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 (ωt + φ). 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) φ₀ несущей частоты передаваемого сигнала.

При ней фаза φ(t) зависит от амплитуды управляющего (модулирующего) сигнала, т.е. φ(t) = ω_0t + _Δφ∙sinΩt + φ₀ = = φ_{0 +} ke (t), где k – коэффициент пропорциональности.

Фазово-модулированный сигнал в общем случае описывается выражением u (t) = U_н sin [ωt + φ (t)].

При модуляции одним тоном [e (t) = E sin Ωt] имеем: φ(t) = φ₀ + kE sin Ωt = φ₀ + Δφ_maxsin Ωt.

После подстановки значения φ(t) в уравнение фазово-модулированного сигнала получаем u (t) = U_н sin (ω_н t + φ₀ + Δφ_max sin Ωt), где Δφ_max - максимальное изменение фазы, пропорциональное амплитуде управляющего напряжения. Δφ_max называют иначе индексом угловой модуляции и обозначают через m.

Как видно, при ФМ m =Δφ_max = kE. Мгновенное значение изменяющегося во времени фазового угла Θ (t) равно Θ (t) = ω_н t + φ₀ + msin Ωt, так что ω = d Θ (t)/dt = ω_н + mΩ cosΩt, где mΩ = Δφ_maxΩ = Δ ω_н = kEΩ - максимальное отклонение частоты от ω_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.