а — модулирующее; б — частотно-модулированное
Приведенный пример является иллюстрацией общего принципа частотной модуляции, из которого следует, что амплитуда модулирующего напряжения определяет отклонение несущей частоты в одном направлении, или девиацию частоты, Δω. Из этого принципа также следует, что девиация частоты Δω содержит информацию об амплитуде или уровне модулирующего сигнала. Характерным для частотной модуляции понятием является индекс модуляции, определяемый как отношение девиации Δω к модулирующей частоте Ω:
МЧ = Δω/Ω
Индекс модуляции принимает разные значения. Принятый стандарт частотной модуляции характеризуется индексом модуляции, определяемым отношением максимально допустимой девиации Δωmах к максимальной модулирующей частоте,
МЧmax = Δωmax/Ωmax
Например, в принятом в ПНР телевизионном стандарте максимальная девиация несущей частоты звукового сопровождения составляет 50, а максимальная по модулирующей частоте 15 кГц. Отсюда МЧmax = 50/15 = 3,33.
Каков спектр у частотно-модулированного сигнала?
Спектр частотно-модулированного сигнала принципиально отличен от спектра амплитудно-модулированного сигнала. Он также имеет линейный характер, однако число линий значительно больше.
При амплитудной модуляции наблюдались только две боковые частоты, отстоящие от несущей и а значение модулирующей частоты.
Из математического анализа частотно-модулированного сигнала следует, что при частотной модуляции возникают пары боковых частот. Существуют верхняя и нижняя боковая частоты, соответствующие частоте модулирующего сигнала, и пары боковых частот, соответствующие второй, третьей и последующим гармоникам сигнала. Имеется также составляющая несущей частоты. Распределение амплитуд отдельных спектральных линий зависит от индекса модуляции МЧ, а их число теоретически бесконечно велико. На практике спектральные линии высших порядков (соответствующие высшим гармоникам модулирующего сигнала) не принимаются во внимание, поскольку их амплитуды очень малы. Для примера на рис. 11.14 представлен спектр сигнала, промодулированного по частоте низкочастотным сигналом 7,5 с девиацией 75 кГц (МЧ = 10).
Для практических целей ширину спектра при частотной модуляции рассчитывают по формуле
2Δω = В = 2Δωmax + 2Ωmax + 2√(Ωmax·Δωmax)
В стандарте, в котором Δωmax = 2π·50 кГц, а Ωmax =2π·15 кГц кГц, ширина спектра В = 185 кГц.
Ширина спектра частотно-модулированного сигнала достаточно велика. Именно по этой причине частотная модуляция применяется в диапазоне метровых волн, соответствующем частотам от 50 МГц,
Каковы преимущества частотной модуляции?
Главным преимуществом частотной модуляции является значительное уменьшение чувствительности сигнала к помехам. Исходя из того, что большинство помех амплитудного характера добавляется к сигналу, который, по определению, имеет постоянную амплитуду, появляются условия для их эффективного устранения, например, методом ограничения амплитуды.
Кроме того, поскольку амплитуда частотно-модулированного сигнала постоянна, а девиация частоты пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала, можно передавать полную динамику сигнала, т. е. как наименьшие, так и наибольшие значения. При амплитудной модуляции этого не могло быть, поскольку глубина модуляции не могла быть ни слишком малой, ни слишком большой, если учитывать шумы и помехи в первом случае, а во втором — возможность перемодуляции передатчика.
Весьма существен и тот факт, что в результате постоянной амплитуды частотно-модулированного сигнала выходная мощность передатчика остается все время одной и той же. Это создает возможности экономичного решения и экономичной работы передатчика.
Напомним, что передатчик амплитудно-модулированного сигнала с номинальной мощностью около 10 кВт должен быть приспособлен отдавать при 100 %-ной модуляции среднюю мощность 15 и пиковую 40 кВт.
Система с частотной модуляцией является высококачественной и предназначена главным образом для верной передачи звуковых сигналов. Отсюда ее широкое распространение в моно- и стереофоническом радиовещании на ультракоротких волнах.