Устройства генерирования и формирования сигналов. Дискретные и цифровые виды модуляции. Бочаров М.И

УДК 621.396.61 (075.8)

Бочаров М.И. Устройства генерирования и формирования сигналов. Дискретные и цифровые виды модуляции: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (12,5 Мб) / М.И. Бочаров. - Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) : цв. – Систем. требования : ПК 500 и выше ; 256 Мб ОЗУ ; Windows XP ; SVGA с разрешением 1024x768 ; Adobe Acrobat ; CD-ROM дисковод ; мышь. – Загл. с экрана. –

Диск и сопровод. материал помещены в контейнер 12х14 см.

В учебном пособии рассматриваются основы теории формирования сигналов с дискретными цифровыми видами модуляции: импульсной, амплитудной, частотной, фазовой, и комбинированные виды модуляции: квадратурно-амплитудная, квадратурно-фазовая, а также импульсно-кодовая. Приводятся схемы модуляторов и принцип их работы.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальностям 090302.65 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», 210601.65 «Радиоэлектронные системы и комплексы» и направлению 210400.62 «Радиотехника» (профиль «Радиотехнические средства передачи, приема и обработки сигналов»), дисциплине «Устройства генерирования и формирования сигналов».

Табл. 5. Ил. 43. Библиогр.: 16 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. А.Г. Остапенко Рецензенты: ЗАО «ИРКОС» (директор по научной работе,

канд. техн. наук, доц. В.А. Козьмин); канд. техн. наук, проф. Б.В. Матвеев

©Бочаров М.И., 2014

©Оформление. ФГБОУ ВПО

«Воронежский государственный технический университет», 2014

ВВЕДЕНИЕ

Всовременной радиосвязи основным видом сигналов является передача дискретной информации, которая передается в виде манипулированных (двоичных) сигналов. Кроме этого она используется также в передаче информации как по проводным, так и беспроводным системам связи, и в системах высокочастотного телеграфирования.

Наибольшее распространение при передаче дискретной информации имеет фазовая модуляция (манипуляция), позволяющей достичь большей скорости передачи информации при одинаковых полосе частот и помехоустойчивости.

Фазоманипулированные сигналы широко используется

итехника формирования широкополосных шумоподобных сигналов. Их использование делает возможным прием сигналов, лежащих ниже уровня шумов, уверенный прием сигналов в условиях многолучевости распространения и обеспечивает высокую помехозащищенность от сосредоточенных помех.

Всовременной связи большое значение имеет обмен информацией в цифровой форме. В качестве цифровых систем передачи могут быть устройства радиотелеуправления, телесигнализации, телеграфии, цифровые системы телеизмерений, цифровые навигационные системы и цифровые системы передачи данных.

Вкачестве источников цифровой информации используются устройства: телеуправления, телесигнализации, телеграфии, системы телеизмерений, цифровые навигационные системы и цифровые системы передачи данных и др.

3

Передачи информации в цифровой форме по сравнению с аналоговыми методами имеет ряд преимуществ. Цифровые сигналы можно усиливать большое число раз без потери информации, их легко хранить и переносить от одного запоминающего устройства к другому без каких либо ошибок, что не позволяет обеспечивать аналоговые устройства. Цифровые сигналы можно принимать с ошибками, но с помощью регенерации эти ошибки можно устранять.

Под цифровой системой передачи информации понимается комплекс устройств, обеспечивающих передачу сообщений от отправителя к получателю. В передатчике сообщений преобразуется в сигнал, который воздействует на переносчик для его передачи по линии связи. В электрических линиях связи переносчиком является постоянный или переменный ток, а радиолиниях – электромагнитные колебания.

Все существующие виды модуляции подразделяются в зависимости от типа на две основные группы: принцип модуляции синусоидальных переносчиков и принцип модуляции импульсных переносчиков.

Спектры модулирующих сигналов обычно начинаются с области низких (нижняя граница частоты спектра составляет частоты порядка нескольких десятков Гц, а верхняя граничная частота единицы МГц и выше). Отсюда возникает необходимость модуляции высокочастотных несущих частот сигналами информационных частот.

4

1.ИМПУЛЬСНЫЕ ВИДЫ МОДУЛЯЦИИ

1.1.Общие сведения

Вразличных системах связи применяют импульсные методы модуляции. Различают следующие виды импульсной модуляции: импульсная модуляция (ИМ), когда модуляция несущей осуществляется последовательностью импульсов; амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), при которой изменяемым параметром является амплитуда импульсов; время -импульсная модуляция (ВИМ) с её разновидностями, частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), при которой изменяемым параметром является частота следования импульсов; фазово-импульсная модуляция (ФИМ), при которой изменяемым параметром является фаза импульсов, широтно-импульсная модуляция (ШИМ), при которой изменяемым параметром является длительность импульсов [1].

Представляют интерес дискретные виды импульсной модуляции, в которых информационные параметры сигналов в процессе модуляции принимают конечное множество конечных значений. Сочетание дискретизации сигналов и квантования полученных отчетов по уровню с последующим кодированием позволяет получить импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ), дельта – модуляцию (ДМ) и ее разновидности) во времени квантования по уровню. Кроме этого в системах связи с временным разделением каналов могут применяться модуляции вида АИМ-ЧМ, ФИМ-ЧМ, ИКМ-ЧМ и др.

Импульсная модуляция применяется в радиолокации, навигации, радиорелейной многоканальной связи и др. Основное преимущество импульсной связи – возможность многоканальной радиосвязи, когда один передатчик одновременно передает десятки и сотни разнообразных сигналов.

5

При амплитудно-импульсной модуляции амплитуда периодической последовательности импульсов меняется по закону управляющего сигнала.

В приемном устройстве модулированные радиоимпульсы детектируются в видеоимпульсы, амплитуда которых меняется по закону управляющего сигнала. Особенность частотного спектра таких импульсов заключается в том, что кроме основных составляющих спектра, отстоящих друг от друга на частоту Ω=2 /Т, около каждой из них появляются частотные спектры модулирующего сигнала. Из вида этого спектра следует, что требуемая полоса пропускания остается такой же, что и при приеме немодулированных импульсов и определяется их длительностью.

Частота следования и длительность импульса влияют на число каналов, которые можно использовать при одной передаче. Чем больше период следования и чем меньше длительность импульсов, тем больше импульсов различных каналов можно разместить между импульсами основного канала.

Амплитудно-импульсная модуляция, как и обычная амплитудная модуляция, не позволяет помехи, наслаивающиеся на импульсы путем ограничения в приемном устройстве. Поэтому были предложены другие виды импульсной модуляции, где амплитуда импульсов остается неизменной, а полезная информация передается путем изменения других параметров импульсов.

При широтно-импульсной модуляции длительность импульса меняется по закону управляющего сигнала. Известны два вида модуляции: односторонняя, когда смещается один из фронтов импульсов, например, задний, и двусторонняя, когда смещаются оба фронта. Изменение длительности импульсов в зависимости от величины модулирующего сигнала приводит к основному недостатку ШИМ – необходимости выбора полосы пропускания высокочастотного тракта по длительности самого короткого

6

импульса, в результате чего для других импульсов она оказывается избыточной, что невыгодно как при приеме, так и при передаче таких сигналов.

При фазово-импульсной модуляции длительность и амплитуда импульса поддерживаются постоянными, а изменяется положение импульсов по отношению к некоторым фиксированным моментам времени. Например, с увеличением модулирующего напряжения импульсы появляются тем раньше, чем выше напряжение, при уменьшении модулирующего напряжения импульсы запаздывают.

В приемном устройстве фазово-импульсные сигналы могут, например, быть преобразованы в широтно-импульсные, а затем детектируются обычным амплитудным детектором.

Частотный спектр ФИМ подобен спектру АИМ и зависит от длительности импульсов.

Основное преимущество фазово-импульсной модуляции – в большей помехозащищенности ввиду возможности использования амплитудных ограничителей.

Фазово-импульсная модуляция находит широкое применение в современных импульсных линиях связи.

Для того, чтобы получить частотно-импульсную модуляцию, изменяют скорость следования импульсов. ,В этом положение импульсов уже не фиксируется относительно определенного момента времени.

Импульсный передатчик характеризуется следующими основными показателями:

1.Мощность в импульсе, которая в зависимости от назначения передатчика колеблется в пределах от нескольких ватт до десятков, сотен и даже тысяч киловатт.

2.Длительность импульса. В современных импульсных передатчиках в зависимости от их назначения используются импульсы длительностью от нескольких десятых долей микросекунд до нескольких десятков микросекунд.

3.Частота повторения импульсов, которая может быть как постоянной, так и переменной. Средняя частота

7

повторений импульсов может доходить до десяти тысяч импульсов в секунду и более.

4.Форма радиоимпульсов.

5.Стабильность частоты импульсов.

В настоящее время предложен целый ряд схемных решений импульсных модуляторов, отличающихся меду собой по сложности технической реализации и помехоустойчивости[2…4].

Простейшая импульсная модуляция используется в передатчиках радиолокационных станций, где колебания модулируются по амплитуде периодической последовательностью прямоугольных видеоимпульсов с одинаковыми и постоянными параметрами. При этом передатчик вырабатывает мощность в интервалах времени и (длительность импульса), разделенных паузами. Виды ИМ характеризуют скважность q=Тс/ и, где Тс – период следования импульса.

Ширина спектра периодической последовательности радиоимпульсов зависит от и и составляет единицы, десятки мегагерц. Поэтому ИМ применяется в диапазонах УВЧ и СВЧ.

В зависимости от назначения передатчиков длительность импульсов может быть различной: от наносекунд до миллисекунд. Передатчики, излучающие более короткие импульсы, занимают широкую полосу частот. Поэтому они работают на более высоких частотах: при наносекундных импульсах – в диапазоне миллиметровых волн, при микросекундных в диапазонах УВЧ и СВЧ.

Средняя мощность импульсных ВЧ колебаний Рср определяется отношением энергии, выделенной за время к периоду следования Тс

где Римп – импульсная мощность передатчика.

8

1.2.Спектры сигналов с импульсными видами модуляции

Вбольшинстве случаев высокочастотный радиосигнал с ИМ получается следующим образом. Вначале информационное поле сообщение модулирует определенный параметр периодической последовательности видеоимпульсов. Полученные импульсы модулируют несущее колебание. В результате осуществляется перенос спектра модулированных видеоимпульсов на частоту ωн.

Процесс модуляции видеоимпульсов по амплитуде во времени и модуляция полученным сигналом несущей частоты поясняется временными диаграммами, приведенными на рис.

1.1.В результате формируется сигнал с АИМ.

Рис. 1.1. Диаграммы формирования сигнала с АИМ

9

При АИМ сигнал записывается в виде:

(1.2)

где А0 – амплитуда импульса; ∆А – изменение амплитуды импульса в процессе модуляции от уровня А0; m = ∆А/ А0, f(x)

–функция, описывающая форму одиночного видеоимпульса, Т

–период следования импульсов; t0 – начало отсчета; a(t) – модулирующая функция определенного вида.

Немодулированную последовательность видеоимпульсов можно представить рядом Фурье

(1.3)

где Сk – комплексные коэффициенты ряда Фурье; Ω0=2π/Т – круговая частота следования импульсов.

Спектр сигнала после модуляции определяем по формуле

(1.4)

где δ(x) – дельты функция; Sа(ω) – комплексный спектр модулирующего воздействия a(t) [5,6].

Первая сумма в выражении для S(ω), независящая от коэффициента m, представляет собой спектр немодулированных импульсов. Амплитудная модуляция вызывает появление около каждой из составляющих спектра боковых полос, повторяющих спектр информационного сообщения Sа(ω). Таким образом, спектр АИМ сигнала представляет собой как бы многократно повторенный спектр

10