Реферат "Виді модуляції радіосигналів"

Види модуляції радіосигналів

Поняття про модуляцію
Для перенесення інформаційних сигналів дискретних даних в ефірі застосовуються сигнали-носії (радіохвилі) із використанням модуляції (рис.1):

                                                                Рис. 1

Модуляцією називають накладання інформаційних сигналів на сигнали-носії. Такими носіями можуть виступати зокрема гармонійні коливання (фізично це зазвичай радіохвилі) або послідовності імпульсів. Відносно інформаційних сигналів вони є більш високочастотними. Надалі нас буде цікавити саме перший варіант. Питання модуляції послідовностей імпульсів ми розглядали в попередніх розділах, де використовували альтернативний термін фізичне кодування;

На рис.1 показані стандартні позначення модулятора та демодулятора. Модулятор наносить інформаційний сигнал u(t) на сигнал-носій U₀(t) та одержує модульований сигнал U(t), який надалі використвується для передачі в фізичному середовищі. Демодулятор відновлює вихідний інформаційний сигнал по одержаному модульованому, знов-таки використвуючи при цьому сигнал-носій;

Завдяки модуляції може вирішуватись ряд завдань. По-перше, це передача інформаційних сигналів в середовищі, яке для цього не пристосоване (зокрема, завдяки використанню радіохвиль стає можливою передача дискретних імпульсних сигналів на значні відстані в ефірі). По-друге модуляція дозволяє переносити спектр інформаційних сигналів в потрібну частотну смугу (зокрема саме таким чином виконується радіопередача на хвилях різної довжини). По-третє модуляція дозволяє збільшувати завадостійкість інформаційних сигналів та захищати їх від несанкціонованого доступу (надалі ми познайомимось із конкретними відповідними рішеннями).

Види модуляції

Існує два основних параметри класифікації видів модуляції радіосигналів (рис.2):


 

Рис. 2 Основні види модуляції радіосигналів

- види модуляції розділяються зокрема зважаючи на параметр сигналу-носія, який використовується для нанесення інформаційного сигналу (для гармонійного носія це може бути амплітуда, частота або фаза). Іншою важливою ознакою класифікації є вид інформаційного сигналу - неперервний або дискретний (для неперервного інформаційного сигналу безпосередньо використовують термін "модуляція", а для дискретного - термін "маніпуляція");

- основними видами модуляції присвоєні стандартні абревіатури, які часто використовуються в технічних текстах. Зокрема, амплітудна (Amplitude), частотна (Frequency) і фазова (Phase) безперервна модуляція (modulation) позначаються відповідно як АМ (AM), ЧС (FM) і ФМ (PM), а відповідні види дискретної маніпуляції (shift-keying) - як Амн (ASK), ЧМН (FSK) і ФМн (PSK). Оскільки безперервна зміна частоти і фази сигналу безпосередньо пов'язані між собою, ці два види модуляції часто об'єднують під загальною назвою "кутовий" (FM-PM). Всі види модуляції знаходять застосування у відповідність з їх особливостями, які ми розглянемо в подальшому.

Явище перенесення спектру на прикладі амплітудної модуляції

Важливою особливістю модуляції є перенесення спектру інформаційного сигналу в околицію частоти сигналу-носія. Розглянемо це явище на простому
прикладі безперервної амплітудної модуляції носія гармонійним сигналом (так звана тональна модуляція) - рис.3:
                                                              Рис.3
 

Нехай інформаційний сигнал є гармонікою із амплітудою ΔU, частотою Ω і фазою ψ, а сигнал носій — теж гармонійний із амплітудою U₀, частотою ω₀ і фазою φ0 (при цьому розуміється ω₀ >> Ω, як це зазвичай буває при практичному використанні сигналів-носіїв, наприклад, радіохвиль). Формули, що задають часові діаграми цих сигналів, мають відповідно вигляд ΔU(t)=ΔUcos(Ωt+ψ) та U₀(t)=U₀cos(ω₀t+φ₀). При цьому параметр mАМ=ΔU/U0 називається коефіцієнтом модуляції (зазвичай mАМ<1). Відповідні спектри мають форму ліній відповідно із амплітудою ΔU на частоті Ω та із амплітудою U₀ на частоті ω₀;
- аналітичне представлення модульованого сигналу одержимо, якщо в формулу сигналу-носія замість постійної амплітуди U₀ підставимо зміни його амплітуди згідно із завданням інформаціного сигналу: U(t)= [U₀ + ΔUcos(Ωt+ψ)] cos(ω₀t+φ₀). Тепер виконаємо перетворення згідно тригонометричним правилам добутку двох косинусів на напівсуму косинусів із відповідними аргументами та одержимо формулу у вигляді із трьох складових
U(t)= U₀ cos(ω₀t+φ₀) + (ΔU/2) cos[(ω₀+Ω)t+(φ₀ +ψ)] + (ΔU/2) cos[(ω₀-Ω)t+(φ₀ -ψ)];
- часове та спектральне відображення цієї функції відображено на рис.5. Для нас найбільш важливо, що в спектрі в результаті модуляції поряд із лінією сигналу-носія на частоті ω₀ з'явились дві лінії на частотах (ω₀+Ω) та (ω₀-Ω) — так звані бокові частоти із амплітудами ΔU/2, які відповідають вихідному інформаційному сигналу.
Таким чином в процесі модуляції закономірно виникає перенесення спектру інформаційного сигналу в околицю частоти сигнал-носія.

Особливості спектрів частотної та фазової модуляції

Як ми уже знаємо, амплітудна модуляція має відносно низьку завадостійкість, тож розглянемо особливості спектру частотної та фазової (узагальнено кутової) модуляції, яка широко використовується на практиці.
Це зручно зробити на більш простому прикладі безперервної тональної модуляції (рис.4):
 

               Рис.4 Аналіз сигналів безперервної кутової модуляції

- для випадку тональної модуляції ЧМ та ФМ еквівалентні, оскільки поступово змінення частоти нерозривно пов'язане із зміненням фази і навпаки. Формула кутової модуляції відображає коливання фази сигналу носія із частотою інформаційного сигналу. При цьому амплітуда таких коливань задається так званим індексом модуляції m=Δω/ω₀ , який відображає «глибину» моуляції. На відміну від коефіцієнта модуляції для АМ для індекса модуляції можливе m>1. При цьому із його збільшенням завадостійкість модульованих сигналів зростає;
- формула сигналу з кутовою модуляцією значно складніша, ніж з амплітудною завдяки тому, що тут замість добутку cos(x)cos(y) маємо cos(sin(x)), який представляється безкінечним рядом так званих функцій Бесселя.
- вигляд спектру такого сигналу визначається саме значенням індекса m (глибиною модуляції). Зокрема при m<=0,6 спектр аналогічний із АМ, тобто включає дві бокові частоти. Однак з позицій практики значно більший інтерес мають більші значення m, які забезпечують вищу завадостійкість.

Відзначимо, що безперервна кутова модуляція широко використвується в радіомовленні. Зокрема тут віддають перевагу саме ЧМ, оскільки технічна реалізація ФМ є більш складною. Отже добре знайоме сполучення FM-радіо означає саме передачу із використанням завадостікої частотної (frequency) модуляції.

Практичне використання перенесення спектру

Розглянутий механізм перенесення частотної лінії окремої гармоніки діє для всіх складових спектру. Отже, в результаті модуляції весь спектр інформаційного сигналу буде перенесений в околицю частоти сигналу-носія
(рис.5):

 

                Рис.5 До переносення спектру вихідного сигналу модуляцією

- важлива корисна властивість такого явища — можливість перенесення спектру інформаційного сигналу в задану частотну смугу завдяки відповідному вибору частоти сигнала-носія. Це зокрема дозволяє передавати різні сигнали в спільному фізичному середовищі, що широко використвується зокрема в радіомовленні;
- очевидний недолік безпосереднього використання такого механізму — подвоєння ширини спектру сигналу (рис.13.5). Але цей недолік відносно просто усувається завдяки тому, що ліва та права бокові полоси спектру модульованого сигналу абсолютно симетричні і тому несуть однакову інформацію. Отже вилучення однієї з бокових полос не зменшує кількості переданої інформацію, а лише послаблює сигнал, що можна компенсувати його підсиленням;
- практичне рішення, яке є типовим, полягає в тому, одразу після модулятора розміщують так званий смуговий частотний фільтр, що налаштований на пропускання тільки однієї бокової частотної смуги спектру модульованого сигналу. Зауважимо, що частоту сигналу-носія теж непотрібно передавати каналом, оскільки вона відома приймачу сигналів і може бути їм відтворена.

Отже перенесення спектру внаслідок модуляції практично не потребує розширення спектру інформаційного сигналу.