Модуляция - чем отличаются виды модуляции AM, ЧМ (FM) и SSB: просто о сложном. Непрерывные методы модуляции

29.07.2019

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.

Модуляцией называют процесс преобразования одной либо нескольких характеристик модулирующего высокочастотного колебания при воздействии управляющего низкочастотного сигнала. В итоге спектр управляющего сигнала перемещается в высокочастотную область, где передача высоких частот является более эффективной.

Модуляция выполняется с целью передачи информации посредством . Передаваемые данные содержатся в управляющем сигнале. А функцию переносчика осуществляет высокочастотное колебание, именуемое несущим. В роли несущего колебания могут быть использованы колебания разнообразной формы: пилообразные, прямоугольные и др., но обычно используют гармонические синусоидальные. Исходя из того, какая именно характеристика синусоидального колебания изменяется, различают несколько типов модуляции:

Амплитудная модуляция

На вход модулирующего устройства передают модулирующий и опорный сигналы, в результате на выходе имеем смодулированный сигнал. Условием корректного преобразования считается удвоенное значение несущей частоты в сравнении с максимальным значением полосы модулирующего сигнала. Данный тип модуляции достаточно прост в исполнении, но отличается невысокой помехоустойчивостью.

Помехонеустойчивость возникает вследствие узкой полосы модулируемого сигнала. Ее используют в основном в средне- и низкочастотных интервалах электромагнитного спектра.

Частотная модуляция

В результате данного типа модуляции сигнал модулирует частоту опорного сигнала, а не мощность. Поэтому если величина сигнала увеличивается, то, соответственно, растет частота. Ввиду того, что полоса получаемого сигнала намного шире исходной величины сигнала.

Такая модуляция характеризуется высокой помехоустойчивостью, однако для ее применения следует использовать высокочастотный диапазон.

Фазовая модуляция

В процессе данного типа модуляции модулирующий сигнал использует фазу опорного сигнала. При данном типе модулирования получаемый сигнал имеет достаточно широкий спектр, потому что фаза оборачивается на 180 градусов.

Фазовая модуляция активно используется для формирования помехозащищенной связи в микроволновом диапазоне.

В качестве несущего сигнала могут использоваться незатухающие функции, шумы, последовательность импульсов и пр. Так, при импульсной модуляции в роли несущего сигнала используется последовательность узких импульсов, а в роли модулирующего сигнала выступает дискретный либо аналоговый сигнал. Так как последовательность импульсов характеризуется 4 характеристиками, то различают 4 типа модуляции:

— частотно-импульсная;

— широтно-импульсная;

— амплитудно-импульсная;

— фазово-импульсная.

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.

Виды модуляции

Модуляцией называется процесс управления одним или несколькими параметрами колебаний высокой частоты в соответствии с законом передаваемого сообщения. Модуляцию можно также рассматривать как процесс наложения одного колебания на другое. Передаваемый сигнал называют модулирующим, управляемый высокочастотный - модулируемым. Частота модулирующего сигнала должна быть на один и более порядков ниже модулируемого.

Классифицировать методы модуляции можно по трем признакам в зависимости:

– от управляемого параметра высокочастотного сигнала: амплитудная (AM), частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ);

– числа ступеней модуляции: одно-, двух-, трехступенчатая;

– вида передаваемого сообщения – (аналогового, цифрового или импульсного) - непрерывная, со скачкообразным изменением управляемого параметра (такую модуляцию называют манипуляцией) и импульсная.

Описание модулированных сигналов возможно в рамках временного и спектрального методов. Для неискаженного приема модулированного сигнала полоса пропускания всех высокочастотных трактов радиопередатчика и радиоприемника должна быть равна или больше ширины спектра излучаемого сигнала. С другой стороны, спектр модулированного сигнала не должен выходить за выделенную данному каналу допустимую полосу излучения (рис. 19.1).

Рис. 19.1. Допустимая полоса излучения спектра модулированного сигнала

Излучения, лежащие за пределами выделенной полосой излучения, называются внеполосными. Их уровень не должен превышать определенной, строго нормируемой величины. В противном случае данный канал связи будет создавать помехи другим каналам.

Ширина спектра модулированного высокочастотного сигнала Df c п зависит как от спектра передаваемого сообщения, так и от вида модуляции. Параметром, характеризующим модулированный сигнал, позволяющим сравнивать различные виды модуляции, является база сигнала:

В=TDf c п, (19.1)

где Т - длительность элемента сигнала.

При передаче аналоговых сообщений верхняя частота его спектра F связана с параметром Т, трактуемым как время интервала отсчета, соотношением Т=l/(2F) и поэтому (19.1) принимает вид:

В=Df c п /(2F). (19.2)

При передаче цифровой информации двоичным кодом, состоящим из логических 1 и 0, со скоростью V, равной количеству передаваемых элементарных посылок (бит) в секунду (бит/с = бод), величина Т трактуется как длительность элементарной посылки Т=1/V, и поэтому:

В=Df c п /V. (19.3)

При В=1 высокочастотный модулированный сигнал называется узкополосным, при В>3…4 - широкополосным. В соответствии с этим определением в зависимости от используемого вида сигнала радиотехническая система в целом называется узко- или широкополосной.

При амплитудной модуляции сигнал всегда является узкополосным; при частотной (в зависимости от характеризующего ее параметра девиации частоты) - узко- или широкополосным. Вид модуляции и значение параметра В оказывают существенное влияние на помехоустойчивость радиотехнической системы и получение требуемого соотношения сигнал-шум в радиоприемном устройстве.

Пример модулированных сигналов одинаковой мощности, но с разной шириной спектра приведен на рис. 19.2.

Рис. 19.2. Пример модулированных сигналов одинаковой мощности с разной шириной спектра

Рассмотрим, чем вызвана необходимость применения двухступенчатой, а в некоторых случаях даже трехступенчатой модуляции. Пусть при одной частоте несущих колебаний f нес требуется передавать сообщения от нескольких источников. Для возможности разделения принятых сообщений в радиоприемном устройстве поступают следующим образом. Каждое из сообщений модулирует сначала свою индивидуальную несущую, называемую в этом случае поднесущей (рис. 19.3).

6. Виды модуляции. Введение в специальность

6. Виды модуляции

Принципы передачи сигналов электросвязи

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

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

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

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

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

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

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

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

Амплитудная модуляция

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Угловая модуляция

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

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

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

При изменении фазы несущего колебания получим фазовую модуляцию

где – коэффициент пропорциональности; – индекс фазовой модуляции.

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

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

. (6.6)

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

Величина называется индексом частотной модуляции.

Частотно-модулированное колебание запишется в виде:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Импульсная модуляция

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

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

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

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

Рис. 6.10. Спектр АИМ-сигнала

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

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

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

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

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