При импульсной модуляции (рис.6.1) в качестве несущего колебания (точнее, поднесущего) используют различные периодические импульсные последовательности, в один из параметров которых вводится информация о передаваемом сообщении. Для дискретных сигналов процесс модуляции принято называть манипуляцией параметров импульсов.

Импульсная модуляция. Теоретической основой построения всех методов импульсной модуляции является теорема Котельникова, в соответствии с которой непрерывный первичный сигнал e (t ) с ограниченной шириной спектра F B может быть передан своими отсчетами (последователь-ностью коротких импульсов), следующих с интервалом (в радиотехнике при представлении импульсных, дискретных и цифровых сигналов часто употребляется обозначение периода Т через Dt ) Т = Dt =1/(2 F B). Достаточно большие временные интервалы между импульсами используют для передачи рабочих импульсов от других источников, т.е. для осуществления многоканальной передачи с временным разделением каналов. Положим, что поднесущим колебанием в системе передачи информации с импульсной модуляцией является периодическая последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой U н, длительностью t и и периодом повторения Т (рис.6.1, а ). Для наглядности и упрощения математических выкладок выберем в качестве модулирующего сигнала гармоническое колебание e (t ) = у которого начальная фаза q 0 =90 о (рис.6.1, б ).

Импульсную модуляцию в зависимости от выбора изменяемого параметра модулируемой импульсной последовательности принято делить на следующие виды:

Амплитудно-импульсную (АИМ), когда по закону передаваемого сообщения изменяется амплитуда импульсов исходной последовательности (рис.6.1, в );

Широтно-импульсную (ШИМ), при изменении по закону передаваемого сообщения длительности (ширины) импульсов исходной последовательности (рис. 6.1, г );

Фазоимпульсную (ФИМ), или времяимпульсную (ВИМ), если по закону передаваемого сообщения изменяется временное положение импульсов (рис. 6.1, д );

Частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ), при изменении по закону передаваемого сообщения частоты следования импульсов поднесущей (рис.6.1, е) ;

Импульсно- кодовая модуляция (ИКМ) – вид дискретной (цифровой) модуляции (цифровой манипуляции), при которой передаваемый аналоговый первичный сигнал превращается в цифровой код – последовательность импульсов (1- «единиц») и пауз (0-«нулей»), имеющих одинаковую длительность, применяется наиболее широко в современной радиоэлектронике и системах связи. Этот вид импульсной модуляции представлен на рис.6.1, ж .

Амплитудно-импульсная модуляция. В качестве примера, позволяющего оценить параметры и характеристики импульсно-модулированных колебаний, рассмотрим АИМ – сигнал и определим его спектр при модуляции импульсной последовательности гармоническим колебанием e (t ) = E 0 cosWt .

С аналитической точки зрения процедуру получения АИМ –сигнала и АИМ(t) удобно рассматривать как непосредственное умножение непрерывного передаваемого сигнала и (t ) на вспомогательную последовательность у (t ) прямоугольных видеоимпульсов единичной амплитуды.

Рис. 6.1. Импульсная модуляция:

а - периодическая последовательность исходных импульсов; б – модулирующий сигнал; в – АИМ; г – ШИМ; д - ФИМ; е – ЧИМ; ж – ИКМ

Представим периодическую последовательность прямоугольных немодулированных видеоимпульсов и (t ), имеющих амплитуду U H , длительность t и и период повторения Т , тригонометрическим рядом Фурье. Приведем формулу несущего колебания

и н (t ) = U н cosw 0 t (6.1)

и обобщенную функцию и (t ), описывающую последовательность прямоугольных импульсов. Тогда АИМ –сигнал можно записать в виде:

u АИМ (t ) = u (t ) y (t ). (6.2)

u АИМ (t ) = (1 + M cosWt ) u (t ), (6.3)

В этом соотношении параметр М =DU/U т - коэффициент (глубина) модуляции импульсов. Подставляя значение и (t ) в (6.3), после несложных преобразований запишем выражение для АИМ –сигнала:

u АИМ (t )= (6.4)

Рис.6.2. Спектр сигнала при амплитудно-импульсной модуляции

Из соотношения (6.4) следует, что при однотональной амплитудно - импульсной модуляции последовательности прямоугольных видеоимпульсов спектр АИМ – сигнала содержит постоянную составляющую А 0 , гармонику А 0 М частоты W модулирующего колебания и высшие гармонические составляющие А n частоты следования импульсов несущей nw 1 , около каждой из которых симметрично попарно расположены боковые составляющие с частотами nw 1 +W и nw 1 - W (рис. 6.2).

Основные виды АИМ – сигналов . Сигналы АИМ подразделяются на два основных вида: сигнал первого рода - АИМ -1 (см.рис. 6.3, б ) и сигнал второго рода – АИМ –II (рис.6.3, в)

Мгновенное значение амплитуды импульсов сигнала АИМ -1 зависит от мгновенного значения модулирующего колебания e(t) (рис.6.3, а ), а амплитуда импульсов сигнала АИМ-II определяется только значением модулирующего колебания в тактовых точках (рис.6.3, б ). Тактовые моменты могут совпадать с началом импульса, любой точкой его середины или концом. Поэтому при АИМ-II несущая последовательность характеризуется еще одним параметром – положением импульсов относительно тактовых точек.

Различие между сигналами АИМ – 1 и АИМ –II оказывается существенным, если длительность импульсов t и сравнима с периодом их следования методов АИМ для передачи сообщений необходимо знать полосу частот используемых сигналов.

Рис.6.3. Формирование АИМ-сигналов: а – импульсная несущая; б - АИМ-І; в - АИМ -II

Сигналы АИМ -1 при простейшем, однотональном гармоническом модулирующем сигнале, определяемом формулой (6.3), на практике используются в системах связи крайне редко. Оценим спектр импульсного радиосигнала типа АИМ-1 при реальном модулирующем колебании.

Литература: 1, 2; 6[ 46-61].

Контрольные вопросы:

1. Что за процесс импульсная модуляция?

2. Какие виды импульсной модуляции знаете?

3. Как осуществляется амплитудно-импульсная модуляция?

4. Как осуществляется частотно-импульсная модуляция?

5. Как формируются сигналы АИМ-І, АИМ-ІІ?

6. Как осуществляется импульсно-фазовая модуляция?

7. Какие особенности имеет относительная фазовая модуляция?

При импульсной модуляции (рис. 2.28) в качестве несущего колебания (точнее, поднесущего) используются различные периодические импульсные последовательности, в один из параметров которых вводится информация о передаваемом сообще­нии. Для дискретных сигналов процесс модуляции принято называть мани­пуляцией параметров импульсов.

Положим, что поднесущим колебанием в системе передачи информации с импульсной модуляцией является периодическая последовательность пря­моугольных импульсов с амплитудой, длительностьюи периодом по­вторения Г (рис. 2.28,а). Для наглядности и упрощения выкладок выберем в качестве модулирующего сигнала гармоническое колебание вида (2.57) с начальной фазой= 90° (рис. 2.28, б).

Рве 2.28. Импульсная модуляция: а - периодическая последовательность исходных импульсов; б-модулирующий сиг­нал; в - аим; г - шим; д - фим; е - икм

В качестве примера, позволяющего оценить параметры импульсно-модулированных колебаний, рассмотрим АИМ-сигнал и определим его спектр при модуляции импульсной последовательности гармоническим колебанием

Представим периодическую последовательность прямоугольных немодулированных импульсовс амплитудойтригонометрическим рядом Фурье (2.12). Введем в формулу (2.59) вместо несущего колебания

функцию, описывающую последовательность прямоугольных импульсов. Тогда АИМ-сигнал можно записать в виде

Рис. 2.29. Спектр сигнала при амплитудно-импульсной модуляции

В этом соотношении параметр- коэффициент (глубина) модуляции импульсов. Подставляя значениеиз (2.13) в (2.85), после не­сложных преобразований, запишем выражение для АИМ-сигнала:

Из формулы (2.86) следует, что при однотональной амплитудно-импульсной модуляции (рис. 2.29) периодической последовательности прямо­угольных импульсов спектр полученного сигнала содержит постоянную состав­ляющую, гармоникучастоты модуляциии высшие гармонические составляющиечастоты следо­вания импульсов, около каж­дой из которых симметрично рас­положены боковые составляющие с частотами

52. Частотное и временное разделение каналов.

Разделение каналов.

В линии связи поступает составной сигнал (спектр гармонических составляющих сигналов), представляющий собой сумму сигналов отдельных каналов.

Процесс разделения можно рассматривать как фильтрацию осуществляющих выделение отдельных каналов

Фк – алгоритм выделения (оператор фильтрации).

В зависимости от вида Фк различают методы разделения каналов:

Пространственные;

Частотные;

Временные;

Фазовые;

Корреляционные;

При временном разделении принципи­ально возможны как асинхронный, так и синхронный режимы работы. В системах связи с большим числом каналов обычно применяется синхронный режим работы, по­зволяющий обеспечить минимум переход­ных помех в системе, т.е. временное разделение каналов сигнала от каждого датчика передаётся только в отведённое для них непосредственно не пересекающиеся отрезки времени ∆t.

На базе частотных разделения каналов работают приёмники и телевизоры.

При частотном разделении для переда­чи информации в каждом стволе используется определенная несущая частота -(рис. 4-31, а). Защитный промежу­ток по частотемежду соседними стан­циями должен выбираться из условия ис­ключения взаимного перекрытия спектров. При использовании частотного разделения могут быть применены любые виды переда­чи- однополосная (ОБП), частотная (ЧМ), кодово-импульсная модуляция (КИМ) и др. Достоинства данного метода: возмож­ность асинхронной работы всей системы при различном числе каналов в земных станци­ях; простота сопряжения с существующими системами наземной связи, где широко ис­пользуется частотное уплотнение каналов. Недостатки: необходимость регулиров­ки мощности земных станций с целью ис­ключения подавления слабых сигналов силь­ными при воздействии их на нелинейный элемент ретранслятора; невысокая эффек­тивность использования мощности ретранс­лятора.

Дм – демодулятор; ЛС – линия связи; - частотное мультиплексирование;

Цель занятия: формирование навыков по расчету параметров модулированных сигналов.

Теоретический материал

Модуляция - это процесс медленного изменения во времени значений одного или нескольких параметров несущего колебания - амплитуды, частоты или фазы в соответствии с изменениями передаваемого сигнала (сообщения).

Модуляция необходима для обеспечения излучения радиоволны, так как низкочастотный сигнал, несущий в себе информацию не излучает электромагнитные волны. При передаче сообщений от источника к получателю с помощью радиоволн необходимо передаваемое сообщение или соответствующий ему электрический сигнал ввести в излучаемую электромагнитную волну. Этот процесс осуществляется путем модуляции несущего колебания модулирующим электрическим сигналом. Различают несколько способов модуляции: амплитудную, частотную, фазовую и импульсную модуляцию. При амплитудной модуляции амплитуда несущего колебания должна изменяться пропорционально изменению мгновенного значения модулирующего сигнала (рис.2.1)

Рисунок 2.1 - Амплитудная модуляция

а) модулирующий сигнал; б) несущее высокочастотное колебание;

г) амплитудно-модулированный сигнал

Алгоритм выполнения

1 Для построения временной диаграммы вычисляем периоды колебаний:

2.1;
2.2

т.е. в одном периоде модулирующего колебания укладывается
периодов несущих колебаний.

2 Для построения спектральной диаграммы находим амплитуды боковых колебаний, при однотональной модуляции амплитуды боковых колебаний равны:

3 Частоты боковых колебаний:
2.4

4 Ширина спектра АМ сигнала при однотональной модуляции

Δf=f 1 -f 2 =2F мод 2.5

Задание: На вход простейшего амплитудного модулятора подаются два гармонических колебания: несущее u нес = U m нес sinώ нес t и модулирующее

u мод = U m мод sinΩ мод t.

Начертите временные и спектральные диаграммы модулирующего сигнала и несущего колебания, используя исходные данные (таб.2.1). Дайте понятие коэффициента амплитудной модуляции. Приведите математическую модель (форму) АМ сигнала с параметрами, взятыми из исходных данных своего варианта. Постройте в масштабе временную и спектральную диаграммы АМ сигнала. Рассчитайте ширину спектра АМ сигнала, вычислите максимальную, минимальную и среднюю мощности АМ сигнала.

Таблица 2.1

Исходные данные для расчета амплитудно-модулированных сигналов

Контрольные вопросы

С какой целью осуществляется процесс модуляции несущего колебания?

Какие параметры несущего колебания могут изменяться в процессе модуляции?

Сколько составляющих содержит спектр АМ сигнала при модуляции управляющим гармоническим сигналом?

Каков физический смысл коэффициента амплитудной модуляции?

Как определить коэффициент модуляции амплитудно-модулированного сигнала по его временной диаграмме?

Характерной особенностью импульсных систем передачи является то, что энергия сигнала излучается не непрерывно, а в виде коротких импульсов, длительность которых обычно составляет незначительную часть периода их повторения. Благодаря этому энергия импульсного сигнала во много раз меньше энергии непрерывного сигнала (при одинаковых пиковых значениях). Различие в энергиях импульсного и непрерывного сигналов зависит от соотношения между длительностью и периодом повторения. Большие временные интервалы между импульсами используются для размещения импульсов других каналов, т.е. для осуществления многоканальной связи с временным разделением каналов.

Частоту повторения импульсов определяют, исходя из допустимой точности восстановления непрерывного сообщения при его демодуляции. Минимальное значение частоты повторения импульсов

F0мин = 1/T0макс =2Fа,

где Fa - максимальная частота в спектре передаваемого непрерывного низкочастотного сообщения a(t).

В большинстве случаев высокочастотный сигнал импульсной модуляции создаётся в два этапа: сначала сообщение модулирует тот или иной параметр периодической последовательности импульсов постоянного тока (или видеоимпульсов), затем видеоимпульсы модулируют (обычно по амплитуде) непрерывное высокочастотное несущее колебание. Тем самым осуществляется перенос спектра модулированных видеоимпульсов на частоту несущего колебания f0. Энергия высокочастотного импульсного сигнала сконцентрирована в полосе частот вблизи несущей f0.

Спектр сигнала АИМ

Перейдём к рассмотрению спектров сигналов импульсной модуляции. Немодулированную последовательность видеоимпульсов, выполняющую роль промежуточного переносчика, можно представить рядом Фурье. Амплитудная модуляция вызывает появление около каждой из составляющих спектра немодулированных видеоимпульсов боковых полос, повторяющих спектр сообщения Sa(w). Таким образом, спектр сигнала АИМ представляет собой как бы многократно повторённый спектр обычной АМ, в котором роль «несущих частот» выполняют гармоники частоты следования импульсов.

Рассмотрение спектра сигнала АИМ позволяет пояснить соотношение, определяющее выбор частоты повторения импульсов. Значение F0мин = 2Fа определяет то минимальное значение частоты повторения, при котором не происходит наложения спектров соседних боковых полос. Структуру, подобную спектру сигнала АИМ, но несколько более сложную, имеют и спектры сигналов при других видах импульсной модуляции. Характерной особенностью спектров сигналов импульсной модуляции является наличие около w=0 составляющих, соответствующих частотам передаваемого сообщения. Это указывает на возможность демодуляции фильтром нижних частот, пропускающим на выход лишь составляющие с частотами от 0 до 2пи Fа и отфильтровывающим все остальные. Демодуляция не будет сопровождаться искажениями, если в полосу пропускания фильтра нижних частот (ФНЧ) не попадут составляющие ближайшей боковой полосы, т. е. нижней боковой полосы. И при демодуляции сигнала АИМ, искажения будут отсутствовать, когда спектры соседних боковых полос не перекрываются, а для этого надо, чтобы частота повторения импульсов была бы F0 больше либо равно 2Fа. Из этого рассмотрения вытекает также необходимость предварительной фильтрации передаваемого сообщения a(t) таким образом, чтобы ширина спектра его ограничивалась некоторой частотой Fа.