Пару слов о FM (чм) сигнале - Девиация частоты передатчикаи и влияние на дальность связи

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.

Постоянство мощности ЧМ сигнала - существенное преимущество в связи с развитием сети любительских ретрансляторов. Дело в том, что из-за нелинейности их усилительных каскадов слабые сигналы подавляются сильными. Если сильный сигнал модулирован по амплитуде, то в ретрансляторе возникает перекрестная модуляция, и слабый сигнал будет также промодулирован, связь нарушится. А при связи с использованием ЧМ перекрестная модуляция не возникает. Наличие сильного сигнала приводит лишь к уменьшению коэффициента усиления ретранслятора при сохранении возможности проведения связи. Кстати, по этой же причине ЧМ передатчики почти не создают помех теле - радиоприему.

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-DF до fo+Df (рис. 1). Средняя частота fo соответствует частоте немодулированной несущей, а девиация частоты Df прямо пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала. Отношение максимальной девиации Dfmax 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 2Dfmax, и имеет значения, указанные в таблице. Таким образом, при разрешенной полосе 36 кГц максимальная девиация должна быть не более 12 кГц.

Теперь остановимся на вопросе о том, какую же девиацию и какую полосу пропускания приемника выбрать для достижения максимальной дальности связи. Увеличение девиации свыше 3 кГц приводит к расширению спектра излучения. Соответственно необходимо расширять и полосу приемника. Это увеличивает мощность шума на входе детектора, в то время как мощность ЧМ сигнала остается постоянной и не зависит от девиации. В результате повышается пороговое отношение сигнал/шум, при работе ниже которого в детекторе приемника сигнал подавляется шумом и дальность связи падает (см. "Виды модуляции при дальней связи на УКВ". - "Радио", 1975. № 6. с. 17).

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 узкополосного 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 2Dfmax или на 1-2 кГц шире (поскольку гетеродины имеют некоторую нестабильность).

Искажения, возникающие из-за отфильтровывания боковых частот высоких порядков, носят характер небольшого клиппированния 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 Dfmax 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, Dfmax=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.

В. ПОЛЯКОВ (RA3AAE)