Виды модуляций радиосигнала
Оглавление.
1. Введение. 2
2. Виды модуляции. 3
3. Амплитудная модуляция. 3
4. Частотная модуляция, фазовая модуляция. 9
5. Импульсная модуляция. 12
6. Список используемой литературы. 16
1. ВВЕДЕНИЕ
Существуют три основные схемы модуляции: 1) амплитудная модуляция
(AM); 2) угловая модуляция, подразделяющаяся на два очень похожих метода:
частотную модуляцию (ЧМ) и фазовую модуляцию (ФМ); 3) импульсная модуляция
(ИМ). Различные схемы модуляции совмещают два этих метода или более,
образуя сложные системы связи. Телевидение, например, использует как AM,
так и ЧМ для различных типов передаваемой информации. Импульсная модуляция
совмещается с амплитудной, образуя импульсную амплитудную модуляцию (АИМ),
и т.д. Не всегда возможно найти четко выраженные основания для
использования того или иного метода модуляции. В некоторых случаях этот
выбор предписывается законом (в США контроль осуществляет Федеральная
комиссия по связи — ФКС). Необходимо строго придерживаться правил и
инструкций независимо от того, какая схема модуляции используется.
Во всех методах модуляции несущей служат синусоидальные колебания
угловой частоты (н, которые выражаются в виде
ен=Анsin((нt+(н) (1а)
где Ан - амплитуда, а (нt+(н - мгновенная фаза (отметим, что (нt, так же
как и (н, измеряется в градусах или радианах). Фазовый сдвиг (н введен для
придания уравнению (la) большей общности. Аналогично модулирующий сигнал
может быть представлен как
ем=Амsin((мt+(м) (2a)
для AM, ЧМ и ФМ или в виде импульса в случае импульсной модуляции.
Выражение (м может быть использовано для обозначения скорее полосы частот,
чем единичной частоты. Например, мы будем рассматривать AM в радиовещании,
где модулирующий сигнал состоит из полосы звуковых частот (20—16 000 Гц).
2. ВИДЫ МОДУЛЯЦИИ.
2.1. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (AM)
С качественной стороны амплитудная модуляция (AM) может быть
определена как изменение амплитуды несущей пропорционально амплитуде
модулирующего сигнала (рис. 1, а). Для модулирующего сигнала болшой
амплитуды
[pic]
Рис. 1. Амплитудная модуляция ((м1.
[pic]
В таблице на рис. 3 приведены амплитуда и мощьность для каждой из
трех частотных компонент модулированного колебания.
| |Угловая |Амплиту|Относительная |Относительная |
| |частота |да |амплитуда |мощность |
|Несущая |(н |Ан |1 |1 |
|Верхняя боковая|(н+(м |Ам/2 |m/2 |(m/2)2 |
|полоса | | | | |
|Нижняя боковая |(н-(м |Ам/2 |m/2 |(m/2)2 |
|полоса | | | | |
Рнс. 3. Мощность и амплитуда АМ-колебаний.
Для 100%-ной модуляции (m=1) и мощности несущей 1 кВт полная мощность
модулированных колебаний составляет 1 кВт+(1/2)2 кВт+(1/2)2 кВт=1,5 кВт.
Отметим, что при m=1 мощность, заключенная в обеих боковых полосах,
составляет половину мощности несущей. Аналогично при m=0,5 мощность в обеих
боковых полосах составляет 1/8 мощности несущей. Указанное выше имеет место
лишь для синусоидальной формы AM. Амплитудная модуляция может быть
использована в передаче импульсных значений.
При обычной модуляции с двумя боковыми полосами, используемой в
радиовещании, информация передается исключительно в боковых полосах. Для
того чтобы получить, например, хорошее качество звука, необходимо работать
в полосе частот шириной 2М, где М — ширина полосы высококачественного
воспроизведения звука (20—20 000 Гц). Это означает, что стандартное АМ-
радиовещание, к примеру, с частотами до 20 кГц должно иметь ширину полосы
±20 кГц (всего 40 кГц), учитывая верхнюю и нижнюю боковые полосы. Однако на
практике ширина полосы частот по правилам ФКС ограничивается величиной 10
кГц ((5 кГц), которая предусматривает для радиопередачи звука ширину полосы
всего лишь 5 кГц, что далеко от условий высококачественного
воспроизведения. Радиовещание с частотной модуляцией, как это будет
показано ниже, имеет более широкую полосу частот.
Федеральная комиссия связи также устанавливает допуски частоты всех
распределений частот в США. Все АМ-радиовещание (535—1605 кГц) имеет
допустимые отклонения в 20 Гц, или около 0,002 %. Эта точность и
стабильность частоты может быть достигнута путем использования кварцевых
генераторов.
Детектирование или демодуляция АМ-колебаний требует выпрямления
модулированного сигнала, сопровождаемого исключением несущей частоты с
помощью соответствующей фильтрации. Эти две стадии воспроизведения
модулирующего сигнала могут быть продемонстрированы па примере колебания,
изображенного на рис. 2, а. После выпрямления остается лишь половина
колебания, а после фильтрации присутствует лишь его огибающая, которая
является воспроизведенным сигналом.
На рис. 4 приведены функциональные схемы передающей и приемной систем
с амплитудной модуляцией.
[pic]
Рис. 4. АМ-система.
а-функциональная схема передатчика; б-функциональная схема приемника.
Передатчик содержит два источника: сигнала модуляции — от микрофона,
проигрывателя и т.д. и несущей — от генератора с кварцевой стабилизацией.
Модулирующий сигнал и несущая вводятся в модулятор, который вырабатывает
модулированный сигнал, который затем передается через антенну. В
большинстве передатчиков большой мощности модуляция осуществляется в
последнем каскаде системы для того, чтобы избежать необходимости усиливать
модулированный сигнал. Усиление несущей и модулирующего сигнала происходит
раздельно. Степень модуляции контролируется изменением амплитуды модуляции
и поддержанием постоянной амплитуды несущей. С тех пор как передаваемая
мощность стала лимитироваться ФКС, большинство радиовещательных станций
имеет автоматическое управление и контроль мощности, как это показано
штриховыми линиями на рис. 4,а.
Приемник (рис. 4,б) содержит высокочастотный усилитель, который
усиливает сигнал, принятый антенной. ВЧ-усилитель настраивается; его
частота настройки может быть изменена (в диапазоне радиовещания для АМ-
приемников) для выбора нужной станции. Термин «избирательность»,
примененный к приемнику, относится к способности приемника выбирать
отдельную станцию (частоту), не принимая при этом сигналов от примыкающих к
ней станций. Например, если приемник имеет плохую избирательность, то при
настройке на станцию WQXP (1560 кГц) может быть также принята другая,
смежная станция WWRL (1600 кГц). Ясно, что приемник с такой плохой
избирательностью является непригодным. Нужно также помнить, что ВЧ-
усилитель должен иметь ширину полосы 5 кГц для звуковых сигналов (две
боковые полосы требуют ширину полосы (5 кГц вокруг частоты несущей). Таким
образом, требуется полоса частот 10 кГц совместно с высокой
избирательностью, которая означает очень крутые спады частотной
характеристики перестраиваемого контура, обеспечивающие существенное
ослабление сигналов вблизи выбранной частоты, но находящихся вне полосы
частот ±5 кГц.
Приемник, показанный на рис. 4,б, является приемником или прямого
усиления (сплошные линии), или гетеродинного типа (штриховые линии). В
последнем принятый ВЧ-сигнал (н смешивается с колебаниями от местного
генератора-гетеродина (г. В результате возникают два сигнала — с частотами
(г-(н и (г+(н. Сигнал с разностной частотой (г-(н усиливается усилителем
промежуточной частоты (УПЧ) и затем подводится к детектору. На рис. 4,б
штриховыми линиями вместо сплошных линий между ВЧ-усилителем и детектором
представлена функциональная схема гетеродинного приемника. Такой метод
приема позволяет настраиваться на любую станцию, в то время как
промежуточная частота остается равной 455 кГц и легко усиливается
усилителями с фиксированной частотой настройки. Отметим, что для того,
чтобы настроиться на станцию, нужно изменять (г и (н одновременно, и, таким
образом, разность (г-(н остается неизменной. Приемник гетеродинного типа
имеет лучшую избирательность и гораздо большую чувствительность. Минимально
различимый им сигнал составляет 10 мкВ на антенне. Когда мы говорим
«различимый», то подразумеваем превышающий уровень шумов приемника.
2. ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ, ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ
В методе частотной модуляции (ЧМ) амплитуда модулирующего сигнала
управляет мгновенной частотой несущей. Идеальная ЧМ не вносит изменений в
амплитуду несущей. Следовательно, форма напряжения модулированной несущей
может быть выражена в виде
ечм=Анcos[(нt+((sin((мt)] (9)
где (н и (м - соответственно несущая частота и частота модуляции, а ( -
индекс модуляции. Частоты модулированного колебания могут быть получены из
выражения cos[(нt+((sin((мt)] с использованием тригонометрических формул и
специальных таблиц (функции Бесселя)..
Индекс модуляции ( определяется как ((н/(м=(fн/fм - отношение
максимальной девиации частоты (за один период модулирующего сигнала) к
частоте модуляции. Детальный анализ частотной модуляции сложен. Рассмотрим
на примерах основные черты этого метода. Будем предполагать наличие
одиночной частоты модуляции (м (ем=Амsin((мt)).
Девиация частоты ((н прямо пропорциональна мгновенному значению
модулирующего сигнала ем=Амsin((мt). Таким образом, ((н можно выразить
через ем:
((н=kfАмsin((нt) (10)
где kf - коэффициент пропорциональности, аналогичный по своему характеру
чувствительности; он дает девиацию частоты на 1 В (((/В). Следовательно,
при (нt=90° (sin((нt)=1) ((н=kfАм - максимальная девиация частоты
синусоидального модулирующего сигнала. Например, если sin((нt)=0,5,
kf=2((1000 (рад/с)/В=1000 Гц/В и Ам=10В, то мы получаем
((н=2((1000(10(0,5=2((5000 рад/с, т. е. девиацию частоты несущей 5 кГц.
Максимальное значение (fн при этих условиях (sin((нt)=1) будет составлять
10 кГц. Отметим, что, так как sin((нt ) может быть равным +1 или -1, то (fн
макс=(10 кГц. Если задано значение fм, то можно вычислить индекс модуляции
(. Для fм=2000(=10000/2000 ((fн/fм ); таким образом, (=5. Индекс модуляции
должен быть всегда возможно большим, чтобы получить свободное от шумов
верное воспроизведение модулирующего сигнала. Девиация частоты (fн в ЧМ-
радиовещании ограничена величиной до +75 кГц. Это приводит к значению
(=75/15=5 для звукового модулирующего сигнала с максимальной частотой 15
кГц.
Исследуя изменения частоты несущей с ЧМ, есть соблазн прийти к выводу
о том, что ширина полосы, необходимой для ЧМ-передачи, составляет ±((н,
или 2((н, так как несущая меняется по частоте в пределах ±((н, т. е.
(чм((н±((н.Этот вывод, однако, полностью ошибочен. Может быть показано, что
ЧМ-колебания состоят из несущей и боковых полос аналогично AM с одним лишь
существенным различием: при ЧМ существует множество боковых полос (рис. 5).
Амплитуды боковых полос связаны весьма сложным образом с индексом
модуляции. Отметим, что частоты боковых полос связаны лишь с частотой
модулирующего сигнала (м, а не с девиацией частоты ((н. Для предыдущего
примера, когда (=5 и (м=15 кГц (максимум), мы получаем семь пар полос
((н±(м, (н±2(м, (н±3(м, и т.д.) с изменяющимися амплитудами, но
превышающими значение 0,04Ан. Все другие пары за пределами (н±7(м имеют
амплитуды ниже уровня 0,02Ан.
Первая пара боковых полос может быть описана как
0,33А([sin((н+(м)t+sin((н-(м)t] имеет амплитуду 0,33 Ан; вторая пара -
(н(2(м - имеет амплитуду 0,047Ан. Отметим, что амплитуды различных боковых
полос не являются монотонно убывающими по мере того, как их частоты все
более и более удаляются от (н. Фактически в приведенном примере с (=5
наибольшей пo амплитуде (0,4 Ан) является четвертая пара боковых полос.
Амплитуды различных боковых полос получены из специальных таблиц,
описывающих эти полосы для различных значений (. Очевидно, что ширина
полосы, необходимая для передачи семи пар боковых полос, составляет ±7(15
кГц, или 14(15 кГц= 210 кГц (для fм=15 кГц). На этом же основании ширина
полосы, необходимая для (=10 (((н/(м=10), равна 26fм; 13 боковых полос в
этом случае составят 26(15=390 кГц. Таким образом, частотная модуляция
требует значительной ширины полосы частот и, как следствие, используется
только при несущих с частотами 100 МГц и выше.
[pic]
Рис. 5. Боковые полосы ЧМ.
(н-несущая частота; (м-частота модуляции.
Частотно-модулированная связь гораздо менее чувствительна к помехам.
Шумы, попадающие в ЧМ-сигнал, будь то атмосферные возмущения (статические),
тепловые шумы в лампах и сопротивлениях или любые другие шумы, имеют
меньшую возможность влиять на прием, чем в случае AM. Основной причиной
этого является попросту тот факт, что большинство шумов амплитудно
модулируют несущую. Делая приемник нечувствительным к изменениям амплитуды,
практически устраняем эту нежелательную модуляцию. Восстановление
информационного сигнала из ЧМ-волны связано лишь с частотным
детектированием, при котором выходной сигнал зависит лишь от изменений
частоты ЧМ-сигнала, а не от его амплитуды. Большинство приемников содержит
усилитель-ограничитель, который поддерживает постоянную амплитуду ЧМ-
колебаний, устраняя тем самым любой АМ-сигнал.
Существуют различные методы ЧМ-детектирования и селекции. В основе
большинства методов лежит использование наклона частотной характеристики
резонансного контура (рис. 6). Амплитуда отклика изменяется с частотой. Для
(н+((н получаем амплитуду А1, для (н-((н - амплитуду А2, а для частот между
[pic]
Рис. 6. Принцип использования резонансного контура в качестве частотного
детектора.
(н+((н и (н-((н имеем все промежуточные амплитуды между А1 и А2. Выходной
сигнал соответствует девиации частоты входного сигнала (хотя и не совсем
линейно в простом резонансном контуре) и тем самым воспроизводит
первоначальный модулирующий сигнал.
Цепь фазовой автоподстройки (ФАП), вскоре стала одним из наиболее
распространенных средств ЧМ-детектировапия, особенно применительно к
импульсным модулирующим сигналам. Некоторые схемы ФАП снабжены логическими
выходными схемами, согласованными с соответствующими входными сигналами
импульсной формы.
Как отмечалось ранее, ЧМ —лишь один тип угловой модуляции. Другим
является фазовая модуляция. Эта модуляция очень похожа на ЧМ. При фазовой
модуляции мгновенная фаза несущей изменяется пропорционально мгновенной
амплитуде модулирующего сигнала. Это приводит к изменению несущей частоты
(н, как видно из уравнения
(фаз=(н+kф(мАмsin((мt) (11)
где kф, - коэффициент пропорциональности, измеряемый в единицах рад/В.
Фазовая и частотная модуляция часто используются в одной системе модуляции,
так как прием и детектирование обеих идентичны.
Функциональные схемы передатчика и приемника с ЧМ почти те же, что и
для AM. Ширина полосы частот ЧМ существенно шире, а несущая частота
значительно выше (100 МГц и более). Более широкая полоса частот приводит к
более верному воспроизведению входных звуковых сигналов, так что звуки с
частотами выше 5 кГц должны передаваться системами ЧМ. В приемниках с
частотной модуляцией иногда используется двойное гетеродинирование с двумя
промежуточными частотами - 5 МГц и 455 кГц.
3. ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (ИМ)
Импульсная модуляция (ИМ) не является в действительности каким-то
особым типом модуляции. Этот термин характеризует скорее вид модулирующего
сигнала. Далее различают импульсную амплитудную и импульсную частотную
модуляции. Здесь учитывают то, каким образом информация представлена — с
помощью импульса или ряда импульсов. Можно рассматривать в качестве
модулируемой величины амплитуду импульса, или его ширину, или его положение
в последовательности импульсов и т. д. Следовательно, существует большое
разнообразие методов импульсной модуляции. Все они используют в качестве
формы передачи или AM, или ЧМ.
[pic]
Рис. 7. Последовательность импульсов, отображающих число 37 в двоично-
десятичном коде (младший значащий разряд первый).
Импульсная модуляция может быть использована для передачи как
цифровых, так и аналоговых форм сигнала. Когда речь идет о цифровых
сигналах, мы имеем дело с логическими уровнями — высоким и низким — и можем
модулировать несущую (с помощью AM или ЧМ) рядом импульсов, который
представляет цифровое значение. Например, если для числа 37 передается код
ДКД (двоично-кодированное десятичное число) 00110111, то для модуляции
несущей просто должна использоваться указанная последовательность нулей и
единиц. Каждый нуль может быть представлен уровнем 0В, а каждая единица —
уровнем, например, 5В. Образованная в результате последовательность
импульсов показана на рис. 7 вместе с совпадающим рядом синхронизирующих
импульсов, необходимых для идентификации положения единиц и нулей. В
указанной последовательности важен порядок импульсов. Сначала передается
МЗДР (младший значащий десятичный разряд) 7, а затем СЗДР (старший значащий
десятичный разряд) 3. В каждом десятичном разряде на первом месте старший
двоичный разряд (бит).
Отметим, что, даже если все импульсы имеют полную амплитуду 5 В,
обычно допускается изменение цифровых уровней в широком диапазоне
напряжений, что не приводит к нарушению нормальной работы системы.
Например, логический уровень «1» может изменяться в пределах от 2,4 до 5,5
В.
При использовании импульсных методов для передачи аналоговых сигналов
необходимо сначала преобразовать аналоговые данные в импульсную форму. Это
преобразование также относится к модуляции, так как аналоговые данные
используются для модулирования (изменения) последовательности импульсов или
импульсной поднесущей. На рис. 8,а показана модуляция синусоидальным
сигналом амплитуд последовательности импульсов.
[pic]
Рис. 8. Форма сигналов амплитудно-импульсной модуляции.
а—форма модулированного сигнала; б—воспроизведенная форма сигнала при
низкой частоте следования импульсов, Т1 — период последовательности
импульсов; в — воспроизведенная форма сигнала при высокой частоте
следования импульсов, Т2 — период последовательности импульсов.
Амплитуда каждого импульса в модулированной последовательности
зависит от мгновенного значения аналогового сигнала. Синусоидальный сигнал
может быть восстановлен из последовательности модулированных импульсов
путем простой фильтрации. На рис. 8,б графически показан процесс
восстановления первоначального сигнала путем соединения вершин импульсов
прямыми линиями. Однако восстановленная на рис. 8,б форма колебаний не
является хорошим воспроизведением первоначального сигнала из-за того, что
число импульсов на период аналогового сигнала невелико. При использовании
большего числа импульсов, т. е. при большей частоте следования импульсов по
сравнению с частотой модулирующего сигнала, может быть достигнуто более
лучшее воспроизведение (рис. 8,в). Этот процесс амплитудно-импульсной
модуляции (АИМ), относящийся к модуляции поднесущей последовательности
импульсов, может быть выполнен путем выборки аналогового сигнала через
постоянные интервалы времени импульсами выборки с фиксированной
длительностью. Импульсы выборки — это импульсы, амплитуды которых равны
величине первоначального аналогового сигнала в момент выборки. Частота
выборки (число импульсов в секунду) должна быть по крайней мере в два раза
большей, чем самая высокая частота аналогового сигнала. Для лучшей
воспроизводимости частота выборки обычно устанавливается в 5 раз большей
самой высокой частоты модуляции.
АИМ является только одним типом импульсной модуляции. Кроме него
существуют:
ШИМ — широтно-импульсная модуляция (модуляция импульсов по
длительности);
ЧИМ — частотно-импульсная модуляция;
КИМ — кодово-импульсная модуляция.
Широтно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок. напряжений в
серии импульсов, длительность которых прямо пропорциональна амплитуде
напряжений выборок (рис. 9,а). Отметим, что амплитуда этих импульсов
постоянна; в соответствии с модулирующим сигналом изменяется лишь
длительность импульсов. Интервал выборки — интервал между импульсами —
также фиксирован.
Частотно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок напряжений в
последовательность импульсов, мгновенная частота которых, или частота
повторения, непосредственно связана с величиной напряжений выборок. И здесь
амплитуда всех импульсов одинакова, изменяется только их частота. По
существу все аналогично обычной частотной модуляции, лишь несущая имеет
несинусоидальную форму, как в случае обычной ЧМ; она состоит из
последовательности импульсов.
Кодово-импульсная модуляция преобразует выборки напряжения в
кодированное сообщение. К примеру, дискретный уровень, равный 5,5 В, может
быть представлен двоичным числом 101.101=5,5 с помощью аналого-цифрового
преобразователя. Кодовое сообщение 101.101 представляет собой некоторую
выборку напряжения Vs. Подобным кодированием (в данном случае двоичным
кодом) преобразуют каждую выборку. Последовательность таких кодовых
сообщений представляет собой серию чисел, описывающих последовательные
выборки. Код может быть любым: двоичным с шестью разрядами, как
представленный выше, или двоичным кодом с N разрядами, или двоично-
кодированным десятичным и т. д. (рис. 7).
[pic]
Рис. 9. Широтно-импульсная модуляция.
Приведенные выше модуляционные схемы — лишь некоторые представители
большого числа используемых методов. Подчеркнем, что рассмотренная здесь ИМ-
модуляция относится к модуляции поднесущей, т. е. модуляции
последовательности импульсов, которые затем используются в системах AM или
ЧМ. Речь идет о двух следующих друг за другом модуляциях. Во-первых,
информация модулирует последовательность импульсов. Здесь может быть
использована АИМ, ШИМ, ЧИМ, КИМ или любой другой вид модуляции. Во-вторых,
содержащая информацию поднесущая модулирует синусоидальную несущую.
Частотно-импульсная модуляция синусоидальной несущей приводит к ((н
-девиации частоты несущей скачкообразным отклонением от несущей. Например,
частотная модуляция логических уровней «0» и «1» (0 В и 5В) дает две
частоты — (н (для логического уровня «0») и (н+((н (для уровня «5»). По
существу, мы просто сдвигаем частоту несущей от ( к (н+((н для изображения
логического уровня «1». Этот тип частотной модуляции называется также и
частотной манипуляцией и обычно используется в передаче сигналов с помощью
телеграфа и других цифровых устройств связи. Для восстановления логических
уровней из частотно-манипулированной несущей может быть использована цепь
фазовой автоподстройки (ФАП).
Методы импульсной модуляции очень широко распространены в приложениях
телеметрии.
3. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
1) Г. Зангер. «Электронные системы» 1980 г.
2) В. В. Мигулин «100 лет радио» 1995 г.
3) А. С. Касаткин «Электротехника» 1965 г.
4) В. Г. Герасимов «Основы промышленной электроники» 1986 г. |
