 |
Применение в реальных условиях
|
|
|
|
Применение в реальных условиях
Несмотря на то, что АМ модуляция полезна для изучения предмета, это не самый эффективный и удобный способ модуляции сигнала. Простая АМ – это медленный процесс, требующий большой мощности. Поскольку сегодня большинство коммуникаций цифровые, на практике применяются намного более сложные методы, которые, в основном, используют фазовую манипуляцию (PSK). PSK – это тип фазовой модуляции, который используется для передачи цифровых данных.
Фазовая автоподстройка частоты
Фазовая автоподстройка частоты (PLL) - это схема с управляемой обратной связью, которая синхронизирует фазу сгенерированного сигнала с фазой опорного сигнала. Важно помнить, что генерироваться могут только те сигналы, частота которых кратна частоте опорного сигнала.
Основными компонентами схемы фазовой автоподстройки частоты являются: опорный генератор (reference oscillator), фазовый детектор, делитель частоты, генератор, управляемый напряжением (VCO), усилители и фильтры.
Схема фазовой автоподстройки частоты сравнивает фазу сгенерированного сигнала и сигнала опорного генератора, и затем использует их разницу для регулировки сгенерированного сигнала. Чтобы сравнить два колебания, необходимо, чтобы у них была одна и та же частота. Поскольку, частота генерируемого сигнала может быть больше частоты опорного сигнала, в схеме присутствует блок деления частоты. Так как он может делить только на целое число, частота сгенерированного сигнала должна быть целочисленно кратной частоте опорного генератора. В результате, фазовый детектор выдает напряжение, пропорциональное разности фаз между двумя колебаниями. Это напряжение усиливается, фильтруется и затем используется в качестве управляющего в VCO. VCO регулирует сигнал в соответствии с данным напряжением.
|
|
|
Фазовая автоподстройка частоты играет существенную роль во многих современных схемах. Она используется для демодуляции амплитудно- и частотно-модулированных сигналов, синхронизации, распознавания слабых сигналов на фоне шумов и в DTMF декодерах и модемах.
Практические занятия:
Создание математической модели процесса – стр. 63
Практическая реализация с использованием оборудования National Instruments – стр. 126
1. 2 Частотная модуляция
Введение
Частотная модуляция (ЧМ, FM – Frequency Modulation) – это такой тип модуляции, при котором изменения частоты несущего колебания соответствуют изменениям в информационном сигнале. Такая модуляция считается аналоговой, так как исходный сигнал является типичным аналоговым сигналом без дискретных цифровых значений.
Применения
Частотная модуляция обычно используется для радио- или телевизионной трансляции. FM радиостанции, вещают в диапазоне от 88 МГц до 108 МГц и используют FM модуляцию для передачи аудиосигнала. Каждая радиостанция использует полосу частот в 38 кГц. Аналоговое телевидение также применяет FM модуляцию. Фактически, телевизионные каналы с 0 по 72 передают сигналы в диапазоне от 54 МГц до 825 МГц.
Принципы создания частотно модулированного сигнала
Основной принцип FM модуляции заключается в том, что амплитуду исходного аналогового сигнала можно представить как небольшое изменение частоты несущего колебания. Ниже показана реализация сказанного.
Из рисунка видно, что разные амплитуды исходного сигнала (график белого цвета) соответствуют определенным частотам несущего колебания (красный график). Математически можно представить это уравнением, характеризующим FM модуляцию.
|
|
|
Во-первых, обозначим исходныйсигнал в виде:
Во-вторых, можно представить синусоидальную несущую уравнением:
 |
Собственно математический процесс модуляции несущей исходным сигналом m(t) требует двухступенчатого процесса. Во-первых, исходный сигнал необходимо проинтегрировать по времени, чтобы получить зависимость фазы от времени, Ө (t). Это делает возможным процесс модуляции, так как ЧМ реализуется стандартной схемой фазовой модуляции. Блок-схема FM передатчика представлена ниже.
Как показано на вышеприведённой блок-схеме, интеграция исходного сигнала даёт зависимость фазы от времени, которая выражается следующим образом:
 |
Ещё раз уточним, что полученная модуляция является фазовой, поскольку определяется изменением фазы несущей во времени. Этот процесс осуществляется квадратурным модулятором, принцип действия которого показан ниже:
Полученный в результате фазовой модуляции сигнал s(t) является FM модулированным сигналом. Его уравнение приведено ниже:
 |
Упрощённо это уравнение выглядит так:
Индексфазовоймодуляции
Одним из важных аспектов частотной модуляции является индекс фазовой модуляции. Мы уже установили, что изменения в амплитуде исходного сигнала соответствуют изменениям частоты несущего колебания. Фактором, который определяет, насколько несущее колебание отклоняется от центральной частоты, является индекс модуляции. Математически наш интегрированный исходный сигнал уже идентифицирован следующим образом:
Можно упросить это уравнение так:
В приведённом выше уравнении ∆ ƒ – это частотное отклонение и оно представляет собой максимальную разницу между мгновенной частотой и частотой несущего колебания. По сути, отношение ∆ ƒ к частоте несущего сигнала и есть индекс модуляции. Данный индекс, β , определяется уравнением:
 |
Таким образом, интегрированный исходный сигнал может быть представлен как
 |
В результате, можно подставить это выражение в нашу исходную формулу, представляя полученный FM сигнал следующим уравнением:
|
|
|
Влияние индекса на модулированную синусоиду таково: чем больше индекс модуляции, тем больше мгновенная частота сигнала может отличаться от частоты несущего колебания. Ниже проиллюстрирован FM сигнал, центральная частота которого равна 500 кГц. Причем указано, что девиация частоты равна 425 кГц. В результате, модулированный сигнал будет иметь мгновенные частоты в диапазоне от 75 кГц до 925 кГц. Широкий диапазон частот особенно заметен при минимальной амплитуде модулирующего сигнала (baseband), когда частота модулируемого сигнала очень мала.
Сигнал, приведённый на рисунке, можно сравнить с FM сигналом, девиация которого сравнительно мала. Ниже представлен FM сигнал с девиацией 200 кГц.
Как видим, область изменения мгновенной частоты в модулированном сигнале меньше, если меньше FМ девиация.
|
|
|
