Девиация частоты что это такое
Девиация частоты что это такое
Компьютерная техника, радиоэлектроника, электрика
Частотная модуляция
Другим распространенным типом модуляции, применяемым в радиосвязи, является частотная модуляция (ЧМ), при которой частота несущей изменяется в соответствии с модулирующим сигналом (рис. 15.1).
Рис. 15.1. Частотная модуляция.
Обратите внимание, что амплитуда несущей остается постоянной, а частота изменяется.
Девиация частоты
Девиация частоты есть степень изменения частоты несущей при изменении уровня сигнала на 1 В. Девиация частоты измеряется в килогерцах на вольт (кГц/В). Предположим, например, что несущая с частотой 1000 кГц должна быть промодулирована сигналом в виде меандра с амплитудой 5 В (рис. 15.2). Предположим также, что девиация частоты равна 10 кГц/В. Тогда во временном интервале от А до В частота несущей увеличится на 5 · 10 = 50 кГц (произведение амплитуды сигнала на девиацию частоты) и станет равной 1000 кГц + 50 кГц = 1050 кГц. Во временном интервале от В до С частота несущей изменится на ту же величину, а именно на 5 · 10 = 50 кГц, но на этот раз в отрицательную сторону с уменьшением частоты несущей до 1000 – 50 = 950 кГц.
Рис. 15.2. Частотная модуляция несущей сигналом в виде меандра.
Максимальная девиация
Изменение частоты несущей при изменении уровня сигнала должно быть ограничено некоторой максимальной величиной, превышение которой недопустимо. Эта величина называется максимальной девиацией. Например, при ЧМ-передачах радиостанции Би-би-си используется девиация частоты 15 кГц/В и максимальная девиация 75 кГц. Максимальная величина модулирующего сигнала определяется максимальной допустимой девиацией.
Максимальная девиация ±75
Максимальный сигнал = —————————————— = —— = ±5 В
Девиация частоты 15
или, другими словами, 5 В в положительную или отрицательную область.
Боковые частоты и ширина полосы
Если несущая промодулирована по частоте гармоническим сигналом, образуется неограниченное число боковых частот. Амплитуды боковых Компонент постепенно уменьшаются по мере отдаления частоты этих компонент от частоты несущей.
Таким образом, для размещения всех боковых частот ширина полосы частот ЧМ-системы должна быть бесконечной. На практике малые по амплитуде боковые компоненты ЧМ-сигнала могут быть отброшены без внесения каких-либо заметных искажений. Например, ЧМ-передачи радиостанции Би-би-си ведутся с использованием полосы частот шириной 250 кГц.
Сравнение AM— и ЧМ-систем модуляции
1. Амплитуда несущей Изменяется вместе Остается
с сигналом постоянной
2. Боковые частоты Две для каждой Бесконечное
частоты в спектре число
3. Ширина занимаемой 9 кГц 250 кГц полосы частот
4. Диапазон частот ДВ, СВ. KB УКВ
Преимущества частотной модуляции
Радиовещание с использованием ЧМ имеет следующие преимущества по сравнению с АМ-передачей программ.
1. В системе с ЧМ обеспечивается лучшее качество звучания. Это связано с большой шириной полосы частот ЧМ-сигнала, охватывающей гораздо большее число гармоник.
2. 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.
В этом видео рассказывается о частотной модуляции:
Девиация частоты
Девиа́ция частоты́ — наибольшее отклонение мгновенной частоты модулированного радиосигнала при частотной модуляции от значения его несущей частоты. Эта величина равна половине полосы качания, т. е. разности максимальной и минимальной мгновенных частот. При больших индексах модуляции полоса качания и ширина спектра ЧМ-сигнала приблизительно равны. Единицей девиации частоты является герц (Hz, Гц), а также кратные ему единицы.
Содержание
Другие величины, характеризующие ЧМ
Метрологические аспекты
Измерения
Эталоны
Литература
Ссылки
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Девиация частоты» в других словарях:
девиация частоты — 3.15 девиация частоты: Наибольшее отклонение частоты модулированного радиосигнала при частотной модуляции от значения его несущей частоты. Источник: РД 45.298 2002: Оборудование аналоговых транкинговых систем подвижной радиосвязи. Общие… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Девиация частоты — отклонение частоты колебаний от среднего значения. В частотной модуляции (См. Частотная модуляция) Д. ч. обычно называют максимальное отклонение частоты. От значения его существенно зависит состав и значения амплитуд составляющих спектра… … Большая советская энциклопедия
Девиация частоты — 1. Наибольшее отклонение частоты модулированного сигнала от значения несущей частоты при частотной модуляции Употребляется в документе: ОСТ 45.159 2000 Отраслевая система обеспечения единства измерений. Термины и определения … Телекоммуникационный словарь
девиация частоты (фазы) прибора СВЧ — девиация частоты (фазы) Δfдев (Δφдев) Наибольшее изменение рабочей частоты (фазы) генерируемых или усиливаемых колебаний прибора СВЧ при частотной (фазовой) модуляции. [ГОСТ 23769 79] Тематики приборы и устройства защитные СВЧ… … Справочник технического переводчика
Девиация частоты (фазы) прибора СВЧ — 170. Девиация частоты (фазы) прибора СВЧ Девиация частоты (фазы) Frequency (phase) deviation Δfдев (Δφдев) Наибольшее изменение рабочей частоты (фазы) генерируемых или усиливаемых колебаний прибора СВЧ при частотной (фазовой) модуляции Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Девиация частоты «вниз» — 31. Девиация частоты «вниз» Пиковое отклонение «вниз» закона модуляции при частотной модуляции. Примечание. Если fgв = fgн = fg как, например, при гармоническом законе модуляции, то величина fg называется девиацией частоты Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Девиация частоты «вверх» — 30. Девиация частоты «вверх» Пиковое отклонение «вверх» закона модуляции при частотной модуляции где переменная составляющая закона модуляции при частотной модуляции; f(t) закон модуляции при частотной модуляции (мгновенная частота); … … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Девиация частоты «вверх» — 1. Пиковое отклонение «вверх» закона модуляции при частотной модуляции Употребляется в документе: ГОСТ 16465 70 Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения … Телекоммуникационный словарь
Девиация частоты «вниз» — 1. Пиковое отклонение «вниз» закона модуляции при частотной модуляции Употребляется в документе: ГОСТ 16465 70 Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения … Телекоммуникационный словарь
абсолютная девиация частоты — (абсолютная) девиация частоты [IEV number 314 08 07] девиация частоты Наибольшее отклонение частоты модулированного сигнала от значения несущей частоты при частотной модуляции (ОСТ 45.159 2000.1 Термины и определения (Минсвязи России)).… … Справочник технического переводчика
Записки программиста
Памятка по частотной модуляции
Когда пытаешься нормально понять частотную модуляцию, возникает много вопросов. От чего зависит полоса ЧМ-сигнала? Как измерить девиацию частоты? Какие существуют схемы модуляции и демодуляции ЧМ? Давайте же во всем разберемся.
Нагляднее всего изображать ЧМ не во временной области (time domain), как это делают обычно, а в частотной (frequency domain):
Здесь в качестве приемника использован RTL-SDR v3 с программой Gqrx. Сигнал получен при помощи генератора сигналов. Частота несущей — 145.500 МГц, а модулирующего сигнала — 1 Гц. За счет низкой частоты, последний отчетливо виден на спектрограмме. В приведенном примере мгновенная частота (instantaneous frequency) изменяется на ±5 кГц от частоты несущей. Говорят, что девиация частоты равна 5 кГц.
Амплитуда ЧМ-сигнала не несет никакой информации. Помимо прочего, это позволяет использовать более эффективные УМ классов C, D и так далее. Девиация тоже не несет информации. Это просто параметр данного вида модуляции. Девиацию можно изменить, скажем, на 2 кГц, и сигнал будет звучать точно так же. Информацию несет только изменение мгновенной частоты.
Практический метод измерения девиации продемонстрирован в видео How to Measure FM Frequency Deviation Using Carrier / Bessel Null, снятом Alan Wolke, W2AEW. На микрофон рации или трансивера подается аудио-сигнал с генератора. При этом измеряется уровень несущей результирующего сигнала. Необходимо найти минимальную частоту аудио-сигнала, при котором несущая окажется практически полностью подавлена.
Здесь рация Kenwood TH-D72A подключена через аттенюатор к анализатору спектра. Аудио-сигнал идет с генератора на динамик, а с него — на микрофон рации. Рация должна находиться на близком и фиксированном расстоянии от динамика. Несущая хорошо подавлена при частоте аудио-сигнала 1910 Гц.
4600 Гц. И действительно, в любительской радиосвязи используют ЧМ с девиацией около 5 кГц. Реальное значение обычно чуть меньше, порядка 4500-4800 Гц. На Си-Би используется девиация не более 2 кГц. У LPD-раций девиация не превосходит 5 кГц, а у PMR-раций — 2.5 кГц. Конкретные устройства могут использовать и меньшую девиацию, но обычно не менее 1 кГц. Вещательные FM-радиостанции имеют девиацию 50 кГц на частотах 65.9-74.0 МГц и 75 кГц на частотах 87.5-108.0 МГц.
Полосу ЧМ-сигнала принято определять по правилу Карсона:
Здесь Fdev — это девиация, а Fm — максимальная частота модулирующего аудио-сигнала. Например, в любительском радио полоса ЧМ-сигнала типично составляет:
… около 15 кГц. В этой полосе сосредоточено не менее 98% энергии сигнала. На предыдущем скриншоте изображен интервал в 30 кГц. Можно видеть, что часть сигнала попадает за пределы расчетной полосы. Но там уровень сигнала низок, поэтому этой частью пренебрегают.
Типичным частотным модулятором является недавно рассмотренный ГУН. Подпаяйте между потенциометром 10 кОм и резистором 100 кОм конденсатор на 10 нФ. Подайте через него аудио-сигнал с размахом 3 В. При питании схемы от 9 В вы получите ЧМ с девиацией 2 кГц. Увеличьте размах до 8.3 В, и девиация составит 5 кГц. Чтобы модулятор работал должным образом, постоянная составляющая управляющего напряжения не должна превышать 8.5 В.
Для демодуляции применяют простой ЧМ-детектор (он же slope detector), дискриминатор Фостера-Сили (Foster-Seeley discriminator), детектор отношений (ratio detector), квадратурный демодулятор (quadrature demodulator), а также демодулятор на основе ФАПЧ. Данные схемы заслуживают отдельных постов.
Девиация частоты что это такое
Для радиосвязи на УКВ (как служебной, так и любительской) в последнее время все чаще применяется частотная модуляция. Это объясняется несколькими ее преимуществами. Так, мощность ЧМ передатчика не изменяется при модуляции, она постоянна к равна пиковой (тогда как при AM, например, мощность несущей в четыре раза меньше). ЧМ усилитель мощности может быть нелинейным, что особенно важно для транзисторных устройств. К тому же выходной каскад передатчика может работать в режиме класса С, т. е. с максимальным КПД.
Радиолюбителям на УКВ разрешена частотная модуляция 36F3 с максимальной полосой излучения 36 кГц.
Если при AM излучаемая полоса равна удвоенной наивысшей частоте модуляции, то при ЧМ зависимость получается более сложной, а полоса частот шире, чем при AM. Частота ЧМ передатчика изменяется во время модуляции от значения fо- D F до fo+ D f (рис. 1). Средняя частота fo соответствует частоте немодулированной несущей, а девиация частоты D f прямо пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала. Отношение максимальной девиации D fmax к частоте модулирующего сигнала F называется индексом модуляции m. Он численно равен отклонению фазы несущей, выраженному в радианах. При обычной ЧМ индекс модуляции обратно пропорционален F. Однако если в модуляторе передатчика обеспечить завал нижних частот с крутизной 6 дБ на октаву (такая коррекция повышает разборчивость речи и улучшает отношение сигнал/шум на выходе ЧМ детектора), то девиация уменьшается с понижением модулирующей частоты, и индекс модуляции сохраняется постоянным. Эта разновидность модуляции называется фазовой. Она отличается от частотной только спектральным составом модулирующего сигнала. При модуляции синусоидальным сигналом они неразличимы и характеризуются одним и тем же индексом.
Спектры ЧМ сигнала с m=1 и m=2 изображены на рис.2,а и б. В обоих спектрах содержатся боковые частоты первого порядка fo±F и высших порядков fo±nF. При индексах модуляции, меньших единицы, боковые частоты второго порядка практически исчезают, а амплитуда боковых частот первого порядка быстро уменьшается. На рис.2 показаны только те спектральные составляющие, относительные амплитуды которых (они находятся по таблицам функций Бесселя и указаны сверху на рисунке) составляют более 2% (-34 дБ) от уровня немодулированной несущей. Ширина спектра излучения по этому уровню шире, чем 2 D fmax, и имеет значения, указанные в таблице. Таким образом, при разрешенной полосе 36 кГц максимальная девиация должна быть не более 12 кГц.
Максимальная девиация D fmax, кГц
Ширина спектра по уровню-34 дБ, кГц
Поэтому для дальних связей пригодна только узкополосная ЧМ. Напротив, при девиации менее 3 кГц уменьшается амплитуда сигнала на выходе детектора, а напряжение шумов остается прежним, поскольку полосу пропускания приемника нельзя сделать меньше 6 кГц (иначе будут ослаблены верхние частоты звукового спектра). Следовательно, уменьшение девиации ниже 3 кГц также приводит к уменьшению дальности связи. Таким образом, максимальная девиация частоты должна равняться 3 кГц, что соответствует индексу модуляции для наивысшей модулирующей частоты m=1 и спектру излучения, показанному на рис.2,а.
Полоса приемника для неискаженного воспроизведения узкополоспого ЧМ сигнала должна равняться ширине излучаемого спектра, т. е. 12 кГц. Однако на практике полезно сделать полосу уже, отфильтровав боковые частоты второго порядка, имеющие относительную амплитуду 0,11. Это приведет к потере всего 2,5% мощности сигнала, зато позволит вдвое уменьшить мощность шума на входе детектора. Таким образом, полоса пропускания приемника для получения максимальной дальности связи должна составлять 6 кГц (±3 кГц, считая от нуля дискриминационной характеристики детектора).
Из этих же соображений и при больших индексах модуляции полосу пропускания приемника выбирают равной 2 D fmax или на 1-2 кГц шире (поскольку гетеродины имеют некоторую нестабильность).
Искажения, возникающие из-за отфильтровывания боковых частот высоких порядков, носят характер небольшого клиппирования пиков сигнала при высоких частотах модуляции. Они никак не сказываются на разборчивости и почти незаметны на слух.
Если дальность связи не. является лимитирующим фактором, можно увеличить D fmax до 5-6 кГц, соответственно расширив полосу пропускания приемника до 10-15 кГц. Эти увеличивает отношение сигнал/шум на выходе приемника и повышает качество связи при работе выше порога, когда отношение сигнал/шум на входе детектора превышает 5-10 дБ. Такие параметры обычно выбирают для служебной мобильной связи или для связи через ретрансляторы.
Все наши рассуждения справедливы лишь в случае применения и приемнике специального ЧМ детектора. Интересно, что при прочих равных условиях (отношение сигнал/шум на входе детектора 35 дБ, D fmax=3 кГц. полоса приемника 6 кГц), простои переход от AM к ЧМ с соответствующей заменой детектора дает на выходе выигрыш в отношении сигнал/шум в 1,7 раза (4,8 дБ). Это объясняется тем. что суммарная мощность шума на выходе ЧМ детектора меньше, чем на выходе AM детектора.
Спектр шумов на выходе ЧМ детектора имеет треугольную форму с подъемом на высоких частотах, что позволяет с успехом применять коррекцию. подняв высокие частоты в микрофонном усилителе передатчика и ослабив их на выходе детектора приемника интегрирующей цепочкой. Спектр шумов на выходе детектора при этом уменьшается и выравнивается.
Полный выигрыш ЧМ по сравнению с AM. с учетом четырехкратного увеличения мощности передатчика и коррекции, оценивается в 10-15 дБ.
Ниже описаны практические схемы устройств, пригодные для использования и узкополоспых ЧМ приемниках и передатчиках.
В настоящее время в диапазоне УКВ используются в основном передатчики с кварцевой стабилизацией и умножением частоты и передатчики с интерполяционным LC гетеродином. Описания модуляторов для LC генераторов неоднократно приводились в радиолюбительской литературе, поэтому мы приведем лишь схему модулятора для генератора с кварцевой стабилизацией, работающего на основной частоте кварца Z1 (рис. 3). Модуляция осуществляется варикапом V1, на который подано напряжение смещения с делителя R3R4 и звуковой сигнал с регулятора девиации R1. При изменении напряжения на варикапе изменяется его емкость. Это изменяет в небольших пределах частоту параллельного резонанса кварца, которая и определяет частоту генерации. В коллекторную цепь транзистора V2 включен контур L1C6, настроенный на вторую гармонику частоты генерации (катушка L1 содержит 10 витков провода ПЭЛ 0,5 на каркасе диаметром 8 мм, отвод от 3-го витка снизу).
Кроме указанного кварца, в генераторе. можно применить резонаторы на 8, 12 и 24 МГц, соответственно изменив данные контура L1C6. Для низкочастотных кварцев может потребоваться увеличение емкостей конденсаторов С3 и С4 до 50-100 пФ.
С кварцем па частоту 18 МГц удавалось получить девиацию на частоте 144 МГц до ±7 кГц при амплитуде звукового напряжения 0,5 В.
В кварцевых генераторах, работающих на механических гармониках, частота генерации обычно определяется частотой последовательного резонанса кварца. В этом случае варикап включают последовательно с кварцем либо параллельно LC контуру. Подобные схемы были опубликованы в «Радио». 1973. № 10, с. 59 и 1974, № 10, с. 60.
Налаживание ЧМ модулятора сводится к установке необходимой девиации частоты. Лучше всего это сделать, сняв статическую модуляционную характеристику. В модуляторе, схема которого приведена на рис.3, делитель R3R4 временно заменяют потенциометром сопротивлением 33-100 кОм с вольтметром, присоединенным к подвижному контакту. Изменяя смещение и контролируя частоту передатчика с помощью градуированною приемника, строят модуляционную характеристику, и по ней определяют необходимую амплитуду модулирующего сигнала. Если, например, изменение смещения на 1 В вызывает изменение частоты на 10 кГц в диапазоне 144 МГц, то для получения девиации ±3 кГц на варикап следует подать звуковое напряжение амплитудой 0,33 В. Частоту лучше контролировать в выходном каскаде, так как в каскадах умножения частоты величина девиации также умножается. Поэтому на частоте кварца 8 МГц девиация должна составлять всего 3000:18=167 Гц. Такую величину трудно измерить.
Можно, хотя и менее точно, установить девиацию при работе в эфире, прослушивая сигнал передатчика на удаленный приемник с полосой пропускания не более 6 кГц. Недостаточная девиация создает впечатление мелкой модуляции, а чрезмерная обнаруживается по расширению спектра сигнала свыше 8-10 кГц.
Чаще всего для детектирования ЧМ сигналов применяют дискриминаторы или детекторы отношении, выполненные на полупроводниковых диодах. Детектору отношений следует отдать предпочтение из-за присущего ему свойства подавлять AM сигналы в широком диапазоне уровней. Кроме того, он позволяет получить напряжение АРУ.
Интегрирующая цепочка R3, С6 служит для ослабления верхних частот звукового спектра, поднятых при передаче.
Налаживание детектора отношений начинают с настройки контура L1С1 в резонанс по максимуму напряжения АРУ. Затем, присоединив вольтметр (на схеме показан штриховыми линиями) с внутренним сопротивлением не менее 20 кОм и изменяя частоту входного сигнала, снимают дискриминационную характеристику детектора. Подстраивая контур L2C2, получают симметричную характеристику, подобную изображенной на рис. 5. Расстояние между пиками характеристики 2 D f увеличивается при увеличении связи между катушками L1 и L2. У правильно настроенного детектора 2df должно составлять 10-15 кГц.
Схема более простого детектора отношений, который может быть выполнен в виде приставки к приемнику с промежуточной частотой 465 кГц, приведена на рис. 6. Эта приставка состоит из детектора и каскада усилителя ПЧ на транзисторе V1 с резистивной нагрузкой R2. Уровень сигнала на детекторе регулируется конденсатором С1.
Puc.6
Усиленное напряжение ПЧ подастся на среднюю точку контура L1C3. Колебания в контуре поддерживаются благодаря наличию конденсатора связи С4, обеспечивающего необходимую фазировку.
Катушка L1 содержит 38+38 витков провода ПЭЛШО 0,1. намотанных в горшкообразном сердечнике от контура ПЧ приемника «Сокол». Налаживание детектора сводится к настройке контура LIС3 на промежуточную частоту. Правильность настройки контролируют, снимая дискриминационную характеристику.
Представляют интерес схемы частотных детекторов фазового типа. В них происходит перемножение части входного сигнала с другой частью. сдвинутой по фазе на 90°, с помощью колебательного контура. При отклонениях частоты сдвиг фазы между сигналами также изменяется и соответствии с фазовой характеристикой контура. На выходе перемножителя появляется продетектированное напряжение положительной или отрицательной полярности, в зависимости от знака расстройки.
Puc.7
Ширина дискриминационной характеристики составляет несколько процентов от рабочей частоты и обратно пропорциональна добротности контура. К недостаткам детектора относится некоторое «плавание нуля» дискриминационной характеристики при изменении амплитуды входного сигнала.
На низких промежуточных частотах (465 кГц н ниже) хорошие результаты дает детектор, схема которого приведена на рис. 8. Сигнал ПЧ, усиленный транзистором V1 и ограниченный диодами V2 и V3, подается на последовательный колебательный контур L1C5, настроенный на промежуточную частоту. Напряжения, снятые с конденсатора и катушки контура, выпрямляются диодами V4, V5 и в противофазе складываются на выходе. При резонансе эти напряжения равны, и выходное напряжение равно нулю. При изменении частоты сигнала соотношение напряжений изменяется. Это приводит к появлению выходного напряжения того или иного знака.
Puc.8
Puc.9
Настройка детектора заключается в симметрировании характеристики с помощью конденсатора С1.
Ширина дискриминационной характеристики примерно соответствует расстоянию между частотами последовательного и параллельного резонансов кварца. Ее можно увеличить почти вдвое, если вместо конденсатора С1 включить другой кварц с частотой последовательного резонанса, равной частоте параллельного резонанса кварца Z1.
Аналогичный дискриминатор можно применить и на более низких частотах, заменив кварц Z1 и конденсатор С1 двумя последовательными LC контурами, расстроенными относительно центральной частоты на 5-10 кГц вверх н вниз. Характеристику такого дискриминатора можно легко регулировать в широких пределах подстрой кон контуров.
В заключение следует остановиться на применении ограничителя в ЧМ приемнике. Если детектор без ограничителя имеет характеристику, показанную на рис.5, и нуль характеристики совпадает с серединой полосы пропускания приемника, то преимущества ЧМ теоретически уже реализуются, однако лишь в том случае, если на входе приемника действуют сигнал и тепловой («белый», или «гауссов») шум. Если же входной шум имеет импульсный характер (импульсные помехи), то во всех описанных детекторах, кроме детекторов отношений, необходим ограничитель. Простейший, но достаточно хорошо работающий ограничитель можно выполнить на двух кремниевых диодах, как показано на рис. 10. Уровень ограничения составляет 0,5- 0,6 В.
Puc.10
Ограничитель с «плавающим порогом» ограничения, показанный па рис. 11. можно оставлять включенным при приеме как ЧМ, так и AM сигналов. В последнем случае он будет служить ограничителем импульсных помех. Постоянную времени цепочки R1, С2, С3 выбирают такой, чтобы напряжение на конденсаторах мало изменялось за период наинизшей частоты модуляции AM сигнала. При уменьшении сопротивления резистора R1 до нуля свойства ограничителя совпадают си свойствами предыдущего устройства.
Puc.11