Раздел № 2. Тема № 4. Лекция № 25. Общие сведения об аналоговых системах связи. Амплитудная модуляция

1.

Модуль военно-технической
(военно-специальной) подготовки
Раздел №2. «Основы радиоэлектроники.
Радиосвязное оборудование воздушных судов»
Тема № 4. Радиосвязное оборудование воздушных судов
Лекция № 25. Общие сведения об аналоговых системах связи. Амплитудная
модуляция. Частотная модуляция. Фазовая модуляция. Способы представления
модулированных сигналов. Двухполосная модуляция с подавленной несущей.
Однополосная модуляция.
лектор - кандидат физико-математических наук,
подполковник запаса
Межетов Муслим Амирович

2.

Общие сведения об аналоговых системах связи
Для
того,
чтобы
сформированная
в
радиопередающем устройстве несущая была полезна на
приемной стороне ее необходимо наделить полезной
информацией или другими словами промодулировать.
Определение. Модуляцией называется процесс изменения
одного или нескольких параметров несущего колебания по
закону передаваемого сигнала или других сигналов воздействующих на нее.
Передаваемым сигналом может быть, например, речь, а
другим, одновременно воздействующим шум.
Для осуществления модуляции используется электрический
аналог сигнала, подлежащего передаче, который поступает с
соответствующего датчика или преобразователя. Например,
преобразователем речевого сигнала в электрический
является широко известный микрофон.

3.

Модуляция может осуществляться как аналоговым
сигналом, так и его дискретными значениями – импульсами.
При определенных условиях в радиоприемнике по
дискретным значениям восстанавливается аналоговый
сигнал. Помимо дискретизации передаваемый сигнал может
быть определенным образом видоизменен или закодирован
для скрытности от радиоразведки противника.
В зависимости от того какой параметр несущего
колебания изменяется различают амплитудную (АМ),
частотную (ЧМ), фазовую (ФМ), однополосную (ОМ),
импульсную (ИМ), фазоразностную (ФРМ) модуляции.
Следует отметить, что импульсная модуляция является
частным случаем амплитудной модуляции.
Рассмотрим каждую из отмеченных видов модуляции в
отдельности.

4.

Амплитудная модуляция.
Амплитудная
модуляция
используется
в
радиотелефонной связи для передачи речевых сообщений, в
телевидении для передачи сигналов изображения, а также в
ряде навигационных и радиолокационных устройств.
Определение. Амплитудной модуляцией называется процесс
изменения амплитуды высокочастотных колебаний по закону
модулирующего (передаваемого) сигнала.
В общем случае модулирующий сигнал является случайной
функцией и теоретически имеет бесконечно широкий спектр.
Однако на практике полоса, занимаемая модулирующим
сигналом, ограничена и лежит в пределах от Ωмин…Ωмакс.
Ширину этой полосы определяют на этапе разработки
радиотехнического устройства и стремятся сделать как
можно меньше, так как от этого зависит количество
образуемых каналов.

5.

Человеческая речь занимает полосу частот от 20Гц до 20кГц.
Однако при передаче речевой информации с борта или на
борт летательного аппарата нас больше интересует не
качество передаваемого сообщения, а его разборчивость. Так
было установлено, что для разборчивой передачи речевого
сигнал достаточной полосой пропускания является полоса от
300 Гц до 3,4 кГц.

6.

U m ax U m in
m
U m ax U m in
коэффициент амплитудной
модуляции
Математическое описание амплитудно-модулированного
сигнала
u U m cos t
mU m
mU m
cos t
cos t
2
2

7.

Спектр амплитудно-модулированного сигнала
состоит из трёх гармонических колебаний с несущей
частотой и двух боковых составляющих
mU m
и + , амплитуды которых равны 2
U
U
D
Um
mUm
2
mUm
2
max min min max

8.

Частотная модуляция. Фазовая модуляция
При частотной и фазовой модуляции амплитуда
высокочастотных колебаний остается неизменной
U
t
Режим молчания

9.

Для анализа удобно считать, что модулирующее
колебание изменяется по гармоническому закону. Тогда для
частотной модуляции закон изменения частоты определяется
простым соотношением:
( t ) o D д сos t
Аналогично для фазовой модуляции
( t ) ot D сos t

10.

Поскольку
высокочастотные
колебания
выражать через полную фазу, то, учитывая, что
удобно
( t ) ( t )dt
для фазы частотно модулированного колебания получаем:
( t ) ( t )dt o D д cos tdt ot
D д
m
D д
sin t
- индекс модуляции.
Математическое выражение для фазомодулированного колебания
имеет вид
iфм ( t ) I к 1сos ot D cos t
где D - девиация частоты

11.

Iк1
m
2 Iк1
m
2 Iк1
а)
3
2
б)
Спектр сигнала с угловой модуляцией:
а) при малых m<<1, б) при больших m>>1

12.

Двухполосная модуляция с подавленной несущей и её
спектр
mU m
mU m
u
cos t
cos t
2
2

13.

Однополосная модуляция
Однополосная модуляция (ОМ) является в настоящее время
одним из основных видов модуляции при передаче сообщений в
диапазоне коротких волн 2…30 МГц. Идея однополосной модуляции
была теоретически обоснована М.В. Шулейкиным еще в 1914 году.
Проведенный им анализ спектра амплитудно-модулированного
сигнала показал, что для передачи речевого сигнала достаточно
только одной боковой полосы. Однако однополосная передача с
большим трудом вышла из этапа экспериментальных исследований и
начала широко внедрятся в радиосвязи в конце позапрошлого века.
Причиной такого запаздывания явилась в первую очередь сложность
практического осуществления. Спектр амплитудно-модулированного
колебания, как известно, состоит из несущей и двух боковых полос.
Каждая из боковых полос содержит полную информацию о
передаваемом сообщении. Несущие колебание информации не
содержит. При однополосной модуляции используется только одна
боковая полоса

14.

Получение спектра однополосного сигнала из спектра
сигнала с амплитудной модуляцией

15.

Рассмотрим преимущества, которые можно получить
при использовании однополосной модуляции.
Первым преимуществом такой модуляции является сужение
спектра частот, занимаемого передаваемым сообщением. При
передаче сообщения с помощью однополосного сигнала
осуществляется перенос спектра модулирующего сигнала в
область высоких частот. Поэтому для передачи сигнала в
этом случае требуется полоса частот в два раза уже , чем при
амплитудной модуляции. Это позволяет увеличить количество
радиостанции, одновременно работающих в коротковолновом
диапазоне.
Вторым достоинством однополосной модуляции
является лучшее использование мощности передатчика. При
амплитудной
модуляции
амплитуда
боковых
полос
изменяется
прямо
пропорционально
коэффициенту
модуляции

16.

Мощность однополосного передатчика используется
в 4 раза эффективнее, чем мощность передатчика с
амплитудной модуляцией. Кроме этого, за счёт сужения
полосы пропускания однополосного приёмника в
раза,
увеличивается отношение сигнал/шум на его входе, что
эквивалентно увеличению мощности сигнала в 2 раза.
Полученный восьмикратный выигрыш в мощности
при переходе от амплитудной модуляции к однополосной
имеет место
при поверхностном распространении
радиоволн. При радиосвязи отраженным лучом, вследствие
селективных замираний составляющих спектра амплитудномодулированного сигнала, уровень сигнала на входе
приемника замет-но уменьшается. Однополосный сигнал
меньше подвержен замираниям. Это обеспечивает выигрыш
по мощности, близкий к двум.

17.

Таким образом, в системе связи с однополосной
модуляцией
достигается
шестнадцатикратный
общий
выигрыш по мощности при использовании одинаковых
активных элементов: в 4 раза за счёт лучшего использования
мощности передатчика, в 2 раза за счёт сужения полосы
пропускания приёмника и в 2 раза за счёт уменьшения
селективных замираний. При малых отношениях сигнал/шум
за
счет
большей
помехоустойчивости
однополосной
модуляции этот выигрыш может быть еще выше.

18.

Третьим достоинством однополосной модуляции
является снижение мощности потребляемой передатчиком.
При отсутствии модуляции, то есть в паузах при передаче
информации, однополосной передатчик не излучает, а
следовательно и не потребляет мощности. В свою очередь
амплитудно-модулированный передатчик в паузах излучает
немодулированную несущую и потребляет при этом какую-то
мощность. Поэтому, в настоящее время однополосная
модуляция является основным видом модуляции при
передаче сообщений в коротковолновом диапазоне.
Основным недостатком однополосной модуляции
является требование высокой стабильности частоты в
радиолинии. Так как однополосный сигнал является
сигналом с подавленной несущей, то при приёме необходимо
восстановить несущую. Точность восстановления зависит от
требования к качеству передачи и составляет +1…+2 Гц для
приёма высококачественных музыкальных передач и +10 Гц
для телефонных сообщений.

19.

Максимально допустимое рассогласование не должно
превышать 100…200 Гц. Рассогласование между истинным
значением несущей и восстановленным значением называют
рассинхронизмом. Так как однополосная модуляция есть
перенос спектра звукового сообщения в область высоких
частот на величину н, то при приёме необходимо произвести
обратное преобразование. Это осуществляется вычитанием
из принимаемого спектра и колебаний с частотой 0 =
н

20.

21.

При точном синхронизме н = о, спектр колебаний
на выходе детектора точно совпадает с передаваемым
спектром, то есть приём осуществляется без искажений. При
наличии рассинхронизма, спектр в приёмнике сдвигается на
величину D = o – н, в результате в спектре появляются
составляющие с частотой ниже min и исчезают
составляющие с частотой, близкой max. Когда D > min
наблюдается частичная инверсия спектра.
Вторым недостатком является сильное влияние
эффекта Доплера при работе с подвижными объектами

22.

Спектр однополосно - модулированного сигнала с
пилот сигналом

23.

ВЫВОДЫ
23
Таким образом, на сегодняшнем занятии рассмотрены вопросы:
Общие сведения об аналоговых системах связи. Амплитудная
модуляция. Частотная модуляция. Фазовая модуляция. Способы
представления модулированных сигналов. Двухполосная модуляция с
подавленной несущей. Однополосная модуляция.

24.

Задание на самостоятельную работу
Прочитав конспект лекций ответить на следующие вопросы:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Что называют модуляцией?
Какие виды модуляции ВЫ знаете?
Что называется амплитудной модуляцией?
Изобразить временное представление АМ сигнала, а так же его
спектр?
Изобразить временное представление ЧМ(ФМ) сигнала, а так
же его спектр при различных индексах модуляции?
Изобразить временное представление сигнала с подавленной
несущей, а так же его спектр?
Показать спектр однополосного сигнала и перечислить его
достоинства в сравнении с АМ сигналом?
С какой цель к однополосному сигналу добавляют несущую?