SPET L12 (1)

1.

ЗМІСТОВНИЙ МОДУЛЬ 1. ОСНОВИ ТЕОРІЇ
СИГНАЛІВ
Тема №5. Сигнали із імпульсною модуляцією.
ЛЕКЦІЯ №12
Заняття №29. Сигнали із імпульсною
модуляцією

2.

НАВЧАЛЬНІ ПИТАННЯ
1. Загальна характеристика сигналів із імпульсною
модуляцією.
Класифікація сигналів із імпульсною модуляцією.
2. Амплітудно імпульсна модуляція (Pulse-amplitude
modulation, PAM).
Широтно імпульсна модуляція (pulse-duration
(width) modulation, PDM(PWM)).
3. Фазово імпульсна модуляція (Pulse-position
modulation, PPM).
Частотно імпульсна модуляція (PulseFrequency Modulation, PFM).

3.

НАВЧАЛЬНІ ЦІЛІ ТА РЕЗУЛЬТАТИ ЗАНЯТТЯ:
1. Дати знання типів, параметрів, характеристик
імпульсних сигналів.
2. Формувати розуміння складу АЧС імпульсних
сигналів.

4.

ЛІТЕРАТУРА
Рихальський О. Р. Сигнали та процеси в радіотехніці.
Ч.1. Детерміновані сигнали та їх спектри: курс лекцій. −
Житомир: ЖВІ ДУТ, 2013. – 396 с.: іл.
Волощук Ю. І. Сигнали та процеси у радіотехніці.
Підручник для студентів вищих навчальних закладів.
Том 1. Харків: Компанія СМІТ, 2003. – 580 с.
Бабак В.П., Білецький А.Я. Детерміновані сигнали і
спектри: навч. посіб. – К.: Техніка, 2003. – 454 с.
Бабак В.П., Білецький А.Я., Гуржій А.Н. Сигнали і
спектри. – К.: НАУ, 2005. – 490 с.

5.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА
СИГНАЛІВ ІЗ ІМПУЛЬСНОЮ
МОДУЛЯЦІЄЮ.
КЛАСИФІКАЦІЯ СИГНАЛІВ ІЗ
ІМПУЛЬСНОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ.

6.

У розглянутих раніше видах
модуляції (АМ, ФМ, ЧМ) носієм
інформації є високочастотне
гармонійне коливання, у якого
змінюється
відповідний
параметр: амплітуда, фаза або
частота.
В якості носія інформації використовується періодична
послідовність імпульсів, в якій інформаційну компоненту
вкладають в зміну параметрів послідовності: амплітуду,
частоту і тривалість.
Зміною одного з цих параметрів за законом інформаційного
повідомлення реалізується імпульсна модуляція.

7.

ВИДИ ІМПУЛЬСНОЇ МОДУЛЯЦІЇ:
1. Амплітудно-імпульсна модуляція (АІМ):
АІМ-1,
АІМ-2;
2. Широтно-імпульсна модуляція (ШІМ);
3. Часово-імпульсна модуляція (ЧасІМ):
частотно-імпульсна (ЧІМ),
фазово-імпульсна (ФІМ) модуляції;
4. Імпульсно-кодова модуляція (ІКМ)*
*- Імпульсно-кодова модуляція (ІКМ) буде розглянута
в наступних лекціях разом із цифровою модуляцією

8.

9.

СТРУКТУРНА СХЕМА ІМПУЛЬСНОГО МОДУЛЯТОРА:
СКЛАД СХЕМИ:
Електронний ключ;
ППВІ
–
періодична
S АІМ kT , послідовність відеоімпульсів;
Sінф t
Інформаційний сигнал;|
АІМ
–
імпульсноS ППВІ kT ,
модульований сигнал
РОБОТА СХЕМИ:
Електронний ключ спрацьовує при надходженні ППВІ,
та пропускає на вихід АІМ.
Sінф t S ППВІ kT , S АІМ kT ,
Sінф t - безперервний інформаційний сигнал
S ППВІ kT , періодична
kT
послідовність
відеоімпульсів із тривалістю

10.

2. АМПЛІТУДНО ІМПУЛЬСНА
МОДУЛЯЦІЯ (PULSE-AMPLITUDE
MODULATION, PAM). ШИРОТНО
ІМПУЛЬСНА МОДУЛЯЦІЯ (PULSEDURATION (WIDTH) MODULATION,
PDM(PWM)).

11.

Амплітудно-імпульсна модуляція (АІМ) - Pulse-amplitude
modulation, (PAM) за законом модулюючого сигналу
змінюється амплітуда імпульсів, а тривалість і частота
залишаються постійними.
ВИДИ АІМ:
АІМ першого роду(АІМ- 1)
– амплітуда імпульсів
змінюється в межах його
тривалості відповідно обвідній
інформаційного повідомлення
(рис. 2а).
і
АІМ другого роду(АІМ- 2) амплітуда імпульсів в межах
його тривалості постійна і
відповідає значенню
модулюючого сигналу в
момент початку відліку.
і

12.

АЧС АІМ СИГНАЛУ
Для однотональної модуляції S ì t U ì cos t ,
- частота модуляції.
k 1 i
sin
i
i
2
s t Аm 1 2
cos k 1t mАm cos t
T
T
k 1 k 1 i
2
k 1 i
sin
i
2
mАm
cos k 1t t cos k 1t t .
T k 1 k 1 i
2
A0 ,T , 1 2 T , i - амплітуда, період, частота та тривалість
імпульсів.
kА м
m
- індекс модуляції.
Аm

13.

14.

При АІМ-1 амплітуди
бічних гармонік мають
різну амплітуду, відповідно
до обвідної спектра.
і
При АІМ-2 спектри
бічних смуг симетричні.
адже
форма
АІМ-2
імпульсів теж симетрична.
і
АЧС АІМ 1 та АІМ 2

15.

Характерною особливістю спектрів сигналів імпульсної модуляції є
наявність біля fс = 0 складових, відповідних частотам переданих
повідомлень fв.
Це дозволяє демодуляцію АІМ фільтром нижніх частот (ФНЧ), що
пропускає на вихід лише спектральні складові з частотами від 0 до 2πfв і
придушує усі інші.
Застосовують демодуляцію сигналу АІМ за допомогою смугових
фільтрів, налаштованих на частоту fс, 2fс і т. д. і що мають смугу
пропускання 2fв (рис. 5а):

16.

При широтно-імпульсній модуляції (ШІМ) (pulse-duration
(width) modulation, PDM(PWM)) під дією миттєвих значень
повідомлення змінюється тривалість або ширина імпульсів
переносника (рис.6), розширюючись при збільшенні
миттєвого значення повідомлення і звужуючись при його
зменшенні (за рахунок положення заднього фронту
імпульсу). Частота і амплітуда імпульсів при ШІМ не
змінюються.

17.

ВИДИ ШІМ:
ШІМ першого роду
(ШІМ- 1) – змінюється
часове положення переднього
або заднього фронту імпульсу.
S ШІМ 1 t
ШІМ другого роду
(ШІМ- 2) - змінюється і
фронт, і зріз імпульсу.
S ШІМ 2 t

18.

АЧС ШІМ
f
sin 1 0
2 А0 0
2 f1 м
Sf
J0
T
f1 0
2
2
1
f с
імін
mq 2
Fм
1
Tм
1
f1
T
м
0
f
sin 1 0
2 A0 0
2 f1 м
S f1 2 Fм
J2
T
2
f1 0
2
- ширина спектру сигналу.
- індекс модуляції сигналу.
- частота модулюючого сигналу.
- частота центральної гармоніки спектру ЧМ сигналу.
м макс мін - девіація тривалості імпульсу.

19.

СКЛАД АЧС ШІМ
Огинаюча виду sinx/x.
Гармоніка на частоті сигналу (постійна складова) f 0 Гц
Бічна гармоніка на частоті модулюючого сигналу Fм.
Набір спектрів звичайного ЧМ сигналу із центральними kf1
та бічними гармоніками kf1 Fм .
Амплітуди гармонік обмежуються огинаючою АЧС.
S ШІМ 1 ( f ), мВ
A0
Аm i
T
АЧCВІ
АЧCЧМ
f1
3 f1
f1 Fì f1 Fì
f1 2Fì
f 2F 3 f1 Fì 3 f1 Fì
0 Fì
1
f с
ì
f с
f , МГц

20.

Для демодуляції ШІМ використовують ФНЧ, як для
демодуляції АІМ.
Проте при цьому неможливо виділити корисне повідомлення
без спотворень, оскільки в смугу пропускання ФНЧ потраплять
спектральні компоненти з частотами:
При раціональному виборі параметрів
спотворення можна зробити досить малими.
модуляції
ці

21.

ПРИКЛАДИ ЗАСТОСУВАННЯ ШІМ.
Для плавного управління фізичним процесом:
напругою на варикапі для зміни ємності в коливальному контурі РПрП;
потужністю передавача;
швидкістю обертання приводу антени.
Рис. 8 – Приклади застосування ШІМ

22.

3. ФАЗОВО ІМПУЛЬСНА МОДУЛЯЦІЯ
(PULSE-POSITION MODULATION, PPM).
ЧАСТОТНО ІМПУЛЬСНА МОДУЛЯЦІЯ
(PULSE-FREQUENCY MODULATION,
PFM).

23.

При широтно-імпульсній модуляції (ШІМ) (pulse-duration
(width) modulation, PDM(PWM)) під дією миттєвих значень
повідомлення змінюється тривалість або ширина імпульсів
переносника (рис.6), розширюючись при збільшенні
миттєвого значення повідомлення і звужуючись при його
зменшенні (за рахунок положення заднього фронту
імпульсу).
Частота і амплітуда імпульсів при ШІМ не змінюються.

24.

ВИДИ ШІМ:
ШІМ першого роду
(ШІМ- 1) – змінюється
часове положення переднього
або заднього фронту імпульсу.
S ШІМ 1 t
ШІМ другого роду
(ШІМ- 2) - змінюється і
фронт, і зріз імпульсу.
S ШІМ 2 t

25.

АЧС ШІМ
f
sin 1 0
2 А0 0
2 J f1 м
Sf
0
T
f1 0
2
2
f с
mq 2
Fм
1
Tм
1
і мін
м
0
f1 0
sin
2 A0 0
2 f1 м
S f1 2 Fм
J2
f
T
1 0
2
2
- ширина спектру сигналу.
- індекс модуляції сигналу.
- частота модулюючого сигналу.
1
f1 - частота центральної гармоніки спектру ЧМ сигналу.
T
м макс мін
- девіація тривалості імпульсу.

26.

СКЛАД АЧС ШІМ
Огинаюча виду sinx/x.
Гармоніка на частоті сигналу (постійна складова) f 0 Гц
Бічна гармоніка на частоті модулюючого сигналу Fм.
Набір спектрів звичайного ЧМ сигналу із центральними k f1
та бічними гармоніками k f1 Fм .
Амплітуди гармонік обмежуються огинаючою АЧС.
S ШІМ 1 ( f ), мВ
A0
Аm i
T
АЧСВІ
АЧСЧМ
f1
3 f1
f1 Fì f1 Fì
f1 2Fì
f 2F 3 f1 Fì 3 f1 Fì
0 Fì
1
f с
ì
f с
f , МГц

27.

Для демодуляції ШІМ використовують ФНЧ, як для
демодуляції АІМ.
Проте при цьому неможливо виділити корисне повідомлення
без спотворень, оскільки в смугу пропускання ФНЧ потраплять
спектральні компоненти з частотами:
При раціональному виборі параметрів
спотворення можна зробити досить малими.
модуляції
ці

28.

ПРИКЛАДИ ЗАСТОСУВАННЯ ШІМ.
Для плавного управління фізичним процесом:
напругою на варикапі для зміни ємності в коливальному контурі РПрП;
потужністю передавача;
швидкістю обертання приводу антени.
Рис. 8 – Приклади застосування ШІМ

29.

Часово-імпульсна модуляція (ЧасІМ) об’єднує фазовоімпульсну (ФІМ) (Pulse-position modulation, PPM) та
частотно-імпульсну (ЧІМ) (Pulse-Frequency Modulation,
PFM) модуляції .
Фазово-імпульсна модуляція (ФІМ).
При ФІМ зрушення імпульсів відносно тактових точок
kTс змінюється за законом зміни модулюючої функції r(t), що
відображає передану інформацію (рис. 9). При цьому
амплітуда і тривалість імпульсів не змінюється.

30.

Положення імпульсу можна виміряти відносно канальної точки.
Канальна точка - це положення імпульсу на осі часу за
відсутності модулюючого сигналу, тобто r(t) = 0.
Девіація імпульсу - це максимальне часове відхилення імпульсу
від канальної точки.
При ФІМ інформація закладена в положенні імпульсів
відносно тактових точок.

31.

СКЛАД АЧС ФІМ
0
U 0 0 2 U 0
f м 0
SФІМ t
m sin
сos f м t C nf 0 , kf м , t .
T
T
2
2
n 1 k
U 0 0
S ( f0 )
T
- амплітуда обвідної,
2 U 0
m - амплітуда гармоніки модулюючого сигналу,
T
1
f0
- частота слідування відеоімпульсів (центральна
T
Sм
частота підспектрів ЧМ сигналу),
f c
1
- ширина спектру.
0
SФІМ f , мВ
S f0
Sм
0
f0 f м
f0
3 f0
2 f0
f0 f м 2 f0 f м
4 f0
5 f0
6 f 0 f , Гц

32.

ДЕМОДУЛЯЦІЯ ФІМ
Демодуляція ФІМ сигналу за допомогою ФНЧ на практиці не
застосовується.
Щоб понизити спотворення і збільшити рівень корисної складової на
виході демодулятора ФІМ перетворюють у який-небудь інший вид імпульсної
модуляції.
Можливі наступні види перетворення :
- ФІМ → ШІМ;
- ФІМ → АІМ;
- ФІМ → АФІМ (амплітудно-фазова імпульсна модуляція).

33.

Частотно-імпульсна модуляція (ЧІМ).
АЧС ЧІМ такий, як АЧС ФІМ

34.

Рис. 12
- Порівняльний аналіз видів імпульсної модуляції

35.

ВИСНОВКИ
Показники видів модуляції
Ефективність
потужність сигналу;
смуга частот;
пропускна
спроможність.
Завадостійкість

36.

Ефективність
Завадостійкість
АІМ низька
АІМ низька
За однакових умов
ФІМ = ШІМ = ЧІМ= ЧМ
В реальних умовах
ФІМ, ШІМ < ЧМ
ФІМ, ШІМ, ЧІМ > АІМ
ФІМ-АМ > ШІМ-АМ
АІМ-АМ низька
АІМ-ЧМ висока,
АІМ - більше
каналів,
ЧМ - висока
завадостійкість

37.

ЗАСТОСУВАННЯ
ФІМ-АМ – для передавання телефонних
телеметричних повідомлень. Малі флуктуації.
Мале число каналів.
ФІМ, ЧІМ, ФМ, ЧМ - складність апаратури
систем. Для передачі повідомлень на великі
відстані з високою точністю.

38.

Завдання на С/П:
1. Відпрацювати конспект лекцій.
2. Л1-9