Виды модуляции сигналов. Радиосвязь

Продолжаем серию общеобразовательных статей, под общим названием «Теория радиоволн».
В предыдущих статьях мы познакомились с радиоволнами и антеннами: Давайте ближе познакомимся с модуляцией радиосигнала.

В рамках этой статьи, будет рассмотрена аналоговая модуляция следующих видов:

• Амплитудная модуляция
• Амплитудная модуляция c одной боковой полосой
• Частотная модуляция
• Линейно-частотная модуляция
• Фазовая модуляция
• Дифференциально-фазовая модуляция

Амплитудная модуляция

Одним из основных параметров АМ, является коэфициент модуляции(M).
Коэффициент модуляции - это отношение разности между максимальным и минимальным значениями амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений(%).
Проще говоря, этот коэффициент показывает, насколько сильно значение амплитуда несущего колебания в данный момент отклоняется от среднего значения.
При коэффициенте модуляции больше 1, возникает эффект перемодуляции, в результате чего происходит искажение сигнала.

Спектр АМ

Данный спектр свойственен для модулирующего колебания постоянной частоты.

На графике, по оси Х представлена частота, по оси У - амплитуда.
Для АМ, кроме амплитуды основной частоты, находящейся в центре, представлены также значения амплитуд справа и слева от частоты несущей. Это так называемые левая и правая боковые полосы. Они отнесены от частоты несущей на расстояние равное частоте модуляции.
Расстояние от левой до правой боковой полосы называют ширина спектра .
В нормальном случае, при коэффициенте модуляции <=1, амплитуды боковых полос меньше или равны половине амплитуды несущей.
Полезная информация заключена только в верхней или нижней боковых полосах спектра. Основная спектральная составляющая - несущая, не несет полезной информации. Мощность передатчика при амплитудной модуляции в большей части расходуется на «обогрев воздуха», за счет не информативности самого основного элемента спектра.

Амплитудная модуляция с одной боковой полосой

В связи с неэффективностью классической амплитудной модуляции, была придумана амплитудная модуляция с одной боковой полосой.
Суть ее заключается в удалении из спектра несущей и одной из боковых полос, при этом вся необходимая информация передается по оставшейся боковой полосе.

Но в чистом виде в бытовом радиовещании этот вид не прижился, т.к. в приемнике нужно синтезировать несущую с очень высокой точностью. Используется в аппаратуре уплотнения и любительском радио.
В радиовещании чаще используют АМ с одной боковой полосой и частично подавленной несущей:

При такой модуляции соотношение качество/эффективность наилучшим образом достигается.

Частотная модуляция

Вид аналоговой модуляции, при которой, частота несущей изменяется по закону модулирующего низкочастотного сигнала. Амплитуда при этом остается постоянной.

а) - несущая частота, б) модулирующий сигнал, в) результат модуляции

Наибольшее отклонение частоты от среднего значения, называется девиацией .
В идеальном варианте, девиация должна быть прямо пропорционально амплитуде модулирующего колебания.

Спектр при частотной модуляции выглядит следующим образом:

Состоит из несущей и симметрично отстающей от нее вправо и влево гармоник боковых полос, на частоту кратную частоте модулирующего колебания.
Данный спектр представляет гармоническое колебание. В случае реальной модуляции, спектр имеет более сложные очертания.
Различают широкополосную и узкополосную ЧМ модуляцию.
В широкополосной - спектр частот, значительно превосходит частоту модулирующего сигнала. Применяется в ЧМ радиовещании.
В радиостанциях применяют в основном узкополосную ЧМ модуляцию, требующую более точной настройки приемника и соответственно более защищенную от помех.
Спектры широкополосной и узкополосной ЧМ представлены ниже

Спектр узкополосной ЧМ напоминает амплитудную модуляцию, но если учесть фазу боковых полос, то окажется, что эти волны имеют постоянную амплитуду и переменную частоту, а не постоянную частоту и переменную амплитуду (AM). При широкополосной ЧМ амплитуда несущей может быть очень малой, что обусловливает высокую эффективность ЧМ; это значит, что большая часть передаваемой энергии содержится в боковых частотах, несущих информацию.

Основные преимущества ЧМ, перед АМ - энергоэффективность и помехоустойчивость.

Как разновидность ЧМ, выделяют Линейно-частотную модуляцию.
Суть ее заключается в том, что частота несущего сигнала изменяется по линейному закону.

Практическая значимость линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов заключается в возможности существенного сжатия сигнала при приеме с увеличением его амплитуды над уровнем помех.
ЛЧМ находят применение в радиолокации.

Фазовая модуляция

Из спектра можно видеть, почти полное отсутствие несущей, что указывают на высокую энергоэффективность.
Недостаток данной модуляции в том, что ошибка в одном символе, может привести к некорректному приему всех последующих.

Дифференциально-фазовая манипуляция

Преимущество этого вида модуляции в том, что в случае возникновения случайной ошибки в одном символе, это не влечет дальнейшую цепочку ошибок.

Стоит отметить, что существуют также фазовые манипуляции такие как квадратурная, где используется изменение фазы в пределах 90 градусов и ФМ более высоких порядков, но их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.

PS: хочу еще раз отметить, что цель статей не заменить учебник, а рассказать «на пальцах» об основах радио.
Рассмотрены лишь основные виды модуляций для создания у читателя представления о теме.

Продолжаем серию общеобразовательных статей, под общим названием «Теория радиоволн».
В предыдущих статьях мы познакомились с радиоволнами и антеннами:

Давайте ближе познакомимся с модуляцией радиосигнала.

В рамках этой статьи, будет рассмотрена аналоговая модуляция следующих видов:

• Амплитудная модуляция
• Амплитудная модуляция c одной боковой полосой
• Частотная модуляция
• Линейно-частотная модуляция
• Фазовая модуляция
• Дифференциально-фазовая модуляция

Амплитудная модуляция

Одним из основных параметров АМ, является коэфициент модуляции(M).
Коэффициент модуляции - это отношение разности между максимальным и минимальным значениями амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений(%).
Проще говоря, этот коэффициент показывает, насколько сильно значение амплитуда несущего колебания в данный момент отклоняется от среднего значения.
При коэффициенте модуляции больше 1, возникает эффект перемодуляции, в результате чего происходит искажение сигнала.

Спектр АМ

Данный спектр свойственен для модулирующего колебания постоянной частоты.

На графике, по оси Х представлена частота, по оси У - амплитуда.
Для АМ, кроме амплитуды основной частоты, находящейся в центре, представлены также значения амплитуд справа и слева от частоты несущей. Это так называемые левая и правая боковые полосы. Они отнесены от частоты несущей на расстояние равное частоте модуляции.
Расстояние от левой до правой боковой полосы называют ширина спектра .
В нормальном случае, при коэффициенте модуляции <=1, амплитуды боковых полос меньше или равны половине амплитуды несущей.
Полезная информация заключена только в верхней или нижней боковых полосах спектра. Основная спектральная составляющая - несущая, не несет полезной информации. Мощность передатчика при амплитудной модуляции в большей части расходуется на «обогрев воздуха», за счет не информативности самого основного элемента спектра.

Амплитудная модуляция с одной боковой полосой

В связи с неэффективностью классической амплитудной модуляции, была придумана амплитудная модуляция с одной боковой полосой.
Суть ее заключается в удалении из спектра несущей и одной из боковых полос, при этом вся необходимая информация передается по оставшейся боковой полосе.

Но в чистом виде в бытовом радиовещании этот вид не прижился, т.к. в приемнике нужно синтезировать несущую с очень высокой точностью. Используется в аппаратуре уплотнения и любительском радио.
В радиовещании чаще используют АМ с одной боковой полосой и частично подавленной несущей:

При такой модуляции соотношение качество/эффективность наилучшим образом достигается.

Частотная модуляция

Вид аналоговой модуляции, при которой, частота несущей изменяется по закону модулирующего низкочастотного сигнала. Амплитуда при этом остается постоянной.

а) - несущая частота, б) модулирующий сигнал, в) результат модуляции

Наибольшее отклонение частоты от среднего значения, называется девиацией .
В идеальном варианте, девиация должна быть прямо пропорционально амплитуде модулирующего колебания.

Спектр при частотной модуляции выглядит следующим образом:

Состоит из несущей и симметрично отстающей от нее вправо и влево гармоник боковых полос, на частоту кратную частоте модулирующего колебания.
Данный спектр представляет гармоническое колебание. В случае реальной модуляции, спектр имеет более сложные очертания.
Различают широкополосную и узкополосную ЧМ модуляцию.
В широкополосной - спектр частот, значительно превосходит частоту модулирующего сигнала. Применяется в ЧМ радиовещании.
В радиостанциях применяют в основном узкополосную ЧМ модуляцию, требующую более точной настройки приемника и соответственно более защищенную от помех.
Спектры широкополосной и узкополосной ЧМ представлены ниже

Спектр узкополосной ЧМ напоминает амплитудную модуляцию, но если учесть фазу боковых полос, то окажется, что эти волны имеют постоянную амплитуду и переменную частоту, а не постоянную частоту и переменную амплитуду (AM). При широкополосной ЧМ амплитуда несущей может быть очень малой, что обусловливает высокую эффективность ЧМ; это значит, что большая часть передаваемой энергии содержится в боковых частотах, несущих информацию.

Основные преимущества ЧМ, перед АМ - энергоэффективность и помехоустойчивость.

Как разновидность ЧМ, выделяют Линейно-частотную модуляцию.
Суть ее заключается в том, что частота несущего сигнала изменяется по линейному закону.

Практическая значимость линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов заключается в возможности существенного сжатия сигнала при приеме с увеличением его амплитуды над уровнем помех.
ЛЧМ находят применение в радиолокации.

Фазовая модуляция

Из спектра можно видеть, почти полное отсутствие несущей, что указывают на высокую энергоэффективность.
Недостаток данной модуляции в том, что ошибка в одном символе, может привести к некорректному приему всех последующих.

Дифференциально-фазовая манипуляция

Преимущество этого вида модуляции в том, что в случае возникновения случайной ошибки в одном символе, это не влечет дальнейшую цепочку ошибок.

Стоит отметить, что существуют также фазовые манипуляции такие как квадратурная, где используется изменение фазы в пределах 90 градусов и ФМ более высоких порядков, но их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.

PS: хочу еще раз отметить, что цель статей не заменить учебник, а рассказать «на пальцах» об основах радио.
Рассмотрены лишь основные виды модуляций для создания у читателя представления о теме.

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.

Сталкиваясь в повседневной жизни с новыми понятиями, многие стараются найти ответы на свои вопросы. Именно для этого необходимо описывать любые явления. Одним из них является такое понятие, как модуляция. О нем и пойдет речь далее.

Общее описание

Модуляция - это процесс изменения одного или целого набора параметров высокочастотного колебания в соответствии с законом информационного низкочастотного сообщения. Результатом этого является перенос спектра управляющего сигнала в область высоких частот, так как эффективное вещание в пространство требует, чтобы все приемо-передающие устройства функционировали на разных частотах, не перебивая друг друга. Благодаря этому процессу информационные колебания помещаются на несущую, априорно известную. В управляющем сигнале содержится передаваемая информация. Высокочастотное колебание берет на себя роль переносчика информации, за счет чего приобретает статус несущего. В управляющем сигнале заложены передаваемые данные. Существуют разные типы модуляции, которые зависят от того, какой формы колебания используют: прямоугольные, треугольные или какие-то иные. При дискретном сигнале принято говорить о манипуляции. Итак, модуляция - это процесс, предполагающий колебания, поэтому она может быть частотной, амплитудной, фазовой и др.

Разновидности

Теперь можно рассмотреть, какие виды этого явления существуют. По сути, модуляция - это процесс, при котором низкочастотная волна переносится высокочастотной. Чаще всего используются следующие виды: частотная, амплитудная и фазовая. При происходит изменение частоты, при амплитудной - амплитуды, а при фазовой - фазы. Существуют и смешанные виды. Импульсная модуляция и модификация относятся к отдельным видам. В этом случае параметры высокочастотного колебания изменяются дискретно.

Амплитудная модуляция

В системах с таким видом изменения происходит изменение амплитуды несущей волны с высокой частотой при помощи модулирующей волны. При на выходе выявляются не только входные частоты, но и их сумма и разность. В этом случае, если модуляция - это комплексная волна, как, к примеру, речевые сигналы, состоящие из множества частот, то для суммы и разности частот потребуется две полосы, одна ниже несущей, а вторая выше. Их называют боковыми: верхней и нижней. Первая - это копия первоначального сдвинутого на определенную частоту. Нижняя полоса - это копия изначального сигнала, прошедшая инвертирование, то есть оригинальные верхние частоты - это нижние частоты в нижней боковой.

Нижняя боковая представляет собой зеркальное отображение верхней боковой относительно частоты несущей. Система, использующая амплитудную модуляцию, передающая несущую и обе боковые, называется двухполосной. Несущая не содержит полезной информации, поэтому ее можно убрать, но в любом случае полоса сигнала будет в два раза больше изначальной. Сужение полосы достигается за счет вытеснения не только несущей, но и одной из боковых, так как в них содержится одна информация. Этот вид известен в качестве однополосной модуляции с подавленной несущей.

Демодуляция

Для этого процесса требуется смешать модулированный сигнал с несущей той же частоты, что испускается модулятором. После этого получается изначальный сигнал в виде отдельной частоты или полосы частот, а потом отфильтровывают от других сигналов. Иногда генерирование несущей для демодуляции происходит на месте, при этом она не всегда совпадает с частотой несущей на самом модуляторе. Из-за небольшой разницы между частотами появляются несовпадения, что характерно для телефонных цепей.

В данном случае используется цифровой модулирующий сигнал, то есть это позволяет кодировать более одного бита на бод посредством кодирования бинарного сигнала данных в сигнал с несколькими уровнями. Биты бинарных сигналов иногда разбивают на пары. Для пары бит можно использовать четыре варианта комбинации, при этом каждая пара бывает представлена одним из четырех уровней амплитуды. Такой закодированный сигнал характеризуется тем, что скорость модуляции в бодах наполовину меньше изначального сигнала данных, поэтому его можно использовать для амплитудной модуляции обычным образом. Свое применение она нашла в радиосвязи.

Частотная модуляция

Системы с такой модуляцией предполагают, что частота несущей будет меняться соответственно с формой модулирующего сигнала. Этот вид превосходит амплитудную в плане устойчивости к определенным воздействиям, имеющимся на телефонной сети, поэтому его стоит использовать на низких скоростях, где нет необходимости в привлечении большой полосы частот.

Фазо-амплитудная модуляция

Чтобы увеличить число бит на бод, можно скомбинировать фазовую и амплитудную модуляции.

В качестве одного из современных методов амплитудно-фазовой модуляции можно назвать тот, который базируется на передаче нескольких несущих. К примеру, в каком-то приложении используется 48 несущих, разделенных полосой в 45 Гц. Посредством комбинирования амплитудной и фазовой модуляции для каждой несущей выделяется до 32 дискретных состояний на каждый отдельный период бода, благодаря чему можно переносить по 5 бит на бод. Получается, что вся эта совокупность позволяет переносить 240 бит на бод. При работе со скоростью 9600 бит/с скорость модуляции требует лишь 40 бод. Такой низкий показатель довольно терпим к амплитудным и фазовым скачкам, присущим телефонной сети.

Импульсно-кодовая модуляция

Этот вид обычно рассматривается в качестве системы для трансляции к примеру, голос в цифровом виде. Эта техника модуляции не используется в модемах. Тут происходит стробирование аналогового сигнала со скоростью, вдвое превышающей наивысшую частоту компонента сигнала в аналоговой форме. При использовании таких систем на телефонных сетях стробирование происходит 8000 раз в секунду. Каждый отсчет - это уровень напряжения, закодированный семибитным кодом. Чтобы наилучшим образом представить используется кодирование по логарифмическому закону. Семь бит совместно с восьмым, говорящим о наличии сигнала, формируют октет.

Для восстановления сигнала сообщения требуется модуляция и детектирование, то есть обратный процесс. При этом сигнал преобразуется нелинейным способом. Нелинейные элементы обогащают спектр выходного сигнала новыми компонентами спектра, а для выделения низкочастотных компонентов используются фильтры. Модуляция и детектирование могут осуществляться с применением вакуумных диодов, транзисторов, полупроводниковых диодов в качестве нелинейных элементов. Традиционно используются точечные полупроводниковые диоды, так как у плоскостных входная емкость заметно больше.

Современные виды

Цифровая модуляция обеспечивает намного большую информационную емкость и обеспечивает совместимость с разнообразными службами цифровых данных. Помимо этого с ее помощью повышается защищенность информации, улучшается качество систем связи, и ускоряется доступ к ним.

Существует ряд ограничений, с которыми сталкиваются разработчики любых систем: допустимая мощность и ширина частотной полосы, заданный шумовой уровень систем связи. С каждым днем увеличивается численность пользователей систем связи, а также растет спрос на них, что требует увеличения радиоресурса. Цифровая модуляция заметно отличается от аналоговой тем, что несущая в ней передает большие объемы информации.

Сложности использования

Перед разработчиками систем цифровой радиосвязи стоит такая основная задача - найти компромисс между шириной полосы трансляции данных и сложностью системы в техническом плане. Для этого уместно использовать разные методы модуляции, чтобы получить необходимый результат. Радиосвязь можно организовать и при использовании простейших схем передатчика и приемника, но для такой связи будет использоваться спектр частот, пропорциональный численности пользователей. Для более сложных приемников и передатчиков требуется меньшая полоса частот для трансляции информации в том же объеме. Для перехода к спектрально-эффективным методам передачи необходимо усложнить оборудование соответствующим образом. Эта проблема не зависит от вида связи.

Альтернативные варианты

Широтно-импульсная модуляция характеризуется тем, что ее несущий сигнал представляет собой последовательность импульсов, при этом частота импульсов постоянная. Изменения касаются только длительности каждого импульса соответственно модулирующему сигналу.

Широтно-импульсная модуляция отличается от частотно-фазовой. Последняя предполагает модуляцию сигнала в виде синусоиды. Он характеризуется постоянной амплитудой и изменяемой частотой или фазой. Импульсные сигналы тоже можно промодулировать по частоте. Может быть длительность импульсов фиксированная, а их частота находится в каком-то а вот их мгновенное значение будет меняться в зависимости от модулирующих сигналов.

Выводы

Можно использовать простые виды модуляции, при этом только один параметр будет изменяться соответственно с модулирующей информацией. Комбинированная схема модуляции, которая применяется в современном оборудовании для работы связи, - это когда происходит одновременное изменение и амплитуды, и фазы несущей. В современных системах может использоваться несколько поднесущих, для каждой из которых используется модуляция определенного вида. В этом случае речь идет о схемах модуляции сигналов. Используется этот термин и для сложных многоуровневых видов, когда для исчерпывающей информации требуется дополнительное

В современных системах связи используются наиболее эффективные типы модуляции, благодаря чему обеспечивается минимизация ширины полосы с целью освобождения частотного пространства для других видов сигналов. Качество связи от этого только выигрывает, однако сложность оборудования в данном случае оказывается очень высока. В конечном итоге частота модуляции дает результат, видимый конечному пользователю только в плане удобства использования технических средств.

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.

Контрольные вопросы

1. Какова структура устройства передачи сообщений?

2. В чем состоит принцип амплитудной (частотной, фазовой) модуляции?

3. Чем отличается непрерывная модуляция от импульсной?

4. Как осуществляется восстановление исходного сигнала из модулированного?

Список литературы

1. Системы электросвязи: Учебник для вузов; Под ред. В.П.Шувалова. – М.: Радио и связь, 1987. – 512 с.

2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2000. – 462 с.