Фазовая модуляция как способ передачи данных

Как известно, радиочастотный сигнал состоит из несущей, в основе которой лежит радиоизлучение в виде простого гармонического колебания u (t) = U cos (&omega-t + &phi-). Из этого следует, что в сигнале несущей частоты имеется три независимых параметра, воздействуя на которые можно запечатлеть изменения управляющего сигнала.

Отсюда вытекает возможность трех видов: амплитудная (АМ), частотная (ЧМ) и фазовая модуляция (ФМ).

Фазовая модуляция – это способ передачи аналоговой или цифровой информации методом изменения начального угла (фазы) &phi-₀ несущей частоты передаваемого сигнала.

При ней фаза &phi-(t) зависит от амплитуды управляющего (модулирующего) сигнала, т.е. &phi-(t) = &omega-_0t+_&Delta-&phi-∙sin&Omega-t + &phi-₀ = = &phi-_{0 +} ke (t), где k – коэффициент пропорциональности.

Фазово-модулированный сигнал в общем случае описывается выражением u (t) = U_нsin [&omega-t + &phi- (t)].

При модуляции одним тоном [e (t) = E sin &Omega-t] имеем: &phi-(t) = &phi-₀ + kE sin &Omega-t = &phi-₀ + &Delta-&phi-_maxsin &Omega-t.

После подстановки значения &phi-(t) в уравнение фазово-модулированного сигнала получаем u (t) = U_н sin (&omega-_н t + &phi-₀ + &Delta-&phi-_max sin &Omega-t), где &Delta-&phi-_max - максимальное изменение фазы, пропорциональное амплитуде управляющего напряжения. &Delta-&phi-_max называют иначе индексом угловой модуляции и обозначают через m.

Как видно, при ФМ m =&Delta-&phi-_max = kE. Мгновенное значение изменяющегося во времени фазового угла &Theta- (t) равно &Theta- (t) = &omega-_н t + &phi-₀ + msin &Omega-t, так что &omega- = d &Theta- (t)/dt = &omega-_н + m&Omega- cos&Omega-t, где m&Omega- = &Delta-&phi-_max&Omega- = &Delta- &omega-_н = kE&Omega- - максимальное отклонение частоты от &omega-_н при ФМ, прямо пропорциональное амплитуде и частоте модулирующего колебания.

Таким образом, при ФМ индекс модуляции, характеризующий максимальное изменение фазы, пропорционален амплитуде управляющего сигнала и не зависит от частоты модуляции. Изменение частоты относительно среднего значения (девиация) изменяется прямо пропорционально амплитуде и частоте модулирующего напряжения.

В зависимости от условий применения фазовая модуляция имеет несколько разновидностей. Одной из них, в частности, является относительная фазовая манипуляция.

При этом виде в зависимости от модулирующего сигнала изменяется только фаза сигнала, а частота и амплитуда остаются неизменными. При ОФМ информационное значение имеет не абсолютное изменение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения.

Электронная схема, которая вызывает изменение фазового угла модулированного колебания (относительно немодулированной несущей) в соответствии с модулирующим сигналом, называется фазовый модулятор.

Разработаны многие типы таких изображений. Схема простого модулятора содержит варикап – диод, способный под действием управляющего напряжения изменять емкость перехода. В этой схеме модулирующее напряжение изменяет емкость варикапа. Сдвиг фазы зависит от относительной величины емкостного сопротивления этого диода и сопротивление нагрузки R.

Таким образом, данный сдвиг зависит от модулирующего напряжения. Это и обусловливает фазовую модуляцию радиосигнала. Тем не менее, подобный сдвиг нелинейно связан с модулирующим напряжением, емкость варикапа нелинейно связана с модулирующим напряжением, что создает дополнительные проблемы при конструировании фазовых модуляторов.

В чистом виде фазовая модуляция не нашла достаточно широкого применения из-за присущего ей серьезного недостатка – низкой помехозащищенности.