Видео в конце...
Всем привет! Мы продолжаем знакомство с различными видами сигналов и первыми кандидатами у нас идут самые распространенные и знаменитые. Сигналы с амплитудной и частотной модуляцией это то, с чем соприкасался каждый на этой планете, ведь это основа всего радиовещания, а бытовым приемником умеет пользоваться каждый. Но как показывает практика, среди тех, кто помоложе, очень мало имеющих представление как это все устроено. А ведь по сравнению с Wi-Fi и LTE сигналами эти радиосигналы несравнимо более простые, а значит они первые кандидаты на учебные опыты.
Сигнал с частотной модуляцией
Гвоздем этого обзора является сигнал с частотной модуляцией. Несмотря на развитие сети Интернет, где можно найти все, в том числе и радиопередачи, этот вид сигнала продолжает нещадно эксплуатироваться по сей день. Среди тех кто спешит на работу пешком в наушниках далеко не все слушают музыку, часть людей не изменяют своим привычкам и слушают радио.
Среди утреннего и вечернего потока автомобилей гораздо больше тех, водители и пассажиры которых предпочитает узнавать новости, получаемые из радиоэфира. Очевидно, проникновение радиосигналов в нашу жизнь довольно значительное. Особенно если речь про те, которые часто употребляются вместе с "FM". Это аббревиатура от английского Frequency Modulation - частотная модуляция. Большинство пользователей предпочитают об этом не догадываться и вовсе нет причин это как-то осуждать.
В прошлом выпуске мы определили когда радиосигнал переносит информацию. Это ровно в тот момент, когда хотя бы один его параметр изменяется. Сейчас это будет частота. В качестве информации у нас сигнал y(t) в виде низкочастотной гармоники.
Значение этого сигнала в момент времени t определяет на сколько герц изменяется частота несущего высокочастотного колебания. В выражении для f(t) в скобках записана полная частота. Она состоит из частоты несущей и некоторой девиантной дополнительной частоты. Девиация это отклонение. Это отклонение может быть как положительное, так и отрицательное. Множитель m называется девиацией. Он может как увеличить отклонение, так и уменьшить его до нуля. Как только это произойдет, в сигнале останется одна гармоника на несущей частоте. Информация при этом передаваться не будет.
Это была всего лишь модель сигнала. Мы просто посмотрели какой параметр модулируется и познакомились с девиацией. В таком виде формирование частотно модулированного сигнала уже не встретить, хотя манипуляции в передатчике не очень сложные. Довольно сильно изменился технологический уклад. Раньше информационный сигнал воздействовал на конденсатор переменной емкости, так называемый варикап. Это изменяло резонансную частоту колебательного контура, что приводило к модуляции. Сейчас чтобы объяснить этот подход нужно чтобы читатель посидел пару лет в институте. Специально это никто, конечно, делать не будет. Проще понять процесс модуляции через операции современного технологического уклада.
Программное формирование сигнала
На настоящий момент довольно существенная часть приемного и передающего оборудования это программа. Не проникает она только в области высокочастотных сигналов. Там попросту не хватает производительности вычислительных средств. Когда в качестве инструмента язык программирования, то все становится намного проще. Создаем модель того, что нужно сделать с реальным сигналом и выполняем операции над оцифрованным сигналом. А сигнал теперь это просто массив чисел.
Эта упрощенная схема показывает процесс формирования частотно модулированного радиосигнала. Давайте пройдемся по ней от начала в конец. При голосовых передачах все начинается с микрофона, который переводит звуковое давление в уровни напряжения. Далее получившийся сигнал должен модулировать параметр несущего колебания. В амплитудной модуляции он бы изменял амплитуду, но в нашем случае нужно заняться частотой несущего колебания.
Немного ранее мы проговорили один известный тезис.
Частота и фаза гармонического сигнала связаны друг с другом. Частота это скорость изменения фазы, то есть ее производная по времени.
С тех пор как радиосвязь стала больше программированием гораздо удобнее изменять фазу сигнала, поэтому для ее получения необходимо проинтегрировать низкочастотный модулирующий сигнал.
Частота теперь скрывается в тангенсе угла наклона касательной к этой функции в конкретной точке. Коэффициент умножения m играет роль девиации.
Теперь, когда имеется полная фаза колебания, необходимо чтобы она стала не просто числами, а именно фазой гармонического колебания. Тут на помощь приходит всеми любимая школьная тригонометрия.
Итоговое гармоническое колебание складывается из ортогональных синуса и косинуса, имеющих каждый свою амплитуду.
Именно эти амплитуды повлияют на полную фазу несущей.
Ортогональные гармоники получаются путем умножения их амплитуд на высокочастотный синус и косинус.
Хоть модель сигнала с частотной модуляцией выглядит вот таким образом (рисунок ниже), но теперь мы знаем что метод формирования сигнала это манипуляции с фазой.
В левой половине и в центре заметно уменьшение частоты. Период колебания становится больше.
Спектр сигнала
Теперь пора рассмотреть спектр такого сигнала. На каких частотах наблюдаются гармоники большой мощности, на каких малой. Тут нас ничего интересного не ждет.
Энергетический спектр как холм, вершина которого совпадает с частотой несущего колебания. Наиболее интересным тут будет посмотреть на влияние девиации m. При уменьшении этого множителя спектр сигнала становится более узким. Разумеется если обнуляем его вовсе, то по всем законам останется одно несущее колебание, не умеющее передавать информацию.
Сигнал эфирной радиостанции
Теперь пришло время поближе познакомиться с тем, что с рядом нами уже давно. Это сигналы радиостанций. Стандарты на них вводились гораздо позже, чем на амплитудно модулированные сигналы, поэтому видна основательная работа над ошибками. Первое что бросается в глаза возможность передачи стереозвука.
Это новшество позволяет получить эффект присутствия слушателя прямо в студии. Между правым R и левым L звуковым каналом существует разница, которая существует и при непосредственном нахождении слушателя у источника звука. Уши расположены на расстоянии друг от друга. Стереозвук позволяет нам обмануться и это очень нравится потребителям.
Левый и правый звуковые каналы замешаны в спектре сигнала довольно продумано. Синим цветом изображен спектр суммы двух L+R каналов. Если он принимается простым приемником с одним динамиком, то этого участка спектра вполне достаточно. Стереоэффекта не получится, но качество не теряется. Более сложные приемники со стереосистемами обрабатывают весь спектр. В зеленой части модулирована разность между левым и правым каналом (L-R). Разделить их довольно просто. Фильтрами выделяются обе части спектра. При сложении половинок L+R+L-R = 2L получаем удвоенный левый канал, при вычитании L+R-(L-R)=2R удвоенный правый.
Передача данных
Осталось разобраться с красным участком спектра. Это область для передачи данных. Наверняка замечали, что автомагнитола, как минимум, знает название станции, хотя мы никогда не вводили туда эту информацию. Иногда на индикаторе высвечивается номер телефона рекламной службы и все такое. Идея односторонней передачи данных потребителям родилась давно, но только к концу 90-х годов был выработан стандарт, который предписывал производителям как этот сигнал вырабатывать и принимать и как в нем закладывается текстовая информация.
Все возможности этого сигнала, к сожалению, не используются, а там может быть много всего интересного. Чего стоит передача информации об обстановке на дороге, возможность перестройки приемника только на определенный стиль музыки, например, рок, джаз и прочее. Код стиля музыкального направления может передаваться в этом канале данных. И это далеко не все, можно передавать текстовые сообщения и дополнительные сигналы точного времени с целью улучшения работы системы спутниковой навигации.
Давайте посмотрим как устроен передатчик сигналов радиовещания.
L и R это каналы стереомикрофона, стереокодер находит суммы и разности этих каналов. В это время кодер данных (RDS кодер) также готовит свой сигнал, чтобы замешать все это в один спектр. Частотный модулятор формирует спектр сигнала на низкой частоте, где есть все необходимые составляющие. Умножением получившегося сигнала на несущую частоту мы отправляем спектр в выделенный для этого диапазон частот.
Устройство приемника
Теперь как этот сигнал обрабатывает приемник. Первым делом производится перенос спектра сигнала из области высоких частот на низкую, где происходит его демодуляция. Подробно об этом процессе поговорим в будущих статьях.
После фильтрации всех составляющих они отправляются своими путями. Речь на стереодекодер, где путем сложения и вычитания разделяется на левый и правый звуковой каналы. Данные поступают на свой демодулятор и после разбора пакетов данных они отображаются на индикаторе приемника.
На этом обзор подошел к концу. Мы познакомились со способом модуляции, его основными параметрами, узнали некоторые подробности из жизни всем нам знакомого FM радио.
Благодарю что продержались до конца. Подписывайтесь и ставьте лайк.
Дальше будет только интереснее...
