Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Модуляция






 

Спектры сигналов, вырабатываемых терминалами (микрофонами, буквопечатающими ТА, ЭВМ) лежат в области низких частот. У цифровых сигналов основная энергия приходится на " нулевую" частоту, т.е. постоянную составляющую сигнала (см. рис.2.3), поэтому такие сигналы часто называют сигналами постоянного тока. Ток низких частот свободно распространяется по проводникам (физическим проводам), но излучение и прием электромагнитных волн на этих частотах чрезвычайно заьруднен. Для передачи сигналов на большие расстояния с помощью электромагнитных волн необходимо перенести спектр низкочастотного сигнала в область высоких частот (радиочастот). Этот перенос спектра называют модуляцией, которая осуществляется с помощью модулятора. Суть модуляции заключается в том, что один из параметров высокочастотного гармонического колебания (его называют несущим колебанием, а частоту – несущей частотой) изменяется по закону низкочастотного (управляющего) сигнала, содержащего передаваемое сообщение. В соответствии с параметрами гармонического колебания различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию.

 

2.4.1. Амплитудная модуляция

 

При амплитудной модуляции (АМ) амплитуда несущего высокочастотного колебания изменяется по закону управляющего сигнала. Рассмотрим простейший случай АМ колебания, когда управляющим сигналом является также гармоническое колебание (So•cos2pFot - т.н.модуляция одним тоном, Рис.2.5).

 

Рис.2.5

 

Амплитудно-модулированное колебание (АМК) имеет вид:

 

Uам =(Ао + So•сos2pFo)•сos2pfot = Ao·[cos2pfot + 0.5M·cos2p(fo+Fo)t + 0.5М·cos2p(fo+Fo)t]

где М – глубина амплитудной модуляции,

А0 – аиплитуда высокочастотного несущего колебания,

S0 - амплитуда низкочастотной огибающей,

f0 – частота высокочастотного заполнения,

F0 – частота низхкочастотной огибающей.

 

На рис.2.6 показаны спектры управляющего cигнала - гармонического сигнала с частотой Fo и амплитудой S (рис.а), несущего колебания - гармонического сигнала с частотой fo и амплитудой Ао (рис.б) и модулированного колебания (рис.в). Из рисунков видно, что исходный низкочастотный сигнал (с частотой Fo) в результате модуляции переносится в область радиочастот (fo). Спектр модулированного колебания содержит несущую (fo) и две боковые частоты - верхнюю с частотой (fo+Fo) и нижнюю с

частотой (fo-F0).Отношение М = Soо называют коэффициентом АМ, 0 ≤ М ≤ 1.

При М > 1 наступает явление перемодуляции, которое характеризуется потерей полезной информации, поэтому принимают меры, чтобы предотвратить наступление пермодуляции.

 

Спектр сигналов при тональной АМ

 

Сигнал Несущая АМ-колебание

 
 


S0 A0 А0

0.5МА0 0.5МА0

f … f … f

0 F0 0 f0 0 f0-F0 f0 fo+F0

до модуляции после модуляции

а) б) в)

 

Рис.2.6

 

В общем случае, когда спектр управляющего сигнала занимает полосу частот от Fмин -– (т.1) до Fмак – (т.2) (рис.2.7.а), в спектре модулированного сигнала возникают боковые полосы - нижняя, с полосой от (fo-Fмак) - (т.3) до (fo-Fмин) – (т.4) и верхняя, с полосой от (fo+Fмин) – (т.6) до (fo+Fмак) – (т.7) (рис.2.7, б). Несущая частота fo расположена в т.5.

 

Спектр АМ сигнала в общем случае

 

Сигнал АМ-колебание

                                               
   
       
           
                   
                       
 

 

 


f … f

0 0

1 2 3 4 5 6 7

а) б)

 

Рис.2.7

 

Спектр частот, занимаемый АМ-сигналом, сосредоточен около несущей частоты fo и занимает полосу 2•Fмак. Информация об управляющем сигнале содержится в каждой из боковых полос. Дублирование информации устраняется использованием только одной боковой полосы – для однополосной передачи применяют нижнюю боковую полосу, что позволяет почти в 2 раза сократить занимаемую полосу частот и уменьшить потребление энергии.

 

2.4.2. Угловая модуляция

 

При частотной модуляции по закону управляющего сигнала изменяется частота несущего колебания около среднего значения fo (Рис.2.8).

 

Рис. 2.8

 

Частотно-модулированное колебание при модуляции одним тоном имеет вид:

 

Uчм = Ао•cos(2pfo+k·S·cos2pFo).

 

Максимальное отклонение частоты fd = k·S от fo называют девиацией частоты. Величину Мч = fd/Fo называют индексом частотной модуляции. Для реализации преимуществ частотной модуляции, величину Мч выбирают много больше единицы.

Аналогично, при фазовой модуляции по закону управляющего сигнала изменяется фаза несущего колебания. Поскольку фаза и частота взаимосвязаны (частота - производная от фазы, а фаза - интеграл от частоты), эти виды модуляции объединяют общим названием - угловая модуляция.

Спектры сигналов при частотной и фазовой модуляции имеют более сложный состав, чем при АМ, однако основные закономерности спектра - несущая и боковые полосы - сохраняются.

Ширина спектра ЧМ-сигнала составляет Fчм = 2Мч·∆ Fмак, где как и прежде ∆ Fмак - полоса частот, занимаемая управляющим сигналом.

Так как Мч > 1, спектр ЧМ-сигнала шире спектра АМ-сигнала. Поэтому, в частности, частотную модуляцию используют только в диапазоне ультракоротких волн, чтобы относительная ширина спектра не оказалась чрезмерно большой.

Частотная модуляция обладает большей помехоустойчивостью по сравнению с амплитудной. Это объясняется тем, что помехи на входе приемного устройства приводят, как правило, к случайному изменению амплитуды, т.е. искажают информационный параметр. При частотной модуляции влияние помех на амплитуду сигналов не приводит к изменению информационного параметра - частоты. Наибольшей помехоустойчивостью обладают фазо-модулированные сигналы, однако техническая реализация фазовых модуляторов наиболее сложна, кроме того, существует явление набега фазы, которое существенно снижает длительность синхронной работы устройств с фазовой модуляцией.

Для восстановления низкочастотного сигнала в приемном устройстве осуществляется обратное преобразование – демодуляция (детектирование).

 

2.4.3. Модуляция двоичными сигналами - манипуляция

При передаче кодированных сообщений управляющие сигналы представляют собой последовательность прямоугольных импульсов и пауз (или импульсов противоположной полярности). В этом случае модулируемый параметр несущего колебания принимает одно из двух фиксированных значения, такую разновидность модуляции называют манипуляцией. По аналогии с модуляцией различают амплитудную, частотную и фазовую манипуляции. Следует отметить, что, в манипуляция (модуляция двоичным сигналом) обладает значительно большей помехоустойчивостью, чем модуляция непрерывным сигналом.

В системах с амплитудной манипуляцией (Amplitude Shift Keying) амплитуда гармонической несущей изменяется в зависимости от того, имеется на входе модулятора 0 или 1. Например, двоичной 1 может соответствовать заданная амплитуда несущей

S1 = A· Cos(2pft), двоичному 0 – нулевая амплитуда - отсутствие колебания, т.е. пауза

S0 = 0. Такие сигналы называют сигналами с пассивной паузой. При приеме сигналов с пассивной паузой возникают проблемы с различением амплитуд колебаний при приеме, так как в процессе распространения сигналы ослабевают, и их уровень может оказаться соизмеримым с уровнем помех. Говорят, что амплитудная модуляция имеет низкую помехоустойчивость, т.е. высокую вероятность ошибочной регистрации двоичных сигналов.

В системах с частотной манипуляцией (Frequency Shift Keying) осуществляется изменение частоты несущей в соответствии с поступившим цифровым сигналом. Например, двоичной 1 соответствует более низкая частота по сравнению с частотой несущей, двоичному 0 - более высокая: S1 = A· Cos(2pf1t), S0 = A· Cos(2pf0t), Формирование частот осуществляется сдвигом несущей частоты " вверх' или " вниз" на некоторую величину (например, на +/- 85 Гц в диапазоне коротких волн, так что f0 - f1 = 170 Гц, или на +/-400 Гц в диапазоне УКВ). Такие сигналы называют в математике ортогональными. Частотная манипуляция обладает более высокой помехоустойчивостью по сравнению с амплитудной, так как при частотной манипуляции изменение амплитуды сигнала из-за помех несущественна для правильного приема.

В системах с фазовой манипуляцией (Phase Shift Keying) фазовый сдвиг гармонического колебания изменяется в зависимости от поступившего двоичного сигнала. Для лучшего различения фазоманипулированных сигналов сдвиг фаз между сигналами S1 и S0 выбирают наибольшим, т.е. равным p.

В этом случае S1 = A· Cos(2pft), S0 = A· Cos(2pft+p) = - S1. Такие сигналы называют противоположными.

Спектры манипулированных сигналов по своей структуре не отличаются от спектров модулированных колебаний - они содержат несущую и две боковые полосы.

 

2.4.4. Модемы в сетях компьютерной связи

Для взаимодействия двух и более персональных компьютеров (ПК) их соединяют между собой - создают т.н. локальную вычислительную сеть. Для соединения территориально разнесенных ПК используют развитую сеть телефонной связи.

Для обмена данными между персональными компьютерами с помощью телефонной сети также используют модемы (модем = МОдулятор + ДЕМодулятор). Как отмечалось выше, основная энергия сигналов постоянного тока на выходе компьютера приходится на " нулевую" частоту, т.е. постоянную составляющую, а телефонная сеть пропускает сигналы звуковых частот начиная с частоты 300 Гц. Для преобразования сигналов постоянного тока в звуковые частоты в диапазоне 300...3400 Гц и используются модуляторы (рис.2.9). Например, в режиме частотной модуляции модулятор модема при передаче преобразует сигналы, соответствующие 1 и 0 в гармонические колебания с частотой соответственно

1270 Гц (f1) и 1070 Гц (f2) той же длительности. Для одновременного приема сигналов используют частоты 2225 Гц (f3) и 2025 Гц (f4). На входы компьютеров поступают сигналы постоянного тока, которые формируются в демодуляторах модемов. Кроме указанной задачи, модемы позволяют сгладить существенные различия между скоростью пердачи данных ПК и сравнительно небольшой скоростью передачи данных в стандартной телефонной линии.

 

Схема локальной вычислительной сети

Рис.2.9

 

2.4.5. Однополосные сигналы

 

Анализ спектра амплитудно-модулированного сигнала (рис.1.3) показывает, что информация о передаваемом сигнале содержится в каждой боковой полосе. Несущая с частотой fо известна на передающей стороне (частота настройки передатчика) и не несет информации о передаваемом сигнале. Расчеты показывают, что даже при максимальном значении коэффициента модуляции М = 1, мощность боковой составляющей амплитудно-модулированного сигнала не превышает 25% от мощности несущей, т.е. основная доля мощности приходится на несущее колебание. Для улучшения энергетических показателей напряжение несущей частоты подавляют. Для уменьшения полосы частот, занимаемой модулированным сигналом, исключают одну из боковых полос (верхнюю боковую полосу). Такие однополосные сигналы называют сигналами с одной боковой полосой - ОБП (SSB). Расчеты показывают, что переход на однополосные сигналы позволяет получить выигрыш по мощности в 4...8 раз.

Заметим, что передатчики и приемники однополосных сигналов имеют более сложную структуру.

 

2.4.6. Характеристики классов излучений, используемых в морской подвижной службе.

В радиосвязи используют различные виды модулированных колебаний (излучений). Регламентом радиосвязи предусмотрено обозначение трех характеристик излучения.

Первый индекс – буква, обозначающая тип модуляции основной несущей. Излучения, при которых основная несущая модулируется по амплитуде, обозначаются:

· А – двухполосная;

· Н – однополосная с полной несущей;

· R - однополосная с частично подавленной несущей;

· J – однополосная с полностью подавленной несущей;

· В – с двумя независимыми полосами.

Излучения, при которых несущая имеет угловую модуляцию, обозначаются:

· F - частотная модуляция;

· G - фазовая модуляция.

Второй индекс – цифра, обозначающая характер сигнала, модулирующего основную несущую. Например:

· 1 - цифровая информация без использования модулирующей поднесущей;

· 2 – цифровая информация с использованием поднесущей (звуковой частоты);

· 3 – аналоговая информация.

Третий индекс – буква, обозначает тип передаваемой информации, например,

· А – телеграфия для слухового приема (код Морзе);

· В – телеграфия для автоматического приема (буквопечатание – телекс);

· Е – телефония;

· С – факсимиле.

 

Спектры сигналов для различных классов излучений

 

А1А - Unmodulated Morse code - немодулированная несущая

fн - несущая частота - частота настройки передатчика

 

 

 

A2A - Double-sideband (DSB) modulated Morse

АМ кодом Морзе с двумя боковыми частотами

 

 

 

H2A - Single-sideband (SSB) modulated Morse code

Однополосная АМ кодом Морзе с полной несущей

 

А3Е - DSB Telephony (Commercial broadcast)

Двухполосная АМ телефония с полной несущей

 

 

H3E - SSB Full-carrier telephony (2182 kHz)

Однополосная АМ телефония с полной несущей

 

 

R3E - SSB Reduced-carrier telephony

Однополосная АМ телефония с " придавленной" несущей (подавление несущей на 16...18 дБ)

 

 

J3E - SSB Suppressed - carrier telephony

Однополосная АМ телефония с подавленной несущей

 

F1B – Telex -

ЧМ-буквопечатание (телекс)

fo =fн - 85 Гц, f1 = fн +85 Гц

 

 

J2B - Telex

ЧМ-буквопечатание (телекс)

( частоты, показанные пунктиром, не излучаются)

fп - средняя частота полосы излучаемых частот

f0=fпр-85 Гц = fн, +1615 Гц

f1=fпр+85 Гц= fн, +1785 Гц

 

 

F3E\G3E - Frequency\Phase modulated telephony

ЧМ/ФМ телефония

 

2.4.7. Передача непрерывных сигналов цифровым способом

Интенсивное развитие средств вычислительной техники, внедрение в технику телекоммуникаций персональных компьютеров привело к необходимости передачи непрерывных сигналов цифровыми методами. Кроме того, следует отметить, что цифровые сигналы обладают повышенной помехоустойчивостью перед аналоговыми. Для преобразования непрерывного сигнала s(t) (рис.2.10, а) в цифровой необходимо выполнить три операции: дискретизация непрерывного сигнала по времени (рис.2.10, б), квантование по уровню (рис.2.10, в) и кодирование (чаще всего двоичное рис2.10, г).

 

Рис.2.10

 

 

Суть первой операции заключается в том, что передача непрерывного сигнала s(t) заменяется передачей значений сигнала s(t1), s(t2) … в равноотстоящие моменты времени t1, t2... c интервалом Т. Доказано (теорема Котельникова), что если сигнал имеет спектр, максимальная частота которого Fмак, то интервал между отсчетами Т= 1/(2Fмак). Для передачи значений сигнала цифровым способом используют операцию квантования. Она заключатся в том, что диапазон изменений сигнала (от Амак до 0) делится на N уровней с шагом квантования Амак/(N+1). Истинные значения сигнала в моменты отсчета заменяются на ближайший разрешенный уровень сигнала, при этом для восстановления значения сигнала на приемной стороне достаточно передать номер уровня. Двоичное кодирование заключается в преобразовании любого из N номеров сигнала в двоичный равномерный код, длина кодовой комбинации n = log2 N. Двоичный код передается по линии связи. На приемной стороне осуществляетяс обратное преобразование цифрового сигнала а аналоговый.

Значение номера уровня сигнала должно быть передано за интервал Т Длительность передачи двоичного сигнала to определяется очевидным соотношением to = 1/(2Fмак· n). Например, для цифровой передачи телефонного сигнала принимают Fмак = 4000 Гц и N =256 (n = 8), что соответствует скорости передачи 64 кбит/c.

 

Контрольные вопросы к разделу 2

 

1. Приведите примеры непрерывных и дискретных сообщений.

2. Опишите назначение кодирования и приведите примеры двоичных кодов и их характеристики.

3. Укажите назначение помехоустойчивых кодов и опишите принцип обнаружения ошибок помехоустойчивыми кодами.

4. В каких единицах измеряется количество информации и скорость передачи информации при передаче дискретных сообщений?

5. Дайте определение спектра сигнала

6. Как связана длительность импульса с его спектром?

7. Какие виды модуляции используются в радиосвязи?

8. Определите полосу частот, занимаемую двухполосным амплитудно-модулированным сигналом, если максимальная частота спектра речевого сигнала – Fмак.

9. Перечислите достоинства и недостатки частотной и фазовой модуляции по сравнению с амплитудной модуляцией.

10. Перечислите достоинства и недостатки однополосной модуляции по сравнению с двухполосной модуляцией.

11. Опишите структуру спектра модулированного колебания

12.Опишите назначение аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразований.

13. Опишите назначение модемов в компьютерной связи

 






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.