Modulacja1, Technikum Teleinformatyczne, vademecum teleinformatyka
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
MODULACJA
Każdy tor telekomunikacyjny można w przybliżeniu potraktować jako czwórnik o określonym paśmie przenoszenia,
czyli określonym zakresie częstotliwości, które podczas transmisji na drodze od wejścia do wyjścia ulega
akceptowalnemu tłumieniu. Częstotliwości spoza pasma przenoszenia są tłumione w większym stopniu i w związku
z tym nie mogą być używane do transmisji sygnałów. Pasmo przenoszenia można podzielić na wiele podzakresów,
nazywanych kanałami. Jeżeli każdy z nadajników będzie używał jedynie swojego kanału do transmisji informacji,
czyli będzie operował na swoim zakresie częstotliwości, to będzie możliwe przesłanie wielu informacji z różnych
nadajników do różnych odbiorników tym samym torem. Na rysunku 9.1 przedstawiono zasadę takiego rozwiązania.
Mechanizmem przenoszącym informację w odpowiedni zakres częstotliwości jest modulacja.
Modulacja jest przekształceniem, które wprowadza informację w narzędzie komunikacji, nazywane nośnikiem.
Zmodulowany nośnik nazywa się sygnałem transmisyjnym. Procesem odwrotnym do modulacji jest demodulacja,
stosowana przy wyprowadzaniu informacji z przebiegu nośnego. W modulacji biorą udział: sygnał nośny oraz
sygnał modulujący, który wpływa na parametr sygnału nośnego. Na rysunku 9.2 pokazano ten mechanizm.
Parametrem modulacji może być amplituda, częstotliwość, faza itd.
W zależności od typu sygnału nośnego oraz
poddawanego zmianom parametru wyróżniamy następujące rodzaje modulacji:
• jeżeli nośnik jest sygnałem sinusoidalnym
— modulację amplitudy (AM — ang.
Amplitudę Modulatioń),
— modulację częstotliwości (FM — ang.
Freąuency Modulatioń),
— modulację fazy (PM — ang.
Phase Modulatioń),
• jeżeli nośnik jest sygnałem impulsowym
— modulację amplitudy impulsów (PAM — ang.
Pulse Amplitudę Modulatioń),
— modulację częstotliwości impulsów (PFM — ang.
Pulse Freąuency Modulatioń),
— modulację fazy impulsów (PPM - ang.
Pulse Phase Modulatioń),
— modulację czasu trwania impulsów (PDM — ang.
Pulse Duration Modulatioń),
— modulację liczby impulsów (PNM - ang.
Pulse Number Modulatioń),
— modulację kodowo-impulsową (PCM — ang.
Pulse Code Modulatioń).
Podane typy modulacji dotyczyły przypadku, w którym sygnał modulujący, niosący informację, był sygnałem
ciągłym (np. przebiegiem prądu indukowanym w mikrofonie telefonu). Natomiast kiedy informacja ma postać
sygnału cyfrowego (postać binarną), modulacja nazywana jest kluczowaniem lub manipulacją. Są trzy podstawowe
rodzaje kluczowania:
• kluczowanie amplitudy (ASK - ang.
Amplitudę Shift Keying),
• kluczowanie częstotliwości (FSK - ang.
Freąuency Shift Keying),
• kluczowanie fazy (PSK - ang.
Phase Shift Keying).
Dla systemów transmisji ważnym parametrem jest szerokość pasma, które zajmuje informacja po zmodulowaniu.
Powód jest oczywisty: w przypadku złego ulokowania zmodulowanej informacji w torze transmisyjnym może dojść
do nałożenia się na siebie dwóch kanałów i w rezultacie odbiorniki otrzymają sumę informacji przesyłanej z
nadajników, co jest równoznaczne z wystąpieniem błędów.
MODULACJA AMPLITUDY
W modulacji tego typu (AM) amplituda przebiegu zmodulowanego (nośnego) zależy od wartości chwilowej
przebiegu modulującego. Jeżeli założymy, że:
• przebieg zmodulowany opisany jest zależnością
Ze wzoru (9.5) wynika, że sygnał otrzymany w wyniku modulacji AM ma trzy składowe opisane następującymi
wzorami:
Na rysunku 9.3 przedstawiono te składowe w sposób graficzny, dodając założenie, że pulsacja przebiegu
modulującego zawiera się w przedziale (ω
min
, ω
max
).
Ze wzoru oraz analizy graficznej wynika, że taka modulacja ma trzy niekorzystne cechy:
• poszerza pasmo potrzebne do przesłania informacji,
• w sygnale zmodulowanym zakodowana informacja jest zdublowana (obecność dwóch wstęg bocznych mających
tę samą informację),
• w sygnale zmodulowanym istnieje fala nośna, która nie przenosi żadnej informacji.
W celu wyeliminowania tych cech w systemach teletransmisyjnych zamiast pełnej modulacji amplitudy stosuje się
modulację jednowstęgową, która przed [transmisją z sygnału zmodulowanego odfiltrowuje częstotliwości dolnej
wstęgi bocznej oraz fali nośnej. Umożliwia to dodatkowo łatwe ułożenie zmodulowanych kanałów w wybranym
zakresie częstotliwości, co pokazano na rys. 9.4.
.
Tylko przedstawiony powyżej rodzaj modulacji daje w efekcie jednolity i skupiony zakres częstotliwości, dlatego
stał się podstawą do realizacji systemów przesyłających niezależnie wiele kanałów informacyjnych jednym torem
komunikacyjnym. Pozostałe rodzaje, które przedstawiono poniżej, znalazły zastosowanie w transmisji danych tylko
w jednym lub kilku ze wspomnianych kanałów.
Sygnał zmodulowany charakteryzuje się obwiednią (jest to uogólnione pojęcie amplitudy). W modulacji AM
dwuwstęgowej z falą nośną obwiednią opisana jest wzorem (9.3) i zawiera pełną informację o przebiegu sygnału
modulującego.
Na rysunku 9.5 przedstawiono ilustrację procesu modulacji.
Amplituda obwiedni jest ułamkiem
m
amplitudy przebiegu niemodulowanego
m =
Uom
Usm
(9-9)
gdzie:Usm
- amplituda sygnału modulującego, Uom - amplituda sygnału nośnego.
Ułamek
m
nazywa się współczynnikiem głębokości modulacji i podawany jest w procentach
Mechanizm stosowania modulacji amplitudy wynika z potrzeby wydajnego wypromieniowania sygnału do ośrodka
rozchodzenia się fal, uodpornienia sygnału na wpływ szumów i zakłóceń, umożliwienia wielokrotnego wykorzys-
tania kanału częstotliwościowego oraz filtracji częstotliwościowej. Mechanizm modulacji amplitudy został
pokazany na rys. 9.6.
Do wejścia wzmacniacza sumującego A
1
zostaje doprowadzony sygnał niosący informację oraz sygnał o stałej
amplitudzie, ustalający poziom sygnału modulującego. Następnym ważnym elementem w mechanizmie modulacji
jest modulator (mikser). Jest to układ, którego zadaniem jest przesunięcie sygnału niosącego informację w pasmo
wyższych częstotliwości. W modulatorze informacja (wiadomość) zostaje nałożona na sygnał nośnej, w wyniku
czego powstaje zmodulowany sygnał AM, w którym obwiednią zawiera dokładną kopię sygnału wiadomości. Na
rysunku 9.7 zostały pokazane sygnały wytworzone w procesie modulacji AM sygnałów wiadomości o różnych am-
plitudach i częstotliwościach.
Na rysunku 9.7b amplituda sygnału wiadomości zwiększa się w stosunku do amplitudy z rys. 9.7a. Częstotliwość
nośnej pozostaje ta sama, ale obwiednią sygnału AM ma większe szczyty i doliny będące wynikiem zwiększenia
amplitudy sygnału wiadomości. Odpowiada to zmianom współczynnika głębokości modulacji (m). Na rysunku 9.7c
amplituda sygnału wiadomości jest mniejsza. Wynikiem tego są mniejsze zmiany wśród szczytów i dolin oraz
zmniejszony współczynnik głębokości modulacji.
Współczynnik głębokości modulacji jest ważnym parametrem sygnału AM. Zdefiniowany jest jako stosunek
amplitudy sygnału wiadomości i niezmodulowanej fali nośnej. Do pomiaru współczynnika głębokości modulacji
jako sygnał wiadomości wykorzystuje się sygnał fali sinusoidalnej.
Współczynnik głębokości modulacji jest wprost powiązany z mocą i sprawnością transmisji AM. W przypadku
stuprocentowej modulacji
(m =
100%), czyli gdy amplituda sygnału modulującego jest równa amplitudzie
nośnej, wtedy istnieją najkorzystniejsze warunki modulacji amplitudowej. W takim przypadku każda wstęga boczna
(patrz wzór (9.5)) ma amplitudę równą połowie amplitudy wstęgi reprezentującej sygnał nośnej.
Oznacza to, że gdyby moc sygnału na wyjściu wzmacniacza A
2
z rys. 9.6 wynosiła
P,
to zostałaby ona rozdzielona
na wzmocnienie poszczególnych prążków w stosunku 0,25:1:0,25, a to z kolei oznacza, że z dostarczonej mocy
P
na wzmocnienie jednej ze wstęg bocznych zostałaby zużyta tylko 1/6 mocy
P.
Poprawę tych warunków można uzyskać przez zastosowanie na wejściu wzmacniacza A
2
(patrz rys. 9.6)
odpowiednich filtrów tłumiących częstotliwości reprezentowane przez jedną ze wstęg bocznych i wstęgę główną.
Wtedy cała moc
P
zostanie zużyta do wzmocnienia sygnału niosącego informacje. W tej sytuacji będziemy mieli do
czynienia z modulacją jednowstęgową (SSB — ang.
Single Sideband).
W momencie wystąpienia przemodulowania, czyli sytuacji, gdy amplituda sygnału modulującego jest większa od
amplitudy nośnej, obwiednią osiąga wartość zero, co wynika z działania układu modulatora. W takim przypadku w
sygnale wyjściowym poza właściwymi wstęgami bocznymi pojawiają się inne niepożądane częstotliwości, które
znajdują się zwykle poza wyznaczonym dla stacji nadawczej pasmem częstotliwości. Jest to przyczyną zniekształ-
cenia w odbiorze sygnału i interferencji z częstotliwościami innych stacji. Na rysunku 9.8 przedstawiono zjawisko
przemodulowania oraz otrzymywane częstotliwościowe wstęgi boczne.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]