Теоретическая часть. Цель и задачи лабораторной работы

Цель и задачи лабораторной работы

Целью лабораторной работы является экспериментальное изучение амплитудной модуляции и манипуляции с использованием программы Electronics Workbench.

Задачами лабораторной работы является закрепление теоретического материала о процессах преобразования сигнала с помощью амплитудной модуляции и манипуляции.

Теоретическая часть

Передаваемые сообщения являются низкочастотными колебаниями, следовательно, они не могут быть переданы на значительное расстояние из-за быстрого затухания в канале связи или линии. Высокочастотные колебания лишены этого недостатка, но они сами по себе не несут информации.

Задача системы передачи информации – передать информацию без потерь и искажений по выбранной линии связи.

В организации такой системы основная проблема – согласование линии связи с первичным электрическим сигналом. Для этого согласования используется канал, как комплекс аппаратных средств, преобразующих сигнал к виду, возможному для передачи по физической линии связи.

Низкочастотные проводные (кабельные, воздушные), рельсовые и др. линии связи требуют для согласования сигнала с линией: усиления; обеспечения необходимой полосы пропускания; предотвращения искажений; согласование сопротивлений без коренного изменения формы сигнала.

При использовании широкополосных линий связи (например, при частотном или временном уплотнении линии радиосвязи) исходные первичные сигналы нуждаются в преобразовании к виду, удобному для передачи по реальной физической линии. Это может быть: перенос спектра сигнала в другую область частот или применение дискретного представления сигналов.

Очень часто эти преобразования (не изменяя передаваемую информацию) приводят к новому виду преобразованного первичного сигнала. Для реализации процесса преобразования первичного сигнала обычно привлекается дополнительный стационарный сигнал – переносчик (несущий сигнал), на который накладывается информационный сигнал. Этот процесс наложения сигнала на переносчик называют модуляцией, а процесс " ссаживания" информационного сигнала с несущего колебаний называют демодуляцией или детектированием. Вид переносчика (несущего колебания) определяется физической природой лини связи и выбранного метода передачи информации.

В качестве переносчика применяют: гармонические колебания; различные виды импульсного представления сигнала; сложные многоуровневые сигналы; специальные функции.

Модуляция значительно расширяет возможности передачи сообщения по следующим причинам:

- можно увеличивать число сообщений, передаваемых по одной линии связи или по одному каналу путем частотного разделения сигналов;

- можно повысить достоверность (помехозащищенность) передаваемых сигналов использованием специальных помехоустойчивых методов модуляции;

- можно повысить эффективность использования излучателей сигналов (особенно в радиосвязи) за счет уменьшения мощности и габаритов передающих устройств.

Сообщение а(t) преобразуется с помощью датчиков в пропорциональную электрическую величину b(t) – первичный сигнал. При передачи речи такое преобразование выполняет микрофон, а при передаче изображения – телевизионная камера и т.д. Первичный сигнал обычно является низкочастотным колебанием (НЧ). В некоторых случаях, например при обычной городской телефонной связи, его передают непосредственно по проводной линии связи. При передаче по радио или многоканальной проводной линии первичный сигнал преобразуется в высокочастотное (ВЧ) колебание в результате модуляции, которая представляет собой изменение одного или нескольких параметров вспомогательного ВЧ колебания S(t) по закону передаваемого сообщения а(t). Немодулированное ВЧ гармоническое колебание , где амплитуда U_m, круговая частота ω ₀, фаза φ ₀ могут быть постоянными или медленно меняющимися величинами, а = ω ₀t + φ ₀t – полный угол (фаза) колебания в момент времени t.

Различают два основных вида (класса) модуляции гармонических колебаний: амплитудную при изменении U_m и угловую при изменении по закону передаваемого сообщения а(t).

Модулированные сигналы различаются также по виду модулирующего сигнала b(t) и модулируемого колебания S(t). В качестве модулируемого (сигнала – переносчика) используется гармоническое колебание, периодическая последовательность импульсов, шумоподобные сигналы (ШПС), а в качестве модулирующего – непрерывные (аналоговые), аналого-импульсные, цифровые и дискретные сигналы. Соответственно и модуляции разделяются на аналоговую, аналого-импульсную, цифровую и дискретную.

В аналого-импульсных видах модуляции сигналом-переносчиком является периодическая последовательность видеоимпульсов, которая характеризуется амплитудой, длительностью, частотой следования, фазой (временным положением) импульсов. В связи с этим различают амплитудно-импульсную (АИМ), широтно-импульсную (ШИМ), частотно-импульсную (ЧИМ) и фазо-импульсную (ФИМ) модуляции, при которых непрерывные (аналоговые) сигналы дискретизируются по времени, поэтому частоту следования импульсной поднесущей выбирают в соответствии с теоремой Котельникова.

Цифровые виды модуляции обеспечивают передачу аналоговых сообщений в цифровой форме. Системы цифровой передачи подразделяются на три основных класса: системы с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ); системы с дифференциальной ИКМ (ДИКМ); системы с дельта-модуляцией (ДМ).

При модуляции на гармоническом переносчике в качестве несущего колебания частот используют гармонические колебания вида:

u(t) = A(t) cos[ω (t)t + φ (t)].

где A(t) – амплитуда колебания;

t – длительность импульса;

φ (t) – фаза колебания.

В этом колебании переменной, как правило, может быть только одна величина – амплитуда A(t), частота ω (t) или фаза φ (t), две других величины (в простейших видах модуляции) должны оставаться неизменными. В зависимости от переменного параметра, выбранного для передачи информационного сигнала, различают:

1. Амплитудную модуляцию (АМ)

u(t) = A(t)cos(ω ₀t + φ ₀).

2. Частотную (ЧМ)

u(t) = A₀ cos[ω (t)t + φ ₀].

3. Фазовую (ФМ)

u(t) = A₀ cos[ω ₀t + φ (t)].

Следует отметить, что частотный и фазовый параметры гармонического колебания входят в состав более общего представления несущего колебания – u(t) = A₀ cos ψ (t) – в состав углового параметра гармонического сигнала, что привело к принятию более общего термина для ЧМ и ФМ – угловая модуляция.

Рассмотрим вид модуляции на гармоническом несущем колебании. АМ–амплитудная модуляция непрерывным (аналоговым) сигналом, представляющим передаваемую информацию (например, телефонный сигнал в полосе 0, 3÷ 3, 4 кГц).

примем φ ₀ = 0,

,

где А₀ – начальное (среднее) значение амплитуды несущего колебания cosω ₀t;

Δ А – возможное отклонение амплитуды несущего колебания.

Величина Δ А / А₀ = m – глубина модуляции: 0 ≤ m ≤ 1. Обычно m измеряют в пределах 0% ≤ m ≤ 100%.

Модулированное по амплитуде колебание:

В качестве простейшего полезного информационного сигнала примем низкочастотный гармонический сигнал x(t) = cosΩ ₀(t); Ω < < ω ₀.

Теперь амплитуда модулированного колебания будет изменяться по закону передаваемого информационного сигнала x(t). Временное изображение АМ сигнала представлено на рисунке 5.1, а и 5.1, б.

Рисунок 5.1, а – Низкочастотный гармонический сигнал

Рисунок 5.1, б – Изображение АМ сигнала

Глубину модуляции можно измерить по максимальному и минимальному отклонениям амплитуды:

%.

Преобразуем выражение для s(t) (3.1), раскрыв скобки:

S(t) = A₀[1 + m cos Ω t]cos ω ₀t = A₀ cos ω ₀t + A₀ m cos Ω t cos ω ₀t =

= A₀ cos ω ₀t + A₀ [cos(ω ₀ + Ω)t + cos (ω ₀ - Ω.)t] =

= A₀ cos ω ₀t + cos(ω ₀ + Ω)t + cos (ω ₀ - Ω)t.

Исследуя полученное выражение, замечаем, что оно состоит из трех гармонических составляющих и каждая на своей частоте ω ₀, ω ₀ + Ω, ω ₀ - Ω.

Построим графически полученное спектральное распределение составляющих (рис. 5.2).

Рисунок 5.2 – Спектральное распределение составляющих

В случае модуляции несущей негармоническим (тональным) сигналом, а более сложным сигналом x(t) в полосе частот (например, телефонный сигнал в полосе 0, 3÷ 3, 4 кГц) получается более сложный спектр, состоящий из несущей и двух боковых полос: НБП - нижней боковой полосы и ВБП - верхней боковой полосы (нанесены пунктиром на рисунке 5.2). На рисунке приведены временные графики произвольного телефонного сигнала (рис. 5.3, а) и его модулированный вид (рис. 5.3, б).

Рисунок 5.3, а - Временной график произвольного телефонного сигнала

Рисунок 5.3, б – Модулированный вид временного графика произвольного телефонного сигнала

Несущее колебание на частоте ω ₀ имеет амплитуды А₀, боковые составляющие равны А₀m/2 и при m = 1 (100%), составляют А₀/2. Несущее колебание имеет максимальную амплитуду, однако, не несет никакой полезной информации, поэтому в некоторых системах связи (априори, т.е. точно известном положении по оси частот сигнала несущей, что позволяет ее всегда восстановить на приемном конце) для экономии излучаемой энергии несущую можно не передавать - это системы с балансной модуляцией - БМ (несущая необходима только при детектировании в качестве опорного колебания, относительно которого отсчитывают частоты боковых составляющих, поэтому в БМ несущую восстанавливают в приемнике по небольшому пилот-сигналу или известному кварцевому значению несущей). Обе боковые полосы несут информацию о модулирующем информационном сигнале x(t), располагаясь зеркально по частоте относительно несущего колебания. Для экономии энергии излучения и снижения занимаемой полосы частот можно передавать только одну боковую полосу - такая модуляция называется амплитудной модуляцией с одной боковой полосой АМ с ОБП [13].

Амплитудная модуляция осуществляется в пределах схемы с нелинейными элементами (диоды, транзисторы с рабочей точкой на нелинейном участке характеристики), так как только с помощью нелинейного преобразования можно получить сигналы новых частот (или осуществить функцию перемножения двух сигналов, в результате чего также образуются сигналы новых частот). Демодуляция должна проводиться тоже только на нелинейном элементе для получения (выделения) низкочастотной (модулирующей) составляющей АМ сигнала. Фильтрация низкочастотной части спектра демодулированного сигнала фильтром низкой частоты выделяет информационный сигнал от высокочастотных компонент АМ сигнала.

Подобные преобразования возможны не только для непрерывных (аналоговых) сигналах, но и при импульсных последовательностях. Чаще всего встречается необходимость передачи бинарных сигналов, т.е. сигналов, имеющих два значения амплитуды (0 и 1) (например, цифровые сигналы или сигналы в системе АЛС – автоматической локомотивной сигнализации).

При дискретной модуляции модулирующим является дискретный (цифровой) сигнал, а модулируемым — обычно гармоническое коле­бание. При дискретном модулирующем сигнале модуляции часто на­зывают манипуляциями. Они бывают: амплитудной (АМ_Н), частотной (ЧМ_Н), фазовой (ФМ_Н) и относительной фазовой (ОФМ_Н).

Модуляция несущего колебания бинарными информационными сигналами называется манипуляцией АМн или, иногда, применительно к амплитудной манипуляции – АТ - амплитудной телеграфией (АМн, АТ).

При воздействии на несущую информационным сигналом в виде последовательности прямоугольных импульсов (бинарных сигналов) (рис. 5.4, а) образуется модулированная последовательность прямоугольных по огибающей радиоимпульсов, представленных на рисунке 5.4, б.

а)

б)

Рисунок 5.4 – Модулированная последовательность прямоугольных импульсов