≡× МЕНЮ

• Радиаторы
• Отопление
• Газоснабжение
• Газопровод
• Водопровод

Несущее высокочастотное колебание. Исследование системы восстановления несущего колебания

НЕСУЩЕЕ КОЛЕБАНИЕ

НЕСУЩЕЕ КОЛЕБАНИЕ

Колебание, спектр модулирующего (информац.) сигнала перемещаетсяпри этом в более ВЧ-диапазон, пригодный для распространения на трассе приём- передача (см. также Модулированные колебания).

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "НЕСУЩЕЕ КОЛЕБАНИЕ" в других словарях:

Колебания, параметры к рых (амплитуда, фаза, частота, длительность и т. п.) изменяются во времени. Это понятие распространяется и на колебания, параметры к рых изменяются в пространстве, тогда говорят о пространственно модулированных колебаниях;… … Физическая энциклопедия

Технологии модуляции п·Аналоговая модуляция AM · SSB · ЧМ(FM) · ЛЧМ · ФМ(PM) · СКМ Цифровая модуляция АМн … Википедия

Устройство для формирования радиосигнала, подаваемого на вход передающей антенны. Обычно содержит возбудитель (генератор колебания необходимой частоты с высокой стабильностью), усилитель мощности и модулятор (блок, модулирующий несущее колебание… … Энциклопедия техники

На примере частотной модуляции: carrier несущая, signal модулирующий сигнал, output собственно результат частотная модуляция. Несущий сигнал сигнал, один или несколько параметров которого подлежат изменению в процессе… … Википедия

Несущий сигнал сигнал, один или несколько параметров которого подлежат изменению в процессе модуляции. Степень изменения параметра определяется мгновенным значением информационного (модулирующего) сигнала. В качестве несущего может быть… … Википедия

Управление электрическими колебаниями, при котором сообщение (сигнал) передаётся только на одной (выделенной) боковой полосе частот. Она применяется главным образом в однополосной связи (См. Однополосная связь), радиотелеметрии,… … Большая советская энциклопедия

Радиоприёмные устройства, предназначенные для работы в диапазоне радиоволн от 300 МГц до 3000 ГГц (в диапазоне СВЧ). Р. СВЧ подразделяются по рабочему диапазону на Р. СВЧ дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн, а также по схеме… … Физическая энциклопедия

Системы эле ктрич. цепей, узлов и блоков, предназначенные для улавливания распространяющихся в открытом пространстве радиоволн естеств. или искусств, происхождения и преобразования их к виду, обеспечивающему использование содержащейся в них… … Физическая энциклопедия

ГОСТ 19619-74: Оборудование радиотелеметрическое. Термины и определения - Терминология ГОСТ 19619 74: Оборудование радиотелеметрическое. Термины и определения оригинал документа: 34. Адаптация телеметрической системы к объекту Адаптация к объекту Е. Telemetry system adaptation to object Процесс автоматического… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Общие сведения о модуляции

Модуляция — это процесс преобразования одного или нескольких информационных параметров несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями информационного сигнала.

В результате модуляции сигналы переносятся в область более высоких частот.

Использование модуляции позволяет:

• согласовать параметры сигнала с параметрами линии;
• повысить помехоустойчивость сигналов;
• увеличить дальность передачи сигналов;
• организовать многоканальные системы передачи (МСП с ЧРК).

Модуляция осуществляется в устройствах модуляторах . Условное графическое обозначение модулятора имеет вид:

Рисунок 1 - Условное графическое обозначение модулятора

При модуляции на вход модулятора подаются сигналы:

u(t) — модулирующий , данный сигнал является информационным и низкочастотным (его частоту обозначают W или F);

S(t) — модулируемый (несущий) , данный сигнал является неинформационным и высокочастотным (его частота обозначается w 0 или f 0);

Sм(t) — модулированный сигнал , данный сигнал является информационным и высокочастотным.

В качестве несущего сигнала может использоваться:

• гармоническое колебание, при этом модуляция называется аналоговой или непрерывной ;
• периодическая последовательность импульсов, при этом модуляция называется импульсной ;
• постоянный ток, при этом модуляция называется шумоподобной .

Так как в процессе модуляции изменяются информационные параметры несущего колебания, то название вида модуляции зависит от изменяемого параметра этого колебания.

1. Виды аналоговой модуляции:

• амплитудная модуляция (АМ), происходит изменение амплитуды несущего колебания;
• частотная модуляция (ЧМ), происходит изменение частоты несущего колебания;
• фазовая модуляция (ФМ), происходит изменение фазы несущего колебания.

2. Виды импульсной модуляции:

• амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) , происходит изменение амплитуды импульсов несущего сигнала;
• частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) , происходит изменение частоты следования импульсов несущего сигнала;
• Фазо-импульсная модуляция (ФИМ) , происходит изменение фазы импульсов несущего сигнала;
• Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) , происходит изменение длительности импульсов несущего сигнала.

Амплитудная модуляция

Амплитудная модуляция — процесс изменения амплитуды несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

амплитудно-модулированного (АМ) сигнала при гармоническом модулирующем сигнале. При воздействии модулирующего сигнала

u (t )= Um u sin ? t (1)

на несущее колебание

S (t )= Um sin (? 0 t + ? ) (2)

происходит изменение амплитуды несущего сигнала по закону:

Uам(t)=Um+ а ам Um u sin ? t (3)

где а ам — коэффициент пропорциональности амплитудной модуляции.

Подставив (3) в математическую модель (2) получим:

Sам(t)=(Um+ а ам Um u sin ? t) sin(? 0 t+ ? ). (4)

Вынесем Um за скобки:

Sам(t)=Um(1+ а ам Um u /Um sin ? t) sin (? 0 t+ ? ) (5)

Отношение а ам Um u /Um = m ам называется коэффициентом амплитудной модуляции . Данный коэффициент не должен превышать единицу, т. к. в этом случае появляются искажения огибающей модулированного сигнала называемые перемодуляцией . С учетом m ам математическая модель АМ сигнала при гармоническом модулирующем сигнале будет иметь вид:

Sам(t)=Um(1+m ам sin ? t) sin(? 0 t+ ? ). (6)

Если модулирующий сигнал u(t) является негармоническим, то математическая модель АМ сигнала в этом случае будет иметь вид:

Sам(t)=(Um+ а ам u(t)) sin (? 0 t+ ? ) . (7)

Рассмотрим спектр АМ сигнала для гармонического модулирующего сигнала. Для этого раскроем скобки математической модели модулированного сигнала, т. е. представим его в виде суммы гармонических составляющих.

Sам(t)=Um(1+m ам sin ? t) sin (? 0 t+ ? ) = Um sin (? 0 t+ ? ) +

+m ам Um/2 sin((? 0 — ? ) t+ j ) — m ам Um/2 sin((? 0 + ? )t+ j ). (8)

Как видно из выражения в спектре АМ сигнала присутствует три составляющих: составляющая несущего сигнала и две составляющих на комбинационных частотах. Причем составляющая на частоте ? 0 —? называется нижней боковой составляющей , а на частоте ? 0 + ? — верхней боковой составляющей. Спектральные и временные диаграммы модулирующего, несущего и амплитудно-модулированного сигналов имеют вид (рисунок 2).

Рисунок 2 - Временные и спектральные диаграммы модулирующего (а), несущего (б) и ампдтудно-модулированного (в) сигналов

D? ам =(? 0 + ? ) — (? 0 — ? )=2 ? (9)

Если же модулирующий сигнал является случайным, то в этом случае в спектре составляющие модулирующего сигнала обозначают символически треугольниками (рисунок 3).

Составляющие в диапазоне частот (? 0 — ? max) ? (? 0 — ? min) образуют нижнюю боковую полосу (НБП), а составляющие в диапазоне частот (? 0 + ? min) ? (? 0 + ? max) образуют верхнюю боковую полосу (ВБП)

Рисунок 3 - Временные и спектральные диаграммы сигналов при случайном модулирующем сигнале

Ширина спектра для данного сигнала будет определятся

D ? ам =(? 0 + ? max ) — (? 0 — ? min )=2 ? max (10)

На рисунке 4 приведены временные и спектральные диаграммы АМ сигналов при различных индексах m ам. Как видно при m ам =0 модуляция отсутствует, сигнал представляет собой немодулированную несущую, соответственно и спектр этого сигнала имеет только составляющую несущего сигнала (рисунок 4,

Рисунок 4 - Временные и спектральные диаграммы АМ сигналов при различных mам: а) при mам=0, б) при mам=0,5, в) при mам=1, г) при mам>1

а), при индексе модуляции m ам =1 происходит глубокая модуляция, в спектре АМ сигнала амплитуды боковых составляющих равны половине амплитуды составляющей несущего сигнала (рисунок 4в), данный вариант является оптимальным, т. к. энергия в большей степени приходится на информационные составляющие. На практике добиться коэффициента равного едините тяжело, поэтому добиваются соотношения 01 происходит перемодуляция, что, как отмечалось выше, приводит к искажению огибающей АМ сигнала, в спектре такого сигнала амплитуды боковых составляющих превышают половину амплитуды составляющей несущего сигнала (рисунок 4г).

Основными достоинствами амплитудной модуляции являются:

• узкая ширина спектра АМ сигнала;
• простота получения модулированных сигналов.

Недостатками этой модуляции являются:

• низкая помехоустойчивость (т. к. при воздействии помехи на сигнал искажается его форма — огибающая, которая и содержит передаваемое сообщение);
• неэффективное использование мощности передатчика (т. к. наибольшая часть энергии модулированного сигнала содержится в составляющей несущего сигнала до 64%, а на информационные боковые полосы приходится по 18%).

Амплитудная модуляция нашла широкое применение:

• в системах телевизионного вещания (для передачи телевизионных сигналов);
• в системах звукового радиовещания и радиосвязи на длинных и средних волнах;
• в системе трехпрограммного проводного вещания.

Балансная и однополосная модуляция

Как отмечалось выше, одним из недостатков амплитудной модуляции является наличие составляющей несущего сигнала в спектре модулированного сигнала. Для устранения этого недостатка применяют балансную модуляцию. При балансной модуляции происходит формирование модулированного сигнала без составляющей несущего сигнала. В основном это осуществляется путем использования специальных модуляторов: балансного или кольцевого. Временная диаграмма и спектр балансно-модулированного (БМ) сигнала представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Временные и спектральные диаграммы модулирующего (а), несущего (б) и балансно-модулированного (в) сигналов

Также особенностью модулированного сигнала является наличие в спектре двух боковых полос несущих одинаковую информацию. Подавление одной из полос позволяет уменьшить спектр модулированного сигнала и, соответственно, увеличить число каналов в линии связи. Модуляция при которой формируется модулированный сигнал с одной боковой полосой (верхней или нижней) называется однополосной. Формирование однополосно-модулированного (ОМ) сигнала осуществляется из БМ сигнала специальными методами, которые рассматриваются ниже. Спектры ОМ сигнала представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 - Спектральные диаграммы однополосно-модулированных сигналов: а) с верхней боковой полосой (ВБП), б) с нижней боковой полосой (НБП)

Частотная модуляция

Частотная модуляция — процесс изменения частоты несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

Рассмотрим математическую модель частотно-модулированного (ЧМ) сигнала при гармоническом модулирующем сигнале. При воздействии модулирующего сигнала

u (t ) = Um u sin ? t

на несущее колебание

S (t ) = Um sin (? 0 t + ? )

происходит изменение частоты несущего сигнала по закону:

w чм (t) = ? 0 + а чм Um u sin ? t (9)

где а чм — коэффициент пропорциональности частотной модуляции.

Поскольку значение sin ? t может изменятся в диапазоне от -1 до 1, то наибольшее отклонение частоты ЧМ сигнала от частоты несущего сигнала составляет

? ? m = а чм Um u (10)

Величина Dw m называется девиацией частоты. Следовательно, девиация частоты показывает наибольшее отклонение частоты модулированного сигнала от частоты несущего сигнала.

Значение ? чм (t) непосредственно подставить в S(t) нельзя, т. к. аргумент синуса ? t+j является мгновенной фазой сигнала?(t) которая связана с частотой выражением

? = d ? (t )/ dt (11)

Отсюда следует что, чтобы определить? чм (t) необходимо проинтегрировать ? чм (t)

Причем в выражении (12) ? является начальной фазой несущего сигнала.

Отношение

Мчм = ?? m / ? (13)

называется индексом частотной модуляции .

Учитывая (12) и (13) математическая модель ЧМ сигнала при гармоническом модулирующем сигнале будет иметь вид:

S чм (t)=Um sin(? 0 t — Мчм cos ? t+ ? ) (14)

Временные диаграммы, поясняющие процесс формирования частотно-модулированного сигнала приведены на рисунке 7. На первых диаграммах а) и б) представлены соответственно несущий и модулирующий сигналы, на рисунке в) представлена диаграмма показывающая закон изменения частоты ЧМ сигнала. На диаграмме г) представлен частогтно-модулированный сигнал соответствующий заданному модулирующему сигналу, как видно из диаграммы любое изменение амплитуды модулирующего сигнала вызывает пропорциональное изменение частоты несущего сигнала.

Рисунок 7 - Формирование ЧМ сигнала

Для построения спектра ЧМ сигнала необходимо разложить его математическую модель на гармонические составляющие. В результате разложения получим

S чм (t)= Um J 0 (M чм ) sin(? 0 t+ ? ) —

— Um J 1 (M чм ) {cos[(? 0 — ? )t+ j ]+ cos[(? 0 + ? )t+ ? ]} —

— Um J 2 (M чм ) {sin[(? 0 — 2 ? )t+ j ]+ sin[(? 0 +2 ? )t+ ? ]}+

+ Um J 3 (M чм ) {cos[(? 0 — 3 ? )t+ j ]+ cos[(? 0 +3 ? )t+ ? ]} —

— Um J 4 (M чм ) {sin[(? 0 — 4 ? )t+ j ]+ sin[(? 0 +4 ? )t+ ? ]} — … (15)

где J k (Mчм) — коэффициенты пропорциональности.

J k (Mчм) определяются по функциям Бесселя и зависят от индекса частотной модуляции. На рисунке 8 представлен график содержащий восемь функций Бесселя. Для определения амплитуд составляющих спектра ЧМ сигнала необходимо определить значение функций Бесселя для заданного индекса. Причем как

Рисунок 8 - Функции Бесселя

видно из рисунка различные функции имеют начало в различных значениях Мчм, а следовательно, количество составляющих в спектре будет определятся Мчм (с увеличивается индекса увеличивается и количество составляющих спектра). Например необходимо определить коэффициенты J k (Мчм) при Мчм=2. По графику видно, что при заданном индексе можно определить коэффициенты для пяти функций (J 0 , J 1 , J 2 , J 3 , J 4) Их значение при заданном индексе будет равно: J 0 =0,21; J 1 =0,58; J 2 =0,36; J 3 =0,12; J 4 =0,02. Все остальные функции начинаются после значения Мчм=2 и равны, соответственно, нулю. Для приведенного примера количество составляющих в спектре ЧМ сигнала будет равно 9: одна составляющая несущего сигнала (Um J 0) и по четыре составляющих в каждой боковой полосе (Um J 1 ; Um J 2 ; Um J 3 ; Um J 4).

Еще одной важной особенностью спектра ЧМ сигнала является то, что можно добиться отсутствия составляющей несущего сигнала или сделать ее амплитуду значительно меньше амплитуд информационных составляющих без дополнительных технических усложнений модулятора. Для этого необходимо подобрать такой индекс модуляции Мчм, при котором J 0 (Мчм) будет равно нулю (в месте пересечения функции J 0 с осью Мчм), например Мчм=2,4.

Поскольку увеличение составляющих приводит к увеличению ширины спектра ЧМ сигнала, то значит, ширина спектра зависит от Мчм (рисунок 9). Как видно из рисунка, при Мчм?0,5 ширина спектра ЧМ сигнала соответствует ширине спектра АМ сигнала и в этом случае частотная модуляция является узкополосной , при увеличении Мчм ширина спектра увеличивается, и модуляция в этом случае является широкополосной . Для ЧМ сигнала ширина спектра определяется

D ? чм =2(1+Мчм) ? (16)

Достоинством частотной модуляции являются:

• высокая помехоустойчивость;
• более эффективное использование мощности передатчика;
• сравнительная простота получения модулированных сигналов.

Основным недостатком данной модуляции является большая ширина спектра модулированного сигнала.

Частотная модуляция используется:

• в системах телевизионного вещания (для передачи сигналов звукового сопровождения);
• системах спутникового теле- и радиовещания;
• системах высококачественного стереофонического вещания (FM диапазон);
• радиорелейных линиях (РРЛ);
• сотовой телефонной связи.

Рисунок 9 - Спектры ЧМ сигнала при гармоническом модулирующем сигнале и при различных индексах Мчм: а) при Мчм=0,5, б) при Мчм=1, в) при Мчм=5

Фазовая модуляция

Фазовая модуляция — процесс изменения фазы несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

Рассмотрим математическую модель фазо-модулированного (ФМ) сигнала при гармоническом модулирующем сигнале. При воздействии модулирующего сигнала

u (t ) = Um u sin ? t

на несущее колебание

S (t ) = Um sin (? 0 t + ? )

происходит изменение мгновенной фазы несущего сигнала по закону:

? фм(t) = ? 0 t+ ? + а фм Um u sin ? t (17)

где а фм — коэффициент пропорциональности частотной модуляции.

Подставляя ? фм(t) в S(t) получаем математическую модель ФМ сигнала при гармоническом модулирующем сигнале:

Sфм(t) = Um sin(? 0 t+ а фм Um u sin ? t+ ? ) (18)

Произведение а фм Um u =Dj m называется индексом фазовой модуляции или девиацией фазы .

Поскольку изменение фазы вызывает изменение частоты, то используя (11) определяем закон изменения частоты ФМ сигнала:

? фм (t )= d ? фм(t )/ dt = w 0 +а фм Um u ? cos ? t (19)

Произведение а фм Um u ? =?? m является девиацией частоты фазовой модуляции. Сравнивая девиацию частоты при частотной и фазовой модуляциях можно сделать вывод, что и при ЧМ и при ФМ девиация частоты зависит от коэффициента пропорциональности и амплитуды модулирующего сигнала, но при ФМ девиация частоты также зависит и от частоты модулирующего сигнала.

Временные диаграммы поясняющие процесс формирования ФМ сигнала приведены на рисунке 10.

При разложении математической модели ФМ сигнала на гармонические составляющие получится такой же ряд, как и при частотной модуляции (15), с той лишь разницей, что коэффициенты J k будут зависеть от индекса фазовой модуляции? ? m (J k (? ? m)). Определятся эти коэффициенты будут аналогично, как и при ЧМ, т. е. по функциям Бесселя, с той лишь разницей, что по оси абсцисс необходимо заменить Мчм на? ? m . Поскольку спектр ФМ сигнала строится аналогично спектру ЧМ сигнала, то для него характерны те же выводы что и для ЧМ сигнала (пункт 1.4).

Рисунок 10 - Формирование ФМ сигнала

Ширина спектра ФМ сигнала определяется выражением:

? ? фм =2(1+ ? j m ) ? (20).

Достоинствами фазовой модуляции являются:

• высокая помехоустойчивость;
• более эффективное использование мощности передатчика.
• недостатками фазовой модуляции являются:

• большая ширина спектра;
• сравнительная трудность получения модулированных сигналов и их детектирование

Дискретная двоичная модуляция (манипуляция гармонической несущей)

Дискретная двоичная модуляция (манипуляция) — частный случай аналоговой модуляции, при которой в качестве несущего сигнала используется гармоническая несущая, а в качестве модулирующего сигнала используется дискретный, двоичный сигнал.

Различают четыре вида манипуляции:

• амплитудную манипуляцию (АМн или АМТ);
• частотную манипуляцию (ЧМн или ЧМТ);
• фазовую манипуляцию (ФМн или ФМТ);
• относительно-фазовую манипуляцию (ОФМн или ОФМ).

Временные и спектральные диаграммы модулированных сигналов при различных видах манипуляции представлены на рисунке 11.

При амплитудной манипуляции , также как и при любом другом модулирующем сигнале огибающая S АМн (t) повторяет форму модулирующего сигнала (рисунок 11, в).

При частотной манипуляции используются две частоты? 1 и? 2 . При наличии импульса в модулирующем сигнале (посылке) используется более высокая частота? 2 , при отсутствии импульса (активной паузе) используется более низкая частота w 1 соответствующая немодулированной несущей (рисунок 11, г)). Спектр частотно-манипулированного сигнала S ЧМн (t) имеет две полосы возле частот? 1 и? 2 .

При фазовой манипуляции фаза несущего сигнала изменяется на 180° в момент изменения амплитуды модулирующего сигнала. Если следует серия из нескольких импульсов, то фаза несущего сигнала на этом интервале не изменяется (рисунок 11, д).

Рисунок 11 - Временные и спектральные диаграммы модулированных сигналов различных видов дискретной двоичной модуляции

При относительно-фазовой манипуляции фаза несущего сигнала изменяется на 180° лишь в момент подачи импульса, т. е. при переходе от активной паузы к посылке (0?1) или от посылке к посылке (1?1). При уменьшении амплитуды модулирующего сигнала фаза несущего сигнала не изменяется (рисунок 11, е). Спектры сигналов при ФМн и ОФМн имеют одинаковый вид (рисунок 9, е).

Сравнивая спектры всех модулированных сигналов можно отметить, что наибольшую ширину имеет спектр ЧМн сигнала, наименьшую — АМн, ФМн, ОФМн, но в спектрах ФМн и ОФМн сигналов отсутствует составляющая несущего сигнала.

В виду большей помехоустойчивости наибольшее распространение получили частотная, фазовая и относительно-фазовая манипуляции. Различные их виды используются в телеграфии, при передаче данных, в системах подвижной радиосвязи (телефонной, транкинговой, пейджинговой).

Импульсная модуляция

Импульсная модуляция — это модуляция, при которой в качестве несущего сигнала используется периодическая последовательность импульсов, а в качестве модулирующего может использоваться аналоговый или дискретный сигнал.

Поскольку периодическая последовательность характеризуется четырьмя информационными параметрами (амплитудой, частотой, фазой и длительностью импульса), то различают четыре основных вида импульсной модуляции:

• амплитудно-импульсная модуляция (АИМ); происходит изменение амплитуды импульсов несущего сигнала;
• частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), происходит изменение частоты следования импульсов несущего сигнала;
• фазо-импульсная модуляция (ФИМ), происходит изменение фазы импульсов несущего сигнала;
• широтно-импульсная модуляция (ШИМ), происходит изменение длительности импульсов несущего сигнала.

Временные диаграммы импульсно-модулированных сигналов представлены на рисунке 12.

При АИМ происходит изменение амплитуды несущего сигнала S(t) в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала u(t), т. е. огибающая импульсов повторяет форму модулирующего сигнала (рисунок 12, в).

При ШИМ происходит изменение длительности импульсов S(t) в соответствии с мгновенными значениями u(t) (рисунок 12, г).

Рисунок 12 - Временные диаграммы сигналов при импульсной модуляции

При ЧИМ происходит изменение периода, а соответственно и частоты, несущего сигнала S(t) в соответствии с мгновенными значениями u(t) (рисунок 12, д).

При ФИМ происходит смещение импульсов несущего сигнала относительно их тактового (временного) положения в немодулированной несущей (тактовые моменты обозначены на диаграммах точками Т, 2Т, 3Т и т. д.). ФИМ сигнал представлен на рисунке 12, е.

Поскольку при импульсной модуляции переносчиком сообщения является периодическая последовательность импульсов, то спектр импульсно-модулированных сигналов является дискретным и содержит множество спектральных составляющих. Этот спектр представляет собой спектр периодической последовательности импульсов в котором возле каждой гармонической составляющей несущего сигнала находятся составляющие модулирующего сигнала (рисунок 13). Структура боковых полос возле каждой составляющей несущего сигнала зависит от вида модуляции.

Рисунок 13 - Спектр импульсно-модулированного сигнала

Также важной особенностью спектра импульсно-модулированных сигналов является то, что ширина спектра модулированного сигнала, кроме ШИМ, не зависит от модулирующего сигнала. Она полностью определяется длительностью импульса несущего сигнала. Поскольку при ШИМ длительность импульса изменяется и зависит от модулирующего сигнала, то при этом виде модуляции и ширина спектра также зависти от модулирующего сигнала.

Частоту следования импульсов несущего сигнала может быть определена по теореме В. А. Котельникова как f 0 =2Fmax. При этом Fmax это верхняя частота спектра модулирующего сигнала.

Передача импульсно модулированных сигналов по высокочастотным линиям связи невозможна, т. к. спектр этих сигналов содержит низкочастотные составляющий. Поэтому для передачи осуществляют повторную модуляцию . Это модуляция, при которой в качестве модулирующего сигнала используют импульсно-модулированный сигнал, а в качестве несущего гармоническое колебание. При повторной модуляции спектр импульсно-модулированного сигнала переносится в область несущей частоты. Для повторной модуляции может использоваться любой из видов аналоговой модуляции: АМ, ЧС, ФМ. Полученная модуляция обозначается двумя аббревиатурами: первая указывает на вид импульсной модуляции а вторая — на вид аналоговой модуляции, например АИМ-АМ (рисунок 14, а) или ШИМ-ФМ (рисунок 14, б) и т. д.

Рисунок 14 - Временные диаграммы сигналов при импульсной повторной модуляции

Сигналы, поступающие из источника сообщений (микрофон, передающая телевизионная камера, датчик телеметрической системы), как правило, не могут быть непосредственно переданы по радиоканалу. Дело не только в том, что эти сигналы недостаточно велики по амплитуде. Гораздо существеннее их Относительная низкочастотностъ. Чтобы осуществить эффективную передачу сигналов в какой-либо среде, необходимо перемести спектр этих сигналов из низкочастотной области в область достаточно высоких частот. Данная процедура получила в радиотехнике название модуляции.

4.1. Сигналы с амплитудной модуляцией

Прежде чем изучать этот простейший вид модулированных сигналов, рассмотрим кратко некоторые вопросы, касающиеся принципов модуляции любого вида.

Понятие несущего колебания. Идея способа, позволяющего переносить спектр сигнала в область высоких частот, заключается в следующем. Прежде всего в передатчике формируется вспомогательный высокочастотный сигнал, называемый несущим колебанием. Его математическая модель такова, что имеется некоторая совокупность параметров определяющих форму этого колебания. Пусть - низкочастотное сообщение, подлежащее передаче по радиоканалу. Если, по крайней мере, один из указанных параметров изменяется во времени пропорционально передаваемому сообщению, то несущее колебание приобретает новое свойство - оно несет в себе: информацию, которая первоначально была заключена в сигнале

Физический процесс управления параметрами несущего колебания и является модуляцией.

В радиотехнике широкое распространение получили системы модуляции, использующие в качестве несущего простое гармоническое колебание

имеющее три свободных параметра

Изменяя во времени тот или иной параметр, можно получать различные виды модуляции.

Принцип амплитудной модуляции.

Если переменной оказывается амплитуда сигнала причем остальные два параметра и неизменны, то имеется амплитудная модуляция несущего колебания. Форма записи амплитудно-модулированного, или АМ-сигнала, такова:

Осциллограмма АМ-сигнала имеет характерный вид (см. рис. 4.1). Обращает на себя внимание симметрия графика относительно оси времени. В соответствии с формулой (4.2) AM-сигнал есть произведение огибающей и гармонического заполнения . В большинстве практически интересных случаев огибающая изменяется во времени гораздо медленнее, чем высокочастотное заполнение.

Рис. 4.1. АМ-сигналы при различных глубинах модуляции: а - неглубокая модуляция: б - глубокая модуляция; в - перемодуляция

При амплитудной модуляции связь между огибающей и модулирующим полезным сигналом принято определять следующим образом:

Здесь - постоянный коэффициент, равный амплитуде несущего колебания в отсутствие модуляции; М - коэффициент амплитудной модуляции.

Величина М характеризует глубину амплитудной модуляции. Смысл этого термина поясняется осциллограммами АМ-сигналов, изображенными на рис. 4.1, а-в.

При малой глубине модуляции относительное изменение огибающей невелико, т. е. во все моменты времени независимо от формы сигнала

Если же в моменты времени, когда сигнал достигает экстремальных значений, имеются приближенные равенства

то говорят о глубокой амплитудной модуляции. Иногда вводят дополнительно относительный коэффициент модуляции вверх

и относительный коэффициент модуляции вниз

AM-сигналы с малой глубиной модуляции в радиоканалах нецелесообразны ввиду неполного использования мощности передатчика.

В то же время 100%-ная модуляция вверх в два раза повышает амплитуду колебаний при пиковых значениях модулирующего сообщения. Дальнейший рост этой амплитуды, как правило, приводит к нежелательным искажениям из-за перегрузки выходных каскадов передатчика.

Не менее опасна слишком глубокая амплитудная модуляция вниз. На рис. 4.1, в изображена так называемая перемодуляция Здесь форма огибающей перестает повторять форму модулирующего сигнала.

Однотональная амплитудная модуляция.

Простейший АМ-сигнал может быть получен в случае, когда модулирующим низкочастотным сигналом является гармоническое колебание с частотой . Такой сигнал

называется однотоншьным АМ-сигналом.

Выясним, можно ли такой сигнал представить как сумму простых гармонических колебаний с различными частотами. Используя известную тригонометрическую формулу произведения косинусов, из выражения (4.4) сразу получаем

Формула (4.5) устанавливает спектральный состав однотонального АМ-сигнала. Принята следующая терминология: - несущая частота, - верхняя боковая частота, - нижняя боковая частота.

Строя по формуле (4.5) спектральную диаграмму однотонального АМ-сигнала, следует прежде всего обратить внимание на равенство амплитуд верхнего и нижнего боковых колебаний, а также на симметрию расположения этих спектральных составляющих относительно несущего колебания.

Энергетические характеристики АМ-сигнала.

Рассмотрим вопрос о соотношении мощностей несущего и боковых колебаний. Источник однотонального АМ-сигнала эквивалентен трем последовательно включенным источникам гармонических колебаний:

Положим для определенности, что это источники ЭДС, соединенные последовательно и нагруженные на единичный резистор. Тогда мгновенная мощность АМ-сигнала будет численно равна квадрату суммарного напряжения:

Чтобы найти среднюю мощность сигнала, величину необходимо усреднить по достаточно большому отрезку времени Т:

Легко убедиться в том, что при усреднении все взаимные мощности дадут нулевой результат, - поэтому средняя мощность АМ-сигнала окажется равной сумме средних мощностей несущего и боковых колебаний:

Отсюда следует, что

Так, даже при 100%-ной модуляции (М = 1) доля мощности обоих боковых колебаний составляет всего лишь 50% от мощности смодулированного несущего колебания. Поскольку информация о сообщении заключена в боковых колебаниях, можно отметить неэффективность использования мощности при передаче АМ-сигнала.

Амплитудная модуляция при сложном модулирующем сигнале.

На практике однотональные AM-сигналы используются редко. Гораздо более реален случай, когда модулирующий низкочастотный сигнал имеет сложный спектральный состав. Математической моделью такого сигнала может быть, например, тригонометрическая сумма

Здесь частоты , образуют упорядоченную возрастающую последовательность в то время как амплитуды и начальные фазы Ф, - произвольны.

Подставив формулу (4.9) в (4.3), получим

Введем совокупность парциальных (частичных) коэффициентов модуляции

и запишем аналитическое выражение сложномодудированного (многотонального) АМ-сигнала в форме, которая обобщает выражение (4.4):

Спектральное разложение проводится так же, как и для однотонального АМ-сигнала:

На рис. 4.2, а изображена спектральная диаграмма модулирующего сигнала построенная в соответствии с формулой (4.9). Рис. 4.2,б воспроизводит спектральную диаграмму многотонального АМ-сигнала, отвечающего этому модулирующему колебанию.

Рис. 4.2. Спектральные диаграммы а - модулирующего сигнала; б - АМ-сигнала при многотональной модуляции

Итак, в спектре сложномодулированного АМ-сигнала, помимо несущего колебания, содержатся группы верхних и нижних боковых колебаний. Спектр верхних боковых колебаний является масштабной копией спектра модулирующего сигнала, сдвинутой в область высоких частот на величину Спектр нижних боковых колебаний также повторяет спектральную диаграмму сигнала располагается зеркально относительно несущей частоты

Из сказанного следует важный вывод: ширина спектра АМ-сигнала равна удвоенному значению наивысшей частоты в спектре модулирующего низкочастотного сигнала.

Пример 4.1. Оценить число вещательных радиоканалов, которые можно разместить в диапазоне частот от 0.5 до 1.5 МГц (примерные границы средневолнового вещательного диапазона).

Для удовлетворительного воспроизведения сигналов радиовещания необходимо воспроизводить звуковые частоты от 100 Гц до 12 кГц. Таким образом, полоса частот, отводимая одному АМ-каналу, равна 24 кГц. Чтобы избежать перекрестных помех между каналами, следует предусмотреть защитный интервал шириной в 1 кГц. Поэтому допустимое число каналов

Амплитудно-манипулированные сигналы.

Важным классом многотональных АМ-сигналов являются так называемые манипулированные сигналы. В простейшем случае это - последовательности радиоимпульсов, отделенных друг от друга паузами. Такие сигналы используются в радиотелеграфии и в системах передачи дискретной информации по радиоканалам.

Если s(t) - функция, в каждый момент времени принимающая значение либо 0, либо 1, то амплитудио-манипулированный сигнал представляется в виде

Пусть, например, функция отображает периодическую последовательность видеоимпульсов, рассмотренную в примере 2.1 (см. гл. 2). Считая, что амплитуда этих импульсов на основании (4.14) имеем при

где q - скважность последовательности.

Векторная диаграмма АМ-сигнала.

Иногда полезным может оказаться графическое изображение АМ-сигнала посредством суммы векторов, вращающихся в комплексной плоскости.

Для простоты рассмотрим одиотональную модуляцию. Мгновенное значение несущего колебания есть проекция неподаижного во времени вектора на ось отсчета углов, которая вращается вокруг начала координат с угловой скоростью в направлении часовой стрелки (рис. 4.3).

Верхнее боковое колебание отображается на диаграмме вектором длиной причем его фазовый угол при равен сумме начальных фаз несущего и модулирующего сигналов [см. формулу (4.5).

Рис. 4.3. Векторные диаграммы однотонального АМ-сигнала: а - при ; б - при

Такой же вектор для нижнего бокового колебания отличается лишь знаком в выражении для его фазового угла. Итак, на комплексной плоскости необходимо построить сумму трех векторов

Легко видеть, что эта сумма будет ориентирована вдоль вектора йнес. Мгновенное значение АМ-сигнала при окажется равным проекции конца результирующего вектора на горизонтальную ось (рис. 4.3,а).

С течением времени, помимо отмеченного вращения оси отсчета углов, будут наблюдаться следующие трансформации чертежа (рис. 4.3,6): 1) вектор будет вращаться вокруг точки своего приложения с угловой скоростью в направлении против часовой стрелки, поскольку фаза верхнего бокового колебания возрастает быстрее фазы несущего сигнала; 2) вектор будет вращаться также с угловой скоростью , но в противоположном направлении.

Строя суммарный вектор и проецируя его на ось отсчета углов, можно найти мгновенные значения и в любой момент времени.

Балансная амплитудная модуляция.

Как было показано, значительная доля мощности обычного АМ-сигнала сосредоточена в несущем колебании. Для более эффективного использования мощности передатчика можно формировать АМ-сигналы с подавленным несущим колебанием, реализуя так называемую балайсную амплитудную модуляцию. На основании формулы (4.4) представление однотонального АМ-сигнала с балансной модуляцией таково:

Имеет место перемножение двух сигналов - модулирующего и несущего. Колебания вида (4.16) с физической точки зрения являются биениями двух гармонических сигналов с одинаковыми амплитудами и частотами, равными верхней и нижней боковым частотам.

При многотональной балансной модуляции аналитическое выражение сигнала принимает вид

Как и при обычной амплитудной модуляции, здесь наблюдаются две симметричные группы верхних и ннжних боковых колебаний.

Если рассмотреть осциллограмму биений, может показаться неясным, почему в спектре этого сигнала нет несущей частоты, хотя налицо присутствие высокочастотного заполнения, изменяющегося во времени именно с этой частотой.

Дело в том, что при переходе огибающей биений через нуль фаза высокочастотного заполнения скачком изменяется на 180°, поскольку функция имеет разные знаки слева и справа от нуля. Если такой сигнал подать на высокодобротную колебательную систему (например, -контур), настроенную на частоту то выходной эффект будет очень мал, стремясь к нулю при возрастании добротности. Колебания в системе, возбужденные одним периодом биений, будут гаситься последующим периодом. Именно так с физических позиций принято рассматривать вопрос о реальном смысле спектрального разложения сигнала. К этой проблеме вернемся вновь в гл. 9.

Однополосная амплитудная модуляция.

Еще более интересное усовершенствование принципа обычной амплитудной модуляции заключается в формировании сигнала с подавленной верхней или нижней боковой полосой частот.

Сигналы с одной боковой полосой (ОБП или SSB-сигналы - от англ. single sideband) по внешним характеристикам напоминают обычные AM-сигналы. Например, однотональный ОБП-сигнал с подавленной нижней боковой частотой записывается в виде

Проводя тригонометрические преобразования, получаем

Два последних слагаемых представляют собой произведение двух функций, одна из которых изменяется во времени медленно, а другая - быстро. Принимая во внимание, что «быстрые» сомножители находятся по отношению друг к другу во временной квадратуре, вычисляем медленно изменяющуюся огибающую ОБП-сигнала:

Рис. 4.4. Огибающие однотональных модулированных сигналов при - ОБП-сигнала; 2 - обычного АМ-сигнала

График огибающей ОБП-сигнала, рассчитанный по формуле (4.18) при изображен на рис. 4.4. Здесь же для сравнения построена огибаюшая обычного однотонального АМ-сигнала с тем же коэффициентом модуляции.

Сравнение приведенных кривых показывает, что непосредственная демодуляция ОБП-сигнала по его огибающей будет сопровождаться значительными искажениями.

Дальнейшим усовершенствованием систем ОБП является частичное или полное подавление несущего колебания. При этом мощность передатчика используется еще более эффективно.

Для передачи информации в радиотехнике используются радио-волны - высокочастотные электромагнитные колебания, которые возможно эффективно излучать с помощью антенных устройств и которые способны распространяться в пространстве.

Передаваемая информация должна быть тем или иным спосо­бом заложена в высокочастотное (несущее) колебание. Это осу­ществляется с помощью модуляции. Модуляцией называется из­менение параметров несущего колебания по закону передаваемого сообщения. Модуляция, как правило, не оказывает влияния на способность высокочастотных колебаний распространяться в про­странстве.

В самом общем случае, модулированный сигнал можно предста­вить в виде колебания:

a (t)=A m (t) cos [ωt+ψ (t)]=A m (t) cos θ (t), (15.37)

в котором амплитуда А т или фаза φ изменяется по закону пере­даваемого сообщения.

Если А т и ψ - постоянные величины, то это выражение описы­вает простое гармоническое несущее колебание, не содержащее в себе никакой информации.

В зависимости от того, какой из двух параметров изменяется - амплитуда А т или угол θ - различают два основных вида модуля­ции: амплитудную и угловую.

Угловая модуляция в свою очередь подразделяется на частот­ную и фазовую модуляции. Эти два вида модуляции между собой тесно связаны, различие между ними проявляется лишь вхарак-

тере изменения во времени угла θ при одном и том же законе мо­дуляции.

Для большинства используемых в радиотехнике сигналов ха­рактерно, что при модуляции параметры радиосигнала изменяются настолько медленно, что в пределах одного периода высокочастот­ного колебания его можно считать синусоидальным. Поэтому функции A m (t), ψ(t), θ(t) можно считать медленно изменяющи­мися функциями времени.

Модулированные колебания в общем не являются периодиче­скими и относятся к числу квазигармонических, почти периоди­ческих функций. Такие функции могут быть разложены в триго­нометрический ряд и представлены как сумма гармонических со­ставляющих, частоты которых в общем случае не являются крат­ными, представляют комбинации частот и называются комбина­ционными. В отличие от такого ряда ряд Фурье содержит гармо­нические составляющие с кратными частотами.

В развитии теории модулированных колебаний большую роль сыграли работы Л. И. Мандельштама, П. Д. Папалекси, М. В. Шулейкина, В. И. Сифорова, И. С. Гоноровского и других советских ученых. В наиболее полном виде строгая математическая форму­лировка основных свойств модулированных колебаний и единых методов их исследования была впервые дана в монографии С. М. Рытова «Модулированные колебания и волны» (1940г.).

Амплитудная модуляция (AM) относится к числу простейших и получивших широкое применение благодаря своей простоте в осуществлении и использовании. При АМ амплитуда несущего колебания является функцией времени вида

A m (t) = A m 0 (l+F(t)], (15.38)

где A m 0 - постоянная, равная среднему значению амплитуды;

F(t) -функция времени, изменяющаяся по такому же закону, что и модулирующий сигнал, и называемая модуляцион­ной функцией.

Способы осуществления АМ обычно основаны на изменении по­тенциалов электронных приборов, входящих в состав радиопере­дающего устройства. В простейшем случае амплитудно-модулированное (АМ) колебание тока можно получить в цепи с изменяю­щимся сопротивлением, к которому приложено напряжение высо­кой частоты, а закон изменения определяется модуляционной функцией. Подобным переменным сопротивлением может служить, например, угольный микрофон.

Аналитически АМ колебания определяются выражением вида

α(t) = A m0 cos(t + ). (15.39)

При гармонической (однотональной) модуляции, когда

F(t) =mcos (Ωt + φ 0), (15.40)

для АМ колебания получаем

где т - коэффициент модуляции;

Ω - частота модуляции.

Коэффициент модуляции т пропорционален интенсивности пе­редаваемого сигнала, его называют также глубиной модуляции. При амплитуда АМ колебания не принимает отрицатель­ных значений. Такая модуляция называется неискаженной (рис. 15.14, а). При m >1 значения A m (t) на некоторых интерва­лах времени становятся отрицательными (рис. 15.14,6), что при­водит к перемодуляции, связанной с искажением огибающей коле­бания. Во избежание этого коэффициент модуляции выбирают не более единицы.

При неискаженной модуляции амплитуда АМ колебания из­меняется в пределах от А т min = A mo (1 - т) до A mmax =A mo (1 + m). При этом коэффициент модуляции может быть найден как отно­шение максимального приращения ΔA т амплитуды колебаний к среднему ее значению A m0:

Следует заметить, что даже при модуляции простейшим гармо­ническим сигналом АМ колебание представляет собой сложный сигнал, состоящий из ряда гармонических составляющих. Эта особенность была установлена еще в 1913 г. московским профес­сором Н. Н. Андреевым, а затем подробно исследована в работах М. В. Шулейкина (1916 г.). Тем не менее в свое время (1930 г.) американским ученым Флемингом была поднята дискуссия о «ре­альности» дополнительных гармонических составляющих в АМ колебании с далеко идущими практическими выводами. Он утвер­ждал, что временное представление АМ колебания (15.39) отоб­ражает реальную ситуацию, а его спектральное представление является математической фикцией. По мнению Флеминга, в дей­ствительности никаких дополнительных частот нет, реальна лишь несущая частота, а следовательно, ширина спектра АМ колеба­ния бесконечно мала и точное воспроизведение сигнала возможно при сколь угодно малой полосе пропускания приемника, на­строенного точно на несущую частоту. Из этого делался вывод о возможности безграничного уплотнения эфира.

В настоящее время в справедливости спектрального представ­ления сомнений нет, а окончательный вывод Флеминга представ­ляется наивным. Для обычно используемых фильтров с постоян­ными параметрами гармонический спектр АМ сигнала не менее реален, чем его временное представление. Спектр можно наблю­дать и исследовать с помощью анализаторов спектра.

Как следует из формулы (15.41), при гармонической (одното­нальной) амплитудной модуляции

Первое слагаемое здесь представляет несущее колебание с ча­стотой ω н. Второе и третье слагаемые соответствуют новым гар­моническим составляющим, появляющимся в процессе модуляции амплитуды. Они являются продуктом модуляции и называются боковыми гармоническими составляющими. Частоты этих колеба­ний (ω н + Ω) и (ω н -Ω) называются боковыми: верхней и нижней боковой частотой соответственно. Амплитуды этих составляющих одинаковы и зависят от глубины модуляции (рис. 15.15,а), а их фазы симметричны относительно фазы несущего колебания. Чем меньше коэффициент т, тем меньше амплитуды боковых состав­ляющих, и в пределе при т =0 они отсутствуют.

Если модулирующий сигнал является сложнымз

то каждая его гармоническая составляющая дает пару боковых частот:

В результате получается спектр, состоящий из двух полос ча­стот, расположенных симметрично относительно несущей ча­стоты ω н. Эти полосы частот, расположенные по обе стороны от несущей, называются боковыми: верхней и нижней боковой поло­сой (рис. 15.15,6).

Сравнивая спектры модулирующего сигнала (модулирующей функции) и соответствующего ему АМ колебания, можно сделать вывод, что спектр верхней боковой полосы AM колебания подобен спектру модулирующего сигнала. Разница лишь в том, что он сдвинут по оси частот на величину ω н. При AM происходит лишь трансформация спектра модулирующего сигнала по оси частот.

Если полоса частот модулирующего сигнала ограничена сверху максимальной частотой йтах, то соответствующий ему AM сигнал будет иметь спектр (см. рис. 15.15,6), ширина которого вдвое больше:

Для телевизионных сигналов, например, МГци МГц.

При одновременной работе в данном диапазоне частот не­скольких радиопередающих устройств во избежание помех при приеме за счет перекрытия необходимо, чтобы несущие частоты ближайших (по шкале частот) станций были разнесены одна от другой не менее чем на .

Довольно широкий диапазон частот, занимаемый АМ сигна­лами, является недостатком такого вида модуляции. К числу дру­гих серьезных недостатков АМ следует отнести плохую помехоза­щищенность и низкую экономичность радиопередатчиков. Указан­ные недостатки устраняются или в значительной мере снижаются при других видах модуляции, в частности при угловой модуляции.

Частным случаем АМ колебаний является последовательность когерентных прямоугольных радиоимпульсов (рис. 15.11). Такие колебания называют манипулированными. Различают соответ­ственно амплитудно-, фазо- и частотно-манипулированные сиг­налы.

Амплитудно-модулированные колебания описываются выражением u(t) = U(t)cos(2nf 0 t + фо). Примем, что начальная фаза несущего колебания нулевая (ф 0 = 0), а модулирующее сообщение имеет вид гармонического колебания s(/) = U Q cosQt с амплитудой?/ п, частотой Q = 2nF M и нулевой начальной фазой.

При неискаженной модуляции

где и мол - значение амплитуды в режиме молчания, т.е. при $(/) = = 0; а - масштабный множитель; |С/(/)| ? 1.

При тональной (гармонической) модуляции радиосигнал записывается в виде

где т - коэффициент (глубина) модуляции (т = oUq/U^); для неискаженной гармонической AM необходимо иметь т

Амплитудный спектр AM сигнала имеет четную симметрию относительно несущей частоты, фазовый - нечетную относительно начальной фазы несущего колебания. Модуляционные компоненты спектра модулированного сигнала симметричны в одинаковых боковых полосах в окрестности частоты

В процессе изменения амплитуды период модулирующей частоты F M значительно больше периода несущей частоты, поэтому рассматривают следующие режимы работы модулируемого каскада: молчания, максимальный, минимальный и модуляции.

В режиме молчания амплитудной модуляции нет и U(t) = U 0 .

В максимальном режиме амплитуда колебаний U max = (1 + т) ?/ мол, а максимальная мощность в (1 + т) 2 раз превышает мощность в режиме молчания: P max = (1 + т) 2 Р" 0Л.

В минимальном режиме амплитуда колебаний U min = (1 - а минимальная мощность P min = (1 - т) 2 Р МОЛ.

В режиме модуляции амплитуда колебаний изменяется по гармоническому закону; мгновенная мощность изменяется пропорционально квадрату от модулирующего напряжения: P(t) = (1 + + mcosCU) 2 P u средняя за период модуляции мощность Р МОД = = (1 + т 2 /2)Р мол. При 100%-й модуляции Р тах = 4 Р мол; Р т1П = 0; Люд = (3/2 )Р мол.

Если спектр информационного сигнала s(t) равномерно распределен в полосе частот то при т = 100% спектральная

плотность мощности AM сигнала занимает боковые полосы частот, расположенные симметрично вокруг несущей частоты, как показано на рис. 1.6. Полоса частот, занимаемая СПМ сигнала с AM, составляет 2F b . При т = 100% половина высокочастотной мощности модулированного сигнала сосредоточена в дискретной спектральной составляющей несущей частоты Р мол, а оставшаяся часть - в двух боковых полосах, по Р нол /4 в каждой.

Рис. 1.6. Спектр мощности AM колебания при модулирующем сигнале в полосе частот F H ...F B

При импульсной модуляции амплитуды основными параметрами радиосигнала u(t) являются несущая частота />, длительность огибающей радиоимпульса т и, период повторения Т п и начальная фаза высокочастотного заполнения последовательности импульсов ф н. Амплитудный спектр Фурье периодической последовательности радиоимпульсов состоит (рис. 1.7) из дискретных спектральных составляющих, следующих с интервалом по частоте F n = /Т„. Его огибающая A(f) симметрична относительно несущей частоты и изменяется по закону

где х = л(/-/ 0)т„/Г„.

Между первыми нулями главного лепестка амплитудного спектра интервал по частоте составляет 2/т и, а расположены они симметрично относительно частоты f-J q.

Если радиоимпульсы сформированы периодической манипуляцией амплитуды непрерывного гармонического колебания с нестабильной несущей частотой, то начальные фазы радиоимпульсов флуктуируют. Поэтому частоты дискретных составляющих спектра последовательности симметричны относительно несущей частоты Уо- Если же источник сигнала манипуляции навязывает одинаковую начальную фазу

Рис. 1.7. Амплитудный спектр последовательности радиоимпульсов с прямоугольной огибающей при частоте повторения F n = 10 МГц и частоте высокочастотного заполнения^ = 100 МГц

зуется в генераторе гармоник при формировании сетки одновременно существующих стабильных частот.

При угловой модуляции амплитуда радиосигнала постоянна: U = = U 0 . Различие между фазовой и частотной модуляциями проявляется лишь в законе соответствия между сообщением $(/) и изменениями фазы ф(/) радиосигнала: при ФМ ср(/) = as(t), а при ЧМ

Если входной модулирующий сигнал имеет гармоническую форму s(0 = U n cos Q/, то при неискаженной фазовой модуляции радиосигнал имеет вид

где т 9 - индекс фазовой модуляции.

Индекс фазовой модуляции определяется по формуле

где - крутизна модуляционной характеристики фазового модулятора.

Индекс фазовой модуляции представляет собой амплитуду (половинный размах) девиации фазы при гармоническом модулирующем сигнале. Частота сигнала с тональной фазовой модуляцией изменяется по закону /(/) =7о - m v QsinQ/.

Если производится неискаженная частотная модуляция таким же гармоническим сигналом, то частотно-модулированный радиосигнал имеет вид

где т в - индекс частотной модуляции.

Индекс частотной модуляции определяется по формуле

где - крутизна модуляционной характеристики частотного модулятора.

Индекс частотной модуляции представляет собой отношение девиации несущей частоты частотно-модулированного сигнала Дсо к частоте модуляции Q: т ш = Дсо/П.

Сигнал с ЧМ по закону (1.4) можно представить в виде ряда Фурье по дискретным компонентам амплитудного спектра:

где J n (mJ - функции Бесселя первого рода порядка п от аргумента т и J_(mJ =

Таким образом, амплитудный спектр сигнала Фурье с тональной угловой модуляцией имеет на несущей частоте дискретную составляющую с амплитудой U Q J 0 (mJ , а боковые полосы составлены из симметрично расположенных дискретных компонент на частотах со 0 ± лП, причем их амплитуды UoJ„(mJ пропорциональны значениям функций Бесселя соответствующего номера п.

Если индекс ЧМ мал (т„« 1), то J 0 (mJ *1, J(mJ * mJ2, J n (mJ * 0 для п > 2. В этом случае амплитудный спектр частотно- модулированного сигнала имеет две боковые компоненты, расположенные симметрично относительно несущей частоты, как и при AM. Разница по сравнению со спектром амплитудно-модулированного сигнала состоит только в том, что фаза составляющей на частоте со 0 + П противоположна фазе составляющей на частоте соо - П.

Если индекс ЧМ не мал, то занимаемая спектром |S U (/)I полоса частот увеличивается. На рис. 1.8 показан вид спектра частотно- модулированного сигнала при индексе модуляции = 5. Из данного рисунка видно, что составляющие на несущей частоте и на симметричных относительно нее частотах f 0 ± nF M могут иметь различные значения в соответствии со значениями функций но при больших отстройках от несущей частоты, составляющих примерно п > т ш, они монотонно убывают. Если т ы » 1, то удвоенную ширину спектра (занимаемую полосу частот) можно оценить эмпирическим соотношением

Угловая модуляция приводит к появлению за пределами занимаемой полосы частот нежелательных внеполосных модуляцион-

Рис. 1.8. Амплитудный спектр сигнала с гармонической ЧМ при несущей частоте / 0 = 100 МГц, частоте модуляции F 4 = 1 МГц и индексе частотной модуляции т ы = 5

Рис. 1.9. Осциллограмма сообщения s(t ) и высокочастотного ФМ-2 сигнала м(/)

ных излучений (ВМИ): амплитудный спектр при тональной (гармонической) ЧМ с т ш »1 убывает примерно на 30 дБ, если отстройка от несущей частоты в 2 раза превышает занимаемую полосу П чм.

Сигнал с двухуровневой фазовой манипуляцией ФМ-2 характеризуется скачкообразными изменениями фазы на ±п /2 относительно фазы несущего колебания в моменты смены логического уровня передаваемого символа s(/) (рис. 1.9). В модуляторах ФМ-2 сигналов применяют меры, чтобы моменты манипуляции соответствовали переходам мгновенного значения выходного сигнала u(t) через нуль, так как отсутствие скачков мгновенного значения сигнала u(t) снижает уровень ВМИ.

Огибающая амплитудного спектра радиосигналов ФМ-2 показана на рис. 1.10. Она имеет лепестковую структуру. Ширина главного лепестка, примерно равная необходимой ширине полосы частот линии цифровой связи, составляет:

где т - длительность элементарного импульса.

За пределами занимаемой полосы частот уровень ВМИ уменьшается: уровень первого бокового лепестка на 13,2 дБ ниже уровня главного, уровень второго бокового лепестка - на 22 дБ, а максимумы дальних лепестков убывают по 6 дБ на каждые 2/т отстройки от несущей частоты.

Для снижения уровня ВМИ и снижения помех в соседних частотных полосах применяют частотные фильтры, настроенные на пропускание минимально необходимой полосы частот. Однако смена фазы входного колебания на противоположную при ФМ-2 (манипуляция фазы на я) вызывает на выходе такого фильтра провалы амплитуды до нуля в моменты времени, запаздывающие относительно момента манипуляции на постоянную времени контура Т к (рис. 1.11). Причина этого заключается в наложении зату-

Рис. 1.10. Огибающая амплитудного спектра радиосигналов ФМ-2 (кривая 1) и МЧМ (кривая 2) при одинаковой скорости их передачи

хающего колебания с фазой предшествующего и нарастающего колебания с фазой текущего подимпульса. Длительность таких вариаций амплитуды составляет величину, обратную полосе пропускания фильтра.

При использовании сигналов с многоуровневой манипуляцией фазы (ФМ-ЛО глубина модуляции амплитуды на выходе фильтра зависит от сочетания фаз предыдущего и последующего подимпульсов. Провалы амплитуды до нуля на выходе полосно-про- пускающего фильтра также могут появляться, если при случайном чередовании передаваемых символов очередной уровень фазы будет отличаться от предыдущего на величину л. Разработаны способы исключения таких ситуаций (см. гл. 6).

В современных системах мобильной связи используют сигналы с минимальной частотной манипуляцией (МЧМ) без разрыва фазы. Минимальная девиация частоты для сигнала типа МЧМ в 2 раза

Рис. 1.11. Амплитудная модуляция сигнала ФМ-2 на выходе полоснопро- пускающсго фильтра первого порядка с полосой П ФМ -2

Рис. 1.12. Осциллограмма частотно-манипулированного сигнала u(t) с непрерывной фазой

меньше, чем частота следования передаваемых бит. Пример осциллограммы такого сигнала показан на рис. 1.12, работа модулятора рассмотрена в гл. 6. Уровень ВМИ для сигнала МЧМ (см. рис. 1.10, кривая 2) снижается за пределами основного модуляционного спектра значительно быстрее, чем для ФМ-2.

Манипуляция частоты даже при непрерывной фазе приводит на выходе фильтра к нежелательным изменениям амплитуды. Пример осциллограммы частотно-манипулированного сигнала с непрерывной фазой на выходе полосно-пропускаюшего фильтра представлен на рис. 1.13.

Кроме классических видов модуляции - только амплитудной и только угловой - находят применение комбинированные виды модуляции: балансная модуляция (БМ) и модуляция ОБП.

Рис. 1.13.

При БМ по сравнению с обычной амплитудной модуляцией полностью подавляется несущая частота, а симметричные относительно частоты f 0 боковые полосы остаются. Если модулирующее

колебание представить рядом Фурье i, где

F u - нижняя частота спектра модулирующих частот, то сигнал с балансной модуляцией можно записать в виде

Балансная модуляция осуществляется перемножением мгновенных значений модулирующего и несущего колебаний. Преимуществом балансной модуляции является уменьшение общей электромагнитной мощности за счет подавления мощности несущего колебания. Занимаемая полоса частот совпадает с полосой, занимаемой амплитудно-модулированным колебанием, и определяется верхней граничной частотой спектра модулирующих частот:

Модуляция ОБП отличается тем, что подавляется не только спектральная составляющая несущей частоты, но и одна из боковых полос. Выходной сигнал при модуляции ОБП можно записать в виде

если выделена верхняя боковая полоса. Если выделена нижняя боковая полоса, то знак «+» в круглых скобках заменяется на знак «-». Иногда этот вид модуляции называют однополосной амплитудной модуляцией, или модуляцией с подавлением зеркального канала и несущей. Схемотехническая реализация модуляции ОБП основана на перемножении модулирующего сигнала $(/) с несущим колебанием u 0 (t) в четырех смесителях, опорные колебания которых отличаются сдвигом фазы на 0, 90, 180 и 270 е. При прямом порядке чередования фаз после попарного суммирования выходных колебаний каналов получается компенсация верхней полосы и несущего колебания, а при обратном порядке компенсируются нижняя боковая полоса и несущее колебание.

Полоса частот, занимаемая сигналом с модуляцией ОБП, в 2 раза меньше, чем при AM, и равна полосе модулирующих частот: Побп = F B - F H .

Модуляция ОБП находит широкое применение в приемопередающей аппаратуре формирования и обработки сигналов для преобразования полосового спектра вверх или вниз с улучшенной фильтрацией за счет подавления зеркальной полосы без частотного фильтра. Подробнее смесители и модуляторы с подавлением зеркального канала рассмотрены в подразд. 3.4 и 6.4.

Применение модуляции ОБП для передачи информации по радиоканалу приводит к появлению погрешностей воспроизведения при неточном восстановлении значения несущей частоты на приемном конце, в результате чего все значения частоты модулирующего сигнала получают одинаковое абсолютное смещение. Поэтому в таких случаях частично сохраняют остаток несущего колебания на уровне 5... 10% от полного.