6.6 Фазовая и частотная модуляция

Кроме систем с амплитудной модуляцией широкое распространение получили электронные устройства с фазовой и частотной модуляцией вследствие некоторых преимуществ: лучшая помехозащищенность, большая информационная емкость и т.д. В фазо-модулированном колебании (ФМ) по закону модулирующего сигнала изменяется начальная фаза, а в частотно-модулированном (ЧМ) – частота колебаний.

Пусть модулирующее напряжение изменяется по закону

U_м = U_m cos  t .

При фазовой модуляции начальная фаза несущего колебания должна изменяться по закону

_н =  + _м cos  t . .(6.16)

В общем виде ФМ-колебание запишется:

Е (t) = E_mо cos(₀ t + _м cos  t + ₀) . (6.17)

Мгновенное значение текущей фазы колебаний

(t) = ₀t + _n cos  t + ₀ . (6.18)

Мгновенная частота ФМ-колебаний

(t) = d/dt = ₀ - _м  sin  t . (6.19)

Отсюда следует, что при ФМ будет наблюдаться и модуляция частоты. В ЧМ-колебаниях мгновенная частота изменяется по такому же закону, что и модулирующее колебание:

(t) = ₀ + _м cos  t . (6.20)

Мгновенная фаза при ЧМ-колебаниях определится соотношением

. (6.21)

В общем виде ЧМ-колебание запишется как:

е(t) = Е_mо cos(₀ t + (_м/) sin  t + ₀) . (6.22)

Для осуществления частотной модуляции используют два метода. Первый метод заключается в непосредственном воздействии на частоту задающего генератора изменением индуктивности или емкости колебательного контура. Возможность изменения частоты следует из анализа соотношения для частоты резонансного контура (частоты генератора):

. (6.23)

Схема частотного модулятора, построенного по этому принципу, приведена на рисунке 6.13.

Модулятор представляет собой генератор гармонических колебаний на ОУ. Колебательный контур включен в цепи ПОС. Параллельно емкости колебательного контура Ск подключен варикап VD.

Модулирующее напряжение на варикап подается с помощью емкостей С2, С1. Под воздействием модулирующего напряжения емкость варикапа изменяется. Соответственно изменяется резонансная частота контура (см. 6.13), а следовательно и частота генератора.

Рисунок 6.13 – Частотный модулятор с использованием варикапа

В соответствии со вторым методом, ЧМ-колебания получают в результате сложения колебаний одинаковой частоты, но имеющих различные амплитуды или фазы. Принцип получения ЧМ и ФМ-колебаний по этому методу иллюстрируется как на рисунке 6.14. Тип модуляции будет зависеть от закона изменения фазы или амплитуды одного из колебаний.

а б в

а – амплитудной модуляцией одного из векторов; б – амплитудной модуляцией двух векторов; в – сложением двух векторов с одинаковыми амплитудами и фазовым сдвигом равным 180⁰

Рисунок 6.14 – Принцип фазовой (частотной) модуляции

Функциональные схемы ФМ и ЧМ-модуляторов с использованием принципа суммирования сигналов приведены на рисунке 6.15.

Получение ФМ-колебаний можно свести к следующим операциям: получение колебаний стабильной частоты – эта задача решается задающим генератором; получение колебаний, выражаемых вектором АМ-колебания (U_мод = КU_mмsin  t) – эта задача решается балансным модулятором; сдвиг фазы на 90⁰сигнала задающего генератора – эта задача решается фазовращателем и суммирование этих колебаний (рисунок 6.15а).

Получение ЧМ-колебаний в принципе решается такой же схемой с той лишь разницей, что модулирующий сигнал должен быть представлен в виде (U_mм/)sint в соответствии с (6.10; 6.11). Эта задача решается преобразователем модулирующего сигнала, в простейшем случае эту задачу выполняет интегрирующее звено в виде R-C цепи. Все функциональные узлы, представленные в этих схемах, уже рассмотрены, кроме балансного модулятора.

а

б

а – фазовый модулятор; б – частотный модулятор

Рисунок 6.15 – Функциональные схемы модуляторов

Балансно-модулированным колебанием называется амплитудно-модулированное колебание, в котором отсутствует колебание несущей частоты. Существуют разновидности модуляторов: в спектре есть колебания и нижней боковой, и верхней боковой частоты; в спектре колебания присутствует только верхняя боковая или нижняя боковая частоты.