Модуляция радиотехнических сигналов

1.

Модуляция радиотехнических сигналов.
Модуля́ция (лат. modulatio — размерность) — процесс изменения одного или нескольких
параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного
информационного сигнала.
Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале, а роль переносчика
информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим.
Модуляция может осуществляться изменением амплитуды, фазы или частоты
высокочастотной несущей.
Эта техника дает несколько важных преимуществ:
• Позволяет сформировать радиосигнал, который будет обладать свойствами
соответствующими свойствам несущей частоты.
• Позволяет использовать антенны малого размера, ведь размер антенны должен быть
пропорционален длине волны.
• Позволяет избежать интерференции с другими радиосигналами.

2.

Основные виды модуляции сигналов
1. Амплитудная модуляция
2. Амплитудная модуляция c одной боковой полосой
3. Частотная модуляция
4. Линейно-частотная модуляция
5. Фазовая модуляция
6. Дифференциально-фазовая модуляция
7. Фазовая манипуляция

3.

Амплитудная модуляция
При амплитудной модуляции огибающая амплитуд несущего колебания изменяется по
закону, совпадающему с законом передаваемого сообщения. Частота и фаза несущего
колебания при этом не меняется.

4.

Одним из основных параметров АМ является коэффициент модуляции (M).
Коэффициент модуляции — это отношение разности между максимальным и
минимальным значениями амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений (%).
Проще говоря, этот коэффициент показывает, насколько сильно значение амплитуда
несущего колебания в данный момент отклоняется от среднего значения.
При коэффициенте модуляции больше 1 возникает эффект перемодуляции, в результате
чего происходит искажение сигнала.
Спектр АМ
Данный спектр свойственен для модулирующего колебания постоянной частоты.

5.

Амплитудная модуляция с различным
коэффициентом модуляции.
На нижней осциллограмме —
перемодуляция.

6.

На графике по оси Х представлена частота, по оси У — амплитуда.
Для АМ, кроме амплитуды основной частоты, находящейся в центре, представлены
также значения амплитуд справа и слева от частоты несущей.
Это так называемые левая и правая боковые полосы. Они отнесены от частоты несущей
на расстояние равное частоте модуляции.
Расстояние от левой до правой боковой полосы называют ширина спектра.
В нормальном случае, при коэффициенте модуляции <=1, амплитуды боковых полос
меньше или равны половине амплитуды несущей.
Полезная информация заключена только в верхней или нижней боковых полосах
спектра. Основная спектральная составляющая — несущая, не несет полезной
информации. Мощность передатчика при амплитудной модуляции в большей части
расходуется на «обогрев воздуха», за счет не информативности самого основного
элемента спектра.

7.

Амплитудная модуляция с одной боковой полосой
В связи с неэффективностью классической амплитудной модуляции, была придумана
амплитудная модуляция с одной боковой полосой.
Суть ее заключается в удалении из спектра несущей и одной из боковых полос, при этом
вся необходимая информация передается по оставшейся боковой полосе.
Но в чистом виде в бытовом радиовещании этот вид не прижился, т.к. в приемнике
нужно синтезировать несущую с очень высокой точностью. Используется в аппаратуре
уплотнения и любительском радио.

8.

В радиовещании чаще используют АМ с одной боковой полосой и частично
подавленной несущей:
При такой модуляции соотношение качество/эффективность наилучшим образом
достигается.

9.

Частотная модуляция
Вид аналоговой модуляции, при которой, частота несущей изменяется по закону
модулирующего низкочастотного сигнала. Амплитуда при этом остается постоянной.
а) — несущая частота, б) модулирующий сигнал, в) результат модуляции

10.

Наибольшее отклонение частоты от среднего значения, называется девиацией.
В идеальном варианте, девиация должна быть прямо пропорциональна амплитуде
модулирующего колебания.
Спектр при частотной модуляции выглядит следующим образом:
Состоит из несущей и симметрично отстающих от нее вправо и влево гармоник
боковых полос, на частоту кратную частоте модулирующего колебания.
Данный спектр представляет гармоническое колебание. В случае реальной модуляции,
спектр имеет более сложные очертания.

11.

Различают широкополосную и узкополосную ЧМ модуляцию.
В широкополосной — спектр частот, значительно превосходит частоту
модулирующего сигнала. Применяется в ЧМ радиовещании.
В радиостанциях применяют в основном узкополосную ЧМ модуляцию, требующую
более точной настройки приемника и соответственно более защищенную от помех.
Спектры широкополосной и узкополосной ЧМ представлены ниже

12.

Спектр узкополосной ЧМ напоминает амплитудную модуляцию, но если учесть фазу
боковых полос, то окажется, что эти волны имеют постоянную амплитуду и переменную
частоту, а не постоянную частоту и переменную амплитуду (AM). При широкополосной ЧМ
амплитуда несущей может быть очень малой, что обусловливает высокую эффективность
ЧМ; это значит, что большая часть передаваемой энергии содержится в боковых частотах,
несущих информацию.
Основные преимущества ЧМ, перед АМ — энергоэффективность и помехоустойчивость.
Как разновидность ЧМ, выделяют линейно-частотную модуляцию.
Суть ее в том, что частота несущего сигнала изменяется по линейному закону.

13.

Фазовая модуляция
В реальности больше применяются фазовая манипуляция, т.к. в основном производят
модуляцию дискретных сигналов.
Смысл ФМ таков, что фаза несущей, изменяется скачкообразно, при приходе очередного
дискретного сигнала, отличного от предыдущего.
Из спектра можно видеть, почти полное отсутствие несущей, что указывают на высокую
энергоэффективность. Недостаток данной модуляции в том, что ошибка в одном
символе, может привести к некорректному приему всех последующих.

14.

Дифференциально-фазовая манипуляция
В случае этой модуляции, фаза меняется не при каждом изменении значения
модулирующего импульса, а при изменении разности. В данном примере при приходе
каждой «1».
Преимущество этого вида модуляции в том, что в случае возникновения случайной
ошибки в одном символе, это не влечет дальнейшую цепочку ошибок.

15.

При фазовой манипуляции (ФМн, анг. PSK – phase shift keying) каждому цифровому
символу сопоставляется своя начальная фаза несущего сигнала при неизменной
амплитуде. Данный вид манипуляции наиболее сложен в реализации, но и наиболее
помехоустойчив по сравнению с двумя другими видами манипуляции.
На рисунке ниже приведен график двоичной бинарной последовательности нулей и
единиц и, соответствующий ему, график фазо-манипулированного сигнала. Низкому
уровню бинарного сигнала сопоставляется начальная фаза 180 градусов, высокому
уровню – фаза 0 градусов несущего сигнала синусоидального типа.

16.

На следующем рисунке приведен пример фазовой манипуляции несущего сигнала
синусоидальной формы, информационным сигналом является двухразрядный цифровой
код. Цифровому коду «0» соответствует начальная фаза 0 градусов, коду «1» - фаза 180
градусов, коду «2» - фаза 90 градусов, коду «3» - фаза 270 градусов.