При обычной модуляции с двумя боковыми полосами, используемой в радиовещании, информация передается исключительно в боковых полосах. Для того чтобы получить, например, хорошее качество звука, необходимо работать в полосе частот шириной 2М, где М — ширина полосы высококачественного воспроизведения звука (20—20 000 Гц). Это означает, что стандартное АМ-радиовещание, к примеру, с частотами до 20 кГц должно иметь ширину полосы ±20 кГц (всего 40 кГц), учитывая верхнюю и нижнюю боковые полосы. Однако на практике ширина полосы частот по правилам ФКС ограничивается величиной 10 кГц (±5 кГц), которая предусматривает для радиопередачи звука ширину полосы всего лишь 5 кГц, что далеко от условий высококачественного воспроизведения. Радиовещание с частотной модуляцией, как это будет показано ниже, имеет более широкую полосу частот.
Федеральная комиссия связи также устанавливает допуски частоты всех распределений частот в США. Все АМ-радиовещание (535—1605 кГц) имеет допустимые отклонения в 20 Гц, или около 0,002 %. Эта точность и стабильность частоты может быть достигнута путем использования кварцевых генераторов.
Детектирование или демодуляция АМ-колебаний требует выпрямления модулированного сигнала, сопровождаемого исключением несущей частоты с помощью соответствующей фильтрации. Эти две стадии воспроизведения модулирующего сигнала могут быть продемонстрированы па примере колебания, изображенного на рис. 2, а. После выпрямления остается лишь половина колебания, а после фильтрации присутствует лишь его огибающая, которая является воспроизведенным сигналом.
На рис. 4 приведены функциональные схемы передающей и приемной систем с амплитудной модуляцией.
Рис. 4. АМ-система.
а-функциональная схема передатчика; б-функциональная схема приемника.
Передатчик содержит два источника: сигнала модуляции — от микрофона, проигрывателя и т.д. и несущей — от генератора с кварцевой стабилизацией. Модулирующий сигнал и несущая вводятся в модулятор, который вырабатывает модулированный сигнал, который затем передается через антенну. В большинстве передатчиков большой мощности модуляция осуществляется в последнем каскаде системы для того, чтобы избежать необходимости усиливать модулированный сигнал. Усиление несущей и модулирующего сигнала происходит раздельно. Степень модуляции контролируется изменением амплитуды модуляции и поддержанием постоянной амплитуды несущей. С тех пор как передаваемая мощность стала лимитироваться ФКС, большинство радиовещательных станций имеет автоматическое управление и контроль мощности, как это показано штриховыми линиями на рис. 4,а.
Приемник (рис. 4,б) содержит высокочастотный усилитель, который усиливает сигнал, принятый антенной. ВЧ-усилитель настраивается; его частота настройки может быть изменена (в диапазоне радиовещания для АМ-приемников) для выбора нужной станции. Термин «избирательность», примененный к приемнику, относится к способности приемника выбирать отдельную станцию (частоту), не принимая при этом сигналов от примыкающих к ней станций. Например, если приемник имеет плохую избирательность, то при настройке на станцию WQXP (1560 кГц) может быть также принята другая, смежная станция WWRL (1600 кГц). Ясно, что приемник с такой плохой избирательностью является непригодным. Нужно также помнить, что ВЧ-усилитель должен иметь ширину полосы 5 кГц для звуковых сигналов (две боковые полосы требуют ширину полосы ±5 кГц вокруг частоты несущей). Таким образом, требуется полоса частот 10 кГц совместно с высокой избирательностью, которая означает очень крутые спады частотной характеристики перестраиваемого контура, обеспечивающие существенное ослабление сигналов вблизи выбранной частоты, но находящихся вне полосы частот ±5 кГц.
Приемник, показанный на рис. 4,б, является приемником или прямого усиления (сплошные линии), или гетеродинного типа (штриховые линии). В последнем принятый ВЧ-сигнал wн смешивается с колебаниями от местного генератора-гетеродина wг. В результате возникают два сигнала — с частотами wг-wн и wг+wн. Сигнал с разностной частотой wг-wн усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ) и затем подводится к детектору. На рис. 4,б штриховыми линиями вместо сплошных линий между ВЧ-усилителем и детектором представлена функциональная схема гетеродинного приемника. Такой метод приема позволяет настраиваться на любую станцию, в то время как промежуточная частота остается равной 455 кГц и легко усиливается усилителями с фиксированной частотой настройки. Отметим, что для того, чтобы настроиться на станцию, нужно изменять wг и wн одновременно, и, таким образом, разность wг-wн остается неизменной. Приемник гетеродинного типа имеет лучшую избирательность и гораздо большую чувствительность. Минимально различимый им сигнал составляет 10 мкВ на антенне. Когда мы говорим «различимый», то подразумеваем превышающий уровень шумов приемника.
2.2. ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ, ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ
В методе частотной модуляции (ЧМ) амплитуда модулирующего сигнала управляет мгновенной частотой несущей. Идеальная ЧМ не вносит изменений в амплитуду несущей. Следовательно, форма напряжения модулированной несущей может быть выражена в виде
ечм=Анcos[wнt+d×sin(wмt)] (9)
где wн и wм - соответственно несущая частота и частота модуляции, а d - индекс модуляции. Частоты модулированного колебания могут быть получены из выражения cos[wнt+d×sin(wмt)] с использованием тригонометрических формул и специальных таблиц (функции Бесселя)..
Индекс модуляции d определяется как Dwн/wм=Dfн/fм - отношение максимальной девиации частоты (за один период модулирующего сигнала) к частоте модуляции. Детальный анализ частотной модуляции сложен. Рассмотрим на примерах основные черты этого метода. Будем предполагать наличие одиночной частоты модуляции wм (ем=Амsin(wмt)).
Девиация частоты Dwн прямо пропорциональна мгновенному значению модулирующего сигнала ем=Амsin(wмt). Таким образом, Dwн можно выразить через ем:
Dwн=kfАмsin(wнt) (10)
где kf - коэффициент пропорциональности, аналогичный по своему характеру чувствительности; он дает девиацию частоты на 1 В (Dw/В). Следовательно, при wнt=90° (sin(wнt)=1) Dwн=kfАм - максимальная девиация частоты синусоидального модулирующего сигнала. Например, если sin(wнt)=0,5, kf=2p×1000 (рад/с)/В=1000 Гц/В и Ам=10В, то мы получаем Dwн=2p×1000×10×0,5=2p×5000 рад/с, т. е. девиацию частоты несущей 5 кГц. Максимальное значение Dfн при этих условиях (sin(wнt)=1) будет составлять 10 кГц. Отметим, что, так как sin(wнt ) может быть равным +1 или -1, то Dfн макс=±10 кГц. Если задано значение fм, то можно вычислить индекс модуляции d. Для fм=2000d=10000/2000 (Dfн/fм ); таким образом, d=5. Индекс модуляции должен быть всегда возможно большим, чтобы получить свободное от шумов верное воспроизведение модулирующего сигнала. Девиация частоты Dfн в ЧМ-радиовещании ограничена величиной до +75 кГц. Это приводит к значению d=75/15=5 для звукового модулирующего сигнала с максимальной частотой 15 кГц.
Исследуя изменения частоты несущей с ЧМ, есть соблазн прийти к выводу о том, что ширина полосы, необходимой для ЧМ-передачи, составляет ±Dwн, или 2Dwн, так как несущая меняется по частоте в пределах ±Dwн, т. е. wчмàwн±Dwн.Этот вывод, однако, полностью ошибочен. Может быть показано, что ЧМ-колебания состоят из несущей и боковых полос аналогично AM с одним лишь существенным различием: при ЧМ существует множество боковых полос (рис. 5). Амплитуды боковых полос связаны весьма сложным образом с индексом модуляции. Отметим, что частоты боковых полос связаны лишь с частотой модулирующего сигнала wм, а не с девиацией частоты Dwн. Для предыдущего примера, когда d=5 и wм=15 кГц (максимум), мы получаем семь пар полос (wн±wм, wн±2wм, wн±3wм, и т.д.) с изменяющимися амплитудами, но превышающими значение 0,04Ан. Все другие пары за пределами wн±7wм имеют амплитуды ниже уровня 0,02Ан.
Первая пара боковых полос может быть описана как 0,33А×[sin(wн+wм)t+sin(wн-wм)t] имеет амплитуду 0,33 Ан; вторая пара - wн±2wм - имеет амплитуду 0,047Ан. Отметим, что амплитуды различных боковых полос не являются монотонно убывающими по мере того, как их частоты все более и более удаляются от wн. Фактически в приведенном примере с d=5 наибольшей пo амплитуде (0,4 Ан) является четвертая пара боковых полос. Амплитуды различных боковых полос получены из специальных таблиц, описывающих эти полосы для различных значений d. Очевидно, что ширина полосы, необходимая для передачи семи пар боковых полос, составляет ±7×15 кГц, или 14×15 кГц= 210 кГц (для fм=15 кГц). На этом же основании ширина полосы, необходимая для d=10 (Dwн/wм=10), равна 26fм; 13 боковых полос в этом случае составят 26×15=390 кГц. Таким образом, частотная модуляция требует значительной ширины полосы частот и, как следствие, используется только при несущих с частотами 100 МГц и выше.
Рис. 5. Боковые полосы ЧМ.
wн-несущая частота; wм-частота модуляции.
Частотно-модулированная связь гораздо менее чувствительна к помехам. Шумы, попадающие в ЧМ-сигнал, будь то атмосферные возмущения (статические), тепловые шумы в лампах и сопротивлениях или любые другие шумы, имеют меньшую возможность влиять на прием, чем в случае AM. Основной причиной этого является попросту тот факт, что большинство шумов амплитудно модулируют несущую. Делая приемник нечувствительным к изменениям амплитуды, практически устраняем эту нежелательную модуляцию. Восстановление информационного сигнала из ЧМ-волны связано лишь с частотным детектированием, при котором выходной сигнал зависит лишь от изменений частоты ЧМ-сигнала, а не от его амплитуды. Большинство приемников содержит усилитель-ограничитель, который поддерживает постоянную амплитуду ЧМ-колебаний, устраняя тем самым любой АМ-сигнал.
Существуют различные методы ЧМ-детектирования и селекции. В основе большинства методов лежит использование наклона частотной характеристики резонансного контура (рис. 6). Амплитуда отклика изменяется с частотой. Для wн+Dwн получаем амплитуду А1, для wн-Dwн - амплитуду А2, а для частот между
Рис. 6. Принцип использования резонансного контура в качестве частотного детектора.
wн+Dwн и wн-Dwн имеем все промежуточные амплитуды между А1 и А2. Выходной сигнал соответствует девиации частоты входного сигнала (хотя и не совсем линейно в простом резонансном контуре) и тем самым воспроизводит первоначальный модулирующий сигнал.
Цепь фазовой автоподстройки (ФАП), вскоре стала одним из наиболее распространенных средств ЧМ-детектировапия, особенно применительно к импульсным модулирующим сигналам. Некоторые схемы ФАП снабжены логическими выходными схемами, согласованными с соответствующими входными сигналами импульсной формы.
