Достоинства частотной модуляции

Преимуществом частотной модуляции перед амплитудной в технике связи является большая помехоустойчивость. Это качество частотной модуляции проявляется при b >> 1, т. е. когда полоса частот, занимаемая частотно-модулированным сигналом, во много раз больше 2 W. Поэтому частотно-модулированные колебания применяются для высококачественной передачи сигналов в диапазоне ультракоротких волн (УKB), где на каждую радиостанцию выделена полоса частот, в 15—20 раз большая, чем в диапазоне длинных, средних и коротких волн, на которых работают радиостанции с амплитудной модуляцией. Частотная модуляция применяется также для передачи звукового сопровождения телевизионных программ. Частотно-модулированные колебания могут быть получены изменением частоты задающего генератора.

Главным достоинством частотной модуляции является ослабление действия помех, что позволяет улучшить качество приема. По сравнению с амплитудной модуляцией при частотной модуляции лучше используется мощность передатчика.

В радиосвязи и радиовещании успешно применяется частотная модуляция. В нашей стране создана сеть УКВ радиовещательных станций, работающих с частотной модуляцией в диапазоне 64,5 – 73 МГц. Для радиовещания применяется широкополосная частотная модуляция, при которой наибольшее отклонение частоты от первоначального значения достигает десятков килогерц (обычно + 75 кГц). Такое отклонение частоты допустимо только в случае, если частота несущих колебаний достаточно велика. Поэтому радиовещание с частотной модуляцией ведется на ультракоротких волнах, т. е. на частотах не менее десятков мегагерц.

В технике радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи широко применяются различные виды импульсной модуляции, при которых параметры периодической последовательности коротких импульсов (амплитуда, длительность, частота следования, временное положение) изменяются по закону модулирующего колебания.

Фазовая модуляция, вид модуляции колебаний, при котором передаваемый сигнал управляет фазой несущего высокочастотного колебания.

По характеристикам фазовая модуляция близка к частотной модуляции. Если модулирующий сигнал синусоидальный, то спектр и форма сигналов в случае частотной модуляции и фазовая модуляция полностью совпадают. Различия обнаруживаются при более сложных формах модулирующего сигнала.

Отметим, что при ФМ принципиальным является жесткое соответствие начальных фаз приемника и передатчика.

При фазовой модуляции значениям логических 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой (перевернутые), например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.

Рисунок 3.20 – Фазовая модуляция

Результирующий сигнал похож на последовательность перевернутых синусоид, он показан на последнем рисунке.

Если модулирующий сигнал синусоидальный, то форма модулированных колебаний и их спектральный состав для частотной и фазовой модуляции одинаковы. В случае несинусоидального модулирующего сигнала это различие четко выражено.

Чтобы передать цифровую информацию по аналоговым каналам связи, ее сначала нужно закодировать. Для этого можно использовать амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) или фазовую (ФМ) модуляции. Вначале разработчики остановили свой выбор именно на фазовой модуляции, поскольку ее помехоустойчивость оказалась выше других типов модуляции. Поэтому, чтобы поднять скорость передачи данных в четыре раза, достаточно было передавать два сигнала со сдвигом в 90°

Рисунок 3.21 – Графики фазомодулируемого сигнала

Дальнейшее увеличение скорости передачи данных за счет уменьшения фазового сдвига сигналов оказалось весьма проблематичным, поскольку такой сложный сигнал было очень тяжело декодировать на приемном конце из-за фазовых искажений сигнала, которые напрямую связаны с качеством канала связи. Поэтому решили остановиться на фазовом сдвиге в 90°, а дальнейшее увеличение скорости выполнить за счет амплитудной модуляции сложного сигнала.

Так появилась квадратурная модуляция, благодаря которой удалось поднять скорость передачи данных в восемь раз! Таким образом, четырем фазовым состояниям аналогового сигнала соответствовали четыре возможные битовые комбинации, а еще два битовых состояния (0 и 1) удалось закодировать благодаря амплитудной модуляции. Но это по теории, на практике, же все выглядит несколько сложнее (рис. 3.22).

Рисунок 3.22 – Квадратурная модуляция

Для передачи сигналов используются разные методы модуляции. В последнее время все большее распространение получает фазовая модуляция, позволяющая уложить больше данных в канал с заданной полосой пропускания сигнала.

В многоканальных системах связи в качестве переносчика информации используется не гармоническое колебание, а периодическая последовательность радиоимпульсов (колебаний высокой частоты).

Периодическая последовательность таких импульсов определяется четырьмя основными параметрами: амплитудой, частотой следования, длительностью (шириной) и фазой.

В соответствии с этим возможны четыре типа импульсной модуляции:

- амплитудно-импульсная,

- частотно-импульсная,

- широтно-импульсная,

- фазово-импульсная.

Импульсная модуляция обладает повышенной помехоустойчивостью по сравнению с модуляцией непрерывной синусоидальной несущей, зато полоса частот, занимаемая передающей радиостанцией с импульсной модуляцией, во много раз шире, чем при амплитудной модуляции.

В военной технике радиосвязи в настоящее время реализован принцип относительной фазовой телеграфии (ОФТ). В бинарной системе ОФТ разность фаз колебаний текущего и предшествующего элементов сигнала принимает значения 00 и 1800. При передаче символа "0" фаза колебаний противоположна фазе предыдущего элемента, а при передаче "1" - та же самая. Первый элемент сеанса связи не несет информации, а служит лишь для отсчета разности фаз в следующем элементе. Занимаемая ширина полосы частот спектра ОФТ такая же, как и сигнала АТ и определяется в основном скоростью манипуляции. Обозначается относительная фазовая манипуляция как F9-300, F9-500, где 300 и 500 - скорость телеграфирования в Бодах.

Исключительно важное значение для обеспечения управления войсками, как в прошлом, так и в современных условиях, имеет телеграфная связь. Она характеризуется простотой технической реализации и обслуживания, высокой помехозащищённостью (особенно слуховой телеграф) и возможностью документирования сообщений. На основе первичной сети связи в системе военной связи создаются вторичные сети связи, одной из которых является сеть телеграфной связи. При этом получение телеграфных каналов осуществляется с помощью специальной аппаратуры. Наибольшее применение на данное время в военной связи нашла аппаратура тонального телеграфирования.

Телеграфией называется область электросвязи, занимающаяся передачей дискретных сообщений. Дискретные сообщения представляют собой последовательности символов (буквы, цифры, знаки и т.п.). Совокупность применяемых символов называют алфавитом сообщений. Для передачи символов по каналам связи используют дискретные электрические сигналы. Дискретным называется сигнал, в котором регистрируется конечное число значений его параметров, например, напряжений. Каждому символу ставится в соответствие определенная комбинация сигналов. Систему соответствий между символами алфавита сообщений и дискретными сигналами называют кодом. Совокупность дискретных сигналов, соответствующих определенному символу, называется кодовой комбинацией. Символы алфавита могут быть пронумерованы натуральным рядом чисел, например, а =1, б = 2, в = 3. Каждое число удобно представить в двоичной форме, т.е.: а - 001, б - 010, в - 011, . .

а)

б)

Рисунок 3.23 – Графики представления чисел в двоичной форме

а) однополярных посылок

б) двухполярных посылок

Удобство представления чисел в двоичной форме состоит в том, что логическим "1" и "0" легко поставить в соответствие простые электрические сигналы. Из рис. 3.23 видно, что "1" может быть поставлена в соответствие токовая (положительная) посылка", а "0" - бестоковая или отрицательная посылка.

Под посылкой понимается элементарный сигнал длительностью t. Сигналы, состоящие из однополярных, рис. 3.23а, или двухполярных, рис. 3.23б, посылок называются сигналами постоянного тока. Минимально необходимое число посылок в кодовой комбинации - n - определяется объемом алфавита - (количеством символов) - N . и находится с помощью выражения

n = log2N

Например, для передачи 32 букв алфавита число n будет равно

n = log2 32= 5.

В современных телеграфных аппаратах, состоящих на вооружении войск связи, применен код, использующий однополярную последовательность посылок постоянного тока с числом импульсов в кодовой комбинации =5. Так, например, букве "Р" русского алфавита соответствует кодовая комбинация вида 01010, букве "Я" - 11101 и т.д.

В дискретных каналах под скоростью передачи двоичной информации подразумевается количество двоичных импульсов, передаваемых за 1 сек. Различают скорость передачи информации R (информационную скорость) и скорость телеграфирования В.

В реальных условиях, как правило, в состав кодовой комбинации, кроме информационных посылок, т.е. тех, с помощью которых непосредственно кодируются символы, входят также служебные посылки, необходимые для обеспечения работы оконечных телеграфных устройств (ОТУ). Так, в старт-стопных телеграфных аппаратах это стартовая - бестоковая и стоповая - токовая посылки. Таким образом, в целом кодовая комбинация содержит семь двоичных импульсов, (см. рис.3.24), из которых пять - информационных и два служебных.

Рисунок 3.24 - Кодовая комбинация

За единицу информации принята одна двоичная посылка ("0"или"1"),называемая бит.

Скоростью телеграфирования (В) называется количество единичных элементов (информационных и служебных посылок) передаваемых за 1 сек. За единицу измерения величины В принят 1 бод, предполагающий передачу 1 двоичного импульса за 1 сек.

Информационной скоростью (R) называется количество информационных посылок, передаваемых за 1 сек. За единицу измерения величины R принят 1 бит/с. Следовательно, если одна семиэлементная кодовая комбинация с выхода телеграфного аппарата, передается за 1 сек, то В = 7 бод, а R= 5 бит/с, если за 1 сек. передается, например, десять кодовых комбинаций, скорости передачи составляют соответственно 70 бод и 50 бит/с.

Скорость передачи однозначно связана с частотой следования двоичных импульсов (F). Как известно, если период одного полного синусоидального колебания (Т) составляет1 сек. частота его F = 1Гц. На этом же периоде, см. рис 3.25, могут быть уложены два двоичных импульса (положительной и отрицательной полярностей) с длительностями, равными Т/2.

Рисунок 3.25 - Двоичный импульс

Поэтому принято считать, что 1Гц = 1 бод(бит/с) или в общем виде F=1/2 В.

Телеграфные сигналы — азбуку Морзе — чаще всего передают при помощи амплитудной манипуляции. В передатчике этот метод реализуется наиболее просто по сравнению с другими видами манипуляции. Приёмник для приёма телеграфных сигналов на слух, напротив, несколько усложняется: в нем должен присутствовать гетеродин, работающий на частоте, близкой к частоте принимаемого сигнала, чтобы на выходе приёмника можно было выделить разностную звуковую частоту. Пригодны приёмники прямого преобразования, регенеративные в режиме генерации и супергетеродинные с дополнительным «телеграфным» гетеродином.

Рисунок 3.26 - Телеграфный сигнал

Телеграфная манипуляция. В зависимости от параметра, который подвергается манипуляции, различают амплитудную, частотную и фазовую манипуляцию.

Сигналы подразделяются на непрерывные и дискретные. Дискретные сигналы передаются с помощью радиотелеграфной связи. Отличительной особенностью радиотелеграфной передачи является кодирование сообщения. Каждый отдельный передаваемый символ (буква алфавита, цифра или знак) имеют свою кодовую комбинацию элементарных сигналов. Для передачи по каналу связи закодированное сообщение преобразуется в высокочастотный сигнал путем манипуляции радиоколебаний передатчика. В зависимости от параметра, который подвергается манипуляции, различают амплитудную, частотную и фазовую манипуляции.

Амплитудная манипуляция (АМн; англ. amplitude shift keying (ASK) — изменение сигнала, при котором скачкообразно меняется амплитуда несущего колебания. АМн.

При амплитудной манипуляции один элементарный сигнал кода соответствует излучению полной мощности передатчика (посылка), а другой - отсутствию излучения (пауза). Этот вид работы обозначается А1. Иногда производят амплитудную манипуляцию тонального сигнала с последующей амплитудной модуляцией колебания несущей частоты. Такой вид работы обозначается А2, он выгоден при слуховом приеме телеграфных сигналов.

Амплитудная манипуляция или амплитудная телеграфия относится к способу передачи информации в кодированном виде с основанием кода равным двум. Один элементарный сигнал кода соответствует излучению незатухающих колебаний передатчиком (посылке), а другой сигнал - отсутствию этого излучения (паузе). Возможность работы радиосигналами АТ сохраняется в самых современных радиостанциях, т. к. они предполагают передачу информации кодом Морзе и слуховой прием, обеспечивающий высокую помехоустойчивость. Радиосигнал при реальных скоростях манипулирования является самым узкополосным сигналом. Обычно занимаемая ширина полосы частот 20…25 Гц.

Рисунок 3.27 Методы модуляции цифрового сигнала

Радиосигнал АТ представляет собой последовательность радиоимпульсов, соответствующих первичному телеграфному сигналу UF(t) (рис. 2.64).

Существо метода АТ заключается в том, что при токовой посылке UF(t) передатчик излучает радиоимпульс, при бестактовой посылке (паузе) передатчик закрыт.

Способов закрытия множество. Один из них – подача запирающего напряжения на один или несколько каскадов передатчика.

Режим передатчика АТ находит применение и в современных передатчиках, т. к. обеспечивает высокую избирательность благодаря слуховому аппарату оператора и позволяет вести приём при значительном уровне помех. Режим прост в технической реализации. Спектр радиосигнала АТ занимает узкую полосу частот, зависит от скорости телеграфирования и определяется по формуле

ΔFАТ = (3 − 5) В Гц,

где В − скорость телеграфирования в бодах.

При реальных скоростях телеграфирования 20 бод.

ΔFАТ=(3 − 5)·20=60 − 100 Гц.

Амплитуда высокочастотного сигнала на выходе радиопередатчика принимает только два значения: включено и выключено. Соответственно, включение или выключение («ключевание») выполняется оператором с помощью телеграфного ключа или с помощью автоматического формирователя телеграфных посылок (датчика кода Морзе, компьютера). Огибающая радиоимпульса (элементарной посылки — точки и тире) на практике, естественно, не прямоугольная (как это показано схематично на рисунке), а имеет плавные передний и задний фронты. В противном случае частотный спектр сигнала может стать недопустимо широким, а при приёме сигнала на слух ощущаются неприятные щелчки.

Частотная манипуляция. Частотная манипуляция (ЧМ), осуществляется за счет небольших изменений несущей частоты. Значения битов информационного сигнала, равные 1 или 0, представляются в виде положительного или отрицательного сдвига частоты несущего сигнала. Под отрицательным сдвигом частоты подразумевается ее уменьшение, под положительным — увеличение на определенную небольшую величину. Приемник определяет этот сдвиг, осуществляя тем самым демодуляцию сигнала.

При частотной манипуляции (частотной телеграфии) передатчик все время излучает одну и ту же энергию, но каждому элементарному сигналу кода соответствует колебание определенной частоты. Принято считать, что колебанию с более высокой частотой соответствует передача позитивной посылки (нажатие), а колебанию с нижней частотой - передача негативной посылки (отжатие). Такой вид работы обозначается F1. Сдвиги между частотами «нажатие» и «отжатие» выбирают равными 125, 200, 250, 400, 500, 1000 ГЦ.

Рисунок 3.28 Частотная манипуляция цифрового сигнала

При частотной манипуляции (ЧМн, англ. Frequency Shift Keying (FSK)) значениям "0" и "1" информационной последовательности соответствуют определённые частоты синусоидального сигнала при неизменной амплитуде. Частотная манипуляция весьма помехоустойчива, поскольку помехи телефонного канала искажают в основном амплитуду, а не частоту сигнала. Однако при частотной манипуляции неэкономно расходуется ресурс полосы частот телефонного канала. Поэтому этот вид модуляции применяется в низкоскоростных протоколах, позволяющих осуществлять связь по каналам с низким отношением сигнал/шум.

Рисунок 3.29 Структурная схема частотной телеграфии

В первой ступени модуляции сигнал, поступающий от источника информации, с помощью кодирующего устройства (кодера) преобразуется в последовательность двоичных сигналов – в биты информации. Далее в модуляторе 1 логической 1 присваивается частота F1, а логическому 0 – F2. Далее синусоидальный сигнал с частотой F1 и F2 во второй ступени модулирует с девиацией частоту несущей радиопередатчика. В радиоприемнике такой сигнал дважды проходит процедуру демодуляции: сначала выделяется частота, а затем – исходящее цифровое сообщение – битовая последовательность. При такой двухступенчатой модуляции полос пропускания фильтров, устанавливаемых в канале поднесущей частоты, удается сузить до ширины спектра передаваемого сообщения и тем самым повысить помехоустойчивость.

В режимах ЧТ и ДЧТ в соответствии с первичным сигналом UF(t) изменяется частота высокочастотного колебания, принимая два (при ЧТ) или четыре (при ДЧТ) дискретных значения, отличающихся друг от друга на некоторую величину Δƒс, называемую частотным сдвигом.

Сигнал ДЧТ (двойное частотное телеграфирование) обеспечивает передачу информации одновременно по двум каналам. Каждому сочетанию символов в каналах приписывается определенная частота (см. Таблицу).

Передаваемый символ	1к	0	0	1	1
	2к	0	1	0	1
Частота передатчика		fА	fБ	fВ	fГ

Причем fГ>fВ>fБ>fА. Частотные сдвиги fГ - fВ; fВ - fБ; fБ - fА выбираются равными. Для того, чтобы привязать сигналы ЧТ и ДЧТ к частотной оси, вводят понятие номинальной частоты сигналов f0 = (fБ + fВ)/2.

В случае одноканальной работы (режим ЧТ) частота принимает одно из двух значений: ƒБ при передаче бестоковой «0» посылке или ƒВ при передаче токовой «1» посылке.

При двухканальной работе (режим ДЧТ) частота принимает одно из четырёх значений: ƒА при передаче бестоковой «0» посылки по обоим телеграфным каналам; ƒБ при передаче по первому каналу бестоковой посылки, а по второму токовой; ƒВ при передаче по первому каналу токовой посылки, а по второму бестоковой; ƒГ при передаче по обоим каналам токовой посылки.

В современных радиосистемах формирование дискретных частот, соответствующих комбинациям первичных телеграфных сигналов, осуществляется на основе высокостабильного опорного кварцевого генератора с помощью делителей частоты и схемы управления.

Полоса частот, занимаемая радиосигналом ЧТ, определяется по формуле

ΔF ЧТ = (3 − 5)В+Δƒс ,

а радиосигналом ДЧТ по формуле

ΔF ДЧТ = (3 − 5)В+3Δƒс

где В − скорость телеграфирования в бодах; Δƒс − частотный сдвиг в герцах.

ЧТ и ДЧТ сигналы широко используются при автоматической документальной связи, обеспечивающей передачу буквенно-цифрового текста со скоростями 50…200 Бод.

Бод - единица скорости телеграфирования, равная количеству элементарных импульсов тока, передаваемых в секунду. Названа в честь французского изобретателя Ж. М. Бодо.

Для уплотнения телеграфных линий используется двухканальная частотная телеграфия (F6), при которой передатчик может излучать колебание на одной из четырех частот. Колебанию каждой из них соответствует одна из всех возможных комбинаций телеграфных посылок:

частоте 1 - пауза на обоих телеграфных аппаратах,

частоте 2 -посылка на первом и пауза на втором аппарате,

частоте 3 - пауза на первом и посылка на втором аппарате,

частоте 4 - посылка на обоих телеграфных аппаратах.

Фазовая манипуляция - это скачкообразное (дискретное) изменение фазы колебания передатчика в соответствии с передаваемой последовательностью. По сравнению с рассмотренными выше манипулированными по частоте и амплитуде сигналами фазоманипулированный сигнал имеет одну существенную особенность. При приеме сигналов как с амплитудной (AT), так и частотной (ЧТ) манипуляцией можно точно измерить и амплитуду, и частоту излучаемого передатчиком колебания. Другими словами, в любой момент времени по измеренному значению амплитуды (при AT) или частоты (при ЧТ) колебания на выходе передатчика можно точно сказать, какой элементарный сигнал передается - посылка или пауза.

Фазовая манипуляция. Фазовая манипуляция (ФМ) происходит за счет небольших изменений фазы несущего сигнала. При ФМ для передачи данных используются изменения фазы, в то время как частота остается постоянной. Фазовый сдвиг может быть как положительным, так и отрицательным относительно фазы опорного сигнала. Приемник способен обнаруживать эти сдвиги фазы и получать в результате соответствующие биты данных.

При фазовой манипуляции можно измерить относительное значение фазы колебания либо по фазе другого, или, как его называют, опорного колебания, либо по фазе того же колебания, но на другом интервале времени. В первом случае говорят о системе фазовой телеграфии (ФТ), во втором - о системе относительной фазовой телеграфии (ОФТ). При ФТ передатчик непрерывно излучает колебание на одной и той же частоте, причем нажатию соответствует излучение несущего колебания со сдвигом по фазе на 180°.

Фазовая манипуляция осуществляется скачкообразным изменением фазы при переходе от посылки к паузе и от паузы к посылке.

Перед тем как отдельные поднесущие частоты будут объединены в один сигнал, они претерпевают фазовую модуляцию, каждая - своей последовательностью бит.

Рисунок 3.30 Спектр фаз