Модулятор радиопередатчика – 6. Импульсная работа радиопередатчиков. Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Учебное пособие

Модулятор радиопередатчика — это… Что такое Модулятор радиопередатчика?


Модулятор радиопередатчика

315. Модулятор радиопередатчика

Модулятор

Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации. academic.ru. 2015.

  • модулятор
  • Модулятор телеметрического сигнала

Смотреть что такое «Модулятор радиопередатчика» в других словарях:

  • модулятор радиопередатчика — модулятор Устройство для осуществления процесса модуляции. [ГОСТ 24375 80] Тематики радиосвязь Обобщающие термины радиопередатчики Синонимы модулятор …   Справочник технического переводчика

  • Модулятор радиопередатчика — 1. Устройство для осуществления процесса модуляции Употребляется в документе: ГОСТ 24375 80 …   Телекоммуникационный словарь

  • модулятор — 2.4 модулятор: Элемент, предназначенный для изменения силы (сил) торможения в зависимости от сигнала, полученного от регулятора. Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Модулятор —         в радиотехнике и дальней связи, устройство, осуществляющее модуляцию управление параметрами высокочастотного электромагнитного переносчика информации в соответствии с электрическими сигналами передаваемого сообщения. М. является составной …   Большая советская энциклопедия

  • ГОСТ 24375-80: Радиосвязь. Термины и определения — Терминология ГОСТ 24375 80: Радиосвязь. Термины и определения оригинал документа: 304. Абсолютная нестабильность частоты радиопередатчика Нестабильность частоты передатчика Определения термина из разных документов: Абсолютная нестабильность… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Усилитель звуковых частот — Эту страницу предлагается переименовать в Усилитель звуковой частоты. Пояснение причин и обсуждение  на странице Википедия:К переименованию/3 ноября 2012. Возможно, её текущее название не соответствует нормам современного русского языка …   Википедия

  • УЗЧ — Усилитель звуковых частот (УЗЧ), усилитель низких частот (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ)  прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот… …   Википедия

  • УМЗЧ — Усилитель звуковых частот (УЗЧ), усилитель низких частот (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ)  прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот… …   Википедия

  • УНЧ — Усилитель звуковых частот (УЗЧ), усилитель низких частот (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ)  прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот… …   Википедия

  • Усилитель низкой частоты — Усилитель звуковых частот (УЗЧ), усилитель низких частот (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ)  прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот… …   Википедия

Схемотехнические решения транзисторного амплитудного модулятора

Схемотехнические решения транзисторного амплитудного модулятора

На рис. представлена схема базового амплитудного модулятора, в котором модуляция осуществляется изменением напряжения смещения.

При изменении напряжения смещения по закону сообщения изменяется угол отсечки:

Рис. Схема базового амплитудного модулятора

где – начальное напряжение смещения на статической входной характеристике;

– напряжение внешнего источника смещения модулятора;

– амплитуда напряжения возбуждения.

Амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая коллекторного тока модулятора вычисляется по формулам

Можно построить зависимость токов ,

(рис. 8) в зависимости от напряжения смещения при постоянной амплитуде напряжения возбуждения (статическая модуляционная характеристика).

Рис. 8 Статическая модуляционная характеристика при базовой модуляции

Построенная зависимость показывает, что в области недонапряженного режима токи

, почти линейно возрастают в зависимости от напряжения смещения. При максимальном напряжении на базе, равном +, имеет место перегиб модуляционной характеристики. Для повышения коэффициента полезного действия необходимо, чтобы точка перегиба характеристики соответствовала граничному режиму. Таким образом, базовая модуляция осуществляется в недонапряженном режиме с низким коэффициентом полезного действия – 30%-40% (только максимальной мощности соответствует граничный режим с высоким коэффициентом полезного действия).

Несомненным достоинством базовой модуляции является то, что требуется незначительная мощность низкой частоты, которая подается на базу модулятора. Это мощность снимается с усилителя низкой частоты (подмодулятора).

На рис. 9 представлена схема коллекторного амплитудного модулятора, в котором модуляция осуществляется изменением напряжение питания.

Рис. 9. Схема коллекторного амплитудного модулятора

При изменении напряжения питания по закону

(t) = (1+mcosωt) амплитуда этого напряжения определяется как (t) =mcosωt. При этом ток транзистора существенно изменяется в области перенапряженного режима, которая используется для модуляции (рис. 10).

Перенапряженный режим в отличие от недонапряженного режима характеризуется более высоким коэффициентом полезного действия, поэтому коллекторная амплитудная модуляция энергетически более выгодная, чем базовая амплитудная модуляция.

В процессе модуляции средний за период высокочастотных колебаний коллекторный ток изменяется от 0 до = (1+m), где — коллекторный ток в режиме несущей. Амплитуда низкочастотных колебаний коллекторного тока определяется как

= m .

Мощность, потребляемая модулятором от усилителя, находится по формуле

При m = 1 мощность усилителя (подмодулятора) примерно равна колебательной мощности модулируемого каскада в режиме несущей.

Рис. 10. Статическая модуляционная характеристика при коллекторной модуляции

Таким образом, применение базовой амплитудной модуляции позволяет уменьшить мощность подмодулятора, но при этом коэффициент полезного действия радиопередатчика невысок из-за работы всего высокочастотного тракта в недонапряженном режиме. Применение коллекторной модуляции позволяет повысить коэффициент полезного действия радиопередатчика (высокочастотный тракт работает в перенапряженном режиме), но мощность подмодулятора соизмерима с мощностью радиопередатчика.

Схемотехнические решения транзисторных частотно-фазовых модуляторов

При частотной модуляции по закону сообщения изменяется частота колебания. На рис. 11 показана осциллограмма напряжения при частотной модуляции. При изменении частоты также изменяется фаза колебания.

Рис. 11. Осциллограмма напряжения при частотной модуляции: а – модулирующий сигнал; б – модулируемый сигнал

Частота ω и фаза φ колебания связаны линейными соотношениями

Например, для гармонического сигнала s(t) = Asin(ωt+). Фаза этого колебания определяется как φ(t) = ωt+. Найдём частоту:

Найдём фазу:

Поэтому модуляция по частоте всегда сопровождается модуляцией по фазе и наоборот, а частотная и фазовая модуляции носят название угловой модуляции.

При частотной модуляции одним гармоническим колебанием частота модулированного колебания вычисляется по формуле

где – несущая частота;

∆ω – девиация частоты;

Ω — частота модуляции.

Мгновенная фаза колебаний определяется как

и изменяется по синусоидальному закону с девиацией фазы

При фазовой модуляции одним гармоническим колебанием фаза моду- лированного колебания находится по формуле

где ∆φ – девиация фазы.

Мгновенная частота этого колебания определяется как

и изменяется по синусоидальному закону с девиацией частоты

∆ω = ∆φΩ.

Из приведенных выражений следует, что при частотной модуляции девиация частоты зависит только от амплитуды модулирующего колебания, а девиация фазы зависит и от амплитуды, и от частоты. При фазовой модуляции девиация фазы зависит только от амплитуды модулирующего колебания, а девиация частоты зависит как от его амплитуды, так и от частоты.

Существует возможность получить с помощью фазового модулятора частотную модуляцию. Для этого необходимо модулирующий сигнал подать на фазовый модулятор через интегрирующую цепь.

Так же возможно с помощью частотного модулятора получить фазовую модуляцию. Для этого необходимо модулирующий сигнал подать на частотный модулятор через дифференцирующую цепь.

При модуляции одной частоты спектры фазомодулированного и частотно-модулированного сигналов является линейчатыми (рис. 12) и содержат несущую частоту и множество комбинационных частот (). Относительные амплитуды составляющих спектра пропорциональны функциям Бесселя первого рода (m) порядка p от аргумента m.

При частотной модуляции одним гармоническим колебанием отношение модулированного напряжения к его максимальной величине определяется как

Рис. 12. Спектры сигналов с угловой модуляцией при различных индексах модуляции: m = 1 (a), m = 4 (б), m = 8 (в)

На рис. 13 представлены графики функций Бесселя первого рода порядка p.

Рис. 13. Графики функций Бесселя первого рода порядка p

амплитудный модулятор схемотехнический транзисторный

Ширина полосы пропускания, занимаемая сигналом с угловой модуляцией, определяется по приближенной формуле [1]:

где — максимальная частота модуляции;

m = — коэффициент частотной модуляции;

∆ω = 2π∆f — девиация угловой частоты;

= 2π.

На рис. 14 дана схема частотного модулятора, представляющего собой автогенератор, частота которого изменяется при изменении емкости варикапа. Емкость варикапа изменяется под воздействием напряжения модуляции.

На рис. 15 дана схема фазового модулятора, представляющего собой транзисторный генератор с внешним возбуждением, фаза напряжения которого изменяется при изменении емкости варикапа. Емкость варикапа изменяется под воздействием напряжения модуляции. Варикап включен в параллельный колебательный контур. Изменение емкости контура приводит к его расстройке относительно резонансной частоты. Сопротивление контура при этом приобретает реактивный характер, и появляется фазовый сдвиг между током и напряжением на контуре. При небольших расстройках зависимость фазового сдвига от частоты для параллельного контура – линейная, при этом фазовый сдвиг составляет не более. Такому фазовому сдвигу соответствует девиация частоты 600-1000 Гц.

Рис. 14. Схема частотного модулятора

Рис. 15. Схема фазового модулятора

При значительных расстройках контура относительно резонансной частоты зависимость фазового сдвига от частоты становится нелинейной, поэтому модуляция невозможна из-за нелинейных искажений.

На рис. 15.6 представлена структурная схема модулятора, в котором для получения частотной модуляции используется фазовый модулятор.

Рис. 16. Структурная схема модулятора, в котором для получения частотной модуляции используется фазовый модулятор (КАГ – кварцевый генератор, ФМ – фазовый модулятор, УЧ – умножитель частоты, S – интегратор)

Эта схема применяется в радиопередатчиках низовой связи. Её достоинство состоит в том, что относительная нестабильность частоты на выходе модулятора ε. Недостатком является малая девиация частоты на выходе: (600-1000) Гц. Для устранения этого недостатка после фазового модулятора включается умножитель частоты. Так для радиопередатчиков низовой связи включают три умножителя частоты, два из которых умножают частоты на два, один — на три. Тогда девиация частоты такого радиопередатчика удовлетворяет требованиям Регистра(∆f5) кГц.

В Вещательных радиопередатчиках с частотной модуляцией девиация частоты ∆f = 50 кГц. Для получения такой девиации частоты применяется частотный модулятор. Однако относительная нестабильность частоты такого модулятора ε. Поэтому применяется автоматическая подстройка частоты (рис. 17).

Рис. 17. Структурная схема возбудителя с частотной модуляцией (ЧМ – частотный модулятор, ДЧ – делитель частоты, ФД – фазовый детектор, КАГ – кварцевый автогенератор, ФНЧ – фильтр нижних частот, ФПЧ – фазовая подстройка частоты)

В схеме используется делитель частоты для уменьшения девиации частоты на входе фазового детектора. При коэффициенте деления делителя = 1000 девиация частоты уменьшается в 1000 раз, а коэффициент частотной модуляции m 1. Известно (рис 15.3), что при m ≈ 2,3 в спектре частотно-модулированного сигнала отсутствует несущая частота. Уменьшение величины m до величины m 1 не приведет к сбою в работе схемы автоматической подстройки частоты из-за пропадания несущей частоты в спектре сигнала.

Десять схем простейших радиопередатчиков

Радиопередающие устройства (рис. 13.1 — 13.5) могут быть получены путем простого объединения усилителя (или генератора) низкой частоты (УНЧ, ГНЧ) и генератора высокой частоты (ГВЧ).

Блок-схема передатчика с амплитудной модуляцией (AM), которую используют преимущественно в диапазонах длинных, средних и коротких волн, приведена на рис. 13.1. Выходной сигнал звуковой частоты, вырабатываемый УНЧ или ГНЧ, выделяется на сопротивлении нагрузки Rh, которое включено в цепь питания . Поскольку напряжение питания генератора ВЧ изменяется пропорционально сигналу звуковой частоты, амплитуда высокочастотного сигнала модулируется. В качестве ГВЧ может быть использован генератор, показанный на рис. 13.6. Точки А, В, С, D на схеме генератора соответствуют точкам его подключения на блок-схемах (рис. 13.1 — 13.5).

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.1

 

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.2

Один из способов получения амплитудной модуляции сигнала с использованием низкочастотного дросселя или обмотки выходного низкочастотного трансформатора показан на рис. 13.2. Использование индуктивностей, сопротивление которых переменному току возрастает с ростом частоты, позволяет увеличить глубину модуляции. Кроме того, повышается амплитуда высших частот звукового диапазона, что заметно повышает разборчивость сигнала при приеме.

При частотной модуляции (ЧМ), используемой обычно в диапазоне ультракоротких волн, осуществляется изменение частоты высокочастотного сигнала. Для получения частотно-мо-дулированного сигнала могут быть использованы схемы, представленные на рис. 13.3 и 13.4. В схеме передатчика (рис. 13.3) частотная модуляция высокочастотного сигнала происходит путем подачи сигнала звуковой частоты через конденсатор относительно небольшой емкости на базу или эмиттер транзистора ГВЧ. При этом изменяются межэлектродные емкости активного элемента (транзистора), и, следовательно, модулируется резонансная частота колебательного контура, определяющая частоту генерации. Строго говоря, при таком виде подачи модулирующего напряжения одновременно осуществляется и неглубокая амплитудная модуляция, поскольку напряжение на базе (или эмиттере) также изменяется пропорционально модулирующему сигналу.

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.3

Частотную модуляцию «в чистом виде» можно получить, используя свойство варикапа, либо его аналога, изменять свою емкость от величины приложенного напряжения (рис. 13.4). В этой схеме включение/выключение модуляции осуществляется переключателем SA1. Потенциометр RA предназначен для проверки частотных границ перестройки генератора.

Амплитудную модуляцию высокочастотного сигнала можно получить, если включить ГВЧ вместо сопротивления нагрузки УНЧ (ГНЧ) (рис. 13.5). Конденсатор С предназначен для заземления по высокой частоте цепи питания ГВЧ.

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.4

 

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.5

 

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.6

Помимо амплитудной и частотной модуляции сигнала для передачи данных, организации радиосвязи, довольно часто используют однополосную, реже фазовую и другие виды модуляции.

На рис. 13.7 — 13.16 приведены практические схемы микро-передающихустройств, работающих в УКВ-ЧМдиапазоне (66…74 или 88… 108 МГц). Мощность этих передатчиков невелика (от долей до единиц мВт), поэтому их излучение не мешает радио- и телевизионному приему. Расстояние, на котором можно обнаружить сигналы таких устройств (рис. 13.7 — 13.16), обычно не превышает нескольких метров. Заметим, что мощность гетеродинов — генераторов высокой частоты, используемых в любом радиоприемнике или телевизоре, зачастую превышает единицы мВт.

В конструкциях по рис. 13.7 — 13.10 и 13.12 использованы электретные микрофоны типа МКЭ-333 либо МКЭ-332, а также МКЭ-3, которые содержат встроенный предусилитель на полевом транзисторе. Вместо электретного микрофона может быть использован электромагнитный телефонный капсюль, подключаемый между точкой А и общим проводом (рис. 13.7, 13.9, 13.10 и 13.12) или шиной питания (рис. 13.8). В этом случае резистор R1 не обязателен. При замене микрофона амплитуда сигнала может снизиться, поэтому для увеличения усиления по НЧ желательно использовать составной транзистор, либо применять более чувствительный УНЧ (см. главы 4 и 5). В большинстве случаев (рис. 13.7 — 13.10 и 13.12) электретный микрофон можно заменить миниатюрным угольным (с подбором резистора R1).

Схема радиомикрофона конструкции Д. Волонцевича показана на рис. 13.7 [Рл 10/99-40]. При напряжении питания 3 В устройство потребляет ток 7 мА. Катушки индуктивности намотаны на оправке диаметром 6 мм проводом /73/7-0,5. L1 имеет 6 витков, a L2 — 4 витка. В качестве антенны использован отрезок монтажного провода длиной 70 см.

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.7

УКВ-радиомикрофон А. Иванова, как две капли воды напоминает предыдущую конструкцию (рис. 13.7) [Рл 10/99-40]. Отличие заключается в том, что схема (рис. 13.8) как бы «перевернута» вверх ногами. Такое непривычное расположение рядом почти аналогичных схем позволяет приучить взгляд на «опознание» подобных друг другу конструкций. Схемы рис. 13.7 и 13.8 различаются в «электрическом» отношении способом подачи модулирующего напряжения: в первом случае оно подается на базу транзистора генератора; во втором — на эмиттер. Катушка индуктивности содержит 7 витков провода ПЭВ 0,7…0,8 мм и имеет внутренний диаметр 5 мм. Потребляемый устройством ток составляет 15…20 мА.

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.8

 

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.9

На рис. 13.9 дана схема радиомикрофона диапазона 66…74 МГц, в базовую цепь смещения которого в качестве управляемого резистора включен электретный микрофон [Рл 2/97-13]. Антенной является отрезок гибкого многожильного провода длиной 20…40 см. Потребляемый устройством ток около 1 мА.

Каскодное включение транзисторов использовано в схеме на рис. 13.10 [Рл 2/97-13]. При этом для сигналов низкой частоты нагрузкой транзистора VT2 является ВЧ генератор, выполненный на транзисторе VT1. В свою очередь, ток высокой частоты в эмит-терной цепи транзистора VT1 модулируется сигналом с каскада усиления низкочастотных сигналов, снимаемых с микрофона.

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.10

 

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.11

На рис. 13.11 приведена схема микропередатчика УКВ-ЧМ диапазона конструкции В. Иванова [Р 10/96-19]. Передатчик способен транслировать сигнал, снимаемый с УНЧ электропроигрывателя, магнитофона и других устройств. Амплитуда НЧ сигнала на входе в пределах 10…500 мВ. Катушка И без каркаса, имеет внутренний диаметр 4 мм и содержит 15 витков провода ПЭВ 0,5. Катушка L2 намотана поверх резистора R3 (МЛТ-0,5) и содержит 50… 100 витков тонкого изолированного провода.

На рис. 13.12 и 13.14 приведены практические схемы микропередатчиков на аналоге лямбда-диода. В качестве управляемого элемента использован прямосмещенный переход полупроводникового диода (светодиода). Частотная модуляция осуществляется за счет изменения его динамического сопротивления. Для высокочастотной составляющей емкостное сопротивление светодиода много ниже его омического сопротивления. Одновременно с выполнением функции управления частотой генерации, светодиод индицирует включенное состояние устройства и стабилизирует его рабочую точку.

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.12

 

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.13

 

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.14

Для осуществления частотной модуляции в схеме (рис. 13.14) использован самодельный конденсаторный микрофон. Он выполнен в виде развернутого конденсатора с двумя плоскими неподвижными электродами, параллельно которым закреплена мембрана (тонкая фольга, металлизированная диэлектрическая пленка и т.п.), электрически изолированная от неподвижных электродов. Микрофон может быть собран в рамке фотослайда; его емкость составляет несколько пикофарад.

Для сравнения на рис. 13.13 приведена схема наипростейшего микропередающего устройства, выполненного на туннельном диоде со стабилизатором рабочей точки на германиевом диоде VD1 [Рл 9/91-22, 10/97-17]. Конструкция микрофона, аналогичная описанной выше, может быть использована в схеме на рис. 13.15. Параметры катушек индуктивности (колебательных контуров) могут быть перенесены с одной конструкции на другую.

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.15

 

Схемы простейших радиопередающих устройств

Рис. 13.16

В схемах (рис. 13.9, 13.10, 13.13, 13.15) для УКВ диапазона (66…74 МГц) использованы бескаркасные катушки индуктивности, имеющие внутренний диаметр 4 мм и содержащие 5…6 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,56 мм. Шаг намотки 1,5 мм. Рабочая частота генерации устанавливается сближением/раз-движением витков катушки, подбором числа и диаметра ее витков, а также емкости конденсатора колебательного контура. Корпус электретного микрофона соединен с общим проводом. Прием высокочастотных сигналов возможен на портативный ЧМ-приемник.

Для создания видеопередатчика (беспроводной передачи видеосигнала с видеомагнитофона на телевизор) может быть использована схема Г. Романа [Рл 3/99-8]. Колебательный контур L1C2 (рис. 13.16) настраивают на частоту одного из свободных от телевизионного вещания каналов.


Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

Теория радиоволн: аналоговая модуляция / Habr

image

Продолжаем серию общеобразовательных статей, под общим названием «Теория радиоволн».
В предыдущих статьях мы познакомились с радиоволнами и антеннами:


Давайте ближе познакомимся с модуляцией радиосигнала.

В рамках этой статьи, будет рассмотрена аналоговая модуляция следующих видов:
  • Амплитудная модуляция
  • Амплитудная модуляция c одной боковой полосой
  • Частотная модуляция
  • Линейно-частотная модуляция
  • Фазовая модуляция
  • Дифференциально-фазовая модуляция
Амплитудная модуляция

При амплитудной модуляции, огибающая амплитуд несущего колебания изменяется по закону, совпадающему с законом передаваемого сообщения. Частота и фаза несущего колебания при этом не меняется.

image

Одним из основных параметров АМ, является коэфициент модуляции(M).
Коэффициент модуляции — это отношение разности между максимальным и минимальным значениями амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений(%).
Проще говоря, этот коэффициент показывает, насколько сильно значение амплитуда несущего колебания в данный момент отклоняется от среднего значения.
При коэффициенте модуляции больше 1, возникает эффект перемодуляции, в результате чего происходит искажение сигнала.

Спектр АМ

Данный спектр свойственен для модулирующего колебания постоянной частоты.

На графике, по оси Х представлена частота, по оси У — амплитуда.
Для АМ, кроме амплитуды основной частоты, находящейся в центре, представлены также значения амплитуд справа и слева от частоты несущей. Это так называемые левая и правая боковые полосы. Они отнесены от частоты несущей на расстояние равное частоте модуляции.
Расстояние от левой до правой боковой полосы называют ширина спектра.
В нормальном случае, при коэффициенте модуляции <=1, амплитуды боковых полос меньше или равны половине амплитуды несущей.
Полезная информация заключена только в верхней или нижней боковых полосах спектра. Основная спектральная составляющая — несущая, не несет полезной информации. Мощность передатчика при амплитудной модуляции в большей части расходуется на «обогрев воздуха», за счет не информативности самого основного элемента спектра.

Амплитудная модуляция с одной боковой полосой

В связи с неэффективностью классической амплитудной модуляции, была придумана амплитудная модуляция с одной боковой полосой.
Суть ее заключается в удалении из спектра несущей и одной из боковых полос, при этом вся необходимая информация передается по оставшейся боковой полосе.

Но в чистом виде в бытовом радиовещании этот вид не прижился, т.к. в приемнике нужно синтезировать несущую с очень высокой точностью. Используется в аппаратуре уплотнения и любительском радио.
В радиовещании чаще используют АМ с одной боковой полосой и частично подавленной несущей:

При такой модуляции соотношение качество/эффективность наилучшим образом достигается.

Частотная модуляция

Вид аналоговой модуляции, при которой, частота несущей изменяется по закону модулирующего низкочастотного сигнала. Амплитуда при этом остается постоянной.

а) — несущая частота, б) модулирующий сигнал, в) результат модуляции

Наибольшее отклонение частоты от среднего значения, называется девиацией.
В идеальном варианте, девиация должна быть прямо пропорционально амплитуде модулирующего колебания.

Спектр при частотной модуляции выглядит следующим образом:

Состоит из несущей и симметрично отстающей от нее вправо и влево гармоник боковых полос, на частоту кратную частоте модулирующего колебания.
Данный спектр представляет гармоническое колебание. В случае реальной модуляции, спектр имеет более сложные очертания.
Различают широкополосную и узкополосную ЧМ модуляцию.
В широкополосной — спектр частот, значительно превосходит частоту модулирующего сигнала. Применяется в ЧМ радиовещании.
В радиостанциях применяют в основном узкополосную ЧМ модуляцию, требующую более точной настройки приемника и соответственно более защищенную от помех.
Спектры широкополосной и узкополосной ЧМ представлены ниже

Спектр узкополосной ЧМ напоминает амплитудную модуляцию, но если учесть фазу боковых полос, то окажется, что эти волны имеют постоянную амплитуду и переменную частоту, а не постоянную частоту и переменную амплитуду (AM). При широкополосной ЧМ амплитуда несущей может быть очень малой, что обусловливает высокую эффективность ЧМ; это значит, что большая часть передаваемой энергии содержится в боковых частотах, несущих информацию.

Основные преимущества ЧМ, перед АМ — энергоэффективность и помехоустойчивость.

Как разновидность ЧМ, выделяют Линейно-частотную модуляцию.
Суть ее заключается в том, что частота несущего сигнала изменяется по линейному закону.

Практическая значимость линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов заключается в возможности существенного сжатия сигнала при приеме с увеличением его амплитуды над уровнем помех.
ЛЧМ находят применение в радиолокации.

Фазовая модуляция

В реальности, больше применяют термин фазовая манипуляция, т.к. в основном производят модуляцию дискретных сигналов.
Смысл ФМ таков, что фаза несущей, изменяется скачкообразно, при приходе очередного дискретного сигнала, отличного от предыдущего.

Из спектра можно видеть, почти полное отсутствие несущей, что указывают на высокую энергоэффективность.
Недостаток данной модуляции в том, что ошибка в одном символе, может привести к некорректному приему всех последующих.

Дифференциально-фазовая манипуляция

В случае этой модуляции, фаза меняется не при каждом изменении значения модулирующего импульса, а при изменении разности. В данном примере при приходе каждой «1».

Преимущество этого вида модуляции в том, что в случае возникновения случайной ошибки в одном символе, это не влечет дальнейшую цепочку ошибок.

Стоит отметить, что существуют также фазовые манипуляции такие как квадратурная, где используется изменение фазы в пределах 90 градусов и ФМ более высоких порядков, но их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.

PS: хочу еще раз отметить, что цель статей не заменить учебник, а рассказать «на пальцах» об основах радио.
Рассмотрены лишь основные виды модуляций для создания у читателя представления о теме.

Модуляция радиосигнала / Yota corporate blog / Habr

В комментариях к статье «Критерии качества сигнала в сетях WiMax» zlyoha посетовал на отсутствие статей описывающей физическую сторону передачи информации по радио каналу.
Мы решили исправить это упущение и написать цикл постов о беспроводной передаче данных.
В первом из них мы расскажем о главном аспекте передачи информации посредством радиосигнала – модуляции.


Модуля́ция (лат. modulatio — размерность) — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала.
Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим.
Модуляция может осуществляться изменением амплитуды, фазы или частоты высокочастотной несущей.
Эта техника дает несколько важных преимуществ:
  1. Позволяет сформировать радиосигнал, который будет обладать свойствами соответствующими свойствам несущей частоты. О свойствах волн разных частотных диапазонов можно почитать, например, тут.
  2. Позволяет использовать антенны малого размера, ведь размер антенны должен быть пропорционален длине волны.
  3. Позволяет избежать интерференции с другими радиосигналами.

Передаваемый в сетях WiMax поток данных соответствует частоте в районе 11 кГц. Если мы попробуем передавать этот низкочастотный сигнал по воздуху, нам понадобится антенна следующих размеров:


Антенна длинной 24 километра не кажется достаточно удобной в использовании.
Если же мы будем передавать этот сигнал наложенным на несущую частоту в 2.5 ГГц (частота используемая в Yota WiMax), то нам понадобится антенна длиной 12 см.

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:

исходный сигнал

AM (амплитудная модуляция)

FM (частотная модуляция)
Цифровая модуляция и ее типы.

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:
Формат Эффективность (бит/с/Гц)
BPSK 1
QPSK 2
8-PSK 3
16-QAM 4
32-QAM 5
64-QAM 6
256-QAM 8

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.
Заключение.

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.

Амплитудная модуляция на пальцах / Habr

В недавней статье «Амплитудная модуляция произвольного сигнала» её автор довольно сумбурно попытался представить своё понимание формирования спектра при амплитудной модуляции. Но отсутствие иллюстраций и избыток математики с привлечением интегральных преобразований помешало сообществу понять мысли автора и оценить статью по достоинству; в то время как тема это достаточно простая — и рассмотреть которую мы попробуем ещё раз, на этот раз с картинками и привлечением Wolfram Mathematica.

Итак, идея амплитудной модуляции состоит в том, чтобы передавать низкочастотный сигнал — голос или музыку — модулируя высокочастотный (несущий) сигнал, многократно превышающий слышимый диапазон и занимающий узкую полосу частот в радиоэфире. Сама модуляция осуществляется простым умножением сигнала на несущий:

Здесь у нас в качестве несущей выступает синусоида с частотой 5:

А сам сигнал — с частотой 1:

Можно заметить, что сигнал смещён вверх и имеет только положительные значения. Это не случайно и является обязательным условием для возможности последующего его корректного восстановления. Как же его восстановить? Очень просто! Нужно сдвинуть фазу промодулированного сигнала на 90 градусов (операция, известная как преобразование Гильберта), и посчитать корень из суммы квадратов модулированного и преобразованного сигналов:

В более простом (но грубом) варианте преобразование Гильберта можно заменить задержкой сигнала на четверть периода несущий частоты, а итоговый сигнал дополнительно отфильтровать фильтром низких частот. В ещё более простом варианте можно вообще не считать корней и квадратов, а отфильтровать сигнал по абсолютному значению (что и применяется обычно в радиоприёмниках).

Теперь посмотрим, что у нас происходит со спектрами. Посчитаем преобразование Фурье от несущей:

Так как дельта-функция Дирака не является функцией в классическом смысле, её график нельзя построить стандартным способом; поэтому сделаем это вручную, используя общепринятое начертание:

Ожидаемо получили ту же частоту, что и в начальной формуле. Наличие ещё одной такой же частоты, но со знаком минус, не случайно — это явление называется Hermitian symmetry и является следствием того, что рассматриваемая функция сугубо действительная и в комплексном представлении имеет нулевую мнимую компоненту. Отсутствие мнимых компонент в спектре после преобразования обусловлено тем, что изначально наши функции ещё и чётные (симметричные относительно нуля).

Теперь сделаем преобразование Фурье для самого сигнала:

Здесь мы дополнительно получили дельта-функцию Дирака в центре координат — вследствие наличия в сигнале постоянной составляющей, которая не имеет колебаний по определению — что позволяет её рассматривать как нулевую частоту.

Что же будет со спектром, если их перемножить? Посмотрим:

Из теории мы знаем, что умножение во временном домене равносильно свертке в частотном (и наоборот, что широко используется при FIR-фильтрации). А поскольку один из подвергаемых свёртке сигналов состоял только из одной (положительной и отрицательной) частоты, то в результате свёртки мы получили просто линейный перенос сигнала вверх по частоте (в обе стороны). И так как симметрия осталась, сигнал у нас по-прежнему не имеет мнимой компоненты.

Приведём его теперь к комплексному (аналитическому) виду, обнулив отрицательную область частот:

и сделаем обратное преобразование Фурье:

Так как функция теперь комплексная, для построения её графика необходимо отдельно извлечь действительную и мнимую компоненты:

Теперь у нашего сигнала появилась мнимая компонента, представляющая собой сдвинутый на 90 градусов исходный сигнал. Это будет более очевидным, если представить полученную функцию в тригонометрическом виде:

Пока не очень очевидно. Попробуем упростить:

Теперь больше похоже на правду — и как видим, функция нашего исходного сигнала тоже упростилась. Попробуем её вернуть к оригинальному виду:

Множитель 1/2 появился не случайно — ведь обнулив половину спектра, мы соответственно и уменьшили мощность сигнала. Ну а теперь, имея модулированный комплексный сигнал, мы можем взять и этот модуль посчитать:

Модуль комплексного числа как раз и считается через корень суммы квадратов мнимого и действительных компонентов. И отсюда понятно, почему кодируемый сигнал должен состоять только из положительных значений — если он будет включать отрицательные значения, то после восстановления они также станут положительными, что и называется перемодуляцией:

Восстановление сигнала также возможно и при помощи квадратурного гетеродина — когда модулированный сигнал снова умножается на несущую частоту, но на этот раз — комплексную:

За счёт того, что комплексная частота в частотной области имеет только один импульс без дублирования его в отрицательной области частот — то в результате свёртки мы получим линейный перенос спектра, при которой отрицательная часть спектра встанет обратно в центр, а положительная — сдвинется ещё дальше, и её останется только отфильтровать фильтром нижних частот.

Заключение


Как видим, в рассмотрении амплитудной модуляции через преобразовании Фурье нет ничего сложного; если же рассматривать её исключительно на школьном уровне, то достаточно вспомнить, что произведение (несущей) суммы (представление сигнала в виде тригонометрического ряда) равнозначно сумме произведений (каждого члена ряда по отдельности на несущую частоту) — и, соответственно, каждое такое произведение раскладывается на сумму двух синусоид по уже озвученной автором исходной статьи формуле.

Внимательный читатель также мог заметить, что раз в результате модуляции мы получили симметричный относительно несущей частоты спектр — значит, имеет место быть избыточность данных и можно оставить только одну боковую полосу, сократив тем самым занимаемую полосу частот в радиоэфире. Такая технология действительно имеется, но это — уже совсем другая история.

Модуляция — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 6 мая 2016; проверки требуют 22 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 6 мая 2016; проверки требуют 22 правки.

Модуля́ция (лат. modulatio — размеренность, ритмичность) — процесс изменения одного или нескольких параметров модулируемого несущего сигнала при помощи модулирующего сигнала.

Передаваемая информация заложена в модулирующем сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим (модулируемым). Модуляция, таким образом, представляет собой процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную несущую с целью получения нового модулированного сигнала.

В результате модуляции спектр низкочастотного управляющего сигнала переносится в область высоких частот. Это позволяет при организации вещания настроить функционирование всех приёмо-передающих устройств на разных частотах с тем, чтобы они «не мешали» друг другу.

В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т. д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др.). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией.

Korikov modulation 2.png

Аналоговая модуляция[править | править код]

Amfm3-en-de.gif

Цифровая модуляция[править | править код]

Korikov digital modulation 1.png

Импульсная модуляция[править | править код]

Описание изображения a — несущий сигнал
b — полезный сигнал
c — амплитудно-импульсная модуляция
d — частотно-импульсная модуляция
e — широтно-импульсная модуляция
f — фазово-импульсная модуляция
  • Энергетическая эффективность (потенциальная помехоустойчивость) характеризует достоверность передаваемых данных при воздействии на сигнал аддитивного белого гауссовского шума, при условии, что последовательность символов восстановлена идеальным демодулятором. Определяется минимальным отношением сигнал/шум (Eb/N0), которое необходимо для передачи данных через канал с вероятностью ошибки, не превышающей заданную. Энергетическая эффективность определяет минимальную мощность передатчика, необходимую для приемлемой работы. Характеристикой метода модуляции является кривая энергетической эффективности — зависимость вероятности ошибки идеального демодулятора от отношения сигнал/шум (Eb/N0).
  • Спектральная эффективность CΔF{\displaystyle {C \over \Delta F}} — отношение скорости передачи данных к используемой полосе пропускания радиоканала.
  • Устойчивость к воздействиям канала передачи характеризует достоверность передаваемых данных при воздействии на сигнал специфичных искажений: замирания вследствие многолучевого распространения, ограничение полосы, сосредоточенные по частоте или времени помехи, эффект Доплера и др.
  • Требования к линейности усилителей. Для усиления сигналов с некоторыми видами модуляции могут быть использованы нелинейные усилители класса C, что позволяет существенно снизить энергопотребление передатчика, при этом уровень внеполосного излучения не превышает допустимые пределы. Данный фактор особенно важен для систем подвижной связи.
  • Сложность реализации модемов определяется вычислительным ресурсом, требуемым для реализации алгоритма демодуляции, и требованиями к характеристикам аналоговой части.
  • Прокис, Дж. Цифровая связь = Digital Communications / Кловский Д. Д.. — М.: Радио и связь, 2000. — 800 с. — ISBN 5-256-01434-X.
  • Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга 1. — М.: Советское радио, 1974. — 552 с.
  • Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра = Wireless Digital Communications: Modulation and Spread Spectrum Applications. — М.: Радио и связь, 2000. — 552 с. — ISBN 5-256-01444-7.
  • Wilson, S.G. Digital Modulation and Coding. — Prentice Hall, 1996. — 667 p. — ISBN 9780132100717.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о