Виды модуляции сигналов кратко
Обновлено: 02.07.2024
Полезный звуковой сигнал, например голос, представляет собой акустические колебания или звуковые волны. Очевидно, что эти колебания должны быть преобразованы в электрический вид. Обычно, преобразование обычно осуществляется с помощью микрофона.
Для передачи сигналов на большие расстояния необходимо, чтобы они обладали большой энергией. Известно, что энергия сигнала пропорциональна четвертой степени его частоты, то есть сигналы с большей частотой обладают большей энергией. В практике часто сигналы, несущие в себе информацию, например, речевые сигналы, имеют низкую частоту колебаний и поэтому, чтобы передать их на большое расстояние необходимо частоту информационных сигналов повышать.
Таким образом для передачи электромагнитных колебаний необходим источник электромагнитных колебаний значительной мощности и частотного диапазона, исходя из условий распространения радиоволн.
Рассмотрим гармоническое колебание, которое имеет частоту ω достаточную для распространения на большие расстояния и изменяется по закону:
Наложить информацию на это колебание можно путем медленного, по сравнению с периодом, изменения его амплитуды Um, частоты ω или фазы φ. Такой процесс называется модуляцией.
В зависимости от того, какой параметр изменяют, различают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ) модуляцию.
Амплитудно-модулированный сигнал получается путем перемножения двух сигналов. Один содержит информацию, а другой является несущим. Пусть сигнал информации, (рис. 3.1.) и несущее колебание (рис. 3.2.) изменяются в соответствии со следующими выражениями:
где U0 – постоянная составляющая сигнала, U1mи U2m – амплитуды информационного сигнала и несущего колебания, Ω, ω - частота информационного сигнала и несущего колебания.
Рис. 3.1. Информационный сигнал.
Рис. 3.2. Несущее колебание.
Перемножим эти сигналы:
Введем обозначения:
где Um - амплитуда промодулированного сигнала, М – коэффициент модуляции.
С учетом введенных обозначений, получим выражение для амплитудно – модулированного сигнала в следующем виде:
Вид амплитудно-модулированного сигнала показан на рис. 3.3, а его спектр на рис. 3.4.
Рис. 3.3. Амплитудно-модулированный сигнал.
Таким образом, спектр радиочастотного колебания при амплитудной модуляции гармоническим колебанием состоит из трех составляющих: нижней боковой, несущей и верхней боковой гармоник. Видно, что амплитуды боковых составляющих зависят от коэффициента модуляции М.
Рис.3.4. Спектр амплитудно – модулированного сигнала.
Вид амплитудно-модулированного сигнала и его спектра, изображенные на рис. 3.3 и 3.4. справедлив для случая, когда модуляция производится однотональным сигналом частотой Ω. На практике чаще используют модуляцию несущих колебаний речевым сигналом, который занимает определенный спектр частот ΔΩ. В этом случае вместо двух боковых частот ( ?-Ω) и( ?+Ω) имеют место два боковых спектра частот ( ?-ΔΩ) и ( ?+ΔΩ), которые называются верхней и нижней боковой полосой частот – ВБ и НБ. (рис.3.5)
Для получения однополосного амплитудно-модулированного сигнала необходимо подавить сигнал несущий частоты и одной из боковых полос.
Существует два метода получения сигнала с одной боковой полосой (ОБП):
1. Метод фильтрации.
2. Метод фазирования
При этом следует иметь в виду два обстоятельства:
- спектр ВБ и НБ оказываются сдвинуты относительно исходного спектра речевого сигнала ΔΩ на величину несущей частоты;
- спектр НБ оказывается инверсным относительно исходного спектра речевого сигнала.
Частотно-модулированный сигнал - это колебание, у которого мгновенная частота изменяется по закону модулирующего сигнала. Пусть модулирующий сигнал и несущее колебание изменяется, как показано на рис. 3.6, 3.7.
Рис. 3.6. Модулирующий сигнал.
Рис. 3.7. Несущий сигнал.
Тогда мгновенная частота при частотной модуляции равна:
здесь Δω - девиация (отклонение) частоты под действием модулирующего сигнала, это отклонение в принципе пропорционально амплитуде модулирующего колебания.
Уравнение частотно-модулированное колебания запишется в следующем виде:
где - есть индекс частотной модуляции. Вид частотно – модулированного сигнала показан на рис. 3.8.
Рис. 3.8. Частотно – модулированный сигнал.
Частотно – модулированный сигнал имеет дискретный спектр рис. 3.9. с гармониками на частотах (ω0± nΩ), где n = 1, 2, 3, 4, 5…
Рис. 3.9. Спектр частотно – модулированного сигнала.
Вид спектра модулированного колебания зависит от индекса частотной модуляции m, теоретически спектр бесконечен, но на практике он ограничивается двумя - тремя составляющими, так как амплитуды гармоник высших порядков интенсивно убывают. Фазомодулированным колебанием называется колебание, у которого фаза изменяется по закону модулирующего сигнала. Выражение, описывающее такое колебание, имеет вид:
.
Частотно-модулированное колебание является в то же время и фазомодулированным. Иногда оба вида модуляции называют угловой модуляцией. Однако при частотной модуляции изменение частоты, а не фазы совпадает с законом изменения модулирующего сигнала. Кроме того, при частотной модуляции индекс модуляции обратно пропорционален модулирующей частоте, тогда как при фазовой модуляции такой зависимости нет.
Когда колебание промодулировано гармоническим сигналом, отличить частотную модуляцию от фазовой можно, только сравнив изменения мгновенной фазы модулированного колебания с законом изменения модулирующего напряжения.
Все три рассмотренных способа модуляции несущего сигнала гармоническим информационным сигналом пригодны и для передачи дискретных сигналов. Такой вид модуляции называется манипуляцией. Источником информации манипулирующих сигналов служат телеграфный ключ, датчик кода Морзе, телеграфная буквопечатающая аппаратура, аппаратура передачи данных и быстродействия.
Принцип амплитудной манипуляции при однополюсном телеграфировании поясняется рис. 3.10.
Технические способы формирования сигналов АТ чрезвычайно просты. Передатчик должен излучать высокочастотные колебания при нажатом ключе, а в момент телеграфной паузы (ключ не нажат) излучение должно отсутствовать.
Спектр АТ радиосигнала носит дискретный характер и показан на рис. 3.11. На этом рисунке Fт = Vт/2 – основная частота телеграфирования, где Vт – скорость телеграфирования в бодах.
Рис. 3.11. Спектр АТ сигнала
Для нормального приема радиосигнала по каналу должны быть переданы составляющие спектра сигнала в полосе частот 6Fт = 3Vт или в полосе 10Fт = 5Vт (радиоканал с замираниями). Таким образом, ширина спектра АТ радиосигнала напрямую зависит от скорости передачи информации и составит ΔFАТ = (3. 5)Vт.
Так как при слуховой работе телеграфными радиосигналами АТ обеспечивается скорость до 15…20 бод, то ширина спектра такого сигнала составит 45…60 Гц. Из всех телеграфных сигналов радиосигнал с амплитудной манипуляцией имеет самый узкий спектр.
При частотном управлении колебаниями отрицательной посылке (передаче "0") соответствует работа передатчика на частоте fБ, а положительной посылке (передаче "1") – работа на частоте fВ, причем fБ
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.
Процесс передачи данных в системах связи требует повышения эффективности и помехоустойчивости. Добиться этого позволяет использование одного из методов измерения физических величин для их трансляции на расстояние — модуляции.
Что такое модуляция в системах связи
Изменение одного или нескольких показателей несущего модулируемого сигнала посредством модулирующего сигнала.
Общий принцип модуляции
Преимущества использования модуляций в системах связи
Применение модуляции дает несколько преимуществ:
● Формирование радиосигнала, обладающего свойствами, которые соответствуют параметрам несущей частоты;
● Использование антенн малого размера, поскольку он должен быть пропорционален длине волны;
● Обеспечение отсутствия интерференции с другими радиосигналами.
Виды модуляции в системах связи
Существует три основных вида модуляции:
Аналоговая модуляция
Предполагает кодирование информации посредством изменения частоты, амплитуды или фазы синусоидального сигнала, относящегося к несущей частоте.
Цифровая модуляция
Импульсная модуляция
Вариация модулированных сигналов, где несущий сигнал представлен последовательностью импульсов. Определяется изменением параметров импульсных сигналов (длительности, частоты, фазы, амплитуды).
Методы модуляции в системах связи
Модуляция в системах связи осуществляется посредством множества методов, дополнительно классифицируемых на отдельные типы.
Амплитудная модуляция
Осуществляется изменением амплитуды несущего сигнала. Ко входу модулирующего устройства поступают опорный и модулирующий сигналы, а у выхода образуется смодулированный. Данный тип прост в исполнении, однако не способен обеспечить достаточную помехоустойчивость.
Существуют следующие виды амплитудной модуляции (АМ):
Балансная модуляция
Применяется для устранения составляющей несущего сигнала, существующей в спектре модулированного. При этом создается модулированный сигнал без составляющей несущего путем использования специализированных модуляторов — кольцевого или балансного.
Однополосная модуляция
Формирует модулированный сигнал, имеющий одну боковую полосу. Широко используется каналообразующей аппаратурой для эффективного применения мощности радиопередающего оборудования, спектра канала. Однополосный канал превосходит амплитудную модуляцию по мощности и напряжению.
Частотная модуляция
Процесс, вызывающий изменения частоты несущего сигнала соответственно мгновенным показателям модулирующего. Характеризуется высокой помехоустойчивостью, однако требует использования высокочастотного диапазона.
Частотная модуляция представлена следующими видами:
ЧМ с минимальным сдвигом
Модуляция, при которой последовательность, состоящая из прямоугольных информационных импульсов, проходит сквозь фильтр Гаусса.
Двукратная частотная манипуляция
Простейший вид многократной манипуляции, где модулируемая частота передатчика принимает четыре значения (f).
Фазовая модуляция
Процесс, отражающий изменение фазы несущего сигнала соответственно мгновенным значениям модулирующего. Данный тип формирует защищенную от помех связь в микроволновом диапазоне.
Делится на три вида:
Относительная фазовая модуляция
При данном типе в зависимости от значения информационного элемента меняется только фаза сигнала при сохранной частоте, амплитуде. Отсчет фазы транслируемого сигнала производится относительно предыдущего элемента, а не несущей.
Двоичная фазовая модуляция
Простой метод, способный передавать один бит на символ.
Двукратная относительная фазовая манипуляция
При этом способе каждому сочетанию показателей двух соседних разрядов транслируемой кодовой комбинации соответствует одно из 4-х значений разности фаз находящихся рядом посылок.
Смешанные методы модуляции
Такие методы предполагают одновременную модуляцию нескольких параметров сигнала (частота, амплитуда, фаза).
Представлена следующими типами:
Амплитудно-фазовая манипуляция (квадратурная)
Амплитудно-импульсная модуляция
Заключается в изменении прироста амплитуды импульсов соответственно функции сигнала управления при периоде следования импульсов и их постоянной длительности.
Импульсно-кодовая модуляция
Позволяет отобразить аналоговый непрерывный сигнал как последовательность равноудаленных друг от друга импульсов, амплитуда которых представлена двоичным кодом. Такое преобразование повышает надежность хранения, передачи сигнала.
Фазоимпульсная модуляция
Представлена задержкой появления импульса относительно начала периода на время, которое соответствует значению информационных символов (модулируемого сигнала). Импульсы при этом отличаются постоянной длительностью.
Широтно-импульсная модуляция
Управление мощностью, осуществляемое методом пульсирующего включения и выключения энергопотребителя. При этом изменяется длительность импульса (в зависимости от модулирующего сигнала), частота же остается постоянной.
Аддитивная модуляция
Добавляет модулирующий сигнал к несущей, что позволяет создавать двухтоновые сигналы или добавлять контролируемые сигналы шума, имеющие разную полосу пропускания. Использование данного типа модуляции увеличивает амплитуду выходного сигнала на амплитуду модулирующего.
Дельта-модуляция
Способ превращения аналогового сигнала в цифровой. Каждый момент отсчета сопровождается сравнением преобразуемого сигнала с пилообразным напряжением, существующем на каждом шаге дискретизации.
Основные характеристики модуляции в системах связи
Модуляцию характеризуют несколько основных параметров:
Энергетическая эффективность
Характеризует достоверность передаваемой информации при воздействии на сигнал гауссовского шума, при условии, что символьная последовательность восстановлена идеальным демодулятором. Величина определяется как минимальный показатель взаимосвязи сигнал/шум, необходимое для трансляции данных с вероятностью ошибки, не превышающей заданную. Показатель отражает минимальную мощность передатчика, при которой возможно его адекватное функционирование.
Спектральная эффективность
Характеризует частотную полосу, необходимую для трансляции данных с определенной скоростью. Определяется отношением скорости трансляции данных к используемой полосе пропускания канала.
Устойчивость к воздействиям канала передачи
Описывает достоверность транслируемой информации при воздействии на канал искажений специфического вида — замирания, возникающего из‑за многолучевого распространения, помех, сосредоточенных по времени и частоте, ограничения полосы, эффекта Допплера и т. д.
Линейность усилителей
Использование для усиления сигналов с некоторыми вариантами модуляции усилителей С-класса нелинейного типа позволяет уменьшить потребление энергии передатчиком. При этом уровень излучения вне полосы не превышает допустимые значения.
Сложность реализации модемов
Характеризуется вычислительным ресурсом, который требуется для выполнения алгоритма демодуляции, а также требованиями, применимыми к характеристикам аналоговой части.
Критерии выбора формата модуляции
Выбор необходимого формата определяет:
Величина выигрыша
Предельное значение выигрыша различно для каждого типа модуляции (амплитудная — 1, частотная, фазовая — более 1). Однако общим требованием выступает увеличение полос пропускания приемника, поскольку выигрыш может быть достигнут только при малом уровне помех.
Ошибки передачи
Зачем нужны новые методы модуляции
Основным форматом модуляции выступает бинарное амплитудное кодирование, популярность которого поддерживается благодаря малой стоимости приемопередающего оборудования, простоте реализации. Однако использование АМ препятствует повышению спектральной эффективности, а значит и суммарной скорости передачи информации. Поэтому необходима разработка и внедрение новых спектрально эффективных форматов.
Читайте также: