Модуляция и ее виды. Демодуляция, физическая реализация этих операций

В зависимости от вида и числа используемых информационных параметров, процесса-переносчика, могут применяться различные виды модуляции:

Если под действием первичного сигнала информ. параметры переносчика изменяются непрерывно, то такая модуляция наз. непрерывной (НМ). При НМ в качестве переносчика чаще всего используются процессы в виде гармонических колебаний. В этом случае переносчик (несущая) обладает тремя инф. параметрами, что позволяет осуществлять АМ, ЧМ и ФМ, а также их комбинации (т.е. многократные модуляции).

Амплитудная модуляция (АМ) и ее особенности.

АМ осуществляется путем изменения амплитуды несущей пропорционально мгновенным значениям первичного сигнала. Пусть имеем в качестве непрерывного переносчика напряжение переменного тока, изменяющееся по закону U_H(t)=U₀cos(₀t+φ). Для нанесения информ. необходимо осуществлять модуляцию одного из информационных параметров этой несущей, для АМ необходимо осуществить модуляцию амплитуды при постоянстве частоты ₀ и фазы  ₀ этого сигнала:

U_АМ(t)=U(t)cos(₀t+φ₀)=U₀(1±U(t))cos(₀t+φ₀)= =U₀(1±mx(t))cos(₀t+φ₀),

где m=ΔU/U₀ - коэффициент модуляции (глубина модуляции)

1) и 2) случаи соответствуют глубине модуляции m≤1. 3) соответствует случаю m>1-«перемодуляция» (не желательно)

АМ зависит от глубины модуляции m.

Частотная и фазовая модуляция

U₀(t)=U₀cos(t+φ)

(t)=₀+Δ(t)= ₀(1+μx(t))-частотная модуляция;

φ(t)=φ₀+Δφ-фазовая модуляция.

Угловая модуляция (либо частотная, либо фазовая)-обобщённое название.

Пример: Частотная модуляция (температура растет, частота растет, температура падает, частота падает):

В случае угловой модуляции меняется только аргумент, т.е. амплитуда постоянна.

Аналогично происходит и ФМ (но необходимо точное масштабирование).

Всякое модулированное колебание уже не является чисто гармоническим и имеет сложный спектральный состав (т.е. это АМК – амплитуда модулируемых колебаний).

Колебания с частотами (₀) наз-ся спутниками или боковыми частотами. При изменении амплитуды под воздействием модулирующего сигнала будет также изменяться и мощность колебаний в течении периода.

В зав-ти от того осущ-ся ли передача целиком всего спектра АМК или только его части, различают 2 разновидности амплитудной модуляции: АМ с 2 боковыми полосами и балансная АМ.

Полная инф-ция содержится в боковых полосах АМ системы. Благодаря этому появляется возможность вести передачу сообщений только на частотах одной из боковых полос (ОБП). Передача на ОБП имеет след. преимущества: полоса частот, необходимая для передачи информации сокращается вдвое, что позволяет увеличить число передаваемых сообщений по используемому каналу связи.

Балансная модуляция (ДБП и ОБП)

Вариант АМ при котором в спектре АМ сигнала отсутствует частота несущей (₀) называется балансной модуляцией (БМ). Спектр БМ колебаний содержит только боковые составляющие. Поскольку при передаче обычных АМ колебаний величина мощности, приходящейся на несущую ₀, значительно превосходит мощ-сть боковых составляющих, которые несут полезную информацию, то в энергетическом отношении передача полного спектра АМ колебаний нерациональна. Поэтому используя метод БМ можно избавиться от передачи несущей и сконцентрировать мощность передатчика в информационных боковых составляющих. Разновидности АМ:

1.АМ с двумя боковыми полосами (режим ДБП), при котором АМ сиг-л содержит несущую и две боковые полосы.

2.Режим одной боковой полосы (ОБП). Т.к. полезная инф-ия содержится именно в боковых полосах, то передача сообщ-ий возможна как в режиме ДБП, так и ОБП.

Полярная модуляция

При П.М. положительные полупериоды несущей частоты ω_о модулируются по амплитуде одним первичным сигналом, а отриц-ные - другим.

Частотный спектр при ПМ аналогичен спектру обычных амплитудных колебаний.

Двухкратные непрерывные модуляции

Для повышения помехоустойчивости АМ сигнал можно дополнительно промодулировать еще и по частоте. В этом случае возникает двойная АМ-ЧМ, при кот. сначала 1-ая несущая модулируется по амплитуде на частоте первого переносчика, (наз. поднесущей). Полученный в рез-те этого АМ сигнал исп-ся для модуляции по частоте второго переносчика, наз. несущей. В нек. случаях оказывается целесообразным исп-ть двойную модуляцию в обратной послед-ти: ЧМ-АМ. ЧМ обеспечивает помехоуст-ть, а АМ уменьшает полосу частот. Иногда исп-ют вариант двойной модуляции: ЧМ-ЧМ.

Импульсные методы модуляции, их виды

К переносчикам информации 3-го типа относятся импульсные последовательности, обладающие наиболее широким ассортиментом информационных параметров. В кач-ве инф. параметров в этом случае могут быть использованы след. хар-ки:

1. Амплитуда импульсов А_и;

2. Длит. импульсов – («ширина»)-_И

3. Частота следования (период повторения)-F_сл=1/Т

4. Фаза (временное положение импульсов последовательности по сравнению с некоторыми тактовыми импульсами)

Модуляция параметров импульсных сигналов наз. импульсной модуляцией (ИМ). В зависимости от вида используемого информационного параметра различают следующие виды импульсной модуляции: АИМ, ШИМ, ФИМ, ЧИМ, КИМ

АИМ

Спектр АИМ сигналов будет отличаться от спектра исх. импульсов тем, что к спектральным составляющим переносчика добавляются боковые составляющие, а полоса частот будет определяться величиной _И импульсов: F_АИМ  1/_И

Недостатком АИМ явл. плохая помехоустойчивость и влияние на амплитуду сигналов флуктуаций в канале связи. В силу чего АИМ используются преимущественно при телеизмерениях как промежуточный вид модуляции.

ШИМ

ШИМ – широтно-импульсная модуляция.

В этом случае информационным параметром служит длительность («ширина»), т.е. при ШИМ осуществляется модуляция длительности импульсов в соответствии с мгновенными значениями первичного сигнала. Частота и амплитуда импульсов при этом не меняются

Помехоустойчивость ШИМ существенно выше чем у АИМ, поэтому этот вид модуляции широко используется как в телеизмерениях, так и в системах автоматического управления. Ширина спектра ШИМ сигналов будет определяться: F_ШИМ 1/_min . Отличие: спектр ШИМ, вокруг каждой гармоники присутствует не 2, а несколько пар боковых частот. При ШИМ могут исп. варианты, когда происходит сдвигание либо передних, либо задних фронтов импульсов, либо обоих одновременно.

ФИМ

При ФИМ под воздействием первичного сигнала происходит изменение положения импульсов модулируемой последовательности относительно тактовых позиций, при этом частота, длительность и амплитуда остаются постоянными.

ШИМ и ФИМ объединяются в один класс время-импульсной модуляции (ВИМ). Полоса частот для ФИМ сигналов определяется длительностью используемых импульсов

t = t_MAX sint

F_ФИМ1/_u

ЧИМ

При ЧИМ изменяется частота следования импульсов под воздействием первичного сообщения, при этом длительность и амплитуда импульсов не меняется. F_ЧИМ 1/_u

КИМ (ИКМ)

В случае КИМ непрерывное сообщение предварительно квантуется по уровню и времени и полученные дискретные значения проквантованного первичного сигнала передаются в виде кодовых комбинаций двоичного кода, представляющих собой группы импульсов постоянной амплитуды, длительности и пауз между ними, т. е. каждому фиксированному значению первичного сигнала ставится в соответствии определенная комбинация импульсов.

В случае КИМ следует учитывать, что чем меньше шаг квантования, тем точнее будет передано исходное сообщение. КИМ отличается наибольшей помехоустойчивостью по сравнению с другими видами импульсной модуляции; поэтому она находит наиболее широкое применение в телеметрии.

F_КИМ 1/_u

Разновидностью КИМ явл. -модуляция, при которой производится передача не самих текущих значений первичного сигнала, а только знака его приращения относительно предыдущих значений.

В отличии от КИМ, где каждый отсчет передается с помощью многоразрядного двоичного кода, в -модуляции используется передача только 2-х дискретных сигналов, что существенно упрощает передачу, ускоряет ее и позволяет уменьшить эту полосу частот.

Главный недостаток -модуляции это возможность накопления ошибок.

Разностно-дискретная модуляция

РДМ отличается от -м тем, что сигналы передаются не периодически, а только в те моменты времени, когда в проквантованном сообщении происходит переход от одного уровня к другому, причем при переходе на более высокий уровень передается сигнал о скачке вверх, а при переходе на более низкий - о скачке вниз.

λ-Δ-модуляция

Этот вид модуляции основан на --преобразовании сигнала, заключающего в следующем: первичный непрерывный сигнал x(t) первоначально квантуется по уровню и времени. Проквантованное сообщение затем последовательно передается по каналу связи через определенные интервалы t по следующему методу:

В течении 1-го такта передается положительный импульс с амплитудой, соответствующей начальному значению уровня проквантованного сигнала. В следующем такте производится сравнение очередного квантованного сигнала с предыдущем. Если эти значения не отличаются, то вместо передачи повторно импульса предыдущего уровня посылается специальный дополнительный импульс. Это продолжается до тех пор, пока на очередном такте не произойдет изменение уровня передаваемого сообщения, тогда в этом такте будет передан импульс с амплитудой, соответствующей новому значению уровня передаваемого сообщения и т. д.