2.2.2. Спектр сигналов угловой модуляции

Сигналы с угловой модуляцией, как и при AM, могут быть представлены в виде суммы гармонических колебаний. Сравнительно просто это можно сделать для тональной модуляции. При тональной модуляции спектры ФМ и ЧМ одинаковы, если , поэтому будем рассматривать только спектр ЧМ сигнала.

Преобразуем (2.15) по формуле косинуса суммы двух аргументов:

.

(2.16)

Из теории бесселевых функций [21, 32] известны следующие соотношения:

; ,

(2.17)

где  – функция Бесселя -го порядка от аргумента . Подставляя (2.17) в (2.16), выполняя обычные алгебраические преобразования и раскрывая произведение тригонометрических функций, получаем:

.

(2.18)

Таким образом, спектр даже для однотональной угловой модуляции является довольно сложным. В формуле (2.18) первый член – гармоническая составляющая с частотой несущей. Группа гармонических составляющих с частотами  определяет верхнюю боковую полосу частот, а группа составляющих с частотами  нижнюю боковую полосу частот. Число верхних и нижних гармоник боковых частот теоретически бесконечно. Боковые гармонические колебания расположены симметрично относительно  на расстоянии . Амплитуды всех компонент спектра, в том числе и с частотой , пропорциональны значениям функций Бесселя .

Формулу (2.18) можно представить в более компактном виде. Действительно учитывая , получаем:

.

(2.19)

Для построения спектральных диаграмм необходимо знание функций Бесселя  при различных значениях  и . Эти сведения имеются в математических справочниках [21, 32]. На рис. 2.6 приведены графики функций Бесселя при . Значения функций Бесселя, отсутствующих на графиках, можно найти по рекуррентной формуле:

.

Пример 2.1. Задано аналитическое выражение модулированного сигнала . Построить спектральную диаграмму этого сигнала.

Из математического уравнения сигнала следует, что это однотональная угловая модуляция с индексом . Спектральные составляющие сигнала определяем из уравнения (2.18), приняв , до тех пор, пока амплитуда составляющих не будет заданной, например меньше 2% от . По результатам расчетов построена спектральная диаграмма (рис. 2.7).

Анализ графиков функций Бесселя показывает, чем больше порядок  функции Бесселя, тем при больших аргументах  наблюдается ее максимум, однако при  значения функций Бесселя оказываются малой       величиной. Следовательно, малыми будут и соответствующие составляющие спектра; ими можно пренебречь. Поэтому ширину спектра сигналов с угловой модуляцией можно приближенно определить по формуле:

,

(2.20)

где    – частота модулирующего сигнала. Для передачи модулированного сигнала с высокой точностью иногда считают, что надо учитывать спектральные составляющие с уровнем не менее 1% от уровня несущей. Тогда ширина спектра с угловой модуляцией  [21, 32, 39].

Если , то ширина спектра угловой модуляции соизмерима с шириной спектра амплитудной модуляции. Если  то при угловой модуляция из (2.20) и (2.14) следует, что ширина полосы частот примерно равна удвоенной девиации частоты.