Способы модуляции

Для согласования спектра цифровых сигналов с полосой пропускания каналов применяются разнообразные виды модуляции. Различают следующие виды модуляции: аналоговая модуляция, аналого-цифровая и цифро-аналоговая.

Модуляцией называется процесс преобразования информационного модулирующего сигнала в форму, пригодного для передачи по соответствующему каналу с изменением параметров другого несущего сигнал. Параметрами несущего сигнала являются его амплитуда, частота, фаза.

Аналоговая модуляция используется для преобразования одного аналогового информационного сигнала в другой аналоговый несущий сигнал. Какой из параметров изменяется, получают следующие виды аналоговой модуляции.

Амплитудная модуляция АМ (amplitude modulation) – информационный сигнал кодируется в виде изменения амплитуды несущего сигнал. Этот тип модуляции используется в системе радиовещания.

Частотная модуляция FM (frequency modulation) – информационный сигнал кодируется в виде частоты несущего сигнала. Этот тип модуляции используется в системах телевещания и спутниковых системах связи.

Фазовая модуляция PM (phase modulation) – информационный сигнал кодирует в виде изменения фазы (временного сдвига) несущего сигнал. Этот тип модуляции применяется в тех же системах, что и FM. Если изменяется несколько параметров, можно получить соответственно амплитудно - фазовой или частотно - фазовой модуляцией.

Цифро - аналоговая модуляция используется для преобразования цифровых сигналов в аналоговую форму (например, в модемах).

Для цифровых сигналов модулирующая функция принимает дискретные значения (0,1) или (1, -1), что приводит к скачкообразным изменениям параметров несущего сигнала. Такая модуляция называется манипуляцией.

Различают следующие виды цифро-аналоговой модуляции:

Цифро-аналоговая модуляция со сдвигом амплитуд ASK (Amplitude Shift Keying) – информационный сигнал кодирует изменения амплитуды несущего сигнала.

Кодирование со сдвигом частот FSK (Frequency Shift Keying) – информационный сигнал кодирует изменение частоты (временного сдвига) несущего сигнал. В зависимости от количества используемых интервалов сдвига этот метод позволяет представить одним модулированным сигналом несколько информационных бит.

Кодирование со сдвигом фазы PSK (Phase Shift Keying) – информационный сигнал кодируется изменением фазы (сдвига) несущего сигнала. Различают абсолютную и относительную фазовую модуляцию.

При абсолютной двухпозиционной фазовой модуляции BPSK (Binary Phase Shift Keying), фаза модулированного колебания при входном сигнале двоичного «0» совпадает со значением фазы опорного (несущего) сигнала, при сигнале двоичной «1» - изменяется на противоположную.

В случае дифференциально-фазовой модуляции (DPSK) фаза текущего колебания изменяется не по отношению к опорному колебанию, а то отношение к фазе предыдущей посылки.

Для увеличения скорости информационного потока широко применяется многопозиционная фазовая модуляция с 4, 8 и 16 значениями сдвига фаз. При 4-позиционной модуляции последовательность бит объединяются по два разряда (в дибиты) используют разности фаз соседних посылок 0º, 90º, 180º, 270º .

При 8-позиционной модуляции поток делят по 3 бита (трибиты), а при 16-позиционной по четыре бита (квадрабиты). Фазовые углы между векторами в первом случае отличаются уже на 45º, во втором – на 22,5º.

Фазовые диаграммы частот называют сигнальным созвездием. Для получения модулированных колебаний с числом сдвига фаз сигнала больше двух используются два сигнала сдвинутых на 90 0 , т.е. находящиеся в квадратуре. В этом случае говорят о квадратурной фазовой модуляции QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).

Информационная скорость при многопозиционной передаче увеличивается в log m раз, т. е. если m = 4 (четырехпозиционная манипуляция) скорость передачи в 2 раза выше, при m =16 (16-позиционная манипуляция) скорость увеличивается в четыре раза.

Квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – информационный сигнал кодирует изменение амплитуды и фазы несущего сигнала.

Одновременно используется два гармонические колебания, сдвинутые по фазе на 90 0 .

В передатчике одна из составляющих синфазна несущей частоты, вторая находится в квадратуре по отношении к колебанию. Иными словами есть косинусная и синусная (квадратурная) несущие. При такой модуляции состояния несущего сигнала можно описать различными амплитудами и фазами.

На рис.1.13 показана четырехуровневая модуляция несущей.

Рисунок 1.13

На плоскости процесс кодирования можно представить, отложив в декартовой системе по оси ординат амплитуды синфазного колебания, а по оси абсцисс - амплитуды квадратурной составляющей. В результате получится, что каждому варианту моделирующих амплитуд, соответствует определенная точка на сигнальной плоскости. Если теперь цифровой информационный поток разбить на блоки фиксированной длины и присвоить каждому значению битовой последовательности определенную амплитуду этих составляющих с учетом знака, получим однозначное соответствие между сигнальными точками на плоскости и входной битовой последовательностью. Графически это изображается в виде так называемого сигнального созвездия. Соответствие между группами бит и точками созвездия выбирается таким образом, что бы соседние точки отличались минимальным количеством бит, причем именно старшими разрядами. Метод кодирования QAM8 характеризует восьмью возможными битовыми комбинациями.

На рис.1.14 показано зеркальное созвездие, а таблица 1.9 определяет состояния при таком кодировании.

Рисунок 1.14

Таблица 1.9

На рис.1.15 показано зеркальное созвездие при кодировании QAM – 16

Решетчатая модуляции TCM (Trellis Coded Modulation) – аналогична QAM, однако в передаваемый сигнал включается дополнительный бит для коррекции ошибок.

Рисунок 1.15

Амплитудно-фазовая модуляция с подавлением несущей и передачей одной боковой полосы CAP (Carrier less Amplitude and Phase Modulation)основана на том, что передача двух боковых полос модулированного сигнала в информационном смысле является избыточной. Осуществляя передачу информации с использованием одной боковой полосы, можно более эффективно использовать мощность сигнала и полосу канала связи. При формировании САР-сигналов на передающей стороне перед суммированием в модуляторе синфазная и квадратурная составляющая подвергается дополнительной фильтрации. Демодулирование САР-сигналов на приемной стороне осуществляется, выполняя предварительное восстановление несущей. Это адаптивная форма кода QAM. Этот метод позволяет корректировать значения символов, учитывая состояние линии (например, шум) в начале соединения.

Способ многочастотной передачи DMT (Discrete multi-tone modulation) использует одновременную передачу QAM-сигналов в различных частотных полосах. Весь частотный диапазон делится на несколько участков фиксированной ширины. Каждый из этих участков используется для организации независимого канала передачи данных. Передатчик, учитывая уровень помех в каждом из участков, выбирает схему модуляции. Если участок имеет малый уровень шумов, применяется алгоритм с большим числом позиций, например, QAM-64. На более зашумленных участках применяются более простые алгоритмы, например, QPSK. При передаче данных информация распределяется между каналами пропорционально их пропускной способности.

Метод DMT оговорен в стандарте Т1.413, разработанном Американским Национальным институтом стандартизации ANSI (American National Standards Institute), в соответствии с чем в канале заданы 256 подканалов, полоса пропускания каждого подканала равна 4,3125 кГц. Каждый подканал независимо модулируется с помощью метода дискретной мо­дуляции QAM. Сигнал передается с помощью постоянного тока при ширине полосы пропускания 1,104 МГц; теоретическая пропускная способность для данных с полосой пропускания 1,104 МГц равна 16,384 Мбит/с. Метод DMT был принят комитетом ANSI как стандарт кодирования для линий связи T1 и используется в системах передачи сигналов по каналам ADSL.

Мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – частный случай способа передачи DMT. Суть способа OFDM заключается в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно по всем этим подканалам. Высокая скорость передачи достигается за счет такой одновременной передачи. Для экономии использования всей полосы канала, разделенного на подканалы, желательно как можно более плотно расположить подканалы. В сетях диапазон частот 5,2 ГГц разбит на 12 неперекрывающихся каналов с шириной полосы 20 МГц. Каждый из каналов разбит на 64 подканала с полосой 912,5 кГц. Для передачи данных используются 48 подканалов. Четыре служат для передачи опорных колебаний, а по 6 подканалов справа и слева выполняют функции защитных полос. В любом из каналов можно выполнить передачу со скоростью 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 или 54 Мбит/с. Это определяется выбранным способом фазовой или амплитудно-фазовой модуляции при BPSK – 6 Мбит/с, при QPSK – 12 Мбит/с, при QAM – 16 – 24 Мбит/с, при QA_-64 – 54Мбит/с.

Аналогово-цифровая модуляция используется для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму, пригодную для передачи по цифровых каналах связи (DS – цифровой сервис).

Различают следующие виды такой модуляции:

1. Дельта – модуляция DM (delta modulation) – аналоговый сигнал представляется последовательностью битов, значения которых определяются изменением уровня аналогового сигнала по сравнению с предыдущим значением.

6. Виды модуляции. Введение в специальность

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.

Виды аналоговой модуляции

где A 0 ,ω 0 = 2πf 0 , - амплитуда, угловая частота и начальная фаза несущей соответственно; k = A m /A 0 - коэффициент пропорциональности между модулирующим сигналом и вариациями амплитуды АМ колеба­ния или коэффициент модуляции; А т Ω = 2πF φ- амплитуда, угловая частота и начальная фаза модулирующего колебания; t - время.

На рис. 5.2 приведен график АМ колебания в зависимости от вре­мени, на котором видно, что огибающая имеет форму гармонического модулирующего колебания.

Выражение (5.1) может быть преобразовано к виду (для простоты начальные фазы опущены)

Данная форма записи показывает, что в спектре модулированного ко­лебания кроме несущей, содержатся две боковые составляющие с ам­плитудой, пропорциональной коэффициенту модуляции и с частотами выше и ниже несущей на частоту модуляции Ω = 2πF (рис. 5.3). Ши­рина спектра такого АМ сигнала

Если низкочастотное модулирующее колебание является сложным, то спектр модулированного колебание будет содержать, кроме несущей, две боковые полосы - верхнюю и нижнюю. Они представляют собой перенесенный в область несущих частот спектр модулирующего сигнала без изменения и с инверсией соответственно. Для определения полной ширины спектра АМ колебания в этом случае в (5.3) подставляют максимальную частоту спектра модулирующего колебания.

Очень наглядна векторная диаграмма модулированного сигнала (рис. 5.4). Несущее гармоническое колебание отображается вектором

Рис. 5.2 График АМ колебания Рис.5.3 Спектр АМ колебания

, вращающимся против часовой стрелки с постоянной скоростью ω 0 радиан в секунду. Боковые составляющие, в свою оче­редь, представляются векторами /2 и /2, симметричными относительно первого векторе и закрепленными на его конце. Они

вращаются против и по часовой стрелке с угловой скоростью модуляции Ω, перемещаясь вместе с вектором несущей. Результирующий вектор модулированного колебания меняет свою длину в зависимости от положения двух симметричных векторов, ча­стота его вращения остается постоянной.

Мощность АМ колебания зависит от глубины модуляции. Мощность несущей частоты неизменна и пропорциональна . Мощность каждой боковой составляющей пропорциональна квадрату её амплитуды, то есть величине .

При наиболее глубокой модуляции (k=1) мощность АМ колеба­ния (равная сумме мощностей всех трех составляющих) лишь в полтора раза превосходит мощность немодулированного колебания. На прак­тике среднее значение коэффициента амплитудной модуляции не превышает 0.5, чтобы уменьшить вероятность перемодуляции при пиковых значениях модулирующей функции.

С целью увеличении эффективности и использования передатчика и экономии полосы частот, занимаемой модулированным сигналом, передаваться может не весь спектр, а одна боковая полоса АМ колебания. При этом несущая и другая боковая подавляются. Такая модуляция называется АМ с одной боковой полосой (ОБП). Следует отметить, что в строгом смысле это уже будет колебание со сложной амплитудно-фазовой модуляцией.

Различают следующие разновидности амплитудной модуляции:

Двухполосная АМ (Double Sideband - DSB);

Двухполосная АМ с подавленной несущей (Double Sideband Supрrеssed Саrrier -DSBSC);

Однополосная АМ (Single Sideband);

Однополосная AM с подавленной несущей (Single Sideband Suppressed Carrier - SSBSC) в вариантах нижней и верхней боковой полосы (Lower Sideband – LSB и Upper Sideband - USB);

АМ с частично подавленной одной из боковых полос (Vestigal Sideband - VSB);

АМ с двумя независимыми боковыми полосами (Independend Single Sideband - ISSB).

Еще одним способом увеличения эффективности АМ является применение динамической АМ (ДАМ), при которой мощность несущей ре­гулируется в зависимости от амплитуды модулирующего колебания.

Амплитудная модуляция и ее разновидности нашли применение в основном в радио- и телевещании. В диапазонах ДВ и СВ применяется двухполосная АМ, в диапазоне КВ и УКВ - однополосная АМ. В диапа­зоне УКВ в системах ТВ для передачи сигнала изображения (яркостной составляющей) используется АМ с частично подавленной одной боко­вой полосой, а для передачи цветоразностных сигналов в системах РАL_ и NTSC используется разновидность балансной модуляции, так называемая квадратурная АМ. Принцип АМ ОБП используется для формирования групп каналов в многоканальных системах связи с частотным уплотнением. Кроме того, данный вид модуляции используется в си­стемах мобильной связи и для связи с самолетами (118...136 МГц).

Частотная модуляция (ЧМ) является частный случаем угловой мо­дуляции При ЧМ изменяемым параметром является частота несущей, т.е. в каждый момент времени ее отклонение от своего номинального значения пропорционально уровню модулирующего сигнала. В случае гармонического модулирующего колебания мгновенная частота

где - амплитуда отклонения несущей частоты от номи­нала или девиациz частоты.

Полная мгновенная фаза связана с его мгновенной частотой че­рез интеграл

Величина

называется индексом частотной модуляции. Для сложного модулирующего сигнала в (5.6) подставляется максимальная частота его спектра. Аналитическое выражение для ЧМ сигнала U(t) записывается сле­дующим образом:

Рис. 5.5 График ЧМ колебания Рис. 5.6 Спектр ЧМ сигнала

График ЧМ сигнала представлен на рис. 5.5.

Спектр ЧМ колебания при однотональной модуляции можно полу­чить, представив колебание (5.7) в виде бесконечного тригонометри­ческого ряда

где - специальная функция Бесселя порядка n аргумента x.При фиксированное аргументе функция Бесселя с ростом поряд­ка убывает по абсолютной величине и при т > п имеет малую вели­чину. Поэтому на практике ограничиваются рассмотрением конечного числа составляющих спектра.

Вид спектра ЧМ колебания при модуляции гармоническим сигна­лом приведен на рис. 5.6.

Различают широкополосную т () и узкополосную т () частотную модуляцию. В первом случае, как правило, учитывают составляющие с номерами n . Это соответствует ши­рине спектра ЧМ колебания при гармонической модуляции в которой сосредоточено 99 % энергии сигнала.

При небольших индексах ЧМ (от 1 до 2.5) следует пользоваться

фор­мулой

За пределами этой полосы амплитуда составляющих в 100 раз меньше амплитуды немодулированной несущей

При т ЧМ колебание (5.7) приближенно описывается как

т.е. можно считать, что в спектре такого сиг­нала с частотной модуляцией присутствуют только несущая и две отстоящие от нее на частоту модуляции боковые компоненты. Од­нако в отличие от амплитудной модуляции вторая боковая составляющая имеет фазо­вый сдвиг на π радиан.

Векторная диаграмма в этом случае имеет вид, представленный на рис. 5.7. В от­личие от АМ колебания сумма векторов боковых колебаний перпендикулярна вектору несущего колебания, что приводит к ускоре­нию и замедлению вращения результирующего вектора. Длина этого вектора, представляющая амплитуду моду­лированного колебания, незначительно изменяется, что связано с допущенными приближениями. В общем случае будет складываться боль­шее число векторов, и конец результирующего вектора при его качании будет перемещаться по дуге окружности, т.е. длина результирующего векторе меняться не будет.

Поскольку спектр ЧМ сигнала шире, чем при АМ, помехоустойчивость такой модуляции выше. Применяется ЧМ по причине своей широкополосности в основном в диапазоне метровых и более коротких волн. Узкополосная ЧМ (Narrow Frequency Modulation - NFM) используется в системах мобильной связи, широкополосная (Wide Frequency Modulation - WFM) в радио- и телевещании. При стереофоническом вещании в модулирующем сигнале имеется поднесущая с дополнитель­ной модуляцией в зависимости от стандарта вещания. Кроме того ЧМ с широко применялась в системах радиорелейной и спут­никовой связи, модуляция несущей осуществлялась широкополосным групповым сигналом, но в настоящее время, такие сигналы практиче­ски вытеснены цифровыми.

В радиолокации ЧМ используется как внутриимпульсная в вариан­тах линейной ЧМ, симметричной, зигзагообразной и др.

Фазовая модуляция (ФМ) также является частным случаем угло­вой модуляции. Рассмотренное выше частотно-модулированное коле­бание является в то же время и фазомодулированным. Однако при фазовой модуляции изменение фазы, а не частоты, должно совпадать с законом изменения модулирующего колебания В случае синусои­дального модулирующего колебания аналитическое представление ФМ колебания имеет вид

где – амплитуда отклонения (девиация) фазы.

Когда осуществляется угловая модуляция гармоническим сигна­лом, отличить частотную модуляцию от фазовой можно, только сравнив изменений мгновенной фазы модулированного колебания с законом из­менения модулирующего напряжения.

Сравнение (5.7) и (5.12) показывает, что индекс частотной модуляции ранен амплитуде отклонения фазы, измеряемой в радианах. Однако при частотной модулями индекс модуляции обратно пропорционален модулирующей частоте, а при фазовой девиация фазы фиксируется и от частоты модуляции не зависит.

Спектр фазомодулированного гармоническим колебанием сигнала будет такой же, как и частотно-модулированного, если одинаковы ин­дексы модуляции. При спектр ФМ сигнала будет содержать несущую и две боковые составляющие, отстоящие от несущей на частоту модуляции. Отличие от спектра АМ сигнала заключается только в том, что боковые составляющие сдвинуты по фазе на 90°.

При больших индексах модуляции ширину спектра ФМ сигнала сле­дует рассчитывать, пользуясь формулами для ЧМ сигналов. Ширина спектра в том и другом случае определяется девиацией частоты. Но следует отметить, что с увеличением частоты модуляции у ЧМ сигнала ширина спектра будет оставаться прежней при меньшем числе спек­тральных составляющих, а при ФМ ширина спектра будет расти при неизменном числе этих составляющих.

Векторная диаграмма ФМ не отличается от векторной диаграммы ЧМ. Нужно лишь иметь в виду, что ФМ определяется угловым откло­нением результирующего вектора от положения вектора несущей ча­стоты, а ЧМ скоростью этого отклонения, т.е. производной фазы по времени. Фазовая модуляция применяется в основном в радионави­гационных системах.

Виды модуляции

Модуляцией называется процесс управления одним или несколькими параметрами колебаний высокой частоты в соответствии с законом передаваемого сообщения. Модуляцию можно также рассматривать как процесс наложения одного колебания на другое. Передаваемый сигнал называют модулирующим, управляемый высокочастотный - модулируемым. Частота модулирующего сигнала должна быть на один и более порядков ниже модулируемого.

Классифицировать методы модуляции можно по трем признакам в зависимости:

– от управляемого параметра высокочастотного сигнала: амплитудная (AM), частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ);

– числа ступеней модуляции: одно-, двух-, трехступенчатая;

– вида передаваемого сообщения – (аналогового, цифрового или импульсного) - непрерывная, со скачкообразным изменением управляемого параметра (такую модуляцию называют манипуляцией) и импульсная.

Описание модулированных сигналов возможно в рамках временного и спектрального методов. Для неискаженного приема модулированного сигнала полоса пропускания всех высокочастотных трактов радиопередатчика и радиоприемника должна быть равна или больше ширины спектра излучаемого сигнала. С другой стороны, спектр модулированного сигнала не должен выходить за выделенную данному каналу допустимую полосу излучения (рис. 19.1).

Рис. 19.1. Допустимая полоса излучения спектра модулированного сигнала

Излучения, лежащие за пределами выделенной полосой излучения, называются внеполосными. Их уровень не должен превышать определенной, строго нормируемой величины. В противном случае данный канал связи будет создавать помехи другим каналам.

Ширина спектра модулированного высокочастотного сигнала Df c п зависит как от спектра передаваемого сообщения, так и от вида модуляции. Параметром, характеризующим модулированный сигнал, позволяющим сравнивать различные виды модуляции, является база сигнала:

В=TDf c п, (19.1)

где Т - длительность элемента сигнала.

При передаче аналоговых сообщений верхняя частота его спектра F связана с параметром Т, трактуемым как время интервала отсчета, соотношением Т=l/(2F) и поэтому (19.1) принимает вид:

В=Df c п /(2F). (19.2)

При передаче цифровой информации двоичным кодом, состоящим из логических 1 и 0, со скоростью V, равной количеству передаваемых элементарных посылок (бит) в секунду (бит/с = бод), величина Т трактуется как длительность элементарной посылки Т=1/V, и поэтому:

В=Df c п /V. (19.3)

При В=1 высокочастотный модулированный сигнал называется узкополосным, при В>3…4 - широкополосным. В соответствии с этим определением в зависимости от используемого вида сигнала радиотехническая система в целом называется узко- или широкополосной.

При амплитудной модуляции сигнал всегда является узкополосным; при частотной (в зависимости от характеризующего ее параметра девиации частоты) - узко- или широкополосным. Вид модуляции и значение параметра В оказывают существенное влияние на помехоустойчивость радиотехнической системы и получение требуемого соотношения сигнал-шум в радиоприемном устройстве.

Пример модулированных сигналов одинаковой мощности, но с разной шириной спектра приведен на рис. 19.2.

Рис. 19.2. Пример модулированных сигналов одинаковой мощности с разной шириной спектра

Рассмотрим, чем вызвана необходимость применения двухступенчатой, а в некоторых случаях даже трехступенчатой модуляции. Пусть при одной частоте несущих колебаний f нес требуется передавать сообщения от нескольких источников. Для возможности разделения принятых сообщений в радиоприемном устройстве поступают следующим образом. Каждое из сообщений модулирует сначала свою индивидуальную несущую, называемую в этом случае поднесущей (рис. 19.3).

Чтобы осуществить эффективную передачу сигналов в какой-либо среде, необходимо перенести спектр этих сигналов из низкочастотной области в область достаточно высоких частот. Данная процедура получила в радиотехнике название модуляции.

Сущность модуляции заключается в следующем. Формируется некоторое колебание (чаще всего гармоническое), называемое несущим колебанием или просто несущей, и какой-либо из параметров этого колебания изменяет­ся во времени пропорционально исходному сигналу. Исходный сигнал называют модулирующим, а результирующее колебание с изменяющи­мися во времени параметрами - модулированным сигналом. Обратный процесс - выделение модулирующего сигнала из модулированного колебания - называется демодуляцией.

Классификация видов модуляции:

1) по виду информационного сигнала (модулирующий сигнал);

Непрерывная модуляция (аналоговый сигнал);

Дискретная модуляция (дискретный сигнал);

2) по виду переносчика (или несущей частоты)

Гармоническая (синусоидальный сигнал);

Импульсная (прямоугольный периодический импульс).

3) по виду параметров несущей частоты, которые претерпевают изменения под действием информационного сигнала.

Амплитудная модуляция;

Частотная модуляция;

Фазовая модуляция;

Широтная модуляция;

Широтно-импульсная модуляция (рисунок 1.1).

Рисунок.1.1 – Виды модуляции

Гармонический сигнал общего вида:

S (t) = A cos(ω 0 t+ φ 0).

У данного сигнала есть три параметра: амплитуда А, частота ω 0 и начальная фа­за φ 0 . Каждый из них можно связать с модулирующим сигналом, получив, таким образом, три основных вида модуляции: амплитудную, частотную и фазовую. Частотная и фазовая модуляция очень тесно взаимосвязаны, поскольку обе они влияют на аргумент функции cos. Поэтому эти два вида моду­ляции имеют общее название - угловая

модуляция.

В настоящее время все большая часть информации, передаваемой по разнообраз­ным каналам связи, существует в цифровом виде. Это означает, что передаче под­лежит не непрерывный (аналоговый) модулирующий сигнал, а последователь­ность целых чисел п 0 , п 1, п 2 , ..., которые могут принимать значения из некоторого фиксированного конечного множества. Эти числа, называемые символами, поступают от источника информации с периодом Т, а частота, соответствующая этому периоду, называется символьной скоростью: f T = 1/Т.

Часто используемым на практике вариантом является двоичная последовательность символов, когда каждое из чисел n i может принимать одно из двух значений - 0 или 1.

Последовательность передаваемых символов является, очевидно, дискретным сиг­налом. Поскольку символы принимают значения из конечного множества, этот сигнал фактически является и квантованным, то есть его можно назвать цифровым сигналом.

Типичный подход при осуществлении передачи дискретной последовательности символов состоит в следующем. Каждому из возможных значений символа со­поставляется некоторый набор параметров несущего колебания. Эти параметры поддерживаются постоянными в течение интервала Т, то есть до прихода сле­дующего символа. Фактически это означает преобразование последовательности чисел { n k } в ступенчатый сигнал S n (t ) с использованием кусочно-постоянной ин­терполяции:

s n (t)=f(n k ), kT

Здесь f - некоторая функция преобразования. Полученный сигнал S n (t ) далее используется в качестве модулирующего сигнала обычным способом.

Такой способ модуляции, когда параметры несущего колебания меняются скачко­образно, называется манипуляцией . В зависимости от того, какие именно параметры изменяются, различают амплитудную (АМ), фазовую (ФМ), час­тотную (ЧМ). Кроме того, при передаче цифровой

информации может использоваться несущее колебание, отличное по форме

от гармонического. Так, при использовании в качестве несущего колебания последовательности прямоугольных импульсов возможны амплитудно-импульсная (АИМ), широтно-импульсная (ШИМ) и время-импульсная (ВИМ) модуляция. АИМ – амплитудно–импульсная модуляция заключается в том, что амплитуда импульсной несущей изменяется по закону изменения мгновенных значений первичного сигнала.

ЧИМ – частотно–импульсная модуляция. По закону изменения мгновенных значений первичного сигнала изменяется частота следования импульсов несущей.

ВИМ – время–импульсная модуляция, при которой информационным параметром является временной интервал между синхронизирующим импульсом и информационным.

ШИМ – широтно–импульсная модуляция. Заключается в том, что по закону изменения мгновенных значений модулирующего сигнала меняется длительность импульсов несущей.

ФИМ – фазо–импульсная модуляция, отличается от ВИМ методом синхронизации. Сдвиг фазы импульса несущей изменяется не относительно синхронизирующего импульса, а относительно некоторой условной фазы.

ИКМ – импульсно – кодовая модуляция. Ее нельзя рассматривать как отдельный вид модуляции, так как значение модулирующего напряжения представляется в виде кодовых слов.

СИМ – счетно–импульсная модуляция. Является частным случаем ИКМ, при котором информационным параметром является число импульсов в кодовой группе.

При амплитудной манипуляции единичный символ передается ВЧ заполнением, а нулевой отсутствием сигнала. Амплитудно – манипулированный сигнал описывается выражением:

где амплитудный член может приниматьМ дискретных значений, а фазовый член φ –это произвольная константа. Изображенный на рисунке 1.2 (в) АМ – сигнал может соответствовать радиопередаче с использованием двух сигналов, амплитуды которых равны 0 и .

Амплитудная манипуляция наиболее простая, но вместе с тем наименее помехозащищенная и в настоящее время практически не используется.

При частотной дискретной модуляции (ЧМ, FSK–Frequency Shift Keying) значениям 0 и 1 информационного бита соответствуют свои частоты физического сигнала при неизменной его амплитуде. Общее аналитическое выражение для частотно-манипулированного сигнала имеет следующий вид:

Здесь частота ω i может принимать М дискретных значений, а фаза φ является произвольной постоянной. Схематическое изображение ЧМ - сигнала приведено на рисунке 1.2 б, где можно наблюдать типичное изменение частоты в моменты переходов между символами.

Частотная модуляция весьма помехоустойчива, поскольку искажению при помехах подвергается в основном амплитуда сигнала, а не частота. При этом достоверность демодуляции, а значит и помехоустойчивость тем выше, чем больше периодов сигнала попадает в бодовый интервал. Но увеличение бодового интервала по понятным причинам снижает скорость передачи информации. С другой стороны, необходимая для этого вида модуляции ширина спектра сигнала может быть значительно уже всей полосы канала. Отсюда вытекает область применения ЧМ – низкоскоростные, но высоконадежные стандарты, позволяющие осуществлять связь на каналах с большими искажениями амплитудно-частотной характеристики, или даже с усеченной полосой пропускания.

При фазовой манипуляции 1 и 0 отличаются фазой высокочастотного колебания. Фазоманипулированный сигнал имеет следующий вид:

Здесь фазовая составляющая φ i (t ) может принимать М дискретных значений, обычно определяемых следующим образом:

где Е – это энергия символа;

Т – время передачи символа.

На рисунке 1.2 а приведен пример двоичной (М=2) фазовой манипуляции, где явно видны характерные резкие изменения фазы при переходе между символами.

На практике фазовая манипуляция используется при небольшом числе возмож­ных значений начальной фазы - как правило, 2,4 или 8. Кроме того, при приеме сигнала сложно измерить абсолютное значение начальной фазы; значительно проще определить относительный фазовый сдвиг между двумя соседними сим­волами. Поэтому обычно используется фазоразностная или относительная фазовая мани­пуляция.

При фазоразностной модуляции (ДОФМ, ТОФМ, DPSK – Differential Phase Shift Keying) изменяемым в зависимости от значения информационного элемента параметром является фаза сигнала при неизменных амплитуде и частоте. При этом каждому информационному элементу ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения.

Согласно рекомендаций МККТТ при скорости 2400 бит/с поток данных, подлежащих передаче, разделяется на пары последовательных битов (дибитов), которые кодируются в изменение фазы по отношению к фазе предыдущего элемента сигнала. Один элемент сигнала несет 2 бита информации. Если информационный элемент есть дибит, то в зависимости от его значения (00, 01, 10 или 11) фаза сигнала может измениться на 90, 180, 270 градусов или не измениться вовсе.

При тройной относительно-фазовой модуляции или восьмикратной

фазоразностной модуляции поток данных, подлежащих передаче, разделяется на тройки последовательных битов (трибитов), которые кодируются в изменение фазы по отношению к фазе предыдущего элемента сигнала. Один элемент сигнала несет 3 бита информации.

Фазовая модуляция наиболее информативна, однако увеличение числа кодируемых бит выше трех (8 позиций поворота фазы) приводит к резкому снижению помехоустойчивости. Поэтому на высоких скоростях применяются комбинированные амплитудно-фазовые методы модуляции.

Амплитудно-фазовая манипуляция. Амплитудно-фазовая манипуляция (amplitude phase keying - АРК) - это комби­нация схем ASK и PSK. АРК-модулированный сигнал изображен на рис. 1.2 г и выражается как

с индексированием амплитудного так и фазового членов. На рис.1. 2 г можно видеть харак­терные одновременные (в моменты перехода между символами) изменения фазы и ампли­туды АРК-модулированного сигнала. В приведенном примере М =8, что соответствует 8 сигналам (восьмеричной передаче). Возможный набор из восьми векторов сигналов изо­бражен на графике в координатах "фаза-амплитуда". Четыре показанных вектора имеют одну амплитуду, еще четыре - другую. Векторы ориентированы так, что угол между двумя ближайшими векторами составляет 45°.

Рисунок 1.2 – Виды цифровых модуляций

Если в двухмерном пространстве сигналов между М сигналами набора угол прямой, схема называется квадратурной амплитудной модуляци­ей (quadrature amplitude modulation - QAM).

Квадратурная амплитудная модуляция

Необходимо отметить, что еще одним видом линейной модуляции является квадратурная амплитудная модуляция (КАМ), сущность которой заключается в передаче двух разных сигналов методами AM или ЧМ на одной несущей частоте. Спектры этих двух сигналов полностью перекрываются и их разделение с помощью фильтров невозможно. Чтобы сохранить возможность разделения сигналов на приемной стороне, несущие колебаний на модуляторы подают с фазовым сдвигом 90° (в квадратуре).

На рисунке 1.3 представлена схема формирования КАМ сигнала.

Рисунок 1.3 – Квадратурная АМ

Достоинством КАМ по сравнению с обычными AM или БМ, является вдвое большее количество сигналов, которые можно независимо передавать в одной и той же полосе частот.

Угловая (частотная и фазовая) модуляция

Угловая модуляция обычно применяется, когда требуется обеспечить высокую верность приема передаваемого сообщения. Объясняется это тем, что системы с угловой модуляцией обладают повышенной по сравнению с AM устойчивостью к воздействию шумов и других видов помех. Известно, например, свойства ЧМ систем подавлять аддитивную шумовую помеху. Это значит, что при детектировании ЧМ существенно улучшается отношение сигнал/шум. Однако это преимущество достигается ценой ухудшения других параметров сигнала, в частности ценой увеличения занимаемой полосы частот. Частотная модуляция является, пожалуй, наиболее общим примером, который иллюстрирует методы повышения помехоустойчивости систем связи, основанные на расширении спектра сигнала.

На рисунке 1.4 представлена Временная диаграмма сигнала при однотональной угловой модуляции.

Рисунок 1.4 Угловая модуляция: а - модулирующий низкочастотный сигнал; б - однотональный сигнал с угловой модуляцией

Сигнал угловой модуляции (УМ) при гармонической несущей можно записать так:

u УМ (t)= U 0 cos[(t)]=U 0 cos[ω 0 t+φ(t)],

где (t)=ω 0 t+φ(t) – полная фаза сигнала;

φ(t) – фаза, которая несет информацию о первичном сигнале.

Различают два вида УМ: фазовая (ФМ) и частотная (ЧМ). При ФМ изменения фазы прямо пропорциональны первичному сигналу

Где φ 0 – начальная фаза.

При ЧМ мгновенная частота сигнала прямо пропорциональна первичному сигналу

, где - коэффициент преобразования управляющего сигнала в изменение частоты сигнала на выходе частотного модулятора.

Формы сигналов ФМ и ЧМ не отличаются друг от друга, если производная первичного сигнала по времени имеет тот же вид, что и сам первичный сигнал. Это имеет место при синусоидальном первичном сигнале, например

b(t)=Usint .

Сигнал УМ в этом случае можно записать так:

u УМ (t)=U 0 cos(ω 0 t+Мsint),

где М – индекс модуляции.

Индекс ФМ определяют как

М ФМ ==К ФМ U  ( – девиация фазы).

Индекс ЧМ равен

М ЧМ ==К ЧМ U  /,

причем девиация частоты К ЧМ U  . следовательно, индекс ЧМ

М ЧМ =/=f / F.

Найдем спектр сигнала при УМ одним тоном. Представим сигнал при УМ одним тоном следующим выражением:

(Re – вещественная часть).

Поскольку при ЧМ

М ЧМ =/=f /F,

то получаем, что при больших индексах модуляции

f ум 2f ,

т. е. ширина полосы частот при ЧМ равна удвоенной величине девиации частоты и не зависит от частоты модуляции F.

На рисунках 1.5 и 1.6 представлены схемы получения сигналов угловой модуляции

где b(t) – первичный сигнал;

–генератор несущей U0cosω0t ;

блок -/2 осуществляет поворот фазы на угол -/2;