9.4. Формирование и детектирование сигналов угловой модуляции

Частотная модуляция (ЧМ) является основным видом модуляции в современных системах передачи информации СВЧ диапазона, в том числе системах спутниковой радиосвязи и телевидения. При ЧМ обеспечивается высокая помехоустойчивость и высокое качество передачи информации, допускается возможность одновременной работы в общем канале связи большого числа корреспондентов и реализуется более полное использование по энергетическим показателям радиопередающего устройства в силу постоянства амплитуды сигнала по сравнению с амплитудной модуляцией.

Способы осуществления частотной и фазовой модуляции можно разделить на две группы: прямые и косвенные (рис. 9.7).

Прямой метод при ЧМ означает непосредственное воздействие на автогенератор или, точнее, - на колебательную систему, определяющую частоту колебаний. Косвенный метод ЧМ состоит в преобразовании фазовой модуляции в частотную [4].

Рис. 9.7. Прямые (а, б) и косвенные (в, г) методы частотной и фазовой модуляции

Прямой метод при ФМ означает воздействие на высокочастотный усилитель или умножитель частоты, т. е. на электрические цепи, определяющие фазу высокочастотных колебаний. Косвенный метод ФМ заключается в преобразовании частотной модуляции в фазовую.

Для преобразования фазовой модуляции в частотную на входе фазового модулятора включается интегратор (рис. 9.7г). Для преобразования частотной модуляции в фазовую на входе частотного модулятора включается дифференцирующая цепь (рис. 9.7в).

В зависимости от характера преобразований различают частотно-амплитудные, частотно-фазовые и частотно-импульсные детекторы.

В частотно-амплитудных детекторах изменение частоты сигнала преобразуется в изменение амплитуды которое затем выделяется амплитудным детектором. Для того чтобы на выходе детектора не возникли искажения за счет возможных изменений амплитуды входного напряжения, перед детектированием обычно производят ограничение.

В частотно-фазовых детекторах изменение частоты преобразуется в изменение фазового сдвига между двумя напряжениями с последующим фазовым детектированием.

Фазовые детекторы преобразуют входной фазомодулированный сигнал в выходное напряжение, изменяющееся по закону модулирующего сигнала. Выявить фазовый сдвиг в ФМ сигнале можно путем сравнения с когерентным немодулированным колебанием, которое называют опорным.

Структурная схема фазового детектора аналогична схеме синхронного детектора (рис. 9.6). Все фазовые детекторы различаются по типу используемого перемножителя, наличию или отсутствию ограничителя и методам создания опорного напряжения. В качестве перемножителей можно использовать любые нелинейные или параметрические элементы – диоды, транзисторы, дифференциальные и операционные усилители с управляемой обратной связью, специальные аналоговые перемножители, ключевые схемы и др.

10. Манипуляция сигналов

10.1. Временные и спектральные характеристики амплитудно-манипулированных сигналов

При дискретном изменении управляющего колебания модулируемые параметры несущей будут изменяться скачком. В этом случае вместо термина «модуляция» применяется термин «манипуляция», а само колебание называется манипулированным. Манипуляция – это модуляция несущего колебания посылками постоянного тока прямоугольной формы.

Дискретное манипулирующее колебание может иметь вид униполярных (рис. 10.2б) или биполярных (рис. 10.2в) прямоугольных импульсов. Для описания двух возможных состояний широко используются термины «посылка» и «пауза». Эти состояния обозначают обычно символами +1 и -1 или 1 и 0.

Амплитудной манипуляцией (АМн) называется процесс изменения амплитуды несущего (высокочастотного, манипулируемого) колебания в соответствии с законом изменения амплитуды дискретного информационного (первичного электрического, манипулирующего) сигнала.

Рис. 10.1. Структурная схема амплитудного модулятора

Структурную схему получения АМн сигнала можно представить как ключ, управляемый пер вичным сигналом s_c(t), на вход которого поступает несущий сигнал S_н(t) (рис. 10.1). При этом первичный сигнал можно представить в виде отрезка ряда Фурье:

–сигнал (рис. 10.2а)

–несущий сигнал (рис. 10.2б)

Амплитудно-манипулированный сигнал имеет вид последовательности радиоимпульсов с прямоугольной огибающей (рис. 10.2в). Единичные элементы с длительностью интервалов τ_И, соответствующих символам кодовой комбинации (1 и 0 или +1 и -1), преобразуются к виду [2]:

(10.1)

где x_c(t) – нормированная функция, повторяющая закон изменения s_c(t) (рис. 10.2а) и принимающая значения ±1.

Рис. 10.2. Временные и спектральные характеристики формирования АМн сигнала

Спектральный состав периодической последовательности АМн сигналов определяется следующим выражением [2]:

(10.2)

Спектр модулированного сигнала содержит в своем составе:

составляющую с амплитудой А_m_и/Т на несущей частоте f_н и две симметричные боковые полосы с частотами составляющих (f_н + kF₁); (f_н - kF₁) − и амплитудами .

Для периодических сигналов – спектр дискретный, а при случайном следовании кодовых символов (непериодических сигналов) – спектр становится сплошным.

Ширина спектра АМн колебания: ∆F_АМн = 2kF₁

где k – номер учитываемой гармоники;

F₁ = 1/Т – частота первой гармоники информационного сигнала.

В реальных каналах ширину спектра берут с учетом третьей или пятой гармоники, например при необходимости передать цифровой сигнал со скоростью V = 50 Бод, ширина спектра ∆F_АМн = 25F₁ = 5V = 250 Гц.

В настоящее время двоичная амплитудная манипуляция используется в низкоскоростных системах передачи информации, в многоканальных системах связи с временным разделением, в радиолокационных системах, а также в ряде оптических систем.