Аспекты использования ЧМ в технике электросвязи и радиовещания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Башкирский государственный университет

Физико-технический институт

Курсовая работа

по Общей теории связи

Аспекты использования ЧМ в технике электросвязи и радиовещания (схемотехника реализации модуляторов и демодуляторов, полоса занимаемых частот, помехоустойчивость, нелинейные искажения, динамический диапазон)

Выполнила студентка 3 курса группы ИТСС УФО ЗО

Галиева Разиля Разифовна

Проверил: кандидат физико-математических наук

профессор Гарифуллин Наиль Миниахметович

Уфа-2016

Содержание

• Введение
• 1. Частотная модуляция
• 1.1 Параметры и характеристики частотной модуляции
• 1.2 Недостатки частотной модуляции
• 2. Радиовещание
• 2.1 Основные параметры и характеристики
• 2.2 Использование частотной модуляции в технике электросвязи и радиовещания
• Заключение
• Список использованной литературы
• Введение

Модуляция (лат. mоdulаtiо - размеренность, ритмичность) - процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения). Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. Модуляция, таким образом, представляет собой процесс "посадки" информационного колебания на заведомо известную несущую. В результате модуляции спектр низкочастотного управляющего сигнала переносится в область высоких частот. Это позволяет при организации вещания настроить функционирование всех приёмо-передающих устройств на разных частотах с тем, чтобы они "не мешали" друг другу. В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т. д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания или волны с частотой (называемой несущей или поднесущей) модулятор 104--1015 гц.. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др.). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией.

Модулирующие электрические сигналы передаваемого сообщения могут иметь самую разнообразную форму: от простых и медленных телеграфных посылок в виде точек и тире или колебаний звукового диапазона частот при передаче речи и музыки до сложных, быстро изменяющихся сигналов, применяемых в телевидении или в многоканальной проводной и радиорелейной связи. Часто в функцию модулятора входит также усиление модулирующих колебаний.

Частотная модуляция - изменение частоты колебаний генератора под действием модулирующего напряжения. Частотная модуляция (ЧМ) применяется в радиотелефонии, так как она позволяет уменьшить помехи при приеме по сравнению с амплитудной модуляцией. Однако это достоинство частотной модуляции практически становится заметно только на достаточно коротких волнах, на которых девиацию частоты можно сделать достаточно большой.

Манипуляция (цифровая модуляция) - в теории передачи дискретных сообщений процесс преобразования последовательности кодовых символов в последовательность элементов сигнала (частный случай модуляции - при дискретных уровнях модулирующего сигнала).

Задача оптимизации систем передачи информации сводится к нахождению наилучшего варианта системы при заданных условиях и ограничениях, при котором потребителю в единицу времени доставляется максимальное количество информации при заданной верности передачи. Для повышения эффективности систем используются сокращение избыточности источника, помехоустойчивое кодирование и др.

1. Частотная модуляция

Частотная модуляция (ЧМ)- процесс изменения частоты несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала. По сравнению с амплитудной модуляцией здесь амплитуда остаётся постоянной.

Рисунок 1 - Пример частотной модуляции. Вверху - информационный сигнал на фоне несущего колебания. Внизу - результирующий сигнал



Рисунок 2 - Формирование ЧМ сигнала

Рисунок 3 - Спектры ЧМ колебаний. Зависимость спектров от коэффициента модуляции.

При увеличении индекса модуляции возникают ряды

(1)

(2)

в спектре ЧМ появляются частоты . При больших m ширина спектра

,

причем несущая подавлена до уровня остальных составляющих:

При частотной модуляции (ЧМ) изменяется частота гармонического сигнала соответственно значащей позиции сигнала данных. Единичные элементы, соответствующие символам данных 1 и 0, представляются в виде:

(3),

где

(4)

Разность

называют девиацией частоты, отношение

- индексом модуляции, а и - характеристическими частотами. Спектр ЧМ сигнала занимает значительно большую полосу частот, чем при ДМ (естественно при одинаковой скорости передачи).

За счет ограничения спектра возникает переходный процесс как по амплитуде, так и по частоте. Длительность установления частоты от до зависит от отношения где - необходимая полоса частот, устанавливаемая для передачи двоичного ЧМ сигнала. Компромисс между допустимыми искажениями и необходимой полосой частот достигается при значениях .

Таким образом, необходимая полоса частот для передачи двоичного ЧМ сигнала с допустимыми искажениями определяется выражением

(5)

Удельная скорость передачи при m>1 близка к значение 0,5 бит/сГц

Установлено, что при m <1 основная энергия сигнала сосредоточена вблизи несущей частоты , поэтому можно достичь удельной скорости передачи 1бит/с*Гц. Например, при

Тогда

Для формирования ЧМ сигнала используются управляемый генератор (УГ), частота которого может изменяться без скачков фазы и со скачками фазы. Реализация ЧМ без разрыва фазы осуществляется непосредственным воздействием первичного сигнала А(t) на частоту генератора несущего колебания. ЧМ с разрывом фазы получается использованием независимых генераторов, настроенных на требуемые частоты, и спектр амплитуд модулированного сигнала занимает более широкую полосу частот, чем при формировании без разрыва фазы.

Демодуляция ЧМ сигналов может осуществляться когерентным и некогерентным методом. Последний широко используется при передаче данных с низкой удельной скоростью. Общим принципом демодуляции является частотное детектирование (ЧД) с помощью дискриминаторов, которые преобразуют изменение частоты в изменение амплитуды.

Сигнал данных управляет частотой генератора УГ несущего колебания. Подавление побочных продуктов модуляции на передаче и помех на приеме производят соответственно фильтры передачи Ф пер и приема Ф пр. Ограничитель Огр снижает амплитудные искажения. Дискриминатор Д преобразует изменения частоты сигнала в изменение амплитуды. Фильтр нижних частот ФНЧ подавляет составляющие преобразованного сигнала частотами и др. Решение о принимаемом сигнале принимается решающим устройством РУ.

Модемы с ЧМ благодаря несложной технической реализации и сравнительно высокой помехозащищенности рекомендованы МККТТ (Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии) для передачи данных по стандартным каналам ТЧ со скоростью до 1200 бит/с.

Частотной модуляции присущ недостаток - высокая чувствительность к изменению частоты сигнала при передаче по каналу ТЧ (Канал тональной частоты).



Рисунок 4 - Схема модулятора

На рис. 4 показана одна из многих возможных схем LC генератора, которая может выполнять функции частотного модулятора. Здесь транзистор VT1 включен по схеме с общей базой. Резисторы R1, R2 и R3 задают режим транзистора по постоянному току. Положительная обратная связь осуществляется за счет внутренней емкости коллектор-эмиттер транзистора VT1 и емкости С1. Частота генерации определяется параметрами параллельного LC контура, состоящего из индуктивности L1, емкостей варикапов VD1, VD2 и коллекторной емкости транзистора. Для уменьшения паразитных реактивностей и упрощения схемы контур заземлен по постоянному току. Применение двух, включенных встречно, варикапов позволяет улучшить форму напряжения, вырабатываемую генератором, приближая ее к синусоидальной. Через резистор R4 и дроссель Др2 на варикапы подается запирающее напряжение смещения Есм, которое задает рабочую точку варикапов. Модулирующее напряжение поступает через развязывающий конденсатор С3. Под воздействием модулирующего напряжения меняется емкость варикапов и, следовательно, частота колебаний, вырабатываемая генератором.

Так как в дискриминаторе происходит преобразование ЧМ сигнала в АM сигнал, то при неизменном пороге регистрации сдвиг по частоте переходит в сдвиг по длительности, т.е. появляются так называемые искажения типа преобладания "когда длительность посылок одной полярности превосходит длительность посылок другой полярности.

Детектор, демодулятор (фр. demоdulаteur)- электронный узел устройств, отделяющий полезный (модулирующий) сигнал от несущей составляющей.

В схеме контур расстроен относительно частоты f0 так, чтобы ЧМ сигнал попадал на один из скатов характеристики. Видно, что при изменении частоты выходное напряжение будет меняться и, следовательно, ЧМ сигнал получит и амплитудную модуляцию, из которой полезный выходной сигнал выделится амплитудным детектором, образованным элементами VD1, R1, C2. Однако линейность подобного устройства будет невысокой и на практике применяется более совершенная схема с двумя расстроенными контурами (рис. 5).

Рисунок 5 - Схема демодулятора

Детектор радиоприёмного устройства, или демодулятор, восстанавливает информацию из радиосигнала, заложенную в него модулятором. Например, приём радио- или телепередач возможен за счёт демодуляции высокочастотного сигнала, поступившего на антенну устройства.

При частотной модуляции (ЧМ) применяется специальный каскад.

Важной функцией демодулятора цифрового сигнала является восстановление тактовой частоты передаваемого потока символов.

Также существуют векторные демодуляторы. Они могут принимать любой вид модуляции, включая сложные сигналы типа КАМ 256 (квадратурная амплитудная модуляция) или ОFDM ((англ. Оrthоgоnаl frequency-divisiоn multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) является цифровой схемой модуляции, которая использует большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих)), применяющиеся при радиопередаче цифровой информации.

1.1 Параметры и характеристики частотной модуляции

Преимущества частотной модуляции по сравнению с амплитудной модуляцией:

- увеличивается помехозащищенность;

- повышается использование мощности передатчика;

- улучшаются качественные показатели передачи (динамический диапазон, расширяется спектр передаваемых частот).

Структурная схема приемника ЧМ-сигналов может быть представлена следующим образом.

Рисунок 6 - Структурная схема приемника ЧМ-сигналов

Как видно из приведенной структурной схемы, ЧМ-приемник отличается от приемника АМ-сигналов, тем, что в нем применяется вместо амплитудного детектора частотный детектор. Перед частотным детектором для устранения паразитной амплитудной модуляции устанавливается ограничитель амплитуды.

Напряжение на выходе частотного детектора равно:

(9)

где Sд - крутизна характеристики частотного детектора,

f - частотное отклонение сигнала относительно средней частоты спектра ЧМ-сигнала.

1.2 Недостатки частотной модуляции

Основным недостатком при применении ЧМ является снижение отношения сигнал/помеха с увеличением разностной частоты между сигналом и помехой. С целью того, чтобы обеспечить хорошее отношение сигнал/помеха при приеме ЧМ-сигналов применяется метод предискажений. Для этого на передающем конце повышают уровень высоких частот в передаваемом сигнале, другим словами за счет предискажений увеличивается отношение сигнал/помеха на высоких частотах. При приеме сигналов для того, чтобы обеспечить его неискаженный прием, устанавливают на выходе частотного детектора интегрирующее звено, с помощью которого снижают уровень высоких частот. Тем самым устраняются предварительные искажения сигнала. За счет применения предварительных искажений отношение помеха/сигнал остается на одном и том же уровне в области высоких частот (на рисунке эта зависимость показана пунктирной линией).

Частотной модуляции присущ недостаток - высокая чувствительность к изменению частоты сигнала при передаче по каналу ТЧ (Канал тональной частоты).

Частотная модуляция является одним из трех основных способов модуляции, но применяется реже амплитудной и фазовой модуляции по причине сложности реализации.

2. Радиовещание

2.1 Основные параметры и характеристики

Радиовещамние ("эфирное радиовещание", краткое: "эфир"), от "радио" + "вещать" (сообщать) - технология передачи по радио неограниченному числу слушателей речи, музыки и других звуковых эффектов или звуковой информации в радиоэфире, также в проводных сетях (проводное радиовещание) или в сетях с пакетной коммутацией (в компьютерных сетях- интернет-радио). Изначально термин произошёл от физического понятия "эфир", так как в начале XX века считалось, что распространение радиоволн происходит в таком эфире, и в дальнейшем распространилось на все способы широковещательной трансляции. Радиовещание является одним из основных средств оперативной информации, массовой агитации и пропаганды, просвещения населения.

Характеризуется передачей сигнала по принципу "от одного- ко многим", то есть более чем одному слушателю, как правило- по заранее известному расписанию. В официальной документации также применяют термин "радиовещание телевидения", подразумевающее передачу аудиовизуальной информации.

Технологии вещания:

- Эфирное радиовещание

- Радиовещание на цифровом телевидении

- Проводное вещание

- Интернет-радио-вещание в сети Интернет

- Спутниковое радиовещание - радиовещание с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ)

Радиовещание (МСЭ Регламент радиосвязи, статья 1.38) cхема передачи и приёма радиосигнала АМ и ЧМ

Вещание в радиоэфире осуществляется при помощи радиопередатчиков (приём передач, соответственно,- радиоприёмников), той или иной мощности, передающими информацию на той или иной частоте электромагнитного излучения. Радиопередатчик с сопутствующим оборудованием (студии, каналы связи и питания, антенна на мачте или вышке) называется радиостанцией.

Частота является главной характеристикой радиовещательной станции. В первые десятилетия развития радиовещания, для обозначения характеристики несущих колебаний использовали длину волны излучения, соответственно - шкалы радиоприёмников были проградуированы в метрах. В настоящее время несущие колебания обозначают частотой и, соответственно, шкалы радиоприёмников градуируют в кГц, МГц и ГГц.

Как правило, звук в эфирном радиовещании модулирует несущую частоту передатчика одним из способов модуляции: амплитудным (АМ) или частотным (ЧМ). ЧМ позволяет осуществлять высококачественное (как правило стереофоническое) вещание в диапазоне частот 66-108 МГц. В других диапазонах с более длинными волнами (ДВ(длинные волны), СВ(средние волны), КВ(короткие волны)) используется АМ и цифровое радиовещание в формате DRM(Digitаl Rаdiо Mоndiаle - набор технологий цифрового радиовещания, разработанных для вещания в диапазонах, используемых в настоящее время).

В диапазоне УКВ с модуляцией CCIR (Cоmitй cоnsultаtif internаtiоnаl pоur lа rаdiо -Международный консультативный комитет по радиовещанию) помимо звуковой информации, радиостанция может передавать также буквенно-символьную информацию (система Rаdiо Dаtа System, RDS).

Распределением частот между странами (особенно в диапазонах СВ и КВ) занимается Международный союз электросвязи (ITU) дважды в год, а внутри России- Федеральная служба по надзору в сфере связи (Россвязьнадзор) (это необходимо для предотвращения взаимных помех между станциями).

Таблица 1 - Диапазоны частот для радиовещания

Диапазоны частот для радиовещания, принятые в России
Общее название	Диапазон частот[2]	Обозначение	Модуляция	Стандарт стереовещания
		рус.	англ.
Длинные волны	148,5-283,5 кГц	ДВ	LW	АМ, DRM	DRM
Средние волны	526,5-1606,5 кГц	СВ	MW	АМ, DRM	DRM
Короткие волны	3,95-4,00 МГц	КВ-1 (75 м)	SW (75 m)	АМ, DRM	DRM
	5,90-6,20 МГц	КВ-2 (49 м)	SW (49 m)	АМ, DRM	DRM
	7,20-7,45 МГц	КВ-3 (41 м)	SW (41 m)	АМ, DRM	DRM
	9,40-9,90 МГц	КВ-4 (31 м)	SW (31 m)	АМ, DRM	DRM
	11,60-12,10 МГц	КВ-5 (25 м)	SW (25 m)	АМ, DRM	DRM
	13,57-13,87 МГц	КВ-6 (22 м)	SW (22 m)	АМ, DRM	DRM
	15,10-15,80 МГц	КВ-7 (19 м)	SW (19 m)	АМ, DRM	DRM
	17,48-17,90 МГц	КВ-8 (16 м)	SW (16 m)	АМ, DRM	DRM
	18,90-19,02 МГц	КВ-9 (15 м)	SW (15 m)	АМ, DRM	DRM
	21,45-21,85 МГц	КВ-10 (13 м)	SW (13 m)	АМ, DRM	DRM
	25,67-26,10 МГц	КВ-11 (11 м)	SW (11 m)	АМ, DRM	DRM
Ультракороткие волны	62-74 МГц	УКВ, УКВ-1	ОIRT	ЧМ (девиация 50 кГц)	ОIRT (полярно модулированный), CCIR (Zenith-GE c пилот-тоном)
	76-100 МГц	УКВ-2	FM, VHF	ЧМ (девиация 75 кГц)	CCIR (Zenith-GE c пилот-тоном)
	100-108 МГц	УКВ-3	FM, VHF	ЧМ (девиация 75 кГц)	CCIR (Zenith-GE c пилот-тоном)

Основные электрические параметры радиоприемных устройств:

- чувствительность;

- избирательность;

- коэффициент шума;

- частотная точность;

- диапазон рабочих частот;

- динамический диапазон;

- выходная мощность.

Чувствительностью называют способность приемника обеспечить нормальную работу воспроизводящего устройства при наименьшем сигнале в антенне или на входе приемника. Чувствительность оценивают наименьшей величиной ЭДС радиосигнала или его номинальной мощностью в антенне. Чем меньше эти величины, тем выше чувствительность. Количественно чувствительность выражается в микровольтах или в микроваттах.

Избирательностью называют степень ослабления помехи, отличающейся по частоте от полезного сигнала. Избирательность зависит от формы амплитудно- частотной характеристики радиоприемника, то есть от зависимости коэффициента усиления от частоты входного сигнала при постоянной настройке приемника. Количественно избирательность оценивается коэффициентом избирательности, который показывает во сколько раз по сравнению с сигналом ослабляется равная ему по величине помеха при заданной расстройке.

Коэффициент шума. Как правило, смесители имеют коэффициент шума в пределах от 6 до 20 дБ. Коэффициент шума пассивных смесителей численно равен потерям преобразования. Коэффициент шума активных смесителей зависит от конфигурации схемы и типов применяемых в ней элементов. Общепринято, но вовсе не обязательно, перед первым смесителем включать малошумящий усилитель для снижения коэффициента шума приемника в целом.

Частотная точность приемника включает в себя как первоначальную погрешность установки заданного номинала настройки, так и нестабильность настройки приемника. Погрешность установки зависит от способа установки и метода индикации частоты настройки, а нестабильность настойки - от ухода частоты настройки из - за самопрогрева, климатических и механических воздействий, изменений питающих напряжений и др. Высокая частотная точность приемника необходима для беспоискового вхождения в связь и поддержания связи без подстройки.

Диапазон рабочих частот - это та область рабочих частот, в пределах которой радиоприемное устройство может плавно или скачком перестраиваться с одной частоты на другую без существенного изменения качества воспроизведения сигнала.

Динамический диапазон частот - отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи. Он выражается обычно в децибелах. Динамический диапазон речи диктора, например, равен 25…30 дБ, небольшого вокального ансамбля 45…65 дБ, симфонического оркестра 70…95дБ. Во избежание перегрузок канала радиовещания динамический диапазон часто сокращают до 35…40 дБ (1).

Выходной мощностью приемника называют мощность, подводимую к воспроизводящему устройству. Величина выходной мощности должна соответствовать номинальной для данного типа воспроизводящего устройства и может быть от нескольких ватт до долей ватта. Различают нормальную и номинальную выходную мощность.

Номинальная выходная мощность - это наибольшая выходная мощность, при которой возникающие нелинейные искажения не превышают заданной величины. Номинальная выходная мощность соответствует 100% модуляции принимаемого сигнала. Нормальная выходная мощность соответствует 10% от номинальной, 30% модуляции сигнала и подводится к оконечному устройству при измерении характеристик радиоприемного устройства.

В радиовещании, телевидении и других системах передачи сообщений населению при использовании амплитудной и частотной модуляции в качестве несущего (ВЧ-колебания) применяется простое гармоническое колебание вида

,

где - амплитуда,



- частота несущей (при начальной фазе, принятой за ноль).

При частотной модуляции (ЧМ) по закону модулирующего сигнала s(t) изменяется частота несущего

,

а именно

,

где - изменение частоты несущей, максимальное значение которого называется девиацией частоты. Поскольку мгновенная частота и полная фаза связаны соотношением

,

то при

полная фаза будет

,(24)

где - индекс частотной модуляции, равный отношению девиации частоты к высшей частоте модуляции. Выражение для однотонального ЧМ-сигнала будет равным:

.(25)

Функции вида раскладываются в тригонометрический ряд по функциям Бесселя. Поэтому спектр даже однотонального ЧМ-сигнала в общем случае бесконечен и содержит составляющие, частоты которых равны , где .

Рисунок 7 - Функции Бесселя

На практике используется узкополосная и широкополосная ЧМ. При узкополосной ЧМ спектр содержит несущую и два боковых колебания.

Полоса частот, занимаемая таким ЧМ-сигналом, равна полосе при АМ:

(26)

(при ). С ростом индекса частотной модуляции расширяется полоса частот, занимаемая ЧМ-сигналом. Если пренебречь всеми спектральными составляющими с номерами , то полосу частот при широкополосной ЧМ определяют в соответствии с рекомендацией МККР по выражению

,

а при .

Это соответствует потере боковых составляющих, уровень которых не превышает 0,5 % мощности излучения.

В теории показано, что спектр частотно-модулированных сигналов теоретически бесконечен. Практически можно не учитывать весьма слабые составляющие этого спектра, лежащие вдалеке от средней частоты, и считать спектр частотно-модулированного колебания ограниченным. Манаев Евгений Иванович ((1916--1991) - доктор технических наук (1952), профессор) вывел простую формулу для приближенного определения ширины спектра ЧМ-колебаний Пчм, которая тем точнее, чем больше . Амплитуда составляющих за пределами этой полосы в 100 раз меньше амплитуды несущего колебания:

(6)

где F - частота модуляции, в=Df/F - индекс частотной модуляции, Df - максимальная амплитуда частотного отклонения ЧМ-колебания (девиация частоты).

При в < 1 (случай однополосной модуляции):

(7)

при в "1 (случай широкополосной частотной модуляции):

(8)

Если модулирующий сигнал имеет сложный вид, то число спектральных составляющих в пределах полосы существенно возрастает. Так, при двухтональной модуляции и малых парциальных индексах и в спектре ЧМ сигнала помимо частот появляются так называемые комбинационные частоты .

Спектр ЧМ-сигнала при значительно богаче и шире спектра АМ-сигнала. Поэтому широкополосная ЧМ в радиовещании применяется только в диапазонах метровых и более коротких волн. Однако именно широкополосность обеспечивает гораздо большую помехоустойчивость ЧМ-сигналов по сравнению с АМ-сигналами.

Таким образом, спектр ЧМ-колебания существенно зависит от индекса модуляции. При узкополосной ЧМ ширина спектра сигнала соответствует ширине спектра сигнала при амплитудной модуляции. В случае широкополосной модуляции спектр ЧМ-сигнала равен удвоенной девиации частоты.

Ранее уже отмечалось, что радиотехника занимается передачей информации. Комплекс устройств, используемых для передачи информации от ее источника до получателя (а также разделяющая их среда), образует канал связи. От канала связи требуется по возможности полная передача информации. Потери информации могут вызываться искажениями сигналов из-за несовершенства отдельных элементов канала, а также из-за помех.

Помехи возникают во всех элементах канала связи: как в среде, используемой для передачи сигнала от передатчика к приемнику, так и в технических устройствах, выполняющих необходимые преобразования сигнала. В первом случае помехи называются внешними, во втором- внутренними.

Внешние помехи образуются из-за различных атмосферных явлений (молниевые разряды, электризация частиц за счет трения их друг о друга и об антенну и т.

Внутренние (или собственные) шумы, обязанные своим возникновением дискретной природе заряженных частиц, образуются из-за теплового движения этих частиц в элементах электрических цепей, из-за дробового эффекта в электронных приборах и ряда других явлений, имеющих место при работе радиетехнических устройств.

Наиболее радикальным средством борьбы с помехами является их уничтожение или ослабление в месте возникновения, что достигается использованием экранирования, уменьшением паразитного излучения, применением направленных антенн, совершенствованием конструкций излучателей электромагнитных волн и т.д (2)

Помехоустойчивость передачи сообщений повышается при переходе к широкополосным видам модуляции (ЧМ и ФМ). Помехоустойчивость ЧМ и ФМ растет с увеличением индекса модуляции. Однако при этом увеличивается полоса частотного канала. Например, при индексе модуляции 5-20 ширина полосы ФМ (ЧМ) канального сигнала в 8-24 раза шире спектра АМ сигнала и в 16-48 раз шире спектра сообщения. В связи с этим ЧМ и ФМ применяют в многоканальных системах, как правило, на второй ступени модуляции, чтобы обеспечить высокую помехоустойчивость, например в радиорелейных линиях, в системах связи через ИСЗ.

2.2 Использование частотной модуляции в технике электросвязи и радиовещания

Частотная модуляция используется:

- в системах телевизионного вещания (для передачи сигналов звукового сопровождения);

- системах спутникового теле- и радиовещания;

- системах высококачественного стереофонического вещания (FM диапазон);

- радиорелейных линиях (РРЛ);

- сотовой телефонной связи.

Высокое качество кодирования аудиосигнала обусловлено тем, что при ЧМ применяется большая (по сравнению с шириной спектра сигнала АМ) девиации несущего сигнала, а в приёмной аппаратуре используют ограничитель амплитуды радиосигнала для ликвидации импульсных помех.

Основное применение ЧМ - высококачественное радиовещание (при девиации частоты ~100KHz - т.е. с ) в диапазоне УКВ (60-100MHz) и в каналах передачи звука в телевещании. Причина - низкая чувствительность к паразитной амплитудной модуляции и к помехам.

Практически частотная модуляция применяется в передатчиках метрового диапазона и на более коротких волнах.

Наиболее просто частотную модуляцию осуществляют с помощью электронных ламп, которые благодаря специальному способу включения играют роль переменных реактивных сопротивлений, подключаемых параллельно колебательному контуру генератора с самовозбуждением (в этом случае лампы называют реактивными). Если изменять величину их эквивалентного сопротивления по закону передаваемого сигнала низкой частоты, то резонансная частота контура, а следовательно, и частота генерируемых колебаний будут также изменяться соответственно модулирующему напряжению.

Частотная модуляция применяется для служебной радиотелефонной связи и в радиовещании.

Частотная модуляция находит все большее распространение, несмотря на ряд значительных трудностей, которые необходимо преодолеть при создании сети вещательных радиостанций в УКВ диапазоне, при проектировании и разработке радиоприемников на транзисторах в этом диапазоне(8). Однако уже в ближайшие годы все перспективные автомобильные радиоприемники будут выпускаться с УКВ диапазоном. Радиоприемники частотно-модулированных сигналов имеют в основном такие же каскады, как и радиоприемники амплитудно-модулированных сигналов. Принципиальное отличие заключается в том, что вместо амплитудного детектора радиоприемник частотно-модулированных сигналов имеет частотный детектор, преобразующий модулированное по частоте высокочастотное напряжение в напряжение низкой частоты, воспроизводящее закон модуляции. Перед частотным детектором стоит амплитудный ограничитель для устранения паразитной амплитудной модуляции. Возможность подавления паразитной амплитудной модуляции, возникающей главным образом под действием помех, является основной причиной повышенной помехоустойчивости радиоприемников частотно-модулированных сигналов. Применение частотной модуляции дает целый ряд преимуществ по сравнению с амплитудной модуляцией, применяемой для вещания в ДВ, СВ и KB диапазонах. Использование частотной модуляции повышает помехоустойчивость радиоприема. Выше было выяснено, что при радиоприеме на автомобиле наибольшую интенсивность имеют импульсные помехи. Отношение сигнала и импульсной помехи на выходе частотного детектора по сравнению с тем же отношением на входе ограничителя увеличивается в 4Аf/F раз. Если девиация частоты А/= 50 кгц, максимальная частота спектра передачи F= 10 кгц, то отношение сигнал/помеха увеличивается в 20 раз. В этом случае использование частотной модуляции дает такой же эффект, как и увеличение мощности передатчика в 800 раз. Правда, эти соотношения справедливы в том случае, когда сигнал значительно превосходит уровень помехи. При отношении сигнал/шум меньше двух выигрыш сводится на нет. Для повышения отношения сигнал/помеха необходимо увеличивать девиацию частоты передатчика Д/, но чем больше Д/, тем шире спектр частот, занимаемых передачей, и тем шире должна быть полоса пропускания радиоприемника. Поэтому преимущества частотной модуляции могут быть успешно реализованы в тех случаях, когда можно занять широкий спектр частот- порядка 150--200 кгц. Это возможно только в диапазоне УКВ. При частотной модуляции лучше используется мощность передатчика, так как мощность передаваемого сигнала остается неизменной в течение всего процесса модуляции. При частотной модуляции динамический диапазон может быть значительно выше, благодаря чему улучшается этот важный качественный показатель передачи. Благодаря высокой помехоустойчивости и возможности занять более широкую полосу частот при частотной модуляции удается расширить спектр передаваемых частот до 10--15 кгц, в то время как при амплитудной модуляции передается спектр 4--7 кгц. Это очень важно для качественного воспроизведения музыкальных передач. При более широком передаваемом спектре получается более значительный выигрыш за счет использования метода предварительной коррекции. Мощность верхних звуковых частот в. спектре речи и музыки значительно меньше, чем мощность нижних частот. Для повышения помехоустойчивости в области верхних частот производятся искусственный подъем высоких модулирующих частот в передатчике и соответствующее их уменьшение в радиоприемнике. Одновременно с ослаблением в радиоприемнике колебаний этого участка частот сигнала во столько же раз понижается и уровень помех в области верхних звуковых частот, где их интенсивность максимальна. Таким образом, действие помех заметно ослабляется, тогда как для сигнала результирующий спектр воспроизводимых частот оказывается нормальным. Метод предварительной коррекции позволяет увеличить отношение сигнал/помеха на выходе радиоприемника примерно на 12 дб (F=10 кГц), тогда как при амплитудной модуляции выигрыш составляет около 4 дб (F=5 кГц). Радиовещание на УКВ ведется с применением широкополосной частотной модуляции. Это возможно по двум причинам. Большая ширина этого диапазона позволяет разместить в нем значительное число передатчиков при большем интервале между их несущими частотами. Если в диапазоне длинных и средних волн для работы радиостанции отводится область частот шириной около 10 кГц, то на ультракоротких волнах для работы передатчика с широкополосной частотной модуляцией без затруднения удается отвести полосу частот шириной 150--200 кГц. На УКВ сигналы передатчиков распространяются только в пределах прямой видимости. Поэтому в данном месте можно принимать сигналы очень немногих передатчиков, что значительно уменьшает взаимные помехи.

Заключение

частотный модуляция помехоустойчивость сигнал

В данной курсовой работе была рассмотрена частотная модуляция, ее математическое описание, а также ее техническая реализация и протоколы, использующие ее при передаче сигналов.

Частотная модуляция является одним из трех основных способов модуляции, но применяется реже амплитудной и фазовой модуляции по причине сложности реализации.

Преимуществом частотной модуляции перед амплитудной в технике связи является большая помехоустойчивость, что позволяет улучшить качество приема. Поэтому частотно-модулированные колебания применяются для высококачественной передачи сигналов в диапазоне ультракоротких волн (УКВ), где на каждую радиостанцию выделена полоса частот, в 15--20 раз большая, чем в диапазоне длинных, средних и коротких волн, на которых работают радиостанции с амплитудной модуляцией. Частотная модуляция применяется также для передачи звукового сопровождения телевизионных программ.

При частотной модуляции лучше используется мощность передатчика, так как мощность передаваемого сигнала остаётся неизменной в течение всего процесса модуляции. При частотной модуляции динамический диапазон может быть значительно выше, благодаря чему улучшается этот важный качественный показатель передачи.

При более широком передаваемом спектре получается более значительный выигрыш за счет использования метода предварительной коррекции. Мощность верхних звуковых частот в. спектре речи и музыки значительно меньше, чем мощность нижних частот.

По сравнению с амплитудной модуляцией при частотной модуляции лучше используется мощность передатчика.

В радиосвязи и радиовещании успешно применяется частотная модуляция. В нашей стране создана сеть УКВ радиовещательных станций, работающих с частотной модуляцией в диапазоне 64,5 - 73 МГц. Для радиовещания применяется широкополосная частотная модуляция, при которой наибольшее отклонение частоты от первоначального значения достигает десятков килогерц (обычно + 75 кГц). Такое отклонение частоты допустимо только в случае, если частота несущих колебаний достаточно велика. Поэтому радиовещание с частотной модуляцией ведется на ультракоротких волнах, то есть на частотах не менее десятков мегагерц.

В системе с ЧМ обеспечивается лучшее качество звучания. Это связано с большой шириной полосы частот ЧМ-сигнала, охватывающей гораздо большее число гармоник. При ЧМ-передаче достигается очень низкий уровень шума. Шум - это нежелательные сигналы, которые появляются на выходе обычно в форме изменения амплитуды несущей. В ЧМ-системе эти сигналы легко устраняются путем двустороннего ограничения амплитуды несущей. Информация, которую несет изменяющаяся частота, при этом полностью сохраняется.

Список использованной литературы

Теория электрической связи / А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский, В.И. Коржик, М.В. Назаров; Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь, 1998, - 432 с.

Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Радио и связь, 1986. 512 с

Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высшая школа, 2003, 462 с.

Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники. - М.: Высшая школа, 1988, 464 с

Каганов В.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Академия, 2003, 224 с.

Бытовая приемно-усилительная аппаратура / Под ред. К.Е. Румянцева. - М.: Академия, 2003, 304 с.

Телекоммуникационные системы и сети. Т.2 / Катунин Г.П., Мамчев Г.В., Папантонопуло В.Н., Шувалов В.П. - Новосибирск: ЦЭРИС, 2000,, 624 с.

Частотная модуляция и ее применения. И.С. Гоноровский - М.: Связьиздат, 1948, 286с.

Размещено на Allbest.ru