7.3 Методы преобразования сигналов

Электрические сигналы, подлежащие передаче в системах телемеханики, в большинстве случаев лежат в низкочастотной части спектра в диапазоне от нуля до нескольких десятков герц. Непосредственная передача этих сигналов между ПУ и КП иногда используется в так называемых системах интенсивности, но дальность действия подобных систем ограничена и редко превышает несколько десятков метров, так как низкочастотные сигналы наиболее сильно подвержены воздействию помех при передаче их на дальние расстояния. Полоса пропускания самых низкочастотных – воздушных линий связи начинается от 0,3 – 1,0 кГц. Поэтому для того, чтобы согласовать низкочастотный сигнал с высокочастотной линией связи, производят перенос спектра сигнала в высокочастотную область. С этой целью низкочастотному сигналу ставят в однозначное соответствие один из параметров высокочастотного колебания, называемого несущим. Такое преобразование спектра называют модуляцией, а устройство, осуществляющее модуляцию, – модулятором. Возможны непрерывные, импульсные и цифровые методы модуляции.

Непрерывные методы модуляции. При непрерывных методах в качестве несущего используют непрерывное гармоническое колебание, вырабатываемое высокочастотным генератором несущей в зависимости от того, какой именно параметр несущего колебания изменяется в соответствии с изменением низкочастотного сигнала, различают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ) модуляции.

Рассмотрим амплитудную модуляцию. Пусть имеется модулирующий входной сигнал (рис. 7.5, а) и несущее гармоническое колебание, причем, а начальные фазы х(t) и y(t) примем равными нулю. В результате амплитудной модуляции амплитуда несущей становится связанной с модулирующим сигналом следующим образом:

,

где – коэффициент модуляции. Тогда выражение для модулированного сигнала

.

Раскрыв скобки, по формуле произведения косинусов получим:

Таким образом, модулированный сигнал состоит из трех составляющих с частотами ω₀, ω₀+Ω и ω₀–Ω и амплитудами соответственно U₀ и mU₀/2 (рис. 7.5, 6). Соответственно полоса пропускания линии связи должна быть для такого сигнала не менее 2 Ω .

Если входной сигнал х(t) является периодическим с частотой Ω, но имеет сложную форму, то его, согласно преобразованию Фурье, можно представить в виде суммы составляющих гармоник с частотами Ω, 2Ω, 3Ω и т. д. Соответственно в спектре модулированного сигнала появятся составляющие с частотами ω₀±2Ω, ω₀±3Ω и т. д. При импульсных и непериодических входных сигналах этот ряд оказывается бесконечным, но мощность высших гармонических составляющих очень мала, и практически спектр модулированного сигнала можно считать ограниченным.

Таким образом, независимо от формы сигнала х(t) в результате модуляции происходит перенос его спектра из низкочастотной области в высокочастотную, с частоты Ω на частоту ω₀±Ω. Частота высокочастотного колебания ω₀ выбирается в зависимости от вида и полосы пропускания линии связи. Само по себе это колебание информации не несет, поэтому при приеме производят обратное преобразование, выделяя исходный низкочастотный сигнал. Такое преобразование называется демодуляцией, а соответствующее устройство – демодулятором.

для демодуляции АМ-колебаний сигнал u(t) пропускают через амплитудный детектор, а качестве которого используют одно- или двухполупериодный выпрямитель. В результате получают сигнал u_д(t), форма и спектр которого (для двухполупериодного выпрямителя) показаны на рис. 7.5, в. В нем присутствует исходная составляющая с частотой Ω, дли выделения которой используют фильтр низких частот (ФНЧ) с соответствующей АЧХ.

Существенным недостатком метода амплитудной модуляции является его низкая помехоустойчивость. Это происходит потому, что сигнал помехи u_п (t) с частотой Ω_п (рис. 7.5, в), всегда присутствующий в линии связи, складываясь с полезным сигналом u(t)

изменяет прежде всего его амплитуду. А так как амплитуда АМ- колебания является информативным параметром, то после демодуляции выделенный сигнал х’(t) (рис. 7.5, г) заметно отличается от переданного сигнала x(t).

При частотной модуляции частота несущего колебания изменяется в соответствии с информационным сигналом х (t) (рис. 7.6)

где ∆ω – девиация частоты.

При фазовой модуляции соответственно изменяется фаза

где ∆φ – девиация фазы.

При частотном и фазовом методах модуляции требуется более широкая полоса пропускания линии связи, чем при амплитудном, но зато они значительно более помехоустойчивы.

Для того чтобы обеспечить двустороннюю передачу сигналов, на каждом конце линии связи должен быть и модулятор, и демодулятор. В совокупности такое устройство называют модем. В системах передачи данных модем является основной частью устройства преобразования сигналов (УПС).

Импульсные методы модуляции. При импульсных методах несущим колебанием является периодическая последовательность прямоугольных импульсов. Модулятор в соответствии с изменением низкочастотного сигнала изменяет какой-либо параметр этой последовательности: амплитуду импульсов (амплитудно-импульсная модуляция, АИМ), их частоту (частотно-импульсная модуляция, ЧИМ), длительность (широтно-импульсная модуляция, ШИМ), момент появления (фазоимпульсная модуляция, ФММ) и др. (рис. 7.6).

Принципиальное отличие импульсных методов модуляции от непрерывных заключается в том, что с их помощью можно передать значения сигнала лишь в отдельные моменты времени – моменты передачи очередных импульсов. Следовательно, непрерывные сигналы (например, телеметрические сигналы) при импульсной модуляции следует подвергнуть квантованию по времени согласно теореме Котельникова (см. § 6-1). Структурная схема системы с импульсной модуляцией аналогична показанной на рис. 7-5, г. Для демодуляции необходимо измерять тот параметр импульсов, который несет информацию (амплитуду, длительность, частоту и т. д.).

Цифровые методы модуляции. Рассмотренные выше методы модуляции позволяют в принципе абсолютно точно передать значение сигнала (непрерывные – в любой, импульсные – в отдельные моменты времени). Но практически точность передачи при использовании этих методов ограничена воздействием помех и не идеальностью характеристик модулятора, линии связи, демодулятора и других устройств, участвующих в передаче сигнала.

Несравнимо более высокую точность обеспечивают дискретные, или цифровые, методы модуляции. При цифровой модуляции сигнал подвергается квантованию как по времени, так и по уровню (см. § 6-1).

Увеличивая число уровней квантования (и соответственно раз рядность кода), можно сделать ошибку квантования по уровню сколь угодно малой. Естественно, что за это приходится расплачиваться увеличением времени передачи или расширением требуемой полосы пропускания линии связи (если увеличивать частоту следования импульсов). Представление дискретного по времени и по уровню сигнала в виде цифрового кода осуществляется по определенным правилам в соответствии с принятым методом кодирования. Устройства, осуществляющие кодирование и обратное преобразование – декодирование сигнала, называют соответственно кодером и декодером.

Если в каждом такте передается полное значение сигнала, то такой метод называется кодоимпульсной модуляцией (КИМ). Для уменьшения числа передаваемых разрядов кода можно передавать лишь изменение сигнала за период квантования. Такой метод называется разностной модуляцией. В предельном случае можно передавать только знак приращения сигнала, для чего требуется только один разряд (например, наличие импульса означает положительное, отсутствие – отрицательное изменение сигнала, что соответствует дельта-модуляции).

Так как при цифровых методах модуляции информацию несет не какой-либо параметр импульсов, а вид кодовой комбинации, то при приеме нет необходимости измерять искаженную в линии связи амплитуду, длительность или частоту импульсов с неизбежной при этом ошибкой измерения. Следует только решить, есть импульс в определенный момент времени или его нет. Этим обстоятельством и объясняется столь высокая точность и помехоустойчивость цифровых методов модуляции. Так, если точность непрерывных и импульсных систем ТИ не превышает 0,5 – 1 %, то цифровые системы позволяют достигнуть точности 0,05 – 0,1 % и выше.

Цифровые методы модуляции позволяют вести передачу информации без накопления ошибок за счет преобразования сигнала в пунктах ретрансляции (см. рис. 7.4), что позволяет создавать системы с практически неограниченной дальностью действия. Кроме того, цифровые сигналы не требуют дополнительных преобразований при вводе-выводе из ЦВМ, широко применяемых в телемеханике. Все это обусловило исключительное использование цифровых методов для передачи телемеханической информации.