8. Охарактеризуйте роль и виды модуляции в системах связи.

а) роль модуляции в системах связи

Все системы связи основаны на передаче различных сигналов из одного пункта в другой. Эта задача встречается в радио и те­левизионном вещаний, связи по телефонным линиям на большие расстояния, спутниковой связи, системах телеуправления, телемет­рии и т. д. Сигналы из одного пункта в другой передаются по каналу, который может быть парой проводов (например, телефонный) или просто открытым пространством, в которое излучаются сигналы, несущие полезную информацию (радио и телевизионное вещание, спутниковая связь и т. п.). Каждый из передаваемых сигналов обычно имеет малую ширину спектра по сравнению с полосой пропускания канала. Поэтому передавать лишь один сигнал по каналу невыгодно, так как емкость канала будет использоваться весьма незначительно. Вместе с тем, непосредственная передача по каналу одновременно нескольких сигналов привела бы к нало­жению этих сигналов и выделение их на приемной стороне оказа­лось бы невозможным. Указанная трудность преодолевается посредством использования частотного уплот­нения.

Если сдвинуть частотные спектры различных сигналов так, что­бы они занимали неперекрывающиеся частотные полосы, можно передавать одновременно большое число сигналов по одному ка­налу. В предыдущих лекциях упоминалось, что сдвиг частотного спектра выполняется посредством модуляции, т. е. умножения сигнала на синусоидальное колебание.

Спектр каждого сигнала сдвигается так, чтобы перекрытие спектров соседних сигналов отсутствовало. На приемной стороне сигналы разделяются частотными фильтрами. Однако, выделен­ный фильтром сигнал, еще не есть исходное сообщение, так как его спектр сдвинут по частоте. Для того чтобы получить ис­ходное сообщение, необходимо выполнить обратный перенос спектра сигнала.

В системах связи с излучением электромагнитных волн моду­ляция служит и для другой цели. В теории электромагнитных волн показывается, что эффективное излучение возможно лишь в том случае, если размер антенны составляет не менее одной де­сятой длины волны излучаемого сигнала. Речевой сигнал имеет наивысшую частоту около 10 кГц, что соответствует наименьшей длине волны 30 000 м. Таким образом, для излучения электромаг­нитных волн, соответствующих речевому сигналу, потребовалась бы антенна длиной в несколько километров, что конечно, непрак­тично. Модуляция сдвигает спектр сигнала на любую требуемую частоту, облегчая, таким образом, задачу излучения сигнала. Обычно несущая частота сигнала весьма высока (в системах радиовещания выше 150 кГц).

Итак, моду­ляция не только решает задачу одновременной передачи несколь­ких сигналов, но и обеспечивает возможность их эффективного излучения.

б) виды модуляции в системах связи

Амплитудная модуляция (АМ)

При обычной амплитудной модуляции мгновенное значение оги­бающей изменяется около некоторого среднего уровня по закону, связанному линейной зависимостью с модулирующей функцией. Отличительной особенностью AM является то, что огибающая мо­дулированного сигнала в точности повторяет изменения модули­рующего колебания. Схематически AM сигнал можно рассматри­вать как результат перемножения синусоидальной несущей и сиг­нала, образованного суммой модулирующей функции и некоторой постоянной величины. Результирующий AM сигнал

e_ам (t) = [1+g (t)] cos(2πf_c t). (1)

Обычно AM сигнал записывается в виде

e_ам (t) = [1+ m_a g (t)] cos (2πf_c t). (2)

где т_а называется индексом модуляции, причем на т_а и модули­рующую функцию накладываются ограничения:

| g (t) | , 0 < m_a<1 (3)

Если условия (3) нарушаются, то возникает перемодуляция, при кото­рой появляются искажения огибающей, обусловленные тем, что она не может принимать отрицательных значений.

Спектр g(t) не выходит за пределы области | f | , где f_m<<f_c, и g(t) не содержит собственной постоянной со­ставляющей. Индекс модуляции т_а определяет глубину модуля­ции и часто дается в процентах. На рис. 1 показан характер из­менения огибающей при амплитудной модуляции несущей.

Рис.1 Формирование обычного АМ сигнала.

Спектр АМ сигнала содержит несущую и две боковые полосы, получающиеся смещением основного спектра в окрестность несущей, причем боковые полосы являются комплексно сопряженными зеркальными отображениями друг друга. Для передачи такого сигнала требуется полоса частот шириной 2f.

Рис.2 Спектры амплитудно-модулированных сигналов.

Анализ энергетических характеристик показывает, что средняя мощность несущей равна величине

P_c =

а мощность каждой боковой полосы

Р_вбп = Р_нбп =

отсюда полная мощность боковых полос

Р_бп = Р_вбп + Р_нбп =

Для получения максимальной мощности информационных со­ставляющих AM сигнала (боковых полос) положим т_а равным максимальному допустимому значению, т. е. единице. В этом слу­чае имеем

Р_бп = = (1/2) Р_с

Максимально возможная мощность боковых полос равна поло­вине мощности несущей. Таким образом, на излучение информационных составляющих (боковых полос) сигнала идет не более од­ной трети общей мощности; остальная мощность расходуется на излучение несущей. Наиболее широко используе­мым методом демодуляции AM является амплитудное детектиро­вание (рис. 3). Согласно рис. 3 принимаемый AM сигнал подается на диод, который не пропускает отрицательных значений сигнала, так что на его выходе получается положительная функ­ция с ненулевым средним, значением. Поскольку информация со­держится в низкочастотных колебаниях этого среднего значения (т. е. огибающей) относительно некоторого постоянного уровня, то, отделяя огибающую от высокочастотных колебаний фильтром нижних частот, можно воспроизвести исходную модулирующую функцию.

Рис.3 Амплитудное детектирование АМ сигналов

Заметим, что если огибающая принятого сигнала не точно повторяет изменения модулирующей функции, то информа­ция будет воспроизведена с некоторыми искажениями. По этой причине, как было отмечено выше, максимально допустимое значе­ние индекса модуляции равняется единице или 100%. Иногда 100-процентную модуляцию называют полной модуляцией. При пе­ремодуляции индекс модуляции становится больше единицы (т_а>1) и огибающая сильно искажается относительно модули­рующей функции.

Среди разновидностей АМ существует метод балансной модуляции (БМ), отличающийся от АМ отсутствием в результирующем спектре сигнала несущего колебания, однако ширина полосы, которую занимает БМ сигнал остается той же, что и при обычной AM, так как в обоих случаях излучаются обе боковые полосы, каждая из которых полностью характеризует передаваемую информацию. Если найти возмож­ность сузить занимаемую полосу частот, то это позволит разме­стить большее число каналов связи в данном диапазоне. Такая воз­можность существует в системах с видоизмененной AM, если в спектре излучаемого сигнала подавить несущую и одну боковую полосу. Такой вид модуляции известен под названием однополос­ная модуляция с подавлением несущей или просто однополосная модуляция (ОМ). В ОМ системах вся излучаемая мощность рас­ходуется на передачу информации, которая вмещается в мини­мально возможную полосу частот. Так, при передаче одной боко­вой полосы экономится излучаемая мощность, лучше использует­ся частотный диапазон. Теоретическое обоснование однополосной связи заключается в том, что как при БМ, так и при AM верхняя и нижняя боковые полосы содержат весь объем информации и, следовательно, для ее передачи достаточно лишь одной боковой полосы.

Однако реализация ОМ связана со сложностью и дороговизной передатчиков и при­емников, а также с проблемой совместимости, не позволяющей изме­нять вид модуляции без смены всей аппаратуры в существующих системах. В частности, поскольку формирование однополосного сигнала происходит в маломощных цепях, то для исключения ис­кажений усилитель передатчика должен иметь достаточно линей­ную характеристику (что, в принципе, приводит к низкому коэффи­циенту полезного действия). В противоположность этому при БМ или AM существуют методы формирования сигнала непосредст­венно в мощных каскадах и, следовательно, в них могут исполь­зоваться более экономичные нелинейные усилители мощности. Можно также показать, что для модулирующих функций сложной формы отношение пиковой мощности к ее среднему значению в системах с ОМ оказывается более высоким, чем при БМ или AM, Кроме того, наличие несущей в спектре AM сигнала позволяет значительно упростить требования к приемнику и сделать его до­статочно надежным.

Несмотря на это, однополосная модуляция нашла широкое при­менение в многоканальных системах с частотным уплотнением. В последнее время связь на одной боковой полосе используется также на загруженных участках декаметрового и УКВ диапазонов с целью эко­номии занимаемой полосы частот.