Модуляция сигналов в РЭС передачи информации

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 16:21, 14 ноября 2016.

Содержание

Модуляция сигналов

Общие сведения

Для передачи информации находят применение различные виды модуляции гармонических колебаний: амплитудная (AM), частотная (ЧМ), фазовая модуляция (манипуляция) (ФМ), относительная фазовая манипуляция (ОФМ), а также методы многократной, в основном двукратной частотной (ДЧМ), двукратной относительной фазовой модуляции (ДОФМ). Возможны комбинированные методы модуляции, когда одновременно модулируется несколько параметров сигнала (амплитуда, частота, фаза). В результате получают амплитудно-фазовую (АФМ), частотно-фазовую (ЧФМ) и другие виды модуляции (манипуляции), позволяющие существенно повысить пропускную способность канала передачи двоичных сигналов.

В многоканальных системах связи с временным уплотнением находят применение такие виды импульсной модуляции, как амплитудно-импульсная (АИМ), фазо-импульсная (ФИМ), широтно-импульсная (ШИМ) и кодово-импульсная (КИМ).

В радиосвязи и многоканальных системах связи иногда воздействуют на какой-либо параметр напряжения передатчика (амплитуду, частоту) сигналом с определенным видом модуляции. В результате получают разновидности многоступенчатой модуляции AM—AM, AM—ЧМ и др.

Использование широкополосных сигналов в системах передачи информации

Наибольшее распространение из широкополосных сигналов получили псевдослучайные фазоманипулированные последовательности. Символам "1" и "0" соответствуют кодовые комбинации длиной , равной базе сигнала. При когерентном суммировании всех элементов этих кодовых комбинаций отношение сигнал-помеха по мощности увеличивается в раз. Псевдослучайные последовательности формируются с помощью регистров с обратной связью. Возможно, использование частотно манипулированных сигналов. Распространено применение сложных видов кодирования информации.

Радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ)

Использование ППРЧ в радиолиниях:

  • существенно затрудняет радиоперехват и дезинформацию;
  • повышает помехозащищенность от прицельных радиопомех. Широко используется в войсковых радиостанциях, УКВ диапазона в частности.

Режимы согласованной между собой перестройки приемников и передатчиков задаются генераторами псевдослучайных последовательностей (ПСП), например М-последовательностей. Генераторы ПСП системы взаимодействующих радиостанций периодически перезапускаются и перезагружаются начальными последовательностями, что обеспечивает синхронизацию и повышает скрытность переключения частот. Номера частот определяются при этом генераторами ПСП и так называемыми ключами. Необходимая ключевая информация в виде данных о наборе разрешенных частот и исходных временных параметров вводится заранее оператором либо по радиоканалу.

Ускорение процесса перестройки может понизить качество передачи информации, замедление — понизить скрытность. В качестве компромисса проводится обычно 80...200 переключений в секунду. Чтобы избежать искажения информации, на краях интервала между перестройками (примерно по 10% от этого интервала) информацию не передают. Тогда в оставшейся части интервала ее передают ускоренно.

Сравнительный анализ различных видов модуляции

Показатели верности приема сообщений

При передаче непрерывных сообщений в системах связи для оценки верности используют отношение мощностей сигнала и шума на выходе приемника . Для практических расчетов при анализе непрерывных видов модуляции используют коэффициент выигрыша (выигрыш) системы модуляции, определяемый отношением

Кроме этого, для характеристики систем используют: квадрат относительной ошибки передачи (фильтрации), представляющий собой отношение дисперсии оценки сигнала к среднеквадратичному значению случайного сообщения; вероятность ошибки передачи дискретного сообщения.

Сравнение систем модуляции по величине выигрыша

Предельное значение выигрыша при AM равно 1. При использовании AM без несущей,но с двумя боковыми полосами (AM ДБП) . Аналогичные результаты получаются и в случае использования AM с одной боковой полосой (AM ОБП).

При фазовой модуляции величина выигрыша может значительно превосходить единицу. Частотная модуляция с определенной девиацией частоты также обеспечивает выигрыш значительно больший единицы. Однако в обоих случаях необходимо увеличивать полосу пропускания приемника и выигрыш может быть достигнут только при малом уровне помех. При большом уровне помех наблюдается пороговый эффект, приводящий к подавлению слабого сигнала. С увеличением индекса модуляции порог возрастает.

При ФИМ выигрыш можно увеличить, уменьшая длительность импульса , но с уменьшением ее возрастает порог. При КИМ—ФМ можно добиться значительного выигрыша, также связанного с возрастанием порога.

Ошибки передачи

(Сравнение по квадрату относительной ошибки передачи непрерывного сообщения и по вероятности ошибки передачи дискретного сообщения.)

Ошибки передачи непрерывного сообщения при AM снижаются с увеличением коэффициента модуляции. Двухполосная AM без несущей имеет преимущества перед двухполосной с несущей и однополосной
Рис. 1. Зависимости вероятности ошибки
модуляцией. При фазовой модуляции ошибки фильтрации уменьшаются с повышением стабильности генераторов и возрастанием отношения сигнал-помеха. При частотной модуляции они уменьшаются с возрастанием индекса модуляции и стабилизацией частоты генераторов. Однако при возрастании возрастает ширина спектра сигнала!

Поэтому выбирают, исходя из совокупных требований точности фильтрации и допустимой ширины спектра сигнала.

Ошибки передачи при АИМ снижаются с уменьшением периода следования импульсов. От флюктуации[1] фазы сигнала ошибки не зависят. При ШИМ точность фильтрации улучшается с уменьшением периода следования импульсов, с повышением степени прямоугольности импульсов. При ФИМ ошибки фильтрации тем менее, чем меньше длительность фронта импульса и больше период их следования.

Наибольшей точностью передачи обладает ФИМ. Преимущество этого вида модуляции тем выше, чем больше скважность импульсов и чем эти импульсы ближе к прямоугольным. АИМ обладает сравнительно низкой помехоустойчивостью и применяется преимущественно в качестве промежуточного вида модуляции. По помехоустойчивости ШИМ занимает промежуточное положение. Применяется в многоканальных линиях телеуправления, а также в виде промежуточного вида модуляции в системах связи. Обладая высокой помехоустойчивостью, ФИМ наиболее широко применяется в линиях телеуправления и радиорелейных линиях с временным разделением каналов.

По вероятности ошибки передачи дискретного сообщения наибольшей помехо-устойчивостью из всех видов модуляции обладает КИМ—ФМ. Зависимости вероятности ошибки при передаче элемента КИМ от отношения сигнал-шум для различных видов манипуляции поднесущего колебания приведены на рис.13.1. Они построены по формулам и показывают, что наименьшая вероятность ошибки достигается при использовании ФМ, к ней приближаются вероятности ошибок при некоторых других видах манипуляции.

Помехоустойчивое кодирование дополнительно снижает вероятности ошибок при цифровой связи с КИМ до . Аналоговые же системы связи обеспечивают вероятности ошибок

АМ(Амплитудная модуляция)

Амплитудная модуляция - вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда.


Передаваемый сигнал при AM

Передаваемый сигнал при амплитудной модуляции обычно имеет вид:

где
амплитуда несущего колебания;
индекс модуляции;
максимально возможное приращение амплитуды;
модулирующая функция ;
и частота и фаза несущего колебания.

Передача "1" обеспечивается генерированием единичного элемента переменного тока

длительности , передача "0" соответствует паузе

Если функция является наложением колебаний дискретных частот , то спектр модулированного колебания (1) содержит колебания несущей и боковых частот . При сплошном спектре модулирующих колебаний спектр модулированного колебания (4.1) включает колебания несущей частоты , нижнюю

Рис. 1. Структурная схема модема амплитудной модуляции

и верхнюю

боковые полосы частот.

Структурная схема модема

Структурная схема приведена на рис. 1.

Устройство преобразования сигналов (УПС) передатчика содержит генератор (Г) колебаний несущей частоты, амплитудный модулятор (AM) и полосовой фильтр (ПФ), ограничивающий спектр передаваемого сигнала. Устройство преобразования УПС приемника наряду с ПФ содержит амплитудный детектор (АД), фильтр нижних частот (ФНЧ) и пороговое устройство (ПУ).

При цифровом приеме на выходе ПУ формируется "1", если выходное напряжение детектора превышает некоторый пороговый уровень и "0", если оно ниже уровня .

ЧМ (Частотная модуляция)

Частотная модуляция — вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой несущего колебания. По сравнению с амплитудной модуляцией здесь амплитуда остаётся постоянной.


Передаваемый сигнал при ЧМ

Передаваемый сигнал при частотной модуляции имеет вид:

где
— девиация частоты;
изменяющийся во времени индекс частотной модуляции.

В случае манипуляции символам «1» и «0» соответствуют напряжения

и

Разность частот называют разносом частот, ее половину — девиацией частоты. Отношение девиации к основной частоте манипуляции называют индексом частотной манипуляции. Обычно .Способ манипуляции с разрывом фазы. Предполагает наличие двух задающих генераторов, с частотами и , коммутируемых в соответствии с видом передаваемых посылок. В моменты переключения возникают резкие скачки фазы, приводящие к нежелательному расширению эффективной ширины спектра сигнала.

Способ манипуляции без разрыва фазы. Предусматривает наличие одного задающего генератора. Частотная манипуляция осуществляется путем изменения параметра (емкости) контура. Спектр сигнала сужается. Удается передавать около 0,4 бит/с на 1 Гц полосы частот.

Рис. 1. Структурная схема модема частотной модуляции

Частотная манипуляция с минимальным сдвигом фазы

Это разновидность частотной манипуляции без разрыва фазы, в которой обеспечивается сужение спектра передаваемых частот за счет ограничения изменения начальной фазы за время длительности посылки величиной . Главный лепесток огибающей спектра включает при этом 99,5% мощности сигнала.

Структурная схема модема

Структурная схема модема представлена на рис. 1. В устройстве преобразования сигналов (УПС) передатчика содержится генератор (Г) колебаний несущей частоты, частотный манипулятор (ЧМ) и полосовой фильтр (ПФ). Под действием модулирующего напряжения осуществляется изменение реактивного параметра контура (емкости), а значит и частоты выходного напряжения.

В УПС приемника содержится входной полосовой фильтр (ПФ), ограничитель амплитуды ОГР, частотный детектор(дискриминатор) и выходной фильтр нижних частот ФНЧ.

ФМ (Фазовая модуляция)

Фазовая модуляция - один из видов модуляции, при которой фаза несущего колебания управляется информационным сигналом.


Передаваемый сигнал при ФМ

Передаваемый сигнал при фазовой модуляции имеет вид:

где индекс фазовой модуляции.

В случае манипуляции элементам "0" и "1" соответствуют двоичные сигналы

Рис. 1. Структурная схема модема фазовой модуляции

Спектр двоичных ФМ сигналов практически отличается от спектра AM сигналов лишь тем, что у него подавлены колебания несущей частоты. Степень подавления зависит от характера функции . В современных системах передачи данных с ФМ удается передавать 0,9 бит/с на 1 Гц полосы частот.

Структурная схема модема

В УПС передатчика содержится генератор (Г) колебаний несущей частоты , фазовый манипулятор (ФМ) и входной полосовой фильтр (ПФ). В зависимости от характеристик выходного фильтра возможно формирование фазоманипулированных колебаний, содержащих обе боковые полосы, с одной боковой полосой, с частичным подавлением одной боковой полосы. В УПС приемника содержится входной полосовой фильтр (ПФ), ограничитель амплитуды (ОГР), фазовый детектор (ФД), устройство формирования опорного напряжения (УФОН), выходной фильтр нижних частот (ФНЧ), выход-устройство (ВУ). На выходе фазового детектора создается напряжение, пропорциональное модулирующей функции. Его опорное напряжение формируют из принимаемого сигнала путем умножения и последующего деления частоты в два раза.

При приеме цифрового сигнала опорное напряжение имеет два устойчивых состояния фазы со сдвигом на 180°. Это приводит к возможности «обратной работы», при которой "1" фиксируется как "0" и наоборот. Поэтому часто предусматривают устройства обнаружения «обратной работы». Такая возможность имеется при использовании помехоустойчивых кодов.

РФМ (Относительная фазовая манипуляция)

При относительной фазовой модуляции в зависимости от значения информационного элемента изменяется только фаза сигнала при неизменной амплитуде и частоте. Причем каждому информационному биту ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения.


Сущность однократной ОФМ

Фаза передаваемого элемента несущего колебания:

  • задается такой же, что и у предыдущего элемента при передаче "0"
  • изменяется по отношению к нему на 180° при передаче "1"

Структурная схема модема

Рис. 1. Структурная схема модема относительной фазовой манипуляции

Дополнительно к элементам, показанным на рис.1, УПС передатчика содержит кодирующее устройство (обычно триггер со счетным входом). В УПС приемника имеется дифференцирующая цепь ДЦ и выпрямитель. Эпюры напряжений при формировании и приеме сообщения 11011 показаны на рис.5.2. При поступлении на вход кодирующего устройства импульса "1" (эпюра 1) полярность его выходного напряжения меняется (эпюра 2), что вызывает изменение фазы напряжения на выходе фазового манипулятора (ФМ) на 180°(эпюра 3). На приемной стороне проводится обратное преобразование (эпюры 4, 5, 6). Декодирование осуществляют путем сравнения полярностей i-гo и (i-1)-го детектированных элементов, отображающих соотношение фаз колебаний: если они совпадают, считается принятым элемент "0", если нет — элемент "1". Устройство, выявляющее наличие либо отсутствие перемены полярности, состоит из дифференцирующей цепи и выпрямителя. Скачок фазы опорного напряжения (точка "а" на эпюре 7) приводит лишь к одиночной ошибке (эпюры 5", 6").

Рис. 2. Эпюры напряжений при формировании и приеме сообщения 11011

Многократные методы манипуляции

При многократном методе манипуляции модулируемый параметр (например, амплитуда, частота, фаза) принимает не два (как при однократной модуляции), а большее число различных значений. Каждая передаваемая посылка переносит в результате большее количество информации, чем при однократной манипуляции.


Двукратная частотная манипуляция (ДЧМ)

Является простейшим видом многократной манипуляции. Модулируемый параметр (частота передатчика) принимает четыре значения: . Модуляционные коды приведены в таблице №1. Она составлена применительно к передаче кодовых комбинаций двоичного кода. Элементами 1 и 2-го каналов являются соответственно нечетные и четные разряды передаваемых кодовых комбинаций. В многоканальных системах связи — это сигналы различных абонентов.

Таблица №1. Модуляционные коды
1-ый подканал
(нечетные разряды)
2-ый подканал
(четные разряды)
Частота
0 0
0 1
1 1
1 0

Для формирования ДЧМ сигналов необходимо разделить передаваемую кодовую комбинацию на последовательности нечетных и четных разрядов. В зависимости от содержания каждой такой пары разрядов формируются управляющие сигналы изменения частоты передатчика. Принятые колебания через полосовые фильтры, каждый из которых настроен на одну из частот и , поступают на соответствующие амплитудные детекторы. С выхода детектора сигналы выдаются в декодирующее устройство, которое формирует пару двоичных разрядов, соответствующих частоте принятого сигнала.

Двукратная относительная фазовая манипуляция (ДОФМ)

Каждому сочетанию значений двух соседних (нечетных и четных) разрядов передаваемой кодовой комбинации ставится в соответствие одно из четырех возможных значений разности фаз соседних посылок. В таблице №2 приведены два наиболее употребительных варианта модуляционного кода.

Таблица №2. Наиболее употребительные варианты модуляционного кода
1-ый подканал
(нечетные разряды)
2-ый подканал
(четные разряды)
Величина скачка фазы несущей
1-ый вариант 2-ой вариант
0 0 45°
0 1 90° 135°
1 1 180° 225°
1 0 270° 315°

Первый вариант несколько проще в реализации, но при длительной передаче нулей затрудняет выделение колебаний тактовой частоты, необходимых для синхронизации.

Структурная схема модема при ДОФМ

Рис. 1. Структурная схема модема при ДОФМ

Устройство формирования (УФ) передатчика (ДОУФ) осуществляет разделение последовательности нечетных и четных разрядов кодовых комбинаций, поступающих от источника информации на два подканала. Шифратор анализирует содержание соседних нечетных и четных разрядов и формирует управляющие сигналы изменения фазы несущего колебания в соответствии с модуляционным кодом. Фазовые модуляторы (ФМ) реализуют с помощью делителей частоты на триггерах. При когерентном приеме ДОФМ сигналов и первом варианте модуляционного кода формирование опорного напряжения ион осуществляется устройством, в котором применяется учетверение частоты принимаемого сигнала и последующее деление частоты полученного колебания на четыре. Для определения содержания (00, 01, 10 или 11) принятой посылки учитывается знак напряжения (фаза) предыдущей посылки, записанный в запоминающем устройстве.

Метод ДОФМ со сдвигом (ДОФМС)

Разработан с целью экономии ширины полосы пропускания канала. При использовании этого метода получают два сигнала с ОФМ. Сдвигают их на половину длительности одиночной посылки и суммируют. Возможные скачки суммарного колебания ограничиваются . Исключение скачков фазы на возможных при ДОФМ, сужает спектр сигнала.

Комбинированные методы манипуляции

Комбинированная модуляция - модуляция, при которой одновременно модулируется несколько параметров сигнала (амплитуда, частота, фаза). В результате получают амплитудно-фазовую (АФМ), частотно-фазовую (ЧФМ) и другие виды модуляции (манипуляции), позволяющие существенно повысить пропускную способность канала передачи двоичных сигналов.


Общие положения

Для повышения скорости передачи данных модулируют несколько параметров. Так, амплитудно-относительная фазовая модуляция представляет собой сочетание ОФМ с многоуровневой (чаще всего двухуровневой) AM.

Амплитудно-относительная фазовая модуляция

Модулированное колебание при АОФМ состоит из отдельных посылок вида

,

где амплитуда огибающей посылки сигнала (результирующего несущего колебания), которая может принимать одно из возможных значений .

Амплитуды посылок равностоят друг от друга.

Пример

На рис. 1 показан вариант модуляции, в котором используется 8 различных значений фазы и 4 значения амплитуды. Однако из 32 возможных комбинаций сигнала задействовано только 16, так как разрешенные значения амплитуд у соседних фаз отличаются. Это повышает помехоустойчивость кода, но вдвое снижает скорость передачи данных. Другим решением, повышающим надежность кода за счет введения избыточности, являются так называемые решетчатые коды. В этих кодах к каждым четырем битам информации добавляется пятый бит, который даже при наличии ошибок позволяет с большой степенью вероятности определить правильный набор четырех информационных битов.

Спектр результирующего модулированного сигнала зависит от типа модуляции и скорости модуляции, то есть желаемой скорости передачи битов исходной информации. Рассмотрим сначала спектр сигнала при потенциальном кодировании.

Пусть логическая единица кодируется положительным потенциалом, а логический ноль — отрицательным потенциалом такой же величины. Для упрощения вычислений предположим, что передаетс я информация, состоящая из бесконечной последовательности чередующихся единиц и нулей, как показано на рис. 1

Спектр непосредственйо получается из формул Фурье для периодической функции. Если дискретные данные передаются с битовой скоростью N бит/с, то спектр СОСТОИТ ИЗ постоянной составляющей нулевой частоты и бесконечного ряда гармоник с частотами , где Частота — первая частота спектра — называется основной гармоникой.

Рис. 1. Квадратурная амплитудная модуляция с 16-ю состояниями сигнала

Амплитуды этих гармоник убывают достаточно медленно — с коэффициентами 1/3,1/5, 1/7,... от амплитуды гармоники (рис. 2, а). В результате спектр потенциального кода требует для качественной передачи широкую полосу пропускания. Кроме того, нужно учесть, что реально спектр сигнала постоянно меняется в зависимости от того, какие данные передаются по линии связи. Например, передача длинной последовательности нулей или единиц сдвигает спектр в сторону низких частот, а в крайнем случае, когда передаваемые данные состоят только из единиц (или только из нулей), спектр состоит из гармоники нулевой частоты. При передаче чередующихся единиц и нулей постоянная составляющая отсутствует. Поэтому спектр результирующего сигнала потенциального кода при передаче произвольных данных занимает полосу от некоторой величины, близкой к нулю, до примерно (гармониками с частотами выше можно пренебречь из-за их малого вклада в результирующий сигнал). Для канала тональной частоты верхняя граница при потенциальном кодировании достигается для скорости передачи данных в 971 бит/с, а нижняя неприемлема для любых скоростей, так как полоса пропускания канала начинается с 300 Гц. В результате потенциальные коды на каналах тональной частоты никогда не используются.

При амплитудной модуляции спектр состоит из синусоиды несущей частоты , двух боковых гармоник и , а также боковых гармоник и , где — частота изменения информационного параметра синусоиды, которая совпадает со скоростью передачи данных при использовании двух уровней амплитуды (рис. 2, б).

Частота определяет пропускную способность линии при данном способе кодирования. На небольшой частоте модуляции ширина спектра сигнала также оказывается небольшой (равной ) , если пренебречь гармониками , мощность которых незначительна.

При фазовой и частотной модуляции спектр сигнала получается более сложным, чем при амплитудной модуляции, так как боковых гармоник здесь образуется более двух, но они тоже симметрично расположены относительно основной несущей частоты, а их амплитуды быстро убывают.[2]

Рис. 2. Спектры сигналов при потенциальном кодировании и амплитудной модуляции

Однополосные методы манипуляции

Однополосная модуляция — разновидность амплитудной модуляции (AM), широко применяемая в аппаратуре каналообразования для эффективного использования спектра канала и мощности передающей радиоаппаратуры.


Общие положения

Амплитудная модуляция — самый древний способ передачи голоса и звуков по радио (1906 год). Но если рассмотреть спектрограмму амплитудно модулированного сигнала, то мы увидим два зеркальных спектра — нижнюю и верхнюю боковые полосы. Кроме этого, между ними будет несущая частота (радиочастота, которая модулируется звуковым сигналом).

С точки зрения информации обе полосы одинаковые, а несущая вообще звуковой информации не несет. Поэтому однополсный сигнал будет достаточен для передачи полноценной звуковой информации.

Для повышения пропускной способности в канал связи выдают сигнал с одной боковой полосой (ОБП). В отличие от двухполосного сигнал с ОБП содержит наряду с синфазной (с опорным напряжением) квадратурную составляющую.

При формировании сигналов с ОБП синфазную и квадратурную составляющие получают раздельно и суммируют. Для формирования этих составляющих используют трансверсальные фильтры, выполняемые на линиях задержки с отводами.

Спектры сигналов с однополосной модуляцией в сравнении с однополосной АМ.

Еще в 1915 году метод однополосной модуляции изобрел Джон Карсон. Однако, при всей выгоде, повсеместное применение в радиосвязи однополосной модуляции тормозилось техническими проблемами, в те времена еще не могли построить достаточно стабильный по частоте опорный генератор. Ведь для работы в SSB необходима частота с точность 5-10 Гц, в то время как для амплитудной модуляции достаточно 1-2 кГц. Только с развитием методов автоматической подстройки частоты ОП и гетеродина однополосная модуляция получила широкое развитие.[3]

Прием модулируемого сигнала

При приеме сигнала исключают влияние квадратурной составляющей, что равносильно восстановлению двухполосного спектра сигнала. Это обеспечивается за счет синхронного детектирования, когда опорное колебание строго согласовано с синфазной составляющей. Для формирования опорного напряжения может передаваться пилот-сигнал. Если он не передается, опорное напряжение формируется путем автоподстройки частоты и фазы местного генератора по принимаемым однополосным сигналам.

При цифровом способе приема для устранения влияния квадратурной составляющей сигнал стробируют в моменты времени, когда она равна нулю. Эти моменты известны и определяются устройством синхронизации. Частота несущей несущественно превосходит частоту модуляции. Поэтому перед модуляцией спектр сигнала преобразуют в область частот более высоких, чем несущая частота.

Преимущества однополосной модуляции

По сравнению с амплитудной модуляцией однополосный сигнал (SSB) дает выигрыш в 4 раза по мощности (6 дБ) или 2 раза по напряжению, что означает увеличению громкости сигнала на один балл по системе РСТ и РСМ.

Кроме этого, SSB сигнал имеет в два раза более узкую полосу, чем сигнал амплитудной модуляции. Это позволяет использовать при приеме узкие фильтры, что в конечном счете увеличивает соотношение сигнал/шум.

Так как в режиме SSB практически не излучается несущая частота, то в во время молчания передатчик практически не потребляет энергии.

Импульсные методы модуляции

Импульсная модуляция - изменение параметров импульсных сигналов во времени или в пространстве. Обычно импульсная модуляция представляет собой разновидность модулированных колебаний, где в качестве "переносчика" информации используется последовательность импульсов. Вид импульсной модуляции определяется законом изменения параметров (амплитуды, длительности, фазы, частоты следования) импульсных сигналов.


Сущность импульсных методов модуляции

Переносчиком информации является периодическая последовательность импульсов. Она характеризуется такими параметрами, как амплитуда, длительность (ширина) импульса, частота следования импульсов, положение (фаза) каждого импульса на оси времени по отношению к так называемым тактовым точкам. Соответственно различают амплитудно-импульсную (АИМ), широтно-импульсную (ШИМ), частотно-импульсную (ЧИМ) и фазово-импульсную (ФИМ) модуляцию. В ряде случаев непрерывные сигналы квантуются по времени и уровню. Полученные при этом дискретные значения преобразуют в кодовые комбинации, состоящие из импульсов равной амплитуды и длительности, (по существу, в цифровую форму), обеспечивая кодово-импульсную модуляцию (КИМ или ИКМ). Видеоимпульсами КИМ может осуществляться амплитудная, частотная, фазовая и другая модуляция несущего колебания.

Различные виды импульсной модуляции: а - немодулированная последовательность импульсов; б - модулирующий (информационный) сигнал; в - амплитудно-импульсная модуляция; г - широтно-импульсная модуляция; д - частотно-импульсная модуляция; г - фазово-импульсная модуляция.

В системах оптической и высокочастотной радиолокации и связи импульсную модуляцию применяют для модуляции гармонических сигналов (см. АМ (Амплитудная модуляция) ). В этом случае возможна реализация сложных видов импульсных модуляций, когда наряду с изменением параметров огибающей (последовательности импульсов) используется модуляция высокочастотного заполнения импульсов. Примером такой импульсной модуляции может служить линейно-частотная модуляция, реализующая изменение частоты заполнения по линейному закону.[4]


Линейно-частотная модуляция: а-форма сигнала; б -закон изменения частоты заполнения (w0 - несущая частота; wд- девиация частоты).

В радиолокации импульсная модуляция позволяет не только сформировать мощные кратковременные излучения для обнаружения и определения параметров движения целей, но и получить конкретные оценки их размеров, конфигурации, скорости вращения вокруг центра тяжести. Импульсную модуляцию используют также для идентификации физических параметров (температуры, плотности, степени ионизации и т. д.) различных объектов и сред.

Демодуляция модулированных импульсных сигналов

Это процесс выделения полезной составляющей из спектра принимаемых сигналов.

При АИМ она может быть выделена фильтром нижних частот (ФНЧ). Полоса пропускания ФНЧ рассчитывается на неискаженное выделение сигнала с максимальной шириной спектра . Для исключения комбинационных искажений необходимо, чтобы никакие другие составляющие спектра частот не попали в полосу прозрачности фильтра. Ближайшей к полосе прозрачности фильтра является составляющая , где — частота следования импульсов. Условие неискаженного воспроизведения АИМ имеет поэтому вид или . При большой скважности импульсов, когда амплитуда напряжения модулирующих частот становится мала, перед фильтром ставят пиковый детектор, напряжение на выходе которого приближается к огибающей модулированных импульсов.

При ШИМ основным методом выделения полезной составляющей является демодуляция с помощью фильтра низких частот. Поскольку тактовые частоты окружены бесконечным количеством пар боковых частот, в полосу пропускания фильтра попадают частотные составляющие , вызывающие искажения передаваемого сигнала. Считают, что неискаженный прием обеспечивается, если .

При ФИМ амплитуда полезной составляющей мала и зависит от частоты. Перед модуляцией ФИМ преобразуют поэтому в ШИМ или в АИМ.

При использовании КИМ в телефонии преобразователи цифра—аналог преобразуют КИМ последовательно в АИМ и в непрерывный сигнал.

Многоступенчатые виды модуляции

Многоступенчатая модуляция - метод модуляции при котором передаваемым сообщением модулируется поднесущее колебание, а несущее колебание моделируется полученным напряжением.


Общие положения

Формируемые кодирующим устройством в соответствии с передаваемыми сообщениями кодовые комбинации частотного или импульсного кода являются совокупностями низкочастотных сигналов. В передатчике эти сигналы преобразуются в высокочастотные сигналы. Таким образом, высокочастотные сигналы частотных кодов являются результатом по крайней мере трех ступеней модуляции. В современных радиолиниях передачи информации используют сигналы вида КИМ-ЧМн-АМ, то есть сигналы, полученные с помощью последовательного применения кодоимпульсной модуляции, частотной манипуляции и амплитудной модуляции, КИМ-ЧМн-ЧМн и КИМ-ЧМн-ФМн (последняя ступень - фазовая манипуляция). На рисунке 1 представлены временные диаграммы сигналов, полученных с помощью многоступенчатой модуляции. Использование второй (промежуточной) ступени модуляции поднесущей частоты позволяет упростить реализацию многоканального приемника и уменьшить полосу пропускания канала связи. Выделение символов канала в этом случае производится на низкой частоте с помощью относительно простых и дешевых низкочастотных фильтров.[5]

Рис. 1. Временные диаграммы сигналов, полученных с помощью многоступенчатой модуляции

Сигнал, соответствующий одному символу канала связи, называется информационной посылкой. При двоичном кодировании информационной посылке соответствует двоичный символ. Сигналы характеризуются базой

где длительность информационной посылки;

эффективная ширина спектра сигнала.

В зависимости от величины базы различают простые сигналы, для которых , и сложные сигналы, для которых .


Двухступенчатая модуляция

Широкое распространение находит двухступенчатая модуляция. Передаваемым сообщением модулируется при этом так называемое поднесущее колебание. Полученным напряжением модулируется несущее колебание. Привлекают внимание такие виды двухступенчатой модуляции, как АМ-АМ; АМ-ЧМ; ЧМ-ЧМ; ЧМ-АМ; ФМ-AM; КИМ—ФМ и др.

Наряду с двухступенчатой возможна трехступенчатая модуляция, например, КИМ—AM—ЧМ.

Прием модулируемых сигналов

Прием сообщений осуществляется также с использованием двух ступеней детектирования. Сначала происходит детектирование несущего колебания. Вторая ступень детектирования обеспечивает восстановление передаваемого сообщения. Значение коэффициента выигрыша зависит от вида модуляции на обеих ступенях.

Пороговый эффект

При использовании ФМ и ЧМ на любой ступени модуляции и большом уровне помех наблюдается пороговый эффект, приводящий к подавлению слабого сигнала. Порог многоступенчатой системы модуляции определяется той ступенью, пороговый эффект в которой наступает раньше.
  1. Флуктуация [Электронный ресурс] : Материал из Википедии — свободной энциклопедии : Версия 73423290, сохранённая в 18:07 UTC 18 сентября 2015 / Авторы Википедии // Википедия, свободная энциклопедия. — Электрон. дан. — Сан-Франциско: Фонд Викимедиа, 2015. — Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/?oldid=73423290
  2. http://iptcp.net/kombinirovannye-metody-modulyatsii.html
  3. http://swl.net.ru/archives/995
  4. http://femto.com.ua/articles/part_1/1321.html
  5. Шувалов В.П., Захарченко Н.В. Передача дискретных сообщений. Учебник для студентов институтов связи - М.: Радио и связь, 1990. - 460с.