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 (време

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

нем) импульсов (рис. 1.10, е), частотой повторения (рис. 1.10, ж), фазой (рис. 1.10, з) и полярностью (рис. 1.10, и).

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

a(f) = A₀sin(ω₀t + φ₀), (1.14)

где А₀, 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 А. Ам­плитуда модулированного ко­лебания равняется А₀ (1 ± т_а),

где = — глубина модуляции

(рис. 1.11,6). Чтобы не произошло искажение переда­чи, приращение А не должно быть больше А₀. При ∆А = А₀ имеем т_а = 1 (рис. 1.11, в). Дальнейшее увеличение ∆А 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(0 = А₀ [1 + т_а Fit)]. (1-15)

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 , в спектре имеется несущее колебание с частотой ω₀, верхняя боковая гармоника с частотой ω ₀ + и нижняя — с частотой ω₀ -

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:

+

где — девиация частоты, т.е. наибольшее отклонение ее от.

(обычно ₀)

Наиболее наглядно можно представить частотную моду­ляцию при управляющем мо­дулирующем сигнале в виде последовательности разнополярных прямоугольных им­пульсов (рис. 1.12, а). В этом случае передаче положитель­ного импульса соответствует частота ω ₀ ⁺ , передаче от­рицательного — частота ω ₀ ^- , а при паузе передается несущая частота.

ω ₀

При передаче однополярных импульсов (рис. 1.12, б) импульс передается частотой ₀ + ∆ω, пауза — другой час­тотой ₀ - ∆ω, 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.

Рис.1.12 Частотная модуляция гармонического колебания при прмоугольном разнополярном а) и однополярном б) сигнале

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

Установлено, что при рав­ной ширине полосы частот и скорости передачи наиболь­шую помехоустойчивость обеспечивает фазовая модуля­ция, наименьшую — ампли­тудная, а частотная занимает промежуточное положение.

При импульсной модуляции (ИМ) в качестве несущего ко­лебания используют периоди­ческую последовательность импульсов. По закону измене­ния управляющего сигнала F(t) a(t) (рис. 1.14, а) модулируют один из параметров переносчика а(t) рис.1.14 При этом различают амплитудно-импульсную (АИМ) рис.1.14 в), широтно-импульсную (ШИМ) рис.1.14 г), частотно-импульсную (ЧИМ).1.14д), фазо-импульсную (ФИМ) РИС.1.14 е) полярно-импульсную 9ПИМ0 9на рис.1.14 отсутствует) модуляции.

Частоту следования импульсов несущего колебания выбирают, используя теорему В.А. Котельникова, согласно которой число значений n модулирующего сигнала с шириной спектра

Которое надо передать за время Т, определяется формулой n= 2 FT 1.17

Отсюда следует : = =2 1.18 В этом случае трудно выделить сигнал из импульсно-модулиро-ванного 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-АМ 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 в передаче

его дискретных значений кодовой комбинацией импульсов.

1.14 импульсная модуляция а-управляющий сигнал б- несущая последовательность импульсов в,г,д,е соответствию АИМ,ШИМ,ЧИМ и ФИМ

Демодуляция

Демодуляция — процесс, обратный модуляции, заключается в выделении сигнала из модулированного колебания с помощью не­линейных устройств. Простейшим видом демодуляции может слу­жить детектирование (выпрямление) АМ-колебаний с помощью по­лупроводникового диода VD (рис. 1.15, а). Источник АМ-колебаний вырабатывает E(t) с переменной амплитудой. Диод VD пропускает только положительные полуволны напряжения U_вых , огибающая этих полуволн и является сигналом, представляющим собой низко­частотное колебание (t). Для выделения низкочастотных колебаний из выпрямленного на­пряжения U_вых применяют фильт­ры низких частот, примером кото­рых может служить С-фильтр, по­казанный на рис. 1.15, а. Емкость конденсатора С выбирают такой, чтобы ее сопротивление Х_c на не­сущей частоте было много меньше сопротивления R нагрузки, а для низкочастотного сигнала, наобо­рот, много больше сопротивления нагрузки. На положительной по­луволне ток протекает через VD и происходит заряд конденсатора до амплитудной величины напряже­ния. Во время отрицательной по­луволны конденсатор частично разряжается на резистор R, но так как длительность отрицательной полуволны очень маленькая, то на­пряжение на конденсаторе практи­чески сохраняется. Если амплитуда следующей положительной полуволны возрастает, то напряжение

на конденсаторе (а значит и на выходе детектора) растет, при сниже­нии амплитуды напряжение на выходе снижается. Изменение напря­жения (I) происходит по закону кривой огибающей полуволн, т.е. по закону сигнала, который был нанесен на переносчик.

При демодуляции ЧМ-колебаиий предварительно их преобразуют в АМ-колебания, после чего их демодулируют AM-детектором, рас­смотренным ранее (см. рис. 1.15).

Простейшим преобразователем (дискриминатором) ЧМ-колеба­ний в АМ-колебания является одиночный колебательный контур LC (рис. 1.16, а). Резонансная частота _р контура должна быть сдвинута относительно несущей частоты ₀ ЧМ-колебания таким образом, чтобы весь спектр сигнала от ₀ - до ₀ + размещался на одном из спадов резонансной характеристики U_K = f( ) контура (рис. 1.16, б). Тогда при поступлении от источника ЧМ-колебаний с частотой ₀ - напряжение на LC-контуре будет иметь амплитуду U_к1, а при часто­те + амплитуда снижается до значения Таким образом, на выходе преобразователя имеем напряжение U_вых, которое представ­ляет собой АМ-колебание.

Чтобы преобразование происходило без искажения, спад харак­теристики U_K =f( ) должен быть линейным, что обеспечить доволь­но трудно

Демодуляция ФМ-колебаний, модулированных прямоугольны­ми импульсами, заключается в сравнении ФМ-сигналов с некото­рым опорным напряжением, имеющим частоту, равную частоте несущего колебания ФМ сигнала (синхронное напряжение). В простейшем случае фаза опор­ного колебания должна совпадать с фазой импуль­са или паузы.

Существует много мето­дов создания опорного на­пряжения, имеющих те или иные недостатки. Еще в 1933 г. ученый А.А. Пистолькорс предложил схему преобразования ФМ-сигнала в АМ-сигнал (рис. 1.17, а).

Удвоение частоты сигна­ла, манипулированного по фазе на 180°, приводит к уст­ранению манипуляции. На­пряжение удвоенной частоты, полученное в результате вып­рямления, пропускают через узкополосный фильтр. На вы­ходе фильтра появляется гар­моника с удвоенной частотой. После делителя частоты полу­чаем аналог исходного несу­щего колебания, которое яв­ляется опорным напряжением. Из диаграммы (рис. 1.17, б) видно, что в результате сло­жения ФМ-сигнала с опор­ным напряжением на выходе делителя частоты появляется АМ-колебание на выходе схе­мы сравнения, которое затем детектируется уже известным способом (см. рис. 1.15).

Недостатком данной схе-Недостатком данной схе­мы является трудность в создании опорного напряжения, частота фаза которого должны оставаться стабильными во времени. Сущ ствует опасность так называемой «обратной работы», когда вмест сигнала «1» принимается сигнала «О» и наоборот.