ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ.

Оглавление.

 

1. Введение. 2

2. Виды модуляции. 3

2.1. Амплитудная модуляция. 3

2.2. Частотная модуляция, фазовая модуляция. 9

2.3. Импульсная модуляция. 12

3. Практическое применение. 16

3.1. Телеметрия. 16

3.1.1. Частотное разделение каналов 17

(частотное уплотнение линии связи).

3.1.2. Временное разделение каналов 22

(временное уплотнение линии связи).

3.1.3. Телеметрический комплекс. 27

3.1.4. Проблемы телеметрии. 30

3.1.5. Аппаратура телеметрии и ее приложения. 31

3.1.6. Другие системы связи. 34

4. Заключение. 39

5. Список используемой литературы. 39

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Предмет «электрическая связь» очень обширен и сложен. Описать его полносьтью в одном реферате невозможно, так как электрическая связь является существенной частью большого числа электронных систем и находит свое применение во всех аспектах нашей жизни. Каждая глава реферата не вдается в детали, а сосредотачивает все внимание на понима­нии методов и средств связи, осуществляемой с помощью электро­магнитных волн. Более того, будут рассмотрены только основные мето­ды связи, стремясь показать их практическое использование.

В любом методе электромагнитной связи всегда можно выделить, во-первых, среду, которая будет переносить информацию, — несу­щую, во-вторых, саму информацию. Дальнейшее обсуждение будет сосредоточиваться на различных методах переноса информации, т. е. способах объединения информации (или слияния) с несущей, а именно на схемах модуляции.

Существуют три основные схемы модуляции: 1) амплитудная мо­дуляция (AM); 2) угловая модуляция, подразделяющаяся на два очень похожих метода: частотную модуляцию (ЧМ) и фазовую моду­ляцию (ФМ); 3) импульсная модуляция (ИМ). Различные схемы мо­дуляции совмещают два этих метода или более, образуя сложные системы связи. Телевидение, например, использует как AM, так и ЧМ для различных типов передаваемой информации. Импульсная модуляция совмещается с амплитудной, образуя импульсную ампли­тудную модуляцию (АИМ), и т.д. Не всегда возможно найти четко выраженные основания для использования того или иного метода модуляции. В некоторых случаях этот выбор предписывается зако­ном (в США контроль осуществляет Федеральная комиссия по свя­зи — ФКС). Необходимо строго придерживаться правил и инструк­ций независимо от того, какая схема модуляции используется.

Во всех методах модуляции несущей служат синусоидальные ко­лебания угловой частоты w_н, которые выражаются в виде

е_н=А_нsin(w_нt+q_н) (1а)

где А_н - амплитуда, а w_нt+q_н - мгновенная фаза (отметим, что w_нt, так же как и q_н, измеряется в градусах или радианах). Фазовый сдвиг q_н введен для придания уравнению (la) большей общности. Аналогично модулирующий сигнал может быть представ­лен как

е_м=А_мsin(w_мt+q_м) (2a)

для AM, ЧМ и ФМ или в виде импульса в случае импульсной моду­ляции. Выражение w_м может быть использовано для обозначения скорее полосы частот, чем единичной частоты. Например, мы будем рассматривать AM в радиовещании, где модулирующий сигнал сос­тоит из полосы звуковых частот (20—16 000 Гц).

ВИДЫМОДУЛЯЦИИ.

2.1. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (AM)

С качественной стороны амплитудная модуляция (AM) может быть определена как изменение амплитуды несущей пропорциональ­но амплитуде модулирующего сигнала (рис. 1, а). Для модулирующего сигнала болшой амплитуды

 

Рис. 1. Амплитудная модуляция (w_м<<w_н).

а - форма сигнала; б - спектр частот.

 

соответствующая амплитуда мо­дулируемой несущей должна быть большой и для малых значений А_м. Эта схема модуляции может быть осуществлена умножением двух сигналов: е_не_м. Как будет видно из дальнейшего, это является особым случаем более общего метода модуляции. Для упрощения последующих математических преобразований видоизменим урав­нения (la) и (2а), опустив произвольные фазы q_н и q_м:

е_н=А_нcos(w_нt) (q_н=p/2) (1б)

е_м=А_мcos(w_мt) (q_м=p/2) (2б)

Произведением этих двух выражений является:

е_н е_м=А_нcos(w_нt) × А_мcos(w_мt) (3)

Уравнение (3) показывает, что амплитуда модулированной несу­щей будет изменяться от нуля (когда w_мt = 90⁰, cos(w_мt)=0) до А_нА_м (когда w_мt = 0⁰, cos(w_мt)=1). Член А_мcos(w_мt) × А_н является амплитудой модулированных колебаний и прямо зависит от мгно­венного значения модулирующей синусоиды. Уравнение (3) может быть преобразовано к виду

(4а)

Это преобразование основано на тригонометрическом тождестве

(5)

Уравнение (4a) представляет собой сигнал, состоящий из двух колебаний с частотами w₁=w_н+w_м и w₂=w_н-w_м и амплитудами А_нА_м/2. Переписывая выражение для модулирован­ного колебания (4a), получим

(4б)

w₁ и w₂ называются боковыми полосами частот, так как w_м обычно является полосой частот, а не одиночной частотой. Следовательно, w₁ и w₂ представляют собой две полосы частот — выше и ниже не­сущей (рис. 1,б), т. е. верхнюю и нижнюю боковую полосу соответ­ственно. Вся информация, которую необходимо передать, содержит­ся в этих боковых полосах частот.

Уравнение (4б) было получено для особого случая, когда модулированный сигнал был результатом прямого перемножения е_н на е_м. В результате уравнение (4б) не содержит компонента на частоте несущей, т. е. частота несущей полностью подавлена. Такой тип модуляции с подавленной несущей иногда преднамеренно проек­тируется в системах связи, так как это ведет к снижению излучае­мой мощности. В большинстве таких систем излучается некоторая часть мощности на частоте несущей, позволяя тем самым приемному устройству настраиваться на эту частоту. Можно также передавать лишь одну боковую полосу, так как она содержит всю существенную информацию о модулирующем сигнале. Приемное устройство затем восстанавливает е_м по модуляции одной боковой полосы.

Полное выражение, представляющее амплитудно-модулированное колебание в общем виде, имеет вид

е_н е_м=А_нcos(w_нt)+ А_мcos(w_нt)cos(w_мt) (6а)

Это выражение описывает как неподавленную несущую (первый член в правой части уравнения), так и произведение, т. е. модуля­цию (второй член справа). Уравнение (6a) можно переписать в виде

е_н е_м=[А_н+ А_мcos(w_мt)]cos(w_нt)= А_нмcos(w_нt) (6б)

Последнее выражение показывает, как амплитуда несущей изме­няется в соответствии с мгновенными значениями модулирующего колебания. Амплитуда модулированного сигнала А_нм состоит из двух частей: А_н — амплитуды немодулированной несущей и А_мcos(w_мt) — мгновенных значений модулирующего колебания:

А_нм=А_н+ А_мcos(w_мt) (7)

Отношение А_м к А_н определяет степень модуляции. Для А_м=А_н значение А_нм достигает нуля при cos(w_мt)=-1 (w_мt=180°) и А_нм=2А_н при cos(w_мt)=1 (w_мt= 0°). Амплитуда модулирован­ной волны изменяется от нуля до удвоенного значения амплитуды несущей. Отношение

m= А_м/А_н (8)

определяет коэффициент модуляции. Для предотвращения искаже­ний передаваемой информации — модулированного сигнала — значение m должно быть в пределах от нуля до единицы: 0£m£1. Это соответствует А_м£А_н. (Для m=0 А_м= 0, т. е. нет модулирующего сигнала.) Уравнение (6a) может быть переписано с введением m:

е_н е_м=А_нcos(w_нt)[1+m×cos(w_мt)] (6в)

На рис. 2,а показана форма модулированных колебаний и ко­эффициент модуляции m выражен через максимальное и минималь­ное значения ее амплитуды (пикового и узлового значений). Рис. 2,б дает представление о спектре модулированных колебаний, который может быть выражен преобразованием уравнения (6):

(6г)

несущая верхняя боковая полоса нижняя боковая полоса

 

 

 

На рис. 2,в показан результат модуляции с коэффициентом m, превышающим 100%: m>1.

В таблице на рис. 3 приведены амплитуда и мощьность для каждой из трех частотных компонент модулированного колебания.

 

	Угловая частота	Амплитуда	Относитель­ная амплитуда	Относитель­ная мощность
Несущая	wн	Ан
Верхняя боковая полоса	wн+wм	Ам/2	m/2	(m/2)2
Нижняя боковая полоса	wн-wм	Ам/2	m/2	(m/2)2

Рнс. 3. Мощность и амплитуда АМ-колебаний.

Для 100%-ной модуляции (m = 1) и мощности несущей 1 кВт полная мощность модулированных колебаний составляет 1 кВт+(¹/₂)² кВт+(¹/₂)² кВт=1,5 кВт. Отметим, что при m=1 мощность, заключенная в обеих боковых полосах, составляет поло­вину мощности несущей. Аналогично при m=0,5 мощность в обе­их боковых полосах составляет ¹/₈ мощности несущей. Указанное выше имеет место лишь для синусоидальной формы AM. Амплитуд­ная модуляция может быть использована в передаче импульсных значений.

При обычной модуляции с двумя боковыми полосами, использу­емой в радиовещании, информация передается исключительно в бо­ковых полосах. Для того чтобы получить, например, хорошее ка­чество звука, необходимо работать в полосе частот шириной 2М, где М — ширина полосы высококачественного воспроизведения звука (20—20 000 Гц). Это означает, что стандартное АМ-радиовещание, к примеру, с частотами до 20 кГц должно иметь ширину полосы ±20 кГц (всего 40 кГц), учитывая верхнюю и нижнюю боковые по­лосы. Однако на практике ширина полосы частот по правилам ФКС ограничивается величиной 10 кГц (±5 кГц), которая предусматри­вает для радиопередачи звука ширину полосы всего лишь 5 кГц, что далеко от условий высококачественного воспроизведения. Радиовещание с частотной модуляцией, как это будет показано ниже, имеет более широкую полосу частот.

Федеральная комиссия связи также устанавливает допуски час­тоты всех распределений частот в США. Все АМ-радиовещание (535—1605 кГц) имеет допустимые отклонения в 20 Гц, или около 0,002 %. Эта точность и стабильность частоты может быть достигнута путем использования кварцевых генераторов.

Детектирование или демодуляция АМ-колебаний требует вы­прямления модулированного сигнала, сопровождаемого исклю­чением несущей частоты с помощью соответствующей фильтрации. Эти две стадии воспроизведения модулирующего сигнала могут быть продемонстрированы па примере колебания, изображенного на рис. 2, а. После выпрямления остается лишь половина колебания, а после фильтрации присутствует лишь его огибающая, которая явля­ется воспроизведенным сигналом.

На рис. 4 приведены функциональные схемы передающей и приемной систем с амплитудной модуляцией.

 

 

 

Рис. 4. АМ-система.

а-функциональная схема передатчика; б-функциональная схема приемника.

 

 

Передатчик содержит два источника: сигнала модуляции — от микрофона, проигрывате­ля и т.д. и несущей — от генератора с кварцевой стабилизацией. Модулирующий сигнал и несущая вводятся в модулятор, который вырабатывает модулированный сигнал, который затем передается через антенну. В большинстве передатчиков большой мощности мо­дуляция осуществляется в последнем каскаде системы для того, чтобы избежать необходимости усиливать модулированный сигнал. Усиление несущей и модулирующего сигнала происходит раздельно. Степень модуляции контролируется изменением амплитуды модуля­ции и поддержанием постоянной амплитуды несущей. С тех пор как передаваемая мощность стала лимитироваться ФКС, большинство радиовещательных станций имеет автоматическое управление и контроль мощности, как это показано штриховыми линиями на рис. 4,а.

Приемник (рис. 4,б) содержит высокочастотный усилитель, который усиливает сигнал, принятый антенной. ВЧ-усилитель на­страивается; его частота настройки может быть изменена (в диапазо­не радиовещания для АМ-приемников) для выбора нужной станции. Термин «избирательность», примененный к приемнику, относится к способности приемника выбирать отдельную станцию (частоту), не принимая при этом сигналов от примыкающих к ней станций. Например, если приемник имеет плохую избирательность, то при настройке на станцию WQXP (1560 кГц) может быть также принята другая, смежная станция WWRL (1600 кГц). Ясно, что приемник с такой плохой избирательностью является непригодным. Нужно так­же помнить, что ВЧ-усилитель должен иметь ширину полосы 5 кГц для звуковых сигналов (две боковые полосы требуют ширину поло­сы ±5 кГц вокруг частоты несущей). Таким образом, требуется по­лоса частот 10 кГц совместно с высокой избирательностью, которая означает очень крутые спады частотной характеристики перестраи­ваемого контура, обеспечивающие существенное ослабление сигна­лов вблизи выбранной частоты, но находящихся вне полосы частот ±5 кГц.

Приемник, показанный на рис. 4,б, является приемником или прямого усиления (сплошные линии), или гетеродинного типа (штри­ховые линии). В последнем принятый ВЧ-сигнал w_н смешивается с колебаниями от местного генератора-гетеродина w_г. В результате возникают два сигнала — с частотами w_г-w_н и w_г+w_н. Сиг­нал с разностной частотой w_г-w_н усиливается усилителем проме­жуточной частоты (УПЧ) и затем подводится к детектору. На рис. 4,б штриховыми линиями вместо сплошных линий между ВЧ-усилителем и детектором представлена функциональная схема гетеро­динного приемника. Такой метод приема позволяет настраиваться на любую станцию, в то время как промежуточная частота остается равной 455 кГц и легко усиливается усилителями с фиксированной частотой настройки. Отметим, что для того, чтобы настроиться на станцию, нужно изменять w_г и w_н одновременно, и, таким образом, разность w_г-w_н остается неизменной. Приемник гетеродинного типа имеет лучшую избирательность и гораздо большую чувстви­тельность. Минимально различимый им сигнал составляет 10 мкВ на антенне. Когда мы говорим «различимый», то подразумеваем пре­вышающий уровень шумов приемника.

2.2. ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ, ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ

В методе частотной модуляции (ЧМ) амплитуда модулирующего сигнала управляет мгновенной частотой несущей. Идеальная ЧМ не вносит изменений в амплитуду несущей. Следовательно, форма напряжения модулированной несущей может быть выражена в виде

е_чм=А_нcos[w_нt+d×sin(w_мt)] (9)

где w_н и w_м - соответственно несущая частота и частота модуля­ции, а d - индекс модуляции. Частоты модулированного колеба­ния могут быть получены из выражения cos[w_нt+d×sin(w_мt)] с ис­пользованием тригонометрических формул и специальных таблиц (функции Бесселя)..

Индекс модуляции d определяется как Dw_н/w_м=Df_н/f_м - от­ношение максимальной девиации частоты (за один период модули­рующего сигнала) к частоте модуляции. Детальный анализ частот­ной модуляции сложен. Рассмотрим на примерах основные черты этого метода. Будем предпо­лагать наличие одиночной частоты модуляции w_м (е_м=А_мsin(w_мt)).

Девиация частоты Dw_н прямо пропорциональна мгновенному значению модулирующего сигнала е_м=А_мsin(w_мt). Таким образом, Dw_н можно выразить через е_м:

Dw_н=k_fА_мsin(w_нt) (10)

где k_f - коэффициент пропорциональности, аналогичный по сво­ему характеру чувствительности; он дает девиацию частоты на 1 В (Dw/В). Следовательно, при w_нt = 90° (sin(w_нt) = 1) Dw_н=k_fА_м - максимальная девиация частоты синусоидального модулирующего сигнала. Например, если sin(w_нt)=0,5, k_f=2p×1000 (рад/с)/В=1000 Гц/В и А_м=10В, то мы получаем Dw_н=2p×1000×10×0,5=2p×5000 рад/с, т. е. девиацию частоты несущей 5 кГц. Максималь­ное значение Df_н при этих условиях (sin(w_нt) = 1) будет составлять 10 кГц. Отметим, что, так как sin(w_нt) может быть равным +1 или -1, то Df_{н макс}=±10 кГц. Если задано значение f_м, то можно вычис­лить индекс модуляции d. Для f_м=2000d=10000/2000 (Df_н/f_м); таким образом, d=5. Индекс модуляции должен быть всегда воз­можно большим, чтобы получить свободное от шумов верное воспро­изведение модулирующего сигнала. Девиация частоты Df_н в ЧМ-радиовещании ограничена величиной до +75 кГц. Это приводит к значению d=75/15=5 для звукового модулирующего сигнала с максимальной частотой 15 кГц.

Исследуя изменения частоты несущей с ЧМ, есть соблазн прийти к выводу о том, что ширина полосы, необходимой для ЧМ-передачи, составляет ±Dw_н, или 2Dw_н, так как несущая меняется по частоте в пределах ±Dw_н, т. е. w_чмàw_н±Dw_н.Этот вывод, однако, полностью ошибочен. Может быть показано, что ЧМ-колебания состоят из несущей и боковых полос аналогично AM с одним лишь существенным различием: при ЧМ существует множество боковых полос (рис. 5). Амплитуды боковых полос связаны весьма сложным образом с индексом модуляции. Отметим, что частоты боковых по­лос связаны лишь с частотой модулирующего сигнала w_м, а не с девиацией частоты Dw_н. Для предыдущего примера, когда d=5 и w_м=15 кГц (максимум), мы получаем семь пар полос (w_н±w_м, w_н±2w_м, w_н±3w_м, и т.д.) с изменяющимися амплитуда­ми, но превышающими значение 0,04А_н. Все другие пары за пре­делами w_н ± 7w_м имеют амплитуды ниже уровня 0,02А_н.

Первая пара боковых полос может быть описана как 0,33А×[sin(w_н+w_м)t+sin(w_н-w_м)t] имеет амплитуду 0,33 А_н; вторая пара - w_н±2w_м - имеет амплитуду 0,047А_н. Отметим, что амплитуды различных боковых полос не являются монотонно убывающими по мере того, как их частоты все более и более удаляются от w_н.Фактически в приведенном примере с d = 5 наибольшей пo амплитуде (0,4 А_н) является четвертая пара боковых полос. Амп­литуды различных боковых полос получены из специальных таблиц, описывающих эти полосы для различных значений d. Очевидно, что ширина полосы, необходимая для передачи семи пар боковых полос, составляет ±7× 15 кГц, или 14×15 кГц = 210 кГц (для f_м=15 кГц). На этом же основании ширина полосы, необходимая для d=10 (Dw_н/w_м=10), равна 26f_м; 13 боковых полос в этом случае составят 26×15=390 кГц. Таким образом, частотная модуляция требует значительной ширины полосы частот и, как следствие, ис­пользуется только при несущих с частотами 100 МГц и выше.

Рис. 5. Боковые полосы ЧМ.

w_н-несущая частота; w_м-частота модуляции.

 

Частотно-модулированная связь гораздо менее чувствительна к помехам. Шумы, попадающие в ЧМ-сигнал, будь то атмосферные возмущения (статические), тепловые шумы в лампах и сопротивле­ниях или любые другие шумы, имеют меньшую возможность влиять на прием, чем в случае AM. Основной причиной этого является по­просту тот факт, что большинство шумов амплитудно модулируют несущую. Делая приемник нечувствительным к изменениям амплиту­ды, практически устраняем эту нежелательную модуляцию. Вос­становление информационного сигнала из ЧМ-волны связано лишь с частотным детектированием, при котором выходной сигнал зависит лишь от изменений частоты ЧМ-сигнала, а не от его амплитуды. Большинство приемников содержит усилитель-ограничитель, который поддерживает постоянную амплитуду ЧМ-колебаний, устраняя тем самым любой АМ-сигнал.

Существуют различные методы ЧМ-детектирования и селекции. В основе большинства методов лежит использование наклона час­тотной характеристики резонансного контура (рис. 6). Амплитуда отклика изменяется с частотой. Для w_н+Dw_н получаем амплиту­ду А₁, для w_н-Dw_н - амплитуду А_2, а для частот между

Рис. 6. Принцип использования резонансного контура в качестве частот­ного детектора.

w_н+Dw_н и w_н-Dw_н имеем все промежуточные амплитуды меж­ду А₁ и А₂. Выходной сигнал соответствует девиации частоты вход­ного сигнала (хотя и не совсем линейно в простом резонансном кон­туре) и тем самым воспроизводит первоначальный модулирующий сигнал.

Цепь фазовой автоподстройки (ФАП), вскоре стала одним из наиболее распространенных средств ЧМ-детектировапия, особенно применительно к импульсным моду­лирующим сигналам. Некоторые схемы ФАП снабжены логическими выходными схемами, согласованными с соответствую­щими входными сигналами импульсной формы.

Как отмечалось ранее, ЧМ —лишь один тип угловой модуля­ции. Другим является фазовая модуляция. Эта модуляция очень похожа на ЧМ. При фазовой модуляции мгновенная фаза несущей из­меняется пропорционально мгновенной амплитуде модулирующе­го сигнала. Это приводит к изменению несущей частоты w_н, как вид­но из уравнения

w_фаз=w_н+k_фw_мА_мsin(w_мt) (11)

где k_ф, - коэффициент пропорциональности, измеряемый в едини­цах рад/В. Фазовая и частотная модуляция часто используются в одной системе модуляции, так как прием и детектирование обеих идентичны.

Функциональные схемы передатчика и приемника с ЧМ почти те же, что и для AM. Ширина полосы частот ЧМ существенно шире, а несущая частота значительно выше (100 МГц и более). Более широ­кая полоса частот приводит к более верному воспроизведению вход­ных звуковых сигналов, так что звуки с частотами выше 5 кГц должны передаваться системами ЧМ. В приемниках с частотной мо­дуляцией иногда используется двойное гетеродинирование с двумя промежуточными частотами - 5 МГц и 455 кГц.

 

2.3. ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (ИМ)

Импульсная модуляция (ИМ) не является в действительности каким-то особым типом модуляции. Этот термин характеризует ско­рее вид модулирующего сигнала. Далее различают импульсную амп­литудную и импульсную частотную модуляции. Здесь учитывают то, каким образом информация представлена — с помощью импульса или ряда импульсов. Можно рассматривать в качестве модулируе­мой величины амплитуду импульса, или его ширину, или его поло­жение в последовательности импульсов и т. д. Следовательно, су­ществует большое разнообразие методов импульсной модуляции. Все они используют в качестве формы передачи или AM, или ЧМ.

Рис. 7. Последовательность импульсов, отображающих число 37 в двоично-десятичном коде (младший значащий разряд первый).

 

Импульсная модуляция может быть использована для передачи как цифровых, так и аналоговых форм сигнала. Когда речь идет о цифровых сигналах, мы имеем дело с логическими уровнями — вы­соким и низким — и можем модулировать несущую (с помощью AM или ЧМ) рядом импульсов, который представляет цифровое значе­ние. Например, если для числа 37 передается код ДКД (двоично-кодированное десятичное число) 00110111, то для модуляции несу­щей просто должна использоваться указанная последовательность нулей и единиц. Каждый нуль может быть представлен уровнем 0В, а каждая единица — уровнем, например, 5В. Образован­ная в результате последовательность импульсов показана на рис. 7 вместе с совпадающим рядом синхронизирующих импульсов, необходимых для идентификации положения единиц и нулей. В указанной последовательности важен порядок импульсов. Сначала передается МЗДР (младший значащий десятичный разряд) 7, а за­тем СЗДР (старший значащий десятичный разряд) 3. В каждом де­сятичном разряде на первом месте старший двоичный разряд (бит).

Отметим, что, даже если все импульсы имеют полную амплитуду 5 В, обычно допускается изменение цифровых уровней в широком диапа­зоне напряжений, что не приводит к нарушению нормальной работы системы. Например, логический уровень «1» может изменяться в пре­делах от 2,4 до 5,5 В.

При использовании импульсных методов для передачи аналого­вых сигналов необходимо сначала преобразовать аналоговые данные в импульсную форму. Это преобразование также относится к моду­ляции, так как аналоговые данные используются для модулиро­вания (изменения) последовательности импульсов или импульсной поднесущей. На рис. 8,а показана модуляция синусоидальным сиг­налом амплитуд последовательности импульсов.

Рис. 8. Форма сигналов амплитудно-импульсной модуляции.

а—форма модулированного сигнала; б—воспроизведенная форма сигнала при низкой часто­те следования импульсов, Т₁ — период последовательности импульсов; в — воспроизведенная форма сигнала при высокой частоте следования импульсов, Т₂ — период последовательности импульсов.

 

Амплитуда каждого импульса в модулированной последовательности зависит от мгновен­ного значения аналогового сигнала. Синусоидальный сигнал можетбыть восстановлен из последовательности модулированных импуль­сов путем простой фильтрации. На рис. 8,б графически показан процесс восстановления первоначального сигнала путем соединения вершин импульсов прямыми линиями. Однако восстановленная на рис. 8,б форма колебаний не является хорошим воспроизведени­ем первоначального сигнала из-за того, что число импульсов на пе­риод аналогового сигнала невелико. При использовании большего числа импульсов, т. е. при большей частоте следования импульсов по сравнению с частотой модулирующего сигнала, может быть достигнуто более лучшее воспроизведение (рис. 8,в). Этот процесс амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), относящийся к модуля­ции поднесущей последовательности импульсов, может быть выпол­нен путем выборки аналогового сигнала через постоянные интерва­лы времени импульсами выборки с фиксированной длительностью. Импульсы выборки — это импульсы, амплитуды которых равны ве­личине первоначального аналогового сигнала в момент выборки. Частота выборки (число импульсов в секунду) должна быть по край­ней мере в два раза большей, чем самая высокая частота аналогового сигнала. Для лучшей воспроизводимости частота выборки обычно устанавливается в 5 раз большей самой высокой частоты модуляции.

АИМ является только одним типом импульсной модуляции. Кро­ме него существуют:

ШИМ — широтно-импульсная модуляция (модуляция импуль­сов по длительности);

ЧИМ — частотно-импульсная модуляция;

КИМ — кодово-импульсная модуляция.

Широтно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок. напряжений в серии импульсов, длительность которых прямо пропорциональна амплитуде напряжений выборок (рис. 9,а). Отме­тим, что амплитуда этих импульсов постоянна; в соответствии с мо­дулирующим сигналом изменяется лишь длительность импульсов. Интервал выборки — интервал между импульсами — также фик­сирован.

Частотно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок напряжений в последовательность импульсов, мгновенная частота которых, или частота повторения, непосредственно связана с вели­чиной напряжений выборок. И здесь амплитуда всех импульсов оди­накова, изменяется только их частота. По существу все аналогич­но обычной частотной модуляции, лишь несущая имеет несинусои­дальную форму, как в случае обычной ЧМ; она состоит из последо­вательности импульсов.

Кодово-импульсная модуляция преобразует выборки напряжения в кодированное сообщение. К примеру, дискретный уровень, равный 5,5 В, может быть представлен двоичным числом 101.101 = 5,5 с помощью аналого-цифрового преобразователя. Кодовое сообщение 101.101 представляет собой некоторую выборку напряжения V_s. Подобным кодированием (в данном случае двоичным кодом) преоб­разуют каждую выборку. Последовательность таких кодовых сооб­щений представляет собой серию чисел, описывающих последова­тельные выборки. Код может быть любым: двоичным с шестью раз­рядами, как представленный выше, или двоичным кодом с N разря­дами, или двоично-кодированным десятичным и т. д. (рис. 7).

Рис. 9. Широтно-импульсная модуляция.

 

Приведенные выше модуляционные схемы — лишь некоторые представители большого числа используемых методов. Подчеркнем, что рассмотренная здесь ИМ-модуляция относится к модуляции поднесущей, т. е. модуляции последовательности импульсов, которые затем используются в системах AM или ЧМ. Речь идет о двух сле­дующих друг за другом модуляциях. Во-первых, информация мо­дулирует последовательность импульсов. Здесь может быть исполь­зована АИМ, ШИМ, ЧИМ, КИМ или любой другой вид модуляции. Во-вторых, содержащая информацию поднесущая модулирует синусоидальную несущую.

Частотно-импульсная модуляция синусоидальной несущей при­водит к Dw_н -девиации частоты несущей скачкообразным отклонени­ем от несущей. Например, частотная модуляция логических уровней «0» и «1» (0 В и 5В) дает две частоты — w_н (для логического уровня «0») и w_н+Dw_н (для уровня «5»). По существу, мы просто сдви­гаем частоту несущей от w к w_н+Dw_н для изображения логичес­кого уровня «1». Этот тип частотной модуляции называется также и частотной манипуляцией и обычно используется в передаче сигналов с помощью телеграфа и других цифровых устройств связи. Для вос­становления логических уровней из частотно-манипулированной несущей может быть использована цепь фазовой автоподстройки (ФАП).

Методы импульсной модуляции очень широко распространены в приложениях телеметрии.

 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ.

3.1. ТЕЛЕМЕТРИЯ.

Телеметрией называется проведение измерений на расстоянии и передача данных к месту их обработки и (или) хранения. Типич­ная телеметрическая система содержит, как показано на рис. 10, три основные части:

Рис. 10. Типичная телеметрическая система.

 

1) источник данных, который обычно является датчиком, преобразующим измеряемые параметры в электрические сигналы; 2) способ передачи данных; 3) приемное устройство и вос­становление переданных данных. Содержание этого раздела будет сконцентрировано на различных методах передачи. Рассматривая методы телеметрии, будем сосредотачивать внимание на способах, обеспечивающих наиболее эффективное использование линии связи.

Что подразумевается под эффективным использованием линии связи, показывает следующий пример. Рассмотрим амплитудную модуляцию несущей с частотой 100 МГц (рис. 11). Предположим, что допустимая ширина полосы передачи составляет ±5 кГц. Ин­формация, модулирующая несущую, имеет ширину полосы частот 1 кГц. Из того, что мы знаем об амплитудной модуляции, находим, что модулированная несущая будет иметь полосу 100 МГц ± 1 кГц. Это — полоса, необходимая для передачи данных с по­лосой 1 кГц. Ясно, что будет непроизводительно при полосе ±5 кГц занимать передаваемой информацией только полосу ±1 кГц. Теоретически в полосе ±5 кГц можно передать пятикратное число дан­ных, содержащихся в полосе 1 кГц. Вообще говоря, на одной несу­щей 100 МГц мы могли бы передавать пять каналов данных с поло­сами по 1 кГц. Для такого увеличения эффективности передачи раз­работаны разные методы. Чаще всего используются методы частот­ного разделения (или частотного уплотнения каналов) и временного разделения (или временного уплотнения каналов).

Рис. 11. Несущая 100 МГц с амплитудной модуляцией, w_м=0±1 кГц, разрешенная полоса w_р=±5 кГц.

 

3.1.1. Частотное разделение каналов (частотное уплотнение линии связи).

Типичная для телеметрии несущая частота 230 МГц может быть использована с полосой ±320 кГц (стандарты ВМФ н ВВС США). Это означает, что при использовании ее в амплитудной модуляции (AM) информация, которую можно передать без искажений, может иметь ширину полосы 320 кГц. Однако большинство приложений телеметрии оперирует сигналом с гораздо более узкой полосой. Для определенности положим, что ширина полосы частот сигнала составляет 4 кГц. Вместо непосредственной модуляции этим сигна­лом несущей 230 МГц можно сначала модулировать поднесущую с частотой, к примеру, 32 кГц. Модуляция поднесущей образует сиг­нал с частотой 32 ± 4 кГц (в случае AM). Промодулированной под­несущей можно теперь модулировать несущую 230 МГц. На рис. 12 показаны частотные полосы, использованные в такой передаче. Ос­тальная часть полосы ±320 кГц не используется. Имеется возмож­ность использовать и другую поднесущую, например 44 кГц, для другого источника данных с аналогичной полосой и получить моду­лированную поднесущую 44 ± 4 кГц (показанную штриховыми ли­ниями на рис. 12). Очевидно, что можно заполнить разрешенную полосу частот ± 320 кГц большим числом поднесущих, перено­сящих информацию от большого числа источников. В этом примере полоса частот информации была произвольно ограничена значением 4 кГц. Можно отметить, что модулированные поднесущие отделяет неисполь­зованная полоса (здесь 4 кГц), 32 ± 4 кГц (полоса от 28 до 36 кГц) и 44 ± 4 кГц (от 40 до 48 кГц), т. е. имеется пустой интервал 4 кГц между высшей частотой нижней поднесущей (36 кГц) и низшей часто­той верхней поднесущей (40 кГц). Это отделение необходимо, чтобы предотвратить взаимные помехи между каналами и позволить осу­ществить разделение поднесущих на приемном конце системы. Рас­смотренный пример представляет собой АМ/АМ-телеметрическую систему, где как поднесущая, так и несущая являются амплитудно-модулированными.

Рис. 12. Поднесущие: несущая частота 230МГц, полоса поднесущей ±4 кГц.

 

Уплотнения в два раза можно достигнуть благодаря использова­нию передачи на одной боковой полосе, т. е. передачи сигнала модули­рованной поднесущей, состоящего только из верхней полосы 32— 36 кГц или из нижней полосы 28—32 кГц. Всякий раз, когда это возможно, используется такая однополосная передача. На рис. 13 показан ряд частотных фильтров, которые требуются при разделе­нии каналов с двумя боковыми полосами (рис. 12).

Рис. 13. Фильтрация при частотном разделении.

 

Здесь F₁, F₂ и F₃ — три поднесущие, a Df₁,Df₂ и Df₃ — полосы частот этих поднесущих (в данном случае ±4 кГц = 8 кГц). Для обеспечения минимального взаимного влияния необходимо, чтобы точка пересе­чения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтров была бы на 80 дБ ниже максимума. Необходимо подчеркнуть, что Df₁,Df₂ и Df₃ не обязательно должны быть одинаковыми: их значения определяются характером информации. На рис. 14 приведена уп­рощенная функциональная схема трехканальной системы связи с частотным разделением.

Рис. 14. Частотное разделение. Функциональная схема передатчика и приемника с тремя каналами.

 

Каждый источник данных модулирует поднесущую определен­ной частоты. Источник № 1 связан с поднесущей частотой F₁ и т. д. Все модулированные поднесущие затем объединяются смесите­лем для модуляции несущей и передаются к приемнику. Приемник воспроизводит исходный сигнал, который модулировал несущую, а именно набор поднесущих. Поднесущие разделяются набором час­тотных фильтров, каждый из которых создает полосу пропускания, согласующуюся с определенной поднесущей. Фильтр 1 пропускает полосу частот вокр