Сибирский государственный  университет телекоммуникаций и информатики.

г. Новосибирск 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Экзамен

по  дисциплине «Основы техники связи» Билет 9 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила  

Содержание 

 

1. Понятие о частотной  модуляции, индекс  модуляции, спектр  ЧМ колебания,  достоинства и недостатки

 

       Частотная модуляция направлена на исключение тресков, на снижение шумового фона, на возможность расширения динамического диапазона, т. е. увеличения разницы между сильными и слабыми звуками, и, наконец, на расширение передаваемого спектра низких частот, т. е. на воспроизведение натурального звучания оркестра.

Рис.1 Несущая  частота не

модулируется 
 

      Посмотрим, за счет чего же это достигается, какие  возможности представляет частотная  модуляция и какие ограничения  на нее наложены. Сравним для этого частотную модуляцию с привычной нам амплитудной модуляцией. При амплитудной модуляции, как известно, амплитуда колебаний следует за кривой низкочастотного микрофонного тока (усиленного, конечно). Это значит, что при отсутствии звука перед микрофоном амплитуда колебаний сохраняет свою среднюю величину, например, так, как это показано на рис. 1, верхняя половина которого изображает колебания высокой частоты, а нижняя — низкочастотный ток, возбуждаемый звуком перед микрофоном. Рис. 1 соответствует отсутствию звука, когда низкочастотный ток равен нулю. Но вот возник звук, появился модулирующий низкочастотный ток. При положительной полуволне низкочастотного тока амплитуда колебаний увеличивается, при отрицательной — уменьшается. Мы видим это на рис. 2, причем по прежнему верхняя половина рисунка изображает колебания высокой частоты, нижняя — низкочастотный ток. Заметим, что в действительности при передаче речи, не говоря уже о музыке, например, оркестровой, картина будет неизмеримо сложнее. Для ясности изображения мы показали простую тональную модуляцию (т. е. модуляцию одним простым тоном). Но принципиальной стороны дела это не меняет, поэтому мы и дальше будем пользоваться этим простым примером.

      Допустим  теперь, что сила звука перед микрофоном возрастает и достигает, наконец, ее предельно допустимой величины. В этом случае амплитуда колебаний высокой частоты может дойти при положительной полуволне низкочастотного тока до двойной величины и уменьшиться до нуля при отрицательной полуволне, как это показало на рис. 3. Такую модуляцию называют обычно стопроцентной.

      А что же произойдет, если сила звука  еще увеличатся выше допустимой? Это  приведет к искажениям передачи, очень  неприятным на слух. Примерная картина  этого явления, называемого перемодуляцией, изображена на рис. 4. 

Рис. 2. Несущая  частота

модулирована  по амплитуде 
 

      Посмотрим теперь, какой вид будут иметь  колебания высокой частоты при  частотной модуляции. Само собой  разумеется, что при отсутствии звука  и, следовательно, модуляции способ модуляции безразличен. Поэтому рис. 1 сохраняет свое значение и для частотной модуляции. При появлении же звука картина будет другая. Амплитуда колебаний не будет меняться, частота же их будет следовать за низкочастотным током, увеличиваясь, например, при положительной полуволне и уменьшаясь при отрицательной. Если, например, средняя частота передатчика равнялась 40 мегациклам, или сорока миллионам периодов в секунду, то она будет теперь изменяться в пределах, например, от 40 миллионов 30 тысяч периодов в секунду до З9 миллионов 970 тысяч периодов в секунду. Условное изображение этого явления можно видеть на рис. 5. Мы говорим «условное» потому, что приведенное в нашем примере изменение частоты в 30 килоциклов при сохранении соотношения между периодами высоких и низких частот изобразить на нашем графике было бы совершенно невозможно.

      На  рис. 6, аналогичном рис. 3, повторено  то же построение в предположении  максимального звука перед микрофоном. Мы видели, что при дальнейшем увеличении звука в случае амплидной модуляции наступали резкие искажения, Поэтому стопроцентная модуляция являлась тем естественным пределом, превышать который не допускалось ни в коем случае. При частотной модуляции этого естественного предела не имеется. И модуляцию, соответствующую максимальному звуку, можно назвать стопроцентной только условно. 

 

Рис. 3. Стопроцентная  модуляция несущей

частоты по амплитуде

 

Рис. 4.

Перемодуляция при

амплитудной модуляции 
 

     Как же характеризуется глубина частотной  модуляции? В отличие от амплитудной  модуляции, где процентное ее определение является исчерпывающим, частотная модуляция характеризуется двумя понятиями, с которыми нам следует познакомиться.

     Первое  из них — это девиация частоты, т. е. отклонение частоты от ее среднего значения. Величина девиации зависит от силы звука. Максимальной силе звука соответствует максимальная девиация частоты. Для радиовещательных станций по существующему стандарту максимальная девиация частоты составляет 75 килоциклов.

     Второе  понятие, характеризующее частотную  модуляцию, носит название индекса модуляции. Индекс модуляции равен отношению девиации частоты к частоте модулирующего низкочастотного тока или, кратко, к частоте модуляции. Если частота модуляции равна, например, одному килоциклу, а девиация частоты в данный момент, соответственно силе звука, равна 30 килоциклам, то индекс модуляции будет равен - 30. Очевидно, что в процессе модуляции, когда и частота модуляции, и сила звука, а следовательно, и девиация частоты непрерывно меняются, индекс модуляции может принимать самые разнообразные значения. Поэтому для характеристики радиостанции условились пользоваться индексом, соответствующим максимальной девиации и самому высокому тону, на которые рассчитана станция. Так например, если максимальная девиация частоты равна (согласно стандарту) 75 килоциклам и станция рассчитана на передачу полосы частот от 50 до 10 000 пер/сек.. то характеризующий ее индекс модуляции будет равен

     

 

     Подчеркнем  еще раз важное обстоятельство, которое  следует твердо запомнить: девиация частоты зависит не от частоты модуляции, а только от силы звука, так же как амплитуда колебаний зависит от силы звука в случае амплитудной модуляции.

     Теперь  остановимся на тех преимуществах  частотной модуляции перед амплитудной, которые вытекают непосредственно  из самого принципа частотной модуляции.

     При отдельных сильных звуках перед  микрофоном, звуках, резко превышающих  средний уровень, а случае амплитудной  модуляции получаются очень неприятные искажения. Это заставляет снижать  средний уровень модуляции так, чтобы именно эти редкие, но очень сильные звуки достигали стопроцентной модуляции. Такой метод очень невыгоден, так как приводит к уменьшению величины полезного сигнала в приемнике, то есть в конечном итоге — к уменьшению дальности действия станции.

     Другим  способом борьбы с перемодуляцией является применение компрессии, т. е. автоматическое снижение амплитуды модулирующего тока при сильных звуках. Такая система, приводя к уменьшению динамического диапазона, вносит в радиопередачу неестественность, снижает ее художественную ценность. 

 
 

Рис. 5. Несущая  частота

модулированная  по частоте 
 

 
 
 

Рис. 6. Модуляция  по частоте

более глубокая, чем в

случае изображенном на рис. 5 
 

      При частотной модуляции, как мы видим, естественного предела модуляции не существует.

      Очень сильные звуки могут вызвать девиацию частоты больше заданной (например 75 килоциклов); при этом искажений может совсем не быть, если имеется некоторый запас линейности в модуляционных каскадах передатчика, в детекторном и оконечном каскадах приемника. Если же запас линейности недостаточен, то возникающие искажения не будут иметь такого неприятного характера, как при амплитудной модуляции.

      Чтобы сказанное было ясно, необходимо детальнее  рассмотреть содержание термина  «линейность». Если выходное напряжение каскада в точности пропорционально входному, то мы называем этот каскад линейным. Очевидно, что никакой каскад не может быть линейным беспредельно. При каких-то входных напряжениях начинают захватываться крайние изогнутые участки анодной характеристики, возникают сеточные токи — линейность нарушается, появляются искажения. Регулируя громкость приемника, мы стремимся к тому, чтобы даже при самых сильных звуках не было искажений. Тем самым мы ставим оконечный каскад приемника в «линейный режим». Неопытные радиослушатели часто устанавливают громкость несколько выше, чем это следует. Тогда самые сильные звуки оказываются искаженными, художественность нарушается. Еще хуже обстоит дело, если нелинейность допущена на передатчике: тогда при любой регулировке приемника сильнее звуки будут искажены.

      Вторым  преимуществом частотной модуляции  является ее нетребовательность к линейности в каскадах усиления высокой и  промежуточной частоты. Чтобы убедиться  в этом, допустим, что характеристика рассматриваемого каскада имеет  вид. показанный на рис. 7. Характеристика эта показывает зависимость выходного напряжения высокой частоты от входного напряжения высокой частоты. Не следует смешивать такую характеристику с обычными статическими характеристиками лампы. Кривая рис. 7 является результатом работы каскада в целом, включающего входной и выходной контуры, и позволяет судить (если она начерчена не произвольно, как у нас, а в соответствующем масштабе) о правильности выбора режима лампы, о качестве контуров и т. д.

      Естественно, что кривая рис. 7 начинается от нуля: когда входное напряжение равно нулю, выходное напряжение, конечно, отсутствует. Далее, до некоторого предела (помеченного буквой А) она идет линейно, т. с. выходное напряжение пропорционально входному. После этого предела линейность нарушается, выходное напряжение еще растет при увеличения входного, но не пропорционально ему. Наконец, после точки В выходное напряжение вообще перестает расти при увеличении входного напряжения. Заметим, что при некоторых режимах ламп выходное напряжение может даже падать при увеличении входного. 
 

 

Рис. 7. Примерная характеристика

каскада усиления

высокой или  промежуточной частоты

 

 

Рис. 8. Амплитуда  сигналов

не выходит  за пределы

линейной  части характеристики 
 

      Если  входное напряжение модулировано по амплитуде (как показано на рис. 8) и не выходит за пределы линейности, то выходное напряжение в точности пропорционально ему и, следовательно, не искажено. При увеличении же входного напряжения (см. рис. 9) возникают сильные искажения, сохраняющиеся при детектировании и усилении низкой частоты.

      Таким образом, нелинейность в каскадах усиления высокой  промежуточной частот при  амплитудной модуляции может  вызвать большие искажения. Чтобы  их избежать, необходимо применять  специальные меры, препятствующие чрезмерному возрастанию напряжения (наиболее распространенная из этих мер — автоматическое регулирование усиления).

      При частотной модуляции, поскольку  амплитуда входного напряжения остается постоянной (не модулируется), и выходное напряжение остается постоянным. Это настолько очевидно, что не требует пояснения. Что же касается модуляции частоты, то нелинейность каскада не может оказать на нее никакого воздействия.

      Правда, нелинейность каскада усиления приводит к появлению гармоник высокой  частоты (т. е. при частоте, например, 5 мегациклов к появлению токов частоты 10 мегациклов, 15 мегациклов и т. д.). Но эти гармоники отсеиваются последующими контурами.

      Наконец, при амплитудной модуляции чем  сильнее сигнал, тем громче мы его  слышим, ибо увеличение модулированного по амплитуде сигнала увеличивает и детектированный ток и не только его постоянную составляющую, но и переменную. Последняя же после усиления по низкой частоте и определяет громкость звука.