Раздел 5. Модуляция, кодирование и преобразование частоты

5.1. Общие сведения о модуляции

Назначение модуляции. Понятие о несущем колебании и ин­формационных параметрах. Виды модуляции: аналоговая и диск­ретная (манипуляция), импульсная модуляция.

Материал темы изложен в [3, § I.3] . Важно понять, что у несущего гармонического колебания в соответствии о изме­нением модулирующего сигнала может изменяться амплитуда, частота или фаза. Соответственно различают три основных ви­да модуляции: амплитудную, частотную и разовую. Если несу­щим сигналом является импульсная последовательность, го, меняя один из параметров импульсной несущей, можно получить различные виды импульсной модуляции.

Вопросы для самопроверки

1. В чем заключается процесс модуляция?

2. Какое колебание называют несущим и почему?

3. Какие параметры несущего колебания можно изменять под воздействием первичного сигнала?

4. Какую модуляцию называют манипуляцией?

5. Поясните отличие аналоговой модуляции от импульсной.

5.2. Сигналы электросвязи с амплитудной модуляцией

Определение. Временные диаграммы. Математическая модель. Спектры AM сигналов при модуляция простыл и сложным сигнала­ми. Ширина спектра. Свойства АМ сигналов.

Эффективность амплитудной модуляции (использование мощ­ности передатчика и полосы частот) и способы. ее повышения: передача АМ сигналов с подавленной несущей и одной боковой полосой.

Формирование амплитудно-модулированных сигналов. Простей­ший модулятор. Балансный и кольцевой модуляторы, модуляцион­ная характеристика.

Амплитудная манипуляция.

Эта тема является одной из наиболее важных в курсе ТЭС. Изложена она в [3, разд. 3] . При амплитудной модуляции амплитуда несущего колебания должна изменяться во времени в со­ответствии с изменением мгновенного значения модулирующего сигнала. При построении временной диаграммы AM сигнала следу­ет иметь в виду, что приращение мгновенного значения огибаю­щей несущего колебания должно быть пропорционально приращению мгновенного значения модулирующего сигнала. Отношение макси­мального значения приращения огибающей к амплитуде немодулиро-ванного несущего колебания называют коэффициентом амплитудной модуляции. Для неискаженной амплитудной модуляции он не дол­жен превышать единицы.

Важно уметь строить спектральные диаграммы AM сигнала и определять ширину спектра как при модуляции гармоническим сиг­налом (тоном), так и при модуляции сигналом сложной формы: периодическим или непериодическим. В первом случае ширина спектра AM сигнала равна удвоенной модулирующей частоте, а при модуляции сигналом сложной формы ширина спектра AM сигна­ла равна удвоенному значению максимальной модулирующей часто­ты. Таким образом, спектр AM при гармоническом модулирующем сигнале состоит из несущей и пары боковых частот, а при моду­лирующем сигнале сложной формы из несущей, верхней и нижней боковых полос.

В процессе модуляции амплитуда несущей в спектре AM сиг­нала не изменяется, и вся полезная информация содержится в боковых частотах или полосах частот, расположенных симметрич­но относительно несущей частоты. На практике формируют AM сигнал с одной боковой полосой из обычного AM сигнала за счет подавления верхней или нижней боковой полосы. Часто устраняют из спектра не только одну из боковых полос, но частично или полностью несущее колебание.

Формирование AM' сигналов можно осуществить с помощью нелинейных цепей. Важно понять, что для получения неискаженной модуляции, когда форма огибающей модулированного колебания точно соответствует форме модулирующего Сигнала, необходимо правильно выбирать режим работы схемы (амплитуду напряжения несущей частоты, величину напряжения смещения и т.д.), а так­же взять достаточную полосу пропускания колебательного контура.

Для выбора режима работы модулятора используют статичес­кую модуляционную характеристику. Эта характеристика представ­ляет собой зависимость амплитуды выходного тока первой гармони­ки от напряжения смещения при постоянной амплитуде несущей '(напряжение модулирующего сигнала при этом на схему модулято­ра не подается). Рабочую точку для получения неискаженной мо­дуляции следует выбирать на середине прямолинейного участка статической модуляционной характеристики.

На выходе балансного и кольцевого модуляторов формируется AМ сигнал, не содержащий в своем составе несущей частоты. При передаче без несущей частоты значительно снижается мощность передатчика при сохранении дальности связи. При тональной модуляции AM сигнал состоит из трех частот с амплитудами

U_mo ; и Отсюда следует, что при 100% модуляции на долю несущей приходится вдвое большая мощность, чем на долю боковых частот. В реальных условиях величина "m" непрерывно меняется. В среднем можно считать, что m=0,3. Тогда на долю несущей приходится мощность почти в 20 раз больше, чем на долю боковых. Значит, при переходе от обычной амплитудной модуляции к балан­сной модуляции возможна экономия в мощности передатчика в сред­нем в 20 раз.

Амплитудная манипуляция это модуляция несущего колебания последовательностью прямоугольных импульсов.

Вопросы для самопроверки

1. Каким образом определяется ширина спектра AM и от каких факторов она зависит?

2. Каким образом определяется ширина спектра AM, если моду­лирующим сигналом является периодический сигнал прямоугольной формы?

3. В каких случаях и почему можно передавать сообщения с

помощью одной боковой полосы?

4. С помощью каких цепей можно сформировать AM сигнал и

каким образом?

5. Каким образом можно сформировать однополосный AM сигнал?

5.3. Сигналы электросвязи с угловой модуляцией. Частотная модуляция, определение

Временные диаграммы ЧМ сигналов. Девиация частоты, индекс модуляции. Математическая модель ЧМ сигнала. Спектр ЧМ сигнала, его зависимость от индекса модуляции. Ширина спектра.

Частотный модулятор с использованием варикапа. Частотная

манипуляция.

Фазовая модуляция. Определение, временные диаграммы. Фа­зовая манипуляция (ФМ). Однократная и многократная ФМ. Формирование сигналов с относительной фазовой манипуляцией (0ФЙ). Применение 0ФМ. Сравнение AM, ЧМ и ФМ.

Материал темы изложен в [3, § 3.2, 3.5] . Если под действием модулирующего сигнала изменяется часто­та несущего колебания, то получается частотная модуляция (ЧМ), а если изменяется начальная фаза несущего колебания, то полу­чается фазовая модуляция (ФМ), Иногда не делают различия между фазовой и частотной модуляцией, называя эти оба вида модуляции "угловой" модуляцией. Это связано с представлением ФМ и ЧМ ко­лебаний в виде вращающегося вектора с изменяющейся фазой (углом) или переменной скоростью вращения. На рис. 2 пунктиром изображен немодулированный гармонический сигнал с частотой w , а сплошной кривой - ЧМ колебание. Как видно из рис.2, изменение частоты сопровождается изменением фазы этого колебания по сравнению-с фазой не модулированного колебания. И наоборот, всякое изменение фазы ВЧ колебания сопровождается изменением рис.1

Рис.1

мгновенной частоты. Внешне ЧМ мало отличается от ФМ, а связаны между собой частота и фаза так ω(t)= .

Однако индекс модуляции при ФМ зависит только от амплитуды напряжения модулирующего сигнала, в то время как при ЧМ девиа­ция частоты зависит от амплитуды модулирующего сигнала, а ин­декс частотной модуляции, обратно пропорционален модулирующей частоте. Это часто используют на практике для преобразования ФМ в ЧМ. Для этой цели достаточно на вход фазового модулятора включить интегрирующую цепочку, сигнал на выходе ее будет об­ратно пропорционален модулирующей частоте. Но различие между ФМ и ЧМ не только в их индексах модуляции. При ФМ закон изме­нения фазы колебания совпадает с формой модулирующего сигнала, а при ЧМ закон изменения частоты колебания в точности совпада­ет с формой модулирующего сигнала. Различие между ФМ и ЧМ особенно заметно при модуляции сигналом не синусоидальной формы. В отличие от амплитудной модуляции при угловой модуляции со­ставляющая спектра с частотой wнес изменяется при изменении индекса модуляции М. Поэтому ЧМ и ФМ с подавленной несущей не существует. Если индекс частотной модуляции М<I, частотную модуляцию называют узкополосной и спектр ЧМ становится похожим на спектр AM сигнала. При больших индексах модуляции (М>1) частотную модуляцию называют широкополосной и ширину спектра ЧМ можно принять равной двум девиациям частоты.

5.4. Импульсная модуляция

Дискретизация непрерывных сигналов. Теорема Котельникова. База сигнала. Эффективность и область использования дискретизированных сигналов. Виды импульсной модуляции: АИМ, ШИМ, ВИМ, ЧИМ. Формирование импульсно-модулированных сигналов. Для успешного усвоения этой темы следует изучить материал, изложенный в [3, § 3.4]. Необходимо понять сущность дискретизации сигналов по времени и квантования по уровню, уяснить, что такое шаг квантования и шум квантования. Для этого необ­ходимо усвоить теорему В.А. Котельникова [3, § 2.6] и усло­вия, при которых непрерывный сигнал может быть точно восста­новлен по соответствующему ему дискретизированному сигналу. При изучении импульсной модуляции следует иметь в виду, что широтно-импульсная модуляция (ШИМ) аналогична длительно-им­пульсной модуляции (ДИМ), а фазо-импульсная модуляция (ФИМ) идентична время-импульсной модуляции (ВИМ). Преимуществом ШИМ и ФИМ перед амплитудно-импульсной модуляцией' (АИМ) и является то, что при импульсной модуляции с постоянной амплитудой им­пульсов (ШИМ, ФИМ) можно уменьшить вредное влияние помех в приемнике за счет двухстороннего ограничения импульсов по ам­плитуде.

Вопросы для самопроверки

1. Поясните сущность теоремы В.А. Котельникова. Для ка­ких сигналов справедлива эта теорема?

2. Что является переносчиком сообщения при импульсных методах модуляции?

3. Перечислите виды импульсной модуляции.

4. Начертите временную диаграмму широтно-импульсной мо­дуляции, поясните ее сущность.

5. Каким образом определяется спектр при импульсной мо­дуляции?

6. Из каких соображений выбирается частота следования импульсной несущей?

6.5. Цифровые виды модуляции

Квантование и кодирование сигнала. Параметры кодов. Равномерные я неравномерные коды.

Цифровые виды модуляции. Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) и дельта-модуляция, их эффективность и область приме­нения. Формирование ИКМ и дельта-модулированных сигналов.

Материал данной темы изложен в [3, § IS.4] . Для усвое­ния принципов формирования цифровых видов модуляции необходи­мо понять принцип кодирования. Вайю уяснить такие понятия как основание и значность кода, кодовая комбинация, кодовое слово, кодовое расстояние |3,§ 17.1J .

Важно понять как из непрерывного сигнала сформировать цифровой (дискретный). Различает при этом два вида преобразо­вания: импульсно-кодовое и дельта-преобразование. Для их изу­чения необходимо проработать призеры в [3, с. 262, 264] .

Вопросы для самопроверки

1. Что называют кодом, приведите параметры кодов?

2. Сколько кодовых комбинаций мокло получить с помощью пятиэлементного двоичного кода?

3. Поясните принцип формирования ИКМ сигнала.

4. Дайте понятие кодов равномерных, неравномерных, прос­тых, избыточных. Приведите примеры этих кодов.

5.6. Преобразование частоты

Назначение преобразователей частоты. Принцип преобразо­вания частоты. Требования, предъявляемые к преобразователям. Структурная схема преобразователя частоты. Смеситель, гетеро­дин. Временные и спектральные диаграммы.

Материал темы изложен в [3, § 5.5]. Следует уяснить, что преобразование частоты основано на взаимодействии в цепи не­линейного элемента двух сигналов: сигнала, подвергаемого пре­образованию £ и сигнала jЈ_er , подводимого от местного ге­нератора.

В результате такого взаимодействия происходит обога­щение спектра и задачей избирательной системы является перенос (смещение) спектра сигнала по шкале частот в область более низких (супергетеродинный прием) или более высоких (РРД) час­тот. Работа преобразователя частоты и его структурная схема во многом напоминают схему получения AM колебаний, только ко­лебательный контур настраивается не на несущую частоту, а на разностную f_c - f_гет или суммарную f_c + f_гет в зависимости от назначения схемы преобразователя.

Вопросы для самопроверки

1. Поясните сущность преобразования частоты с помощью временных и спектральных диаграмм.

2. Составьте структурную схему преобразователя частоты и поясните его работу.

Изучив раздел 5, студенты должны знать: назначение и сущность модуляции;

принципы и способы формирования AM, ЧМ и ФМ сигналов, их. временные и спектральные диаграммы, уметь определять ширину спектра таких сигналов;

принципы кодирования сигналов;

принцип преобразования непрерывных сигналов в цифровой в цифровых видах модуляции;

сущность преобразования частоты.