Сигналы с амплитудной и однополосной модуляцией

1.

1
Учебные вопросы:
1. Сигналы с амплитудной и однополосной
модуляцией.
2.Сигналы с частотной и фазовой модуляцией.
3. Сигналы с амплитудной манипуляцией.
4.Сигналы с частотной и фазовой манипуляцией.

2.

2
Учебный вопрос № 1
Сигналы с амплитудной и
однополосной модуляцией

3.

3
Амплитудная модуляция (amplitude modulation, АМ) исторически
была первым видом модуляции, освоенным на практике.
В настоящее время АМ применяется в основном только для
радиовещания на сравнительно низких частотах (не выше коротких волн) и
для передачи изображения в телевизионном вещании. Это обусловлено
низким КПД использования энергии модулированных сигналов.
Несущая вырабатывается
задающим
генератором,
работающим на отведенной
для радиостанции частоте
(рис. 1.21) и имеющим очень
высокую стабильность.
Его
синусоидальные
колебания 1 поступают на
модулятор,
где
взаимодействуют
со
звуковыми колебаниями 2,
образуя
модулированный
сигнал 3. Последний подается
на усилитель мощности, а с
его выхода - на антенну
радиостанции.

4.

4
Однополосная модуляция-управление электрическими колебаниями,
при котором сообщение (сигнал) передаётся только на одной
(выделенной) боковой полосе частот.
В радиосигнале с АМ 70 % мощности передатчика расходуется на
излучение сигнала несущей частоты, который не содержит никакой
информации о модулирующем сигнале. Остальные 30 % делятся поровну
между двумя боковыми частотными полосами, которые представляют
собой точное зеркальное отображение друг друга. Таким образом, без
всякого ущерба для передаваемой информации можно исключить из
спектра сигнала несущую и одну из боковых полос, и расходовать всю
мощность передатчика для излучения только информативного сигнала.
В зависимости от того, какая боковая полоса сохраняется, говорят об
однополосной модуляции с использованием верхней или нижней боковой
полосы.

5.

5
Учебный вопрос № 2
Сигналы с частотной и фазовой
модуляцией

6.

6
Частотная модуляция (ЧМ, FM (англ. Frequency modulation))-вид
аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет
частотой несущего колебания. По сравнению с амплитудной
модуляцией здесь амплитуда остаётся постоянной.
Наибольшее отклонение частоты от среднего значения, называется
девиацией. В идеальном варианте, девиация должна быть прямо
пропорционально амплитуде модулирующего колебания.
Различают
широкополосную
и
узкополосную
ЧМ
модуляцию.
В широкополосной — спектр частот, значительно превосходит частоту
модулирующего сигнала.
Основные преимущества ЧМ, перед АМ — энергоэффективность и
помехоустойчивость.
Частотная модуляция
неразрывно связана с
фазовой
модуляцией,
так как с изменением
частоты
связано
и
изменение
фазы
модулированного
колебания.

7.

7
Фазовая модуляция-один из видов модуляции, при которой фаза несущего
колебания управляется информационным сигналом, т.е. при фазовой
модуляции переносчиком информации
гармонического колебания.
является
изменение
фазы
При ФМ принципиальным является жесткое соответствие начальных фаз
приемника и передатчика. Однако при похождении ФМ сигнала по каналу связи за
счёт изменения фазы передаваемого сигнала (переключения генераторного
оборудования каналообразующей аппаратуры) возникает так называемая
«обратная работа», когда вместо передаваемого символа «1» принимается
символ «0». Поэтому на практике ФМ не используется, а применяют ее
видоизменение - относительная фазовая модуляция (ОФМ).
В
реальности,
больше
применяют
термин
фазовая
манипуляция,
т.к.
в
основном производят
модуляцию дискретных
сигналов.
Смысл ФМ таков, что
фаза
несущей,
изменяется
скачкообразно,
при
приходе
очередного
дискретного
сигнала,
отличного
от
предыдущего.

8.

8
Учебный вопрос № 3
Сигналы с амплитудной
манипуляцией

9.

9
Применительно к прерывистым (дискретным) сигналам используют
понятие не модуляция, а манипуляция, однако его часто заменяют все тем же
словом модуляция подразумевая, что речь идет о цифровых сигналах.
Амплитудная манипуляция (АМн; англ. amplitude shift keying (ASK)изменение сигнала, при котором скачкообразно меняется амплитуда несущего
колебания.
Амплитуда высокочастотного сигнала на
выходе радиопередатчика принимает только два
значения: максимальное и нулевое.
Соответственно, включение или выключение
выполняется оператором с
помощью телеграфного ключа или с помощью
автоматического формирователя телеграфных
посылок (датчика кода Морзе, компьютера).
Огибающая радиоимпульса (элементарной
посылки-точки и тире) на практике, не
прямоугольная (как это показано схематично на
рисунке), а имеет плавные передний и
задний фронты.
Амплитудная манипуляция нашла применение в оптических каналах связи,
т.к. они гораздо меньше подвержены амплитудным помехам.
При этом под амплитудой в оптическом сигнале понимается сила света.
Таким образом, наличие или отсутствие светового импульса будет
соответствовать двум значениям цифрового потока.

10.

10
Учебный вопрос № 4
Сигналы с частотной и фазовой
манипуляцией

11.

11
При частотной манипуляции (ЧМн; английский термин - frequency shift keying,
FSK) каждому возможному значению передаваемого символа сопоставляется
своя частота. В течение каждого символьного интервала передается
гармоническое колебание с частотой, соответствующей текущему символу.
Частотная манипуляция помехоустойчива, поскольку помехи телефонного
канала искажают в основном амплитуду, а не частоту сигнала. Однако при
частотной манипуляции неэкономно расходуется ресурс полосы
частот
телефонного канала. Поэтому этот вид модуляции применяется в
низкоскоростных протоколах, позволяющих осуществлять связь по каналам с
низким отношением сигнал/шум. Например, для передачи "0" используется
частота 5Гц, а "1" - 10Гц.
В эфире довольно часто наблюдаются
частотно-селективные
помехи,
вызванные
работой
промышленного
оборудования
(генераторы,
трансформаторы).
Если
передаваемый сигнал окажется в полосе
действия таких помех, то возможен
высокий процент потери информации или
даже полное "перекрытие" канала связи.
Частотная манипуляция также как
и амплитудная редко применяется на
практике. ЧМ используется лишь в
хорошо защищенных каналах связи при
передаче на небольшие расстояния.

12.

12
Фазовая манипуляция (англ. Phase-shift keying (PSK)) предполагает изменение
фазы несущего сигнала в зависимости от передаваемого символа. Для передачи
"0", например, может быть использована начальная фаза 0 градусов, а для "1" 180 градусов. Этот вид манипуляции более сложен в реализации, но вместе с
тем и наиболее помехоустойчив.
Одним их основных недостатков фазовой манипуляции является эффект
«обратной работы» в фазовом детекторе (устройстве, выделяющем из
манипулированного сигнала информационный), когда ошибка в одном символе
может привести к ошибочному детектированию всех последующих символов.
От этого нежелательного эффекта свободна относительная фазовая
манипуляция (ОФМ). Ее принцип заключается в том, что фаза символа
определяется не только текущим значением информационного сигнала, но и
значением предшествующих символов.
Вторым существенным
недостатком
фазовой
манипуляции
является
необходимость широкой
полосы пропускания для
передачи
фазоманипулированного
сигала. Широкая полоса,
необходимая
для
передачи такого сигнала,
обусловлена расширением
спектра
из-за
резких
переходов между фазой
предыдущего
и
последующего символа.

13.

13
На практике часто применяются не обычная ОФМ, а ДОФМ (двойная
относительная фазовая манипуляция) или ТОФМ (тройная относительная
фазовая манипуляция). Главное их преимущество – это возможность передать
в одной посылке сигнала сразу два информационных символа для ДОФМ и три –
для ТОФМ. Это достигается за счет использования не двух, а четырех (ДОФМ)
или восьми (ТОФМ) начальных фаз.
Для ДОФМ, например, могут быть использованы следующий вариант: 0
градусов – передача "00", 90 – "01", 180 – "10", 270 – "11". Аналогично для ТОФМ,
только для восьми начальных фаз: 0 градусов, 45, 90, 135 и т.д. Главным
тормозящим фактором дальнейшего увеличения информационной емкости
одной посылки сигнала является снижение помехозащищенности сигнала. Если
фазовое расстояние между соседними символами уменьшается, то ошибка
может быть создана меньшей по мощности помехой.
Также существуют и
другие
варианты
фазовой
манипуляции,
которые привносят те
или иные положительные
свойства.
Таким
образом,
фазовая
манипуляция
нашла
наибольшее
применение в системах
связи исключительно за
счет
низкой
доли
фазовых помех в общей
доле
нежелательных
внешних воздействий.
Рис. Фазо-манипулированный сигнал