Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебно-методическое пособие по дисциплине «Технологии и оборудование производства программ телевизионного и звукового вещания». Учебно-методическое по
.pdf
41
1 Цель работы
1.1 Изучение принципов различных видов демодуляции сигналов
используемых в телекоммуникационных системах.
1.2 Исследование влияния основных параметров модулирующего
сигнала на процесс демодуляции.
1.3 Сравнение основных видов модуляции-демодуляции.
2 Подготовка к работе
2.1 Изучить основные виды модуляции и способы демодуляции
сигналов.
2.2 Изучить основные структурные схемы демодуляции и принципы их
работы.
2.3 Изучить данные методические указания по выполнению
практических занятий.
3 Литература
3.1 В.П.Бакалов, А.Н.Игнатов, Б.И.Крук Основы теории электрических
цепей и электроники. М.РиС., 1989.
3.2 Радиоприемные устройства. Под ред. проф. А.П.Жуковского М.
«Высшая школа», 1989.
3.3 Конспект лекций.
4 Теоретические сведения
При создании систем передачи информации оказывается, что спектр
информационного сигнала находится не в том диапазоне частот, который
может эффективно передавать имеющийся канал связи. Кроме того, как
правило, в одном и том же канале связи необходимо передавать некоторое
множество сигналов одновременно. Одним из способов решения этой задачи
является частотное разделение каналов, при котором разные сигналы
передаются в неперекрывающихся полосах частот.
Кроме того, передаваемый сигнал должен быть относительно
узкополосным. Это означает, что его эффективная полоса спектра намного
меньше центральной частоты канала связи:
0
ff
Все это приводит к необходимости такой трансформации сигнала, чтобы
выше перечисленные требования были выполнены, а сам исходный сигнал
можно было бы восстановить, с возможно меньшими погрешностями.
42
Решение этой проблемы достигается при помощи модуляции и
последующей демодуляции, сущность которых заключается в следующем.
Формируется некоторое колебание, называемое несущим колебанием или
просто несущей
0
f
, и какой-либо из параметров этого колебания
изменяется во времени пропорционально исходному сигналу. Исходный
сигнал называют моделирующим, а результирующее колебание с
изменяющимися во времени параметрами – моделированным сигналом. На
приемной стороне идет обратный процесс – выделение моделирующего
сигнала из принятого, что и называют демодуляцией.
В общем виде запись гармонического сигнала выглядит так:
cos
m
S f A t
(1)
У такого сигнала имеется три параметра: амплитуда
m
A
, частота и
начальная фаза
. Каждый из этих параметров может быть связан с
модулирующим сигналом и таким образом могут быть получены три вида
модуляции: амплитудная, частотная и фазовая. Два последних вида влияют
на аргумент функции косинуса и поэтому эти два вида модуляции имеют
общее название – угловая модуляция.
В современных системах передачи информации также получила
распространение так называемая квадратурная модуляция, при которой
одновременно изменяются амплитуда и фаза сигнала.
4.1 Демодуляция АМ
При амплитудной модуляции в соответствии с моделирующим сигналом
изменяется амплитуда несущего колебания:
00
( ) ( )cos( )
АМ
S t A t t
(2)
Здесь
0
,
0
– остаются постоянными. Моделирующий сигнал как
правило является двухполярным, например:
( ) 5cos(2 ) sin(10 /6)
m
S t t t
Осциллограмма этого сигнала изображена на Рисунок 1
43
Рисунок 1
И если непосредственно использовать его в качестве амплитудной
функции в модулированном сигнале, то после демодуляции будет получен
искаженный исходный сигнал – результат будет соответствовать модулю
исходного сигнала. Поэтому при реализации АМ к модулирующему сигналу
предварительно добавляется постоянная составляющая (
0
A
), чтобы сделать
его однополярным:
0 0 0
( ) ( ( ))cos( )
AM M
S t A S t t
При этом
0 m
AA
, а
m
A
– размах модулирующего сигнала.
Для гармонического модулирующего сигнала можно записать:
0
0 0 0 0
( ) cos( ),
( ) ( cos( ))cos( )
mm
AM m
S t A t
S t A A t t
,
здесь – частота гармонического модулирующего сигнала.
()
m
St
– модулирующий сигнал.
()
AM
St
– модулируемый сигнал.
Отношение амплитуд модулирующего сигнала
m
A
и несущего
колебания
0
A
называется коэффициентом модуляции или глубиной:
44
0
m
A
m
A
Тогда:
0 0 0 0
( ) (1 cos( ))cos( )
AM
S t A m t t
Практически коэффициент модуляции должен лежать в пределах 0 … 1.
Этот вид модуляции широко используется в радиовещании на
сравнительно низких частотах (в диапазоне длинных, средних и
коротких волн) и для передачи изображения в телевизионном вещании.
Демодуляция может быть выполнена следующими способами.
Простейший путь использование аналогового двухполупериодного
детектора. Вначале формируется модуль входного АМ-сигнала, а затем
осуществляется сглаживание получившихся однополярных
косинусоидальных импульсов с помощью фильтра нижних частот. Пример
простейшей схемы АМ-детектора на операционном усилителе показана на
рисунке 2.
Sam(t)
Sm(t)
R1
R2
R3
VD1 VD2
Детектор на операционном усилителе
Рисунок 2
45
Другой способ демодуляции АМ-сигналов – синхронное
детектирование. Суть его состоит в следующем: принятый АМ-сигнал
умножается на опорное колебание с несущей частотой
0
.
2
0 0 0 0 0 0
11
( ) ( )cos( ) ( )cos ( ) ( ) ( )cos(2 2 )
22
AM
y f S f t A f t A t A t t
Результат умножения содержит два слагаемых:
- первое – это исходный информационный сигнал;
- второе – АМ-сигнал с несущей частотой
0
2
. Это второе слагаемое
может быть легко удалено с помощью ФНЧ. Но для реализации этого метода
необходимо точное совладение начальных фаз и частот опорного колебания
демодулятора и несущего колебания АМ-сигнала. Для выполнения этого
требования в системах связи используются следящие системы фазовой
автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Достоинством последнего метода является то, что он позволяет
правильно демодулировать сигналы даже при перемодуляции, т.е. – при m>1
и в случае знакопеременной функции
()At
.
4.2 Демодуляция УМ-сигнала
Фазовая и частотная модуляция тесно связаны друг с другом, благодаря
чему получили общее название «угловая модуляция» (УМ).
При фазовой модуляции фаза несущего колебания линейно связана с
модулирующим колебанием.
0
( ) cos( ( ))
Фм m m
S f A t kS t
(5)
Здесь
()
m
kS t
– фаза модулированного колебания, которая меняется по
закону информационного (модулирующего) сигнала
()
m
St
.
( ) ( )
om
Ф f t kS t
– аргумент косинуса несущего колебания и
называется полной фазой УМ-сигнала.
Производная от полной фазы по времени есть ни что иное как
мгновенная частота:
0
()
()
m
dS t
dФ
tK
t dt
(6)
46
Таким образом, при фазовой модуляции изменяется не только начальная
фаза, но и мгновенная частота колебания. Соответственно полная фаза может
быть найдена путем интегрирования.
( ) ( )Ф t t dt
(7)
При частотной модуляции в соответствии с законом информационного
сигнала будет меняться мгновенная частота несущего колебания:
0
( ) ( )
m
t kS t
(8)
Полная фаза, как указывалось выше, может быть найдена путем
интегрирования. Тогда ЧМ-сигнал будет иметь следующий вид:
00
( ) cos( ( ) )
ЧМ m m
S t A t K S t dt
(9)
Здесь
0
– произвольная постоянная интегрирования. Для простоты
можно полагать
0
= 0.
Таким образом, частотная и фазовая модуляция оказываются
взаимосвязанными: если изменяется начальная фаза несущего колебания,
изменяется и его мгновенная частота и наоборот. Поэтому оба вида
модуляции и объединяются одним названием «угловая модуляция» По форме
УМ-сигнала нельзя определить, ФМ это или ЧМ сигнал.
При гармоничном модулирующем сигнале начальная фаза изменяется
так:
( ) sin( )tt
(10)
Где коэффициент
называется индексом угловой модуляции. Он
определяет интенсивность колебаний начальной фазы.
Тогда полная фаза модулированного колебания будет такой:
0
( ) sin( )Ф t t t
, (11)
ну, а сам сигнал при УМ:
0
( ) cos( sin( ))
УМ m
S t A t t
. (12)
47
Но, при изменении начальной фазы будет меняться и мгновенная
частота:
0
()
( ) cos( )
Фt
tt
dt
. (13)
Как видно из формулы максимальное отклонение от среднего значения
0
составляет
. Эта величина называется девиацией частоты
несущего колебания и обычно обозначается
d
. Тогда индекс угловой
модуляции будет равен отношению девиации частоты к частоте
модулирующего колебания:
d
. (14)
Как и в случае АМ-сигнала, демодуляция УМ-сигнала может
выполняться разными способами.
Наиболее очевидный способ – вначале сформировать так называемый
аналитический сигнал
()
a
Sf
, а затем выделить его фазовую функцию. Далее
для демодуляции ФМ-сигнала из фазовой функции вычитается линейное
слагаемое
0
t
, соответствующее немодулированной несущей, а для ЧМ-
сигнала фазовую функцию дифференцируют, а из результата вычитают
конечную –
0
. Комплексный аналитический сигнал представляет собой
сумму исходного сигнала и мнимого ортогонального сигнала.
( ) ( ) ( )
a
S f S f jS f
Сигнал
()Sf
может быть получен из исходного путем преобразования
Гильберта:
1 ( )
()
S
S f d
t
.
Практически это означает, что исходный сигнал должен быть пропущен
через фазовращатель, вносящий на всех частотах фазовый сдвиг, равный
2
,
Рисунок 3
48
0
2
2
Рисунок 3
Обобщенная структурная схема демодулятора УМ-сигнала будет
выглядеть так, Рисунок 4.
)(tS
УМ
2
)(tjS
)(tS
a
)(arg tS
a
)(tФ
t
0
dt
dФ
)(tS
М
)(tS
М
" "
Рисунок 4
Запишем УМ-сигнал в общем виде.
0
( ) ( )cos( sin( ))
УМ
S t A t t t
, (15).
В случае если амплитуда сигнала не меняется то
()At
можно
положить равной некоторой постоянной величине
()A t U
, обозначим
sin( ) ( )t Фt
. Тогда выражение (15) запишется так:
0
( ) ( ) cos( ( ))
УМ
X t S t U t Фt
, (16)
49
Выражение (16) можно записать в иной форме:
00
( ) ( )cos( ) ( )sin( )X t a t t b t t
, (17)
где
( ) cos ( ), ( ) sin ( )a t U Ф t b t U Ф t
и называются
низкочастотными квадратурными составляющими сигнала
()Xt
.
22
()
( ) ( ), ( )
()
bt
U a t b t tgФt
at
Используя преобразование Гильберта из сигнала
()Xt
можно
сформировать ортогональный сигнал:
00
( ) ( )sin( ) ( )cos( )X t a t t b t t
, (18)
Тогда аналитический сигнал будет
( ) ( ) ( )
a
S t X t jX t
Огибающая, мгновенная фаза и мгновенная частота исходного сигнала
()
УМ
St
будут равны:
22
( ) ( )U X t X t
, (19)
0
()
( ) ( ) ( )
()
Xt
ttФ t arctg
Xt
,
0
( ) ( )Ф t t t
, (20)
0
22
( ) ( ) ( ) ( )
()
()
( ) ( )
X t X t X t X t
dФt
t
dt X t X t
(21)
50
Выражения 16-21 получены для одного гармонического сигнала, но они
получены из одних соображений, потому остаются действительными и для
любых произвольных сигналов.
Другой альтернативный способ демодуляции УМ-сигналов состоит в
использовании квадратурной обработки. В этом способе входной сигнал
умножается на два опорных колебания, сдвинутых по фазе на
2
.
0
( ) ( )cos
УМ
X t S t t
;
0
( ) ( )sin
УМ
X t S t t
.
Где
0
( ) cos( ( ))
УМ
S t A t t
.
Тогда
0
( ) cos ( ) cos(2 ( ))
22
AA
X t t t t
;
0
( ) sin ( ) sin(2 ( ))
22
A
X t t t t
.
Каждый результирующий сигнал содержит низкочастотное и
высокочастотное
0
(2 )
слагаемое. Низкочастотное слагаемое выделяются с
помощью ФНЧ:
( ) cos ( ), ( ) sin ( )
22
A
X t t X t t
, (22)
Дальнейшие действия зависят от вида модуляции (ФМ или ЧМ).
Для демодуляции ФМ-колебания необходимо вычислить фазу
полученной пары квадратурных составляющих:
()
( ) arg( ( ) ( )) arg( cos ( ) sin ( )) arg( ) ( )
2 2 2
jt
ФМ
A A A
S t x t jx t t j t e t
.
Для демодуляции ЧМ-сигнала полученную мгновенную фазу
необходимо продифференцировать:
()
( ) arg( ( ) ( )) ar
()
ЧМ
xt
dd
S t X t jX t ctg
dt dt x t
.
Обобщенная структурная схема такого демодулятора показана на
Рисуноке 5.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]