..:: | Назад | Содержание | Далее | ::..
На практике радиосигналы с угловой модуляцией получают либо непосредственной перестройкой частоты задающего генератора (частотная модуляция), либо изменением фазы несущего колебания (фазовая модуляция).
Частотные модуляторы. Наиболее просто частотную модуляцию несущего колебания можно осуществить путем электронной (мгновенной) перестройки резонансной частоты колебательного контура автогенератора. В практических радиоэлектронных схемах это выполняется с помощью нелинейного полупроводникового элемента - варикапа. Известно, что барьерная емкость С p-n-перехода варикапа зависит от приложенного напряжения и определяется вольт-фарадной характеристикой С(и). На рисунке 2.29 показана вольт-фарадная характеристика варикапа.
Рисунок 2.29 - Вольт-фарадная характеристика варикапа
Для реализации частотной модуляции необходимо по закону модулирующего сигнала изменять частоту несущего колебания. На рисунке 2.30 в схеме частотного модулятора штриховой линией обведен автогенератор на ОУ, вырабатывающий в отсутствие модулирующего сигнала несущее колебание uн(t) = Uн cos φ0 t
Рисунок 2.30 - Частотный модулятор с варикапом
В этой схеме частотного модулятора индуктивность Lк, емкость Cк и варикап VD образуют колебательный контур, резонансная частота которого равна несущей частоте. Перестройка частоты генерируемых колебаний достигается в модуляторе путем изменения емкости варикапа.
При отключенном модулирующем сигнале емкость варикапа определяется постоянным напряжением смещения U0 и равна C0. Если же на входе автогенератора действует гармонический сигнал e(t)=E0 cosΩt, то емкость варикапа C(t) будет изменяться во времени относительно C0 по гармоническому закону (рисунок 2.29). По такому же закону начнет перестраиваться и резонансная частота колебательного контура 
и частота выходного сигнала автогенератора.
Во избежание шунтирования контура малыми сопротивлениями источников U0 и e(t) их подключение осуществляется через дроссель L1 представляющий большое сопротивление для несущего колебания и малое сопротивление для модулирующего сигнала и постоянного напряжения смещения. В схеме модулятора постоянная емкость Cр - разделительный конденсатор.
Цифровой частотный модулятор. Цифровую частотную модуляцию (манипуляцию) можно реализовать различными способами, например, управлением частотой генератора гармонических сигналов по закону
где kчм - девиация частоты;
enk кодовые символы;
ν (t-Δt) - форма импульсного сигнала;
φ0 - начальная фаза несущего колебания.
Рассмотрим принцип формирования такого сигнала. Для систем с индексом частотной модуляции m=0,5 широко используется квадратурный метод модуляции со сдвигом модулирующих функций. Его действие сводится к сглаживанию закона изменения фазы Δφ при частотной манипуляции. Математически доказано, что огибающая энергетического спектра цифрового ЧМ-сигналов резко убывает по мере удаления от несущей при увеличении степени сглаживания закона изменения фазы. Поэтому можно повысить эффективность цифрового ЧМ-сигнала путем сужения рабочей полосы. Оптимальные результаты в формировании цифрового ЧМ-сигнала достигаются при периоде следования модулирующих сигналов Δt=τ. Такой вид манипуляции называется манипуляцией с минимальным сдвигом – ММС).
При осуществлении ММС для передачи логической «1» фазу несущей линейно увеличивают так, чтобы за время длительности такта Δt приращение фазы Δφ составляло π/2; передаче логического «0» соответствовало линейное уменьшение фазы несущей на π/2. Это наименее возможное изменение фазы несущей, распознаваемое в приемнике при данном типе модуляции, которую можно трактовать как частотно-фазовую. Зная величину изменения фазы за один такт Δ φ = π/2 можно рассчитать девиацию частоты Δf
Учитывая, что Δφ=2πΔfΔt находим Δf=0,25/Δt
Структурная схема модулятора с ММС показана на рисунке 2.31.
Рисунок 2.31 - Квадратурная схема формирования двоичного сигнала ММС
Модулятор построен по квадратурной схеме, содержащей задающий генератор (несущей) частоты f0, фазовращатель на 90o, два умножителя и сумматор. Для сглаживания закона изменения фазы перед модулятором включен фильтр нижних частот (ФНЧ) с гауссовской (нормальной) частотной характеристикой и интегратор. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить «сглаженные переходы» в текущей фазе несущего колебания. В системах передачи информации такой вид модуляции с использованием фильтра Гаусса называется гауссовской манипуляцией с минимальным частотным сдвигом (GMSK – Gaussian Minimum Shift Keying).
Структура GMSK-радиосигнала и принцип его формирования показаны на рисунке 2.32.
Рисунок 2.32 - Диаграммы к модулятору GMSK
Сигнальные биты на рисунке 2.32 представлены либо импульсом положительной, либо импульсом отрицательной полярности. Входной сигнал, преобразованный в ФНЧ и интеграторе в фазовый сдвиг
φ(t)=Δφ t (кривая 2, рисунок 2.32) разбивается в блоках «cos» и «sin» на две квадратурные составляющие cosφ(t) и sinφ(t). Эти составляющие входного сигнала поступают на блоки умножителей, на первый из которых от задающего генератора подается колебание несущей частоты cos(2π f0 t) а на другой – такое же, но ортогональное колебание несущей частоты - sin(2π f0 t). Сигналы с умножителей частоты поступают в сумматор, на выходе которого формируется GMSK-сигнал с девиацией частоты, когерентной (от слова cohaerens – находящийся в связи) скорости манипуляции.
Цифровая модуляция типа GMSK обладает следующими эффективными свойствами: достаточно узкой рабочей полосой частот; постоянной амплитудой радиосигнала, позволяющей использовать усилители мощности передатчиков в почти ключевом режиме (КПД до 90%); хорошими характеристиками помехоустойчивости каналов радиосвязи.
Фазовые модуляторы. Метод Армстронга. Для осуществления фазовой модуляции сигналов при небольших ее индексах Э. Армстронг в 1932 г. предложил использовать сложение под углом 90° немодулированного несущего и балансно-модулированного колебаний (рисунок 2.33).
Рисунок 2.33 - Модулятор Армстронга
В этой схеме фазовращатель (90°) изменяет фазу несущего колебания на 90°. На выходе балансного модулятора (БМ) получается AM колебание с подавленной несущей. Таким образом, на вход сумматора (+) поступают два колебания: напряжение несущей u’н(t) = Uн sinφ0 t и амплитудно-модулированный сигнал uAM(t) = M Uн e(t) cos φ0 t
Путем несложных математических выкладок можно показать, что выходной сигнал сумматора приближенно описывается формулой
и представляет собой гармоническое колебание с фазой, изменяющейся по закону модулирующего сигнала e(t).
Метод Армстронга, используемый для фазовой модуляции, практически реализуется на сравнительно низкой частоте (из-за малого индекса модуляции) и требует большого числа каскадов умножения частоты. Поэтому в передатчиках с фазовой модуляцией (при больших индексах модуляции) применяют модулятор с варикапом в контуре автогенератора и со схемой фазовой автоподстройки частоты.
..:: | Назад | Содержание | Далее | ::..