Модуляция радиосигнала

• Блог компании Yota

В комментариях к статье посетовал на отсутствие статей описывающей физическую сторону передачи информации по радио каналу.
Мы решили исправить это упущение и написать цикл постов о беспроводной передаче данных.
В первом из них мы расскажем о главном аспекте передачи информации посредством радиосигнала – модуляции.


Модуля́ция (лат. modulatio - размерность) - процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала.
Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим.
Модуляция может осуществляться изменением амплитуды, фазы или частоты высокочастотной несущей.
Эта техника дает несколько важных преимуществ:

1. Позволяет сформировать радиосигнал, который будет обладать свойствами соответствующими свойствам несущей частоты. О свойствах волн разных частотных диапазонов можно почитать, например, .
2. Позволяет использовать антенны малого размера, ведь размер антенны должен быть пропорционален длине волны.
3. Позволяет избежать интерференции с другими радиосигналами.

Антенна длинной 24 километра не кажется достаточно удобной в использовании.
Если же мы будем передавать этот сигнал наложенным на несущую частоту в 2.5 ГГц (частота используемая в Yota WiMax), то нам понадобится антенна длиной 12 см.

Аналоговая модуляция.

Цифровая модуляция и ее типы.

1. ASK – Amplitude shift keying (Амплитудная двоичная модуляция).
2. FSK – Frequency shift keying (Частотая двоичная модуляция).
3. PSK – Phase shift keying (Фазовая двоичная модуляция).
4. ASK/PSK.

• ASK хороша с точки зрения эффективности использования полосы частот, но подвержена искажениям при наличии шума и недостаточно эффективна с точки зрения потребляемой мощности.
• FSK – с точностью до наоборот, энергетически эффективна, но не эффективно использует полосу частот.
• PSK – хороша в обоих аспектах.
• ASK/PSK – комбинация двух схем. Она позволяет еще лучше использовать полосу частот.

Модуляция сигнала в сетях WiMax.

Заключение.

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

Особенности импульсной модуляции

Спектр сигнала АИМ

Модуляция случайными функциями

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).

Виды аналоговой модуляции

где A 0 ,ω 0 = 2πf 0 , - амплитуда, угловая частота и начальная фаза несущей соответственно; k = A m /A 0 - коэффициент пропорциональности между модулирующим сигналом и вариациями амплитуды АМ колеба­ния или коэффициент модуляции; А т Ω = 2πF φ- амплитуда, угловая частота и начальная фаза модулирующего колебания; t - время.

На рис. 5.2 приведен график АМ колебания в зависимости от вре­мени, на котором видно, что огибающая имеет форму гармонического модулирующего колебания.

Выражение (5.1) может быть преобразовано к виду (для простоты начальные фазы опущены)

Данная форма записи показывает, что в спектре модулированного ко­лебания кроме несущей, содержатся две боковые составляющие с ам­плитудой, пропорциональной коэффициенту модуляции и с частотами выше и ниже несущей на частоту модуляции Ω = 2πF (рис. 5.3). Ши­рина спектра такого АМ сигнала

Если низкочастотное модулирующее колебание является сложным, то спектр модулированного колебание будет содержать, кроме несущей, две боковые полосы - верхнюю и нижнюю. Они представляют собой перенесенный в область несущих частот спектр модулирующего сигнала без изменения и с инверсией соответственно. Для определения полной ширины спектра АМ колебания в этом случае в (5.3) подставляют максимальную частоту спектра модулирующего колебания.

Очень наглядна векторная диаграмма модулированного сигнала (рис. 5.4). Несущее гармоническое колебание отображается вектором

Рис. 5.2 График АМ колебания Рис.5.3 Спектр АМ колебания

, вращающимся против часовой стрелки с постоянной скоростью ω 0 радиан в секунду. Боковые составляющие, в свою оче­редь, представляются векторами /2 и /2, симметричными относительно первого векторе и закрепленными на его конце. Они

вращаются против и по часовой стрелке с угловой скоростью модуляции Ω, перемещаясь вместе с вектором несущей. Результирующий вектор модулированного колебания меняет свою длину в зависимости от положения двух симметричных векторов, ча­стота его вращения остается постоянной.

Мощность АМ колебания зависит от глубины модуляции. Мощность несущей частоты неизменна и пропорциональна . Мощность каждой боковой составляющей пропорциональна квадрату её амплитуды, то есть величине .

При наиболее глубокой модуляции (k=1) мощность АМ колеба­ния (равная сумме мощностей всех трех составляющих) лишь в полтора раза превосходит мощность немодулированного колебания. На прак­тике среднее значение коэффициента амплитудной модуляции не превышает 0.5, чтобы уменьшить вероятность перемодуляции при пиковых значениях модулирующей функции.

С целью увеличении эффективности и использования передатчика и экономии полосы частот, занимаемой модулированным сигналом, передаваться может не весь спектр, а одна боковая полоса АМ колебания. При этом несущая и другая боковая подавляются. Такая модуляция называется АМ с одной боковой полосой (ОБП). Следует отметить, что в строгом смысле это уже будет колебание со сложной амплитудно-фазовой модуляцией.

Различают следующие разновидности амплитудной модуляции:

Двухполосная АМ (Double Sideband - DSB);

Двухполосная АМ с подавленной несущей (Double Sideband Supрrеssed Саrrier -DSBSC);

Однополосная АМ (Single Sideband);

Однополосная AM с подавленной несущей (Single Sideband Suppressed Carrier - SSBSC) в вариантах нижней и верхней боковой полосы (Lower Sideband – LSB и Upper Sideband - USB);

АМ с частично подавленной одной из боковых полос (Vestigal Sideband - VSB);

АМ с двумя независимыми боковыми полосами (Independend Single Sideband - ISSB).

Еще одним способом увеличения эффективности АМ является применение динамической АМ (ДАМ), при которой мощность несущей ре­гулируется в зависимости от амплитуды модулирующего колебания.

Амплитудная модуляция и ее разновидности нашли применение в основном в радио- и телевещании. В диапазонах ДВ и СВ применяется двухполосная АМ, в диапазоне КВ и УКВ - однополосная АМ. В диапа­зоне УКВ в системах ТВ для передачи сигнала изображения (яркостной составляющей) используется АМ с частично подавленной одной боко­вой полосой, а для передачи цветоразностных сигналов в системах РАL_ и NTSC используется разновидность балансной модуляции, так называемая квадратурная АМ. Принцип АМ ОБП используется для формирования групп каналов в многоканальных системах связи с частотным уплотнением. Кроме того, данный вид модуляции используется в си­стемах мобильной связи и для связи с самолетами (118...136 МГц).

Частотная модуляция (ЧМ) является частный случаем угловой мо­дуляции При ЧМ изменяемым параметром является частота несущей, т.е. в каждый момент времени ее отклонение от своего номинального значения пропорционально уровню модулирующего сигнала. В случае гармонического модулирующего колебания мгновенная частота

где - амплитуда отклонения несущей частоты от номи­нала или девиациz частоты.

Полная мгновенная фаза связана с его мгновенной частотой че­рез интеграл

Величина

называется индексом частотной модуляции. Для сложного модулирующего сигнала в (5.6) подставляется максимальная частота его спектра. Аналитическое выражение для ЧМ сигнала U(t) записывается сле­дующим образом:

Рис. 5.5 График ЧМ колебания Рис. 5.6 Спектр ЧМ сигнала

График ЧМ сигнала представлен на рис. 5.5.

Спектр ЧМ колебания при однотональной модуляции можно полу­чить, представив колебание (5.7) в виде бесконечного тригонометри­ческого ряда

где - специальная функция Бесселя порядка n аргумента x.При фиксированное аргументе функция Бесселя с ростом поряд­ка убывает по абсолютной величине и при т > п имеет малую вели­чину. Поэтому на практике ограничиваются рассмотрением конечного числа составляющих спектра.

Вид спектра ЧМ колебания при модуляции гармоническим сигна­лом приведен на рис. 5.6.

Различают широкополосную т () и узкополосную т () частотную модуляцию. В первом случае, как правило, учитывают составляющие с номерами n . Это соответствует ши­рине спектра ЧМ колебания при гармонической модуляции в которой сосредоточено 99 % энергии сигнала.

При небольших индексах ЧМ (от 1 до 2.5) следует пользоваться

фор­мулой

За пределами этой полосы амплитуда составляющих в 100 раз меньше амплитуды немодулированной несущей

При т ЧМ колебание (5.7) приближенно описывается как

т.е. можно считать, что в спектре такого сиг­нала с частотной модуляцией присутствуют только несущая и две отстоящие от нее на частоту модуляции боковые компоненты. Од­нако в отличие от амплитудной модуляции вторая боковая составляющая имеет фазо­вый сдвиг на π радиан.

Векторная диаграмма в этом случае имеет вид, представленный на рис. 5.7. В от­личие от АМ колебания сумма векторов боковых колебаний перпендикулярна вектору несущего колебания, что приводит к ускоре­нию и замедлению вращения результирующего вектора. Длина этого вектора, представляющая амплитуду моду­лированного колебания, незначительно изменяется, что связано с допущенными приближениями. В общем случае будет складываться боль­шее число векторов, и конец результирующего вектора при его качании будет перемещаться по дуге окружности, т.е. длина результирующего векторе меняться не будет.

Поскольку спектр ЧМ сигнала шире, чем при АМ, помехоустойчивость такой модуляции выше. Применяется ЧМ по причине своей широкополосности в основном в диапазоне метровых и более коротких волн. Узкополосная ЧМ (Narrow Frequency Modulation - NFM) используется в системах мобильной связи, широкополосная (Wide Frequency Modulation - WFM) в радио- и телевещании. При стереофоническом вещании в модулирующем сигнале имеется поднесущая с дополнитель­ной модуляцией в зависимости от стандарта вещания. Кроме того ЧМ с широко применялась в системах радиорелейной и спут­никовой связи, модуляция несущей осуществлялась широкополосным групповым сигналом, но в настоящее время, такие сигналы практиче­ски вытеснены цифровыми.

В радиолокации ЧМ используется как внутриимпульсная в вариан­тах линейной ЧМ, симметричной, зигзагообразной и др.

Фазовая модуляция (ФМ) также является частным случаем угло­вой модуляции. Рассмотренное выше частотно-модулированное коле­бание является в то же время и фазомодулированным. Однако при фазовой модуляции изменение фазы, а не частоты, должно совпадать с законом изменения модулирующего колебания В случае синусои­дального модулирующего колебания аналитическое представление ФМ колебания имеет вид

где – амплитуда отклонения (девиация) фазы.

Когда осуществляется угловая модуляция гармоническим сигна­лом, отличить частотную модуляцию от фазовой можно, только сравнив изменений мгновенной фазы модулированного колебания с законом из­менения модулирующего напряжения.

Сравнение (5.7) и (5.12) показывает, что индекс частотной модуляции ранен амплитуде отклонения фазы, измеряемой в радианах. Однако при частотной модулями индекс модуляции обратно пропорционален модулирующей частоте, а при фазовой девиация фазы фиксируется и от частоты модуляции не зависит.

Спектр фазомодулированного гармоническим колебанием сигнала будет такой же, как и частотно-модулированного, если одинаковы ин­дексы модуляции. При спектр ФМ сигнала будет содержать несущую и две боковые составляющие, отстоящие от несущей на частоту модуляции. Отличие от спектра АМ сигнала заключается только в том, что боковые составляющие сдвинуты по фазе на 90°.

При больших индексах модуляции ширину спектра ФМ сигнала сле­дует рассчитывать, пользуясь формулами для ЧМ сигналов. Ширина спектра в том и другом случае определяется девиацией частоты. Но следует отметить, что с увеличением частоты модуляции у ЧМ сигнала ширина спектра будет оставаться прежней при меньшем числе спек­тральных составляющих, а при ФМ ширина спектра будет расти при неизменном числе этих составляющих.

Векторная диаграмма ФМ не отличается от векторной диаграммы ЧМ. Нужно лишь иметь в виду, что ФМ определяется угловым откло­нением результирующего вектора от положения вектора несущей ча­стоты, а ЧМ скоростью этого отклонения, т.е. производной фазы по времени. Фазовая модуляция применяется в основном в радионави­гационных системах.

Общие сведения о модуляции

Модуляция — это процесс преобразования одного или нескольких информационных параметров несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями информационного сигнала.

В результате модуляции сигналы переносятся в область более высоких частот.

Использование модуляции позволяет:

• согласовать параметры сигнала с параметрами линии;
• повысить помехоустойчивость сигналов;
• увеличить дальность передачи сигналов;
• организовать многоканальные системы передачи (МСП с ЧРК).

Модуляция осуществляется в устройствах модуляторах . Условное графическое обозначение модулятора имеет вид:

Рисунок 1 - Условное графическое обозначение модулятора

При модуляции на вход модулятора подаются сигналы:

u(t) — модулирующий , данный сигнал является информационным и низкочастотным (его частоту обозначают W или F);

S(t) — модулируемый (несущий) , данный сигнал является неинформационным и высокочастотным (его частота обозначается w 0 или f 0);

Sм(t) — модулированный сигнал , данный сигнал является информационным и высокочастотным.

В качестве несущего сигнала может использоваться:

• гармоническое колебание, при этом модуляция называется аналоговой или непрерывной ;
• периодическая последовательность импульсов, при этом модуляция называется импульсной ;
• постоянный ток, при этом модуляция называется шумоподобной .

Так как в процессе модуляции изменяются информационные параметры несущего колебания, то название вида модуляции зависит от изменяемого параметра этого колебания.

1. Виды аналоговой модуляции:

• амплитудная модуляция (АМ), происходит изменение амплитуды несущего колебания;
• частотная модуляция (ЧМ), происходит изменение частоты несущего колебания;
• фазовая модуляция (ФМ), происходит изменение фазы несущего колебания.

2. Виды импульсной модуляции:

• амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) , происходит изменение амплитуды импульсов несущего сигнала;
• частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) , происходит изменение частоты следования импульсов несущего сигнала;
• Фазо-импульсная модуляция (ФИМ) , происходит изменение фазы импульсов несущего сигнала;
• Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) , происходит изменение длительности импульсов несущего сигнала.

Амплитудная модуляция

Амплитудная модуляция — процесс изменения амплитуды несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

амплитудно-модулированного (АМ) сигнала при гармоническом модулирующем сигнале. При воздействии модулирующего сигнала

u (t )= Um u sin ? t (1)

на несущее колебание

S (t )= Um sin (? 0 t + ? ) (2)

происходит изменение амплитуды несущего сигнала по закону:

Uам(t)=Um+ а ам Um u sin ? t (3)

где а ам — коэффициент пропорциональности амплитудной модуляции.

Подставив (3) в математическую модель (2) получим:

Sам(t)=(Um+ а ам Um u sin ? t) sin(? 0 t+ ? ). (4)

Вынесем Um за скобки:

Sам(t)=Um(1+ а ам Um u /Um sin ? t) sin (? 0 t+ ? ) (5)

Отношение а ам Um u /Um = m ам называется коэффициентом амплитудной модуляции . Данный коэффициент не должен превышать единицу, т. к. в этом случае появляются искажения огибающей модулированного сигнала называемые перемодуляцией . С учетом m ам математическая модель АМ сигнала при гармоническом модулирующем сигнале будет иметь вид:

Sам(t)=Um(1+m ам sin ? t) sin(? 0 t+ ? ). (6)

Если модулирующий сигнал u(t) является негармоническим, то математическая модель АМ сигнала в этом случае будет иметь вид:

Sам(t)=(Um+ а ам u(t)) sin (? 0 t+ ? ) . (7)

Рассмотрим спектр АМ сигнала для гармонического модулирующего сигнала. Для этого раскроем скобки математической модели модулированного сигнала, т. е. представим его в виде суммы гармонических составляющих.

Sам(t)=Um(1+m ам sin ? t) sin (? 0 t+ ? ) = Um sin (? 0 t+ ? ) +

+m ам Um/2 sin((? 0 — ? ) t+ j ) — m ам Um/2 sin((? 0 + ? )t+ j ). (8)

Как видно из выражения в спектре АМ сигнала присутствует три составляющих: составляющая несущего сигнала и две составляющих на комбинационных частотах. Причем составляющая на частоте ? 0 —? называется нижней боковой составляющей , а на частоте ? 0 + ? — верхней боковой составляющей. Спектральные и временные диаграммы модулирующего, несущего и амплитудно-модулированного сигналов имеют вид (рисунок 2).

Рисунок 2 - Временные и спектральные диаграммы модулирующего (а), несущего (б) и ампдтудно-модулированного (в) сигналов

D? ам =(? 0 + ? ) — (? 0 — ? )=2 ? (9)

Если же модулирующий сигнал является случайным, то в этом случае в спектре составляющие модулирующего сигнала обозначают символически треугольниками (рисунок 3).

Составляющие в диапазоне частот (? 0 — ? max) ? (? 0 — ? min) образуют нижнюю боковую полосу (НБП), а составляющие в диапазоне частот (? 0 + ? min) ? (? 0 + ? max) образуют верхнюю боковую полосу (ВБП)

Рисунок 3 - Временные и спектральные диаграммы сигналов при случайном модулирующем сигнале

Ширина спектра для данного сигнала будет определятся

D ? ам =(? 0 + ? max ) — (? 0 — ? min )=2 ? max (10)

На рисунке 4 приведены временные и спектральные диаграммы АМ сигналов при различных индексах m ам. Как видно при m ам =0 модуляция отсутствует, сигнал представляет собой немодулированную несущую, соответственно и спектр этого сигнала имеет только составляющую несущего сигнала (рисунок 4,

Рисунок 4 - Временные и спектральные диаграммы АМ сигналов при различных mам: а) при mам=0, б) при mам=0,5, в) при mам=1, г) при mам>1

а), при индексе модуляции m ам =1 происходит глубокая модуляция, в спектре АМ сигнала амплитуды боковых составляющих равны половине амплитуды составляющей несущего сигнала (рисунок 4в), данный вариант является оптимальным, т. к. энергия в большей степени приходится на информационные составляющие. На практике добиться коэффициента равного едините тяжело, поэтому добиваются соотношения 01 происходит перемодуляция, что, как отмечалось выше, приводит к искажению огибающей АМ сигнала, в спектре такого сигнала амплитуды боковых составляющих превышают половину амплитуды составляющей несущего сигнала (рисунок 4г).

Основными достоинствами амплитудной модуляции являются:

• узкая ширина спектра АМ сигнала;
• простота получения модулированных сигналов.

Недостатками этой модуляции являются:

• низкая помехоустойчивость (т. к. при воздействии помехи на сигнал искажается его форма — огибающая, которая и содержит передаваемое сообщение);
• неэффективное использование мощности передатчика (т. к. наибольшая часть энергии модулированного сигнала содержится в составляющей несущего сигнала до 64%, а на информационные боковые полосы приходится по 18%).

Амплитудная модуляция нашла широкое применение:

• в системах телевизионного вещания (для передачи телевизионных сигналов);
• в системах звукового радиовещания и радиосвязи на длинных и средних волнах;
• в системе трехпрограммного проводного вещания.

Балансная и однополосная модуляция

Как отмечалось выше, одним из недостатков амплитудной модуляции является наличие составляющей несущего сигнала в спектре модулированного сигнала. Для устранения этого недостатка применяют балансную модуляцию. При балансной модуляции происходит формирование модулированного сигнала без составляющей несущего сигнала. В основном это осуществляется путем использования специальных модуляторов: балансного или кольцевого. Временная диаграмма и спектр балансно-модулированного (БМ) сигнала представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Временные и спектральные диаграммы модулирующего (а), несущего (б) и балансно-модулированного (в) сигналов

Также особенностью модулированного сигнала является наличие в спектре двух боковых полос несущих одинаковую информацию. Подавление одной из полос позволяет уменьшить спектр модулированного сигнала и, соответственно, увеличить число каналов в линии связи. Модуляция при которой формируется модулированный сигнал с одной боковой полосой (верхней или нижней) называется однополосной. Формирование однополосно-модулированного (ОМ) сигнала осуществляется из БМ сигнала специальными методами, которые рассматриваются ниже. Спектры ОМ сигнала представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 - Спектральные диаграммы однополосно-модулированных сигналов: а) с верхней боковой полосой (ВБП), б) с нижней боковой полосой (НБП)

Частотная модуляция

Частотная модуляция — процесс изменения частоты несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

Рассмотрим математическую модель частотно-модулированного (ЧМ) сигнала при гармоническом модулирующем сигнале. При воздействии модулирующего сигнала

u (t ) = Um u sin ? t

на несущее колебание

S (t ) = Um sin (? 0 t + ? )

происходит изменение частоты несущего сигнала по закону:

w чм (t) = ? 0 + а чм Um u sin ? t (9)

где а чм — коэффициент пропорциональности частотной модуляции.

Поскольку значение sin ? t может изменятся в диапазоне от -1 до 1, то наибольшее отклонение частоты ЧМ сигнала от частоты несущего сигнала составляет

? ? m = а чм Um u (10)

Величина Dw m называется девиацией частоты. Следовательно, девиация частоты показывает наибольшее отклонение частоты модулированного сигнала от частоты несущего сигнала.

Значение ? чм (t) непосредственно подставить в S(t) нельзя, т. к. аргумент синуса ? t+j является мгновенной фазой сигнала?(t) которая связана с частотой выражением

? = d ? (t )/ dt (11)

Отсюда следует что, чтобы определить? чм (t) необходимо проинтегрировать ? чм (t)

Причем в выражении (12) ? является начальной фазой несущего сигнала.

Отношение

Мчм = ?? m / ? (13)

называется индексом частотной модуляции .

Учитывая (12) и (13) математическая модель ЧМ сигнала при гармоническом модулирующем сигнале будет иметь вид:

S чм (t)=Um sin(? 0 t — Мчм cos ? t+ ? ) (14)

Временные диаграммы, поясняющие процесс формирования частотно-модулированного сигнала приведены на рисунке 7. На первых диаграммах а) и б) представлены соответственно несущий и модулирующий сигналы, на рисунке в) представлена диаграмма показывающая закон изменения частоты ЧМ сигнала. На диаграмме г) представлен частогтно-модулированный сигнал соответствующий заданному модулирующему сигналу, как видно из диаграммы любое изменение амплитуды модулирующего сигнала вызывает пропорциональное изменение частоты несущего сигнала.

Рисунок 7 - Формирование ЧМ сигнала

Для построения спектра ЧМ сигнала необходимо разложить его математическую модель на гармонические составляющие. В результате разложения получим

S чм (t)= Um J 0 (M чм ) sin(? 0 t+ ? ) —

— Um J 1 (M чм ) {cos[(? 0 — ? )t+ j ]+ cos[(? 0 + ? )t+ ? ]} —

— Um J 2 (M чм ) {sin[(? 0 — 2 ? )t+ j ]+ sin[(? 0 +2 ? )t+ ? ]}+

+ Um J 3 (M чм ) {cos[(? 0 — 3 ? )t+ j ]+ cos[(? 0 +3 ? )t+ ? ]} —

— Um J 4 (M чм ) {sin[(? 0 — 4 ? )t+ j ]+ sin[(? 0 +4 ? )t+ ? ]} — … (15)

где J k (Mчм) — коэффициенты пропорциональности.

J k (Mчм) определяются по функциям Бесселя и зависят от индекса частотной модуляции. На рисунке 8 представлен график содержащий восемь функций Бесселя. Для определения амплитуд составляющих спектра ЧМ сигнала необходимо определить значение функций Бесселя для заданного индекса. Причем как

Рисунок 8 - Функции Бесселя

видно из рисунка различные функции имеют начало в различных значениях Мчм, а следовательно, количество составляющих в спектре будет определятся Мчм (с увеличивается индекса увеличивается и количество составляющих спектра). Например необходимо определить коэффициенты J k (Мчм) при Мчм=2. По графику видно, что при заданном индексе можно определить коэффициенты для пяти функций (J 0 , J 1 , J 2 , J 3 , J 4) Их значение при заданном индексе будет равно: J 0 =0,21; J 1 =0,58; J 2 =0,36; J 3 =0,12; J 4 =0,02. Все остальные функции начинаются после значения Мчм=2 и равны, соответственно, нулю. Для приведенного примера количество составляющих в спектре ЧМ сигнала будет равно 9: одна составляющая несущего сигнала (Um J 0) и по четыре составляющих в каждой боковой полосе (Um J 1 ; Um J 2 ; Um J 3 ; Um J 4).

Еще одной важной особенностью спектра ЧМ сигнала является то, что можно добиться отсутствия составляющей несущего сигнала или сделать ее амплитуду значительно меньше амплитуд информационных составляющих без дополнительных технических усложнений модулятора. Для этого необходимо подобрать такой индекс модуляции Мчм, при котором J 0 (Мчм) будет равно нулю (в месте пересечения функции J 0 с осью Мчм), например Мчм=2,4.

Поскольку увеличение составляющих приводит к увеличению ширины спектра ЧМ сигнала, то значит, ширина спектра зависит от Мчм (рисунок 9). Как видно из рисунка, при Мчм?0,5 ширина спектра ЧМ сигнала соответствует ширине спектра АМ сигнала и в этом случае частотная модуляция является узкополосной , при увеличении Мчм ширина спектра увеличивается, и модуляция в этом случае является широкополосной . Для ЧМ сигнала ширина спектра определяется

D ? чм =2(1+Мчм) ? (16)

Достоинством частотной модуляции являются:

• высокая помехоустойчивость;
• более эффективное использование мощности передатчика;
• сравнительная простота получения модулированных сигналов.

Основным недостатком данной модуляции является большая ширина спектра модулированного сигнала.

Частотная модуляция используется:

• в системах телевизионного вещания (для передачи сигналов звукового сопровождения);
• системах спутникового теле- и радиовещания;
• системах высококачественного стереофонического вещания (FM диапазон);
• радиорелейных линиях (РРЛ);
• сотовой телефонной связи.

Рисунок 9 - Спектры ЧМ сигнала при гармоническом модулирующем сигнале и при различных индексах Мчм: а) при Мчм=0,5, б) при Мчм=1, в) при Мчм=5

Фазовая модуляция

Фазовая модуляция — процесс изменения фазы несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

Рассмотрим математическую модель фазо-модулированного (ФМ) сигнала при гармоническом модулирующем сигнале. При воздействии модулирующего сигнала

u (t ) = Um u sin ? t

на несущее колебание

S (t ) = Um sin (? 0 t + ? )

происходит изменение мгновенной фазы несущего сигнала по закону:

? фм(t) = ? 0 t+ ? + а фм Um u sin ? t (17)

где а фм — коэффициент пропорциональности частотной модуляции.

Подставляя ? фм(t) в S(t) получаем математическую модель ФМ сигнала при гармоническом модулирующем сигнале:

Sфм(t) = Um sin(? 0 t+ а фм Um u sin ? t+ ? ) (18)

Произведение а фм Um u =Dj m называется индексом фазовой модуляции или девиацией фазы .

Поскольку изменение фазы вызывает изменение частоты, то используя (11) определяем закон изменения частоты ФМ сигнала:

? фм (t )= d ? фм(t )/ dt = w 0 +а фм Um u ? cos ? t (19)

Произведение а фм Um u ? =?? m является девиацией частоты фазовой модуляции. Сравнивая девиацию частоты при частотной и фазовой модуляциях можно сделать вывод, что и при ЧМ и при ФМ девиация частоты зависит от коэффициента пропорциональности и амплитуды модулирующего сигнала, но при ФМ девиация частоты также зависит и от частоты модулирующего сигнала.

Временные диаграммы поясняющие процесс формирования ФМ сигнала приведены на рисунке 10.

При разложении математической модели ФМ сигнала на гармонические составляющие получится такой же ряд, как и при частотной модуляции (15), с той лишь разницей, что коэффициенты J k будут зависеть от индекса фазовой модуляции? ? m (J k (? ? m)). Определятся эти коэффициенты будут аналогично, как и при ЧМ, т. е. по функциям Бесселя, с той лишь разницей, что по оси абсцисс необходимо заменить Мчм на? ? m . Поскольку спектр ФМ сигнала строится аналогично спектру ЧМ сигнала, то для него характерны те же выводы что и для ЧМ сигнала (пункт 1.4).

Рисунок 10 - Формирование ФМ сигнала

Ширина спектра ФМ сигнала определяется выражением:

? ? фм =2(1+ ? j m ) ? (20).

Достоинствами фазовой модуляции являются:

• высокая помехоустойчивость;
• более эффективное использование мощности передатчика.
• недостатками фазовой модуляции являются:

• большая ширина спектра;
• сравнительная трудность получения модулированных сигналов и их детектирование

Дискретная двоичная модуляция (манипуляция гармонической несущей)

Дискретная двоичная модуляция (манипуляция) — частный случай аналоговой модуляции, при которой в качестве несущего сигнала используется гармоническая несущая, а в качестве модулирующего сигнала используется дискретный, двоичный сигнал.

Различают четыре вида манипуляции:

• амплитудную манипуляцию (АМн или АМТ);
• частотную манипуляцию (ЧМн или ЧМТ);
• фазовую манипуляцию (ФМн или ФМТ);
• относительно-фазовую манипуляцию (ОФМн или ОФМ).

Временные и спектральные диаграммы модулированных сигналов при различных видах манипуляции представлены на рисунке 11.

При амплитудной манипуляции , также как и при любом другом модулирующем сигнале огибающая S АМн (t) повторяет форму модулирующего сигнала (рисунок 11, в).

При частотной манипуляции используются две частоты? 1 и? 2 . При наличии импульса в модулирующем сигнале (посылке) используется более высокая частота? 2 , при отсутствии импульса (активной паузе) используется более низкая частота w 1 соответствующая немодулированной несущей (рисунок 11, г)). Спектр частотно-манипулированного сигнала S ЧМн (t) имеет две полосы возле частот? 1 и? 2 .

При фазовой манипуляции фаза несущего сигнала изменяется на 180° в момент изменения амплитуды модулирующего сигнала. Если следует серия из нескольких импульсов, то фаза несущего сигнала на этом интервале не изменяется (рисунок 11, д).

Рисунок 11 - Временные и спектральные диаграммы модулированных сигналов различных видов дискретной двоичной модуляции

При относительно-фазовой манипуляции фаза несущего сигнала изменяется на 180° лишь в момент подачи импульса, т. е. при переходе от активной паузы к посылке (0?1) или от посылке к посылке (1?1). При уменьшении амплитуды модулирующего сигнала фаза несущего сигнала не изменяется (рисунок 11, е). Спектры сигналов при ФМн и ОФМн имеют одинаковый вид (рисунок 9, е).

Сравнивая спектры всех модулированных сигналов можно отметить, что наибольшую ширину имеет спектр ЧМн сигнала, наименьшую — АМн, ФМн, ОФМн, но в спектрах ФМн и ОФМн сигналов отсутствует составляющая несущего сигнала.

В виду большей помехоустойчивости наибольшее распространение получили частотная, фазовая и относительно-фазовая манипуляции. Различные их виды используются в телеграфии, при передаче данных, в системах подвижной радиосвязи (телефонной, транкинговой, пейджинговой).

Импульсная модуляция

Импульсная модуляция — это модуляция, при которой в качестве несущего сигнала используется периодическая последовательность импульсов, а в качестве модулирующего может использоваться аналоговый или дискретный сигнал.

Поскольку периодическая последовательность характеризуется четырьмя информационными параметрами (амплитудой, частотой, фазой и длительностью импульса), то различают четыре основных вида импульсной модуляции:

• амплитудно-импульсная модуляция (АИМ); происходит изменение амплитуды импульсов несущего сигнала;
• частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), происходит изменение частоты следования импульсов несущего сигнала;
• фазо-импульсная модуляция (ФИМ), происходит изменение фазы импульсов несущего сигнала;
• широтно-импульсная модуляция (ШИМ), происходит изменение длительности импульсов несущего сигнала.

Временные диаграммы импульсно-модулированных сигналов представлены на рисунке 12.

При АИМ происходит изменение амплитуды несущего сигнала S(t) в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала u(t), т. е. огибающая импульсов повторяет форму модулирующего сигнала (рисунок 12, в).

При ШИМ происходит изменение длительности импульсов S(t) в соответствии с мгновенными значениями u(t) (рисунок 12, г).

Рисунок 12 - Временные диаграммы сигналов при импульсной модуляции

При ЧИМ происходит изменение периода, а соответственно и частоты, несущего сигнала S(t) в соответствии с мгновенными значениями u(t) (рисунок 12, д).

При ФИМ происходит смещение импульсов несущего сигнала относительно их тактового (временного) положения в немодулированной несущей (тактовые моменты обозначены на диаграммах точками Т, 2Т, 3Т и т. д.). ФИМ сигнал представлен на рисунке 12, е.

Поскольку при импульсной модуляции переносчиком сообщения является периодическая последовательность импульсов, то спектр импульсно-модулированных сигналов является дискретным и содержит множество спектральных составляющих. Этот спектр представляет собой спектр периодической последовательности импульсов в котором возле каждой гармонической составляющей несущего сигнала находятся составляющие модулирующего сигнала (рисунок 13). Структура боковых полос возле каждой составляющей несущего сигнала зависит от вида модуляции.

Рисунок 13 - Спектр импульсно-модулированного сигнала

Также важной особенностью спектра импульсно-модулированных сигналов является то, что ширина спектра модулированного сигнала, кроме ШИМ, не зависит от модулирующего сигнала. Она полностью определяется длительностью импульса несущего сигнала. Поскольку при ШИМ длительность импульса изменяется и зависит от модулирующего сигнала, то при этом виде модуляции и ширина спектра также зависти от модулирующего сигнала.

Частоту следования импульсов несущего сигнала может быть определена по теореме В. А. Котельникова как f 0 =2Fmax. При этом Fmax это верхняя частота спектра модулирующего сигнала.

Передача импульсно модулированных сигналов по высокочастотным линиям связи невозможна, т. к. спектр этих сигналов содержит низкочастотные составляющий. Поэтому для передачи осуществляют повторную модуляцию . Это модуляция, при которой в качестве модулирующего сигнала используют импульсно-модулированный сигнал, а в качестве несущего гармоническое колебание. При повторной модуляции спектр импульсно-модулированного сигнала переносится в область несущей частоты. Для повторной модуляции может использоваться любой из видов аналоговой модуляции: АМ, ЧС, ФМ. Полученная модуляция обозначается двумя аббревиатурами: первая указывает на вид импульсной модуляции а вторая — на вид аналоговой модуляции, например АИМ-АМ (рисунок 14, а) или ШИМ-ФМ (рисунок 14, б) и т. д.

Рисунок 14 - Временные диаграммы сигналов при импульсной повторной модуляции