Лекция 9. Цифровая и импульсная модуляция

1.

Лекция 9.
Цифровая и импульсная
модуляция

2.

Цифровая модуляция (манипуляция)
Несущий сигнал: аналоговый- гармонический сигнал:
uнес(t)=Uнес cos( нес t+ нес)
Модулирующий информационный сигнал: цифровой
u1(t) = Uимп при передаче символа «1»
uц(t) =
u0(t) = 0
при передаче символа «0»

3.

Классическая цифровая модуляция:
1. Цифровая амплитудная модуляция ЦАМ
(амплитудная манипуляция АМн)
(Amplitude Shift Keying - ASK)
2. Цифровая частотная модуляция ЦЧМ
(частотная манипуляция ЧМн)
(Frequency Shift Keying - FSK)
3. Цифровая фазовая модуляция ЦФМ
(фазовая манипуляция ФМн)
(Binary Phase Shift Keying - BPSK)
4. Цифровая относительная фазовая модуляция ЦОФМ
(относительная фазовая манипуляция ОФМн),
(дифференциальная фазовая, фазоразностная манипуляция)

4.

ЦАМ
sЦАМ(t) = UЦАМ(t) cos( нес t+ нес)
U1 = Uнес, при передаче символа «1»
UЦАМ(t) =
U0 = 0, при передаче символа «0»
sЦАМ(t) =
s1(t)=Uнес cos( нес t+ нес)=uнес(t), при передаче
символа «1»
s0(t)=0, при передаче символа «0»

5.

Символ «1» - передается отрезком несущего сигнала.
Символ «0» - отсутствие сигнала.
Такой вид манипуляции часто называют OOK
(On-Off Keying - Включено-Выключено).
Если амплитуда модулированного сигнала принимает два
значения: U0=U, при передаче «0» и U1=2U, при передаче
«1», то такой вид модуляции назвают ASK (Amplitude Shift
Keying - амплитудная манипуляция).
OOK является частным случаем ASK.
Системы с ООК относятся к системам с пассивной паузой.
Системы с ASK относятся к системам с активной паузой.
(Пауза – это передача символа «0»).

6.

Диаграммы созвездий (сигнальные созвездия)
модуляций OOK и ASK.
«0» «1»
0 s0
OOK
s1
«0» «1»
0
U0
s0
ASK
U1
s1

7.

Uимп
Uнес
Uнес
Временнàя диаграмма сигнала ЦАМ

8.

sЦЧМ(t)=Uнес cos[ ЦЧМ(t) t+ нес]
ЦЧМ(t) =
1= нес+ д, при передаче символа «1»
0= нес - д, при передаче символа «0»
д- девиация частоты
В приведенном варианте частота передачи символа
«1»- 1 выше чем частота передачи символа «0»- 0
Соотношение частот может быть
противоположным.
Тогда дальнейшие выводы также будут
противоположными.

9.

s1(t)=Uнес cos( 1 t+ нес), при передаче символа «1»
sЦЧМ(t) =
s0(t)=Uнес cos( 0 t+ нес), при передаче символа «0»
Символ «1» передается отрезком гармонического сигнала
с частотой 1
Символ «0» передается отрезком гармонического сигнала
с частотой 0
Системы с ЦЧМ относятся к системам с активной паузой.

10.

Диаграмма созвездий (сигнальное созвездие)
ЦЧМ модуляции
«0»
s0
Uнес
«1»
0 Uнес s1

11.

Uимп
Uнес
Uнес
Временнàя диаграмма сигнала ЦЧМ

12.

ЦФМ
sЦФМ(t)=Uнес cos[ нес t+ ЦФМ(t)]
д= ЦФМ - нес - девиация фазы
(отклонение
от фазы несущей)
ЦФМ(t) =
нес+ д
д=
0 рад, при передаче символа «1»
рад, при передаче символа «0»
Девиация фазы может быть противоположной. Тогда
дальнейшие выводы также будут противоположными.

13.

ЦФМ(t) =
1= нес рад, при передаче символа «1»
0= нес+ рад, при передаче символа «0»
s1(t)=Uнес cos( нес t+ нес)= uнес(t)
sЦФМ(t) =
s0(t)=Uнес cos( нес t+ нес+ )= -Uнес cos( нес t+ нес)=
= -uнес(t)
Символ «1» передается отрезком несущего сигнала.
Символ «0» передается отрезком несущего сигнала с
противоположной фазой (перевернутым несущим сигналом).

14.

Диаграмма созвездий (сигнальное созвездие)
ЦФМ модуляции
«0»
«1»
s0 Uнес 0 Uнес s1

15.

Uимп
Uнес
Uнес
Временнàя диаграмма сигнала ЦФМ

16.

Характерным признаком сигнала ЦФМ является
переворот фазы модулированного сигнала при переходе
цифрового сигнала от «1» к «0» и от «0» к «1».
Системы с ЦФМ относятся к системам с активной паузой.

17.

Недостаток ЦФМ («обратная работа»)

18.

ЦОФМ
Предложена в 1953 году профессором Петровичем Н.Т. как способ борьбы
с «обратной работой» в системах с ЦФМ.
sЦОФМ(t)=Uнес cos[ нес t+ ЦОФМ(t)]
д= i - (i-1) - девиация фазы (отклонение от фазы сигнала
на предыдущем тактовом интервале)
i(t)= (i-1)+ д
д =
0 рад, при передаче символа «1»
рад, при передаче символа «0»
Девиация фазы может быть противоположной. Тогда
дальнейшие рассуждения также будут противоположными.

19.

ЦОФМ(t) =
(i-1) рад, при передаче символа «1»
(i-1)+ рад, при передаче символа «0»
Uн cos[ н t+ (i-1)] = s(i-1) (t), при передаче
символа «1»
sЦОФМ(t) =
Uн cos[ н t+( (i-1)+ )]= - Uн cos[ н t+ (i-1)] =
= - s(i-1) (t), при передаче символа «0»

20.

Символ «1» передается отрезком гармонического сигнала с
фазой, совпадающей с фазой сигнала на предыдущем тактовом
интервале (сигналом с предыдущего тактового интервала).
Символ «0» передается отрезком гармонического сигнала с
фазой, противоположной фазе сигнала на предыдущем тактовом
интервале (перевернутым сигналом с предыдущего тактового
интервала).
Системы с ЦОФМ относятся к системам с активной
паузой.

21.

Uимп
Uнес
Uнес
Временнàя диаграмма сигнала ЦОФМ
Характерным признаком сигнала ЦОФМ является
переворот фазы модулированного сигнала при передаче
символа «0» цифрового сигнала.
Системы с ЦОФМ относятся к системам с активной паузой.

22.

Сигналы ЦАМ, ЦФМ, ЦОФМ - это радиоимпульсы, которыми передаются
символы цифрового сигнала.
Спектр радиоимпульса обычно ограничивают частотой первого нуля
спектральной плотности: f=1/ =1/Ттакт=Fтакт=В, где - длительность
видеоимпульса; Ттакт- длительность тактового интервала; Fтакт.– тактовая частота;
В- скорость модуляции цифрового сигнала.
0
fн-Fтакт
fн
fн+Fтакт
Спектральная диаграмма сигналов ЦАМ, ЦФМ, ЦОФМ
Ширина спектра сигналов ЦАМ, ЦФМ, ЦОФМ:

23.

разными частотами, которыми передаются символы «1» и «0».
0
f0-Fтакт f0
fнес
f1
f1+Fтакт
∆FЦЧМ
Спектральная диаграмма сигналов ЦЧМ
Ширина спектра сигналов ЦЧМ:
FЦЧМ=2 (В+ fд), Гц, где fд=f1-fнес=fнес-f0
При выборе fд=В, FЦЧМ=4 В, Гц.

24.

Помехоустойчивость видов цифровой модуляции
ЦФМ
ЦЧМ
U 0 U
S0(t)
S0(t)
S1(t)
∆S=2U
∆S=√2∙U
U
0
ЦАМ
U
S1(t)
0
S0(t)
U
S1(t)
∆S=U
ЦФМ сигналы S1(t) и S0(t), служащие для передачи по каналу символов "1" и "0"
являются противоположными, т.е. S1(t) = - S0(t). Разность этих сигналов (расстояние
между концами векторов сигналов) ∆S=2U; U - амплитуда сигналов.
ЦЧМ сигналы S1(t) и S0(t)- ортогональные сигналы. ∆S=√2 U.
Для ЦАМ сигналов: ∆S = U.
Наиболее отличаются друг от друга сигналы S1(t) и S0(t) при ЦФМ, что дает
меньшую вероятность ошибки приема. Наименее отличаются друг от друга сигналы
S1(t) и S0(t) при ЦАМ, что обуславливает наименьшую помехоустойчивость этого вида
модуляции. Использование ЦФМ дает энергетический выигрыш по сравнению с ЦЧМ
в 2 раза (на З дБм), а по сравнению с ЦАМ- в 4 раза (на 6 дБм). ЦОФМ использует
преимущества ЦФМ. Она менее помехоустойчива чем ЦФМ и более помехоустойчива,
чем ЦАМ. По сравнению с ЦЧМ ЦОФМ более помехоустойчива при малых помехах и

25.

Импульсная модуляция
Несущий сигнал: периодическая последовательность
прямоугольных видеоимпульсов.
Модулирующий информационный сигнал: аналоговый
(пропорционально ему изменяется информационный
параметр несущего сигнала).
Виды импульсной модуляции.
1. Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)
2. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
3. Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)
4. Фазо-импульсная модуляция (ФИМ)

26.

- АИМ - изменяется амплитуда импульсов;
- ШИМ - изменяется ширина (длительность) импульсов;
- ЧИМ - изменяется частота следования импульсов;
- ФИМ - импульсы сдвигаются относительно тактовых моментов, за
которые принимают начало импульсов несущего сигнала.
Эту модуляцию нередко называют время-импульсной модуляцией ВИМ).
Период и частота следования импульсов несущего импульсного
сигнала определяется в соответствии с теоремой Котельникова:
Т=(0,8÷0,9)·1/(2·Fв)
F =(2·Fв)/(0,8÷0,9)=(2,2÷2,5)·Fв
Математические модели сигналов ЧИМ и ФИМ аналогичны друг другу и имеют
такой же характер, как и при угловых видах модуляции (ЧМ и ФМ).

27.

однотональной импульсной модуляции

28.

Пределы изменения параметров импульсов выбирают исходя из того,
что импульсы, при модуляции, не должны перекрываться.
1) При АИМ: Δuд(-) ≤U
где Δuд(-) - девиация амплитуды в сторону уменьшения (максимальное
уменьшение); U – амплитуда импульсов несущего сигнала.
Девиация- это максимальное изменение (отклонение от исходного значения).
2) При ШИМ: Δτд(-) ≤ τ; Δτд(+) ≤ (T-τ)
где Δτд(-) - девиация ширины (длительности) импульсов в сторону
уменьшения; Δτд(+) - девиация ширины (длительности) импульсов в сторону
увеличения; τ - ширина (длительность) импульсов несущего сигнала;
Т - период следования импульсов несущего сигнала.
3) При ФИМ: Δtд(-) ≤ (T/2-τ); Δtд(+) ≤ T/2
где Δtд(-) - девиация сдвига импульсов в сторону отставания от тактовых
моментов; tд(+) - девиация сдвига импульсов в сторону опережения тактовых
моментов.

29.

Сигналы с импульсной модуляцией непригодны для передачи по
радиоканалу, т.к. их спектр сосредоточен в области низких частот (спектр
периодической последовательности видеоимпульсов).
Для передачи по радиоканалу используют двойную модуляцию:
- на первом этапе осуществляют один из видов импульсной модуляции;
- на втором этапе, низкочастотный сигнал с импульсной модуляцией
будет модулирующим сигналом для гармонического несущего сигнала с
высокой радиочастотой.
Назначение второго этапа - перенос спектра низкочастотного сигнала с
импульсной модуляцией в диапазон высоких радиочастот.
В результате получим радиосигнал с импульсной модуляцией.
Возможные виды двойной модуляции:
АИМ-АМ, ШИМ-ЧМ, ФИМ-ОФМ и другие.

30.

а)
б)
в)
г)
Виды двойной модуляции:
а) АИМ-АМ, б) ШИМ-АМ, в) ЧИМ-АМ, г) ФИМ-АМ.

31.

С помощью импульсной модуляции можно провести дискретизацию
аналоговых сигналов во времени (АИМ в ИКМ) и осуществить
временное разделение каналов в проводных и радиосистемах передачи.
При импульсной модуляции период следования импульсов намного
больше их длительности (импульсная последовательность имеет
большую скважность).
Между импульсами одного сигнала (сигнала одного канала) остается
промежуток времени, на котором можно разместить импульсы других
сигналов (сигналов других каналов). Это и есть временное разделение
каналов (ВРК).
Спектр, при импульсных видах модуляции, зависит от спектра
модулирующего сигнала, вида и параметров модуляции.
Ширина спектра при любой импульсной модуляции обратно
пропорциональна длительности импульса несущего сигнала.