РАДИОСВЯЗЬ С ФМ

РАДИОСВЯЗЬ С ФМ
Владимир Тимофеевич Поляков (RA3AAE) г. Москва

ФМ - это фазовая модуляция. Она близка к частотной, но, применительно к любительской связи на УКВ, несколько отличается в лучшую сторону. Эти отличия мы рассмотрим ниже, а сначала несколько слов о том, что побудило автора написать эту статью.
В отличие от зарубежных стран, ЧМ и ФМ у нас очень "не повезло" - любители используют эти виды модуляции не часто и соответствующей аппаратуры, по существу, не имеют. С одной стороны, это связано с весьма незначительным числом публикаций (практически полный их список [1- 7] дан в конце статьи), а с другой - с глубоко укоренившимся мнением, что для дальних телефонных связей пригодна лишь однополосная модуляция (SSB). Сложившееся положение не позволяет широко использовать УКВ диапазоны массе начинающих и малоопытных радиолюбителей, для которых постройка УКВ SSB аппаратуры - слишком сложная задача, а телеграфа они не знают. В результате на просторном диапазоне 144... 146 МГц (не говоря уже о более высокочастотных) пусто, в то время как диапазон 1,8 МГц катастрофически перенаселен. В данной статье сделана попытка показать, что сейчас появилась возможность строить УКВ радиостанции с ФМ, чуть ли не самые простые из всех известных, но по эффективности почти не уступающие однополосным.
При ФМ в соответствии со звуковым сигналом изменяется фаза высокочастотных колебаний. Максимальное отклонение фазы, выраженное в радианах, называется индексом модуляции b. ФМ сигнал при синусоидальной модуляции можно записать в виде

где А - постоянная амплитуда сигнала, wo=2pf - несущая частота, W=2pf - модулирующая звуковая частота. Когда изменяется фаза сигнала, неизбежно отклоняется и частота. Отклонение частоты можно найти, продифференцировав выражение для фазы по времени:

Видно, что максимальное отклонение (девиация) частоты Dwmax составляет bW, т. е. оно тем больше, чем больше модулирующая частота. Максимальная дальность связи с ЧМ или ФМ получается при индексах модуляции порядка 1 [2]. При этом девиация частоты телефонного ФМ сигнала не превышает 3 кГц.
Спектр ФМ сигнала можно найти с помощью бесселевых функций, однако при индексах модуляции порядка единицы и менее справедливо приближенное выражение:

Спектральные составляющие расположены на частотах несушей wо (рис.1), боковых первого порядка wо± W и второго wо±2W. Последними при b<1 можно пренебречь. Таким образом, спектр уэкополосного (b<1) ФМ сигнала почти точно соответствует спектру AM сигнала, разница лишь в том, что боковые полосы AM сигнала синфазны, а ФМ сигнала - противофазны.

Puc.1
Из подобия спектров следует важный вывод: ФМ сигнал можно принимать SSB приемниками практически без искажений, вырезав одну из боковых полос фильтром основной селекции приемника. Для сравнения заметим, что при ЧМ, где постоянно отклонение частоты Df=bF, индекс модуляции возрастает примерно до десяти на нижних частотах звукового спектра (Dfm=3 кГц, F=300 Гц). Это приводит к образованию массы боковых частот высоких порядков и делает невозможным прием ЧМ сигнала SSB приемником.
Известен, и лет двадцать назад довольно широко использовался, способ приема ЧМ сигнала на AM приемник, имеющий достаточно пологие скаты кривой селективности. При настройке приемника так, чтобы несущая попала на середину одного из скатов, ЧМ преобразуется в AM и затем полученный AM сигнал детектируется обычным образом. Процесс этот связан со значительными нелинейными искажениями, возрастающими при увеличении крутизны скатов. В случае приема узкополосного ФМ сигнала на AM приемник при центральной настройке две боковые полосы первого порядка взаимно компенсируются и приема нет. Расстройка приемника ослабляет одну из боковых полос, и на выходе AM детектора появляется сигнал. Высокая крутизна скатов кривой селективности не приводит к нелинейным искажениям сигнала при ФМ, поскольку в спектре сигнала почти не содержится боковых составляющих второго и более высоких порядков.
Эксперименты автора с узкополосным (b~1) ФМ передатчиком в диапазоне 28 МГц, проведенные еще в 70-х годах, полностью подтвердили высказанные положения. Передача хорошо прослушивалась на SSB приемники, основная же масса корреспондентов, использующих AM приемники, отмечала улучшение разборчивости, подъем верхних частот и общее повышение эффективности при переходе с AM на ФМ. Причем более половины операторов не замечало характерного "провала" при центральной настройке AM приемника и не отличало ФМ от AM. Дело в том, что этот "провал", хорошо заметный при ЧМ из-за значительной его ширины и сопутствующих искажений, становится очень узким и не сопровождается искажениями при ФМ.
Модуляцию по фазе легко ввести в любом передатчике. Если используется один из широко известных ЧМ модуляторов с переменной реактивностью в задающем генераторе передатчика, то на него следует подать предварительно продифференцированный звуковой сигнал. Дифференцирование означает подъем верхних частот звукового спектра с крутизной 6 дБ на октаву. Для дифференцирования пригодна обычная RC цепочка с постоянной времени около 50 мкс. Практически емкость одного из разделительных конденсаторов в микрофонном усилителе выбирается раз в 10 меньше обычной. Кстати, так и делают в большинстве промышленных УКВ ЧМ радиостанций, поэтому они излучают фактически не ЧМ, а ФМ сигнал, правда, с индексом модуляции 1,5...2,5, что приводит к расширению спектра излучаемого сигнала из-за боковых полос второго и высших порядков.
Гораздо лучше ввести ФМ не в задающий, а в один из промежуточных каскадов передатчика. При этом можно получить особенно высокие стабильность частоты и качество сигнала. Достаточно вместо контурной емкости в буферном каскаде включить варикап и подать на него напряжение звуковой частоты, как показано на рис.2. Резонансная частота контура L1VD1 будет изменяться в такт со звуковым напряжением, что вызовет, в первую очередь, изменение фазы колебаний в нем. Индекс модуляции, получаемый а этом простейшем устройстве, определяется отношением расстройки контура при модуляции к половине полосы пропускания, т. е. b1~Df/Dfo. Одновременно возникает и паразитная AM второй гармоникой модулирующей частоты, причем коэффициент AM примерно равен b²/4. Выгодно включать модулятор на сравнительно низкой частоте задающего генератора для модуляции с небольшим индексом b1, a требуемый индекс b=1 получать при умножении частоты в последующих каскадах. Если общий коэффициент умножения частоты в передатчике равен n, то индекс модуляции выходного сигнала b=nb1. Больший индекс модуляции получается, если включить по варикапу в каждый из двух контуров полосового фильтра, установленного вместо одиночного контура в устройстве, выполненного по схеме, показанной на рис. 2.

Puc.2
ФМ можно получить и без варикапа, модулируя смещение транзистора буферного каскада [6]. При атом изменяется время дрейфа носителей тока в базе транзистора, а также его выходное полное сопротивление, что также приводит, в первую очередь, к модуляции фазы проходящего сигнала. Паразитную амплитудную модуляцию уменьшают подбором режима работы транзистора.
Структурная схема ФМ передатчика показана на рис. 3. Он содержит задающий генератор G1 с кварцевой стабилизацией частоты. Можно использовать перестраиваемый кварцевый генератор (VXO) или более сложные генераторы, включающие интерполяционный гетеродин с плавной перестройкой, кварцевый гетеродин и смеситель. На фазовый модулятор U1 поступают напряжение с задающего генератора и сигнал звуковой частоты с микрофонного усилителя А1. Компрессоры, ограничители и тому подобные устройства, снижающие пикфактор речевого сигнала, при ФМ так же эффективны, как и при других видах модуляции. Предыскажения спектра звукового сигнала при использовании фазового модулятора не нужны. За модулятором следуют умножитель частоты U2, содержащий необходимое число каскадов и усилитель мощности А2.

Puc.3
К несомненным достоинствам ФМ передатчика надо отнести и то, что он практически не сложнее телеграфного, амплитуда излучаемого им сигнала постоянна, поэтому все каскады могут работать в режиме класса С с максимальным КПД, причем линейность каскадов значения не имеет. По этой же причине ФМ передатчик практически не создает помех телевизионным и другим УКВ приемникам. При построении высокочастотных каскадов диапазонов 432 и 1296 МГц можно добавлять варакторные или транзисторные утроители частоты к уже налаженному основному передатчику на 144 МГц. Лишь индекс модуляции основного передатчика придется снизить соответственно в 3 или 9 раз, уменьшив напряжение звуковой частоты на модуляторе.
Поговорим теперь о приемниках ФМ сигнала. Пригодны, как уже сказано, SSB и AM приемники, что обеспечивает полную совместимость ФМ с используемыми в настоящее время видами модуляции. Но наилучших результатов можно достичь, разумеется, лишь когда в аппарате применяется специальный фазовый детектор.
Фазовый детектор хорошо известен - это диодный или транзисторный балансный смеситель с отдельным входом опорного сигнала. Опорный сигнал должен иметь частоту, равную частоте несущей принимаемого сигнала и фазу, сдвинутую на p/2 относительно фазы несушей. Тогда верхняя боковая полоса при смешении получит фазовый сдвиг -p/2, а нижняя +p/2, и противофазные боковые полосы ФМ сигнала превратятся в синфазные колебания звуковой частоты на выходе детектора. Для синхронизации опорного сигнала с несущей как нельзя лучше подходит система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) - она вносит необходимый фазовый сдвиг p/2, а ее фазовый детектор Может служить одновременно и для детектирования сигнала. Таким образом, оптимальный ФМ приемник- это синхронный приемник, имеющий опорный гетеродин, синхронизированный с несущей частотой сигнала.
Структурная схема приемника ФМ сигналов показана на рис. 4. Он содержит усилитель РЧ А1, преобразователь частоты U1 с гетеродином G1, фильтр основной селекции Z1 с полосой пропускания 6 кГц, усилитель ПЧ А2, фазовый детектор U2 с вторым гетеродином G2 и усилитель ЗЧ A3. Приемник может иметь и двойное преобразование частоты. Все перечисленные узлы есть в любом связном приемнике CW и SSB сигналов, лишь фазовый детектор U2 называют в нем "перемножительным", "мультипликативным", "смесительным" или "вторым" детектором. Что же остается добавить для превращения этого устройства в синхронный ФМ приемник? Крайне мало - варикап VD1 для подстройки в небольших пределах частоты второго гетеродина и RC фильтр петли ФАПЧ Z2. Это всего лишь 3-4 детали, и такая доработка не может вызвать больших затруднений.

Puc.4

Как пример, на рис.5 приведена схема разработанного автором CW - ФМ детектора на интегральной микросхеме - дифференциальном усилителе К122УД1Б. Входной сигнал ПЧ 465 или 500 кГц через катушку связи L2 подается на базы дифференциальной пары транзисторов микросхемы, служащих балансным смесителем, а на токозадающем транзисторе (выводы 3 и 12 DA1) собран второй гетеродин. Его частоту подстраивают варикапом VD1. Фильтром петли ФАПЧ служит резистор нагрузки смесителя (внутри микросхемы) и конденсатор С8.

Puc.5
Катушки L1-L3 - катушки контуров ПЧ на 465 кГц. При использовании арматуры приемника "Сокол" катушки L1 и L3 должны иметь по 75, а катушка L2- 20 витков провода ПЭЛ или ПЭЛШО 0,15. Катушки L1 и L2 наматывают на одном каркасе. Для приема CW сигналов цепь ФАПЧ размыкается, а на варикап подают напряжение с движка переменного резистора R1. Описанное устройство имеет полосу удержания несколько килогерц при уровне сигнала ПЧ на катушке L2 порядка десятков милливольт. Испытать детектор при реальных связях не удалось, так как ФМ сигналов на любительских диапазонах в настоящее время нет.
Теоретически тем не менее можно сравнить системы связи на УКВ с SSB и ФМ. Приемники этих систем имеют одинаковый сигнальный тракт (см. рис, 4), лишь полоса пропускания SSB приемника вдвое уже (3 кГц вместо 6 при ФМ). Поэтому при равной пиковой мощности сигнала отношение сигнал/шум на выходе SSB приемника будет на 3 дБ больше. Зато SSB передатчик должен работать в линейном режиме, когда КПД выходного каскада не превосходит 40...50 %, а ФМ передатчик может иметь КПД 70...80 %. Поэтому при равных подводимых мощностях ФМ передатчик даст выигрыш на 1,5...2 дБ. Таким образом, ФМ лишь немного, на 1...1.5 дБ, уступает SSB в равных условиях. Надо еще заметить, что SSB передатчик экономичнее, поскольку в паузах передачи он не излучает. Однако при разрешенной на УКВ мощности 5 Вт этот фактор практического значения не имеет. Зато несущая, излучаемая ФМ передатчиком постоянно, позволит дальнему корреспонденту узнать о существовании вашего слабого сигнала, даже если нельзя разобрать передаваемое сообщение.
Для ЧМ и AM при использовании традиционных детекторов [4] характерен "порог" - при малых отношениях сигнал/шум полезный сигнал подавляется шумом [2, 5]. Предложенная система связи с ФМ и синхронным приемником, также как и SSB система, порога не имеет, поскольку демодуляция сигнала происходит в линейном элементе - фазовом детекторе. Отношения сигнал/шум на входе и выходе фазового детектора всегда одинаковы. Но при слабых сигналах возможен срыв слежения в системе ФАПЧ, что, по сути дела, и явится порогом всей системы. Для его понижения полосу пропускания петли ФАПЧ, определяемую RC фильтром и уровнем сигнала на детекторе [7], надо выбирать не более нескольких десятков герц. Полоса удержания может при этом достигать сотен герц, что представляется достаточным для уверенного приема. Петля ФАПЧ остается работоспособной при отношениях сигнал/шум в полосе петли не хуже 5...7 дБ. Тогда это отношение в полосе телефонного сигнала 3 кГц будет на 15...20 дБ меньше (-8...-15 дБ), т. е. таким, при котором звуковой сигнал не то чтобы разобрать, а даже услышать нельзя в шуме. Таким образом, этот порог синхронного ФМ приемника лежит намного ниже минимально обнаруживаемых сигналов. Говоря другими словами, узкополосная система ФАПЧ способна отслеживать несущую, лежащую ниже уровня шумов приемника.
Заканчивая статью, хотелось бы обратиться к радиолюбителям-ультракоротковолновнкам с просьбой поэкспериментировать в этом новом направлении любительской радиосвязи и прислать в редакцию отзывы или краткие сообщения о результатах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гаухман Р. О частотной модуляции. - Радио, 1966, № 9, с. 23-24.
2. Поляков В. Виды модуляции при дальней связи на УКВ. - Радио, 1975, № 6, с. 17.
3. Волков В., Морозов Н. УКВ ЧМ приемник с обратным управлением. - Радио, 1976, № 11. с. 20-21:
4. Поляков В. Техника УКВ ЧМ связи. - Радио. 1977,№ 3, с. 20-23.
5. Верещагин Е. М., Никитенко Ю. Г. Частотная и фазовая модуляция в технике связи. - М-: Связь,1974.
6. Рыбаков Г. Фазовый модулятор. - Радио, 1981. № 10, с. 11.
7. Поляков В. Т. Радиовещательные ЧМ приемники с фазовой автоподстройкой. - М.: Радио и связь, 1983.

РАДИО N 1, 1984 г. c.24-26