Модуляция это кратко и понятно
Обновлено: 02.07.2024
Для начала разберемся, зачем вообще нужна модуляция и что она из себя представляет.
В рамках одного устройства для передачи информации используются низкочастотные колебания, передача которых на расстояние свыше нескольких метров крайне затруднительна, в силу их быстрого ослабевания. Но нам все равно хочется передавать сигналы на большие расстояния, вот тут на помощь приходит модуляция.
Возьмем высокочастотное колебание. Само по себе оно не несет никакой информации. Его мы будем использовать в качестве основного компонента передаваемого сигнала. Частоту этого колебания называют несущей. Для того, чтобы начать передавать полезную информацию, нам нужно каким-нибудь образом видоизменить несущую частоту так, чтобы она повторяла закономерности сигнала, который мы хотим передать. Иными словами, нам нужно сделать так, чтобы она несла информацию о нашем полезном сигнале. Это самое видоизменение называется модуляцией. Модуляция осуществляется с помощью модулятора со стороны отправителя, а с помощью демодулятора на стороне получателя высокочастотный сигнал преобразуется обратно в низкочастотный. Они собраны в одно устройство под названием модем, которое получилось благодаря слиянию слов МОдулятор и ДЕМодулятор. Есть разные принципы модуляции, некоторые из которых рассмотрим ниже. Самым древним методом модуляции можно назвать прерывание несущей частоты, которое использовалось в телеграфах. Этот метод, конечно, нельзя назвать в полной мере модуляцией, но тем не менее о нем нельзя не упомянуть в данной теме.
Теперь рассмотрим более формальные определения.
| Фиксированный уровень | Гармонический сигнал | Импульсы |
|---|---|---|
| Прямая модуляция | Аналоговая модуляция | Импульсная модуляция |
| Цифровая модуляция |
Это самый простой вид модуляции, при котором передача того или иного сигнала происходит путем изменения напряжения.
Зададим нормальное напряжение [math]U_H[/math] , тогда при уменьшении нормального уровня напряжения на [math]\Delta U_M[/math] передается двоичный 0, а при увеличении на ту же величину двоичная 1.
Для кодирования нескольких одинаковых значений подряд зададим промежуток времени [math]\Delta t[/math] , в течение которого передается одна цифра.
В зависимости от того, какой параметр несущего колебания изменяется, различают 3 основных вида аналоговой модуляций:
- Амплитудная
- Фазовая
- Частотная
Тот самый вид модуляции, который используется для передачи данных в компьютерных сетях.
Цифровую модуляцию принято называть манипуляцией, поэтому часто может встречаться именно этот термин.
Носителем так же, как и в случае аналоговой модуляции является колебание.
- Амплитудная
- Частотная
- Фазовая
- Квадратурная амплитудная (амплитудно-фазовая)
Для разных видов манипуляции существуют методы, позволяющие передавать не только 0 и 1 в рамках одного сигнала, такие методы получили название многопозиционные. Суть этих методов в том, что один элемент линейного сигнала несет информацию о большем числе битов, чем в обычных двухпозиционных методах. Работает это очень просто. Например, в многопозиционной амплитудной манипуляции зададим не 2 амплитуды, которые будут кодировать 0 или 1, а 4, которые будут соответствовать 00, 01, 10, 11 по мере увеличения амплитуды. Для многопозиционной частотной манипуляции используется больше частот, а для многопозиционной фазовой манипуляции, соответственно, больше сдвигов. Да, это действительно позволяет повысить удельную скорость передачи информации, но при этом начинают возникать ошибки, связанные с погрешностью передачи.
Рассмотрим самые распространенные методы:
С простой квадратурной амплитудной манипуляцией мы уже знакомы, теперь посмотрим на 2 многопозиционные вариации. Напомню, что это комбинация амплитудной и фазовой манипуляций. QAM-16 использует 16 комбинаций амплитудных и фазовых сдвигов, которые позволяют передавать 4 бита информации за 1 сигнал, а с помощью QAM-64, который использует 64 комбинации, можно передать целых 6 бит за сигнал. Каждая комбинация задается углом, который соответствует фазе и расстоянием от начала координат, которое показывает величину амплитуды. Ниже показана симуляция принципа работы квадратурной амплитудной манипуляции на примере QAM-16 и расположение точек для QAM-16 и QAM-64 соответственно.
Импульсная модуляция делится на 4 основных вида:
- Амплитудно-импульсная
- Широтно-импульсная
- Частотно-импульсная
- Фазово-импульсная
Сами по себе, схемы модуляции позволяют посылать только один сигнал, что достаточно плохо, учитывая количество пользователей сетями. Поэтому были разработаны схемы мультиплексирования, которые позволяют многим сигналам совместно использовать одни линии.
Частотное уплотнение использует передачу в полосе пропускания, чтобы совместно использовать канал. Спектр делится на диапазоны частот, каждый пользователь получает владение некоторой полосой, в которой он может послать свой сигнал. Наглядным примером частотного уплотнения служит AM-радиовещание. Его выделенный спектр составляет приблизительно 1 МГц, примерно от 500 до 1500 кГц. Другие частоты выделены другим логическим каналам (станциям), каждая станция действует в части спектра, с межканальным разделением, достаточно большим, чтобы предотвратить помехи.
На рисунке приведен пример объединения трех телефонных линий в одну. Можно заметить, что каждой линии выделяется полоса в 4000 Гц, хотя она занимает примерно 3100 Гц. Избыток в 900 Гц называется защитной полосой. Она сохраняет каналы хорошо отделенными друг от друга.
При отправке цифровых данных возможно эффективно разделить спектр, не используя защитные полосы. В OFDM полоса канала разделена на многие поднесущие, которые независимо передают данные (например, с квадратурной амплитудной модуляцией). Поднесущие плотно упакованы вместе в частотной области, но из за того, что характеристика каждой поднесущей разработана так, чтобы в центре смежных поднесущих это был ноль, каждая из них может быть выбрана в своей центральной частоте без помех от соседних.
Альтернатива частотному уплотнению FDM - временнОе уплотнение TDM. В этом методе каждый пользователь получает в пользование всю полосу, но на небольшой отрезок времени. Чтобы все работало, потоки должны быть синхронизированы по времени. Чтобы компенсировать небольшие отклонения синхронизации, между блоками имеется небольшой промежуток времени, именуемый защитным интервалом.
Метод аналогичен предыдущему, только отдельные потоки поступают в мультиплексный поток не по фиксированному распорядку, а согласно статистике их запросов.
В кодовом разделении каналов, в отличии от FDM и TDM, для каждого узла выделяется весь спектр частот и всё время. CDM использует специальные коды для идентификации соединений. При таком способе разделения среды каналы трафика создаются посредством применения широкополосного кодо-модулированного радиосигнала — шумоподобного сигнала, передаваемого в общий для других аналогичных передатчиков канал в едином широком частотном диапазоне. Эфир в данном частотном диапазоне в результате работы нескольких передатчиков становится ещё более шумоподобным. Каждый передатчик модулирует сигнал с применением присвоенного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода, а приёмник, настроенный на аналогичный код, может вычленять из общей кучи радиосигналов ту часть сигнала, которая предназначена данному приёмнику.
Когда мы слушаем радио - мы получаем звук, который прошёл очень длинный путь, проходя несколько превращений:
Звуковые колебания воздуха улавливаются мембраной микрофона и преобразуются в электрические колебания звуковой частоты.
Эти колебания усиливаются, а затем при помощи модулятора "придают форму" высокочастотным колебаниям генератора передающей станции. Затем снова усиливаются и передаются в антенну.
Антенна передатчика преобразует электрические колебания в электромагнитные волны, которые способны по воздуху преодолевать большие расстояния.
Антенна приёмника преобразует электромагнитные волны в электрические колебания, из которых в последствии можно отделить звуковую составляющую, усилить её, а затем при помощи динамиков преобразовать обратно в звук.
А вот теперь подробнее о том, что такое модуляция .
Амплитудная модуляция
При радиовещании на длинных, средних и коротких волнах созданные микрофоном и усиленные токи звуковой частоты изменяют амплитуду тока высокой частоты в антенне. Чем больше частота передаваемого звука, и соответственно частота тока, поступающего от микрофона, тем с большей частотой изменяются амплитуды токов высокой частоты в антенне.
Этот процесс изменения амплитуды токов высокой частоты и называется амплитудной модуляцией .
Глубина модуляции
Чем громче звук перед микрофоном, тем больше амплитуда поступающих на передатчик токов низкой частоты, тем в больших пределах изменяется амплитуда токов высокой частоты в антенне, и как говорят, тем глубже модуляция. Глубину амплитудной модуляции выражают в процентах. Если например амплитуда токов высокой частоты при модуляции увеличивается и соответственно уменьшается на 30% по сравнению с амплитудой токов ВЧ при отсутствии звука с микрофона, значит глубина модуляции 30%.
Частотная модуляция
Этот способ модуляции (ЧМ) применяют в радиовещательных передатчиках и приемниках, работающих в диапазоне УКВ.
Созданные микрофоном под действием на него звуковых волн токи звуковой частоты усиливаются, а затем воздействуют на передатчик так, что изменяется частота вырабатываемых им колебаний высокой частоты. Амплитуда же токов высокой частоты в антенне, а следовательно и мощность их во время передачи не изменяются.
Когда модулирующий ток возрастает, частота тока в антенне также увеличивается. В момент пикового значения модулирующего тока получаются наиболее высокая частота на выходе передатчика. Когда модулирующий ток уменьшается - частота тока в антенне также уменьшается. В момент отрицательного пика модулирующего сигнала в антенну поступает ток наименьшей частоты.
Пределы отклонения частоты тока в антенне ЧМ передатчика возрастают с увеличением амплитуды модулирующего тока, то есть с усилением действующего на микрофон звука.
При частотной модуляции несущей частотой называется средняя частота тока в антенне в отсутствие модуляции. Отклонение частоты называют девиацией .
Радиовещательные станции, работающие с частотной модуляцией, обеспечивает более высокое качество звуковоспроизведения при приеме, чем амплитудно-модулированные станции.
В тоже время система радиовещания на УКВ с частотной модуляцией, по сравнению с системой с амплитудной модуляцией, обладает более высокой помехоустойчивостью.
Ставьте лайк , если статья понравилась
Подписывайтесь на канал , чтобы не пропустить новые публикации на тему радиоэлектроники, ламповой техники, ремонта и реставрации винтажной аппаратуры
Модуляцией называют процесс преобразования одной либо нескольких характеристик модулирующего высокочастотного колебания при воздействии управляющего низкочастотного сигнала. В итоге спектр управляющего сигнала перемещается в высокочастотную область, где передача высоких частот является более эффективной.
Модуляция выполняется с целью передачи информации посредством электромагнитного излучения. Передаваемые данные содержатся в управляющем сигнале. А функцию переносчика осуществляет высокочастотное колебание, именуемое несущим. В роли несущего колебания могут быть использованы колебания разнообразной формы: пилообразные, прямоугольные и др., но обычно используют гармонические синусоидальные.
Исходя из того, какая именно характеристика синусоидального колебания изменяется, различают несколько типов модуляции:
Амплитудная модуляция
На вход модулирующего устройства передают модулирующий и опорный сигналы, в результате на выходе имеем смодулированный сигнал. Условием корректного преобразования считается удвоенное значение несущей частоты в сравнении с максимальным значением полосы модулирующего сигнала. Данный тип модуляции достаточно прост в исполнении, но отличается невысокой помехоустойчивостью.
Помехонеустойчивость возникает вследствие узкой полосы модулируемого сигнала. Ее используют в основном в средне- и низкочастотных интервалах электромагнитного спектра.
Частотная модуляция
В результате данного типа модуляции сигнал модулирует частоту опорного сигнала, а не мощность. Поэтому если величина сигнала увеличивается, то, соответственно, растет частота. Ввиду того, что полоса получаемого сигнала намного шире исходной величины сигнала.
Такая модуляция характеризуется высокой помехоустойчивостью, однако для ее применения следует использовать высокочастотный диапазон.
Фазовая модуляция
В процессе данного типа модуляции модулирующий сигнал использует фазу опорного сигнала. При данном типе модулирования получаемый сигнал имеет достаточно широкий спектр, потому что фаза оборачивается на 180 градусов.
Фазовая модуляция активно используется для формирования помехозащищенной связи в микроволновом диапазоне.
Импульсная модуляция
В качестве несущего сигнала могут использоваться незатухающие функции, шумы, последовательность импульсов и пр. Так, при импульсной модуляции в роли несущего сигнала используется последовательность узких импульсов, а в роли модулирующего сигнала выступает дискретный либо аналоговый сигнал. Так как последовательность импульсов характеризуется 4 характеристиками, то различают 4 типа модуляции:
Одним из основных параметров АМ, является коэфициент 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.
Данный спектр свойственен для модулирующего колебания постоянной частоты.
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
Читайте также: