Виды модуляции и применение в каналах, включая каналы ВЧ связи по ЛЭП

Как указывалось модуляция -это процесс изменения одного из параметров ВЧ колебания (амплитуды, частоты или фазы) в соответствии с законом изменения передаваемой НЧ информации, что и обусловило три основных вида модуляции – амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ).

В результате модуляции получаются модулированные колебания, излу-чаемые в виде ВЧ модулированных волн, которые в приемнике с помощью обратного процесса (демодуляции) снова преобразуются в НЧ переда­ваемые сигналы.

Наиболее часто используется амплитудная модуляция (AM), осуще-ствляемая с помощью модуляторов.

Простейший модулятор AM колебаний (рисунок 2) представляет собой не-линейный преобразователь на БПТ, к базовой цепи которого подводится мо-дулируемое напряжение u_ω ВЧ колебания с частотой ω = 2πƒ (рисунок 2 б):

(2)

В эмиттерную цепь БПТ подается модулирующее колебание u_Ω низкой частоты (НЧ) Ω (рисунок 2 а):

(3)

В модуляторе происходит нелинейное преобразование упомянутых сигналов, в результате чего на его выходе выделяется амплитудно-модулированное (AM) колебание u _АМ (рисунок 2 в) вы­сокой частоты (ВЧ), в котором огибающая повторяет закон изменения НЧ колебания u_Ω.

u_AM = U_АМ · соs ω t = U_о соs ω t + 0,5 U_о mсоs ( ω ± Ω) t, (4)

где m = ∆U _m / U_O - индекс модуляции, показывающий степень отклонения амплитуды напряжения U_O ВЧ колебания от ее среднего значения.

Из формулы (4) видно, что АМ колебание состоит из несущего ВЧ колебания с частотой ω и двух боковых НЧ колебаний с амплитудами 0,5 U_O и частотами ω ± Ω (см. пример изображенного спектра частот на рисунке 3).

Из выражения (4) и рисунка 8 видно, что полоса ∆F, занимаемая АМ коле-банием, равна удвоенной частоте модулирующего НЧ колебания:

∆F = 2Ω_макс (5)

г)

Рисунок 2. К принципу использования модуляции и демодуляции: слева вверху-схема простейшего модулятора и графики (а, б, в) его работы; слева внизу-простейший детектор и график его работы (г)

Рисунок 3. Пример спектрального состава НЧ модулирующего U_Ω, ВЧ модулируемого U_o и амплитудно-модулированного U_AM (с амплитудами 0,5 mU_о) колебаний

Следует подчеркнуть, что боковые частоты ( ω ± Ω) являются не только результатом математического преобразования, но и существуют реально, так как их можно выделить фильтрами и измерить частотомером.

Полагая модулирующий НЧ сигнал гармоническим, т.е. х(t) = соs Ω t, для общности все три вида модуляции сведем в нижеследующую таблицу.

Вид модуляции	Модулирующий параметр	Модулированные колебания
АМ
ЧМ
ФМ

где ; ; – индексы модуляций АМ, ЧМ и ФМ, ∆ω- девиация –отклонение частоты ω от ее среднего значения.

 

0 𝜑=ω₀t+ 𝜑₀

 

Рисунок 4. Векторное представление трех видов модуляции

Кроме того, все три вида модуляции удобно объединить геометрически в виде вектора длиной ū, вращающегося с постоянной угловой скоростью ω_о вокруг точки «о», где ω_о = dφ/dt. Таким образом, меняя длину вектора ū- имеем АМ, меняя частоту ω или фазу φ - имеем ЧМ или ФМ соответственно; все три параметра изменяются по закону низкочастотного модулирующего воздействия х(t) = соs Ω t.

2. Демодуляция (Детектирование)

В радиоприемном устройстве (РПУ) осуществляется обратный модуляции процесс –демодуляция (детектирование), т.е. выделение из АМ колебания полезного НЧ сигнала (огибающей), осуществляемое с помощью диодных или транзисторных детекторов.

∆F = 2Ω_макс (5)

г)

Копия рисунка 2. К принципу использования модуляции и демодуляции: слева вверху-схема простейшего модулятора и графики (а, б, в) его работы; слева внизу-простейший детектор и график его работы (г)

Одна из типовых схем детекторов на БПТ показана на рисунке 2 (внизу). Благодаря выбору рабочей точки транзистора на нелинейном участке его передаточной характеристик I_к = f (U_бэ), на коллекторе выделяется положительная полуволна АМ колебания в виде НЧ огибающей с «ВЧ заполнением». Благодаря параллельно включенному в детекторе конденсато-ру С (см. рисунок 2) «ВЧ заполнение» устраняется (шунтируется на корпус), а на выходе детектора остается лишь огибающая АМ колебания с частотой Ω, т.е. полезный НЧ сигнал. Выбор значений R и С детектора производится на основе соотношений:

(10/ ωС) < R ≤ (1/ ΩC) или (10/ ω) < RC ≤(1/ Ω), (6)

где ω- модулируемая ВЧ (или заполнение в АМ колебании); Ω - модулирующая НЧ (или огибающая в АМ сигнале).

Обычно человеческая речь звучит неискаженно при воспроизведении частот F_макс = 2700 Гц, поэтому полоса пропускания УВЧ до детектора должна быть не менее ∆F ≥ 2 F_макс = 5400 Гц. В связи с этим, минимальный частотный интервал между радиовещательными станциями в режиме АМ определяется вышеупомянутой полосой и принят равным не менее 9 кГц.

В связи с развитием цифровой техники и перспективами передачи кодированных сообщений по радиоканалу стали широко применяться другие разновидности модуляции с использованием в качестве ВЧ несущего сигнала последовательность импульсов. Соответственно применяются амплитудно-импульсная (АИМ), широтно-импульсная (ШИМ) и кодово-импульсная (КИМ) модуляции.