Честотна модулация: Разлика между версии
Изтрито е съдържание Добавено е съдържание
Termininja (беседа | приноси) м форматиране: 18x интервали, 3x заглавие-стил, 2x заглавие (ползвайки Advisor.js) |
|||
Ред 1:
[[Файл:Amfm3.gif|thumb|right|250px| Модулиране на основен (носещ) синусоидален сигнал с информационен такъв при амплитудна (АМ) и честотна (ЧМ) модулация ]]
'''Честотната модулация (ЧМ)''' ({{lang-en|frequency modulation (FM) }}) е термин въведен и използван в [[радиотехника]]та. Свързан е с обясняване обработката на синусоидални [[сигнал]]и и представлява вид [[Аналогов сигнал|аналогова]] [[Модулация (техника)|модулация]]. При този процес се осъществява обработка на един основен (носещ) синусоидален сигнал с друг модулиращ информационен сигнал. В резултат, без да се променя [[амплитуда]]та на носещия синусоидален сигнал се променя пропорционално неговата моментна [[честота]], по закон свързан с промените на модулиращия информационен сигнал<ref>Сарман, Жан-Пиер, Енциклопедичен речник по физика, Издателство Мартилен, София, 1995, с. 169, ISBN 954-598-041-9 </ref>.
[[Файл:Frequency-modulation.png|right|250px|thumb|Пример за честотна модулация. Горе — <font color=red>модулиращ информационен сигнал</font> на фона <font color=green>носещето високочестотно синусоидално трептение</font>. Долу — <font color=blue>резултантен амплитудно-модулиран сигнал</font>]]
== История ==
Честотната модулация е предложена от [[Едуин Армстронг]] ''(Edwin Howard Armstrong (1890–1954))'' и е патентована от него на 26 декември 1933 г. След 1935 г. се появяват първите [[радиопредавател]]и, излъчващи [[Електромагнитно излъчване|електромагнитни вълни]] в метровия обхват с честотна модулация на информационния сигнал. <ref >Тихчев, проф. к.т.н. инж. Христо, Радиопредавателни устройства, Издателство "Техника", София, 1992, с. 7, ISBN 954-03-0071-1</ref> Честотната модулация намира приложение в радиотехническите средства за комуникация през [[Втора световна война|Втората световна война]]. Във Вермахта от 1942 г. се използват двуканални радиорелейни станции с честотна модулация. От началото на 1943 г. [[Червена армия|Червената армия]] използва радиостанции А-7А за артилерията, работещи в диапазон 20-26 MHz и А-7Б за пехотата работещи в диапазон 26-32 MHz. <ref name "Kokerov">Кокеров, доц.д-р инж. Георги Маринов, Комуникационна техника Радиокомуникации, Технически университет - София, София, 2007, с. 142</ref>
== Теория ==
В най-общ случай модулиращия сигнал е случайна функция на времето. Обикновено при теоретично разглеждане на въпроса за честотната модулация се приема, че този сигнал има синусоидална форма.
Един синусоидален сигнал използван като основен носещ радиотехнически сигнал е:
<math>x_c(t) = A_c \cos (2 \pi f_c t)\,</math>, където '''f<sub>c</sub>''' е честотата, а '''A<sub>c</sub>''' амплитудата му.
Честотното модулиране, при запазване на постоянна амплитуда '''A<sub>c</sub>''' на един радиотехнически сигнал, с друг модулиращ '''<math>v_m(t) = V_m \cos (2 \pi f_m t)\,</math>''', се свежда до промяната на моментната честота:
:<math>y(t) = A_c \cos \left( 2 \pi \int_{0}^{t} f(\tau) d \tau \right)</math>
Ред 27:
<math>\int_{0}^{t}x_{m}(\tau) d \tau ) </math>, изразява действието на модулиращия сигнал
== Особености ==
Всяко въздействие върху честотата при модулация се отразява и върху фазата на модулираното синусоидалното колебание. Затова в най-общ случай такова манипулиране на носещия сигнал се нарича ''ъглова модулация'' с два подвида '''честотна (ЧМ)''' и '''фазова модулация (ФМ)'''. В случая при ЧМ, честотата се изменя по линеен закон - закона на интеграла от модулиращото напрежение. При фазовата модулация честотата на сигнала се изменя по закона на производната от модулиращото напрежение <ref>Тихчев, проф. к.т.н. инж. Христо, Радиопредавателни устройства, Издателство "Техника", София, 1992, с. 314, ISBN 954-03-0071-1</ref> <ref name "Kokerov"></ref>
Въпреки, че математически честотите са ограничени в интервала ±'''(f<sub>c</sub> + f<sub>Δ</sub>m(t))''', трябва да не се смесват и да не се пренебрегва разликата между моментната честота на носещия сигнал и спектралната честота. Хармоничния спектър на ЧМ сигнал има хармонични компоненти, които достигат до много висок порядък, но с безкрайно малка мощност и действието им е незначително при пренасянето на сигнала и демодулирането му.
== Спектър на честотномодулираното напрежение ==
Когато носещата честота '''f<sub>c</sub>''' се модулира, например със синусоидално напрежение с честота '''f<sub>m</sub>''', модулираното напрежение се състои от една съставка с честота '''f<sub>c</sub>''' равна на централната и безкраен ред от съставки с честоти
'''f<sub>c</sub>± nf<sub>m</sub>''', където ('''n'''=1,2,3,....).
Това показва, че теоретично спектърът на честотномодулираното напрежение е безкрайно широк. Съставките, още наричани странични, са разположени странично две по две на съставката с централна честота, като разликата между две странични съставки е равна на модулиращата честота '''f<sub>m</sub>'''. Амплитудите на страничните съставки зависят от [[амплитуда]]та и [[честота]]та на модулиращото напрежение (наричан индекс на модулацията) и поредния номер '''n'''. Скоростта на намаляване на съставките се определя от тези два параметъра - т.е. малък индекс и висок номер водят до бързо намаляване амплитудата на страничните съставки. При предаването и приемането практическа стойност имат съставките, чиято амплитуда е по-голяма от 1% от високочестотното немодулирано напрежение.
За предаване и за висококачествен прием на звукови честоти до 15 000 Hz при максимална честотна девиация ± 75 kHz (при индекс 5), се приема реална [[честотна лента]] от 150 до 200 kHz. Поради насищането на ефира с предавателни станции се налага стесняване на използвания честотен диапазон. На практика се ограничава модулиращата звукова честоти до 12 kHz (при индекс 5), с което се намалява честотната лента на излъчваното честотно модулирано колебание от 130 до 150 kHz. Това ограничаване на звуковата модулираща честота не влошава ефирно предаваната информация и се предава и възпроизвежда звукова картина с добро качество. Широката [[честотна лента]] определя и избора на честотния обхват за работата на предавателите. Прието е честотно модулирани сигнали да се излъчват в ултракъсовълновият (метровия) обхват и разликата между централните честоти на две съседни радиопредавателни станции да е 300 kHz. <ref>Пецулев, проф.к.т.н. Спиро, проф. д.т.н. Владимир И. Сифоров, Радиоприемни устройства, Държавно издателство "Техника", София, 1979, с. 331</ref>
== Използване ==
Честотната модулация се използва за висококачествено радиоразпръскване в диапазона на ултракъсите вълни (УКВ диапазон или FM). Радиоприемането с използване принципа на [[Суперхетеродинен радиоприемник|суперхетеродинния радиоприемник]] за много високо качество на възпроизвеждане, в телевизионните предаватели за звуков съпровод на телевизионните програми, предаване сигналите за цветност по телевизионния стандарт [[SECAM]], са изключително на честотна модулация. Прилага се и при видеозапис на [[магнитна лента]], в музикални синтезатори, в радиосвързочни средства и др. За да се обезпечи качествен прием на честотномодулирани сигнали и да не се допуснат изкривявания при възпроизвеждането, е необходимо пропусканата лента на приемника, честотната селекция и усилване да не е по-тясна от излъчваната честотна лента от предавателя.
Голямото предимство на ЧМ пред амплитудната модулация (АМ) се състои в това, че приема е със значително по-слаб фонов шум и по-ниска чувствителност към паразитни сигнали. Честотната лента заемана от ЧМ-сигнала е значително по-широка от тази на АМ-сигнала и може да достигне до 200 kHz, като възпроизвеждането на който и да е звук е с много високо качество и най-близко до оригинала. Вместването на по-голям брой предаватели, работещи с ЧМ, налага да се използва високочестотния диапазон на носещата честота в метровия обхват (приблизително около и над 100 MHz). Недостатъкът на радиоразпръскването на радиовълни с метрова дължина се корени в тяхното разпространение - те се разпространяват практически в зоната на пряката видимост.
== Честотно-модулиращи устройства ==
Получаването на честотно-модулирани трептения се реализира с реактивно управляемо съпротивление ('''Х<sub>у</sub>(t)'''), въздействащо директно на [[Трептящ кръг|трептящия кръг]] на генератора. За управляемо реактивно съпротивление се поставя [[Електрически капацитет|капацитет]], обикновено включен [[Последователни и успоредни електрически вериги|паралелно на трептящия кръг]] и по този начин пряко влияещ върху честотата на генерираните колебания и големината на честотната девиация спрямо основната честота на генератора.
:<math>\omega=\sqrt{1\over LC}</math>,<br>
където <math>\omega\ </math> e т.нар. кръгова [[честота]], а '''L''' е [[индуктивност]]та и '''C''' капацитета на трептящия кръг. <ref>Ненов, проф. к.т.н. инж. Георги Димитров, Радио-технически вериги и сигнали, второ преработено издание, Издателство"Техника", София, 1993, с. 188, ISBN 954-03-0268-4</ref>
В съвременната схемотехника като модулатор се използва [[варикап]]. Варикапът е полупроводников [[диод]], PN преходът на който при обратна поляризация е капацитет управляем с [[Електрическо напрежение|напрежение]]. За предавателите има разработени различни схеми за честотно модулиране, всяка от които има предимства и приложение в зависимост от потребностите:
*- Честотно-модулирани '''LC''' генератори с варикапи, като полупроводниковия диод е честотен модулатор. Варикапът има голямо ниво на нелинейни изкривявания като честотен модулатор. Затова се използват схемни решения с два последователно насрещно включени варикапа. По такъв начин високочестотното напрежение се подава към двата диода с реактивно съпротивление в противофаза и четните хармоници на ВЧ токовете взаимно се компенсират.
*- за постигане на голяма девиация при малки нелинейни изкривявания се използват двугенераторни схеми на честотно модулиращи устройства. Подобни модулиращи схеми се използват в предавателите на радиорелейните линии.
*- при необходима по-малка честотна девиация се използват честотно-модулирани кварцови генератори. Те не се нуждаят от допълнителна стабилизация на средната честота, за разлика от честотно-модулираните LC генератори, което е основното им предимство. <ref >Тихчев, проф. к.т.н. инж. Христо, Радиопредавателни устройства, Издателство "Техника", София, 1992, с. 318-324, ISBN 954-03-0071-1</ref>
== Честотно демодулиране ==
{{основна|Детектор}}
== Предимства и недостатъци ==
* Честотната модулация има следните предимства пред амплитудната модулация:
:-Поради това, че амплитудата на модулирания сигнал не се променя, предавателят може да работи непрекъснато на максимална [[мощност]]. Теоретично това означава, че мощността при излъчване на ЧМ радиовълни може да е четири пъти по-голяма от един сравним предавател работещ с АМ радиовълни. Оттук и напрегнатостта на електромагнитното поле е значително по-висока при равна отдалеченост от предавателя, което обезпечава устойчив прием.
:-Импулсният характер на промишлените смущения и техния спектър влияят върху приема на АМ сигнали, но почти не влияят върху приема на ЧМ сигнали. Причината за постиганото високо отношение сигнал/шум е, че ЧМ използва носещи честоти от 60 до над 100 MHz, при което съставките от спектъра на промишлените смущения в този диапазон са с ниско ниво и имат слабо влияние. Освен това, обработката на ЧМ сигнала в приемника със схемите за ограничаване преди детектиране, също подобряват това отношение, като подобряват значително качеството на приема.
:-При честотното модулиране се работи с по-широк динамичен обхват на звука без да се премодулира носещия сигнал, като с това не се внасят изкривявания водещи до неестествено звучение при възпроизвеждане.
* Недостатъци при прием на ЧМ радиовълни:
:-Недостатъците при приема на ЧМ сигнали се коренят преди всичко в разпространението на ултракъсите вълни (УКВ). Вследствие праволинейното им разпространение има ограничена далечина на приемане.
:-Приемно-предавателната апаратура за ЧМ сигнали е по-сложна и по-скъпа от тази за АМ сигнали, въпреки че градивните елементи използвани от съвременната радиопромишленост значително са намалили тази ценова разлика. <ref>Пецулев, проф. к.т.н. Спиро, проф. д.т.н. Владимир И. Сифоров, Радиоприемни устройства, Държавно издателство "Техника", София, 1979, с. 340</ref>
== Вижте също ==
| |||