1.3.5. Модуляция

Для передачи информации по каналу связи необходимо иметь переносчик сигналов, в качестве которого может быть использован любой физический процесс, способный распространяться в пространстве. Переносчиками информации могут быть, например, звуковые волны, свет и т.д. В автоматизированных системах в качестве переносчика сигналов используют электрический ток, способный практически мгновенно распространяться по проводам на большое расстояние. Для нанесения сигнала на переносчик (электрический ток) необходимо воздействовать на параметры переносчика с целью их изменения во времени по заданному закону.

Модуляция — процесс нанесения информации на переносчик, а параметры переносчика, на которые воздействуют при нанесении информации, называются качествами (признаками) электрического тока.

В качестве переносчика информации может быть использован постоянный ток, переменный синусоидальный ток или периодическая последовательность импульсов. При модуляции постоянного тока возможна амплитудная модуляция (AM), т.е. воздействие на амплитуду тока или напряжения (рис. 1.10, а). Гармонические колебания переменного тока характеризуются амплитудой (рис. 1.10, б), частотой (рис. 1.10, в) и фазой (рис. 1.10, г), а периодическая последовательность импульсов — амплитудой (рис. 1.10, д), шириной (временем) импульсов (рис. 1.10, е), частотой повторения (рис. 1.10, ж), фазой (рис. 1.10, з) и полярностью (рис. 1.10, и).

Рис. 1.10. Признаки электрического тока: а — амплитудный при постоянном токе; б, в, г — амплитудный, частотный и фазовый при гармоническом колебании; д, е, ж, з,и — амплитудный, временной, частотный, фазовый и полярный при периодической последовательности импульсов

К признакам электрического тока предъявляют следующие основные требования:

• возможность получения большого числа состояний признака;

• простота образования и обнаружения признака;

• возможность независимой передачи в одной физической среде, например в линии связи;

• способность противостоять помехам и воздействиям линии связи и аппаратуры.

Наиболее универсальным является частотный признак, который может иметь неограниченное число состояний и позволяет одновременно передавать по одной линии несколько состояний. Амплитудный признак больше подвержен действию помех, чем частотный. Выбор вида модуляции определяется переносчиком и его параметром (признаком), на который воздействуют при нанесении информации.

Гармоническое колебание характеризуется амплитудой, частотой и фазой, и может быть описано выражением

а(t) = A₀sin(ω₀t+ φ₀), (1.14)

где А₀, ω_0, φ₀— соответственно амплитуда, частота и начальная фаза несущего колебания.

При амплитудной модуляции (AM) по закону изменения сигнала F(t) меняется амплитуда несущего колебания. На рис. 1.11, а показан изменяющийся во времени управляющий сигнал F(t), который необходимо нанести на амплитуду А₀ гармонического колебания, при этом амплитуда получит некоторое приращение ΔА. Амплитуда модулированного колебания равняется А₀ (1 ± т_а), где т_а = ΔА/ А₀— глубина модуляции (рис. 1.11, б).

Чтобы не произошло искажение передачи, приращение ΔА не должно быть больше А₀. При ΔА = А₀ имеем т_а = 1 (рис. 1.11, в). Дальнейшее увеличение ΔА приводит к тому,что т_а становится больше 1 (рис. 1.11, г), при этом возникают искажения. Как видно на рис. 1.11, амплитуда модулированного колебания меняется во времени по закону изменения сигнала F(t), наносимого на гармоническое колебание:

А(t) = А₀ [1 + т_а F(t)]. (1.15)

Рис. 1.11. Амплитудная модуляция гармонического колебания: а — управляющий сигнал; б, в, г — модулированные колебания при т_а < 1, т_а = 1 и т_а > 1

Следовательно, модулированное колебание не является гармоническим и должно раскладываться на гармонические составляющие. Разложение АМ-колебаний в спектр показывает, что в нем содержится несущее колебание с частотой ω₀, а также колебания верхних и нижних боковых частот. В простейшем случае, если модуляция осуществляется синусоидальным низкочастотным сигналом с частотой Ω., в спектре имеется несущее колебание с частотой ω₀, верхняя боковая гармоника с частотой ω₀, + Ω.. и нижняя — с частотой ω₀ - Ω..

Для уменьшения полосы частот широко используют однополосную амплитудную модуляцию, при которой в канал связи передают только одну из боковых частот без несущей. Уменьшение полосы частот канала и повышение мощности гармоник, несущих информацию, позволяет повысить помехоустойчивость.

При частотной модуляции (ЧМ) по закону меняющегося управляющего сигнала F(t) изменяется частота несущего колебания:

ω ₍t_{) =} ω₀ + Δω_, (1.16)

где Δω — девиация частоты, т.е. наибольшее отклонение ее от ω₀ (обычно Δω <<ω₀ ).

Н аиболее наглядно можно представить частотную модуляцию при управляющем модулирующем сигнале в виде последовательности разнопо-лярных прямоугольных импульсов (рис. 1.12, а). В этом случае передаче положительного импульса соответствует частота ш₀ + Аш, передаче отрицательного — частота ш₀ -- Дш, а при паузе передается несущая частота ш₀.

П

Рис. 1.12. Частотная модуляция гармонического колебания

при прямоугольном разнополярном (а) и однополярном (б) сигнале

ри передаче однополярных импульсов (рис. 1.12, б) импульс передается частотой ш₀ + Дш, пауза — другой частотой ш₀ - Дш. Несущая часть при передаче отсутствует, она равна средней арифметической между

частотой импульса и паузы.

Спектр ЧМ-колебания состоит из гармоник несущей частоты и боковых полос (верхней и нижней). Число гармоник в каждой боковой полосе бесконечно даже при модуляции синусоидальным сигналом (в отличие от AM, при которой в этом случае имеется по одной боковой гармонике с каждой стороны). Полоса частот при ЧМ значительно шире, чем при AM, и это является недостатком ЧМ.

Однако при ЧМ обеспечивается существенно большая помехоустойчивость, чем при AM.

При фазовой модуляции (ФМ) по закону управляющего сигнала изменяется фаза несущего колебания. На рис. 1.13, я показана модуляция гармонического колебания разнополярным прямоугольным сигналом. Угол, на который изменяется фаза, называется углом модуляции, который на рис. 1.13, а составляет 180° (от 0 + 90° до 0 - 90°). При однополярных импульсах передаче импульса соответствует фазовый угол φ = 0°, а паузе — φ = 180° (рис. 1.13,6). Углы 0и φ соответствуют начальной фазе несущего гармонического колебания.

1.13. Фазовая модуляция гармонического колебания при прямоугольном:

разнополярном (а) и однополярном (б) сигнале

У становлено, что при равной ширине полосы частот и скорости передачи

- наибольшую помехоустойчивость обеспечивает фазовая модуляция,

- наименьшую — амплитудная,

- промежуточное положение занимает частотная.

При импульсной модуляции (ИМ) в качестве несущего колебания используют периодическую последовательность импульсов. По закону изменения управляющего сигнала F(t) (рис. 1.14, а) модулируют один из параметров переносчика a(t) (рис. 1.14, б). При этом различают амплитудно-импульсную (АИМ) (рис. 1.14, в), широтно-импульсную (ШИМ) (рис. 1.14, г), частотно-импульсную (ЧИМ) (рис. 1.14, д), фазо-импульсную (ФИМ) (рис. 1.14, е), полярно-импульсную (ПИМ) (на рис. 1.14 отсутствует) модуляции.

Рис. 1.14. Импульсная модуляция:

а — управляющий сигнал; б — несущая последовательность импульсов;

в, г, д, е — соответственно АИМ, ШИМ, ЧИМ и ФИМ

Частоту следования импульсов несущего колебания выбирают, используя теорему В.А. Котельникова, согласно которой число значений п модулирующего сигнала с шириной спектра ΔF, которое надо передать за время Т, определяется формулой

n = 2ΔFT. (1.17)

Отсюда следует:

F_и = n/Т = 2ΔF. (1.18)

В этом случае трудно выделить сигнал из импульсно-модулированного колебания, так как наивысшая частота модулирующего и частота модулируемого колебаний очень близки. Поэтому частоту модулируемого колебания выбирают в 2-3 раза больше, чем следует из выражения (1.18).

Кроме простых видов модуляции, рассмотренных выше, широко применяют и сложные, в которых одновременно осуществляется модуляция нескольких параметров или два различных несущих колебания (периодическая последовательность импульсов и гармоническое колебание). Например, АИМ-AM представляет собой модуляцию управляющим сигналом по методу АИМ периодической последовательности импульсов, а полученным сигналом модулируется по амплитуде несущее гармоническое колебание.

Широко применяется также особый способ преобразования сигнала, называемый кодо-импульсной модуляцией (КИМ), смысл которой заключается в квантовании непрерывного сигнала и передаче его дискретных значений кодовой комбинацией импульсов.