Зачем нужна модуляция сигнала

Модуля́ция (лат. modulatio — размеренность, ритмичность ) — процесс изменения одного или нескольких параметров модулируемого несущего сигнала при помощи модулирующего сигнала.

Передаваемая информация заложена в модулирующем сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим (модулируемым). Модуляция, таким образом, представляет собой процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную несущую с целью получения нового модулированного сигнала.

В результате модуляции спектр низкочастотного управляющего сигнала переносится в область высоких частот. Это позволяет при организации вещания настроить функционирование всех приёмо-передающих устройств на разных частотах с тем, чтобы они «не мешали» друг другу.

В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т. д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др.). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией.

Модуляция – процесс изменения параметров несущей частоты под действием низкочастотного информационного сигнала, например, голоса из микрофона.

Для эффективного излучения радиоволн нужен ток высокой частоты. Нельзя просто включить в передающую антенну микрофона, а в приемную антенну громкоговоритель и начать вещание. И причин для этого нельзя множество.

Чтобы передающая антенна излучала электромагнитные волны, ее размеры должны быть соизмеримы с длиной излучаемой волны. Хорошо, если высота антенны равна половине длине волны, ну или хотя бы равна четверти. Теперь представим – на звуковой частоте 1кГц длина радиоволны около 300км. Четверть длины волны – 75км! Представляете антенну такой высоты?

Есть и другой серьезный недостаток: если одновременно начнут вещать несколько передатчиков на звуковых частотах 20Гц-20кГц и в приемную антенну попадут все сигналы, то разделить их будет невозможно. В приемнике вы услышите какофонию.

Выход такой: создавать радиоволны высокочастотными токами, и каждому передатчику разрешить вещать на закрепленной за ним частоте. Частота, закрепленная за передатчиком, называется несущей частотой и играет роль переносчика информации. Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале; процесс кодирования информации в несущей частоте называется модуляцией. Модуляция может управлять частотой, амплитудой или фазой несущей.

Например, АМ – амплитудная модуляция. Это изменения амплитуды несущей частоты под действием кодирующего сигнала:

ЧМ, FM – частотная модуляция. Вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой несущего колебания. По сравнению с амплитудной модуляцией здесь амплитуда остаётся постоянной.

Передаваемая информация обычно имеет вид первичного электрического низкочастотного сигнала. Это может быть телефонный сигнал в полосе частот 0,3÷3,4 кГц, сигнал видеоизображения в полосе
50 Гц – 6 МГц, дискретный (цифровой) сигнал в форме видеоимпульсов в полосе от 0 до Fв и т. д. Все первичные сигналы имеют одну общую особенность – они низкочастотны, т. е. их спектральный состав начинается от частот, близких к постоянному току. Линии связи, как уже отмечалось в первой лекции, определяются физической средой передачи. Главные задачи системы передачи информации – передать информацию без потерь и искажений по выбранной линии связи. И в организации такой системы основная проблема – согласование линии связи с первичным электрическим сигналом. Для этого согласования используется канал, как комплекс аппаратных средств, преобразующих сигнал к виду, возможному для передачи по физической линии связи. Низкочастотные проводные (кабельные, воздушные), рельсовые и др. линии связи требуют для согласования сигнала с линией усиления, обеспечения необходимой полосы пропускания, предотвращения искажений, согласование сопротивлений и т. д. без коренного изменения формы сигнала (например, телефонные сети, громкоговорящая связь). При использовании широкополосных линий связи (например, при частотном или временном уплотнении линии радиосвязи) исходные первичные сигналы нуждаются в преобразовании к виду, удобному для передачи по реальной физической линии. Это может быть перенос спектра сигнала в другую область частот, применение дискретного представления сигналов и т. д. Очень часто эти преобразования (не изменяя передаваемую информацию) приводят к новому виду преобразованного первичного сигнала. Для реализации процесса преобразования первичного сигнала обычно привлекается дополнительный стационарный сигнал – переносчик (несущий сигнал) – как "работящая лошадка", на которую "насаживают" информационный сигнал, Этот процесс "посадки" сигнала на переносчик называют модуляцией, а процесс "ссаживания" информационного сигнала с несущего колебаний называют демодуляцией или детектированием. Вид переносчика (несущего колебания) определяется физической природой лини связи и выбранного метода передачи информации.

В качестве переносчика применяют гармонические колебания, различные виды импульсного представления сигнала, сложные многоуровневые сигналы или специальные функции. Рассмотрим некоторые наиболее часто применяемые методы модуляции.

[1] стр. 61. [2] стр. 82. [3] стр. 16.

1. Дайте определение термину "модуляция".

2. Дайте определение термину "демодуляция".

3. Какие сигналы могут быть переносчиками информационного сообщения?

4. Зачем нужна модуляция?

4.2. Модуляция на гармоническом переносчике

В качестве несущего колебания частот используют гармонические колебания вида:

u(t) = A(t) cos[ω(t)t + φ(t)]. (4.1)

В этом колебании переменной, как правило, может быть только одна величина – амплитуда A(t), частота ω(t) или фазы φ(t), две других величины (в простейших видах модуляции) должны оставаться неизменными. В зависимости от переменного параметра, выбранного для передачи информационного сигнала различают: амплитудную модуляцию (АМ) u(t) = A(t)cos(ω0t + l0), частотную (ЧМ) u(t) = A0 cos[ω(t)t + φ0] и фазовую (ФМ) u(t) = A0 cos[ω0t + φ(t)]. Следует отметить, что частотный и фазовый параметры гармонического колебания входят в состав более общего представления несущего колебания – u(t) = A0 cos Ψ(t) – в состав углового параметра гармонического сигнала, что привело к принятию более общего термина для ЧМ и ФМ – угловая модуляция. Рассмотрим виды модуляции на гармоническом несущем колебании. АМ –амплитудная модуляция непрерывным (аналоговым) сигналом, представляющим передаваемую информацию (например, телефонный сигнал в полосе 0,3÷3,4 кГц).

S(t) = A(t) cos (ω0t + φ0)

S(t) = A0 + ∆Ax(t) = A0(1 + x(t)),

где А0 – начальное (среднее) значение амплитуды несущего колебания
cos ω0t;

∆А – возможное отклонение амплитуды несущего колебания.

Величину ΔА/А0 = m определим как параметр модуляции — глубина модуляции: 0 ≤ m ≤ 1. Обычно m измеряют в пределах 0% ≤ m ≤ 100%.

Модулированное по амплитуде колебание:

S(t) = A0[1 + m x(t)]cos ω0t. (4.2)

В качестве простейшего полезного информационного сигнала примем низкочастотный гармонический сигнал x(t) = cos Ω(t); Ω > 1 можно пренебречь составляющей , и тогда

при M >1. Для финитных сигналов с ограниченной длительностью полоса частот крайне велика, что дало возможность называть их широкополосными. Корреляционная функция у них имеет острый пик, что дало возможность называть их шумоподобными, т. к. для шумового сигнала имеет острый пик корреляционной функции, но т. к. эти сигналы все же не случайные, а вполне детерминированные, определился термин псевдослучайные. ШП сигналы обладают повышенной помехоустойчивостью, позволяющей принимать и обрабатывать сигналы, имеющие мощность ниже уровня шума. Коэффициент усиления ШП сигнала определяется способом его формирования и находится из выражения Кус = q2/ρ2, где q2 – отношение сигнал/шум на выходе схемы обработки, а ρ2 – отношение на входе системы (например, у системы GPS — Global Position System – системы спутникового самоопределения, использующей сложный ФМ сигнал при ширине спектра в 25 мГц, коэффициент усиления составляет 47).

Существует большое разнообразие сложных сигналов. Применяются они для импульсной модуляции (манипуляции) и заключаются, в основном, во внутриимпульсной дополнительной модуляции. Это:

— частотно-модулированные сигналы ЧМ (наиболее распространенный ЛЧМ – линейный ЧМ сигнал);

— многочастотные сигналы МЧ;

— дискретные составные частотные сигналы ДСЧ;

— с кодовой частотной модуляцией КЧМ;

— фазоманипулированные сигналы ФМ;

— фазоманипулированные кодовые сигналы КФМ.

Здесь кратко рассмотрим сигналы КФМ. Это, прежде всего, создание внутренней кодовой манипуляции, создание специальной импульсной последовательности бинарных сигналов. Рассмотрим принцип кодового уплотнения на примере кода Баркера-5. Передаваемый импульс в системе связи разделим на пять временных участков, каждый из которых в дальнейшем будет заполнен гармонической несущей, но в каждом участке со своей фазой (0;π).

Код Баркера представляет собой особую числовую (двоичную) последовательность, обладающую специфическим свойством, а именно корреляционной функцией с максимальным пиком (корреляционная функция, определяющая связь между мгновенными значениями сигнала, совпадает с выходным напряжением оптимального согласованного фильтра (см. лекцию 5)).

Коды Баркера для разной длины кода имеют значения: