 |
2.2 Частотная модуляция. Введение. Основные Применения
|
|
|
|
2. 2 Частотная модуляция
Введение
Частотная модуляция – это такой тип модуляции, при котором изменения частоты несущего колебания соответствуют изменениям в сигнале с исходной полосой частот. Такая модуляция считается аналоговой, так как сигнал в основной полосе частот является типичным аналоговым сигналом без дискретных цифровых значений. Данная демонстрация разработана, чтобы рассмотреть теорию частотной модуляции и представить практические аспекты её применения.
Основные Применения
FM обычно используется для радио- или телевизионной трансляции. FM радиостанции вещают в диапазоне от 88 МГц до 108 МГц и используют FM модуляцию для передачи аудио-сигнала. Каждая радиостанция использует полосу частот в 38 кГц для радиовещания. Аналоговое телевидение также применяет FM модуляцию. Фактически, телевизионные каналы с 0 по 72 вещают в различных полосах в диапазоне от 54 МГц до 825 МГц. Эту полосу частот разделяют в разных целях, среди которых и FM радиовещание.
Математическое обоснование:
Основной принцип FM модуляции заключается в том, что амплитуду аналогового исходного сигнала можно представить как незначительно отличающуюся частоту несущего колебания. Объясним это, показывая действия, необходимые для модуляции частоты синусоидального несущего сигнала.
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:
Демонстрация:
Следующая демонстрация осветит большое количество практических аспектов частотной модуляции и покажет влияние частоты несущего сигнала и девиации.
1) Во-первых, откройте пример ВП FM Modulation и запустите программу. Обратите внимание, что имеется три базовых параметра, которые мы будем изменять. Первый, «Baseband Frequency» (Частота Основной Полосы), регулирует частоту исходного сигнала, который мы хотим отправить. Второй, Carrier Frequency (Частота Несущего Сигнала), является частотой, которую мы будем использовать для трансляции исходного сигнала. Наконец, FM Deviation (Девиация частоты) определяет разницу в частоте между самой высокой мгновенной частотой модулированного сигнала и частотой несущего сигнала. На этом шаге измените частоту сигнала основной полосы и пронаблюдайте за эффектом на графике, названном FM modulated Wave (FM модулированный Сигнал).
2) Далее мы проведём опыт с частотой несущего сигнала и увидим воздействие на модулированный FM сигнал. Обратите внимание, что минимальная частота несущей эквивалентна частоте основного сигнала. Кроме того, девиация частоты также автоматически регулируется таким образом, что она никогда не бывает больше частоты несущей. Ниже приведен сценарий, при котором частота несущей равна частоте основной полосы. Так как эти частоты идентичны, модулированный FM сигнал не является синусоидальным.
|
|
|
Как показано на вышеприведённом рисунке, сигнал основной полосы не может быть хорошо представлен в данном сценарии. В идеале, частота несущей должна быть существенно больше, чем частота сигнала основной полосы. В нижеприведённом графике показан результат увеличения частоты несущей. Здесь представлен полный период каждого сигнала.
3) В заключении мы будем наблюдать за воздействием индекса модуляции на FM сигнал. Чтобы осуществить это, установите частоту несущей на максимум, 1 MHz. Заметьте, что максимальное FM Deviation (FM Отклонение) сейчас автоматически устанавливается на 500 kHz. Установите FM Deviation на максимум, 500 kHz, и пронаблюдайте за результатом. Как видно из нижеприведённого графика, частота сигнала в получившейся временной области имеет значительный разброс. В действительности, как показано на графике, минимальный уровень сигнала основной полосы соответствует 0 Hz. Максимальный уровень сигнала основной полосы соответствует 2 MHz.
В то время как значительную девиацию можно наблюдать визуально, меньшие значения девиации невидны. Для демонстрации этого, измените девиацию до 200 kHz. При такой установке различные уровни сигнала основной полосы будут представлены частотами в диапазоне от 800 kHz до 1. 2 MHz. Временная область модулированного сигнала показана ниже.
Как показано на вышеприведённом графике, изменения частоты менее заметны во временной области. Однако, важно увидеть этот эффект в системе связи. В идеале, система связи должна иметь максимальную девиацию частоты для более точного представления сигнала основной полосы. Однако, это не бесспорно. При увеличении девиации частоты, мы также увеличиваем мощность, требуемую для генерации сигнала, и ширину полосы частот, которую он занимает.
4) В заключении нажимаем вкладку «Frequency Domain» (Частотная Область) для того, чтобы увидеть спектр мощности модулированного сигнала. Во время просмотра данного графика медленно меняйте девиацию частоты и проследите за воздействием на ширину канала. Вы увидите, что чем больше девиация, тем больше полоса, которую занимает канал. Ниже продемонстрирован FM сигнал с несущей 1 MHz и девиацией частоты 500 KHz. Как видно из графика, модулированный сигнал занимает полосу свыше 1 MHz.
|
|
|
|
|
|
