2. Виды модуляции

Модуляция - это процесс преобразования одного или нескольких информационных параметров несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями информационного сигнала.

В результате модуляции сигналы переносятся в область более высоких частот.

Использование модуляции позволяет: согласовать параметры сигнала с параметрами линии; повысить помехоустойчивость сигналов; увеличить дальность передачи сигналов; организовать многоканальные системы передачи (МСП с ЧРК).

Модуляция осуществляется в устройствах модуляторах

Рисунок 1.2 - Условное графическое обозначение модулятора

При модуляции на вход модулятора подаются сигналы:

u(t) - модулирующий, данный сигнал является информационным и низкочастотным (его частоту обозначают W или F);

S(t) -  модулируемый (несущий), данный сигнал является неинформационным и высокочастотным (его частота обозначается w₀ или f₀);

Sм(t) - модулированный сигнал, данный сигнал является информационным и высокочастотным.

В качестве несущего сигнала может использоваться:

- гармоническое колебание, при этом модуляция называется аналоговой или непрерывной;

- периодическая последовательность импульсов, при этом модуляция называется импульсной;

- постоянный ток, при этом модуляция называется шумоподобной.

Так как в процессе модуляции изменяются информационные параметры несущего колебания, то название вида модуляции зависит от изменяемого параметра этого колебания.

Виды аналоговой модуляции:

- амплитудная модуляция (АМ), происходит изменение амплитуды несущего колебания;

- частотная модуляция (ЧМ), происходит изменение частоты несущего колебания;

- фазовая модуляция (ФМ), происходит изменение фазы несущего колебания.

Виды импульсной модуляции:

- амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), происходит изменение амплитуды импульсов несущего сигнала;

- частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), происходит изменение частоты следования импульсов несущего сигнала;

- фазо-импульсная модуляция (ФИМ), происходит изменение фазы импульсов несущего сигнала;

- Широтно-импульсная модуляция (ШИМ), происходит изменение длительности импульсов несущего сигнала.

Рисунок 1.3 - Виды модуляции

1. Амплитудная модуляция. 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.

АМ соответствует переносу информации s(t) Ю U(t) при постоянных значениях параметров несущей частоты w и j. АМ - сигнал представляет собой произведение информационной огибающей U(t) и гармонического колебания ее заполнения с более высокими частотами. Форма записи амплитудно-модулированного сигнала

u(t) = U(t)Ч cos(w_ot+j_o), (1.4)

U(t) = U_mЧ [1+MЧ s(t)], (1.5)

где U_m - постоянная амплитуда несущего колебания при отсутствии входного (модулирующего) сигнала s(t), М - коэффициент амплитудной модуляции.

Значение М характеризует глубину амплитудной модуляции. В простейшем случае, если модулирующий сигнал представлен одночастотным гармоническим колебанием с амплитудой S_o, то коэффициент модуляции равен отношению амплитуд модулирующего и несущего колебания М=S_o/U_m. Значение М должно находиться в пределах от 0 до 1 для всех гармоник модулирующего сигнала. При значении М<1 форма огибающей несущего колебания полностью повторяет форму модулирующего сигнала s(t), что можно видеть на рис. 1.4 (сигнал s(t) = sin(w_st)). Малую глубину модуляции для основных гармоник модулирующего сигнала (М<<1) применять нецелесообразно, т.к. при этом мощность передаваемого информационного сигнала будет много меньше мощности несущего колебания, и мощность передатчика используется неэкономично.

Рисунок 1.4 - Модулированный сигнал.

Рисунок 1.5 - Глубокая модуляция

На рисунке 1.5 приведен пример так называемой глубокой модуляции, при которой значение M стремится к 1 в экстремальных точках функции s(t). При глубокой модуляции используются также понятия относительного коэффициента модуляции вверх: M_в = (U_max - U_m)/U_m, и модуляции вниз: M_н = (U_m - U_min)/U_m, которые обычно выражаются в %.

Стопроцентная модуляция (М=1) может приводить к искажениям сигналов при перегрузках передатчика, если последний имеет ограниченный динамический диапазон по амплитуде несущих частот или ограниченную мощность передатчика (увеличение амплитуды несущих колебаний в пиковых интервалах сигнала U(t) в два раза требует увеличения мощности передатчика в четыре раза).

При М>1 возникает так называемая перемодуляция, пример которой приведен на рис. 1.6. Форма огибающей при перемодуляции искажается относительно формы модулирующего сигнала и после демодуляции, если применяются ее простейшие методы, информация может искажаться.

Рисунок 1.6 - Перемодуляция сигнала.

Рисунок 1.7 - Физические спектры сигналов.

2. Угловая модуляция. Понятие «угловая модуляция» включает в себя как частотную, так и фазовую модуляцию несущего колебания, так как в обоих случаях меняется его полный угол.

Так для несущего колебания

(1.6)

При постоянных  и  полный угол (аргумент)  линейно зависит от времени. В общем случае угловая частота и полный угол связаны друг с другом зависимостями

, (1.7)

где  - мгновенная частота.

При частотной модуляции по закону низкочастотного сигнала (сообщения) будет медленно меняться мгновенная частота

, (1.8)

где  - коэффициент преобразования управляющего сигнала в изменение частоты сигнала на выходе частотного модулятора,   - исходный низкочастотный сигнал.

Обозначая через   максимальное изменение низкочастотного сигнала, получим

, (1.9)

где  - девиация частоты, отражающая максимальное отклонение частоты модулированного сигнала от частоты несущей.

Девиация частоты здесь зависит от амплитуды изменения низкочастотного сигнала. Полный угол в этом случае будет равен

(1.10)

Откуда видно, что частотная модуляция сопровождается фазовой, закон изменения которой пропорционален интегралу от низкочастотного сигнала.

При фазовой модуляции по закону низкочастотного сигнала медленно меняется начальная фаза несущего колебания

, (1.11)

где  - индекс угловой модуляции, отражающий максимальное отклонение полной фазы несущего колебания от линейного закона.

В отличие от АМ колебания величина   не ограничена. Для мгновенной частоты здесь имеем

, (1.12)

где фазовая модуляция сопровождается частотной модуляцией, закон изменения которой пропорционален производной от низкочастотного сигнала.