СПОСОБ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ КОЛЕБАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR FREQUENCY MODULATION OF OSCILLATIONS AND DEVICE THEREFOR

Предлагаемый способ частотной модуляции (ЧМ, FM (Frequency modulation)) относится к радиотехнике и может быть использован для обеспечения высококачественной связи (в диапазоне УКВ), для звукового сопровождения телевизионных программ, передачи сигналов цветности в телевизионном стандарте SECAM, видеозаписи на магнитную ленту, музыкальных синтезаторах.
Высокое качество ЧМ связи, определяемое высокой стабильностью частоты, изменяемой в широких пределах, обусловлено тем, что при ЧМ возможна большая девиация несущего сигнала по сравнению с шириной спектра сигнала AM, для которой в приемной аппаратуре характерно использование ограничителя амплитуды радиосигнала для устранения импульсных помех.
Частотно-модулированные колебания (ЧМК) и фазомодулированные колебания (ФМК) совместно образуют колебания с угловой модуляцией, для которых
м
В силу данного соотношения ЧМК можно считать разновидностью ФМК и наоборот. Поскольку при частотной модуляции модулирующее напряжение u(t) управляет частотой несущего колебания, то квазигармонические ЧМК можно записать как
где:
a
- постоянная амплитуда несущего колебания;
s(t) - нормированный  модулирующий сигнал, соответствующий закону модулирования несущего колебания;
чм
чм
0
чм
0
м
K - коэффициент пропорциональности, связывающий отклонение Δω частоты ω(t) от своего номинального значения ω, равное Δω=ω(t)-ω, и величину модулирующего напряжения u(t), вызывающего это отклонение, рад/(В·с).
Известен способ частотной модуляции [Авторское свидетельство SU 63719, МПК H03C 3/26, опубл. 1944], в котором колебания высокостабильного генератора и модулированного по частоте обычного генератора с самовозбуждением детектируют в детекторе совместно с другим модулированным по частоте в противоположной фазе колебанием, полученным от другого обычного генератора, аналогичного по конструкции и близкого или равного по частоте первому, и выделяют из полученного сложного колебания посредством соответствующего фильтра результирующее модулированное по частоте колебание.
Недостатком данного способа является невозможность создания стабильной частоты, изменяемой в широких пределах.
Известно устройство для частотной модуляции кварцевых генераторов [Авторское свидетельство SU 71183, МПК H03C 3/12, опубл. 1948], работающих в осцилляторном режиме, путем изменения при помощи реактивной лампы или любого другого известного устройства индуктивного реактанца, связанного с кварцевым осциллятором, причем изменяемый индуктивный реактанц включен последовательно с кварцевым осциллятором.
Недостатком такого устройства частотной модуляции колебаний является невозможность изменения частоты в широких пределах и ограниченный диапазон стабилизации, определяемый частотным диапазоном имеющихся кварцевых перестраиваемых генераторов. Кроме этого использование в управляющем элементе модулятора реактивных устройств, у которых эффективная емкость или индуктивность нелинейно изменяется под действием модулирующего сигнала, нежелательно при микроэлектронном исполнении. Это в итоге ужесточает требования к функциональным блокам модулятора, в частности по прецизионности их изготовления, что в итоге определяет функциональную сложность реализации модулятора.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран способ частотной модуляции [Патент РФ 2114498, МПК H03C 3/06, опубл. 1998], сводящийся к изменению по закону модулирующего сигнала частоты несущего колебания перестраиваемого генератора, синхронизируемого стабильным опорным генератором, кроме этого изменению по закону инверсного модулирующего сигнала частоты дополнительного перестраиваемого генератора, стабилизированного тем же опорным генератором, умножению в n раз частоты основного и в (n-1) раз частоты дополнительного перестраиваемых генераторов, а затем выделению сигнала разностной частоты.
Недостатком данного способа является его сложность, связанная, в первую очередь, с тем, что кроме собственно изменения несущей частоты по закону модулирующего сигнала он включает дополнительные операции по стабилизации частоты модулированных колебаний и расширению диапазона девиации частоты.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбрано устройство частотной модуляции [Патент РФ 2114498, МПК H03C 3/06, опубл. 1998], содержащее последовательно соединенные стабильный опорный генератор, первый фазовый детектор, первый фильтр нижних частот (ФНЧ), первый перестраиваемый генератор, вход которого соединен с выходом фильтра верхних частот (ФВЧ) а выход - со вторым входом первого фазового детектора, а также первый умножитель частоты в n раз, вход которого соединен с выходом первого перестраиваемого генератора, последовательно соединенные второй фазовый детектор, второй ФНЧ, второй перестраиваемый генератор, второй умножитель частоты в (n-1) раз, смеситель, второй вход которого соединен с выходом первого умножителя, полосовой фильтр, а также инвертор, присоединенный между выходом ФВЧ и входом второго перестраиваемого генератора, второй выход которого соединен со вторым входом второго фазового детектора, своим входом соединенного с выходом стабильного опорного генератора.
Недостатком данного устройства являются структурная сложность, связанная, в первую очередь, с тем, что кроме собственно изменения несущей частоты по закону модулирующего сигнала оно включает дополнительные блоки для реализации операций по стабилизации частоты модулированных колебаний и расширению диапазона девиации частоты.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка частотного способа модуляции и соответствующего устройства, принцип построения которого исключает дополнительные операции по стабилизации частоты модулированных колебаний и расширению диапазона девиации частоты модулированных колебаний.
Техническим результатом является уменьшение сложности решения задачи частотной модуляции колебаний при высокой достоверности предлагаемого способа, что в итоге приводит к структурному упрощению реализующего его устройства.
Сущность изобретения сводится к следующему. Как известно (Таблицы интегралов и другие математические формулы: Справочник / Г.Б. Двайт. - М.: Наука, 1997, стр. 70, формула 401.03),
0
где А - амплитуда синусоидального сигнала, В - амплитуда косинусоидального сигнала, ω - частота колебаний, t - время.
Изменяя величину амплитуд синусоидального и косинусоидального сигналов путем их усиления в А и В раз, можно обеспечить управление параметром φ регулируемого сигнала. При этом для формирования косинусоидального сигнала из входного синусоидального можно использовать операции дифференцирования и интегрирования.
Выражение (1) может быть реализовано следующим образом.
н
0
a
a
Входной сигнал (несущее колебание) u=sin(ωt), где  - амплитуда входного сигнала, одновременно поступает на входы дифференциатора и интегратора, на входах которых соответственно получаем:
,
,
д
д
и
и
д
д
и
и
где RC - постоянная времени дифференциатора, RC - постоянная времени интегратора, R - сопротивление резистора дифференцирующей цепочки дифференциатора, C - емкость конденсатора дифференцирующей цепочки дифференциатора, R - сопротивление резистора интегрирующей цепочки интегратора, C - емкость конденсатора интегрирующей цепочки интегратора.
д
д
и
и
Перемножив данные напряжения при условии RC=RC=RC, получаем
.
a
0
Знак "-" в данном выражении может быть учтен выбором фазы этого напряжения либо путем инвертирования . Извлекая корень квадратный из данного напряжения, получаем cos(ωt). Если данное напряжение после соответствующего в В раз усиления просуммировать с входным синусоидальным сигналом, усиленным в А раз и задержанным на время, необходимое для их одновременного суммирования, то на выходе сумматора получим значение напряжения
,
где , причем в частном случае если B=1, то φ=arctgA. После деления результата объединения на  получим . Данные математические операции могут быть выполнены как на аналоговых элементах, так и в вычислителе на базе микропроцессора, алгоритм функционирования которого реализует приведенная на фиг. 2 структура. Входное синусоидальное напряжение при этом может быть введено в вычислитель с помощью аналого-цифрового преобразователя.
Отличительным признаком предложенного технического решения является использование математических методов регулировки частоты колебаний, обладающих высокой точностью выполняемых операций и инвариантностью к изменению частоты входного сигнала. Это обеспечивает максимальное отклонение частоты от номинального значения при частотной модуляции, вызываемое максимальным модулирующим напряжением, т.е. расширяет диапазон девиации частотной модуляции колебаний.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественные всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявляемого объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанных технических результатов. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
м
В предлагаемом способе частотной модуляции регулировка частоты колебаний осуществляется следующим образом: в основном и дополнительном каналах путем изменения амплитуды сигналов с коэффициентами А и В соответственно выходные сигналы каналов объединяют и нормируют по коэффициенту , при этом сигнал основного канала представляет собой входной сигнал синусоидальной формы, а сигнал дополнительного канала получают из входного сигнала путем его одновременного интегрирования и дифференцирования, перемножения результатов данных операций и извлечения квадратного корня из результата перемножения, причем коэффициент В выбирают равным 1, а коэффициент А задают как тангенс от интеграла модулирующего напряжения u(t)
.
Устройство частотной модуляции колебаний содержит инвертор и умножитель, первый и второй интеграторы, преобразователь тангенса, первый и второй управляемые усилители, дифференциатор, элемент задержки, устройство извлечения корня, сумматор, делитель и вычислитель, причем вход несущих колебаний устройства соединен с входами первого управляемого усилителя, второго интегратора и дифференциатора, выход которого соединен с первым входом умножителя, второй вход которого через инвертор соединен с выходом второго интегратора, выход умножителя через устройство извлечения корня соединен с входом второго управляемого усилителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, ко второму входу сумматора через элемент задержки подключен выход первого управляемого усилителя, выход сумматора соединен с первым входом делителя, второй вход которого соединен с выходом вычислителя, а выход делителя является выходом устройства частотной модуляции колебаний, причем вход модулирующего сигнала устройства частотной модуляции колебаний соединен через первый интегратор с входом преобразователя тангенса, к выходу которого подключен первый вход вычислителя и управляющий вход первого управляемого усилителя, а управляющий вход второго управляемого усилителя подключен к входу задания единицы (В=1) устройства, который соединен и со вторым входом вычислителя.
н
м
чм
На фиг. 1 показаны в качестве примера графики модулирующего синусоидального звука и колебания с переменной высокой частотой, полученного в результате частотной модуляции, где а - несущее (немодулированное) колебание; б - гармоническое модулирующее колебание; в - частотно-модулированное колебание; u - мгновенное значение напряжения несущего колебания; u - мгновенное значение напряжения модулирующего сигнала; u - мгновенное значение напряжения частотно-модулированного сигнала; t - текущее значение времени. Во время первого положительного полупериода звукового колебания частота несущего колебания возрастает, доходит до наибольшего значения, а затем возвращается к первому значению. В течение другого отрицательного полупериода звука частота несущего колебания уменьшается, доходит до наименьшего значения и снова принимает первоначальное значение. Чем больше амплитуда модулирующего сигнала, тем сильнее изменяется частота.
На фиг. 2 приведен пример структурной схемы устройства, реализующего данный способ.
Частотный модулятор содержит первый и второй интеграторы 1, 2, преобразователь тангенса 3, первый и второй управляемые усилители 4, 5, дифференциатор 6, инвертор 7, умножитель 8, элемент задержки 9, устройство извлечения корня 10, сумматор 11, делитель 12 и вычислитель 13, реализующий зависимость . Преобразователь тангенса 3 реализует тангенциальную зависимость между его входом и выходом.
Вход несущих колебаний устройства частотной модуляции колебаний соединен с входом первого управляемого усилителя 4, входом дифференциатора 6 и второго интегратора 2. Выход дифференциатора 6 соединен с первым входом умножителя 8. Выход второго интегратора 2 через инвертор 7 соединен со вторым входом умножителя 8, выход которого через устройство извлечения корня 10 соединен с входом второго управляемого усилителя 5, выход которого соединен с первым входом сумматора 11. Ко второму входу сумматора 11 через элемент задержки 9 подключен выход первого управляемого усилителя 4. Выход сумматора 11 соединен с первым входом делителя 12, второй вход которого соединен с выходом вычислителя 13. Вход модулирующего сигнала устройства частотной модуляции колебаний соединен через первый интегратор 1 с входом преобразователя тангенса 3, к выходу которого, где формируется параметр А, подключен первый вход вычислителя 13 и управляющий вход первого управляемого усилителя 4, а управляющий вход второго управляемого усилителя 5 подключен к входу задания единицы (В=1) устройства и ко второму входу вычислителя 13.
a
0
Рассмотрим реализацию способа частотной модуляции на примере работы устройства, которое приведено на фиг. 2. Рассматриваемое устройство работает следующим образом. Несущие колебания sin(ωt), частота которых модулируется в предлагаемом устройстве, подается на его вход и далее одновременно на входы первого управляемого усилителя 4, дифференциатора 6 и второго интегратора 2, где после дифференцирования на дифференциаторе 6 поступает на первый вход множителя 8 и интегрирования на втором интеграторе 2 через инвертор 7 поступает на второй вход умножителя 8. После перемножения в умножителе 8 сигнал поступает на вход устройства извлечения корня 10 и далее на вход второго управляемого усилителя 5. Коэффициент усиления первого управляемого усилителя 4, пропорциональный параметру А, формируется на выходе преобразователя тангенса 3 в виде соответствующих кодов, на вход которого поступает после интегрирования на первом интеграторе 1 и преобразования преобразователем тангенса 3 напряжение со входа модулирующего сигнала устройства частотной модуляции колебаний. Коэффициент усиления второго управляемого усилителя 5 задается равным единицы (В=1). Сигнал с выхода второго управляемого усилителя 5 поступает на первый вход сумматора 11, а сигнал с выхода первого управляемого усилителя 4, задержанный элементом задержки 9 на время, необходимое для их одновременной подачи, поступает на второй вход сумматора 11, где происходит операция их суммирования. Сигнал с выхода сумматора 11 поступает на первый вход делителя 12, на второй вход которого поступает с выхода вычислителя 13 сигнал, пропорциональный величине .
Таким образом, на выходе делителя 12, который является выходом рассматриваемого устройства, формируется в соответствии с приведенными выражениями сигнал
,
чм
чм
0
чм
0
м
чм
м
где s(t) - нормированный модулирующий сигнал , соответствующий закону модулирования несущего колебания, K - коэффициент пропорциональности, связывающий отклонение Δω частоты ω(t) от своего номинального значения ω, равное Δω=ω(t)-ω, и величину модулирующего напряжения u(t), вызывающего это отклонение, рад/(В·с), Ks(t)=u(t) - мгновенное значение напряжения модулирующего напряжения.
В заключение следует отметить, что в предлагаемом способе модуляции колебаний при необходимости несущее колебание и закон модулирования несущего колебания должны быть синхронизированы по входам. В случае же не синхронизации несущего колебания и закона модулирования несущего колебания возникает дополнительный фазовый сдвиг в выходном сигнале, который определяется рассогласованием несущего колебания и напряжения, реализующего закон модулирования несущего колебания, что не влияет на модуляцию несущего колебания по частоте.
Благодаря использованию в описанном устройстве математических методов регулировка частоты сигнала характеризуется достаточно широкой ее универсальностью.