Модуляция сигналов — различия между версиями

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 16:21, 14 ноября 2016.
(Ошибки передачи)
 
(не показаны 4 промежуточные версии 3 участников)
Строка 1: Строка 1:
{{Учебная дисциплина
 
| Название дисциплины  = Обнаружение и распознавание сигналов
 
| Раздел              = 2. Анализ регулярных сигналов
 
| Глава                = 2.7 Преобразование регулярных аналоговых сигналов в электронном тракте КПС при амплитудно-фазовой, частотно-фазовой, импульсной модуляции.
 
| Преподаватель        = [[Чичварин,_Николай_Викторович|Чичварин Н. В.]]
 
}}
 
  
__TOC__
 
  
== Общие сведения ==
+
__NOTOC__
 +
 
 +
=== 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.
 
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.
Строка 16: Строка 11:
 
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.
 
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 ==
+
=== Использование широкополосных сигналов в системах передачи информации ===
  
 
Наибольшее распространение из широкополосных сигналов получили псевдослучайные фазоманипулированные последовательности. Символам "1" и "0" соответствуют кодовые комбинации длиной <math>I</math>, равной базе сигнала. При когерентном суммировании всех элементов этих кодовых комбинаций отношение сигнал-помеха по мощности увеличивается в <math>I</math> раз. Псевдослучайные последовательности формируются с помощью регистров с обратной связью. Возможно, использование частотно манипулированных сигналов. Распространено применение сложных видов кодирования информации.
 
Наибольшее распространение из широкополосных сигналов получили псевдослучайные фазоманипулированные последовательности. Символам "1" и "0" соответствуют кодовые комбинации длиной <math>I</math>, равной базе сигнала. При когерентном суммировании всех элементов этих кодовых комбинаций отношение сигнал-помеха по мощности увеличивается в <math>I</math> 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) ==
+
=== Радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) ===
  
 
Использование ППРЧ в радиолиниях:  
 
Использование ППРЧ в радиолиниях:  
 
 
*существенно затрудняет радиоперехват и дезинформацию;  
 
*существенно затрудняет радиоперехват и дезинформацию;  
 
 
*повышает помехозащищенность от прицельных радиопомех. Широко используется в войсковых радиостанциях, УКВ диапазона в частности.
 
*повышает помехозащищенность от прицельных радиопомех. Широко используется в войсковых радиостанциях, УКВ диапазона в частности.
  
Строка 32: Строка 25:
 
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.
 
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 ==
+
=== Сравнительный анализ различных видов модуляции ===
  
=== Показатели верности приема сообщений ===
+
==== Показатели верности приема сообщений ====
  
 
При передаче непрерывных сообщений в системах связи для оценки верности используют отношение мощностей сигнала <math>P_{c}</math> и шума <math>P_{w}</math> на выходе приемника <math>(P_{c}/P_{w})_{vih}</math>. Для практических расчетов при анализе непрерывных видов модуляции используют коэффициент выигрыша (выигрыш) системы модуляции, определяемый отношением  
 
При передаче непрерывных сообщений в системах связи для оценки верности используют отношение мощностей сигнала <math>P_{c}</math> и шума <math>P_{w}</math> на выходе приемника <math>(P_{c}/P_{w})_{vih}</math>. Для практических расчетов при анализе непрерывных видов модуляции используют коэффициент выигрыша (выигрыш) системы модуляции, определяемый отношением  
  
<math>g = (P_{c}/P_{w})_{vih}/(P_{c}/P_{w})_{vh}</math>
+
<center><math>g = (P_{c}/P_{w})_{vih}/(P_{c}/P_{w})_{vh}</math></center>
  
 
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.
 
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 ===
+
==== Сравнение систем модуляции по величине выигрыша ====
  
 
Предельное значение выигрыша <math>g</math> при AM равно 1. При использовании AM без несущей,но с двумя боковыми полосами (AM ДБП) <math>g<2</math>. Аналогичные результаты получаются и в случае использования AM с одной боковой полосой (AM ОБП).
 
Предельное значение выигрыша <math>g</math> при AM равно 1. При использовании AM без несущей,но с двумя боковыми полосами (AM ДБП) <math>g<2</math>. Аналогичные результаты получаются и в случае использования AM с одной боковой полосой (AM ОБП).
Строка 50: Строка 43:
 
При ФИМ выигрыш можно увеличить, уменьшая длительность импульса <math>T_{u}</math>, но с уменьшением ее возрастает порог. При КИМ—ФМ можно добиться значительного выигрыша, также связанного с возрастанием порога.
 
При ФИМ выигрыш можно увеличить, уменьшая длительность импульса <math>T_{u}</math>, но с уменьшением ее возрастает порог. При КИМ—ФМ можно добиться значительного выигрыша, также связанного с возрастанием порога.
  
=== Ошибки передачи  ===
+
==== Ошибки передачи  ====
  
 
(Сравнение по квадрату относительной ошибки передачи непрерывного сообщения и по вероятности ошибки передачи дискретного сообщения.)
 
(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  [[Изображение:SSM_7.png‎‎|thumb|200px|right|Рис. 13.1. 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 <math> m_{ch}</math> и стабилизацией частоты генераторов. Однако при возрастании <math>m_{ch}</math> возрастает ширина спектра сигнала!
+
Ошибки передачи непрерывного сообщения при AM снижаются с увеличением коэффициента модуляции. Двухполосная AM без несущей имеет преимущества перед двухполосной с несущей и однополосной  [[Изображение:SSM_7.png‎‎|thumb|200px|right|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 <math> m_{ch}</math> и стабилизацией частоты генераторов. Однако при возрастании <math>m_{ch}</math> возрастает ширина спектра сигнала!
  
 
Поэтому <math>m_{ch}</math> выбирают, исходя из совокупных требований точности фильтрации и допустимой ширины спектра сигнала.
 
Поэтому <math>m_{ch}</math> выбирают, исходя из совокупных требований точности фильтрации и допустимой ширины спектра сигнала.
Строка 65: Строка 58:
  
 
Помехоустойчивое кодирование дополнительно снижает вероятности ошибок  при цифровой  связи с КИМ до <math>10^{-7}...10^{-11}</math>. Аналоговые же системы связи обеспечивают вероятности ошибок <math>10^{-3}...10^{-4}</math>
 
Помехоустойчивое кодирование дополнительно снижает вероятности ошибок  при цифровой  связи с КИМ до <math>10^{-7}...10^{-11}</math>. Аналоговые же системы связи обеспечивают вероятности ошибок <math>10^{-3}...10^{-4}</math>
 
== Примечание ==
 
{{примечание}}
 

Текущая версия на 16:21, 14 ноября 2016



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
  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