3819 ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ И ДЕМОДУЛЯЦИИ

 

 

Цель лабораторной работы состоит в ознакомлении студентов с особенностями различных видов импульсной модуляции и демодуляции, принципами построения модуляторов и демодуляторов, спектрами сигналов, помехоустойчивостью.

 

Теоретическая часть

Для передачи сообщений в радиосистемах передачи информации используется некоторый физический процесс, называемый переносчиком. Часто в качестве переносчика используется гармонический сигнал (синусоидальный или косинусоидальный) высокой частоты. Переносчик имеет несколько параметров. Изменение одного из параметров переносчика в соответствии с передаваемым сообщением называют модуляцией. В некоторых случаях модулирующее сообщение воздействует одновременно не на один, а на несколько параметров. Такую модуляцию называют смешанной. Возможны, например, амплитудно-частотная, амплитудно-фазовая модуляция и т.п. Гармонический переносчик имеет три параметра: амплитуду, частоту и фазу. В соответствии с этим можно образовать три вида модуляции: амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ). Если сообщение закодировано двоичным (бинарным) кодом, то модулирующий параметр будет принимать только два значения: одно из них будет соответствовать передаче символа 1, другое – передаче символа 0. В этом случае модуляцию называют манипуляцией и обозначают АМн, ЧМн, ФМн.

В настоящее время для передачи информации между большим количеством абонентов применяют многоканальные системы, которые позволяют передавать несколько независимых сообщений по одной линии связи, что позволяет увеличить экономическую эффективность систем. В основу построения многоканальных систем с временным разделением каналов положена теорема В.А. Котельникова, согласно которой непрерывная функция времени с ограниченным частотой Fв спектром может быть восстановлена по ее дискретным отсчетам, взятым через интервалы времени Dtк = 1/(2FВ). В соответствии с этой теоремой оказывается достаточным передавать по линии связи вместо непрерывной функции времени только её отсчеты

 

Рис. 1

Рис. 2



через интервалы времени T0 = Dtк, затрачивая на передачу каждого отсчета интервал tК – небольшую часть общего интервала Т0. Величину tК называют канальным интервалом, а T0 – периодом кадра. В остальное время T0 – tК можно передавать значения отсчетов других сообщений. В качестве переносчика отсчетов сообщений можно использовать периодическую последовательность импульсов прямоугольной формы. Параметрами такой последовательности являются амплитуда импульсов, длительность, их положение во времени (фаза) и частота следования. Это позволяет получать четыре основных вида импульсной модуляции: амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), широтно-импульсную или длительно импульсную модуляцию (ШИМ или ДИМ), фазо-импульсную или время-импульсную модуляцию (ФИМ или ВИМ), частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ). Однако сигналы при импульсных видах модуляции имеют низкочастотный спектр и не могут эффективно излучаться антеннами.  Поэтому применяют вторую ступень модуляции, используя высокочастотный гармонический переносчик, то есть АМ, ЧМ, ФМ. Такую модуляцию называют сложной и обозначают: АИМ-АМ, ФИМ-АМ, ШИМ-ЧМ, ШИМ-ФМ и т. д.  Применяют также сложные виды модуляции с числом ступеней больше двух.

Амплитудно-импульсная модуляция. При этом виде модуляции переносчиком служат периодические последовательности видеоимпульсов (рис. 1, а). Основными параметрами каждой такой последовательности видеоимпульсов являются амплитуда видеоимпульсов U0, их длительность t, период следования T0, а также положение(фаза) импульсов относительно тактовых точек.

Простейшим видом импульсной модуляции является амплитудно-импульсная модуляция, при применении которой под воздействием модулирующего напряжения(канального сообщения, рис. 1,б) происходит изменение только амплитуды видеоимпульсов, а остальные параметры импульсной последовательности остаются неизменными. Причем амплитудно-импульсная модуляция имеет две разновидности, которые носят название АИМ первого рода (АИМ-I) и АИМ второго рода (АИМ-2). При АИМ-I амплитуда каждого видеоимпульса изменяется в пределах его длительности в соответствии с модулирующим напряжением (рис. 1, в). В случае же АИМ-2 амплитуда видеоимпульса остается постоянной в пределах его длительности и определяется значением модулирующей функции лишь в некоторый фиксированный момент времени, например в момент начала импульса (рис. 1, г).

Различие между АИМ-I и АИМ-2 становится незначительным при условии t << T0, которое обычно выполняется на практике.

На передающей стороне, как правило, применяется АИМ-I, так как она автоматически получается  в процессе коммутации каналов с помощью механических или электронных коммутаторов, например микросхемы К561ТК3.

Частотный спектр выходного сигнала при АИМ-I представлен на рис. 2. При модуляции синусоидой в спектре
выходного сигнала содержится постоянная составляющая , частота модуляции F, частота импульсов F0 = 1/T0 и ее гармоники, около каждой из которых расположены две боковые частоты  iF0 ± F, где i – номер гармоники. Огибающая спектра АИМ сигнала определяется огибающей спектра одиночного немодулированного видеоимпульса.

Поскольку при амплитудной модуляции в спектр выходного сигнала непосредственно входят все частотные составляющие модулирующего сигнала, то демодуляция АИМ сигнала наиболее просто может быть осуществлена с помощью фильтра низких частот.

С учетом конечной крутизны склона частотной характеристики фильтра низких частот частоту импульсов приходится увеличивать по сравнению с предельной частотой, определяемой теоремой В. А. Котельникова. Например, при передаче телефонных сообщений с FВ = 3400 Гц обычно выбирают F0 = 8000 Гц.

Широтно-импульсная модуляция. При использовании этого вида модуляции изменяется только длительность канальных видеоимпульсов пропорционально модулирующему сигналу, а их амплитуда остается постоянной. Широтно-импульсная модуляция называется двусторонней (ДШИМ), если длительность видеоимпульсов изменяется за счет перемещения их переднего и заднего фронтов одновременно (рис. 3), и односторонней (ОШИМ),  если в процессе модуляции перемещается только один из фронтов видеоимпульса, например задний фронт (рис. 4). Кроме того, различают широтно-импульсную модуляцию первого рода (ДШИМ-I, ОШИМ-I) и второго рода (ДШИМ-2, ОШИМ-2). В  первом случае временное положение обоих фронтов видеоимпульса (при ДШИМ) или одного из них (при ОШИМ) определяется значением модулирующего сигнала в совпадающие с соответствующими фронтами моменты времени, а во втором случае – значением модулирующего сигнала в так называемых тактовых точках, совпадающих с одним из фронтов или серединой исходных немодулированных канальных видеоимпульсов и  отстоящих друг от друга на время кадра T0 (рис. 3,в; рис. 4,в). В частности, при ДШИМ-I оба фронта смещаются симметрично относительной тактовых точек, а при ДШИМ-2 несимметрично. Однако, если максимальная длительность видеоимпульсов значительно меньше длительности периода T0 импульсов, то при достаточно большом числе каналов в многоканальной системе, различие между ШИМ первого и второго рода несущественно. На практике наибольшее распространение нашла ОШИМ-I, которую можно получить, например, с помощью схемы, изображенной на рис. 5.

В этой схеме на компаратор (схему сравнения) поступает периодическая последовательность пилообразных импульсов u1 с периодом T0 и модулирующее напряжение u2. В результате на выходе компаратора образуется последовательность u3 прямоугольных импульсов, модулированных по длительности, передний фронт которых неподвижен, а задний фронт перемещается в соответствии с модулирующим сигналом (рис. 5).

Известно также множество схем получения ШИМ с использованием заторможенного мультивибратора, фантастрона, феррит-транзисторных элементов, а также путем преобразования АИМ в ШИМ.

Амплитудный спектр выходного сигнала при ОШИМ в случае модуляции гармоническим сигналом с частотой F показан на рис.6.

Спектр выходного сигнала при ОШИМ-I содержит такие же составляющие, как и при АИМ-I, но дополнительно включает в себя бесчисленное количество комбинационных частот вида
iF0 ± kF. Поэтому при ОШИМ-I так же, как и при АИМ-I,

 

Рис. 5

 

 




демодуляция сигнала осуществляется с помощью фильтра нижних частот.

 



 
суши сеты пермь - вся подробная информация