Nie tylko fonia i CW

10.2. ZALETY MODULACJI CZĘSTOTLIWOŚCI

Wspólną cechą charakterystyczną norm przyjętych w naziemnych transmisjach programów telewizyjnych jest modulacja amplitudy nośnej wizji. W odróżnieniu od modulacji amplitudy stosowanej w radiofonii dolna wstęga boczna jest w znacznym stopniu obcięta. Jest to więc w praktyce modulacja quasi-jednowstęgowa z falą nośną. Znaczna szerokość pasm mikrofalowych otwiera przed telewizją amatorską nowe perspektywy. Jedną z nich jest możliwość zastosowania modulacji częstotliwości nośnej wizji analogiczne jak w systemach TV satelitarnej. Cechami charakterystycznymi modulacji częstotliwości są: większa odporność na zakłócenia, zwłaszcza impulsowe, uzyskana dzięki zastosowaniu ogranicznika amplitudy w torze odbiorczym oraz zysk szerokopasmowy. Ze wzrostem indeksu modulacji wyrażanego stosunkiem dewiacji częstotliwości do najwyższej częstotliwości modulującej:

     Fdev
M = ----
     fmax

ulega poprawie stosunek sygnału do szumu na wyjściu dyskryminatora częstotliwości w porównaniu ze stosunkiem sygnału do szumu na jego wejściu. Fizycznie zjawisko to można wyjaśnić w sposób następujący:
Składniki widma sygnału zmodulowanego powiązane są ze sobą stałą zależnością czasową, są skorelowane. Szumy występujące w kanale odbiorczym są szumami przypadkowymi, ich poszczególne składniki są ze sobą nieskorelowane i znoszą się częściowo zmniejszając w ten sposób składową szumów na wyjściu.

    [rys. a_01]

    Charakterystyki szumowe modulacji częstotliwości w zależności od indeksu modulacji przedstawia rysunek 10.1. Jak to wynika z wykresu, zysk szerokopasmowy występuje powyżej pewnego progu stosunku sygnału użytecznego do szumów i zakłóceń. Dla stosunków sygnał/szum poniżej tego progu sygnał zakłócający powoduje znaczące zmiany momentów przejścia nośnej przez zero, dodając w ten sposób zakłócającą modulację częstotliwości. Dodatkową poprawę stosunku sygnału do szumu daje zastosowanie preemfazy po stronie nadawczej i deemfazy po stronie odbiorczej. W porównaniu z modulacją amplitudy zysk w postaci poprawy stosunku sygnału do szumu wynosi:
S = 10log(3(M/m)^2)

gdzie:
M - indeks modulacji FM,
m - głębokość modulacji AM.

    [rys. a_02]

    W praktyce daje to dla indeksu modulacji równego jedności (szerokość pasma wynosi wówczas ok. 22 MHz) zysk ok. 6,7 dB, przy założeniu maksymalnej dopuszczalnej głebokości modulacji porównywanego nadajnika AM równej 0,8. Dla porównania, w telewizji satelitarnej stosowana jest szerokość pasma wynosząca 27 MHz. W przypadku zastosowania indeksu modulacji równego 5 zysk wynosi ok. 20,6 dB, jest on jednak okupiony bardzo dużą szerokością pasma wynoszącą 66 MHz. Jest to wartość trudna do przyjęcia w praktyce radioamatorskiej. Dodatkowy zysk spowodowany zastosowaniem preemfazy/deemfazy wynosi ok. 14 dB. Wypadkowy zysk przekracza więc 20 dB. Zwiększone tłumienie wolnej przestrzeni w pasmach 23 i 13 cm w stosunku do pasma 70 cm jest więc zrekompensowane z nadmiarem.
    Korzyści płynące z zastosowania modulacji FM obrazuje następujące porównanie jakości obrazu. W przeprowadzonym eksperymencie przy transmisji obrazu w paśmie 13 cm z mocą 150 mW sygnał odbierany był poniżej progu FM a obraz był zaszumiony, choć kolory były odbierane prawidłowo, przy transmisji z mocą 800 mW (odbiór na progu FM) szumy zanikały i jakość obrazu można było określić jako dobrą, a przy transmisji z mocą 1,5 W jakość odebranego obrazu była już bardzo dobra. Dla porównania, przy transmisji obrazu w paśmie 70 cm z modulacją AM na tej samej trasie i dla mocy nadajnika równej 1 W stosunek sygnału do szumu wynosił 10 dB, odbierany obraz z trudem umożliwiał rozpoznanie większych elementów i nie był kolorowy. Dopiero przy użyciu nadajnika o mocy 10 W (co odpowiadało stosunkowi sygnału do szumu równemu 20 dB) możliwy był odbiór kolorowy, ale jakość obrazu była gorsza niż przy odbiorze FM na progu czułości. Dobrą jakość obrazu uzyskano dopiero przy użyciu nadajnika o mocy 70 W (stosunek sygnału do szumu wynoszący 30 dB), bardzo dobrą jakość - dopiero przy stosunku sygnału do szumu powyżej 40 dB. W praktyce profesjonalnej (w telewizji programowej) jako granicę bardzo dobrego odbioru przyjmuje się stosunek sygnału do szumu wynoszący 60 dB. Oznacza to konieczność stosowania znacznych mocy nadajnika. Moce te musiałyby (przy uwzględnieniu zwiększonego tłumienia wolnej przestrzeni) być jeszcze większe w pasmach mikrofalowych. Uzyskanie ich w warunkach amatorskich jest bardzo trudne lub wręcz niemożliwe. Tłumienie wolnej przestrzeni w paśmie 23 cm jest o ok. 9 dB większe aniżeli w paśmie 70 cm, a dla pasma 13 cm różnica ta wynosi nawet 14 dB. Dodatkowo należy też uwględnić zwiekszone tłumienie kabla antenowego wynoszące np. dla kabla typu RG-213 14 dB/100 m różnicy pomiędzy pasmami 70 i 23 cm. W paśmie 13 cm tłumienie to wzrasta dodatkowo o 23 dB/100 m w porównaniu z pasmem 23 cm. Dla kabli AIRCOM (W-100) różnice te wynoszą odpowiednio po 7 dB/100 m. Przy okazji widać też jak istotne jest stosowanie właściwego kabla w wyższych pasmach i jak bardzo szkodliwa może być fałszywie pojęta oszczędność.
    Dalszą zaletą modulacji częstotliwości jest znaczne uproszczenie konstrukcji nadajnika. W przypadku stosowania modulacji AM wszystkie stopnie muszą pracować w liniowym obszarze charakterystyk dla uniknięcia zniekształceń treści obrazu i zakłoceń synchronizacji. Jest to szczególnie krytyczne przy transmisji obrazów kolorowych. Warunek zachowania liniowości ogranicza poważnie wykorzystanie możliwości stopni mocy nadajników telewizyjnych. Ze względu na możliwość wystąpienia zniekształceń sygnału nadawanego głębokość modulacji nie powinna przekraczać 80%.
    Natomiast w nadajniku FM sygnał z modulowanego częstotliwościowo generatora sterującego może być poddany powielaniu dla uzyskania pożądanej częstotliwości wyjściowej lub zmieszany z sygnałem z dodatkowego generatora kwarcowego. Wszystkie następne stopnie pracują w klasie C, zapewniając większą sprawność nadajnika. Odpada tu warunek zapewnienia wysokiej liniowości pracy. Konstrukcja modulatora FM o wymaganej liniowości jest znacznie łatwiejsza niż konstrukcja modulatora AM większej mocy. Wadą emisji FM jest znacznie większa szerokość pasma zajmowanego przez sygnał w.cz. Szerokość ta wynosi:
B = 2(Fdev + fmax) = 2 (M + 1)
gdzie: M - indeks modulacji.
    Stosowany w praktyce amatorskiej indeks modulacji w zakresie od 0,5 do 1 daje szerokości pasma między 16 a 22 MHz. Na stosunkowo mało wykorzystanych pasmach mikrofalowych są to jednak wartości do przyjęcia.

Wydanie z dn. 20.03.1999.
© Prawa autorskie Krzysztof Dąbrowski, OE1KDA.