuje vôbec jedno z postranných pásiem, potom získate moduláciu SSB (po rusky: SSB) - moduláciu s jedným postranným pásmom a absenciou nosnej (jednostranná modulácia).

SSB modulácia (SSB, SSB)

Takto vyzerá SSB na výstupe vysielača:

Je vidieť, že tento signál sa príliš nelíši od AM modulácie. Je pochopiteľné, že SSB je pokračovaním AM, to znamená, že SSB je vytvorený z modulácie AM, z ktorej signálu sa odstráni zbytočné postranné pásmo a nosná.
Ak sa pozriete na spektrum signálu, rozdiel je zrejmý:

Neexistuje žiadna nosná alebo duplicitné postranné pásmo (tento graf ukazuje USB, t.j. SSB, kde je ponechané horné postranné pásmo, existuje aj LSB, vtedy je ponechané spodné postranné pásmo).
Žiadny nosič, žiadna duplicitná strana - všetok výkon vysielača sa vynakladá iba na prenos užitočných informácií.
Len je nemožné prijímať takúto moduláciu na bežnom AM prijímači. Pre príjem je potrebné obnoviť "východiskový bod" - nosič. Je to jednoduché - frekvencia, na ktorej vysielač pracuje, je známa, takže stačí pridať nosnú frekvenciu rovnakej frekvencie a objaví sa počiatočný bod. Zvedavý čitateľ si už zrejme všimol, že ak nie je známa frekvencia vysielača, tak východiskový bod nebude správny, pridáme nesprávny nosič, čo budeme počuť? A budeme počuť hlas buď „býka“ alebo „gnóma“. Stane sa to preto, lebo prijímač v tomto type modulácie nevie, aké frekvencie sme mali na začiatku, či to bolo 1000 Hz a 3000 Hz, alebo 2000 Hz a 4000 Hz, alebo 500 Hz a 2500 Hz – „vzdialenosti“ medzi frekvenciami sú správne, ale začal sa posun, ako výsledok buď "pi-pi-pi" alebo "bu-bu-bu".

CW modulácia (CW)

S telegrafom je všetko jednoduché - je to signál 100% AM modulácie, len ostrý: buď je signál na výstupe vysielača, alebo nie je signál. Telegrafný kľúč je stlačený - je tu signál, uvoľnený - nič nie je.
Telegraf vyzerá na grafoch takto:

V súlade s tým spektrum telegrafný signál:

To znamená, že nosná frekvencia je 100% modulovaná stlačením telegrafného tlačidla.
Prečo sú na spektre 2 tyče mierne odlišné od signálu "centrálnej frekvencie" a nie jedna jediná - nosná?
Všetko je tu jednoduché: nech je to akokoľvek, telegraf je AM a AM je súčet nosných a modulačných signálov, keďže telegraf (Morseova abeceda) je séria stlačení kláves, potom sú to tiež oscilácie s určitou frekvenciou. , aj keď nízka v porovnaní so zvukom. Práve pri frekvencii stláčania klávesu ustupujú postranné pásma telegrafného signálu z nosnej.
Ako prenášať takéto signály?
V najjednoduchšom prípade stlačením vysielacieho tlačidla počas ticha pred mikrofónom.
Ako prijímať takéto signály?
Pre príjem je potrebné previesť nosič, ktorý sa objaví vo vzduchu, na rytmus stlačenia klávesu na zvuk. Spôsobov je veľa, najjednoduchšie je na výstup detektora AM prijímača pripojiť obvod, ktorý vrcholí vždy, keď sa na detektore objaví napätie (t.j. príde k detektoru nosič). Zložitejším a rozumnejším spôsobom je zmiešať signál prichádzajúci zo vzduchu so signálom generátora (lokálneho oscilátora) zabudovaného v prijímači a priviesť rozdiel signálov do zosilňovača zvuku. Ak je teda frekvencia signálu vo vzduchu 27175000Hz, frekvencia generátora prijímača je 27174000, potom na vstup zosilňovača frekvencia zvuku signál 27175000 + 27174000 = 54349000 Hz a 27175000-27174000 = 1000 Hz, samozrejme prvý z nich nie je zvukový signál, ale rádiový signál, jeho zosilňovač zvuku nezosilní, ale druhý, 1000 Hz, je už počuteľný. zosilní to a budeme počuť "piiii", pričom vo vzduchu je nosič a ticho (šum vzduchu), keď nie.
Mimochodom, keď si vysielanie zapnú dvaja ľudia naraz, efekt „piiii“ vznikajúceho pri sčítavaní a odčítaní nosných v prijímači si myslím mnohí všimli. Čo je počuť, je rozdiel medzi nosnými signálmi vznikajúcimi v našom prijímači.

FM modulácia (FM, frekvenčná modulácia)

V skutočnosti je podstata frekvenčnej modulácie jednoduchá: nosná frekvencia sa mierne mení na napätie na výstupe mikrofónu. Keď sa napätie na mikrofóne zvýši, zvýši sa aj frekvencia, keď napätie na výstupe mikrofónu klesne, potom sa zníži nosná frekvencia.
K poklesu a zvýšeniu nosnej frekvencie dochádza v rámci malých limitov, napríklad pre C-Bi rozhlasové stanice je to plus/mínus 3000 Hz pri nosnej frekvencii asi 27000000 Hz, pre FM vysielacie stanice je to plus/mínus 100000 Hz.
Parameter modulácie FM je index modulácie. Zvukový pomer maximálna frekvencia ktorá bude chýbať mikrofónový zosilňovač vysielač do maximálna zmena nosná frekvencia pri najhlasnejšom zvuku. Nie je ťažké si všimnúť, že pre CB je to 1 (alebo 3000/3000) a pre rozhlasové stanice FM je to asi 6 ... 7 (100 000/15 000).
Pri FM modulácii je nosná úroveň (výkon signálu vysielača) vždy konštantná, nemení sa s hlasitosťou zvukov pred mikrofónom.
V graficky, na výstupe FM vysielača modulácia vyzerá takto:

Pri modulácii FM, rovnako ako pri AM, má výstup vysielača nosnú aj dve postranné pásma, pretože nosná frekvencia visí v čase s modulačným signálom a ustupuje od stredu:

DSB, DChT, fázová a iné typy modulácie

Spravodlivo je potrebné poznamenať, že existujú aj iné typy modulácie nosiča:
DSB – Dual Sidebands and Missing Carrier. DSB, vlastne AM modulácia, pri ktorej sa odstráni (odreže, potlačí) nosná.
DChT - dvojfrekvenčný telegraf v skutočnosti nie je nič iné ako frekvenčná modulácia, ale stlačením telegrafného tlačidla. Napríklad bodka zodpovedá posunu nosnej pri 1000 Hz a pomlčka pri 1500 Hz.
Fázová modulácia - modulácia nosnej fázy. Frekvenčná modulácia pri malých indexoch 1-2 je v podstate fázová modulácia.

V niektorých systémoch (televízia, FM stereo vysielanie) je nosná modulovaná inou modulovanou nosnou, ktorá už nesie užitočné informácie.
Napríklad, zjednodušene povedané, FM stereo signál vysielania je modulovaný nosič frekvenčná modulácia signál, ktorý je sám nosnou moduláciou moduláciou DSB, kde jedno postranné pásmo je signál ľavého kanála a druhé postranné pásmo je signál pravého zvukového kanála.

Dôležité aspekty príjmu a prenosu signálov AM, FM a SSB

Keďže AM a SSB sú modulácie, pri ktorých je výstupný signál vysielača úmerný napätiu prichádzajúcemu z mikrofónu, je dôležité, aby bol zosilňovaný lineárne, a to na prijímacej aj vysielacej strane. To znamená, že ak zosilňovač zosilní 10-krát, potom pri napätí na jeho vstupe 1 volt by výstup mal byť 10 voltov a pri 17 voltoch na vstupe by mal byť výstup presne 170 voltov. Ak zosilňovač nie je lineárny, to znamená, že pri vstupnom napätí 1 volt je zisk 10 a na výstupe 10 voltov a pri 17 voltoch na vstupe bude zisk iba 5 a výstup bude 85. voltov, potom sa objavia skreslenia - pískanie a chrčanie s hlasnými zvukmi pred mikrofónom. Ak je zosilnenie naopak menšie pre malé vstupné signály, dôjde k pískaniu tiché zvuky a nepríjemné podtóny aj pri hlasitých (pretože na začiatku svojho kmitania každý zvuk prechádza zónou blízkou nule).
Dôležitá je najmä linearita zosilňovačov pre SSB moduláciu.

Na vyrovnanie úrovní signálu v prijímačoch AM a SSB sa používajú špeciálne uzly obvodu - automatické riadenie zisku (obvody AGC). Úlohou AGC je zvoliť taký zisk uzlov prijímača, aby silný signál (od blízkeho korešpondenta) aj slabý (od vzdialeného) bol v konečnom dôsledku približne rovnaký. Ak sa AGC nepoužije, slabé signály budú počuť potichu a silné roztrhajú vysielač zvuku prijímača na kúsky, ako keď kvapka nikotínu trhá škrečka. Ak AGC zareaguje príliš rýchlo na zmenu úrovne, začne nielen vyrovnávať úrovne signálu od blízkych a vzdialených korešpondentov, ale aj vo vnútri signálu „dusí“ moduláciu – znižovanie zisku so zvyšujúcim sa napätím a zvyšovanie so znižovaním , redukuje všetku moduláciu na nemodulovaný signál...

Pre FM moduláciu nie je potrebná špeciálna linearita zosilňovačov, pri FM modulácii je informácia prenášaná zmenou frekvencie a žiadne skreslenie alebo obmedzenie úrovne signálu nemôže zmeniť frekvenciu signálu. V skutočnosti je v prijímači FM nevyhnutne nainštalovaný obmedzovač úrovne signálu, pretože úroveň nie je dôležitá, dôležitá je frekvencia a zmena úrovne bude interferovať iba s výberom zmien frekvencie a premení nosič FM na zvuk. signálu, ktorým je modulovaný.
Mimochodom, práve preto, že v prijímači FM sú všetky signály obmedzené, to znamená, že slabé zvuky majú takmer rovnakú úroveň ako silný užitočný signál, pri absencii signálu FM vytvára detektor (demodulátor) toľko hluku - sa snaží izolovať zmenu frekvencie hluku na vstupe prijímača a hluk samotného prijímača a v šume je zmena frekvencie veľmi veľká a náhodná, takže sú počuť náhodné silné zvuky: hlasný hluk.
V prijímači AM a SSB je šum pri absencii signálu menší, pretože samotný šum prijímača je stále malý, pokiaľ ide o úroveň a šum na vstupe je malý v porovnaní s užitočným signálom, pokiaľ ide o úroveň, a pre AM a SSB je úroveň, ktorá je dôležitá.

Pre telegraf nie je linearita tiež veľmi dôležitá, tam informáciu nesie samotná prítomnosť alebo neprítomnosť nosiča a jej úroveň je len vedľajším parametrom.

FM, AM a SSB do ucha

V signáloch AM a SSB je impulzný šum oveľa zreteľnejší, ako napríklad praskanie chybného zapaľovania auta, cvakanie výbojov blesku alebo rachot impulzné meniče Napätie.
Ako slabší signál, čím nižší je jeho výkon, tým je zvuk na výstupe prijímača tichší a čím silnejší, tým hlasnejší. Hoci AGC robí svoju prácu vyrovnávaním úrovní signálu, jeho možnosti nie sú nekonečné.
Pre SSB moduláciu je takmer nemožné použiť squelch a vo všeobecnosti pochopiť, kedy iný korešpondent pustil prenos, keďže keď je pred mikrofónom v SSB ticho, vysielač nevyžaruje nič do éteru - nie je tam žiadny nosič, a ak je pred mikrofónom ticho, tak tam nie sú žiadne postranné kapely.

FM signály sú menej náchylné na impulzný šum, ale kvôli hlasný zvuk Detektor FM v neprítomnosti signálu je jednoducho neznesiteľný sedieť bez squelch. Každé vypnutie vysielania korešpondenta v prijímači sprevádza charakteristický "pshyk" - detektor už začal prekladať šum na zvuk a squelch sa ešte nezatvoril.

Ak počúvate AM na FM prijímači alebo naopak, budete počuť chrčanie, no stále môžete rozoznať, o čo ide. Ak počúvate SSB na FM alebo AM prijímači, bude tam len divoká audio kaša z „oink-zhu-zhu-zhu“ a absolútne žiadna zrozumiteľnosť.
Na SSB dokáže prijímač perfektne počúvať CW (telegraf), AM a s určitým skreslením aj FM s malými modulačnými indexmi.

Ak sa súčasne zapnú dve alebo viac rozhlasových staníc AM alebo FM na rovnakej frekvencii, dostanete spleť nosičov, akési pískanie a pískanie, medzi ktorými nemôžete nič rozoznať.
Ak sa dva alebo viac vysielačov SSB zapnú na rovnakej frekvencii, v prijímači bude počuť každý, kto hovoril, pretože tam nie je nosná SSB a nie je čo biť (zmiešané do pískania). Môžete počuť všetkých, ako keby všetci sedeli v jednej miestnosti a rozprávali sa naraz.

Ak sa frekvencia AM alebo FM prijímača presne nezhoduje s frekvenciou vysielača, potom sa na hlasných zvukoch objavia skreslenia, „pískanie“.
Ak sa frekvencia vysielača SSB mení v čase s úrovňou signálu (napríklad zariadenie nezapína napájanie), v hlase je počuť bublanie. Ak frekvencia prijímača alebo vysielača pláva, zvuk sa vznáša vo frekvencii, potom „mrmle“ a potom „cvrliká“.

Účinnosť modulácie - AM, FM a SSB

Teoreticky, zdôrazňujem – teoreticky, s rovnakú moc vysielač, rozsah komunikácie bude závisieť od typu modulácie takto:
AM = Vzdialenosť * 1
FM = Vzdialenosť * 1
SSB = Vzdialenosť * 2
V rovnakej teórii, energeticky, SSB prekonáva AM 4-krát vo výkone alebo 2-krát pri napätí. Zisk sa objavuje v dôsledku skutočnosti, že výkon vysielača nie je plytvaný na vyžarovanie zbytočnej nosnej frekvencie a zbytočné duplikovanie informácií druhého postranného pásma.
V praxi je zisk menší, keďže ľudský mozog nie je zvyknutý počuť zvuky éteru v prestávkach medzi hlasné zvuky a čitateľnosť trochu trpí.
FM je tiež modulácia "s prekvapením" - niektoré inteligentné knihy hovoria, že AM a FM nie sú navzájom lepšie, alebo dokonca FM je ešte horšie, iní tvrdia, že pri nízkych modulačných indexoch (a toto je C-Bi a rádioamatérske rádiostanice) Svetový pohár porazí AM 1,5-krát. V skutočnosti sú MS podľa subjektívneho názoru autora asi 1,5-krát "prenikavejšie" ako AM, a to predovšetkým preto, že MS sú menej náchylné na impulzný hluk a kolísanie úrovne signálu.

AM, FM a SSB zariadenia z hľadiska zložitosti a premeny jedného na druhé

Najsofistikovanejším zariadením je SSB.
V skutočnosti môže zariadenie SSB ľahko pracovať v AM alebo FM po zanedbateľných zmenách.
Je takmer nemožné previesť AM alebo FM transceiver na SSB (bude potrebné zaviesť do okruhu veľmi, veľmi veľa ďalších uzlov a úplne prerobiť jednotku vysielača).
Od autora: zmena AM alebo FM aparátu v SSB mi pripadá ako úplná šialenosť.
SSB zariadenie "od nuly" - zhromaždené, ale prerobiť AM alebo FM na SSB - nie.

Druhým v zložitosti je FM prístroj.
V skutočnosti FM zariadenie už v prijímači obsahuje všetko, čo je potrebné na detekciu AM signálov, keďže má aj AGC ( automatické nastavenie gain) a teda detektor úrovne prijímanej nosnej, teda vlastne plnohodnotný AM prijímač, fungujúci len niekde vonku, vo vnútri (z tejto časti obvodu funguje aj prahový squelch).
Vysielač bude náročnejší, keďže takmer všetky jeho stupne fungujú v nelineárnom režime.
Od autora: dá sa to prerobiť, ale nikdy to nebolo potrebné.

AM zariadenie je najjednoduchšie.
Ak chcete previesť AM prijímač na FM, budete musieť zaviesť nové uzly - limiter a FM detektor. V skutočnosti je obmedzovač a FM detektor 1 mikroobvod a niekoľko detailov.
Konverzia AM vysielača na FM je oveľa jednoduchšia, keďže stačí zaviesť reťazec, ktorý bude nosnú frekvenciu „chatovať“ v čase s napätím prichádzajúcim z mikrofónu.
Od autora: niekoľkokrát som prerobil AM transceiver na AM / FM, najmä CB rozhlasové stanice "Cobra 23 plus" a "Cobra 19 plus".

Pokračujeme v sérii všeobecných vzdelávacích článkov pod všeobecným názvom „Teória rádiových vĺn“.
V predchádzajúcich článkoch sme sa zoznámili s rádiovými vlnami a anténami: Pozrime sa bližšie na moduláciu rádiového signálu.

V rámci tohto článku sa to zváži analógová modulácia z nasledujúcich typov:

• Amplitúdová modulácia
• Amplitúdová modulácia s jedným postranným pásmom
• Frekvenčná modulácia
• Lineárna frekvenčná modulácia
• Fázová modulácia
• Diferenciálna fázová modulácia

Amplitúdová modulácia

Pri amplitúdovej modulácii sa obálka amplitúd kmitania nosnej mení podľa zákona, ktorý sa zhoduje so zákonom prenesená správa... Frekvencia a fáza nosnej vlny sa v tomto prípade nemení.

Jedným z hlavných parametrov AM je modulačný koeficient (M).
Modulačný index je pomer rozdielu medzi maximálnym a minimálne hodnoty amplitúdy modulovaného signálu k súčtu týchto hodnôt (%).
Jednoducho povedané, tento koeficient ukazuje, aká silná je hodnota amplitúdy nosnej vibrácie v tento moment sa odchyľuje od priemeru.
Keď je modulačný faktor väčší ako 1, dochádza k efektu nadmernej modulácie, čo vedie k skresleniu signálu.

AM spektrum

Toto spektrum je charakteristické pre modulačné oscilácie konštantnej frekvencie.

Na grafe os X predstavuje frekvenciu, os Y predstavuje amplitúdu.
Pre AM sú okrem amplitúdy základnej frekvencie umiestnenej v strede prezentované aj hodnoty amplitúd vpravo a vľavo od nosnej frekvencie. Ide o takzvané ľavé a pravé bočné pruhy. Sú vzdialené od nosnej frekvencie vo vzdialenosti rovnajúcej sa modulačnej frekvencii.
Vzdialenosť od ľavého k pravému bočnému pruhu sa nazýva šírka spektra.
V normálnom prípade s modulačným faktorom<=1, амплитуды боковых полос меньше или равны половине амплитуды несущей.
Užitočné informácie obsahujú iba horné alebo dolné postranné pásma spektra. Hlavná spektrálna zložka - nosič, nenesie užitočné informácie. Výkon vysielača s amplitúdovou moduláciou sa väčšinou vynakladá na „ohrievanie vzduchu“, kvôli nedostatku informačného obsahu najzákladnejšieho prvku spektra.

Amplitúdová modulácia s jedným postranným pásmom

Kvôli neefektívnosti klasickej AM modulácie bola vynájdená AM modulácia s jedným postranným pásmom.
Jeho podstata spočíva v odstránení nosnej a jedného z postranných pásiem zo spektra, pričom všetky potrebné informácie sa prenášajú pozdĺž zostávajúceho postranného pásma.

Ale vo svojej čistej forme v domácom rozhlasovom vysielaní sa tento druh neudomácnil, pretože prijímač potrebuje syntetizovať nosič s veľmi vysokou presnosťou. Používa sa v zhutňovacích zariadeniach a amatérskych rádiách.
Vo vysielaní sa AM častejšie používa s jedným postranným pásmom a čiastočne potlačeným nosičom:

S touto moduláciou sa najlepšie dosiahne pomer kvalita / účinnosť.

Frekvenčná modulácia

Typ analógovej modulácie, pri ktorej sa nosná frekvencia mení podľa zákona modulujúceho nízkofrekvenčného signálu. V tomto prípade zostáva amplitúda konštantná.

a) - nosná frekvencia, b) modulačný signál, c) výsledok modulácie

Najväčšia odchýlka frekvencie od strednej hodnoty je tzv odchýlka.
V ideálnom prípade by odchýlka mala byť priamo úmerná amplitúde modulačného tvaru vlny.

Frekvenčne modulované spektrum vyzerá takto:

Pozostáva z nosnej vlny a symetricky sa od nej odchyľuje doprava a doľava od harmonických postranných pásiem s frekvenciou, ktorá je násobkom frekvencie modulačnej oscilácie.
Toto spektrum predstavuje harmonickú vibráciu. V prípade reálnej modulácie má spektrum zložitejšie obrysy.
Rozlišujte medzi širokopásmovou a úzkopásmovou FM moduláciou.
V širokom pásme - spektrum frekvencií výrazne prevyšuje frekvenciu modulačného signálu. Používa sa vo vysielaní FM.
V rozhlasových staniciach sa používa hlavne úzkopásmová FM modulácia, ktorá si vyžaduje presnejšie naladenie prijímača, a preto je viac chránená pred rušením.
Širokopásmové a úzkopásmové FM spektrá sú uvedené nižšie.

Úzkopásmové FM spektrum sa podobá amplitúdovej modulácii, ale keď zohľadníte fázu postranných pásiem, zdá sa, že tieto vlny majú skôr konštantnú amplitúdu a premenlivú frekvenciu než konštantnú frekvenciu a premennú amplitúdu (AM). Pri širokopásmovom FM môže byť amplitúda nosnej vlny veľmi malá, čo vedie k vysokej účinnosti FM; to znamená, že väčšina prenášanej energie je obsiahnutá vo vedľajších frekvenciách nesúcich informácie.

Hlavnými výhodami FM oproti AM sú energetická účinnosť a odolnosť voči hluku.

Ako typ FM sa rozlišuje lineárna frekvenčná modulácia.
Jeho podstata spočíva v tom, že frekvencia nosného signálu sa mení lineárne.

Praktický význam signálov s lineárnou frekvenčnou moduláciou (LFM) spočíva v možnosti výraznej kompresie signálu pri príjme so zvýšením jeho amplitúdy nad úroveň šumu.
Chirp sa používajú v radaroch.

Fázová modulácia

V realite sa viac používa termín kľúčovanie fázovým posunom. produkujú hlavne moduláciu diskrétnych signálov.
Význam FM je, že nosná fáza sa náhle zmení, keď príde ďalší diskrétny signál, odlišný od predchádzajúceho.

Zo spektra je vidieť takmer úplnú absenciu nosiča, čo naznačuje vysokú energetickú účinnosť.
Nevýhodou tejto modulácie je, že chyba v jednom symbole môže viesť k nesprávnemu príjmu všetkých nasledujúcich.

Diferenciálne kľúčovanie fázového posunu

V prípade tejto modulácie sa fáza nemení pri každej zmene hodnoty modulačného impulzu, ale pri zmene rozdielu. V tomto príklade pri príchode každé „1“.

Výhodou tohto typu modulácie je, že v prípade náhodnej chyby v jednom symbole to nespôsobuje ďalší reťazec chýb.

Stojí za zmienku, že existujú aj manipulácie s fázovým kľúčovaním, ako je kvadratúra, ktorá používa fázovú zmenu v rámci 90 stupňov a vyššieho rádu PM, ale ich zváženie presahuje rámec tohto článku.

PS: Ešte raz chcem poznamenať, že účelom článkov nie je nahradiť učebnicu, ale povedať „na prsty“ o základoch rádia.
Pri vytváraní predstavy o téme pre čitateľa sa berú do úvahy iba hlavné typy modulácií.

Prejdime k modulovaným signálom získaným zmenou podľa zákona prenášanej správy v nosnej frekvencii w 0, alebo počiatočnej fáze j 0. Keďže v oboch prípadoch platí argument harmonického kmitania y ( t) = w 0 t+ j 0 určuje okamžitú hodnotu fázového uhla, takéto rádiové signály sa nazývajú signály uhlovej modulácie. Ak sa mení frekvencia w 0 v nosnej, tak máme do činenia s frekvenčnou moduláciou (FM), ak sa však mení fáza j 0, ide o fázovú moduláciu (PM).

Frekvenčná modulácia. Pri frekvenčnej modulácii je nosná frekvencia w ( t) je spojený s modulačným signálom e(t) závislosť:

w ( t) = w 0 + k h e(t) (5.1)

tu k h - rozmerový koeficient úmernosti medzi frekvenciou a napätím, rad.

Zvážte jednotónovú frekvenčnú moduláciu, keď modulačný signál je harmonická oscilácia e(t) = E 0 cosW t, pre ktorú je pre jednoduchosť počiatočná fáza q 0 = 0. Nech aj počiatočná fáza kmitania nosnej j 0 = 0. V prípade potreby možno do výsledných vzťahov ľahko zaviesť počiatočné fázy q 0 a j 0. Full FM fáza - signál kedykoľvek t sa určí integráciou frekvencie vyjadrenej pomocou vzorca (5.1):

kde w dh = je maximálna frekvenčná odchýlka od hodnoty w 0, alebo frekvenčná odchýlka s frekvenčnou moduláciou.

Postoj m h = whh / W = k h E 0 / W, (5,3)

čo je fázová odchýlka nosnej vlny, sa nazýva index frekvenčnej modulácie.

S prihliadnutím na (5.2) a (5.3) FM - signál bude zapísaný v nasledujúcom tvare:

Na obr. 5.1 ukazuje časové diagramy nosnej vlny u n ( t) a modulačný signál e(t) s počiatočnými fázami j 0 = q 0 = 90 o a výsledný signál FM frekvenčnej modulácie je u chm ( t). Je ľahké vidieť, že podľa vzorca FM signál pripomína stlačené a natiahnuté kožušiny ruskej harmoniky.

Fázová modulácia. V signáli FM sa celková fáza nosnej vlny mení v pomere k modulačnému napätiu

y ( t) = w 0 t + k f e(t), (5.5)

kde k f - rozmerový koeficient proporcionality, rad / V.

Ryža. 5.1 Frekvenčná modulácia jedným tónom:

a - prenášanie vibrácií; b - modulačný signál; c - FM - signál

Pri jednotónovej modulácii je nosná fáza:

y ( t) = w 0 t + k f E 0 cosW t, (5.6)

Z (5.6) vyplýva, že rovnako ako pri frekvenčnej modulácii sa celková fáza kmitania nosnej mení podľa harmonického zákona. Charakterizuje maximálnu odchýlku fázy nosnej vibrácie od počiatočnej fázy index fázovej modulácie

m f = k f E 0 . (5.7)

Dosadením vzorcov (5.5) a (5.6) do (4.1) zapíšeme FM - signál

Diferenciácia vzorca (5.6) udáva frekvenciu FM signálu

w ( t) = w 0 - mφ W sinW t= w 0 - w df sinW t, (5.9)

kde w dph = mф W = k f E 0 W je maximálna frekvenčná odchýlka od hodnoty nosnej w 0, t.j. frekvenčná odchýlka s fázovou moduláciou.

Výrazy (5.4), (5.8) ukazujú, že pri jednotónovej uhlovej modulácii nie je možné určiť, či je signál frekvenčne alebo fázovo modulovaný. Rozdiely medzi týmito typmi jednotónovej modulácie sa prejavia až pri zmene amplitúdy E 0 alebo frekvencia W modulačného signálu e(t).

V prípade frekvenčnej modulácie je frekvenčná odchýlka w dch úmerná amplitúde E 0 a nezávisí od frekvencie W modulačného signálu e(t) =E 0 cosW t... Modulačný index m h je priamo úmerný amplitúde E 0 a je nepriamo úmerná frekvencii W modulačného signálu. Pri fázovej modulácii sa frekvenčná odchýlka w df mení proporcionálne k amplitúde E 0 a frekvenciu základného pásma. Modulačný index mf je úmerný amplitúde E 0 a závisí od frekvencie W modulačného signálu.

FM spektrum - signál s jednotónovou moduláciou. Pomocou trigonometrických transformácií zapíšeme vzťah (5.4) takto:

= U n cos ( m sinW t) cosw 0 t - U n hriech ( m sinW t) sinw 0 t. (5.10)

Analyzujme výraz (5.10) oddelene pre malé ( m<< 1) и больших (m> 1) modulačné indexy.

FM spektrum - signál pri m<< 1. В этом случае имеют место приближенные равенства

cos ( m sinW t) "1; hriech ( m sinW t) » m sinW t. (5.11)

Dosadením (5.11) do (5.10) dostaneme

u Svetový pohár ( t) = U n cosw 0 t - U n m sinW sinw 0 t =

+ U n cosw 0 t + (mU n / 2) cos (w 0 + W) t- (mU n / 2) cos (w 0 - W) t. (5.12)

Obrázok 5.2. FM diagramy - signál pri m << 1:

a- spektrálny; b- vektor

Porovnanie vzťahov (5.12) a (4.6) ukazuje, že spektrum FM signálu je podobné spektru signálu AMF a pozostáva aj z nosnej vibrácie a dvoch bočných zložiek s frekvenciami (w 0 + W) a (w 0 - W). Modulačný index m tu hrá rovnakú úlohu ako koeficient amplitúdovej modulácie M... Jediným a zásadným rozdielom je znamienko mínus pred spodnou laterálnou zložkou vo vzorci pre signál FM, ktoré charakterizuje rotáciu jeho fázy o 180 0, čo analyticky vedie k transformácii signálu AMP na signál FM.

Na obrázku 5.2 a ukazuje spektrálny diagram pre FM signál pri modulačnom indexe m << 1. Отметим, что ширина спектра в данном случае равна 2W, как и при амплитудной модуляции.

Vektorový diagram na obr.5.2, b ukazuje, ako zmena fázy spodnej laterálnej zložky o 180 0 (BP vektor) ovplyvňuje vektor výslednej oscilácie OB. Smer vektora krvného tlaku dolnej laterálnej zložky so signálom AM je vyznačený prerušovanou čiarou. Zmena smeru tohto vektora o 180 0 neovplyvní modulačný vektor AB, ktorý je vždy kolmý na nosný vektor OA. Vektor výsledného kmitania OF sa mení vo fáze aj v amplitúde, t.j. časom sa "hojdá" okolo centrálnej polohy. Avšak pre m<< 1 изменения амплитуды настолько малы, что ими можно пренебречь и модуляцию рассматривать как чисто фазовую.

Teoretické spektrum FM signálu (podobne ako FM signálu) je vo frekvenčnom pásme nekonečné, no v reálnych prípadoch je obmedzené. Ide o to, že počnúc počtom rádov n> m + 1 sú hodnoty Besselových funkcií veľmi malé. Preto sa predpokladá, že praktická šírka spektra uhlovo modulovaných rádiových signálov je

Dw myseľ = 2 ( m+1) W.

Ryža. 5.3. FM spektrum - signál.

V praxi používané signály FM a PM majú modulačný index m>> 1 teda

Dw myseľ = 2 m W = 2 w d.

Frekvenčné pásmo obsadené signálmi s jednotónovou modulačnou frekvenciou sa teda rovná dvojnásobku frekvenčnej odchýlky a nezávisí od modulačnej frekvencie. Spektrum signálov s uhlovou moduláciou s neharmonickým modulačným signálom je ťažké určiť. Ale je to vždy zložitejšie ako spektrum AM signálu s rovnakým modulačným signálom. Jeho šírka spektra je tiež oveľa širšia ako pri amplitúdovej modulácii.

Približná štruktúra spektra FM signálu pri modulačnom indexe m= 3 je znázornené na obr. 5.3.

Treba poznamenať, že RF signály s frekvenčnou a fázovou moduláciou majú množstvo dôležitých výhod oproti amplitúdovo modulovaným osciláciám.

1. Keďže pri uhlovej modulácii amplitúda modulovaných kmitov nenesie žiadnu informáciu a nie je potrebná jej stálosť (na rozdiel od amplitúdy modulácie), potom prakticky akékoľvek škodlivé nelineárne zmeny amplitúdy rádiového signálu počas komunikačného procesu spôsobujú nevedie k skresleniu prenášanej správy.

(2) Stálosť amplitúdy rádiového signálu pri uhlovej modulácii umožňuje plné využitie energetických možností generátora nosnej frekvencie, ktorý v tomto prípade pracuje s konštantným vibračným výkonom.

Literatúra: 1, 2; 6[ 46-61].

Kontrolné otázky:

1.Ako sa robí frekvenčná modulácia?

2. Ukážte index frekvenčnej modulácie.

3. Čo je to frekvenčná odchýlka?

4. Ukážte index fázovej modulácie.

5. Nakreslite priebeh jednotónovej frekvenčnej modulácie.

6. Ako sa mení modulačný index so zvyšujúcou sa frekvenciou?

7. Ukážte spektrum frekvenčnej modulácie.

Pri FM sa v súlade s modulačným signálom (t) mení frekvencia sínusového nosného signálu, čo je znázornené na obr.

Všimni si
a podľa toho sa frekvencia môže meniť nielen náhle, ale aj plynulo.

Pre FM existujú dva parametre charakterizujúce intenzitu vplyvu modulačného signálu na nosný signál.

Frekvenčná odchýlka

f = f max - f 0

alebo f = f 0 - f min

f - odchýlka frekvencie od strednej hodnoty.

Index frekvenčnej modulácie .

Je to pomer frekvenčnej odchýlky k frekvencii základného pásma.

0    niekoľko desiatok alebo stoviek.

Frekvenčné spektrum na FM.

Dá sa získať na základe núdzových situácií s AM.

Modulačný signál nech je sled pravouhlých impulzov, t.j. má dve úrovne.

V modulovanom FM signále budú dve frekvencie, resp
a
- obr. 24, b. Môže byť reprezentovaný ako súčet dvoch AM - signálov na Obr. 24, c, d.

U FM = U AM1 + U AM2

V súlade s tým môže byť spektrum tohto signálu FM S FM reprezentované ako súčet dvoch AM spektier: S FM = S AM1 + S AM2

To je znázornené na obrázku 25.

Obr

Spektrá dvoch výrazov S AM1 a S AM2 sa líšia v rôznych nosných frekvenciách f 01 a f 02. Toto vysvetlenie vedie k nasledujúcim záverom:

Spektrum FM je širšie ako spektrum signálu AM.

Spektrum sa ukáže ako „hrbaté“.

Čiary jedného spektra S AM1 sa môžu prekrývať s čiarami iného spektra S AM2.

Z obrázku zistíme, že šírka spektra na FM je:

V tomto výraze - spektrum modulačného signálu.

f 02 - f 01 = 2f

je frekvenčná odchýlka spojená s f 02 a f 01.

Ak vezmeme do úvahy aj toto:

, potom ako výsledok dostaneme: F FM = 2 F  (1 + )

Záver: šírka FS pri FM je (1 + ) krát väčšia ako šírka FS pri AM.

12. Metódy pulznej modulácie (ich).

Pri IM je nosičom sled impulzov.

Parametre impulzného signálu - amplitúda (U m), perióda alebo frekvencia (T alebo f = 1 / T), trvanie impulzu (t u), fáza impulzu ().

V súlade s týmito parametrami sa rozlišujú metódy MI:

Amplitúda - pulzná modulácia (AIM) - Um.

Režim pulznej frekvencie (PFM) - f.

Režim šírky impulzu (PWM) - t u.

4. Fáza - pulzná modulácia (PPM) - .

V PIM je amplitúda funkciou modulačného signálu. V PFM je funkciou modulačného signálu priemerná frekvencia (alebo perióda) opakovania impulzov.

Pri PWM je funkcia modulačného signálu

trvanie pulzu. V PPM je funkciou modulačného signálu čas pauzy medzi susednými impulzmi.

Modulácia pulzného kódu (CMM).

Rozdiel: nejaká hodnota modulačného signálu  zodpovedá niekoľkým impulzom (sériový kód). Sekvenčný kód - binárne číslo:

1 - existuje impulz,

0 - žiadny impulz

CMM je jednou z kľúčových metód prenosu informácií, používa sa na komunikáciu medzi počítačmi (internet, modemy atď.)

S CMM sa zvyšuje čas prenosu signálu, ale je zabezpečená vysoká spoľahlivosť a vysoká odolnosť voči šumu.

Kombinované modulačné metódy (km).

Kombinujte napríklad metódy kontinuálnej modulácie s metódami pulznej modulácie.

V CM sa napríklad používa impulzný vysielač a výsledný modulovaný signál moduluje spojitý vysielač (do sínusoidy) PWM - 1 stupeň modulácie.

Toto je príklad PWM-AM.

Kombináciou rôznych metód pulznej a kontinuálnej modulácie možno získať veľké množstvo kombinovaných metód. Napríklad FIM-AM, PWM-CHM, CHIM-CHM atď. Použitie CM je spôsobené skutočnosťou, že je potrebné prispôsobiť prenášaný signál charakteristikám komunikačného kanála.