6. Виды модуляции. Введение в специальность

6. Виды модуляции

Принципы передачи сигналов электросвязи

Перенос сигнала из одной точки пространства в другую осуществляет система электросвязи. Электрический сигнал является, по сути, формой представления сообщения для передачи его системой электросвязи.

Источник сообщения (рис.6.1) формирует сообщение а(t), которое с помощью специальных устройств преобразуется в электрический сигнал s(t). При передаче речи такое преобразование выполняет микрофон, при передаче изображения – электронно-лучевая трубка, при передаче телеграммы – передающая часть телеграфного аппарата.

Чтобы передать сигнал в системе электросвязи, нужно воспользоваться каким-либо переносчиком. В качестве переносчика естественно использовать те материальные объекты, которые имеют свойство перемещаться в пространстве, например, электромагнитное поле в проводах (проводная связь), в открытом пространстве (радиосвязь), световой луч (оптическая связь). На рис. 6.2 показано использование шкалы частот и волн различных типов для различных видов связи.

Таким образом, в пункте передачи (рис.6.1) первичный сигнал s(t) необходимо преобразовать в сигнал v(t), удобный для его передачи по соответствующей среде распространения. В пункте приема выполняется обратное преобразование. В отдельных случаях (например, когда средой распространения является пара физических проводов, как в городской телефонной связи) указанное преобразование сигнала может отсутствовать.

Доставленный в пункт приема сигнал должен быть снова преобразован в сообщение (например, с помощью телефона или громкоговорителя при передаче речи, электронно-лучевой трубки при передаче изображения, приемной части телеграфного аппарата при передаче телеграммы) и затем передан получателю.

Передача информации всегда сопровождается неизбежным действием помех и искажений. Это приводит к тому, что сигнал на выходе системы электросвязи и принятое сообщение могут в какой-то мере отличаться от сигнала на входе s(t) и переданного сообщения a(t). Степень соответствия принятого сообщения переданному называют верностью передачи информации.

Для различных сообщений качество их передачи оценивается по-разному. Принятое телефонное сообщение должно быть достаточно разборчивым, абонент должен быть узнаваемым. Для телевизионного сообщения существует стандарт (хорошо известная всем телезрителям таблица на экране телевизора), по которому оценивается качество принятого изображения.

Количественной оценкой верности передачи дискретных сообщений служит отношение числа ошибочно принятых элементов сообщения к числу переданных элементов – частость ошибок (или коэффициент ошибок).

Амплитудная модуляция

Обычно в качестве переносчика используют гармоническое колебание высокой частоты – несущее колебание. Процесс преобразования первичного сигнала заключается в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания по закону изменения первичного сигнала (т.е. в наделении несущего колебания признаками первичного сигнала) и называется модуляцией.

Запишем гармоническое колебание, выбранное в качестве несущего, в следующем виде:

Это колебание полностью характеризуется тремя параметрами: амплитудой V, частотой w и начальной фазой j. Модуляцию можно осуществить изменением любого из трех параметров по закону передаваемого сигнала.

Изменение во времени амплитуды несущего колебания пропорционально первичному сигналу s(t), т.е. V(t) = V + kAM s(t), где kAM – коэффициент пропорциональности, называется амплитудной модуляцией (АМ).

Несущее колебание с модулированной по закону первичного сигнала амплитудой равно: v(t) = V(t)cos(wt + j). Если в качестве первичного сигнала использовать то же гармоническое колебание (но с более низкой частотой W) s(t) = ScosWt, то модулированное колебание запишется в виде (для упрощения взято j = 0): v(t) = (V + kAMScosWt)coswt.

Вынесем за скобки V и обозначим DV = kAMS и МАМ = = DV/V. Тогда

Параметр МАМ = DV/V называется глубиной амплитудной модуляции. При МАМ = 0 модуляции нет и v(t) = v0(t), т.е. получаем немодулированное несущее колебание (2.1). Обычно амплитуда несущего выбирается больше амплитуды первичного сигнала, так что МАМ 1.

На рис. 6.3 показана форма передаваемого сигнала (а), несущего колебания до модуляции (б) и модулированного по амплитуде несущего колебания (в).

Произведя в (6.2) перемножение, получим, что амплитудно-модулированное колебание

состоит из суммы трех гармонических составляющих с частотами w, w + W и w – W и амплитудами соответственно V, MAMV/2 и MAMV/2. Таким образом, спектр амплитудно-модулированного колебания (или АМ-колебания) состоит из частоты несущего колебания и двух боковых частот, симметричных относительно несущей, с одинаковыми амплитудами (рис. 6.4, б). Спектр первичного сигнала s(t) приведен на рис. 6.4, а.

Если первичный сигнал сложный и его спектр ограничен частотами и (рис. 6.4, в), то спектр АМ-колебания будет состоять из несущего колебания и двух боковых полос, симметричных относительно несущей (рис. 6.4, г).

Анализ энергетических соотношений показывает, что основная мощность АМ колебания заключена в несущем колебании, которое не содержит полезной информации. Нижняя и верхняя боковые полосы несут одинаковую информацию и имеют более низкую мощность.

Угловая модуляция

Можно изменять во времени пропорционально первичному сигналу s(t) не амплитуду, а частоту несущего колебания:

где – коэффициент пропорциональности; величина – называется девиацией частоты (фактически это максимальное отклонение частоты модулированного сигнала от частоты несущего колебания).

Такой вид модуляции называется частотной модуляцией. На рис. 6.5 показано изменение частоты несущего колебания при частотной модуляции.

При изменении фазы несущего колебания получим фазовую модуляцию

где – коэффициент пропорциональности; – индекс фазовой модуляции.

Между частотной и фазовой модуляцией существует тесная связь. Представим несущее колебание в виде

где j – начальная фаза колебания, а Y(t) – его полная фаза. Между фазой Y(t) и частотой w существует связь:

. (6.6)

Подставим в (6.6) выражение (6.3) для w(t) при частотной модуляции:

Величина называется индексом частотной модуляции.

Частотно-модулированное колебание запишется в виде:

Фазо-модулированное колебание с учетом (6.4) для j(t) следующее:

Из сравнения (6.7) и (6.8) следует, что по внешнему виду сигнала v(t) трудно различить, какая модуляция применена – частотная или фазовая. Часто оба эти вида модуляции называют угловой модуляцией, а МЧМ и МФМ – индексами угловой модуляции.

Несущее колебание, подвергнутое угловой модуляции (6.7) или (6.8), можно представить в виде суммы гармонических колебаний:

Здесь М – индекс угловой модуляции, принимающий значение МЧМ при ЧМ и МФМ при ФМ. Амплитуды гармоник в этом выражении определяются некоторыми коэффициентами, значения которых при различных аргументах приводятся в специальных справочных таблицах. Чем больше М, тем шире спектр модулированного колебания.

Таким образом, спектр модулированной несущей при угловой модуляции даже при гармоническом первичном сигнале s(t) состоит из бесконечного числа дискретных составляющих, образующих нижнюю и верхнюю боковые полосы спектра, симметричные относительно несущей частоты и имеющие одинаковые амплитуды (рис. 6.6).

В случае, если первичный сигнал s(t) имеет форму, отличную от синусоидальной, и занимает полосу частот от до , то спектр модулированного колебания при угловой модуляции будет иметь еще более сложный вид.

Иногда отдельно рассматривают модуляцию гармонического несущего колебания по амплитуде, частоте или фазе дискретными первичными сигналами s(t), например телеграфными или передачи данных. На рис. 6.7 показан дискретный первичный сигнал (а), несущее колебание, модулированное по амплитуде (б), частоте (в) и фазе (г).

Модуляцию гармонического несущего колебания первичным сигналом s(t) называют непрерывной, так как в качестве переносчика выбран непрерывный периодический сигнал .

Сравнение различных видов непрерывной модуляции позволяет выявить их особенности. При амплитудной модуляции ширина спектра модулированного сигнала, как правило, значительно меньше, чем при угловой модуляции (частотной и фазовой). Таким образом, налицо экономия частотного спектра: для амплитудно-модулированных сигналов можно отводить при передаче более узкую полосу частот. Как будет показано дальше, это особенно важно при построении многоканальных систем передачи.

Импульсная модуляция

Часто в качестве переносчика используют периодическую последовательность сравнительно узких импульсов. Последовательность прямоугольных импульсов одного знака характеризуется параметрами (рис. 6.8): амплитудой импульсов V; длительностью (шириной) импульсов ; частотой следования (или тактовой частотой) , где Т – период следования импульсов (); положением (фазой) импульсов относительно тактовых (отсчетных) точек. Отношение называется скважностью импульса.

По закону передаваемого первичного сигнала можно изменять (модулировать) любой из перечисленных параметров импульсной последовательности. При этом модуляция называется импульсной.

В зависимости от того, какой параметр модулируется первичным сигналом s(t), различают: амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), когда по закону передаваемого сигнала (рис. 6.8, а) изменяется амплитуда импульсов (см. рис. 6.8, б); широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), когда изменяется ширина импульсов (рис. 6.8, в); частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ) – изменяется частота следования импульсов (см. рис. 6.8, г); фазо-импульсную модуляцию (ФИМ) – изменяется фаза импульсов, т.е. временнóе положение относительно тактовых точек (см. рис. 6.8, д).

Модуляцию ФИМ и ЧИМ объединяют во временно-импульсную (ВИМ). Между ними существует связь, аналогичная связи между фазовой и частотной модуляцией синусоидального колебания.

Рис. 6.10. Спектр АИМ-сигнала

В качестве примера на рис. 6.10 показан спектр АИМ сигнала при модуляции импульсной последовательности сложным первичным сигналом s(t) с полосой частот от 0 до W. Он содержит спектр исходного сигнала s(t), все гармоники тактовой частоты (т.е. частоты и т.д.) и боковые полосы частот около гармоник тактовой частоты.

Спектры сигналов ШИМ, ЧИМ и ФИМ имеют еще более сложный вид.

Импульсные последовательности, изображенные на рис. 6.8, называются последовательностями видеоимпульсов. Если позволяет среда распространения, то видеоимпульсы передаются без дополнительных преобразований (например, по кабелю). Однако по радиолиниям передать видеоимпульсы невозможно. Тогда сигнал подвергают второй ступени преобразования (модуляции).

Модулируя с помощью видеоимпульсов гармоничное несущее колебание достаточно высокой частоты, получают радиоимпульсы, которые способны распространятся в эфире. Полученные в результате сочетания первой и второй ступеней модуляции сигналы могут иметь названия АИМ–АМ, ФИМ–АМ, ФИМ–ЧМ и др.

Сравнение импульсных видов модуляции показывает, что АИМ имеет меньшую ширину спектра по сравнению с ШИМ и ФИМ. Однако последние более устойчивы к воздействию помех. Для обоснования выбора метода модуляции в системе передачи необходимо сравнить эти методы по различным критериям: энергетическим затратам на передачу сигнала, помехоустойчивости (способности модулированных сигналов противостоять вредному воздействию помех), сложности оборудования и др.

Контрольные вопросы

1. Какова структура устройства передачи сообщений?

2. В чем состоит принцип амплитудной (частотной, фазовой) модуляции?

3. Чем отличается непрерывная модуляция от импульсной?

4. Как осуществляется восстановление исходного сигнала из модулированного?

Список литературы

1. Системы электросвязи: Учебник для вузов; Под ред. В.П.Шувалова. – М.: Радио и связь, 1987. – 512 с.

2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2000. – 462 с.

Модуляция и её разновидности

Виды модуляции

Существует два вида переносчиков: гармонический и импульсный.

Для гармонического переносчика возможны три вида модуляции: амплитудная модуляция (АМ), фазовая (ФМ) и частотная (ЧМ).

Для импульсного переносчика возможны четыре вида модуляции: амплитудно-импульсная, или высотно-импульсная модуляция (АИМ),когда по закону передаваемого сигнала изменяется амплитуда импульсов, фазо-импульсная, или время-импульсная (ФИМ)-изменяется фаза импульсов, широтно-импульсная или модуляция по длительности (ШИМ), когда изменяется ширина импульсов и, наконец, либо частотно-импульсная (ЧИМ)-изменяется частота следования импульсов, либо интервально-импульсная (ИИМ).

Модуляцию ФИМ и ЧИМ объединяют во временно-импульсную (ВИМ). Между ними существует связь, аналогичная связи между фазовой и частотной модуляцией синусоидального колебания.

Спектры ШИМ, ЧИМ, и ФИМ имеют более сложный вид чем спектр сигнала АИМ.

Импульсные последовательности АИМ, ШИМ, ЧИМ, и ФИМ называются последовательностями видеоимпульсов. Если позволяет среда распространения, то видеоимпульсы передаются без дополнительных преобразований (например, по кабелю). Однако по радиолиниям передать видеоимпульсы невозможно. Тогда сигнал подвергают второй ступени преобразования (модуляции).

Модулируя с помощью видеоимпульсов гармоничное несущее колебание достаточно высокой частоты, получают радиоимпульсы, которые способны распространяться в эфире. Полученные в результате сочетания первой и второй ступеней модуляции сигналы могут иметь названия АИМ-АМ, ФИМ-АМ, ФИМ-ЧМ и др.

Сравнение импульсных видов модуляции показывает, что АИМ имеет меньшую ширину спектра по сравнению с ШИМ и ФИМ. Однако последние более устойчивы к воздействию помех. Для обоснования выбора метода модуляции в системе передачи необходимо сравнить эти методы по различным критериям: энергетическим затратам на передачу сигнала, помехоустойчивости (способности модулированных сигналов противостоять вредному воздействию помех), сложности оборудования и др.

Модулированные по ширине (ШИМ) и по фазе (ФИМ) видеоимпульсы.

Воздействие сообщения на модулируемый параметр может повлечь за собой изменение других параметров. Например, частотная модуляция гармонического переносчика сопровождается изменением начальной фазы, и наоборот. Однако одновременное воздействие на несколько параметров может осуществляться преднамеренно. В этом случае модуляция называется смешанной. Возможны, например, амплитудно-частотная и амплитудно-фазовая модуляции гармонического переносчика.

При многоканальной передаче на разные параметры могут воздействовать различные сообщения.

Иногда модуляция осуществляется в несколько этапов: сперва исходное сообщение модулирует некоторое поднесущее колебание, затем модулированный сигнал воздействует на основной переносчик. Примерами могут служить система ЧМ-АМ, в которой сообщение а(t) модулирует поднесущее колебание по частоте, а затем ЧМ колебание модулирует основной переносчик по амплитуде, АМ-ЧМ, ШИМ-ФМ и т.д. Некоторые системы многоступенной модуляции (например, АМ-АМ, АИМ-АМ) эквивалентны одноступенчатой модуляции сообщением a(t) некоторого условного переносчика, который можно сформулировать, модулируя переносчиком первой ступени переносчик следующей ступени.

Изучить: · аппаратуру радиорелейных линий прямой видимости; · приемопередающую аппаратуру радиосвязи; · тропосферные радиорелейные линии; Привести методы расчета: · профиля канала связи; · вычисления затухания в радиочастотном канале; ·...

Анализ систем радиорелейной связи и расчет трасс между узлами

В многоканальных РРЛ модуляция сигнала представляет собой двухступенчатый процесс. С помощью первой ступени формируется многоканальный сигнал...

Локальные вычислительные сети

Информация в кабельных локальных сетях передается в закодированном виде, то есть каждому биту передаваемой информации соответствует свой набор уровней электрических сигналов в сетевом кабеле...

Модуляция и демодуляция оптических колебаний

Процесс модуляции состоит в изменении амплитуды, интенсивности, частоты, фазы или поляризации колебания несущей частоты (fн) в соответствии с информационным сигналом Ui (t)...

Модуляция и её разновидности

Процесс преобразования первичного сигнала заключается в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания по закону изменения первичного сигнала (то есть в наделении несущего колебания признаками первичного сигнала) и...

Модуляция и её разновидности

Рассмотрение смешанной модуляции представляет интерес с различных точек зрения. В некоторых приборах (например, магнетронах) при изменениях амплитуды колебания наблюдается изменение частоты генерации...

Радиотелеметрическая система с частотным разделением товаров

Радиотелеметрические системы с временным разделением каналов

Разработка системы эксплуатационного управления спутниковых каналов связи для ООО "ДИАЛОГ" на базе платформы LabVIEW

Технико-экономические показатели радиорелейных (РРСП) и спутниковых (ССП) систем передачи и особенности построения оконечного оборудования ствола...

Расчет необходимой частоты дискретизации амплитудно-модулированных КВ сигналов

При передаче информации в радиотехнике используются полосовые радиосигналы. Введем несколько понятий, для строгости рассуждений. Модулирующим сигналом будем называть низкочастотный информационный сигнал (речь, цифровая информация и т...

Современные методы сбора видеоинформации

беспроводной видеоинформация камера Для осуществления мобильного видеорепортажа или построения мобильных пунктов видеонаблюдения ЗАО «РОКС» предлагает свою новую разработку - специальную РРЛ COFDM модуляции...

Технологии цифровой связи

Сигналы формируются путём изменения тех или иных параметров физического носителя в соответствии с передаваемым сообщением. Этот процесс (изменения параметров носителя) принято называть модуляцией...

Технология ZigBee

Оборудование стандарта EEE 802.15.4b может работать в трех частотных диапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и 2,4 ГГц во всем мире. В диапазонах 868 МГц и 915 МГц полосы используются три дополнительных схемы модуляции: двоичная фазовая манипуляция BPSK...

Эффективный способ формирования SSB сигнала

В радиосвязи на коротких (KB) и ультракоротких (УКВ) волнах в настоящее время используются в основном три вида сигналов: телеграфные (CW), однополосные (SSB) и частотно-модулированные сигналы (FM)...

Сталкиваясь в повседневной жизни с новыми понятиями, многие стараются найти ответы на свои вопросы. Именно для этого необходимо описывать любые явления. Одним из них является такое понятие, как модуляция. О нем и пойдет речь далее.

Общее описание

Модуляция - это процесс изменения одного или целого набора параметров высокочастотного колебания в соответствии с законом информационного низкочастотного сообщения. Результатом этого является перенос спектра управляющего сигнала в область высоких частот, так как эффективное вещание в пространство требует, чтобы все приемо-передающие устройства функционировали на разных частотах, не перебивая друг друга. Благодаря этому процессу информационные колебания помещаются на несущую, априорно известную. В управляющем сигнале содержится передаваемая информация. Высокочастотное колебание берет на себя роль переносчика информации, за счет чего приобретает статус несущего. В управляющем сигнале заложены передаваемые данные. Существуют разные типы модуляции, которые зависят от того, какой формы колебания используют: прямоугольные, треугольные или какие-то иные. При дискретном сигнале принято говорить о манипуляции. Итак, модуляция - это процесс, предполагающий колебания, поэтому она может быть частотной, амплитудной, фазовой и др.

Разновидности

Теперь можно рассмотреть, какие виды этого явления существуют. По сути, модуляция - это процесс, при котором низкочастотная волна переносится высокочастотной. Чаще всего используются следующие виды: частотная, амплитудная и фазовая. При происходит изменение частоты, при амплитудной - амплитуды, а при фазовой - фазы. Существуют и смешанные виды. Импульсная модуляция и модификация относятся к отдельным видам. В этом случае параметры высокочастотного колебания изменяются дискретно.

Амплитудная модуляция

В системах с таким видом изменения происходит изменение амплитуды несущей волны с высокой частотой при помощи модулирующей волны. При на выходе выявляются не только входные частоты, но и их сумма и разность. В этом случае, если модуляция - это комплексная волна, как, к примеру, речевые сигналы, состоящие из множества частот, то для суммы и разности частот потребуется две полосы, одна ниже несущей, а вторая выше. Их называют боковыми: верхней и нижней. Первая - это копия первоначального сдвинутого на определенную частоту. Нижняя полоса - это копия изначального сигнала, прошедшая инвертирование, то есть оригинальные верхние частоты - это нижние частоты в нижней боковой.

Нижняя боковая представляет собой зеркальное отображение верхней боковой относительно частоты несущей. Система, использующая амплитудную модуляцию, передающая несущую и обе боковые, называется двухполосной. Несущая не содержит полезной информации, поэтому ее можно убрать, но в любом случае полоса сигнала будет в два раза больше изначальной. Сужение полосы достигается за счет вытеснения не только несущей, но и одной из боковых, так как в них содержится одна информация. Этот вид известен в качестве однополосной модуляции с подавленной несущей.

Демодуляция

Для этого процесса требуется смешать модулированный сигнал с несущей той же частоты, что испускается модулятором. После этого получается изначальный сигнал в виде отдельной частоты или полосы частот, а потом отфильтровывают от других сигналов. Иногда генерирование несущей для демодуляции происходит на месте, при этом она не всегда совпадает с частотой несущей на самом модуляторе. Из-за небольшой разницы между частотами появляются несовпадения, что характерно для телефонных цепей.

В данном случае используется цифровой модулирующий сигнал, то есть это позволяет кодировать более одного бита на бод посредством кодирования бинарного сигнала данных в сигнал с несколькими уровнями. Биты бинарных сигналов иногда разбивают на пары. Для пары бит можно использовать четыре варианта комбинации, при этом каждая пара бывает представлена одним из четырех уровней амплитуды. Такой закодированный сигнал характеризуется тем, что скорость модуляции в бодах наполовину меньше изначального сигнала данных, поэтому его можно использовать для амплитудной модуляции обычным образом. Свое применение она нашла в радиосвязи.

Частотная модуляция

Системы с такой модуляцией предполагают, что частота несущей будет меняться соответственно с формой модулирующего сигнала. Этот вид превосходит амплитудную в плане устойчивости к определенным воздействиям, имеющимся на телефонной сети, поэтому его стоит использовать на низких скоростях, где нет необходимости в привлечении большой полосы частот.

Фазо-амплитудная модуляция

Чтобы увеличить число бит на бод, можно скомбинировать фазовую и амплитудную модуляции.

В качестве одного из современных методов амплитудно-фазовой модуляции можно назвать тот, который базируется на передаче нескольких несущих. К примеру, в каком-то приложении используется 48 несущих, разделенных полосой в 45 Гц. Посредством комбинирования амплитудной и фазовой модуляции для каждой несущей выделяется до 32 дискретных состояний на каждый отдельный период бода, благодаря чему можно переносить по 5 бит на бод. Получается, что вся эта совокупность позволяет переносить 240 бит на бод. При работе со скоростью 9600 бит/с скорость модуляции требует лишь 40 бод. Такой низкий показатель довольно терпим к амплитудным и фазовым скачкам, присущим телефонной сети.

Импульсно-кодовая модуляция

Этот вид обычно рассматривается в качестве системы для трансляции к примеру, голос в цифровом виде. Эта техника модуляции не используется в модемах. Тут происходит стробирование аналогового сигнала со скоростью, вдвое превышающей наивысшую частоту компонента сигнала в аналоговой форме. При использовании таких систем на телефонных сетях стробирование происходит 8000 раз в секунду. Каждый отсчет - это уровень напряжения, закодированный семибитным кодом. Чтобы наилучшим образом представить используется кодирование по логарифмическому закону. Семь бит совместно с восьмым, говорящим о наличии сигнала, формируют октет.

Для восстановления сигнала сообщения требуется модуляция и детектирование, то есть обратный процесс. При этом сигнал преобразуется нелинейным способом. Нелинейные элементы обогащают спектр выходного сигнала новыми компонентами спектра, а для выделения низкочастотных компонентов используются фильтры. Модуляция и детектирование могут осуществляться с применением вакуумных диодов, транзисторов, полупроводниковых диодов в качестве нелинейных элементов. Традиционно используются точечные полупроводниковые диоды, так как у плоскостных входная емкость заметно больше.

Современные виды

Цифровая модуляция обеспечивает намного большую информационную емкость и обеспечивает совместимость с разнообразными службами цифровых данных. Помимо этого с ее помощью повышается защищенность информации, улучшается качество систем связи, и ускоряется доступ к ним.

Существует ряд ограничений, с которыми сталкиваются разработчики любых систем: допустимая мощность и ширина частотной полосы, заданный шумовой уровень систем связи. С каждым днем увеличивается численность пользователей систем связи, а также растет спрос на них, что требует увеличения радиоресурса. Цифровая модуляция заметно отличается от аналоговой тем, что несущая в ней передает большие объемы информации.

Сложности использования

Перед разработчиками систем цифровой радиосвязи стоит такая основная задача - найти компромисс между шириной полосы трансляции данных и сложностью системы в техническом плане. Для этого уместно использовать разные методы модуляции, чтобы получить необходимый результат. Радиосвязь можно организовать и при использовании простейших схем передатчика и приемника, но для такой связи будет использоваться спектр частот, пропорциональный численности пользователей. Для более сложных приемников и передатчиков требуется меньшая полоса частот для трансляции информации в том же объеме. Для перехода к спектрально-эффективным методам передачи необходимо усложнить оборудование соответствующим образом. Эта проблема не зависит от вида связи.

Альтернативные варианты

Широтно-импульсная модуляция характеризуется тем, что ее несущий сигнал представляет собой последовательность импульсов, при этом частота импульсов постоянная. Изменения касаются только длительности каждого импульса соответственно модулирующему сигналу.

Широтно-импульсная модуляция отличается от частотно-фазовой. Последняя предполагает модуляцию сигнала в виде синусоиды. Он характеризуется постоянной амплитудой и изменяемой частотой или фазой. Импульсные сигналы тоже можно промодулировать по частоте. Может быть длительность импульсов фиксированная, а их частота находится в каком-то а вот их мгновенное значение будет меняться в зависимости от модулирующих сигналов.

Выводы

Можно использовать простые виды модуляции, при этом только один параметр будет изменяться соответственно с модулирующей информацией. Комбинированная схема модуляции, которая применяется в современном оборудовании для работы связи, - это когда происходит одновременное изменение и амплитуды, и фазы несущей. В современных системах может использоваться несколько поднесущих, для каждой из которых используется модуляция определенного вида. В этом случае речь идет о схемах модуляции сигналов. Используется этот термин и для сложных многоуровневых видов, когда для исчерпывающей информации требуется дополнительное

В современных системах связи используются наиболее эффективные типы модуляции, благодаря чему обеспечивается минимизация ширины полосы с целью освобождения частотного пространства для других видов сигналов. Качество связи от этого только выигрывает, однако сложность оборудования в данном случае оказывается очень высока. В конечном итоге частота модуляции дает результат, видимый конечному пользователю только в плане удобства использования технических средств.

Полезный звуковой сигнал, например голос, представляет собой акустические колебания или звуковые волны. Очевидно, что эти колебания должны быть преобразованы в электрический вид. Обычно, преобразование обычно осуществляется с помощью микрофона.

Для передачи сигналов на большие расстояния необходимо, чтобы они обладали большой энергией. Известно, что энергия сигнала пропорциональна четвертой степени его частоты, то есть сигналы с большей частотой обладают большей энергией. В практике часто сигналы, несущие в себе информацию, например, речевые сигналы, имеют низкую частоту колебаний и поэтому, чтобы передать их на большое расстояние необходимо частоту информационных сигналов повышать.

Таким образом для передачи электромагнитных колебаний необходим источник электромагнитных колебаний значительной мощности и частотного диапазона, исходя из условий распространения радиоволн .

Итак, мы имеем электрический сигнал звуковой частоты и имеем высокочастотную электромагнитную волну - несущую. То есть у нас есть информация и несущая для ее транспортировки. Как же «нагрузить» электромагнитную волну звуком?

Рассмотрим гармоническое колебание, которое имеет частоту ω достаточную для распространения на большие расстояния и изменяется по закону:

Наложить информацию на это колебание можно путем медленного, по сравнению с периодом, изменения его амплитуды Um, частоты ω или фазы φ. Такой процесс называется модуляцией.

В зависимости от того, какой параметр изменяют, различают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ) модуляцию.

Амплитудно-модулированный сигнал получается путем перемножения двух сигналов. Один содержит информацию, а другой является несущим. Пусть сигнал информации, (рис. 3.1.) и несущее колебание (рис. 3.2.) изменяются в соответствии со следующими выражениями:

U 1 (t) = U 0 + U 1 m cosΩt,

U 2 (t) = U 2 m cos?t,

где U0 - постоянная составляющая сигнала, U1mи U2m - амплитуды информационного сигнала и несущего колебания, Ω, ω - частота информационного сигнала и несущего колебания.

Рис. 3.1. Информационный сигнал.

Рис. 3.2. Несущее колебание.

Перемножим эти сигналы:

Введем обозначения:

где Um - амплитуда промодулированного сигнала, М - коэффициент модуляции.

С учетом введенных обозначений, получим выражение для амплитудно - модулированного сигнала в следующем виде:

Вид амплитудно-модулированного сигнала показан на рис. 3.3, а его спектр на рис. 3.4.

Рис. 3.3. Амплитудно-модулированный сигнал.

Таким образом, спектр радиочастотного колебания при амплитудной модуляции гармоническим колебанием состоит из трех составляющих: нижней боковой, несущей и верхней боковой гармоник. Видно, что амплитуды боковых составляющих зависят от коэффициента модуляции М.

Рис.3.4. Спектр амплитудно - модулированного сигнала.

Вид амплитудно-модулированного сигнала и его спектра, изображенные на рис. 3.3 и 3.4. справедлив для случая, когда модуляция производится однотональным сигналом частотой Ω. На практике чаще используют модуляцию несущих колебаний речевым сигналом, который занимает определенный спектр частот ΔΩ. В этом случае вместо двух боковых частот (?-Ω) и(?+Ω) имеют место два боковых спектра частот (?-ΔΩ) и (?+ΔΩ), которые называются верхней и нижней боковой полосой частот - ВБ и НБ. (рис.3.5)

Для получения однополосного амплитудно-модулированного сигнала необходимо подавить сигнал несущий частоты и одной из боковых полос.

Существует два метода получения сигнала с одной боковой полосой (ОБП):

1. Метод фильтрации.

2. Метод фазирования

При этом следует иметь в виду два обстоятельства:

Спектр ВБ и НБ оказываются сдвинуты относительно исходного спектра речевого сигнала ΔΩ на величину несущей частоты;

Спектр НБ оказывается инверсным относительно исходного спектра речевого сигнала.

Частотно-модулированный сигнал - это колебание, у которого мгновенная частота изменяется по закону модулирующего сигнала. Пусть модулирующий сигнал и несущее колебание изменяется, как показано на рис. 3.6, 3.7.

Рис. 3.6. Модулирующий сигнал.

Рис. 3.7. Несущий сигнал.

Тогда мгновенная частота при частотной модуляции равна:

здесь Δω - девиация (отклонение) частоты под действием модулирующего сигнала, это отклонение в принципе пропорционально амплитуде модулирующего колебания.

Уравнение частотно-модулированное колебания запишется в следующем виде:

где - есть индекс частотной модуляции. Вид частотно - модулированного сигнала показан на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Частотно - модулированный сигнал.

Частотно - модулированный сигнал имеет дискретный спектр рис. 3.9. с гармониками на частотах (ω0± nΩ), где n = 1, 2, 3, 4, 5…

Рис. 3.9. Спектр частотно - модулированного сигнала.

Вид спектра модулированного колебания зависит от индекса частотной модуляции m, теоретически спектр бесконечен, но на практике он ограничивается двумя - тремя составляющими, так как амплитуды гармоник высших порядков интенсивно убывают. Фазомодулированным колебанием называется колебание, у которого фаза изменяется по закону модулирующего сигнала. Выражение, описывающее такое колебание, имеет вид:

Частотно-модулированное колебание является в то же время и фазомодулированным. Иногда оба вида модуляции называют угловой модуляцией. Однако при частотной модуляции изменение частоты, а не фазы совпадает с законом изменения модулирующего сигнала. Кроме того, при частотной модуляции индекс модуляции обратно пропорционален модулирующей частоте, тогда как при фазовой модуляции такой зависимости нет.

Когда колебание промодулировано гармоническим сигналом, отличить частотную модуляцию от фазовой можно, только сравнив изменения мгновенной фазы модулированного колебания с законом изменения модулирующего напряжения.

Все три рассмотренных способа модуляции несущего сигнала гармоническим информационным сигналом пригодны и для передачи дискретных сигналов. Такой вид модуляции называется манипуляцией. Источником информации манипулирующих сигналов служат телеграфный ключ, датчик кода Морзе , телеграфная буквопечатающая аппаратура, аппаратура передачи данных и быстродействия.

Принцип амплитудной манипуляции при однополюсном телеграфировании поясняется рис. 3.10.

Технические способы формирования сигналов АТ чрезвычайно просты. Передатчик должен излучать высокочастотные колебания при нажатом ключе, а в момент телеграфной паузы (ключ не нажат) излучение должно отсутствовать.

Спектр АТ радиосигнала носит дискретный характер и показан на рис. 3.11. На этом рисунке F т = V т/2 - основная частота телеграфирования, где V

Рис. 3.11. Спектр АТ сигнала

Для нормального приема радиосигнала по каналу должны быть переданы составляющие спектра сигнала в полосе частот 6F т = 3V т или в полосе 10F т = 5V т (радиоканал с замираниями). Таким образом, ширина спектра АТ радиосигнала напрямую зависит от скорости передачи информации и составит ΔF АТ = (3...5)V т.

Так как при слуховой работе телеграфными радиосигналами АТ обеспечивается скорость до 15…20 бод, то ширина спектра такого сигнала составит 45…60 Гц. Из всех телеграфных сигналов радиосигнал с амплитудной манипуляцией имеет самый узкий спектр.

При частотном управлении колебаниями отрицательной посылке (передаче "0") соответствует работа передатчика на частоте f Б, а положительной посылке (передаче "1") - работа на частоте f В, причем f Б < f В (рис. 3.11).

Рис. 3.12. Принцип частотного телеграфирования

Разность частот f В - f Б называют частотным сдвигом Δf cдв (рис. 3.13). Радиосигналы ЧТ обозначаются следующим образом: ЧТ-125, ЧТ-200, ЧТ-250 и т. д. или F1-125, F1-200, F1-250 и т. д. Число, записанное после дефиса, является значением частотного сдвига в герцах.

Рис. 3.13. Взаимное расположение сигналов на оси частот при ЧТ

Спектр радиосигналов ЧТ зависит как от скорости телеграфирования, так и от частотного сдвига, а именно: чем больше скорость телеграфирования V т (в бодах) и чем больше частотный сдвиг, тем шире спектр радиосигнала. Ширина спектра радиосигналов ЧТ может быть определена по следующей приближенной формуле:

ΔF чт = (3…5)V т + Δf cдв.

Существующая техника радиосвязи предусматривает использование и двухканального частотного телеграфирования (ДЧТ или F6), при котором обеспечивается

одновременная работа по двум телеграфным каналам. Каждому из 4-х возможных сочетаний первичных посылок в каналах соответствует определенная частота радиосигнала: f А, f Б, f В, f Г

(табл. 3.1.), причем f А < f Б < f В < f Г.

Таблица 3.1

1-й ТГканал	2-й ТГканал	Частота сигнала	Частота сигнала относительно f 0
"0"	"0"	f А
"0"	"1"	f Б
"1"	"0"	f В
"1"	"1"	f Г

Принцип двойного частотного телеграфирования поясняется на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Принцип двойного частотного телеграфирования

Частотные сдвиги f Г - f В, f В - f Б, f Б - f А выбираются равными (рис.3.15). Соответственно частотным сдвигам сигналы обозначаются следующим образом: ДЧТ-250, ДЧТ-500 и т. д. или F6-250, F6-500 и т. д.

Рис. 3.15. Взаимное расположение сигналов на оси частот при ДЧТ

Сигналы ДЧТ увеличивают пропускную способность радиолинии вдвое, однако, обладают более низкой помехоустойчивостью, чем сигналы ЧТ, и могут применяться при достаточно большом превосходстве уровня сигнала над уровнем помех.

Ширина спектра радиосигналов ДЧТ может быть определена по приближенной формуле:

ΔF дчт = (3…5)V т + 3Δf cдв.

Телеграфные радиосигналы с частотной манипуляцией можно рассматривать как частный случай частотной модуляции с девиацией частоты Δf чт = Δf cдв/2 для ЧТ сигналов и Δf дчт = 3Δf cдв/2 - для ДЧТ сигналов.

При передаче дискретных сигналов методами фазовой манипуляции передаваемая информация содержится в изменении фазы высокочастотного гармонического колебания. Различают два вида фазовой манипуляции: абсолютную фазовую манипуляцию (ФТ) и относительную фазовую манипуляцию (ОФТ).

При ФТ фаза высокочастотных колебаний изменяется на 180° при смене первичных телеграфных посылок, т. е. при переходе от передачи "0" к передаче "1" и наоборот (рис.3.16.). Сигналы ФТ достаточно просто реализуются в передатчике, однако их демодуляция в приемном устройстве связана с большими техническими сложностями. По этой причине ФТ практического применения в настоящее время не находит.

Рис. 3.16. Принцип абсолютной фазовой манипуляции

При ОФТ информация содержится не в абсолютном изменении (скачке) фазы сигнала в момент смены посылок "0" и "1", а в изменении фазы текущего элемента относительно фазы предшествующего элемента. При передаче символа "0" фаза высокочастотного колебания текущего элемента противоположна фазе предыдущего элемента, а при передаче "1" - та же самая (рис.3.17.). Первый элемент в начале сеанса связи может иметь любую фазу, так как он информацию не несет, а служит лишь для отсчета разности фаз в следующем элементе.

Процесс формирования сигнала с ОФМн можно свести к случаю формирования сигнала с ФМн путем перекодирования передаваемой двоичной последовательности. Алгоритм перекодировки прост: если обозначить как информационный символ, подлежащий передаче на - м единичном элементе сигнала, то перекодированный в соответствии с правилами ОФМн символ определяется следующим рекуррентным соотношением:

Рис. 3.17. Принцип относительной фазовой манипуляции

Формирование сигнала ОФТ производится в два этапа. Сначала исходный телеграфный сигнал U тг перекодируется в такой сигнал, который необходим для осуществления абсолютной фазовой манипуляции. Перекодирование производится специальным устройством, основанным, как правило, на логических элементах. Затем перекодированный первичный сигнал используется для абсолютной фазовой манипуляции, при которой перемена символов ПЭС приводит к изменению фазы высокочастотного колебания на обратную.

Радиосигналы ОФТ широко применяются на высокоскоростных линиях связи. Спектр ОФТ радиосигналов определяется аналогично спектру радиосигналов АТ, т. е. его ширина составит

ΔF офт = (3…5)V т,

где V т - скорость телеграфирования в бодах.

Понятие модуляция возникло в технике радиосвязи.

Модуляция колебаний - изменение характеристик сигнала (гармонического, последовательности прямоугольных импульсов) по закону переносимого сигнала, более низкочастотного по сравнению с частотой этих сигналов.

Обратная операция извлечения сигнала, вызвавшего изменение параметров при модуляции, называется демодуляцией.

Сигнал, несущий информацию, называется модулирующим.

Сигнал, параметры которого изменяются модулирующим сигналом, называется носителем.

При использовании в качестве носителя гармонического колебания можно изменять три параметра: фазу, частоту, амплитуду. В этом случае основными видами модуляции являются:

ФМ - фазовая модуляция (PM - phase modulation);

ЧМ - частотная модуляция (FM - frequency modulation);

AM - амплитудная модуляция (AM - amplitude modulation).

Частотную и фазовую модуляцию называют также угловой модуляцией. Все перечисленные виды модуляции называются аналоговыми (непрерывными). Главное требование для качественной демодуляции: частота несущего гармонического сигнала должна быть много больше частоты модулирующего сигнала. На рис. 5.1 приведены временные диаграммы сигналов при аналоговой модуляции.

В современных системах передачи информации получила распространение квадратурная модуляция. Квадратурное представление сигналов является удобным и достаточно универсальным средством их описания. Квадратурное представление заключается в выражении колебания линейной комбинацией двух ортогональных составляющих - синусоидальной и косинусоидальной.

При использовании квадратурной амплитудной модуляции (КАМ, QAM - Quadrature Amplitude Modulation) передаваемый сигнал кодируется одновременными изменениями амплитуды синусоидальной и косинусоидальной компонент несущего колебания, которые сдвинуты по фазе друг относительно друга на л/2. Результирующий сигнал формируется в результате суммирования этих колебаний.

Рис. 5.1. Временные диаграммы сигналов: а - модулирующий линейно-возрастающий сигнал; б - несущий сигнал - гармоническое колебание; в - AM-сигнал; г - ЧМ-сигнал

Применение QAM позволяет увеличить количество кодируемых бит и при этом существенно повысить помехоустойчивость.

В настоящее время используются способы модуляции, в которых число кодируемых на одном бодовом интервале информационных бит может достигать 8...9, а число позиций сигнала в сигнальном пространстве - 256...512.

Известна и широко используется в системах связи квадратурная фазовая модуляция QPSK.

При использовании в качестве носителя последовательности прямоугольных импульсов параметрами модуляции могут быть: амплитуда импульсов, частота импульсов, длительность импульсов или пауз, фаза импульсов, число импульсов в кодовой посылке, комбинация импульсов и пауз в кодовой посылке.

В этом случае различают следующие виды модуляции импульсной последовательности (импульсной модуляции):

АИМ - амплитудно-импульсная модуляция (РАМ - pulse-amplitude modulation);

ЧИМ - частотно- импульсная модуляция (PFM - pulse-frequency modulation);

ШИМ - широтно-импульсная модуляция (PDM - pulse-duration modulation);

ФИМ - фазо-импульсная модуляция (PPM - pulse-phase modulation);

СИМ - счетно-импульсная модуляция (PNM - pulse-namber modulation);

КИМ - кодо-импульсная модуляция (PCM - pulse-code modulation).

Отметим, что ШИМ и ФИМ являются частными случаями время- импульсной модуляции ВИМ (РТМ - pulse-time modulation). Модулируемым параметром в ШИМ служит ширина импульсов, а ФИМ - время между первым (опорным) и вторым (информационным) импульсами.

Формально КИМ нельзя рассматривать как отдельный вид модуляции, хотя этот термин и применяется. При этой модуляции формируется код, эквивалентный модулирующему сигналу. При СИМ информация об амплитуде модулирующего сигнала передастся числом импульсов в кодовой посылке. Поэтому КИМ и СИМ в пособии не рассматриваются.

На рис 5.2 приведены временные диаграммы импульсно-модули- рованных сигналов.

Рис. 5.2. Временные диаграммы сигналов при импульсной модуляции: а - линейно возрастающий модулирующий сигнал; б - модулируемый сигнал - последовательность прямоугольных импульсов; в - АИМ-сигнал; г - ЧИМ-сигнал; д - ФИМ-сигнал

В настоящее время все большая часть информации, передаваемой по аналоговым линиям связи, представляется в цифровом виде, т. е. передастся нс аналоговый модулирующий сигнал, а последовательность двоичных чисел. В этом случае модуляция сигнала-носителя двоичным модулирующим сигналом называется манипуляцией (дискретной модуляцией). Различают амплитудную АМн, частотную ЧМн и фазовую ФМн манипуляцию. На рис 5.3 приведены временные диаграммы для перечисленных видов манипуляции.

Рис. 5.3.

а - амплитудной; б - частотной; в - фазовой манипуляции для передаваемого кода 10011011 (для наглядности частота несущего сигнала уменьшена)

При АМн символу «1» соответствует передача колебания в течение тактового времени, символу «О» - отсутствие колебания.

При ЧМн символу «1» соответствует передача колебания с частотой / ь символу «О» - с частотой / 2 . Например, в протоколе HART логический «О» передастся гармоническим сигналом частотой 2200 Гц, логическая «1» - 1200 Гц. В модемах используется частотная манипуляция, но соотношение частот другое.

Фазовая манипуляция характеризуется тем, что при переходе передаваемого сигнала из состояния логической «1» в состояние логического «0» и наоборот фаза несущего сигнала меняется на 180°. Фазовая Анипуляция используется в GPS для передачи кода.