Модуляция сигналов

	Авторство
		Чичварин Н. В.
	Согласовано: 15.04.2016

Статья по учебной дисциплине
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 Н. В.

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.

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

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.

Показатели верности приема сообщений

При передаче непрерывных сообщений в системах связи для оценки верности используют отношение мощностей сигнала ${\displaystyle P_{c}}$ и шума ${\displaystyle P_{w}}$ на выходе приемника ${\displaystyle (P_{c}/P_{w})_{vih}}$. Для практических расчетов при анализе непрерывных видов модуляции используют коэффициент выигрыша (выигрыш) системы модуляции, определяемый отношением

${\displaystyle g=(P_{c}/P_{w})_{vih}/(P_{c}/P_{w})_{vh}}$

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 ${\displaystyle g}$ при AM равно 1. При использовании AM без несущей,но с двумя боковыми полосами (AM ДБП) ${\displaystyle g<2}$. 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 ${\displaystyle T_{u}}$, 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 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 ${\displaystyle m_{ch}}$ и стабилизацией частоты генераторов. Однако при возрастании ${\displaystyle m_{ch}}$ возрастает ширина спектра сигнала!

Поэтому ${\displaystyle m_{ch}}$ 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 ${\displaystyle 10^{-7}...10^{-11}}$. Аналоговые же системы связи обеспечивают вероятности ошибок ${\displaystyle 10^{-3}...10^{-4}}$