Что такое модуляция сигнала

Вахтин, В. Е. Модуляция сигналов и ее виды, сравнение / В. Е. Вахтин, Е. С. Лебедев, Д. А. Бобров. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2023. — № 33 (480). — С. 66-68. — URL: https://moluch.ru/archive/480/105521/ (дата обращения: 06.02.2024).

В статье рассматриваются амплитудная, частотная и фазовая модуляции и их особенности. Приведены их достоинства и недостатки.

Ключевые слова: сигнал, амплитудная модуляции, частотная модуляции, фазовая модуляции, несущая частота, мгновенная частота, полная фаза, начальная фаза.

The article deals with amplitude, frequency and phase modulations and their features. Their advantages and disadvantages are given.

Keywords: signal, amplitude modulation, frequency modulation, phase modulation, carrier frequency, instantaneous frequency, full phase, initial phase.

Модуляция — это процесс, изменяющий какие-либо параметры несущего сигнала в соответствии с информационным (модулирующим) сигналом. Полученный сигнал называют модулированным.

Суть модуляции заключается в двух последовательных задачах:

  1. Сформировать опорное колебание, которое будет служить основой для переноса сигнала, чаще всего имеющего гармонический вид.
  2. Добиться, чтобы один из параметров опорного сигнала изменялся во времени пропорционально полезному информационному сигналу.

Таким образом, мы сформируем новый сигнал, состоящий из двух старых, несущий полезную информацию, более удобный для передачи, приема и прочих нужд, в связи с которыми мы осуществляли модуляцию конкретного сигнала.

В связи с тем, что параметров у сигнала несколько модуляцию можно осуществлять несколькими способами. Каждый способ имеет свои преимущества и недостатки, поэтому вид модуляции выбирается исходя из конкретных условий и возможностей.

Амплитудная модуляция

Данный вид модуляции является наиболее простым и используемым в передаче данных. Данная модуляция представляет собой изменение амплитуды несущего сигнала в пропорционально изменению передаваемого полезного сигнала (рис.1).

Амплитудная модуляция

Рис. 1. Амплитудная модуляция

Допустим, что несущий сигнал является гармоническим

, то модулированный сигнал будет иметь вид:

Для предотвращения искажения знакопеременного сигнала при модуляции часто к модулирующему сигналу добавляют постоянную составляющую:

полученный сигнал является однополярным.

Частотная модуляция

Еще один вид аналоговой модуляции. В данном процессе несущий сигнал также модулируется полезным информационным сигналом, но в отличие от предыдущего способа уже при помощи другого параметра — частоты сигнала (рис.2).

Модуляция. Базовые понятия

Частотная модуляция

Рис. 2. Частотная модуляция

В данном случае модулирующий сигнал линейно связан с мгновенной частотой колебаний:

. Мгновенная частота равна производной от полной фазы по времени, следовательно, полная фаза

. В результате получаем:

Фазовая модуляция

При фазовой модуляции, изменяемым параметром будет служить фаза несущего сигнала. По своим характеристикам наиболее сходна с частотной модуляцией, однако является весьма сложной в реализации, следовательно, используется в аналоговой технике значительно реже чем частотная (рис.3).

Фазовая модуляция

Рис. 3. Фазовая модуляция

Начальная фаза в данном виде модуляции имеет вид:

. Тогда получаем сигнал:

Плюсы и минусы разных видов модуляции

Вид модуляции

Плюсы

Минусы

1.Простота реализации и декодирования сигнала.

2.Широкое применение в радио и телевизионной передаче.

3.Хорошая устойчивость к помехам с низкой скоростью изменения амплитуды сигнала

1.Низкая эффективность использования частотного спектра. 2.Чувствительность к шумам и помехам. 3.Ограниченная пропускная способность и дальность передачи сигнала.

1.Хорошая устойчивость к шумам и помехам.

2.Лучшее качество звука и изображения при передаче аудио и видео сигналов.

3.Большая пропускная способность и дальность передачи сигнала.

1.Более сложная реализация и декодирование сигнала. 2.Чувствительность к изменениям частоты и нестабильным условиям передачи.

1.Устойчивость к шумам и помехам при передаче сигналов.

2.Хорошая пропускная способность и дальность передачи сигнала.

3.Меньшая чувствительность к изменению амплитуды сигнала.

1.Сложность реализации и декодирования сигнала.

2. Ограниченная доступность и применение по сравнению с амплитудной и частотной модуляцией.

3.Большая чувствительность к изменениям фазы сигнала и нестабильным условиям передачи.

Были рассмотрены наиболее часто используемые в практике виды модуляции сигналов. Каждая из них, обладает своими преимуществами и недостатками, а как следствие оптимальна для использования в определенных условиях. Нет универсального вида модуляции сигнала для любой поставленной задачи, однако правильный выбор, осуществленный отталкиваясь от необходимых нам требований, способствует более качественной, экономичной и помехозащищенной связи с получателем информации. Часто применяются комбинации данных видов модуляции.

  1. Иванов М. Т., Сергиенко А. Б., Ушаков В. Н. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. Стандарт третьего поколения / под ред. В. Н. Ушакова СПб.: Питер, 2014. — 336с.
  2. И. С. Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для вузов — изд. 4-е, перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1986. — 512 с.
  3. С. И. Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для вузов — изд. 4-е, перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2003. — 462 с.

Основные термины (генерируются автоматически): фазовая модуляция, частотная модуляция, вид модуляции, несущий сигнал, амплитудная модуляция, дальность передачи сигнала, декодирование сигнала, полная фаза, пропускная способность, мгновенная частота.

Ключевые слова

сигнал, амплитудная модуляции, частотная модуляции, фазовая модуляции, несущая частота, мгновенная частота, полная фаза, начальная фаза

сигнал, амплитудная модуляции, частотная модуляции, фазовая модуляции, несущая частота, мгновенная частота, полная фаза, начальная фаза

Аналоговая модуляция.

Прежде чем перейти непосредственно к цифровой модуляции, приведу картинку, иллюстрирующую аналоговую AM (амплитудную) и FM (частотную) модуляцию, которая освежит у многих школные познания:
image
исходный сигнал
image
AM (амплитудная модуляция)
image
FM (частотная модуляция)

image

В цифровой модуляции аналоговый несущий сигнал модулируется цифровым битовым потоком.
Существуют три фундаментальных типа цифровой модуляции (или шифтинга) и один гибридный:

  1. ASK – Amplitude shift keying (Амплитудная двоичная модуляция).
  2. FSK – Frequency shift keying (Частотая двоичная модуляция).
  3. PSK – Phase shift keying (Фазовая двоичная модуляция).
  4. ASK/PSK.

Упомяну, что существует традиция в русской терминологии радиосвязи использовать для модуляции цифровым сигналом термин «манипуляция».

В случае амплитудного шифтинга амплитуда сигнала для логического нуля может быть (например) в два раза меньше логической и единицы.
Частотная модуляция похожим образом представляет логическую единицу интервалом с большей частотой, чем ноль.
Фазовый шифтинг представляет «0» как сигнал без сдвига, а «1» как сигнал со сдвигом.
Да, тут мы как раз имеем дело со «сдвигом по фазе» 🙂
Каждая из схем имеет свои сильные и слабые стороны.

  • ASK хороша с точки зрения эффективности использования полосы частот, но подвержена искажениям при наличии шума и недостаточно эффективна с точки зрения потребляемой мощности.
  • FSK – с точностью до наоборот, энергетически эффективна, но не эффективно использует полосу частот.
  • PSK – хороша в обоих аспектах.
  • ASK/PSK – комбинация двух схем. Она позволяет еще лучше использовать полосу частот.

Самая простая PSK схема (показанная на рисунке) имеет собственное название — Binary phase-shift keying. Используется единственный сдвиг фазы между «0» и «1» — 180 градусов, половина периода.
Существуют также QPSK и 8-PSK:
QPSK использует 4 различных сдвига фазы (по четверти периода) и может кодировать 2 бита в символе (01, 11, 00, 10). 8-PSK использует 8 разных сдвигов фаз и может кодировать 3 бита в символе.
Подробнее тут
Одна из частных реализаций схемы ASK/PSK которая называется QAM — Quadrature Amplitude Modulation (квадратурная амплитудная модуляция (КАМ). Это метод объединения двух AM-сигналов в одном канале. Он позваляет удвоить эффективную пропускную способность. В QAM используется две несущих с одинаковой частотой но с разницей в фазе на четверть периода (отсюда и возникает слово квадратура). Более высокие уровни QAM строятся по тому же принципы, что и PSK. Если вас интересуют детали, вы без труда можете их найти в сети.
Теоретическая эффективность использования полосы пропускания:

ФорматЭффективность (бит/с/Гц)
BPSK1
QPSK2
8-PSK3
16-QAM4
32-QAM5
64-QAM6
256-QAM8

Чем сложнее схема модуляции, тем более пагубное воздействие на нее оказывают искажения при передаче, и тем меньше расстояние от базовой станции, на котором сигнал может быть успешно принят.
Теоретически возможны PSK и QAM схемы еще более высокого уровня, но на практике при их использовании возникает слишком большое количество ошибок.
Теперь, когда мы рассмотрели основные моменты, можно написать какие схемы модуляции применяются в сетях WiMax.

Модуляция сигнала в сетях WiMax.

В WiMax используется «динамическая адаптивная модуляция», которая позволяет базовой станции делать выбор между пропускной способностью и максимальным расстоянием до приемника. Чтобы увеличить дальность, базовая станция может переключиться между 64-QAM, 16-QAM и QPSK.

Я надеюсь, что у меня получилось соблюсти баланс между популярностью изложения и техничностью содержания. Если данная статья окажется востребованной, я продолжу работать в этом направлении. Технология WiMax имеет множество нюансов, о которых можно рассказать.

Что такое модуляция сигнала

Ну, в-общем то, мы уже затрагивали модуляцию несколькими главами раньше. Поэтому вы мне сейчас быстренько скажете, что это такое! 🙂 Совершенно верно. Это процесс «усаживания» низкочастотного звукового сигнала на хрупкие плечи высокочастотного радиосигнала (который мы, кстати, только что сгенерировали). Звуковой сигнал называется «модулирующий», а радиосигнал называется «несущая» (имеется в виду «несущая частота»). Иными словами: Модуляция — это процесс представления модулирующего сигнала через определенный параметр несущей. Не понятно? Ну не расстраивайтесь, мне тоже — не совсем… Давайте снова рисовать картинки. Итак, если запустить по иксам время, а по игрикам откладывать напряжение, то график нашего свежесгенерированного ВЧ-сигнала будет выглядеть примерно так:

Эта гребенка — и есть высокочастотный сигнал, то есть — несущая. Теперь мы знакомы «в лицо». А как же выглядит наш звук из Арии Ивана и Лягушки, которую мы собираемся передавать в эфир? Возьмем очень короткий отрывок из песенки и нарисуем для него график:

До сих пор это был просто звук. Но сейчас мы смотрим на него уже совсем иначе. То что для всех — просто красивая музыка, для нас — модулирующий сигнал! Ему предстоит «оседлать» несущую и полететь в эфир. Ну что же, приступим к седланию несущей. Выражаясь научно, нам надо промодулировать несущую звуковым сигналом. Как же это сделать? Давайте попробуем вот чего: ограничим амплитуду несущей так, чтобы она повторяла амплитуду модулирующего сигнала.

То есть, несущая не должна «вылазить» за пределы, очерченные красным. Что для этого нужно? А нужно всего лишь, ослаблять и повышать мощность передатчика, в соответствии со звуковым сигналом. Мощность нашего передатчика «создает» каскад УВЧ, подробно рассмотренный нами в параграфе 15-м. Значит, чтобы манипулировать мощностью — надо маленько поизгаляться над этим блоком 🙂 Изгаляться мы будем жестоко и цинично. А именно: включим в эмиттерную цепь транзистора VT2 в усилителе — еще один транзистор — VT3, вот так:

  1. Наш звуковой сигнал.
  2. Ток смещения.

Ну, со звуковым сигналом вроде бы все ясно — он будет управлять эмиттерным током каскада УВЧ, и тем самым увеличивать или уменьшать размах выходного ВЧ-сигнала.

А что за такой зверь — ток смещения.

Смотрим снова на график.

Как видите, звуковой сигнал колеблется вокруг нуля. То есть, бывают моменты, когда он меньше нуля, то есть — ток отрицателен, и моменты, когда он больше нуля — ток положителен. Но транзистор-то у нас открывается только положительными токами. Значит, вся та часть звука, что ниже нуля пойдет по боку. А ведь это — добрая половина! Надо срочно что-то делать. Что?

Кто сказал «напиться»? Никто не говорил?? Ну и правильно. Рано пока что. Проблема решается гораздо легче: просто надо подать на базу транзистора некий постоянный ток, такой, чтобы даже при самом сильном отрицательном звуковом сигнале транзистор оставался ну хоть немножечко приоткрыт.

То есть: отныне все положительные токи сигнала будут складываться с током смещения, все отрицательные — из него вычитаться. Результат же будет всегда положителен.

Ну вот! Теперь наш звуковой сигнал получил полную власть над УВЧ. То есть — теперь он стал управлять амплитудой несущей, или модулировать несущую.

Вот как будет выглядеть сигнал, отдаваемый в антенну:

Все! Несущая промодулирована!
Таким образом, только что, на ваших глазах мы сделали передатчик с амплитудной модуляцией. Почему с амплитудной? Да потому что звуковой сигнал управляет амплитудой несущей.

А что, бывают еще какие-то модуляции. — спросите вы.

Ну конечно бывают. Например — частотная модуляция… Вот как раз о ней мы и поговорим дальше…

Ваш браузер не поддерживается

Интернет-сервис Студворк построен на передовых, современных технологиях и не может гарантировать полную поддержку текущего браузера.

Chrome

Установить новый браузер

    Google Chrome

Yandex browser

Скачать
Яндекс Браузер

Opera

Скачать
Opera

Firefox

Скачать
Firefox

Edge

Скачать
Microsoft Edge

Нажимая на эту кнопку, вы соглашаетесь с тем, что сайт в вашем браузере может отображаться некорректно. Связаться с техподдержкой

Работаем по будням с 8.00 до 18.00 по МСК

Виды аналоговой модуляции:

Амплитудная модуляция (АМ) — вид модуляции при котором изменяемым параметром является амплитуда.

Изображение

Первые опыты по передаче с её помощью проводились ещё в 1906 канадским и американским инженером Р. Фессенденом. В его опытах электромашинный генератор вырабатывал сигнал частотой 50 кГц, затем в цепи включался угольный микрофон, изменяющий сопротивление цепи, после чего шла антенна. Являясь самым первым широко применяемым на практике видом модуляции получила огромное распространение.

Изображение

Реджинальд Обри Фессенден (1866 г. — 1932 г.)

Самой простой передачей сигнала в амплитудной модуляции является та, которая содержит 2 боковые полосы и несущую, она называется DSBSC. Однако при ней две трети энергии тратится на несущую, которая не несёт никакой информации. Потому популярны виды амплитудной модуляции с одним боковым сигналом (SSB), где одна из двух зеркальных боковых полос «обрезается», а затем приёмник восстанавливает несущую без потери информации. В зависимости от того какая полоса была исключена SSB может быть в верхней боковой полосе или нижней. И также существует передача с двумя боковыми полосами и отсутствующей несущей(DSB).

Изображение

DSBSC

Изображение

SSB (верхняя)

Изображение

SSB (нижняя)

Частотная модуляция (FM) — вид модуляции при котором изменяемым параметром является частота, а амплитуда остаётся неизменной.

Изображение

Изобрёл частотную модуляцию в 1902 году Корнелиус Д. Эрет, но более 30 лет изобретение не находило практического применения. В 1933 году Эдвин Армстронг предложил использование ЧМ для радиовещания, что уменьшило бы общее количество помех, которые приводят, как правило к случайному изменению амплитуды. И в 1935 прошла первая демонстрация радиосвязи с её использованием. Она сложнее в реализации, по сравнению с амплитудной, но благодаря преимуществам стала крайне популярной и в наше время считается одной из главных.

Изображение

Эдвин Говард Армстронг (1890 г. — 1954 г.)

Линейная частотная модуляция — подвид частотной модуляции при котором частота сигнала изменяется по линейному закону.

Фазовая модуляция (PM) — вид модуляции, при которой частота и амплитуда остаются неизменными, передача информации происходит за счёт изменения фазы несущего колебания прямо пропорционально информационному сигналу.

По характеристикам близка к частотной модуляции.

Изображение

В отличии от частотной модуляции изображение фазовой модуляции с визуальной точки зрения менее интуитивно понятно. В фазовой модуляции частота несущей соответствует наклону формы волны модулирующего сигнала. Наиболее высокочастотные участки соответствуют времени самого крутого положительного наклона, а наиболее низкочастотные — самого крутого отрицательного.

Также информация может передаваться не в самой фазе, а в разности фаз соседних сигналов в последовательности, такую называют относительная фазовая манипуляция (ОФМ).

Среди видов модуляции выделяется один из самых старых, если не самый — CW, непрерывная волна или непрерывный сигнал. В ней электромагнитная волна имеет постоянную амплитуду, частоту и, в математическом анализе, бесконечную продолжительность. В ней информация передаётся с помощью разных продолжительностью импульсов (включений и выключений сигнала). Она используется на протяжении всей своей истории для передачи сигналов в азбуке Морзе и потому они остаются неотделимы друг от друга.

Цифровая модуляция (манипуляция) — процесс преобразования закодированных символов в последовательность сигналов. Форма сигналов в ней зачастую «квадратная»

Виды манипуляции:

Цифровая фазовая модуляция (FSK) — вид фазовой модуляции, при котором фаза изменяется соответственно последовательности нолей и единиц.

Изображение

Также существует квадратурная фазовая манипуляция (QPSK), интересная тем, что при ней передаётся два бита в одном символе. Т.е. символы являются не 0 или 1, а 00, 01 или 11.

Амплитудная манипуляция (АМн) — вид манипуляции, при котором скачкообразно изменяется амплитуда несущего колебания в зависимости от символа информационной последовательности.

Изображение

Телеграфные сигналы т.е. азбуку Морзе чаще всего передают именно с помощью амплитудной манипуляции. Этот метод наиболее прост в реализации в сравнении с другими.

Частотная манипуляция (ЧМн) — манипуляция при которой в зависимости от символа информационной последовательности изменяется частота несущего сигнала.

Изображение

Опять же, поскольку помехи приводят в основном к изменению амплитуды частотная манипуляция более помехоустойчива в сравнении с амплитудной.

Критерии выбора формата модуляции

Выбор необходимого формата определяет:

Правильность приема сообщений

Для оценки верности приема сообщений используется показатель взаимосвязи сигнал / шум у выхода приемного устройства.

Величина выигрыша

Предельное значение выигрыша различно для каждого типа модуляции (амплитудная — 1, частотная, фазовая — более 1). Однако общим требованием выступает увеличение полос пропускания приемника, поскольку выигрыш может быть достигнут только при малом уровне помех.

Ошибки передачи

Ошибки передачи непрерывного сообщения при АМ уменьшаются с увеличением коэффициента модуляции, при фазовой — уменьшаются с увеличением соотношения сигнал-помеха и увеличением стабильности генераторов, при частотной — уменьшаются с возрастанием индекса модуляции.

Частотная модуляция

В результате данного типа модуляции сигнал модулирует частоту опорного сигнала, а не мощность. Поэтому если величина сигнала увеличивается, то, соответственно, растет частота. Ввиду того, что полоса получаемого сигнала намного шире исходной величины сигнала.

Такая модуляция характеризуется высокой помехоустойчивостью, однако для ее применения следует использовать высокочастотный диапазон.

Фазовая модуляция

В процессе данного типа модуляции модулирующий сигнал использует фазу опорного сигнала. При данном типе модулирования получаемый сигнал имеет достаточно широкий спектр, потому что фаза оборачивается на 180 градусов.

Фазовая модуляция активно используется для формирования помехозащищенной связи в микроволновом диапазоне.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий