Модуляция сигналов

2.1. Модуляция сигналов

Передача сообщений по каналу связи осуществляется с помощью некоторых физических процессов, которые называются переносчиками. В качестве переносчиков обычно используются гармонические колебания или импульсные последовательности. Нанесение информации на переносчик осуществляется путем модуляции — изменения его некоторых параметров в соответствии с передаваемым сообщением. Немодулированный переносчик информации не несет. Передаваемое сообщение может воздействовать на любой параметр переносчика. При данном виде переносчика число возможных видов модуляции определяется числом его параметров.

Модуляцией называется процесс принудительного управления одним или несколькими параметрами высокочастотного колебания (переносчика) в соответствии с законом изменения низкочастотного сигнала (сообщения).

В некоторых случаях параметры переносчика изменяются под действием модулирующей дискретной последовательности и принимают дискретные значения. Такой процесс называют манипуляцией в отличие от модуляции, при которой параметры переносчика изменяются непрерывно.

Если в качестве переносчика выбрано синусоидальное высокочастотное колебание, то реализуется аналоговая модуляция.

Если в качестве переносчика используется периодическая последовательность импульсов, основными параметрами которой являются амплитуда импульсов, длительность импульсов, их временное положение и частота следования, то можно получить следующие виды модуляции: амплитудно-импульсную (АИМ), широтно-импульсную (ШИМ), фазо-импульсную (ФИМ) и частотно-импульсную (ЧИМ). Следует иметь в виду, что импульсные способы модуляции не используются для передачи информации на большие расстояния. Поэтому когда говорят о системах с импульсной модуляцией, то имеется в виду двойная модуляция, т. е. модуляция импульсной последовательности исходным сообщением, а затем модуляция высокочастотного гармонического колебания импульсной последовательностью.

Обратные операции по восстановлению величин, вызвавших изменение параметров переносчика при модуляции, называются демодуляцией.

Как модуляция, так и демодуляция являются нелинейными преобразованиями и осуществляются с помощью нелинейных устройств.

Виды аналоговой модуляции

Рекомендуемые материалы

Если в качестве переносчика выбрано синусоидальное высокочастотное колебание

                   (1)

то, воздействуя на его параметры — амплитуду, фазу и частоту, можно получить соответственно амплитудную, фазовую и частотную модуляцию.

При амплитудной модуляции (АМ) амплитуда сигнала-переносчика изменяется согласно выражению:

где x(t) – передаваемый сигнал-сообщение.

При фазовой модуляции (ФМ) фаза сигнала-переносчика изменяется согласно выражению:

При частотной модуляции (ЧМ) частота сигнала-переносчика изменяется согласно выражению:

При амплитудной модуляции (АМ) модулированный сигнал описывается выражением

                       (2)

где S_m(t) — амплитуда модулированного сигнала.

Предположим, что модулирующий сигнал (сообщение) представляет собой гармоническую функцию:

X(t) = X_msin(Wt),                      (3)

где W — частота модулирующего сигнала. Тогда амплитуда модулированного сигнала Sт (t) будет изменяться по закону:

S_m(t) = A₀ + DA×X_m×sin(Wt).

Процесс амплитудной модуляции сигнала иллюстрируется рис. 2.8, на котором сигналы f(t), S(t), X(t) соответственно представлены выражениями (1), (2), (3).

Рис. 2.8. Сигналы: а — модулирующий (сигнал сообщения); б—высокочастотный сигнал (переносчик); в—амплитудно-модулированный сигнал.

При амплитудной модуляции происходит перенос спектра сообщения на частоту W. Частоты (w₀ + W) и (w₀ – W) называются соответственно верхней и нижней боковыми частотами. Ширина полосы частот, занимаемая АМ-колебанием, равна 2W, т. е. ширина спектра АМ-сигнала в два раза шире спектра сообщения.

Спектр АМ-колебания при тональной модуляции представлен на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Спектр АМ-сигнала (при модуляции одним тоном)

При частотной модуляции (ЧМ) по закону модулирующего сигнала X(t) изменяется мгновенное значение частоты w(t) высокочастотного колебания f(t).

где k_ЧМ – коэффициент пропорциональности.

Процессы при частотной модуляции иллюстрируются рис. 2.10, на котором функции X(t), w(t), S_ЧМ(t) определяют законы изменения модулирующего сигнала, частоты несущего сигала и частотно-модулированного колебания соответственно.

Рис 2.10. ЧМ-колебание

При фазовой модуляции (ФМ) фаза высокочастотного (модулированного) сигнала будет изменяться по закону модулирующего сигнала (сообщения).

Виды импульсной модуляции

Переносчиком информации может служить импульсная последовательность, которая характеризуется амплитудой импульсов А_И, их длительностью t_И, периодом повторения Т и временным положением импульсов на интервале Т.

В процессе передачи изменяется один из параметров импульсной несущей. Если амплитуда импульсов изменяется в соответствии с передаваемым сообщением, а другие параметры несущей остаются неизменными, говорят об амплитудно-импульсной модуляции (АИМ).

Различают два вида амплитудно-импульсной модуляции: АИМ-1 (первого рода) и АИМ-2 (второго рода). При АИМ-1 амплитуда импульсов изменяется в течение длительности импульса в соответствии с изменением модулирующего сигнала (рис. 2.11, в), тогда как при АИМ-2 амплитуда импульсов определяется значениями передаваемого сообщения в характерные моменты времени и сохраняется постоянной в течение длительности импульса (рис. 2.11, г).

Рис. 2.11. Диаграммы сигналов при модуляции импульсной последовательности (а) сообщением (б).

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) характеризуется тем, что при постоянной амплитуде и периоде следования импульсов их длительность t_К; изменяется в соответствии с законом изменения модулирующего сообщения. Изменение длительности импульсов сопровождается изменением временного положения одного или обоих фронтов, в связи с чем различают одностороннюю (ОШИМ) и двустороннюю модуляцию (ДШИМ).

Форма сигналов при ОШИМ и ДШИМ показана на рис. 2.11, д, е.

Информация в лекции "3. Стандартизация и унификация документов" поможет Вам.

 При временной импульсной модуляции (ВИМ) изменяется временное положение импульсов на интервале Т относительно некоторых характерных (тактовых) точек, взятых на этом интервале(рис. 2.11, ж). Обычно эти точки соответствуют моментам времени кТ. Различают два вида ВИМ — фазовую импульсную модуляцию (ФИМ) и частотную импульсную модуляцию (ЧИМ).

При ФИМ моменты возникновения импульсов определяются выражением

T_k=kT + Dt_max×X(t),

где Dt_max  — максимальное смещение импульса. Временное положение импульсов относительно тактовых точек изменяется пропорционально амплитуде модулирующего сообщения.

ЧИМ характеризуется другим законом изменения временного положения импульсов. При ЧИМ изменяется частота импульсной последовательности в соответствии с законом изменения модулирующего сообщения, вследствие чего импульсы также сдвигаются относительно тактовых точек

К импульсным видам модуляции относят также кодово-импульсную модуляцию, при которой каждое отсчетное значение сообщения передается кодовой комбинацией, состоящей из нескольких импульсов. В общем случае для передачи некоторого объема информации методом КИМ требуется большее время или большая полоса частот, чем, например, при АИМ или ШИМ. Однако этот недостаток КИМ перекрывается ее высокой помехоустойчивостью. Для приема сигнала КИМ (при использовании двоичных кодов) необходимо лишь установить факт присутствия или отсутствия импульса независимо от его амплитуды и формы. Помехи, приводящие к изменению амплитуды и длительности импульсов, в значительно большей степени влияют на прием сигналов АИМ, ШИМ, ВИМ, чем на прием сигналов КИМ.