Главная | Обратная связь

Модуляція та детектування

Як зазначалося раніше, сигнали низьких частот не можуть істотно випромінюватись антенами, а по провідних лініях не можуть одночасно передаватися кілька повідомлень в одному низькочастотному спектрі коливань. Для передачі сигналів по радіо і для розширення спектра час­тот по лініях застосовують модуляцію.

Модуляція — це процес, який відбувається з метою перенесення основного сигналу в спектр високочастотних ко­ливань. Відбувається модуляція в певних каскадах апара­тури, основними видами її є амплітудна, частотна та фазо­ва модуляції.

Амплітудна модуляція. Модуляція, при якій амплі­туди високочастотних коли­вань змінюються за зако­ном звукових коливань, на­зивається амплітуд­ною модуляцією (AM) (рис.).

Нехай звукові коливан­ня змінюються за законом:

 

U_3B = U_m3B sinWt

 

де W — частота звукових коливань.

Тоді амплітуди високо­частотних коливань U змі­нюються відповідно до за­кону звукових коливань і в позитивний півперіод зро­стають, а в негативний — спадають:

 

U=U₀+_U_W sinWt,

 

де U — миттєве значення амплітуди високочастотних коливань, Uo — амплітуда ВЧ коливань без модуляції, а u_W — максимальне відхилення ВЧ амплітуди під впливом звукового сигналу.

Відношення максимального приросту амплітуди U_W амплітуд ВЧ коливань U₀ називається коефіцієн­том модуляції або глибиною модуляціі m:

 

m = U_W/U₀

Коефіцієнт модуляції звичайно виражається в процентах

 

(U_W/U₀)100 = m%

Математично доводиться, що амплітудно-модульовані коливання можна подати в такому вигляді:

U_aM=U₀sinwt+(U₀m/2)cos(w-W)t-(U₀m/2)cos(w+W)t

де u_аМ — миттєве значення напруги в лінії, U₀ — амплі­туда ВЧ коливань, m— коефіцієнт модуляції.

Аналізуючи цей вираз, можна зробити висновок, що амплітудно-модульований сигнал має коливання основної, несучої частоти w і коливання бічних частот, які віддалені від основної на частоту звукового коливання W. Амплітуда бічних коливань залежить від коефіцієнта модуляції т і не може перевищувати половини амплітуди U₀. Бічні ко­ливання називають відповідно нижніми і верхніми бічними частотами або смугами частот.

Для передачі, наприклад, розмови слід передавати сму­гу звукових частот від 100 до 3500 Гц, а для передачі му­зики — від 50 до 10000 Гц. Таким чином, після модуляції повинен передаватися спектр високих коливань в межах від f₀ — Fmax до f₀ Fmax (рис. ), де f₀ - коливання несучої частоти, a Fmax — максимальні коливання звукової частоти. Отже, ширина спектра амплітудно-модульованих коливань дорівнює подвоєній максимальній частоті спектра модулюючого сигналу

 

F_naM=2Fmax,

де FnaM — ширина спектра амплітудно-модульованих коли­вань, Fmax — максимальна частота модулюючого сигналу.

При відсутності модуляції т = О, ВЧ коливання мають амплітуду U₀. При m = 1 обвідна звукового сигналу змі­нює амплітуди ВЧ коливань від Umin = 0 до Umах = 2U₀.

Якщо т > 1, то відбувається перемодуляція. Форма обвідних спектральних ліній смуг сигналу порушується і виникають перешкоди до сигналу. Коефіцієнт модуляції т є важливим параметром амплітудно-модульованого сигна­лу. Є апаратура, за допомогою якої повну інформацію сигналу можна передавати лише однією бічною смугою частот. Наприклад, односмугові радіостанції та апаратура високочастотного телефонування.

Рис.

Частотна і фазова модуляції. На амплітудно-модульо­ваний сигнал значно впливають індустріальні, атмосферні та інші перешкоди. При AM мало ефективно використо­вується потужність каскадів передавача. З цих, та інших причин часто застосовують, особливо на більш високих частотах, частотну модуляцію (ЧМ) і фазову модуляцію (ФМ).

При частотній модуляції (рис. ) ВЧ коливання змі­нюються за частотою відповідно до закону зміни зву­кового сигналу W:

W=W₀+<WsinWt,

Якщо т > 1, то відбувається перемодуляція. Форм обвідних спектральних ліній смуг сигналу порушується виникають перешкоди до сигналу. Коефіцієнт модуляції г є важливим параметром амплітудно-модульованого сигна лу. Є апаратура, за допомогою якої повну інформацЬ сигналу можна передавати лише однією бічною смугоь частот. Наприклад, односмугові радіостанції та апаратур. високочастотного телефонування.

Частотна і фазова модуляції. На амплітудно-модульо­ваний сигнал значно впливають індустріальні, атмосферні та інші перешкоди. При AM мало ефективно використо­вується потужність каскадів передавача. З цих .та інших причин часто застосовують, особливо на більш високих частотах, частотну модуляцію (ЧМ) і фазову модуляцію (ФМ).

При частотній модуляції ВЧ коливання змі­нюються за частотою відповідно до закону зміни зву­кового сигналу.

При AM коливаннях миттєва потужність змінюється у великих масштабах — від подвоєної до нуля при т = -== 100 %; при ЧМ коливаннях потужність залишається не­змінною, оскільки амплітуди коливань не змінюються.

При фазовій модуляції синусоїдним модулюючим сигналом спектр коливань визначається так:

U_фм=U₀cos(w₀t+<jsinWt),

де <j — індекс фазової модуляції.

Порівнюючи цю формулу з формулою, бачимо, що різниця між ними тільки в індексі модуляції. У формулі при частотній модуляції індекс B, а при фазовій модуляції — <j

На основі попереднього розгляду ширини спектра ко­ливань при ЧМ можна вважати, що бічна смуга частот при ФМ дорівнює добутку індекса ФМ на частоту модулюючого сигналу W. Тоді повна ширина спектра ФМ коливань

F_пфм=2<jW

Таким чином, на відміну від AM і ЧМ коливань, ширина спектра при ФМ залежить як від ширини спектра звукових коливань W, так і від <j — індекса ФМ коливань, який визначається інтенсивністю або амплітудою цих самих зву­кових коливань.

Отже, як і при ЧМ, у ФМ є вузькосмугова модуляція при <jÍ1 і широкосмугова модуляція при <j> 1. Широкосмуговий сректр коливань більше забезпечу^ приймаль­ний сигнал від перешкод, що і знаходить застосування на практиці.

В принципі частотна і фазова модуляції тісно зв'язані, оскільки будь-яка зміна частоти починається зі зміни фази, а зміна фази приводить до зміни частоти.

Частотну модуляцію здійснюють за допомогою реактив­ного елемента, який підключається до коливального конту­ру генератора ВЧ коливань і на який подається первинний сигнал. Застосовується ЧМ в метровому і більш короткому діапазоні в радіо і радіорелейних, супутникових і кабель­них системах зв'язку з індексом модуляції Вp1.

Фазова модуляція широко застосовується в системах автоматичного регулювання електричних величин імеханічних дій.

Крім розглянутих способів модуляції,застосовувтьсяімпульсна модуляція з різними особливостями.

Детектування високочастотних коливань. Промодульо вані високочастотні коливання за амплітудою, частотою або фазою від передавача надходять у пункт прийому, де їх слід перетворити так, щоб дістати коливання звукової частоти або такої форми, а якої сигнал йадходить на мо­дулятор.

Процес перетворення модульованих високочастотних коливань і виділення коливань звукової частоти називаєть­ся детектуванням. Цей процес є зворотним про­цесом щодо модуляції, а тому його часто називають демодуляцією.

Для детектування амплітудно-модульованого коливан­ня використовують детектор (рис. ), в який входять нелінійний елемент D, резистор навантаження R з ємніс­тю С і допоміжні деталі. Якщо на нелінійний елемент, який має однобічну провідність, вдавати високочастотне промодульоване коливання (рис. ), то струм у його колі перетвориться у форму імпульсів. Амплітуди цих імпуль­сів змінюватимуться за законом звукових коливань.

Імпульси струму, які проходять через резистор R, утворюють на ньому спад напруги і одночасно заряджають конденсатор С. За проміжок часу між імпульсами конден­сатор розряджається тільки частково, в результаті чого в інтервалах між імпульсами напруга на резисторі повністю не зникає. Кожен наступний імпульс (залежно від його ве­личини) до певних розмірів розряджає конденсатор і за законом звукової частоти змінює напругу на резисторі R. З резистора сигнал звукової частоти подається на наступні каскади.

При детектуванні частотно-модульованих коливань за­стосовують різні схеми, зокрема дискримінатори з частотнороапізнавальними контурами. До схеми входять два настроєні на одну частоту контури, два діоди з навантаженням, ємність С₃₃ і дросель Lp. На кожен діод подається дві напруги — напруга U_ki від першого контуру і половина напруги U_k2 від другого контуру. Отже,

U_д1 =U_k1+U₁ i U_д2 =U_k1+U₂

де U_д1, U_д2 —'напруги на першому і другому діодах; U_k1 — напруга першого контуру; U₁ і U₂, — половини напруги U_кг.

Якщо на детектор надходить немодульований сигнал (рис. ), то через індуктивний зв'язок між LI і L2 у котушці L2 наводиться ЕРС е12, і в контурі виникає струм I_k2, який знаходиться у фазі з ЕРС. Напруга Unz на котуш­ці L2 випереджає струм /кг на 90°. Для обох діодїв полови­ни цих напруг через Сз_B геометрично додають з напругою U_k1 у протилежних фазах. Отже, на діодах будуть діяти однакові за величиною напруги U_д1 і U_д2. Тоді ца резисто­рах RI і R2 будуть однакові за величиною, але протилежні За знаком напруги, вихідна напруга дорівнюватиме нулю.

Якщо на детектор надходить модульований сигнал, на­приклад, зменшеної частоти (рис. ), то струм I_k2 ви­переджатиме ЕРСe2 від і відповідно зміниться положення век­тора U_k2. Тоді від геометричної суми U_k1 i U_k2 на діоді DI напруга U_д1 стане більшою, ніж на U_д2 і спад напруги на Rl буде більшим, ніж на R2. На виході різниця потен­ціалів матиме знак “плюс”.

Якщо на детектор надходить модульований сигнал збільшеної частоти (рис. ), то струм I_k2 відставатиме від ЕРС e12 і вектор U_k2 змінить напрям на протилежний (перпендикулярно до Iк2). Тоді напруга на діоді DI буде менша від напруги на діоді D2, і на виході різниця потен­ціалів матиме знак “мінус”.

Таким чином, частотно-модульований сигнал перетворю­ється в сигнал звукових коливань який. подається на на­ступні каскади.