Частотная модуляция

При частотной модуляции (ЧМ или РЗ) амплитуда модулированного несущего колебания остается неизменной, а меняется только его частота в соответствии с изменением амплитуды первичного сигнала. На рис. 1.8 показаны формы исходного (модулирующего) и частотно-модулированного сигналов.

Максимальное отклонение частоты от среднего значения несущей называется девиацией частоты:

,

или .

Отношение

называется индексом частотной модуляции. Здесь W, (F) – частота первичного сигнала.

Рис. 1.8. Принцип частотной модуляции

Также как АМ колебание, частотно-модулированное колебание является сложным. Разложение ЧМ сигнала на гармонические составляющие требует достаточно сложных математических преобразований с использованием функции Бесселя.

Выполнение этих преобразований показывает, что спектр колебания при частотной модуляции состоит из колебаний с частотами w₀ (f₀) и бесконечного числа боковых частот, расположенных попарно симметрично относительно несущей частоты w₀ и отличающихся от последней на nW, где n - любое целое число.

Амплитуды боковых составляющих определяются выражением

,

где – амплитуда ВЧ колебания;

– функция Бесселя n-го порядка от аргумента .

Пример спектра ЧМ сигнала показан на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Спектр ЧМ сигнала

По величине индекса частотной модуляции различают:

– узкополосную ЧМ, когда < 1, т.е. < F;

– широкополосную ЧМ, когда >1, т.е. > F;.

Теоретически спектр ЧМ колебаний бесконечно широк. Практически, начиная с некоторых частот, амплитуды гармоник столь малы, что ими можно пренебречь. На этом основании ширина спектра ЧМ колебаний определяется как диапазон частот, расположенный симметрично относительно несущей, за пределами которого нет гармоник с амплитудами, превосходящими 0,01 .

Приближенно ширина спектра определяется формулой

(2)

Например, при девиации частоты = 5 кГц и наивысшей частоте спектра звукового сигнала F = 3,4 кГц, принятых для военной радиосвязи, ширина спектра ЧМ сигнала составит DF_C » 2(5+3,4)=16,8 кГц.

При большом индексе частотной модуляции, когда >>1, формула (2) принимает вид

,

т. е. ширина спектра практически равна удвоенной девиации частоты.

При малом индексе частотной модуляции << 1ширина спектра будет равна

,

т. е. составит такую же величину, как и при амплитудной модуляции.

В технике радиосвязи при работе в телефонном режиме на частотах выше 20...30 МГц частотная модуляция нашла широкое применение, а в УКВ радиостанциях малой мощности (до 100 Вт) она является основным видом модуляции. Сигналы при ЧМ имеют более широкий спектр, чем при ОМ, но это обстоятельство при большой частотной емкости диапазона не является решающим при выборе вида модуляции. Кроме того, аппаратура, где применяется только частотная модуляция, значительно упрощается, что очень важно для маломощных радиостанций.

1. Назначение и основные эксплуатационно-технические
характеристики радиопередатчика

Радиопередатчиком называется радиотехническое устройство, преобразующее первичные электрические сигналы в радиосигналы определенной мощности, необходимой для обеспечения радиосвязи на заданное расстояние с требуемой надежностью.

Независимо от вида передаваемых сигналов передатчик выполняет следующие функции:

1) формирование сетки (множества) высокочастотных несущих колебаний в рабочем диапазоне с заданной дискретностью;

2) модуляция (или манипуляция) несущих колебаний по закону передаваемых первичных сигналов;

3) усиление сформированных радиосигналов до заданной мощности за счет энергии местных источников питания;

4) преобразование усиленных радиосигналов в электромагнитные волны.

В состав любого радиопередатчика, обобщенная структурная схема которого представлена на рис.2.1, входят следующие основные элементы: возбудитель, усилитель мощности, согласующее антенное устройство и система электропитания.

Рис. 2.1. Структурная схема радиопередатчика

Основными техническими характеристиками любого радиопередатчика являются:

– диапазон и количество рабочих частот;

– виды радиосигналов;

– мощность и коэффициент полезного действия;

– стабильность частоты излучаемых радиосигналов;

– уровень побочных излучений;

– время перестройки передатчика с одной частоты на другую.

1. Диапазон рабочих частот характеризуется двумя параметрами: граничными частотами диапазона и , а также коэффициентом перекрытия диапазона по частоте

.

В УКВ диапазоне обычно не превышает 1,3 (в некоторых случаях может достигать величины 3,0). Для передатчиков КВ диапазона значение коэффициента перекрытия колеблется в пределах 10-20.

При заданном интервале между соседними частотами (шаге сетки) диапазон частот определяет общее количество рабочих частот N, на которое может быть настроен передатчик:

Обычно интервалы между соседними частотами равны 0,01; 0,1; 1,0; 10 и
25 кГц.

2. Виды радиосигналов, используемых для радиосвязи, можно разделить на две группы: телефонные, формируемые в процессе модуляции, и телеграфные, формируемые в процессе манипуляции.

В настоящее время при формировании телефонных радиосигналов наиболее широко используются методы однополосной (ОМ) и частотной (ЧМ) модуляции и практически не применяются устаревшие методы амплитудной (АМ) модуляции. При работе телеграфными радиосигналами применяются методы амплитудного (АТ), частотного (ЧТ и ДЧТ) и относительного фазового (ОФТ) телеграфирования.

3. Мощность радиопередатчика является одной из важнейших характеристик и в значительной степени определяет уровень сигнала в точке приема, а следовательно, дальность радиосвязи и ее надежность. Под мощностью радиопередатчика понимается средняя мощность радиосигнала, подводимая к передающей антенне.

Для всех видов телефонных радиосигналов (кроме ОМ) средняя мощность измеряется при отсутствии первичного сигнала (в режиме молчания). Для телефонных радиосигналов с ОМ мощность радиопередатчика определяется пиковой мощностью радиосигнала при максимальном (пиковом) значении первичного модулирующего сигнала. При работе радиопередатчиков телеграфными радиосигналами мощность оценивается средней мощностью, подводимой к антенне при передаче положительной (токовой) посылки первичного электрического сигнала или, как принято говорить, «в режиме нажатого ключа».

Общий (промышленный) КПД радиопередатчика определяется отношением мощности, подводимой к антенне, к общей мощности, потребляемой его цепями от первичного источника питания. В современных радиопередатчиках средней и большой мощности общий КПД составляет 25...30 % [2].

4. Стабильность частоты излучаемых радиосигналов определяет устойчивость и надежность радиосвязи, обеспечивает вхождение в связь без поиска корреспондентов и без подстройки приемника. Количественно стабильность частоты оценивается либо абсолютной, либо относительной нестабильностью.

Под абсолютной нестабильностью частоты понимается разность между ее текущим (измеренным) значением/и номинальным (требуемым) значением :

Относительная нестабильность частоты позволяет сравнивать передатчики, работающие в различных диапазонах, и определяется отношением абсолютной нестабильности к номинальному значению частоты, на котором осуществляется измерение:

.

Относительная нестабильность частоты современных радиопередатчиков составляет = 10^-6... 10^-7 и выше.

5. Уровень побочных излучений (колебаний). Под побочными (паразитными) излучениями понимаются радиосигналы, излучаемые антенной на частотах, расположенных за пределами спектра основного радиосигнала. Побочные колебания возникают в возбудителях и усилительных трактах, а также в САУ, если в них содержатся нелинейные элементы. Побочные излучения расширяют занимаемую радиосигналом полосу частот и оказывают мешающее действие соседним каналам связи.

Принято различать два вида побочных излучений: излучения на гармониках основной частоты, возникающие в результате нелинейного режима усиления радиосигнала в УМ, и излучения на комбинационных частотах, возникающие в результате нелинейных преобразований при формировании сигналов на рабочей частоте в возбудителе. Последние являются наиболее опасными, поскольку могут находиться в непосредственной близости от спектра основного радиосигнала и практически не фильтруются в усилительных каскадах передатчика.

Относительный уровень побочных излучений оценивается отношением мощности побочного излучения Р_пи к мощности основного излучения Р_А и выражается в децибелах:

В соответствии с современными требованиями гармоники основного излучения (вторые и более высокие) должны быть подавлены на выходе радиопередатчика не менее чем на 65 дБ.

Нормы по подавлению комбинационных частот следующие:

¨ в полосе частот, отстоящих от спектра основного сигнала на
(± 3,5)…(± 25) кГц – не менее 80 дБ;

¨ 4 от ± 25 кГц и до ± 10 % от установленной частоты – не менее 120 дБ;

¨ свыше ± 10 % от установленной частоты – не менее 140 дБ.

6. Время перестройки передатчика с одной частоты на другую в значительной степени определяет надежность радиосвязи, особенно в условиях сложной помеховой обстановки. Современные радиопередатчики, имеющие системы заранее подготовленных частот (ЗПЧ), обеспечивают перестройку с одной ЗПЧ на другую в течение единиц секунд. В настоящее время предъявляются более жесткие требования к указанной характеристике. Так, при использовании радиостанций в частотно-адаптивных радиолиниях время перестройки должно ограничиваться единицами миллисекунд.

Кроме рассмотренных выше характеристик важное значение имеют также эксплуатационные и конструктивные характеристики радиопередатчиков:

– время готовности к работе, которое измеряется с момента включения радиопередатчика и до момента достижения номинальных значений параметров, в том числе требуемой стабильности частоты. В зависимости от типов радиопередатчиков и используемых в них усилительных элементов это время составляет от единиц секунд до десятков минут;

– время непрерывной работы. Радиопередатчики большой мощности, как правило, должны быть рассчитаны на непрерывную работу в течение суток, средней мощности - на непрерывную работу в течение нескольких часов, а для переносных радиостанций в ряде случаев предусматривается работа в течение меньших отрезков времени. Эта характеристика определяет выбор источников питания, системы охлаждения и конструкции выходных каскадов усилителей мощности;

– надежность, оцениваемая наработкой на отказ, которая должна составлять для серийно выпускаемых радиопередатчиков средней и большой мощности на втором году их эксплуатации 2.. .3 тыс. ч;

– устойчивость к механическим воздействиям (вибростойкость, ударо-стойкость) и независимость работы радиопередатчика от климатических условий. Эти требования вытекают из необходимости надежной работы радиопередатчика в различных, порой весьма сложных условиях эксплуатации;

– габариты, масса и т. д.

Требования к основным техническим характеристикам современных радиопередатчиков чрезвычайно высоки и обычно находятся в противоречии.