Тема 3. Методи передачі неперервних повідомлень

3.1 Загальні відомості

Параметри неперервних повідомлень (тиск, витрата рідини та ін.), що підлягають передачі, як правило не є електричними. Але по лініях зв'язку можуть розповсюджуватись лише електричні процеси. Тому для передачі повідомлення його необхідно певним чином перетворити і однозначно поставити у відповідність з тим чи іншим параметром електричного процесу.

Різноманітні електричні процеси по лініях зв'язку розповсюджуються по-різному. По провідних та кабельних лініях зв'язку найлегше передаються постійний струм та змінні струми низьких частот, з по радіолінії - електромагнітні коливання високих частот.

Кожен з цих переносників характеризується тим чи іншим параметром. Так постійний струм характеризується величиною і напрямом, змінний синусоїдальний струм - амплітудою, частотою і фазою.

Після того, як вибраний переносник для утворення сигналу, необхідно нанести на нього інформацію. Нанесення інформації полягає в зміні параметру переносника відповідно до зміни параметрів повідомлення

У техніці такого роду перетворення, пов'язане з нанесенням інформації на переносник, отримало, назву модуляції. Переносник, параметр якого модулюється, тобто змінюється у відповідності з повідомленням, називається сигналом.

Неперервні повідомлення можуть бути передані двояко неперервними і дискретними сигналами.

3.2 Передача неперервних повідомлень неперервними сигналами

Параметр модульованого носія або сигналу визначається неперервно, відповідно до зміни параметру повідомлення. В найпростішому випадку параметр повідомлення (швидкість, тиск та ін.) перетворюється в пропорційний за величиною сигнал постійного струму або напруги. В складних випадках для збільшення дальності і точності передачі параметр повідомлення перетворюється в періодичну послідовність імпульсів постійного струму або синусоїдальну напругу залежної амплітуди, частоти, фази.

Нехай в якості носія використовується синусоїдальна напруга

,

де - амплітуда, частота, фаза.

З його допомогою передається величина Х(t), яка безперервно змінюється - приймає будь-які значення від -1/2 до +1/2. Будемо змінювати амплітуду синусоїдальної напруги в залежності від величини Х(t). Такий процес нанесення інформації на носій називається амплітудною модуляцією (АМ). Сигнал повідомлення при цьому записується наступним чином:

. (3.1)

При Х(t)⁼0 амплітуда синусоїдальної напруги дорівнює 1/2U_m, а при Х(t)=+1/2 дорівнює U_m.

Приймемо в якості залежного параметра носія кутову частоту і будемо змінювати її в залежності від Х(t). Цей процес нанесення інформації називається частотною модуляцією (ЧМ).

Сигнал при цьому буде мати вигляд:

, (3.21)

де - величина максимального відхилення частоти.

При Х(t)=0 кутова частота сигналу дорівнює несучій частоті , а при Х(t)=-1/2 вона дорівнює .

Діючи на фазу синусоїдної напруги, ми отримаємо фазову модуляцію (ФМ), при якій сигнал повідомлення має вигляд:

, (3.3)

де - максимальне відхилення фази коливання.

При х(t)=0 фаза , а при вона дорівнює .

Рисунок 3.1 - Графіки сигналів змінного струму при різних способах модуляції

Припустимо далі, що в якості носія інформації використовується періодична послідовність імпульсів постійного струму. Вона може бути охарактеризована наступними параметрами: амплітудами імпульсів, шириною або довжиною імпульсів, фазою і частотою слідування.

Якщо в залежності від значення вимірюваного параметра змінити амплітуду імпульсів, то отримаємо так звану амплітудно-імпульсну модуляцію (АІМ). При цьому амплітуда імпульсу, що передасться в момент t_к дорівнює

, (3.4)

при амплітуда імпульсу дорівнює одиниці, а при - нулю.

Впливаючи на ширину імпульсу, отримаємо широтно-імпульсну модуляцію (ШІМ), при якій тривалість імпульсу, що передасться в момент t_к пропорційна до вимірюваної величини

(3.5)

де - мінімальна ширина імпульсу,

- максимальна ширина імпульсу.

При ширина імпульсу дорівнює , а при ширина імпульсу дорівнює .

Змінюючи у відповідності з повідомленням взаємне положення чи фазу робочого імпульсу по відношенню до опорного, отримаємо фазово - імпульсну модуляцію (ФІМ).

При цьому зсув імпульсу, що передається в момент , дорівнює .

Нарешті впливаючи на частоту слідування імпульсів, отримаємо частотно - імпульсну модуляцію (ЧІМ), при якій частота слідування імпульсів змінюється в межах від до відповідно до мінімального і максимального значення величини .

У всіх способах модуляції змінний параметр носія пропорційний до величини х(t), що безперервно змінюється і в відомих межах може приймати будь-які значення. В цьому відношенні сигнал також є неперервним.

Сигнал після модуляції може бути представлений таким, що складається з суми різних частот; крім струму несучої частоти, він вміщує струми додаткових частот, які називають боковими.

Нехай, для прикладу, неперервна величина х(t) змінюється за гармонійному закону тоді модульований сигнал запишеться

. (3.6)

Модульований сигнал змінюється за гармонійним законом з кутовою частотою , амплітудно - модульоване коливання являє собою суму трьох синусоїд з кутовими частотами , (верхня бокова) і (нижня бокова). Спектральна характеристика такого сигналу показана на рис З.2.

Рисунок 3.2 - Спектральні характеристики сигналів при амплітудній модуляції

В загальному випадку сигнал х(t) являє собою складну за формою періодичну функцію. Таку функцію можна інтерпретувати з допомогою інтегралу Фур’є у вигляді суми нескінчено-великого числа гармонійних складових неперервного спектру частот. Відповідно до цього буде більш складним і амплітудно-модульований сигнал.

Для того, щоб в пункті прийому міг бути прийнятий той сигнал яким було промодульовано коливання несучої частоти, потрібно здійснити зворотне перетворення, тобто виділити із прийнятого модульованого сигналу сигнал низької частоти.

Виділення корисної складової, що здійснюється на прийомній станції, називається демодуляцією, а нелінійна система, що здійснює таке виділення - демодулятором.

Практично процес демодуляції АМ-сигналу зводиться до випрямлення струму високих частот, в результаті якого отримується сигнал низької частоти і найвищі частоти відсікаються фільтром.