15.1. Амплитудная модуляция [1,25].
Амплитудная модуляция (amplitude modulation, АМ) была первым видом модуляции, освоенным на практике. В настоящее время АМ применяется в основном только для радиовещания на низких частотах (не выше коротких волн) и для передачи изображения в телевизионном вещании. Это обусловлено низким КПД использования энергии модулированных сигналов.
АМ соответствует переносу информации s(t) U(t) при постоянных значениях параметров несущей частотыи фазы. АМ – сигнал представляет собой произведение информационной огибающей U(t) и гармонического колебания ее заполнения. Форма записи амплитудно-модулированного сигнала:
где Um– постоянная амплитуда несущего колебания при отсутствии модулирующего сигнала s(t), М – коэффициент амплитудной модуляции.
Значение М характеризует глубинуамплитудной модуляции. В простейшем случае, если модулирующий сигнал представлен одночастотным гармоническим колебанием с амплитудой So, то коэффициент модуляции равен отношению амплитуд модулирующего и несущего колебания М=So/Um. Значение М должно находиться в пределах от 0 до 1 для всех гармоник модулирующего сигнала. При значении М
Рис. 15.1.1. Модулированный сигнал. Рис. 15.1.2. Глубокая модуляция
Рис. 15.1.3. Перемодуляция сигнала
На рис. 15.1.2 приведен пример глубокой модуляции, при которой значение M стремится к 1. Стопроцентная модуляция (М=1) может приводить к искажениям сигналов при перегрузках передатчика, если он имеет ограниченный динамический диапазон по амплитуде несущих частот или ограниченную мощность передатчика (увеличение амплитуды несущих колебаний в пиковых интервалах сигнала U(t) в два раза требует увеличения мощности передатчика в четыре раза).
При М>1 возникает так называемая перемодуляция, пример которой приведен на рис. 15.1.3. Форма огибающей при перемодуляции искажается относительно формы модулирующего сигнала, и после демодуляции, если применяются ее простейшие методы, информация может быть искажена.
Однотональная модуляция.Простейшая форма модулированного сигнала создается при модуляции несущего сигнала гармоническим колебанием с одной частотой:
Значения начальных фазовых углов несущего и модулирующего колебания для упрощения выражений будем принимать равными нулю, если они не имеет принципиального значения. С учетом формулы cos(x)cos(y) = (1/2)[cos(x+y)+cos(x-y)], из выражения (15.1.3) получаем:
Рис. 15.1.4. Физические спектры сигналов.
Отсюда следует, что модулирующее колебание с частотой перемещается в область частотыoи расщепляется на два колебания, симметричные относительно частотыo, с частотами соответственно (o+верхняя боковая частота, и (o-нижняя боковая частота (рис. 15.1.4 для сигнала, приведенного на рис. 15.1.1). Амплитуды колебаний на боковых частотах равны друг другу, и при 100%-ной модуляции равны половине амплитуды колебаний несущей частоты. Если получить уравнение (15.1.4) с учетом начальных фаз несущей и модулирующей частоты, то правило изменения фаз аналогично изменению частоты: начальная фаза модулирующего колебания для верхней боковой частоты складывается с начальной фазой несущей, для нижней – вычитаются из фазы несущей. Физическая ширина спектра модулированного сигнала в два раза больше ширины спектра сигнала модуляции.
Энергия однотонального АМ-сигнала. Обозначим раздельными индексами (нес— несущая,вб— верхняя боковая,нб— нижняя боковая) составляющие колебания в левой части выражения (15.1.4) однотонального АМ-сигнала и определим функцию его мгновенной мощности:
Для определения средней мощности сигнала выполним усреднение функции p(t):
Pu=
Все взаимные мощности модулированного сигнала при усреднении становятся равными нулю (спектры не перекрываются), при этом:
Доля мощности боковых частот в единицах мощности несущей частоты:
т.е. не превышает 50% даже при 100%-ной модуляции.
Под полезной мощностью модулированных сигналов понимают мощность боковых частот, несущих информацию. Коэффициент полезного действия модуляции определяется отношением мощности боковых частот к общей мощности модулированного сигнала:
Как можно видеть на рис. 15.1.5, даже при М=1 КПД амплитудной модуляции составляет только 33%, а при практическом использовании обычно меньше 20%.
Для модулированных сигналов применяют также понятие пиковой мощности Pmax. Значение пиковой мощности для однотонального АМ-сигнала:
Многотональный модулирующий сигналимеет произвольный спектральный состав. Математическая модель такого сигнала может быть аппроксимирована тригонометрической суммой гармонических составляющих, в пределе бесконечной:
s(t, n) =an cos(nt+n), (15.1.9)
где значения амплитуд anи начальных фазnупорядоченной возрастающей последовательности гармоникnпроизвольны. Подставляя (15.1.9) в (15.1.2) и заменяя произведения M·anпарциальными (частичными) коэффициентами модуляции Mn= M·an, получим обобщенное уравнение амплитудно-модулированного сигнала и его физического спектра:
u(t) = Um[1+Мncos(nt+n)]cosot. (15.1.10)
u(t)=Umcosot+(Um/2)
Mncos[(o+n)tn]+
Mncos[(o-n)tn].
Рис. 15.1.6. Многотональная модуляция.
На рис. 15.1.6 приведен схематический пример амплитудных спектров модулирующего и АМ-сигналов при многотональной модуляции. Он также содержит полосы верхних и нижних боковых частот относительно несущей частоты o, являющихся прямой и зеркальной масштабными копиями модулирующего сигнала. Полная ширина спектра АМ-сигнала равна удвоенной ширине спектра модулирующего сигнала.
Пример. Частотный диапазон одного километра каротажного кабеля 0-200 кГц. Частотный диапазон измерительных датчиков скважинного прибора 0-5 кГц. От какого количества датчиков одновременно может передаваться информация по данному каротажному кабелю?
Минимальная несущая частота должна быть на порядок выше максимальной частоты модулирующего сигнала, т.е. порядка 50 кГц. Для передачи сигнала от одного датчика потребуется полоса частот 25 = 10 кГц плюс пустой защитный интервал для исключения перекрестных помех порядка 1 кГц, т.е. 11 кГц. Общее количество каналов передачи информации: (200-50-5)/11 = 13 каналов.
В соответствии огибающей модулированного сигнала форме модулирующего сообщения нетрудно убедиться вычислением модуля аналитического сигналаz(t) =u(t) +(см. тему «Аналитические сигналы»).
При u(t) =Um[1+
Мn·s(t,n)]coso(t), квадратурное дополнение сигнала определяется преобразованием Гильберта и равно
=Um[1+
Мn·s(t,n)]sino(t). Огибающая сигнала:
|z(t)| =
= = Um[1+
Мn·s(t,n)].
Автокорреляционная функция АМ-сигналов:
Bu() =u(t) u(t-) dt. (15.1.12)
Постоянная фаза сигнала не влияет на форму АКФ. При u(t)=U(t)·cos ot получаем:
Bu() =
U(t)U(t-) dt + 0.5
U(t)U(t-) coso2t-) dt. (15.1.13)
Второй интеграл в формуле АКФ существенно меньше первого (произведение медленно меняющейся функции U(t)U(t-) и сильно осциллирующего члена с частотой 2o) и им можно пренебречь. Первый интеграл представляет собой АКФ сигнала U(t). Отсюда:
Bu()BU(). (15.1.14)
Полная энергия сигнала за счет усреднения по высокочастотным колебаниям:
При бесконечной энергии сигнала:
Bu() =. (15.1.15)
На рис. 15.1.7 приведена типичная форма автокорреляционных функций однотонального модулированного сигнала при М=1 и Um=1.
Демодуляция АМ-сигналовможет выполняться несколькими способами.
Самый простой способ – двухполупериодное детектирование (вычисление модуля сигнала) с последующим сглаживанием однополярных полупериодов несущей фильтром низких частот.
На рис. 15.1.8 приведен пример изменения однотонального амплитдно-модулированного сигнала и его физического спектра при детектировании (в реальной односторонней шкале частот и в реальной шкале амплитудных значений гармоник колебаний). Параметры представленного сигнала: несущая частота 30 Гц, частота модуляции 3 Гц, коэффициент модуляции М=1.
Рис. 15.1.8. Изменение однотонального модулированного сигнала при детектировании
Как видно на рисунке, при детектировании спектр модулированного сигнала становится однополярным, переходит на основную несущую частоту 2и уменьшается по энергии. Основная часть энергии (более 4/5) трансформируется в область низких частот и распределяется между постоянной составляющей и выделенной гармоникой сигнала модуляции в зависимости от значения коэффициента модуляции М. При М=1 энергии равны, при М=0 (в отсутствие сигнала модуляции) вся энергия переходит на постоянную составляющую.
Кроме этих составляющих в спектре появляются также 2-я, 3-я и более высокие гармоники детектированного модулированного сигнала (т.е. на частотах 4o±, 6o±, и т.д.), которые не показаны на рисунке. Энергия второй гармоники не превышает 2%, а остальных и вовсе незначительна. Демодуляторы сигнала выделяют после детектирования только низкочастотный информационный сигнал и подавляют все остальные частоты, включая постоянную составляющую (низкочастотный фильтр с подавлением постоянной составляющей).
Очевидно также, что в случае перемодуляции сигнала исходный информационный сигнал будет восстанавливаться с ошибкой.
Другой распространенный метод – синхронное детектирование. При синхронном детектировании модулированный сигнал умножается на опорное колебание с частотой несущего колебания. Без учета фазовых углов колебаний:
Как следует из этого выражения, сигнал разделяется на два слагаемых, первое из которых повторяет исходный модулирующий сигнал, а второе повторяет модулированный сигнал на удвоенной несущей частоте 2о.
На рис. 15.1.9 приведено визуальное сопоставление двухполупериодного и синхронного детектирования, которое наглядно показывает практически полное подобие процессов. Но форма новой несущей при синхронном детектировании является чистой гармоникой, в отличие от двухполупериодного детектирования.
Физический амплитудный спектр сигналов после демодуляции однозначно соотносится со спектром входного модулированного сигнала: амплитуды гармоник модулированного сигнала на частоте 2ов два раза меньше амплитуд входного сигнала, постоянная составляющая равна амплитуде несущей частотыoи не зависит от глубины модуляции, амплитуда информационного демодулированного сигнала в 2 раза меньше амплитуды исходного модулирующего сигнала.
Замечательной особенностью синхронного детектирования является полная независимость от глубины модуляции, т.е. коэффициент модуляции сигнала может быть больше 1. Пример синхронного детектирования перемодулированного сигнала приведен на рис. 15.1.10.
Однако при синхронном детектировании требуется точное совпадение фаз и частот опорного колебания демодулятора и несущей гармоники АМ-сигнала. При сдвиге фазы опорного колебания на относительно несущей частоты выходной сигнал демодулятора оказывается умноженным на косинус фазовой ошибки:
и амплитуда сигнала занижается, а при =/2 становится равной нулю.
При сдвиге частоты между несущим и опорным колебаниями сигнал демодулятора оказывается умноженным на гармоническое колебание с разностной частотой:
при этом выходной сигнал демодулятора начинает пульсировать с частотой биений (beat) .
Для синхронизации опорного колебания с несущей частотой сигнала в составе демодуляторов используются следящие системы фазовой автоподстройки опорной частоты.
Рис. 15.1.11. Балансная модуляция.
Балансная амплитудная модуляция или АМ с подавлением несущей частоты (АМ-ПН). Как следует из вышеприведенных данных, основная доля мощности АМ – сигнала приходится на несущую частоту. При балансной модуляции производится перемножение двух сигналов – модулирующего и несущего, при котором происходит подавление несущего колебания и КПД модуляции становится равным 100%. Так, для однотонального сигнала при U(t) = Mcost имеем:
т.е. однотональный модулирующий сигнал переносится на биения двух высоких частот. Пример сигнала с балансной модуляцией приведен на рис. 15.1.11. Амплитудный спектр сигнала подобен приведенному на рис. 15.1.4 с отсутствующей несущей частотой o. Аналогично, многотональный балансно — модулированный сигнал имеет две симметричные относительно частотыoгруппы верхних и нижних боковых колебаний:
u(t) = (Um/2)
Mncos[(o+n)tn] +
Mncos[(o+n)tn]>. (15.1.18)
Подавление несущей частоты определяется следующим. При переходе огибающей биений U(t) через нуль фаза несущей частоты высокочастотного заполнения скачком изменяется на 180 0 , поскольку функция косинуса огибающей имеет разные знаки слева и справа от нуля. При этом в высокодобротной системе (с малыми потерями энергии), настроенной на частотуo, колебания, возбужденные одним периодом биений, гасятся последующим периодом.
Однако балансная модуляция не получила широкого распространения в связи с трудностями, возникающими при демодуляции сигналов. В принципе, синхронное детектирование позволяет выполнять демодуляцию без каких-либо проблем, но при условии известной несущей частоты сигнала и точной фазовой синхронизации опорной частоты с несущей. Но во входном сигнале АМ-ПН несущая частота отсутствует. Для снятия этой трудности обычно применяют неполное подавление несущей и оставляют в модулированном сигнале определенный «остаток» несущей (пилот-сигнал), который и используется для фазочастотной автосинхронизации при демодуляции.
Однополосная амплитудная модуляция.При идентичности информации в группах верхних и нижних боковых частот нет необходимости в их одновременной передаче. Одна из них перед подачей сигнала в канал связи может быть удалена, чем достигается двукратное сокращение полосы занимаемых сигналом частот. Уравнение сигнала с одной боковой полосой (ОБП – сигнал, single side band — SSB) может быть получено непосредственно из 15.1.11. Для верхней (знаки ‘+’ во втором слагаемом) или нижней (знаки ‘-‘) боковой полосы:
u(t) = Umcos(ot+o) + (Um/2)Mncos[(o±n)ton]. (15.1.19)
Рис. 15.1.12. Однополосная амплитудная модуляция.
Внешняя форма сигнала ОБП (пример на рис. 15.1.12 при однотональной модуляции) сходна с обычным АМ – сигналом, но ее огибающая, как это можно заметить, отличается от огибающей U(t), заданной при модуляции при М = 1 (показана пунктиром).
Для демодуляции ОБП – сигнала может использоваться как двухполупериодное, так и синхронное детектирование, со всеми особенностями, присущими этим методам. Результаты демодуляции отличаются от демодуляции АМ – сигналов только в 2 раза меньшей амплитудой выходных сигналов.
При однополосной модуляции также возможно подавление несущей частоты (полное или частичное), что позволяет полнее использовать мощность передатчика.
Полярная модуляция решает конкретную техническую задачу – передачу двух сигналов одновременно, что требуется, например, в стереовещании или при передаче стереоснимков. Рассмотрим это на примере стереосигналов.
В системе стереовещания необходимо передавать два сигнала s1(t) и s2(t) одновременно (левый и правый каналы) при условии совмещения с монофоническими приемниками. Для выполнения этого условия создается специальный модулирующий сигнал. Процесс создания сигнала поясняется на рис. 15.1.13, где в качестве канальных сигналов приняты моногармоники s1 и s2.
Рис. 15.1.13. Полярная модуляция.
Специальный модулирующий сигнал формируется из двух сигналов — монофонического и разностного. Монофонический сигнал образуется суммой сигналов в каналах, разностный – разностью сигналов:
что позволяет восстанавливать исходные сигналы каналов:
Монофонический сигнал является основным и не изменяется по частоте, что позволяет принимать его монофоническим приемникам. Для одновременной передачи разностного сигнала монофонический сигнал суммируется споднесущейчастотойsc(subcarrier), которая располагается за звуковым диапазоном частот монофонических приемников (в области ультразвука), и модулируется разностным сигналом (с установкой коэффициента модуляции значением смещения Ао):
Полученный сигнал называюткомпозитным стереосигналом. Именно он используется в качестве модулирующего сигнала для любого метода модуляции, в том числе и для угловой модуляции, которая будет рассматриваться ниже. Как видно на рис. 15.1.13, верхняя и нижняя огибающие композитного сигнала с точностью до постоянной составляющей соответствуют первому и второму сигналу стереоканалов, что позволяет достаточно просто выделять эти сигналы на приемной стороне. На практике поднесущую частоту композитного сигнала обычно частично или целиком подавляют. Подавление поднесущей выполняется изменением значения смещения Ао0, при этом разностный сигнал переходит в режим перемодуляции, а динамический диапазон амплитуд композитного сигнала уменьшается в два раза.
Амплитудная модуляция. Балансная амплитудная модуляция с подавлением несущей (double side band DSB)
В данной статье речь пойдет о разновидностях аналоговой амплитудной модуляции. Предполагается, что читатель понимает смысл комплексной огибающей полосового радиосигнала, а также понятия аналитического сигнала и преобразования Гильберта.
Как было отмечено ранее, процесс модуляции заключается в формировании низкочастотной комплексной огибающей
после чего производится перенос этой комплексной огибающей на несущую частоту умножением на
Также было отмечено, что все виды модуляции различаются только способом формирования комплексной огибающей на основе модулирующего сигнала
Формирование сигналов с амплитудной модуляцией
Рассмотрим как производится формирование комплексной огибающей в случае с амплитудной модуляцией (АМ).
При АМ производится изменение только амплитуды несущего колебания при постоянной начальной фазе:
где — закон изменения амплитуды, а — постоянная начальная фаза несущего колебания. Потребуем, чтобы модулирующий сигнал имел нулевую постоянную составляющую и Тогда где носит название глубины АМ и радиосигнал с АМ имеет вид:
Поясним смысл глубины АМ, для этого возьмем частный случай модулирующего сигнала где В этом случае получим так называемую однотональную АМ. При амплитуда несущего колебания не меняется. На рисунках 1 — 4 приведены графики АМ сигнала при различной глубине модуляции: от 0 до 1,5. Синим показана амплитуда При глубине модуляции от 0 до 1 амплитуда несущего колебания совпадает с , однако при наблюдается перемодуляция, так как пересекает ось абсцисс.
Рисунок 1: АМ сигнал при глубине модуляции равной 0
Рисунок 2: АМ сигнал при глубине модуляции равной 0,5
Рисунок 3: АМ сигнал при глубине модуляции равной 1
Рисунок 4: АМ сигнал при глубине модуляции равной 1,5
Если глубина АМ выбрана так, что перемодуляции не наблюдается, то измерить глубину АМ можно по осциллограмме радиосигнала. Для этого необходимо померить максимальную и минимальную амплитуду несущего колебания как это показано на рисунке 5, и по ним рассчитать глубину АМ по формуле:
Рисунок 5: Измерение глубины АМ по осциллограмме радиосигнала
Необходимо отметить, что перемодуляция вредный эффект, которого необходимо избегать, в противном случае возникнут проблемы при демодуляции сигнала.
Теперь рассмотрим структурную схему АМ модулятора. Для этого выделим из АМ сигнала (4) комплексную огибающую:
Таким образом, комплексная огибающая равна , тогда квадратурные составляющие комплексной огибающей равны:
Тогда структурная схема АМ модулятора на базе универсального квадратурного модулятора может быть представлена как это показано на рисунке 6.
Рисунок 6: Структурная схема АМ модулятора
Данная схема не является оптимальной, ее можно упростить, задав фазу комплексной огибающей равную нулю, тогда
Таким образом, квадратурная составляющая не учитывается, и радиосигнал формируется простым умножением несущего колебания на как это показано на рисунке 7.
Рисунок 7: Упрощенная схема АМ
Спектр сигналов с амплитудной модуляцией
Рассмотрим теперь спектр однотональной АМ. Для этого представим АМ сигнал в виде:
Таким образом, можно сделать вывод о том, что спектр однотональной АМ имеет три гармоники. Амплитудный и фазовый спектры сигнала с АМ представлены на рисунке 8.
Рисунок 8: Амплитудный и фазовый спектр сигнала с АМ
Центральная гармоника не несет никакой информации, однако ее амплитуда максимальна и не зависит от глубины АМ. Информация заключена в боковых гармониках, при этом их уровень зависит от глубины АМ, чем она выше, тем уровень боковых гармоник больше. Максимальное значение глубины АМ при котором не наблюдается перемодуляции , это означает, что максимальный уровень боковых гармоник в 2 раза ниже уровня несущей частоты. При этом как нетрудно заметить при суммарная мощность информационных гармоник будет в 2 раза ниже мощности несущей частоты, другими словами передатчик бОльшую часть энергии тратит на излучение неинформационной несущей, то есть просто обогревает космос. Также необходимо сделать замечание: спектр АМ сигнала всегда симметричен относительно центральной частоты, если модулирующий сигнал чисто вещественный.
Сигналы с балансной АМ (DSB) и их спектр
Давайте теперь допустим, что у нас есть перемодуляция, т.е. . Тогда при уровень информационных гармоник сравняется с уровнем несущей и при дальнейшем росте глубины модуляции уровень информационных гармоник уже начнет превосходить уровень несущей. Если позволить глубине модуляции расти неограниченно, то можно сделать предельный переход:
В выражении (10) множитель введен для того, чтобы зафиксировать уровень боковых информационных гармоник ( это легко понять рассмотрев выражение ). В результате при увеличении будет наблюдаться падение уровня несущей при фиксированном уровне информационных гармоник, так как все гармоники делятся на Такой предельный переход приводит к балансной АМ с подавлением несущей (DSB). Действительно, уровень несущей будет:
Рассмотрим однотональную балансную АМ с подавлением несущей при
Таким образом, спектр однотональной балансной АМ с подавлением несущей содержит всего две гармоники как это представлено на рисунке 9.
Рисунок 9: Спектр однотональной балансной АМ с подавлением несущей
Комплексная огибающая балансной АМ имеет вид где
Cигнал с балансной АМ (10) имеет вид, представленный на рисунке 10. При этом можно заметить, что на осциллограмме видна несущая частота, которая отсутствует в спектре. Однако при пересечении модулирующим сигналом оси абсцисс, несущее колебание меняет знак (фаза сдвигается на ), это видно из рисунка 11 и в результате при излучении несущее колебание скомпенсируется, хотя на осциллограмме его можно увидеть.
Рисунок 10: Осциллограмма сигнала с балансной АМ с подавлением несущей
Рисунок 11: Сдвиг фазы при балансной АМ компенсирует несущую при излучении
Схема модулятора балансной АМ такая же как и в случае с АМ без подавления несущей, просто другой способ формирования амплитуды комплексной огибающей.
Векторное представление сигналов с АМ и DSB
Рассмотрим векторное представление комплексной огибающей сигналов с АМ и с балансной АМ (рисунок 12).
Рисунок 12: Векторное представление комплексной огибающей сигналов с АМ (а) и балансной АМ с подавлением несущей (б)
В обоих случаях вектор повернут на угол и меняет свою амплитуду по закону При этом при АМ вектор всегда направлен в одну сторону и амплитуда меняется в зависимости от глубины АМ от до согласно (5), а при балансной АМ вектор меняется по амплитуде в пределах , причем в зависимости от модулирующего сигнала, вектор комплексной огибающей меняет знак на противоположный, что означает что фаза меняется на радиан (смотри рисунок 12 б).
Главное преимущество балансной АМ — полное подавление несущей частоты. Вся мощность передатчика идет на излучение информационных составляющих. Как и в случае с АМ, спектр радиосигнала с балансной АМ симметричен относительно несущей частоты. Ширина спектра радиосигнала с балансной АМ равна удвоенной верхней частоте модулирующего сигнала, или в случае однотональной модуляции ширина спектра равна
Таким образом, мы рассмотрели формирование АМ радиосигнала. Можно сделать выводы:
АМ сигнал формируется путем управления амплитудой несущего колебания по закону модулирующего сигнала.
Введено понятие глубины АМ, показано, что при слишком больших значениях глубины АМ может возникнуть перемодуляция, искажающая модулирующий сигнал.
При отсутствии перемодуляции на излучение информации приходится не более 33% мощности сигнала, остальное — излучение несущей, а при балансной АМ несущая подавлена и вся мощность расходуется на излучение информации.
Показано, что спектр АМ всегда симметричен относительно несущей при вещественном модулирующем сигнале и имеет ширину равную удвоенной верхней частоте модулирующего сигнала.
Передача и прием информации
Необходимость приёма и передачи информации беспокоило человечество всегда. Существует способ приёма и передачи информации между передатчиком и приемником по радиоканалу. В этом случае используется устройство модуляции и демодуляции[5].
Обмен информацией является её передача от одной точки к другой. Многие системы обмена информации работают с аналоговыми данными – примером является телефонная связь, радио и телевидение[5].
Понятие «распределенная система» применяется сегодня очень широко, независимо от того, идет ли речь о комплексах из нескольких машин или мультипроцессорных системах различных архитектур. Благодаря этому в большинстве случаев оно потеряло свой смысл. Рассмотрим концепцию распределенных систем, полученных объединением датчиков и исполнительных механизмов, формирующая систему автоматизированного управления. Распределенная система управления(РСУ) представляет собой некоторое упорядоченное соединение узлов, обменивающихся друг с другом данными об измерениях и управлении[8].
Введение 2
Общие сведения о передаче, приеме
и обработке информации 2
1.1. Интеллектуальные измерительные системы 3 1.2. Принципы обмена данными 4 1.3. Режимы передачи сигналов 6 1.4. Ширина полосы 7 1.5. Отношение сигнал/шум 7
1.6. Принципы построения передатчиков 8
1.7. Способов кодирования — декодирования
2. Разработка устройства сбора и обработки информации 22 2.1. Структурная схема передатчика 22
2.2. Принципиальная схема передатчика 24
3. Результаты исследования 27
Список используемой литературы 30
Работа содержит 1 файл
Передача и прием информации.doc
Рис. 1.4. Структурная схема построения передатчиков второго принципа.
- Обзор способов кодирования — декодирования информации
-
- H — ELECTRICITY
- H03 — ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03D — DEMODULATION OR TRANSFERENCE OF MODULATION FROM ONE CARRIER TO ANOTHER
- H03D1/00 — Demodulation of amplitude-modulated oscillations
- H03D1/22 — Homodyne or synchrodyne circuits
- H03D1/24 — Homodyne or synchrodyne circuits for demodulation of signals wherein one sideband or the carrier has been wholly or partially suppressed
- H — ELECTRICITY
- H03 — ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K — PULSE TECHNIQUE
- H03K9/00 — Demodulating pulses which have been modulated with a continuously-variable signal
- H03K9/02 — Demodulating pulses which have been modulated with a continuously-variable signal of amplitude-modulated pulses
Abstract
Изобретение относится к обработке амплитудно-модулированных радиосигналов. Технический результат заявленного изобретения заключается в увеличении производительности передачи информации, что способствует расширению технических возможностей электронных устройств. Способ обработки амплитудно-модулированного радиосигнала, содержащего область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы, характеризуется тем, что выделяют и суммируют амплитудно-частотный состав разностных частот сигналов в боковых частотных областях относительно несущей частоты демодулируемого сигнала при совпадении амплитуд равных разностных частот относительно несущей частоты, формируя в амплитудно-временной области собственно демодулированный сигнал. 2 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к обработке амплитудно-модулированных радиосигналов, в частности к способам и устройствам для демодуляции амплитудно-модулированных радиосигналов включая их селекцию, широко применяемой в технологии анализа восстановления и шифрования передаваемой информации.
Уровень техники
Традиционные способы и устройства демодуляции амплитудно-модулированных сигналов (АМС) состоят из выполнения следующих операций. От источника АМС подают на нелинейный элемент, с его помощью разрушают спектр АМС на высокочастотные и низкочастотные составляющие. С помощью фильтра нижних частот (ФНЧ) выделяют низкочастотные составляющие колебания, амплитуда которых изменяется по закону изменения огибающей АМС. С помощью разделительной емкости, включенной в продольную цепь, устраняют постоянную составляющую и низкочастотную переменную составляющую подают на нагрузку.
К таким способам относится и способ (патент RU 2373631) амплитудной демодуляции амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов в котором решается задача помехоустойчивости и увеличения рабочей полосы частот за счет оптимизации входного четырехполюсника, отвечающего за глубину амплитудной модуляции и, дополнительно, за счет оптимизации места включения нелинейного элемента
Недостатком предложенного способа является невозможность разделения сигналов в условиях частичного или полного перекрытия частотных полос распространения сигналов.
За прототип принят известный способ (патент RU 2342772) обработки амплитудно-модулированного сигнала, содержащего область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы демодулируемого сигнала, в котором за счет использования операции взвешивания демодулирированных областей боковых полос, учитывающую мощность шумов в селектируемой полосе приема, формируют демодулированный сигнал верхней боковой полосы и демодулированный сигнала нижней боковой полосы с последующим суммированием сформированных взвешенных демодулированных сигналов боковых полос для формирования демодулируемого сигнала. В способе обработка сигналов происходит в узких частотных диапазонах, что позволяет для каждой пары зеркальных полос использовать свой весовой коэффициент.
Недостатком способа является невозможность эффективно обрабатывать сигналы в условиях частичного или полного перекрытия частотных полос распространения сигналов. В случае необходимости передачи нескольких произвольных аналоговых сигналов с взаимным частичным или полным перекрытием их частотных полос разделение сигналов становится крайне затруднительно.
Целью изобретения является разработка способа, обладающего повышенной эффективностью передачи, приема выделения и анализа принятой информации в условиях использования для передачи сигналов совмещенных частотных полос.
Техническим результатом, достигаемым при реализации способа, является увеличение производительности передачи информации, что способствует расширению технических возможностей электронных устройств, создаваемых при применении данного способа.
Сущность изобретения
Технический результат достигают тем, что реализуют способ обработки амплитудно-модулированного радиосигнала, содержащего область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы, характеризующийся тем, что выделяют и суммируют амплитудно-частотный состав разностных частот сигналов в боковых частотных областях относительно несущей частоты демодулируемого сигнала при совпадении амплитуд равных разностных частот относительно несущей частоты, формируя в амплитудно-временной области собственно демодулированный сигнал.
Использование амплитудно-модулированных радиочастот каждого сигнала со своей несущей частотой формирует в эфире симметричные области амплитудно-частотного состава каждого сигнала со своими боковыми полосами относительно своей несущей частоты. Сравнение частотных областей сигналов с учетом их симметрии относительно своей несущей частоты может позволить выявить именно тот амплитудно-частотный состав сигнала, сумма которых и составит демодулированный сигнал.
Анализ верхней и нижней частотных полос демодулируемого сигнала позволяет выявить амплитудно-частотный состав каждой из боковых полос и сравнить их с учетом их «зеркальности» — равенстве разностных частот и амплитуд относительно несущей частоты. При совпадении амплитуд равных разностных частот, сигналы суммируют, формируя, таким образом, в амплитудно-временной области демодулируемый сигнал.
Амплитудно-модулированный однотоновый сигнал имеет вид:
a am(t)=А0⋅[1+m⋅cos(Ω⋅t+ϕ)]⋅cos(ω0⋅t), Ω0где: A0 — амплитуда несущего колебания, Ω — частота однотоновой амплитудной модуляции, ϕ — начальная фаза однотоновой модуляции, ω0 — модулируемая частота — несущая, m — коэффициент амплитудной модуляции, значения которого лежат в диапазоне 0≤m≤1.
Амплитудно-модулированный однотоновый сигнал также имеет вид:
a am(t)=A0⋅cos(ω0⋅t)+0,5⋅A0⋅m⋅cos[(ω0-Ω)⋅t-ϕ]+0,5⋅A0⋅m⋅cos[(ω0+Ω)⋅t+ϕ]Сформированный сигнал состоит из трех гармоник: центральной с частотой ω0, смещенной верхней частотой (ω0+Ω), нижней частотой (ω0-Ω) относительно ω0. Таким образом, однотоновое амплитудно-модулированное колебание, занимает полосу 2Ω. При этом разностные частоты в боковых полосах будут равны Ω, а амплитуда разностных частот будет равна 0,5⋅А0⋅m.
Каждая гармоника исходного спектра порождает нижнюю и верхнюю боковые зеркальные гармоники. Аналогично однотоновому сигналу будут вести себя гармоники произвольного сигнала с тем замечанием, что частоты этих гармоник будут зеркальны относительно ω0 и смещены в верхнюю полосу частотами [ω0+Ωn(t)] и в нижнюю полосу частотами [ω0-Ωn(t)]. Амплитуды гармоник будут величиной mA0Kn(t)/2 соответственно, представляя собой «мгновенный спектр» произвольного сигнала. Где: n — натуральное число, соответствующее номеру гармоники произвольного сигнала, Kn(t) — коэффициент отражающий величину амплитуды гармоники с частотой [ω0-Ωn(t)] и гармоники с частотой [ω0+Ωn(t)]. В таком представлении разностные частоты будут равны Ωn(t).
Современный подход к уплотнению количества переданной информации в эфире в условиях ограниченной ширины разрешенной полосы радиосигналов опирается на усложнение модуляции несущей частоты при обеспечении отсутствия частот других сигналов на используемой частотной полосе эфира на время передачи сигнала (частотно-временное разделение).
Использование свойства амплитудно-модулированного радиосигнала: его зеркального частотного состава, формирующего боковые частотные полосы относительно несущей частоты, может позволить выделить амплитудно-модулированный радиосигнал на используемой частотной полосе, не освобождая ее от других сигналов. Это позволит уплотнить количество информации, передаваемой в данной частотной полосе за определенный промежуток времени.
Следует отметить, что совпадения частотного состава произвольных сигналов в выделенной частотной полосе непостоянны во времени и выделение гармонического состава сигналов можно сделать динамическим — через формирование «мгновенного спектра». Это возможно, поскольку после цифровой фильтрации, фиг. 1, «мгновенные» частоты со своими амплитудами mA0Kn(t)/2, фиг. 2, каждого сигнала занимают свою активную полосу частотного спектра как функции от времени на своей несущей частоте.
(Финк Л.М. «Сигналы помехи ошибки…» М: Радио и связь, 1984; Харкевич А.А. «Спектры и анализ» М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009).
Более подробно предлагаемый способ будет описан ниже при описании работы устройства для осуществления предлагаемого способа.
Краткое описание фигур чертежей.
На фиг. 1 изображена блок схема способа.
На фиг. 2 изображен амплитудно-частотный состав сигнала.Предлагаемый способ включает аналогово-цифровой преобразователь — АЦП, поз.1; цифровые фильтры разностных частот верхней полосы — ЦФВП1, …, ЦФВПn, поз. 2, 4,; цифровые фильтры разностных частот нижней полосы — ЦФНП1, …, ЦФНПn, поз. 3, 5; пиковые детекторы-компараторы, поз. 6, 7; генераторы разностных частот Ω1, …, Ωn, поз. 8, 9; сумматор гармоник разностных частот, поз. 10; цифро-аналоговый преобразователь сигналов, поз. 11.
Осуществление изобретения:
При реализации способа обработки амплитудно-модулированного сигнала выполняется следующая последовательность действий. Совокупность радиосигналов поступает на АЦП, поз. 1. Преобразованная цифровая последовательность от АЦП поступает на узкополосные цифровые фильтры ЦФВП1, …, ЦФВПn, поз. 2, 4 и ЦФНП1, …, ЦФНПn, поз. 3, 5 частотные полосы которых составляют непрерывную частотную полосу существования сигнала, а частотное деление по полосам определяет дискретность разложения сигнала.
Частотные полосы фильтров ЦФВП1, …, ЦФВПn и ЦФНП1, …, ЦФНПn группируются по парно с зеркальной симметрией относительно несущей частоты искомого сигнала.
Цифровая последовательность от каждой зеркальной пары фильтров подается на цифровой пиковый детектор-компаратор величин текущих амплитуд, поз. 6, 7. При совпадении амплитуд от пары фильтров, величина этих амплитуд подается на генератор разностной частоты пары фильтров, поз. 6, 7 для управления амплитудой этой частоты. Подача синтезированного колебания на сумматор, поз. 10 осуществляется тем же детектором-компаратором, поз. 6, 7 с момента обнаружения совпадения амплитуд на период не менее периода этой разностной частоты. Величины пиковых амплитуд в детекторах-компараторах обновляются через половины периодов сигналов от соответствующих полосовых фильтров. Суммарный сигнал, при необходимости иметь его аналоговую форму, подают на ЦАП, поз. 11.
Claims ( 1 )
Способ обработки амплитудно-модулированного радиосигнала, содержащего область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы, отличающийся тем, что для демодуляции сигнала выделяют и суммируют амплитудно-частотный состав разностных частот сигналов в боковых частотных областях относительно несущей частоты демодулируемого сигнала при совпадении амплитуд равных разностных частот относительно несущей частоты, формируя в амплитудно-временной области собственно демодулированный сигнал.
RU2019117242A 2019-06-04 2019-06-04 Способ демодуляции амплитудно-модулированного сигнала RU2713865C1 ( ru )
Priority Applications (1)
Application Number Priority Date Filing Date Title RU2019117242A RU2713865C1 ( ru ) 2019-06-04 2019-06-04 Способ демодуляции амплитудно-модулированного сигнала Applications Claiming Priority (1)
Application Number Priority Date Filing Date Title RU2019117242A RU2713865C1 ( ru ) 2019-06-04 2019-06-04 Способ демодуляции амплитудно-модулированного сигнала Publications (1)
Publication Number Publication Date RU2713865C1 true RU2713865C1 ( ru ) 2020-02-07
Сигналы от измерительных датчиков и любых других источников информации передаются по линиям связи к приемникам — измерительным приборам, в измерительно-вычислительные системы регистрации и обработки данных, в любые другие центры накопления и хранения данных. Как правило, информационные сигналы являются низкочастотными и ограниченными по ширине спектра. Каналы связи, напротив, являются высокочастотными, широкополосными и рассчитаны на передачу сигналов от множества источников одновременно с частотным разделением каналов. Перенос спектра сигналов из низкочастотной области в выделенную для их передачи область высоких частот выполняется операцией модуляции[5].
Допустим, что низкочастотный сигнал, подлежащий передаче по каналу связи, задается функцией s(t). В канале связи для передачи данного сигнала выделяется определенный диапазон высоких частот. На входе канала связи в специальном передающем устройстве формируется вспомогательный, как правило, непрерывный во времени периодический высокочастотный сигнал u(t) = f(t; a1, a2, … am). Совокупность параметров ai определяет форму вспомогательного сигнала. Значения параметров ai в отсутствие модуляции являются величинами постоянными. Если на один из этих параметров перенести сигнал s(t), т.е. сделать его значение пропорционально зависимым от значения s(t) во времени, то форма сигнала u(t) приобретает новое свойство. Она несет информацию, тождественную информации в сигнале s(t). Поэтому сигнал u(t) называют несущим сигналом, несущим колебанием или просто несущей (carrier), а процесс переноса информации на параметры несущего сигнала – его модуляцией (modulation). Информационный сигнал s(t) называют модулирующим (modulating signal), результат модуляции – модулированным сигналом (modulated signal). Обратную операцию выделения модулирующего сигнала из модулированного колебания называют демодуляцией (demodulation)[1][4][6].
Основным видом несущих сигналов являются гармонические колебания[1]:
u(t) = U × cos(ωt+φ)
которые имеют три свободных параметра: U, ω и φ. В зависимости от того, на какой из данных параметров переносится информация, различают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) или фазовую (ФМ) модуляцию несущего сигнала. Частотная и фазовая модуляция взаимосвязаны, поскольку изменяют аргумент функции косинуса, и их обычно объединяют под общим названием — угловая модуляция (angle modulation)[1].
При использовании в качестве несущих сигналов периодических последовательностей импульсов свободными параметрами модуляции могут быть амплитуда, длительность, частота следования импульсов и фаза (положение импульса относительно определенной точки тактового интервала). Это дает четыре основных вида импульсной модуляции: Амплитудно-импульсная модуляция, Широтно-импульсная модуляция, Частотно-импульсная модуляция и фазо-импульсная[1][4][6].
Амплитудная модуляция
Амплитудная модуляция (amplitude modulation, АМ) была первым видом модуляции, освоенным на практике. В настоящее время АМ применяется в основном только для радиовещания на низких частотах (не выше коротких волн). Это обусловлено низким КПД использования энергии модулированных сигналов[1].
АМ соответствует переносу информации s(t) Þ U(t) при постоянных значениях параметров несущей частоты ω0 и фазы φ0. АМ – сигнал представляет собой произведение информационной огибающей U(t) и гармонического колебания ее заполнения. Форма записи амплитудно-модулированного сигнала[1]:
u(t) = U(t) × cos( w ot+ j o), (1.1)
U(t) = Um × [1+M × s(t)], (1.2)
где Um – постоянная амплитуда несущего колебания при отсутствии модулирующего сигнала s(t), М – коэффициент амплитудной модуляции.
Значение М характеризует глубину амплитудной модуляции. В простейшем случае, если модулирующий сигнал представлен одночастотным гармоническим колебанием с амплитудой So, то коэффициент модуляции равен отношению амплитуд модулирующего и несущего колебания М=So/Um. Значение М должно находиться в пределах от 0 до 1 для всех гармоник модулирующего сигнала. При значении М форма огибающей несущего колебания полностью повторяет форму модулирующего сигнала s(t), что можно видеть на рис. 1.5.. Малую глубину модуляции М <для основных гармоник модулирующего сигнала применять нецелесообразно, т.к. при этом мощность передаваемого информационного сигнала будет много меньше мощности несущего колебания и мощность передатчика будет использоваться неэкономично[1][4].
Рис. 1.5. Амплитудно-модулированный сигнал.
Рис. 1.6. Глубокая амплитудная модуляция.
Рис. 1.7. Амплитудная перемодуляция сигнала.
На рис. 1.6. приведен пример глубокой модуляции, при которой значение M стремится к 1. Стопроцентная модуляция (М=1) может приводить к искажениям сигналов при перегрузках передатчика, если он имеет ограниченный динамический диапазон по амплитуде несущих частот или ограниченную мощность передатчика (увеличение амплитуды несущих колебаний в пиковых интервалах сигнала U(t) в два раза требует увеличения мощности передатчика в четыре раза)[1][4].
При М>1 возникает так называемая перемодуляция, пример которой приведен на рис. 1.7. Форма огибающей при перемодуляции искажается относительно формы модулирующего сигнала, и после демодуляции, если применяются ее простейшие методы, информация может быть искажена.
Демодуляция АМ-сигналов
Может выполняться несколькими способами:
Самый простой способ – двухполупериодное детектирование (вычисление модуля сигнала) с последующим сглаживанием однополярных полупериодов несущей фильтром низких частот.
На рис. 1.8. приведен пример изменения однотонального амплитдно-модулированного сигнала и его физического спектра при детектировании (в реальной односторонней шкале частот и в реальной шкале амплитудных значений гармоник колебаний). Параметры представленного сигнала: несущая частота 30 Гц, частота модуляции 3 Гц, коэффициент модуляции М=1[4].
Рис. 1.8. Изменение однотонального модулированного сигнала при детектировании.
Как видно на рисунке 1.8., при детектировании спектр модулированного сигнала становится однополярным, переходит на основную несущую частоту 2 wo и уменьшается по энергии. Основная часть энергии (более 4/5) трансформируется в область низких частот и распределяется между постоянной составляющей и выделенной гармоникой сигнала модуляции в зависимости от значения коэффициента модуляции М. При М=1 энергии равны, при М=0 (в отсутствие сигнала модуляции) вся энергия переходит на постоянную составляющую[1][4].
Кроме этих составляющих в спектре появляются также 2-я, 3-я и более высокие гармоники детектированного модулированного сигнала (т.е. на частотах 4 w o ± W , 6 w o ± W , и т.д.), которые не показаны на рисунке. Энергия второй гармоники не превышает 2%, а остальных и вовсе незначительна. Демодуляторы сигнала выделяют после детектирования только низкочастотный информационный сигнал и подавляют все остальные частоты, включая постоянную составляющую (низкочастотный фильтр с подавлением постоянной составляющей)[1].
Очевидно также, что в случае перемодуляции сигнала исходный информационный сигнал будет восстанавливаться с ошибкой[1].
Другой распространенный метод – синхронное детектирование. При синхронном детектировании модулированный сигнал умножается на опорное колебание с частотой несущего колебания. Без учета фазовых углов колебаний[1][4]:
y(t) = u(t)cos( w ot) = U(t)cos( w ot)·cos( w ot) = 0,5U(t) + 0,5U(t)cos(2 w ot). (1.3)
Рис. 1.9. Сопостовление двухполупериодного и синхронного детектирования.
Как следует из этого выражения, сигнал разделяется на два слагаемых, первое из которых повторяет исходный модулирующий сигнал, а второе повторяет модулированный сигнал на удвоенной несущей частоте 2 w о[1][4].
На рис. 1.9. приведено визуальное сопоставление двухполупериодного и синхронного детектирования, которое наглядно показывает практически полное подобие процессов. Но форма новой несущей при синхронном детектировании является чистой гармоникой, в отличие от двухполупериодного детектирования[1][4].
Физический амплитудный спектр сигналов после демодуляции однозначно соотносится со спектром входного модулированного сигнала: амплитуды гармоник модулированного сигнала на частоте 2 w о в два раза меньше амплитуд входного сигнала, постоянная составляющая равна амплитуде несущей частоты w o и не зависит от глубины модуляции, амплитуда информационного демодулированного сигнала в 2 раза меньше амплитуды исходного модулирующего сигнала[1].
Замечательной особенностью синхронного детектирования является полная независимость от глубины модуляции, т.е. коэффициент модуляции сигнала может быть больше 1. Пример синхронного детектирования перемодулированного сигнала приведен на рис. 1.10[1][4].
Однако при синхронном детектировании требуется точное совпадение фаз и частот опорного колебания демодулятора и несущей гармоники АМ-сигнала. При сдвиге фазы опорного колебания на Dw относительно несущей частоты выходной сигнал демодулятора оказывается умноженным на косинус фазовой ошибки[1]:
y(t) = U(t)cos( w ot)·cos( w ot- Dj ) = 0,5U(t)cos(- Dj ) + 0,5U(t)cos(2 w ot- Dj ),
и амплитуда сигнала занижается, а при Dw = p /2 становится равной нулю.
При сдвиге частоты между несущим и опорным колебаниями сигнал демодулятора оказывается умноженным на гармоническое колебание с разностной частотой[1]:
y(t) = U(t)cos( w ot)·cos( w ot- Dw ) = 0,5U(t)cos(- Dw t) + 0,5U(t)cos((2 w o— Dw )t),
при этом выходной сигнал демодулятора начинает пульсировать с частотой биений (beat) Dw .
Для синхронизации опорного колебания с несущей частотой сигнала в составе демодуляторов используются следящие системы фазовой автоподстройки опорной частоты[4].
Рис. 1.11. Балансная модуляция.
Сигналы с угловой модуляцией
RU2713865C1 — Способ демодуляции амплитудно-модулированного сигнала — Google Patents
Publication number RU2713865C1 RU2713865C1 RU2019117242A RU2019117242A RU2713865C1 RU 2713865 C1 RU2713865 C1 RU 2713865C1 RU 2019117242 A RU2019117242 A RU 2019117242A RU 2019117242 A RU2019117242 A RU 2019117242A RU 2713865 C1 RU2713865 C1 RU 2713865C1 Authority RU Russia Prior art keywords amplitude frequency signal signals difference frequencies Prior art date 2019-06-04 Application number RU2019117242A Other languages English ( en ) Inventor Виктор Михайлович Дунилин Original Assignee Межрегиональное общественное учреждение «Институт инженерной физики» Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 2019-06-04 Filing date 2019-06-04 Publication date 2020-02-07 2019-06-04 Application filed by Межрегиональное общественное учреждение «Институт инженерной физики» filed Critical Межрегиональное общественное учреждение «Институт инженерной физики» 2019-06-04 Priority to RU2019117242A priority Critical patent/RU2713865C1/ru 2020-02-07 Application granted granted Critical 2020-02-07 Publication of RU2713865C1 publication Critical patent/RU2713865C1/ru
