Продолжаем серию общеобразовательных статей, под общим названием «Теория радиоволн».
В предыдущих статьях мы познакомились с радиоволнами и антеннами:
Давайте ближе познакомимся с модуляцией радиосигнала.
В рамках этой статьи, будет рассмотрена аналоговая модуляция следующих видов:
- Амплитудная модуляция
- Амплитудная модуляция c одной боковой полосой
- Частотная модуляция
- Линейно-частотная модуляция
- Фазовая модуляция
- Дифференциально-фазовая модуляция
Амплитудная модуляция
При амплитудной модуляции, огибающая амплитуд несущего колебания изменяется по закону, совпадающему с законом передаваемого сообщения. Частота и фаза несущего колебания при этом не меняется.
Одним из основных параметров АМ, является коэфициент модуляции(M).
Коэффициент модуляции - это отношение разности между максимальным и минимальным значениями амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений(%).
Проще говоря, этот коэффициент показывает, насколько сильно значение амплитуда несущего колебания в данный момент отклоняется от среднего значения.
При коэффициенте модуляции больше 1, возникает эффект перемодуляции, в результате чего происходит искажение сигнала.
Спектр АМ
Данный спектр свойственен для модулирующего колебания постоянной частоты.
На графике, по оси Х представлена частота, по оси У - амплитуда.
Для АМ, кроме амплитуды основной частоты, находящейся в центре, представлены также значения амплитуд справа и слева от частоты несущей. Это так называемые левая и правая боковые полосы. Они отнесены от частоты несущей на расстояние равное частоте модуляции.
Расстояние от левой до правой боковой полосы называют ширина спектра
.
В нормальном случае, при коэффициенте модуляции <=1, амплитуды боковых полос меньше или равны половине амплитуды несущей.
Полезная информация заключена только в верхней или нижней боковых полосах спектра. Основная спектральная составляющая - несущая, не несет полезной информации. Мощность передатчика при амплитудной модуляции в большей части расходуется на «обогрев воздуха», за счет не информативности самого основного элемента спектра.
Амплитудная модуляция с одной боковой полосой
В связи с неэффективностью классической амплитудной модуляции, была придумана амплитудная модуляция с одной боковой полосой.
Суть ее заключается в удалении из спектра несущей и одной из боковых полос, при этом вся необходимая информация передается по оставшейся боковой полосе.
Но в чистом виде в бытовом радиовещании этот вид не прижился, т.к. в приемнике нужно синтезировать несущую с очень высокой точностью. Используется в аппаратуре уплотнения и любительском радио.
В радиовещании чаще используют АМ с одной боковой полосой и частично подавленной несущей:
При такой модуляции соотношение качество/эффективность наилучшим образом достигается.
Частотная модуляция
Вид аналоговой модуляции, при которой, частота несущей изменяется по закону модулирующего низкочастотного сигнала. Амплитуда при этом остается постоянной.
а) - несущая частота, б) модулирующий сигнал, в) результат модуляции
Наибольшее отклонение частоты от среднего значения, называется девиацией
.
В идеальном варианте, девиация должна быть прямо пропорционально амплитуде модулирующего колебания.
Спектр при частотной модуляции выглядит следующим образом:
Состоит из несущей и симметрично отстающей от нее вправо и влево гармоник боковых полос, на частоту кратную частоте модулирующего колебания.
Данный спектр представляет гармоническое колебание. В случае реальной модуляции, спектр имеет более сложные очертания.
Различают широкополосную и узкополосную ЧМ модуляцию.
В широкополосной - спектр частот, значительно превосходит частоту модулирующего сигнала. Применяется в ЧМ радиовещании.
В радиостанциях применяют в основном узкополосную ЧМ модуляцию, требующую более точной настройки приемника и соответственно более защищенную от помех.
Спектры широкополосной и узкополосной ЧМ представлены ниже
Спектр узкополосной ЧМ напоминает амплитудную модуляцию, но если учесть фазу боковых полос, то окажется, что эти волны имеют постоянную амплитуду и переменную частоту, а не постоянную частоту и переменную амплитуду (AM). При широкополосной ЧМ амплитуда несущей может быть очень малой, что обусловливает высокую эффективность ЧМ; это значит, что большая часть передаваемой энергии содержится в боковых частотах, несущих информацию.
Основные преимущества ЧМ, перед АМ - энергоэффективность и помехоустойчивость.
Как разновидность ЧМ, выделяют Линейно-частотную модуляцию.
Суть ее заключается в том, что частота несущего сигнала изменяется по линейному закону.
Практическая значимость линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов заключается в возможности существенного сжатия сигнала при приеме с увеличением его амплитуды над уровнем помех.
ЛЧМ находят применение в радиолокации.
Фазовая модуляция
В реальности, больше применяют термин фазовая манипуляция, т.к. в основном производят модуляцию дискретных сигналов.Смысл ФМ таков, что фаза несущей, изменяется скачкообразно, при приходе очередного дискретного сигнала, отличного от предыдущего.
Из спектра можно видеть, почти полное отсутствие несущей, что указывают на высокую энергоэффективность.
Недостаток данной модуляции в том, что ошибка в одном символе, может привести к некорректному приему всех последующих.
Дифференциально-фазовая манипуляция
В случае этой модуляции, фаза меняется не при каждом изменении значения модулирующего импульса, а при изменении разности. В данном примере при приходе каждой «1».
Преимущество этого вида модуляции в том, что в случае возникновения случайной ошибки в одном символе, это не влечет дальнейшую цепочку ошибок.
Стоит отметить, что существуют также фазовые манипуляции такие как квадратурная, где используется изменение фазы в пределах 90 градусов и ФМ более высоких порядков, но их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.
PS: хочу еще раз отметить, что цель статей не заменить учебник, а рассказать «на пальцах» об основах радио.
Рассмотрены лишь основные виды модуляций для создания у читателя представления о теме.
Способы модуляции
Для согласования спектра цифровых сигналов с полосой пропускания каналов применяются разнообразные виды модуляции. Различают следующие виды модуляции: аналоговая модуляция, аналого-цифровая и цифро-аналоговая.
Модуляцией называется процесс преобразования информационного модулирующего сигнала в форму, пригодного для передачи по соответствующему каналу с изменением параметров другого несущего сигнал. Параметрами несущего сигнала являются его амплитуда, частота, фаза.
Аналоговая модуляция используется для преобразования одного аналогового информационного сигнала в другой аналоговый несущий сигнал. Какой из параметров изменяется, получают следующие виды аналоговой модуляции.
Амплитудная модуляция АМ (amplitude modulation) – информационный сигнал кодируется в виде изменения амплитуды несущего сигнал. Этот тип модуляции используется в системе радиовещания.
Частотная модуляция FM (frequency modulation) – информационный сигнал кодируется в виде частоты несущего сигнала. Этот тип модуляции используется в системах телевещания и спутниковых системах связи.
Фазовая модуляция PM (phase modulation) – информационный сигнал кодирует в виде изменения фазы (временного сдвига) несущего сигнал. Этот тип модуляции применяется в тех же системах, что и FM. Если изменяется несколько параметров, можно получить соответственно амплитудно - фазовой или частотно - фазовой модуляцией.
Цифро - аналоговая модуляция используется для преобразования цифровых сигналов в аналоговую форму (например, в модемах).
Для цифровых сигналов модулирующая функция принимает дискретные значения (0,1) или (1, -1), что приводит к скачкообразным изменениям параметров несущего сигнала. Такая модуляция называется манипуляцией.
Различают следующие виды цифро-аналоговой модуляции:
Цифро-аналоговая модуляция со сдвигом амплитуд ASK (Amplitude Shift Keying) – информационный сигнал кодирует изменения амплитуды несущего сигнала.
Кодирование со сдвигом частот FSK (Frequency Shift Keying) – информационный сигнал кодирует изменение частоты (временного сдвига) несущего сигнал. В зависимости от количества используемых интервалов сдвига этот метод позволяет представить одним модулированным сигналом несколько информационных бит.
Кодирование со сдвигом фазы PSK (Phase Shift Keying) – информационный сигнал кодируется изменением фазы (сдвига) несущего сигнала. Различают абсолютную и относительную фазовую модуляцию.
При абсолютной двухпозиционной фазовой модуляции BPSK (Binary Phase Shift Keying), фаза модулированного колебания при входном сигнале двоичного «0» совпадает со значением фазы опорного (несущего) сигнала, при сигнале двоичной «1» - изменяется на противоположную.
В случае дифференциально-фазовой модуляции (DPSK) фаза текущего колебания изменяется не по отношению к опорному колебанию, а то отношение к фазе предыдущей посылки.
Для увеличения скорости информационного потока широко применяется многопозиционная фазовая модуляция с 4, 8 и 16 значениями сдвига фаз. При 4-позиционной модуляции последовательность бит объединяются по два разряда (в дибиты) используют разности фаз соседних посылок 0º, 90º, 180º, 270º .
При 8-позиционной модуляции поток делят по 3 бита (трибиты), а при 16-позиционной по четыре бита (квадрабиты). Фазовые углы между векторами в первом случае отличаются уже на 45º, во втором – на 22,5º.
Фазовые диаграммы частот называют сигнальным созвездием. Для получения модулированных колебаний с числом сдвига фаз сигнала больше двух используются два сигнала сдвинутых на 90 0 , т.е. находящиеся в квадратуре. В этом случае говорят о квадратурной фазовой модуляции QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).
Информационная скорость при многопозиционной передаче увеличивается в log m раз, т. е. если m = 4 (четырехпозиционная манипуляция) скорость передачи в 2 раза выше, при m =16 (16-позиционная манипуляция) скорость увеличивается в четыре раза.
Квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – информационный сигнал кодирует изменение амплитуды и фазы несущего сигнала.
Одновременно используется два гармонические колебания, сдвинутые по фазе на 90 0 .
В передатчике одна из составляющих синфазна несущей частоты, вторая находится в квадратуре по отношении к колебанию. Иными словами есть косинусная и синусная (квадратурная) несущие. При такой модуляции состояния несущего сигнала можно описать различными амплитудами и фазами.
На рис.1.13 показана четырехуровневая модуляция несущей.
Рисунок 1.13
На плоскости процесс кодирования можно представить, отложив в декартовой системе по оси ординат амплитуды синфазного колебания, а по оси абсцисс - амплитуды квадратурной составляющей. В результате получится, что каждому варианту моделирующих амплитуд, соответствует определенная точка на сигнальной плоскости. Если теперь цифровой информационный поток разбить на блоки фиксированной длины и присвоить каждому значению битовой последовательности определенную амплитуду этих составляющих с учетом знака, получим однозначное соответствие между сигнальными точками на плоскости и входной битовой последовательностью. Графически это изображается в виде так называемого сигнального созвездия. Соответствие между группами бит и точками созвездия выбирается таким образом, что бы соседние точки отличались минимальным количеством бит, причем именно старшими разрядами. Метод кодирования QAM8 характеризует восьмью возможными битовыми комбинациями.
На рис.1.14 показано зеркальное созвездие, а таблица 1.9 определяет состояния при таком кодировании.
Рисунок 1.14
Таблица 1.9
На рис.1.15 показано зеркальное созвездие при кодировании QAM – 16
Решетчатая модуляции TCM (Trellis Coded Modulation) – аналогична QAM, однако в передаваемый сигнал включается дополнительный бит для коррекции ошибок.
Рисунок 1.15
Амплитудно-фазовая модуляция с подавлением несущей и передачей одной боковой полосы CAP (Carrier less Amplitude and Phase Modulation)основана на том, что передача двух боковых полос модулированного сигнала в информационном смысле является избыточной. Осуществляя передачу информации с использованием одной боковой полосы, можно более эффективно использовать мощность сигнала и полосу канала связи. При формировании САР-сигналов на передающей стороне перед суммированием в модуляторе синфазная и квадратурная составляющая подвергается дополнительной фильтрации. Демодулирование САР-сигналов на приемной стороне осуществляется, выполняя предварительное восстановление несущей. Это адаптивная форма кода QAM. Этот метод позволяет корректировать значения символов, учитывая состояние линии (например, шум) в начале соединения.
Способ многочастотной передачи DMT (Discrete multi-tone modulation) использует одновременную передачу QAM-сигналов в различных частотных полосах. Весь частотный диапазон делится на несколько участков фиксированной ширины. Каждый из этих участков используется для организации независимого канала передачи данных. Передатчик, учитывая уровень помех в каждом из участков, выбирает схему модуляции. Если участок имеет малый уровень шумов, применяется алгоритм с большим числом позиций, например, QAM-64. На более зашумленных участках применяются более простые алгоритмы, например, QPSK. При передаче данных информация распределяется между каналами пропорционально их пропускной способности.
Метод DMT оговорен в стандарте Т1.413, разработанном Американским Национальным институтом стандартизации ANSI (American National Standards Institute), в соответствии с чем в канале заданы 256 подканалов, полоса пропускания каждого подканала равна 4,3125 кГц. Каждый подканал независимо модулируется с помощью метода дискретной модуляции QAM. Сигнал передается с помощью постоянного тока при ширине полосы пропускания 1,104 МГц; теоретическая пропускная способность для данных с полосой пропускания 1,104 МГц равна 16,384 Мбит/с. Метод DMT был принят комитетом ANSI как стандарт кодирования для линий связи T1 и используется в системах передачи сигналов по каналам ADSL.
Мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – частный случай способа передачи DMT. Суть способа OFDM заключается в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно по всем этим подканалам. Высокая скорость передачи достигается за счет такой одновременной передачи. Для экономии использования всей полосы канала, разделенного на подканалы, желательно как можно более плотно расположить подканалы. В сетях диапазон частот 5,2 ГГц разбит на 12 неперекрывающихся каналов с шириной полосы 20 МГц. Каждый из каналов разбит на 64 подканала с полосой 912,5 кГц. Для передачи данных используются 48 подканалов. Четыре служат для передачи опорных колебаний, а по 6 подканалов справа и слева выполняют функции защитных полос. В любом из каналов можно выполнить передачу со скоростью 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 или 54 Мбит/с. Это определяется выбранным способом фазовой или амплитудно-фазовой модуляции при BPSK – 6 Мбит/с, при QPSK – 12 Мбит/с, при QAM – 16 – 24 Мбит/с, при QA_-64 – 54Мбит/с.
Аналогово-цифровая модуляция используется для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму, пригодную для передачи по цифровых каналах связи (DS – цифровой сервис).
Различают следующие виды такой модуляции:
1. Дельта – модуляция DM (delta modulation) – аналоговый сигнал представляется последовательностью битов, значения которых определяются изменением уровня аналогового сигнала по сравнению с предыдущим значением.
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.
Федеральное агентство связи.
Государственное образовательное учреждение.
Высшее учебное заведение.
«Сибирский государственный университет телекоммуникации и информатики».
Кафедра БИС.
ДПР по основам телекоммуникации на тему: модуляция и её разновидности.
Выполнил: студент I курса,
МРМ, Гр-пы С-07
Водичев Александр.
Новосибирск -2010.
Введение
Понятие модуляции
Виды модуляции
Импульсная модуляция
Демодуляция сигналов
Смешанные виды модуляции
Спектр сигнала АИМ
Заключение
Список используемой литературы
Введение
В своём реферате я опишу свойства модуляции и её виды. Опишу, что такое модуляция, что можно с её помощью делать.
Если говорить своими словами, то модуляция-это процесс преобразования оного сигнала в другой, для того чтобы передать сообщение в нужное место. А ещё есть процесс обратный модуляции, и называется он демодуляцией. И заключается он в том, чтобы преобразовать принятое сообщение в первоначальный вид. Отсюда следует, что процесс полной передачи сообщения состоит из трёх основных этапов: первый этап, это процесс изменения сигнала для того, чтобы его передать; второй этап, это передача сообщения; и третий этап, это возвращение сообщения в его начальный вид. И даже есть разные виды переносчиков. И для каждого вида переносчика есть различные виды модуляции.
Ещё есть система связи. Система связи, она же система передачи информации, в неё входят передатчик, канал и приёмник. Передатчик – средство для передачи сообщений. Канал передачи – это технические устройства и физическая среда, в которой сигналы распространяются от передатчика к приёмнику. А приёмник – это средство для приема сообщений и сигналов.
Так выглядит система передачи сообщений.
В процессе передачи на сообщения воздействуют различные помехи. Все помехи для упрощения условно объединены в одном источнике помех.
Характеристики системы связи можно разделить на внешние и внутренние. К внешним характеристикам, по которым получатель оценивает качество связи, относят верность, скорость и своевременность передачи. Внутренние характеристики позволяют оценить степень использования предельных возможностей системы. К ним относятся помехоустойчивость и эффективность.
Перечисленные важнейшие характеристики систем передачи тесно связаны между собой. Эффективность использования существующих систем и обоснованность выбора принципов построения новых систем во многом будут зависеть от того, насколько полно разработчики аппаратуры используют свойства сообщений, сигналов и помех, а также особенности их преобразований в каналах и различных свойствах системы.
Цель работы
Цель моей работы понять, что такое модуляция, разобрать все её свойства, особенности и все существующие виды. Понять, как передаются сообщения и принимаются, зашифровываются и расшифровываются. Рассмотреть, как воздействуют помехи на качество передаваемых сообщений. Узнать какими приборами сигналы преобразуются из одного вида в другой.
Понятие модуляции
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 называется модуляцией.
Перенос сигнала из одной точки пространства в другую осуществляет система электросвязи. Электрический сигнал является, по сути, формой представления сообщения для передачи его системой электросвязи.
Обычно в качестве переносчика используют гармоническое колебание высокой частоты – несущее колебание. Гармоническое колебание, выбранное в качестве несущего, полностью характеризуется тремя параметрами: амплитудой, частотой и начальной фазой. Модуляцию можно осуществить изменением, любого из трёх параметров по закону передаваемого сигнала. Источник сообщения формирует сообщение а(t), которое с помощью специальных устройств преобразуется в электрический сигнал s(t). При передаче речи такое преобразование выполняет микрофон, при передачи 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).
Таким образом, в пункте передачи первичный сигнал s(t) необходимо преобразовать в сигнал v(t), удобный для его передачи по соответствующей среде распространения. В пункте приёма 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 приёма сигнал должен быть снова преобразован в сообщение (например, с помощью телефона или громкоговорителя при передаче речи, электронно-лучевой трубки при передаче изображения, приёмной части телефонного аппарата при передачи телеграммы) и затем передан получателю.
Передача информации всегда сопровождается неизбежным действием помех и искажений. Это приводит к тому, что сигнал на выходе системы электросвязи s(t)и принятое сообщение a(t) могут в какой-то мере отличаться от сигнала на входе s(t)и переданного сообщения а(t). Степень соответствия принятого сообщения переданному называют верностью передачи.
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 – частота ошибок (или коэффициент ошибок).
Спектр модулированной несущей или 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. Иногда отдельно рассматривают модуляцию гармонического несущего колебания по амплитуде, частоте или фазе дискретными первичными сигналами s(t), например телеграфными или передачи данных.
Модуляцию гармонического несущего колебания первичным сигналом s(t) называют непрерывной, так как в качестве переносчика выбран непрерывный периодический сигнал v0(t).
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, на лицо экономия частотного спектра: для амплитудно-модулированных сигналов можно отводить при передачи более узкую полосу частот.
Чтобы правильно выбрать канал связи для передачи по нему модулированных сигналов, необходимо знать такие характеристики последних, как пиковая и средняя мощность, а также энергетический спектр. Эти характеристики модулированных сигналов отличаются от аналогичных характеристик сообщений, которыми производится модуляция. Для различных видов модуляции соотношения между характеристиками сообщения и модулированного сигнала различны. Например, ширина спектра сигнала ЧМ больше, чем ширина спектра сигнала АМ, хотя модуляция производится одним и тем же сообщением.
Сообщения представляют собой некоторые случайные процессы, поэтому сигналы, получающиеся в результате модуляции, также являются случайными, и для отыскания упомянутых выше характеристик сигналов следует использовать методы теории случайных процессов.
Однако в подавляющем большинстве случаев более наглядное представление о свойствах модулированных сигналов можно получить, предположив, что модуляция производится некоторыми детерминированными функциями, такими, как гармоническое колебание или периодическая последовательность импульсов известной формы. Эти функции можно рассматривать, как отдельные реализации из ансамбля возможных сообщений.
модуляция передача сигнал гармонический
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.
Импульсная модуляция
Часто в качестве переносчика используют периодическую последовательность сравнительно узких импульсов. Последовательность прямоугольных импульсов одного знака v0(t) характеризуется параметрами: амплитудой импульсов; длительностью (шириной) импульсов; частотой следования (или тактовой частотой) fT =1/T, где Т – период следования импульсов; положением (фазой) импульсов относительно тактовых (отсчётных) точек. Отношение периода следования импульсов к длительности импульсов называется скважностью импульса.
По закону передаваемого первичного сигнала можно изменять (модулировать) любой из параметров импульсной последовательности. При этом модуляция называется импульсной.
Периодическая последовательность узких импульсов.
Демодуляция сигналов
До сих пор мы рассматривали преобразования сигнала в пункте передачи. В пункте приёма необходимо извлечь первичный сигнал из переносчика, т.е. осуществить демодуляцию принятого сигнала.
Например, при демодуляции АМ–сигнала необходимо выделить закон изменения амплитуды модулированного несущего сигнала, т.е. его огибающую.эта операция выполняется с помощью амплитудного детектора. При линейном детектировании на вход детектора с линейной вольт-амперной характеристикой подаётся АМ-сигнал, и последовательность импульсов тока детектора оказывается промодулированной по амплитуде. Высокочастотные составляющие тока отфильтровываются RC-цепью; падение напряжения на резисторе R создаёт только постоянная составляющая тока.
Амплитудные детекторы: транзисторный (а), диодный (б)
В модулированном колебании амплитуде медленно меняется, следовательно, амплитуда выделяемой на резисторе R постоянной составляющей тока также будет медленно меняться во времени. Таким образом, выходное напряжение амплитудного детектора пропорционально исходному (модулирующему) сигналу.
Один из способов демодуляции ЧМ-колебаний состоит в превращении его в АМ-колебания и последующем детектировании с помощью амплитудного детектора.
Преобразование ЧМ-сигнала в АМ-сигнал выполняется с помощью расстроенного колебательного контура. Предположим, что на колебательный контур, настроенный на определенную резонансную частоту, подаются ЧМ-колебания с постоянной амплитудой и меняющейся со временем частотой w(t).
Полное сопротивление контура при каждой мгновенной частоте принимает своё определенное значение, так что амплитуда напряжения, выделяемого на контуре, будет изменяться во времени с изменением частоты входного ЧМ-сигнала.
Таким образом, амплитуда ЧМ-колебания на выходе колебательного контура изменяется во времени пропорционально модулирующему сигналу, т.е. частотно модулированный сигнал стал модулированным и по амплитуде ЧМ-сигнала на амплитудный детектор.
Аналогичным образом выделение закона изменения закона фазы ФМ-сигнала осуществляется фазовым детектором.
Существуют и способы демодуляции импульсно-демодулированного сигнала. Все устройства, предназначенные для демодуляции сигналов, будут рассмотрены дальше при изучении конкретных систем передачи и аппаратуры, входящей в состав этих систем.
Смешанные виды модуляции
Рассмотрение смешанной модуляции представляет интерес с различных точек зрения. В некоторых приборах (например, магнетронах) при изменениях амплитуды колебания наблюдается изменение частоты генерации. Поэтому при использовании таких устройств в качестве модуляторов выходной сигнал оказывается модулированным как по амплитуде, так и по частоте по одному и тому же закону.
При одновременной модуляции по амплитуде и частоте происходит изменение амплитуд спектральных составляющих сигнала, и при определённых условиях некоторые из них могут быть полностью подавлены. Необходимость такого полного подавления составляющих, образующих нижнюю (или верхнюю) боковую полосу модулированного сигнала, возникает при однополосной модуляции (не обязательно амплитудной). Поэтому смешанная модуляция может рассматриваться как практический способ получения сигналов однополосной модуляции.
модуляции нескольких параметров переносчика одним и тем же сообщением и суммирование напряжений на выходе соответствующих демодуляторов приёмника приведёт ослаблению помехи.
Особенности импульсной модуляции
Характерной особенностью импульсных систем передачи является то, что энергия сигнала излучается не непрерывно, а в виде коротких импульсов, длительность которых обычно составляет незначительную часть периода их повторения. Благодаря этому энергия импульсного сигнала во много раз меньше энергии непрерывного сигнала (при одинаковых пиковых значениях). Различие в энергиях импульсного и непрерывного сигналов зависит от соотношения между длительностью и периодом повторения. Большие временные интервалы между импульсами используются для размещения импульсов других каналов, т.е. для осуществления многоканальной связи с временным разделением каналов.
Частоту повторения импульсов определяют, исходя из допустимой точности восстановления непрерывного сообщения при его демодуляции. Минимальное значение частоты повторения импульсов
F0мин = 1/T0макс =2Fа,
где Fa – максимальная частота в спектре передаваемого непрерывного низкочастотного сообщения a(t).
В большинстве случаев высокочастотный сигнал импульсной модуляции создаётся в два этапа: сначала сообщение модулирует тот или иной параметр периодической последовательности импульсов постоянного тока (или видеоимпульсов), затем видеоимпульсы модулируют (обычно по амплитуде) непрерывное высокочастотное несущее колебание. Тем самым осуществляется перенос спектра модулированных видеоимпульсов на частоту несущего колебания f0. Энергия высокочастотного импульсного сигнала сконцентрирована в полосе частот вблизи несущей f0.
Спектр сигнала АИМ
Перейдём к рассмотрению спектров сигналов импульсной модуляции. Немодулированную последовательность видеоимпульсов, выполняющую роль промежуточного переносчика, можно представить рядом Фурье. Амплитудная модуляция вызывает появление около каждой из составляющих спектра немодулированных видеоимпульсов боковых полос, повторяющих спектр сообщения Sa(w). Таким образом, спектр сигнала АИМ представляет собой как бы многократно повторённый спектр обычной АМ, в котором роль «несущих частот» выполняют гармоники частоты следования импульсов.
Рассмотрение спектра сигнала АИМ позволяет пояснить соотношение, определяющее выбор частоты повторения импульсов. Значение F0мин = 2Fа определяет то минимальное значение частоты повторения, при котором не происходит наложения спектров соседних боковых полос. Структуру, подобную спектру сигнала АИМ, но несколько более сложную, имеют и спектры сигналов при других видах импульсной модуляции. Характерной особенностью спектров сигналов импульсной модуляции является наличие около w=0 составляющих, соответствующих частотам передаваемого сообщения. Это указывает на возможность демодуляции фильтром нижних частот, пропускающим на выход лишь составляющие с частотами от 0 до 2пи Fа и отфильтровывающим все остальные. Демодуляция не будет сопровождаться искажениями, если в полосу пропускания фильтра нижних частот (ФНЧ) не попадут составляющие ближайшей боковой полосы, т. е. нижней боковой полосы. И при демодуляции сигнала АИМ, искажения будут отсутствовать, когда спектры соседних боковых полос не перекрываются, а для этого надо, чтобы частота повторения импульсов была бы F0 больше либо равно 2Fа. Из этого рассмотрения вытекает также необходимость предварительной фильтрации передаваемого сообщения a(t) таким образом, чтобы ширина спектра его ограничивалась некоторой частотой Fа.
Модуляция случайными функциями
До сих пор рассматривалась модуляция гармонического переносчика детерминированными сообщениями. Это позволило получить важные для анализа систем сведения, относящиеся к спектрам модулированных сигналов. Полученные результаты, однако, не дают полного представления о характеристиках модулированных сигналов, относящихся ко всей совокупности возможных модулирующих сообщений. Такое представление можно получить лишь из рассмотрения совокупностей возможных сообщений и модулированных сигналов, как некоторых случайных процессов.
Практический интерес представляет рассмотрение энергетического спектра модулированных сигналов не только в том случае, когда случайным является лишь модулирующее воздействие, а переносчиком служит детерминированная функция, но также, когда и переносчик – некоторый случайный процесс (обычно узкополосный). Такой переносчик называется шумовым несущим колебанием. Необходимость рассмотрения переносчика, как узкополосного шумового колебания, возникает в некоторых оптических системах связи с некогерентным излучением. Применение шумового несущего колебания даёт возможность ослабить мешающее действие замираний уровня сигналов в каналах с многолучевым распространением радиоволн.
Заключение
В моем реферате я рассказал, что такое модуляция. Рассказал о её видах, о том, как и чем, передают сообщения из одного мечта в другое. Как при передачи сообщения подвергаются воздействию различных помех, и как сделать так, чтобы уменьшить это воздействие до минимума. Ещё я рассмотрел особенности модуляции. Каналы по которым передаётся информация. Рассмотрел спектры различных сигналов. Рассказал, что модуляция – это преобразование сигнал из одного вида, в другой, для того чтобы было возможно передать сообщение. И, что демодуляция, это наоборот, процесс преобразования поступившего сигнала в первоначальный вид. И что есть такие приборы, как амплитудные детекторы, которые и производят эту демодуляцию. И что они бывают двух видов: транзисторный (а) и диодный (б).
Я выполнил всё, что задумывал сделать. Тема эта мне эта понравилась. Я узнал много нового для себя.
... (пунктирные линии), например, по алгоритму Рида-Соломона (Reed-Solomon) позволяет повысить помехоустойчивость модулированного сигнала. Достоинства алгоритма. Алгоритм квадратурной амплитудной модуляции является относительно простым в реализации и в то же время достаточно эффективным алгоритмом линейного кодирования xDSL-сигналов. Современные реализации этого алгоритма обеспечивают достаточно...
Комм. PEP 511x2...6x2...6 19600 Синхр. ДПЛ Комм. Выбор операционных систем. Хотя аппаратное обеспечение играет огромную роль в обеспечении нормального функционирования банковской компьютерной системы, но также немалую роль играет программное обеспечение, в частности операционные системы, устанавливаемые на файловых серверах и рабочих станциях. Выбор программного обеспечения требует...
Обработки и документирования сообщений вся полученная информация записывается на различных видах носителей или передается на централизованный пункт автоматической обработки измерений. Используемые при испытаниях и эксплуатации ракет и космических аппаратов РТС можно классифицировать по следующим основным признакам. 1. По назначению: для испытаний и летно-конструкторской отработки новых...
