Методы формирования и преобразования сигналов. Модуляция и детектирование

1.

Инженерный факультет
Кафедра инфокоммуникационных технологий и систем связи
Учебная дисциплина
«Общая теория связи»
Доцент кафедры (инфокоммуникационных технологий
и систем связи)
Ефимова Екатерина Витальевна

2.

ТЕМА № 3
Методы формирования и преобразования сигналов.
Модуляция и детектирование
Лекция № 3.2
Виды модуляции сигналов
УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Однополосная модуляция.
2. Многопозиционная квадратурная модуляция.
3. Методы модуляции при импульсном переносчике.
2

3. Литература

а) основная литература:
1. Зверев А.П. Общая теория связи. Часть 1. Химки 2014.- 196с.
б) дополнительная литература:
2.Прокис Дж. Цифровая связь: Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. – М.: Радио и связь, 2000. – 800 с.
3.Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Пер. с англ. – М.:
Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с.
4.Сухоруков А.С. Теория электрической связи: Конспект лекций. Часть 1. – М.:МТУСИ, ЦЕНТР ДО, 2002. – 65 с.
5.Сухоруков А.С. Теория цифровой связи: Учебное пособие. Часть 2. – М.:МТУСИ, 2008. – 53 с.
3

4. 1 учебный вопрос ОДНОПОЛОСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

4

5.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯЦИИ
Модуляция (лат. modulatio — размеренность, ритмичность) — процесс изменения
одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону
низкочастотного информационного сигнала (сообщения)
Условное графическое
обозначение
модулятора
При модуляции на вход модулятора подаются сигналы:
u(t) — модулирующий, данный сигнал является
информационным и низкочастотным (его частоту
обозначают W или F);
S(t) — модулируемый (несущий), данный сигнал
является неинформационным
и высокочастотным (его частота обозначается w0 или f0);
Sм(t) — модулированный сигнал, данный сигнал
является информационным и высокочастотным.
Передаваемая
информация
заложена
в
управляющем
(модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации
выполняет несущий (модулируемый) сигнал. Модуляция
представляет собой процесс «посадки» информационного
колебания на заведомо известную несущую с целью получения
нового, модулированного сигнала.

6. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Амплитудная модуляция (amplitude modulation (AM) — процесс
изменения амплитуды несущего сигнала, как правило высокочастотного
синусоидального колебания, в соответствии с мгновенными значениями
информационного аналогового сигнала.
Математическая модель амплитудно-модулированного (АМ)
сигнала при гармоническом модулирующем сигнале
При воздействии модулирующего сигнала
u(t)=Umu sinωt (1)
на несущее колебание
S(t)=Um sin(ω0t+φ) (2)
происходит изменение амплитуды несущего сигнала по закону:
Uам(t)=Um+аам Umu sinωt (3)
где аам — коэффициент пропорциональности амплитудной модуляции.
Подставив (3) в математическую модель (2) получим:
Sам(t)=(Um+аам Umu sinωt) sin(ω0t+φ) (4)
или
Sам(t)=Um(1+аам (Umu/Um) sinω t) sin(ω0t+φ) (5)
аам (Umu/Um) = mам называется коэффициентом амплитудной модуляции.
6

7. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

С учетом mам математическая модель АМ сигнала при гармоническом
модулирующем сигнале будет иметь вид:
Sам(t)=Um(1+mам sinω t) sin(ω0t+φ).
Рассмотрим спектр АМ сигнала для гармонического модулирующего сигнала.
Для этого раскроем скобки математической модели модулированного
сигнала, т. е. представим его в виде суммы гармонических составляющих
Sам(t)=Um(1+mам sinω t) sin(ω0t+φ)=
=Um sin(ω0t+φ)+mамUm/2 sin((ω0 — ω) t+j) — mамUm/2 sin((ω0 +ω)t+j).
в спектре АМ сигнала присутствует три составляющих: составляющая несущего
сигнала и две полосы частот справа и слева от нее, каждая из которых имеет
ширину спектра информационного сигнала.
7

8. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Составляющая на
частоте ω0 - ω
называется нижней
боковой составляющей,
а на частоте ω0 + ω —
верхней боковой
составляющей.
Если же модулирующий сигнал является случайным, то в
этом случае в спектре составляющие модулирующего
сигнала обозначают символически треугольниками
Ширина спектра для
АМ-сигнала
ΔFам=(ω0 + ω)-(ω0 - ω)=2ω
8

9. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Составляющие в диапазоне частот (ω0 - ωmax) – (ω0 — ωmin) образуют нижнюю
боковую полосу (НБП),
а составляющие в диапазоне частот (ω0 + ωmin) – (ω0 +ωmax) образуют верхнюю
боковую полосу (ВБП)
ΔFам=(ω0+ω max) — (ω 0 — ω min)=2 ω max
Ширина спектра для
данного сигнала
9

10. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

при mам=0 модуляция отсутствует, сигнал
представляет собой немодулированную
несущую, соответственно и спектр этого
сигнала имеет только составляющую
несущего сигнала
0< mам <1
При
индексе
модуляции
mам=1
происходит глубокая модуляция, в
спектре АМ сигнала амплитуды боковых
составляющих
равны
половине
амплитуды составляющей несущего
сигнала
При mам >1 происходит перемодуляция,
что приводит к искажению огибающей
АМ-сигнала. В спектре такого сигнала
амплитуды
боковых
составляющих
превышают
половину
амплитуды
составляющей несущего сигнала
10

11. БАЛАНСКАЯ МОДУЛЯЦИЯ

При балансной модуляции
происходит формирование
модулированного сигнала без
составляющей несущего
сигнала.
В основном это осуществляется
путем использования
специальных
модуляторов: балансного или
кольцевого
11

12. ОДНОПОЛОСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Модуляция при которой формируется модулированный сигнал с одной
боковой полосой (верхней или нижней) называется однополосной
модуляцией. Формирование однополосно-модулированного (ОМ)
сигнала осуществляется из БМ сигнала.
12

13. 2 учебный вопрос МНОГОПОЗИЦИОННАЯ КВАДРАТУРНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

13

14. КВАДРАТУРНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

векторные
диаграммы
При фазовой манипуляции (Phase Shift Keying - РSК ) значения нуля и единицы
исходных данных передаются синусоидами с различной фазой — φ1 и φ2.
Недостаток – более сложная реализация, достоинство – экономия частотного ресурса
и обеспечение более помехозащищенного информационного обмена.
В простейшем случае несущая может иметь два значения фазы - 0 и 180°.
а) двоичная фазовая
манипуляция (BPSK)
б) квадратурная фазовая
манипуляция (QPSK)
в) восьмеричная фазовая
манипуляция (8-PSK)
14

15. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПОСОБОВ ЦИФРОВОЙ МАНИПУЛЯЦИИ

15

16. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПОСОБОВ ЦИФРОВОЙ МАНИПУЛЯЦИИ

Вид
цифровой
манипуляции
Помехоустойчивость
Простота
технической
реализации
Спектральные
характеристики
Энергетические
показатели
АМн (ASK)
3
1
3
3
ЧМн(FSK)
2
2
2
2
ФМн(FSK)
1
3
1
1
1-наилучшие показатели, 3- наихудшие показатели.
Ширина спектра манипулированных сигналов зависит от длительности импульсов
информационного сигнала: чем длительность импульса меньше, тем спектр его шире.
Спектр непериодического сигнала – непрерывный (сплошной).
Структура спектров манипулированных сигналов аналогична структуре
модулированных и включает в себя частоту несущего колебания и две боковых полосы.
16

17. СПЕКТРЫ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ МАНИПУЛЯЦИИ

17

18. СПЕКТРЫ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ МАНИПУЛЯЦИИ

18

19. УВЕЛИЧЕНИЕ ЧИСЛА ВОЗМОЖНЫХ СОСТОЯНИЙ

19

20. КВАДРАТУРНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Для повышения эффективности использования полосы частот канала связи
применяется многопозиционная квадратурная амплитудная манипуляция (КАМн)
Квадратурная модуляция
(quadrature amplitude modulation (QAM) —
разновидность амплитудной модуляции сигнала, которая представляет собой сумму
двух несущих колебаний одной частоты, но сдвинутых по фазе относительно друг
друга на 90 ˚, каждое из которых модулировано по амплитуде своим модулирующим
сигналом
векторной диаграммы, на которой в
декартовой системе координат с
вертикальной осью Q и горизонтальной осью
I изображают положение конца вектора
промодулированного сигнала. Набор точек,
показывающих возможное положение конца
вектора сигнала на плоскости IхQ, часто
называют созвездием
4-КАМн
16-КАМн
20

21. КВАДРАТУРНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Каждая точка характеризуется
своим сочетанием амплитуды и
фазы
сигнала,
поэтому
соответствующий каждой точке
символ переносит информацию
в количестве I = log2N , где I —
число
битов
информации,
передаваемое
каждым
символом; N— число возможных
«позиций» вектора, или точек на
векторной диаграмме.
При
модуляции
4-QAM
амплитуда сигнала не меняется,
и такой случай полностью
эквивалентен
четырех
позиционной
фазовой
манипуляции (4-PSK или QPSK).
21

22. 3 учебный вопрос МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ПЕРЕНОСЧИКЕ

22

23. ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

При
импульсной
модуляции
носителем
информации
является
последовательность импульсов, обычно прямоугольной формы, а модулирующий
полезный сигнал является аналоговым (непрерывным
Параметры носителя:
U0 – амплитуда;
t– длительность;
φ– фаза;
w– частота следования,
0T/p=20.
23

24. ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

В зависимости от того, какой параметр несущего цифрового
сигнала изменяется различают следующие виды
импульсной модуляции:
АИМ – амплитудно- импульсная модуляция;
ШИМ – широтно-импульсная модуляция;
ФИМ – фазоимпульсная модуляция;
ЧИМ – частотно-импульсная модуляция;
КИМ – кодоимпульсная модуляция.
24

25. АМПЛИТУДНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

25

26. АМПЛИТУДНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Для выделения
информационного
сигнала x(t) из
модулированного U(t)
нужен ФНЧ с полосой
пропускания
Ширина спектра
АИМ-сигнала
практически равна
ширине спектра
одного импульса
26

27. ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Устанавливает
зависимость между
амплитудой
аналогового
информационного
сигнала и
длительностью
импульса в несущем
сигнале. Чем больше
амплитуда, тем
дольше длится
импульс несущей
последовательности.
27

28. ФАЗОИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Спектр ФИМ-сигнала имеет такую же
структуру, что и ШИМ-сигнал.
Только боковые спектры затухают
медленнее.
ФИМ и ШИМ – это разновидности
времяимпульсной модуляции
(ВИМ).
28

29. ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Здесь информацию несет частота следования импульсов var.=T/p2=w
Чем больше амплитуда модулирующего информационного сигнала.
тем чаще следуют импульсы несущей последовательности.
Ширина
спектра
ЧИМ-сигнала
определяется
минимальной
длительностью одиночного импульса.
Спектр ЧИМ-сигнала подобен спектрам ВИМ-сигналов.
29

30. КОДОИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Dх - шаг квантования по
уровню.
Dtкк – длительность
кодовой комбинации;
Dtз - защитный интервал
(его часть используется для
передачи
синхронизирующей
информации СИ).
Широкополосность КИМсигналов позволяет
достигать лучшей
помехоустойчивости.
30

31. ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

31

32. ВИДЫ МОДУЛЯЦИИ

Аналоговые
сигналы –
сигналы,
непрерывные во
времени.
Дискретные
сигналы –
сигналы, имеющие
значение в
конкретный
момент времени,
изменяющие
значение скачком.
Демодуляция (Детектирование сигнала) — процесс, обратный модуляции сигнала, представляет
собой преобразование модулированных сигналов, принятых из канала, для переноса спектра сигнала
в область частот, свойственную исходному информационному сигналу
32

33. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ АМ

Основные достоинства амплитудной модуляции:
Основные недостатки амплитудной модуляции:
33

34. ПРИМЕНЕНИЕ АМ

34

35. ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Частотная аналоговая модуляция
(frequency modulation (FM) — процесс
изменения частоты несущего сигнала, как правило высокочастотного синусоидального
колебания, в соответствии с мгновенными значениями информационного аналогового
сигнала (как правило амплитуды).
Спектры ЧМ сигнала
при гармоническом
модулирующем сигнале
и при различных
индексах Мчм:
а) при Мчм=0,5,
б) при Мчм=1,
в) при Мчм=5.
35

36. ПРИМЕНЕНИЕ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ

36

37. СПЕКТРЫ СИГНАЛОВ

Спектры ЧМ сигнала при
гармоническом
модулирующем сигнале
и при различных индексах
Мчм:
а) при Мчм=0,5,
б) при Мчм=1,
в) при Мчм=5.
37