И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах
2Δω = В = 2Δωmax + 2Ωmax + 2√(Ωmax·Δωmax)
В стандарте, в котором Δωmax = 2π·50 кГц, а Ωmax =2π·15 кГц кГц, ширина спектра В = 185 кГц.
Ширина спектра частотно-модулированного сигнала достаточно велика. Именно по этой причине частотная модуляция применяется в диапазоне метровых волн, соответствующем частотам от 50 МГц,
Каковы преимущества частотной модуляции?
Главным преимуществом частотной модуляции является значительное уменьшение чувствительности сигнала к помехам. Исходя из того, что большинство помех амплитудного характера добавляется к сигналу, который, по определению, имеет постоянную амплитуду, появляются условия для их эффективного устранения, например, методом ограничения амплитуды.
Кроме того, поскольку амплитуда частотно-модулированного сигнала постоянна, а девиация частоты пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала, можно передавать полную динамику сигнала, т. е. как наименьшие, так и наибольшие значения. При амплитудной модуляции этого не могло быть, поскольку глубина модуляции не могла быть ни слишком малой, ни слишком большой, если учитывать шумы и помехи в первом случае, а во втором — возможность перемодуляции передатчика.
Весьма существен и тот факт, что в результате постоянной амплитуды частотно-модулированного сигнала выходная мощность передатчика остается все время одной и той же. Это создает возможности экономичного решения и экономичной работы передатчика.
Напомним, что передатчик амплитудно-модулированного сигнала с номинальной мощностью около 10 кВт должен быть приспособлен отдавать при 100 %-ной модуляции среднюю мощность 15 и пиковую 40 кВт.
Система с частотной модуляцией является высококачественной и предназначена главным образом для верной передачи звуковых сигналов. Отсюда ее широкое распространение в моно- и стереофоническом радиовещании на ультракоротких волнах.
В чем состоит принципиальное различие между фазовой и частотной модуляцией?
При фазовой модуляции не частота, а фаза несущего колебания линейно зависит от мгновенного значения модулирующего колебания. Девиация фазы при этом не зависит от частоты модуляции. Однако из-за того что между изменением фазы и частоты существует непосредственная зависимость, девиации фазы при фазовой модуляции сопутствует девиация частоты, которая пропорциональна модулирующей частоте. Напомним, что при частотной модуляции девиация частоты не зависит от модулирующей частоты. Несмотря на эти отличия, ясно, что фазовая и частотная модуляции действуют одновременно, так как связаны между собой. Можно также показать, что индекс модуляции идентичен с индексом девиацией фазы.
В связи с этим спектральное распределение в частотной и фазовой модуляции одно и то же, хотя расположение спектральных линий отличается. Исходя из взаимного подобия можно легко переходить с одного вида модуляции на другой. Обычно фазовую модуляцию используют только на переходном этапе до получения «чистой» частотной модуляции.
Как получают частотную модуляцию?
Существует несколько методов получения частотно-модулированных сигналов. Непосредственный метод заключается в изменении емкости или индуктивности резонансного контура генератора в такт с изменениями модулирующего сигнала. Примером, иллюстрирующим этот метод, служит емкостный микрофон, включенный в резонансный контур генератора. Наиболее удобная форма реализации этого метода заключается в подключении параллельно резонансному контуру реактивной схемы, реактивное сопротивление которой изменяется при изменении модулирующего сигнала. Реактивной схемой может быть лампа или транзистор, работающие по специальной схеме включения, или емкостный диод.
Примером реактивного транзистора является схема, изображенная на рис. 11.15.
Рис. 11.15. Схема реактивного транзистора
Для упрощения в ней опущены все блокировочные конденсаторы и цепи смещения. Характерным для этой схемы является делитель, состоящий из конденсатора С и резистора R, подобранный таким образом, чтобы выполнялось условие Хс >> R. Схема усилителя, работающего совместно с этим делителем, отличается тем, что переменное напряжение вводится извне (от генератора) в цепь коллектора и оценивается влияние этой схемы на фазе тока, протекающего под воздействием приложенного напряжения. Оказывается, что в результате фазового сдвига, вносимого конденсатором С, ток коллектора на 90 опережает напряжение на коллекторе. Подобная зависимость между напряжением и током характерна для емкости, т. е. схема ведет себя как конденсатор. Эквивалентная емкость выражается формулой Сэкв = RC/h11б и, следовательно, обратно пропорциональна h11б. Если h11б изменяется под влиянием приложенного к базе транзистора модулирующего напряжения, то изменяется и эквивалентная емкость реактивного транзистора, подключенного параллельно к резонансному контуру генератора, т. е. происходит модуляция частоты. Аналогично действует схема с емкостным диодом (рис. 11.16).
Рис. 11.16. Частотный модулятор с емкостным диодом
Емкость диода меняется при изменениях обратного напряжения смещения диода. Начальное обратное напряжение подводится к диоду от делителя R1R3, шунтированного конденсатором C1. Резистор R2 развязывает схему питания от резонансного контура генератора. Мгновенное значение напряжения на емкостном диоде является суммой напряжения смещения и напряжения низкой частоты, подведенного с помощью трансформатора. В результате к LC-контуру генератора параллельно подключается переменная емкость. Из-за того что приращение емкости ΔС емкостного диода изменяется вместе с изменением модулирующего сигнала, частота колебаний генератора подвергается изменению, пропорциональному амплитуде сигнала.
Помимо представленных методов непосредственной модуляции применяется метод косвенной частотной модуляции, позволяющий поддерживать соответствующее постоянство несущей частоты при отсутствии модуляции. Для осуществления такого метода используются модулятор Армстронга (косвенный частотный модулятор — прим. перев.), снабженный кварцевым генератором, и схемой фазовой модуляции, вырабатываемой путем суммирования сдвинутых на 90° боковых полос амплитудной модуляции с несущей. В результате использования схемы, позволяющей перейти от фазовой модуляции к частотной, и ограничения амплитуды выходного сигнала получают сигнал с чистой частотной модуляцией.
На каком принципе работают частотные демодуляторы?
Большинство используемых частотных демодуляторов, служащих для получения модулирующего сигнала из частотно-модулированного, работает на принципе преобразования изменений частоты в изменения амплитуды и последующего детектирования сигнала с амплитудной модуляцией с применением обычных методов. Известны также частотные демодуляторы, работающие на принципе счета импульсов, а также более сложные демодуляторы, выполняемые в виде интегральных микросхем.
Характерным для техники частотной демодуляции является то, что собственно демодулятору, как правило, предшествует ограничитель амплитуды. Задачей ограничителя является исключение изменений сигнала, вызванных мешающими сигналами, для эффективного подавления на выходе демодулятора.
Как действует ограничитель амплитуды?
Простым ограничителем служит усилитель, управляемый сигналом, превышающим уровень максимального (без искажений) возбуждения транзистора между отсечкой и насыщением. Транзистор, работающий в схеме ограничителя, представлен на рис. 11.17, б и в.
Рис. 11.17. Транзисторный ограничитель:
а — электрическая схема; б — рабочий диапазон на плоскости коллекторных характеристик; в — характеристика ограничения
В рабочей точке А ограничителя применяется относительно низкое напряжение, питающее коллектор. Если входной сигнал превышает пределы В и С, дальнейшее увеличение уровня выходного сигнала за этими пределами невозможно. Наименьший входной сигнал, который вызывает ограничительное действие ограничителя, называется порогом ограничении. Сигналы больше порогового, т. е. выше точки D, срезаются (ограничиваются) сверху и снизу. Резонансный контур, включенный в цепь коллектора, возвращает им синусоидальную форму.
