Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
TM_Lectures.pdf
Скачиваний:
184
Добавлен:
24.02.2016
Размер:
7 Мб
Скачать
☆

бине модуляции (m=1) получается выигрыш в величине исходного сигнала в (m+1)/m=2 раза по напряжению, т.е. в четыре раза по мощности. Таким образом, результирующий выигрыш при переходе от двухполосной к однополосной АМ по мощности получается в восемь раз. Однополосный АМ-сигнал при передаче нижней боковой составляющей можно записать в виде

U OAM (t ) = U ω1cos( ω1 − Ω)t = U ω1 (cos ω1tcos Ωt + sin ω1tsin Ωt ).

В заключение отметим, что функция, представленная в виде тригонометрического ряда (2.8), принадлежит к классу почти периодических функций. Таким образом, амплитудно-модулированное колебание является почти периодическим сигналом.

2.2. Частотная модуляция (ЧМ)

При частотной модуляции по закону модулирующего (передаваемого) сигнала

C(t) = UΩcosΩt

 

(2.14)

изменяется мгновенное значение частоты ω1(t)носителя (рис. 2.4)

 

U í (t) = U ω1cos ω

1t .

(2.15)

C(t)

 

U?

 

 

 

 

 

mЧМ Uω1

0

 

 

t

 

 

mЧМ

 

 

 

 

T1

 

 

 

Uω1

0

t

 

 

UH(t)

 

 

? 1

 

 

t

?о

0

 

 

 

 

 

Рис. 2.5. Векторное представление

 

 

 

? 1(t)

 

? g

 

ЧМ сигнала

 

 

 

 

0

? 1

 

? g , mЧМ

 

 

Uω1

t

? g

UЧМ(t)

 

 

 

 

 

 

0

 

 

t

mЧМ

 

 

 

0

Ω

 

 

 

 

Рис. 2.4. Процесс получения частотно–

Рис. 2.6. Зависимость mЧМ и ωg от Ω при ЧМ

модулированного сигнала

 

 

27

Мгновенное значение частоты ω1 модулированного колебания определяется выражением

ω1(t) = ω1 + Ê×Ì C(t),

(2.16)

где КЧМ – коэффициент пропорциональности, устанавливающей связь между модулирующим сигналом и изменением частоты носителя; ω1 – частота немодулированного носителя.

Полная фаза модулированного колебания определяется в виде

ϕ = ∫ω1 (t)dt =ω1t + КЧМ ∫C(t)dt .

(2.17)

Отсюда видно, что при ЧМ имеет место изменение фазы колебания, т.е.

ФМ.

Подставив (2.17) в (2.15), получим выражение для частотно-модулирован- ного сигнала

U ×Ì (t) = U ω1cos( ω1t + Ê ×Ì

∫ C(t) dt) =

 

= U ω1cos( ω1t + Ê ×Ì ∫ U Ω cos Ωtdt) =

 

= U ω1cos( ω1t

+ ωg ∫ cos Ωtdt)

=

(2.18)

= U ω1cos( ω1t

+ (ωg /Ω )sin Ω t) =

 

= U ω1cos( ω1t

+ m×Ì sin Ω t),

 

 

где ωg =КЧМ UΩ – девиация частоты, т.е. максимальное отклонение частоты от

значения ω1; mЧМ= ωg /Ω – индекс модуляции.

Индекс частотной модуляции фактически равен максимальному откло-

нению фазы ЧМ-колебания, т.е. mЧМ=θmax. Он не зависит от средней ω1 (немодулированной) частоты, а определяется исключительно величиной девиации

частоты ωg и модулирующей частотой Ω.

Векторное представление ЧМ-колебания для рассмотренного случая показано на рис. 2.5. Вектором Uω1 показано немодулированное высокочастотное колебание. Чтобы этот вектор был неподвижен, предполагаем, что ось времени вращается по часовой стрелке с угловой скоростью ω1. Приращение фазы вектора Uω1 изменяется по гармоническому закону с частотой Ω. Максимальное изменение фазы определяется индексом модуляции mЧМ, т.е. вектор Uω1 отклоняется в обе стороны на угол mЧМ. Например, если mЧМ=1, то это означает, что вектор Uω1 отклоняется в обе стороны на один радиан. На практике с целью повышения помехоустойчивости приема при использовании ЧМ применяются большие значения mЧМ.

На рис. 2.6 приведены зависимости индекса модуляции mЧМ и девиации частоты ωg ЧМ-колебания от частоты модулирующего сигнала Ω. Как видно

28

из рис. 2.6 и соответствующих выражений, ωg от Ω не зависит и определяется только величиной UΩ, а mЧМ с увеличением Ω убывает.

2.3. Фазовая модуляция (ФМ)

При фазовой модуляции по закону модулирующего сигнала изменяется начальная фаза.

Рассмотрим частный случай, когда модулирующий сигнал является гармоническим, т.е.

C(t) =U ΩcosΩt ,

(2.19)

а носитель описывается выражением

U н(t) =Uω1cosω1t .

(2.20)

Тогда полная фаза ФМ-колебания в соответствии с определением ФМ запишется в виде

ϕ = ω1t + КФМU ΩcosΩt .

(2.21)

Обозначим

 

mФМ = КФМU Ω ,

(2.22)

где mФМ – индекс модуляции, т.е. максимальное отклонение фазы колебания; КФМ – коэффициент пропорциональности, определяющий связь между модулирующим сигналом и изменением фазы колебания.

Подставив (2.21) в (2.20), получим выражение для ФМ в виде

 

UФМ (t) =Uω1cos(ω1t + mФМ cosΩt) .

(2.23)

Мгновенное значение частоты ФМ-колебания равно

 

ω =

∂ϕ

= ω1 − mФМ Ωsin Ωt = ω1 − ω sin Ωt ,

(2.24)

∂t

 

g

 

 

 

ωg = mФМ Ω ,

(2.25)

где ωg девиация частоты колебания.

Процесс получения ФМ-сигнала показан на рис. 2.7, а векторное представление – на рис. 2.8.

29

Сравнение выражений (2.18) и (2.23) показывает, что при гармоническом модулирующем сигнале выражение, описывающее ЧМ-колебания, отличается от такового для ФМ-колебания только фазой гармонической функции, определяющей изменение полной фазы носителя.

C(t)

U Ω

0 t

+m cos? t

-mcos? t

m ФМ

U ? 1

 

 

m ФМ

U ФМ

-U ? 1

 

 

t

 

t

 

 

 

0

 

0

?0

 

 

Рис. 2.8. Векторное представление

несущая

 

ФМ-сигнала

 

 

 

+m ФМ(t)

 

ωg, m ФМ

ωg

mФМ(t)

 

t

 

m ФМ

0

 

 

 

 

-m ФМ(t)

 

0

Ω

 

 

 

 

 

Рис. 2.7. Процесс получения ФМ-сигнала

 

Рис. 2.9. Зависимость mФМ и ωg от Ω при ФМ

Векторное представление ФМ-колебания (см. рис. 2.8) такое же, как и для ЧМ-колебания (рис. 2.5), т.е. это будет качающийся вектор с постоянной

длиной Uω1 и с максимальным углом отклонения в обе стороны mФМ=θmax.

На рис. 2.9 приведены зависимости индекса модуляции и девиации частоты ФМ-колебания от частоты модулирующего сигнала Ω. В соответствии с выражениями (2.22) и (2.25) индекс модуляции mФМ от Ω не зависит и определяется только величиной амплитуды модулирующего сигнала UΩ, девиация частоты

ωg прямо пропорциональна частоте Ω модулирующего сигнала.

Различие ЧМ- и ФМ-колебаний. Итак, при модуляции одним тоном по характеру колебания и его свойствам нельзя заключить, с какой модуляцией мы имеем дело – с частотной или фазовой. Различие между ЧМ и ФМ проявляется при изменении частоты модуляции или при одновременной модуляции полосой частот.

30

При ЧМ величина девиации частоты ωg остается постоянной при изменении частоты модуляции Ω. Величина же индекса модуляции mЧМ=θmax с увеличением частоты модуляции Ω убывает (см. рис. 2.6).

При ФМ величина индекса модуляции mФМ=θmax остается постоянной при изменении частоты модуляции Ω. Девиация частоты ωg изменяется прямо пропорционально частоте модуляции Ω (см. рис. 2.9).

Если модуляция осуществляется не одним гармоническим, а сложным сигналом, то структура модулированного колебания будет различной для ЧМ и ФМ.

В случае ЧМ медленным изменениям модулирующего сигнала (т.е. низким частотам его спектра) будут соответствовать очень большие значения mЧМ=θmax (см. рис. 2.6). В случае ФМ медленным изменениям модулирующего сигнала будут соответствовать очень малые значения девиации частоты ωg (см.

рис. 2.9).

Наконец, ЧМ и ФМ различаются по способам их технического осуществления. При ЧМ обычно применяется прямое воздействие на частоту колебания задающего генератора. В случае ФМ задающий генератор вырабатывает стабильную частоту, а фаза модулируется в одном из последующих каскадов передатчика.

Спектр сигнала с угловой модуляцией. Рассмотрим случай модуляции одним тоном. Выражение для сигнала, модулированного по частоте или фазе, запишем в виде

U(t) =Uω1 cos(ω1t + msin Ωt).

(2.26)

Произведя преобразования, получим

 

U(t) =Uω1 cos(msin Ωt)cosω1t −

(2.27)

−Uω1 sin(msin Ωt)sin ω1t.

 

Рассмотрим сначала спектр сигнала, когда m<<1. Тогда можно считать,

что

sin(msin Ωt) ≈ msin Ωt;

cos(msin Ωt) ≈1.

Подставив эти приближенные равенства в формулу (2.27), получим

U(t)=Uω1 cosω1t −Uω1msinΩtsinω1t =

 

 

Uω1

 

Uω1

(2.28)

= A cosωt −

mcos(ω −Ω)t+

mcos(ω +Ω)t .

 

 

1

1

2

1

2

1

 

 

 

 

Сравнивая выражения (2.6) и (2.28), заключаем, что спектр ЧМ или ФМсигнала при малом значении m состоит, как и спектр АМ сигнала, из несущей частоты ω1 и двух боковых частот ω1+Ω и ω1-Ω. Единственное отличие заклю-

31

чается в сдвиге фазы сигнала нижней боковой частоты (знак минус) на 1800 относительно его положения при АМ. Спектр амплитуд сигнала с угловой модуляцией при m<<1 показан на рис. 2.10. Так как фаза отдельных составляющих сигнала этой диаграммой не учитывается, то характер диаграммы такой же, как и в случае АМ (см. рис. 2.2,а). Отметим, что в данном случае влияние индекса модуляции m совпадает с влиянием коэффициента глубины модуляции mАМ, а ширина спектра

∆ω=2Ω. (2.29)

Последний вывод говорит о том, что при очень малых величинах девиации частоты ωg = mΩ (по сравнению с Ω) ширина спектра от величины ωg не зависит. Векторное изображение рассмотренного случая дано на рис. 2.11.

 

U? 1

 

 

 

 

m/2U? 1

 

 

 

 

 

Ω

 

 

 

 

 

 

m/2U? 1

 

m/2U? 1

 

B

A

 

 

 

 

 

 

ωο−Ω

ωο

ωο+Ω

ωο

 

Ω

 

 

 

 

-m/2U? 1

 

∆? =2?

 

 

U? 1

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

Рис. 2.10. Спектр амплитуд сигнала

Рис. 2.11. Векторное изображение сигнала

с угловой модуляцией при m<<1

 

с угловой модуляцией при m<<1

Оно отличается от векторного изображения АМ-сигнала (см. рис. 2.3) только направлением вектора, изображающего составляющую нижней боковой частоты. В результате вектор модуляции BA всегда перпендикулярен к направ-

лению вектора Uω1. Вектор ОА, изображающий результирующее колебание, изменяется по фазе и по амплитуде. Однако при m=θmax<<1 амплитудными изменениями можно пренебречь, вследствие чего модуляция может, в первом приближении, рассматриваться как чисто угловая.

Обратимся к рассмотрению более общего случая, когда m – любая величина. Для этого функции sin(msinΩt) и cos(msinΩt) из выражения (2.27) раз-

ложим в тригонометрические ряды.

В теории Бесселевых функций доказываются следующие соотношения:

32

∞

 

sin(msin Ωt) = 2∑J2n−1(m)sin( 2n −1)Ωt,

 

n=1

(2.30)

∞

 

cos(msin Ωt) = J0(m) + 2∑J2n(m)cos2nΩt,

 

n=1

 

где Jn(m) – Бесселева функция первого рода n-го порядка от аргумента m.

С учётом формул (2.30) выражение (2.27) перепишем в виде

U(t) =Uω1(J0(m)cosω1 − 2J1(m)sin Ωt sinω1t +

+ 2J2(m)cos 2Ωt cosω1t − 2J3(m)sin 3Ωt sinω1t + ...) .

Заменив в этом выражении произведения косинусов и синусов суммами, окончательно получим

U(t) = Uω1(J0(m) cos ω1t − J1(m) cos (ω1 − Ω)t + J1(m) cos (ω1 + Ω)t +

(2.31)

+ J

2

(m) cos (ω − 2Ω)t + J

2

(m) cos (ω + 2Ω)t-J (m) cos (ω − 3Ω)t +

 

1

1

3

1

 

+ J3(m) cos (ω1 + 3Ω)t + ...).

Таким образом, при угловой модуляции спектр сигнала состоит из бесконечного числа боковых частот, отличающихся от несущей частоты ω1 на ±nΩ.

Примерный вид спектра сигнала с угловой модуляцией одним тоном Ω при m=3 и Uω1=1 В представлен на рис. 2.12. По мере удаления от ω1 амплитуды боковых составляющих уменьшаются.

J1(m) J0(m) J1(m)

 

J3(m) J2(m)

J2(m)

J3(m)

 

ω

−3Ω

2−Ω

−Ω

ω

+Ω

+2Ω

+3Ω

 

 

 

1

 

 

 

1

1

1

 

1

1

1

ω

ω

ω

 

ω

ω

ω

Рис. 2.12. Спектр сигнала с угловой модуляцией при m=3 и Ω=const

33

Хотя теоретически спектр колебаний с угловой модуляцией бесконечен, практически он ограничен. Практическую ограниченность спектра сигнала с угловой модуляцией позволяют усмотреть свойства Бесселевых функций. При n>m функция Jn(m) (табл. 2.1) имеет малые значения. Это означает, что амплитуды боковых составляющих в рассмотренном спектре сигнала с угловой модуляцией становятся очень малыми и ими можно пренебречь. При увеличении m происходит перераспределение энергии. Все большая часть энергии переносится боковыми составляющими.

 

 

Значения Бесселевых функций Jn(m)

Таблица 2.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

J0

J1

J2

J3

J4

J5

J6

J7

0,2

0,99

0,10

—

—

—

—

—

—

 

0,4

0,96

0,20

0,02

0,001

—

—

—

—

 

0,6

0,91

0,29

0,044

0,004

—

—

—

—

 

1,0

0,76

0,44

0,115

0,02

0,002

—

—

—

 

2,0

0,22

0,58

0,35

0,13

0,034

—

—

—

 

5,0

0,18

0,33

0,05

0,36

0,39

0,26

0,13

0,05

 

10,0

0,25

0,06

0,25

0,06

0,22

0,23

0,015

0,022

 

Этим и определяется практическая ширина спектра сигнала с угловой модуляцией, т.е.

∆ω=2nΩ 2mΩ=2ωg . (2.32)

Как следует из (2.32), практически ширина полосы равна удвоенной девиации частоты. Полоса частот, равная 2ωg, называется полосой качания, так как в процессе модуляции несущая частота может принимать любое мгновенное значение внутри интервала ω1 ± ωg.

Векторная диаграмма сигнала с угловой модуляцией представлена на рис. 2.13.

+Ω

+2Ω

-2Ω

-Ω

-3Ω

ω1

+m -m

+3Ω

Рис. 2.13. Векторное представление сигнала с угловой модуляцией

34

На диаграмме показаны вектор основной частоты ω1, первая (ω1±Ω), вторая (ω1±2Ω) и третья (ω1±3Ω) пары боковых частот. Равнодействующая первой пары боковых частот направлена перпендикулярно к вектору основной частоты, второй – вдоль вектора основной, третьей – перпендикулярно и т.д. В результате сложения всех этих векторов получается вектор, вращающийся по дуге окружности с частотой Ω на угол ±m радиан.

Как указывалось выше, различие между ЧМ- и ФМ-сигналами при модуляции одним тоном проявляются только при изменении частоты модуляции Ω. Посмотрим, как будут изменяться спектры ЧМ- и ФМ-сигналов в этом случае.

Для ЧМ-сигналов при m>>1 ширина спектра в соответствии с выраже-

ниями (2.18) и (2.32) равна

2ωg =2КЧМUΩ ,

(2.33)

т.е. зависит только от амплитуды UΩ модулирующего сигнала. Число спектральных линий (гармонических составляющих) практического спектра ЧМ-ко-лебаний с учетом (2.18), изменяется обратно пропорционально частоте

Ω, т.е.

n m= ωg /Ω .

(2.34)

Поэтому, например, при увеличении частоты модуляции Ω и постоянной амплитуде UΩ число спектральных составляющих уменьшается (2.34), а практическая ширина спектра ЧМ-колебаний остается постоянной, ибо

∆ω = 2nΩ 2mΩ = 2ωg (2.35)

И, наоборот, с уменьшением частоты Ω число спектральных составляющих возрастает (2.34). При этом практическая ширина спектра в соответствии с (2.35) опять-таки остается постоянной.

Для ФМ-колебаний при m>>1 ширина спектра в соответствии с выраже-

ниями (2.22), (2.25) и (2.32) равна

∆ω = 2nΩ 2mΩ = 2KФМUΩΩ ,

(2.36)

т.е. она зависит как от амплитуды UΩmax, так и от частоты Ω модулирующего сигнала. При ФМ число спектральных линий спектра при UΩ=const оста-

ется неизменным. С изменением Ω при UΩ=const изменяется интервал между соседними гармоническими составляющими и общая ширина спектра ФМсигнала также изменится.

Сравнение АМ-, ЧМ- и ФМ-сигналов. Сравним указанные виды модуляции по их двум основным характеристикам: средней за период высокой частоты мощности и ширине спектра.

Для АМ-сигналов средняя за период высокой частоты мощность изменяется, так как изменяется амплитуда сигнала. Эта мощность в максимальном

35

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]