Модуляция

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский  государственный университет телекоммуникаций и информатики» 
 
 

Реферат на тему:

Модуляция

                                                            Выполнил:

                                                                   студент I курса

                                                                           МРМ, группа РС-11

                                                                  Бессонов Д.Е.

                                                            Проверил:

                                                                                     Профессор Катунин Г.П. 
 

Новосибирск

     2011

Содержание

1. Введение
2. Понятие модуляции
3. Модуляция гармонического переносчика 

А. Сигналы амплитудной модуляции (АМ)

Б. Сигналы угловой модуляции (ЧМ и ФМ)

      4) Дискретная модуляция     

      5) Импульсная модуляция

      6) Смешанные виды модуляции

      7) Демодуляция сигналов

      8) Модуляция случайными функциями

      9) Список используемой литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

В своей работе я выясню, что же такое модуляция, опишу её свойства и виды. Разберусь, как передаются сообщения и принимаются, зашифровываются и расшифровываются. Рассмотрю, как воздействуют помехи на качество передаваемых сообщений. И узнаю, какими приборами сигналы преобразуются из одного вида в другой.

Для начала, коротко  о главном.  Одним из этапов преобразования сообщения в сигнал для его  передачи в канал связи является модуляция.

Модуляция - изменение  какого-либо параметра переносчика  сигнала в соответствии с функцией отображающей сообщение.

Несущим сигналом может  быть:  постоянный ток - проводная  телеграфия; переменный ток низкой или высокой частоты - телефония, тональная телеграфия, фототелеграф, телемеханика; высокочастотные импульсы - радиорелейная связь.

Модулируемые параметры  называются информативными, и в качестве них могут использоваться: амплитуда; фаза; частота и др.

Используются следующие  типы модуляции: гармоническая; импульсная; дискретная и их разновидности.

Демодуляция - отделение  полезного (модулирующего) сигнала  от несущей. Модуляция и демодуляция  осуществляется с помощью устройств, называемых модулятором и демодулятором.

Модем - устройство, преобразующее код в сигнал (модулятор) и сигнал в код (демодулятор), используемое для передачи данных по каналам связи. Манипуляция - модуляция, при которой  модулируемый параметр може 
 
 

Понятие модуляции

Модуляция (лат. modulatio — размерность) — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала.

Перенос сигнала  из одной точки пространства в  другую осуществляет система электросвязи. Электрический сигнал является, по сути, формой представления сообщения  для передачи его системой электросвязи.

Обычно в качестве переносчика используют гармоническое  колебание высокой частоты –  несущее колебание. Гармоническое  колебание, выбранное в качестве несущего, полностью характеризуется  тремя параметрами: амплитудой, частотой и начальной фазой. Модуляцию  можно осуществить изменением, любого из трёх параметров по закону передаваемого  сигнала. Источник сообщения формирует сообщение, которое с помощью специальных устройств преобразуется в электрический сигнал.  При передаче речи такое преобразование выполняет микрофон, при передачи изображения – электронно-лучевая трубка, при передаче телеграммы – передающая часть телеграфного аппарата.

Чтобы передать сигнал в системе электросвязи, нужно  воспользоваться каким-либо переносчиком. В качестве переносчика естественно  использовать те материальные объекты, которые имеют свойство перемещаться в пространстве, например, электромагнитное поле в проводах (проводная связь), в открытом пространстве (радиосвязь), световой луч (оптическая связь).

Передача информации всегда сопровождается неизбежным действием  помех и искажений. Это приводит к тому, что сигнал на выходе системы электросвязи и принятое сообщение могут в какой-то мере отличаться от сигнала на входе и переданного сообщения. Степень соответствия принятого сообщения переданному называют верностью передачи.

Для различных сообщений  качество их передачи оценивается по-разному. Принятое телефонное сообщение должно быть достаточно разборчивым, абонент  должен быть узнаваемым. Для телевизионного сообщения существует стандарт (хорошо известная всем телезрителям таблица  на экране телевизора), по которому оценивается  качество принятого изображения.

Количественной оценкой  верности передачи дискретных сообщений  служит отношение числа ошибочно принятых элементов сообщения к  числу переданных элементов –  частота ошибок (или коэффициент  ошибок).

Чтобы правильно  выбрать канал связи для передачи по нему модулированных сигналов, необходимо знать такие характеристики последних, как пиковая и средняя мощность, а также энергетический спектр. Эти  характеристики модулированных сигналов отличаются от аналогичных характеристик  сообщений, которыми производится модуляция. Для различных видов модуляции  соотношения между характеристиками сообщения и модулированного  сигнала различны. Например, ширина спектра сигнала ЧМ больше, чем  ширина спектра сигнала АМ, хотя модуляция производится одним и  тем же сообщением.

Сообщения представляют собой некоторые случайные процессы, поэтому сигналы, получающиеся в  результате модуляции, также являются случайными, и для отыскания упомянутых выше характеристик сигналов следует  использовать методы теории случайных  процессов.

Однако в подавляющем  большинстве случаев более наглядное  представление о свойствах модулированных сигналов можно получить, предположив, что модуляция производится некоторыми детерминированными функциями, такими, как гармоническое колебание  или периодическая последовательность импульсов известной формы. Эти  функции можно рассматривать, как  отдельные реализации из ансамбля возможных  сообщений.

Модуляция гармонического переносчика

При использовании  в качестве переносчика гармонического колебания возможны три основные вида модуляции: амплитудная, частотная  и фазовая, а так же смешанная.

Как модуляция частоты, так и фазы приводят к изменениям мгновенной фазы несущего колебания. Поэтому  оба этих вида модуляции можно  объединить одним названием –  угловая модуляция.

Сигналы амплитудной модуляции (АМ)

Сигнал, модулированный по амплитуде непрерывным сообщением, можно записать так 

S (t) = A (t) cos (ω ₀ t+ ф₀)

Важным показателем  любого вида модуляции, при котором  происходят изменения амплитуды  сигнала, является отношение средней  мощности модулированного сигнала  к его максимальной мощности.

Этот показатель характеризует степень использования мощности передатчика. Чем ближе его значение к единице, тем лучше использования передатчика.

Затем так же, что  низкочастотный сигнал на выходе детектора  определяется изменениями амплитуды  входного АМ сигнала. Средняя мощность изменений амплитуды равна мощности боковых полос сигнала и при  тональной модуляции составляет 0,5 m² P₀. При m=1 она составляет всего третью часть средней мощности сигнала. Несущее колебание может быть восстановлено в приемнике и поэтому может не передаваться. Такая разновидность АМ называется балансной амплитудной модуляцией (БАМ).

Другой разновидностью АМ является однополосная амплитудная  модуляция (ОАМ). Демодуляция, заключающаяся  при АМ в обратном сдвиге спектра  сообщения с частоты w₀ на частоту w=0, возможна и в том случае, когда спектр нижних боковых частот в модулированном сигнале отсутствует. Поэтому достаточно передавать лишь спектр одной боковой полосы. В результате модулированный сигнал имеет теоретически такую же ширину спектра, как и модулирующее сообщение. Это позволяет в заданной полосе частот обеспечить одновременную работу большего числа радиостанций, чем при обычной АМ. Поэтому ОАМ обычно используется в многоканальных системах связи как средство повышения эффективности использования полосы частот линии связи.

Сигналы угловой модуляции (ЧМ и ФМ)

При угловой модуляции  сигнал в общем виде можно записать так

S(t) = A₀ cos Ө(t)

При частотной модуляции  в соответствии с сообщением изменяется частота несущего колебания в пределах ±∆ω около ω₀. Наибольшее отклонение частоты ∆ω называется девиацией частоты. Мгновенная частота определяется как производная фазового угла по времени ω (t) = dӨ/dt.

При ЧМ ∆ω не зависит  от частоты модуляции. При изменении  амплитуды модулирующей функции  прямо пропорционально изменяются как ∆ф при ФМ, так и ∆ω при  ЧМ.

При тональной угловой  модуляции спектр сигнала теоретически состоит из бесконечного числа боковых  частот, отстоящих от несущей частоты  на ±∆kΩ.

Различие между  ЧМ и ФМ проявляется при изменениях параметров модулирующей функции. Оно  обусловлено различным поведением индексов модуляции при изменении Ω.

При ФМ изменение  Ω приводит к прямо пропорциональному  изменению действительной ширины спектра. При ЧМ, когда β˃˃1, изменение Ω  практически не влияет на Ω_s.

Изменение амплитуды  модулирующей функции вызывает пропорциональное изменение индекса модуляции  как при ЧМ, так и при ФМ, а значит, и изменение ширины спектра.

Дискретная  модуляция

Дискретная модуляция  основана на теории отображения Найквиста - Котельникова. В соответствии с  этой теорией, аналоговая непрерывная  функция, переданная в виде последовательности ее дискретных по времени значений, может быть точно восстановлена, если частота дискретизации была в два или более раз выше, чем частота самой высокой  гармоники спектра исходной функции.

Если это условие  не соблюдается, то восстановленная  функция будет существенно отличаться от исходной.

Преимуществом цифровых методов записи, воспроизведения  и передачи аналоговой информации является возможность контроля достоверности  считанных с носителя или полученных по линии связи данных. Для этого  можно применять те же методы, которые  применяются для компьютерных данных (и рассматриваются более подробно далее), - вычисление контрольной суммы, повторная передача искаженных кадров, применение самокорректирующихся кодов.

Передача непрерывного сигнала в дискретном виде требует  от сетей жесткого соблюдения временного интервала в 125 мкс (соответствующего частоте дискретизации 8000 Гц) между соседними замерами, то есть требует синхронной передачи данных между узлами сети. При несоблюдении синхронности прибывающих замеров исходный сигнал восстанавливается неверно, что приводит к искажению голоса, изображения или другой мультимедийной информации, передаваемой по цифровым сетям. Так, искажение синхронизации в 10 мс может привести к эффекту «эха», а сдвиги между замерами в 200 мс приводят к потере распознаваемости произносимых слов. В то же время потеря одного замера при соблюдении синхронности между остальными замерами практически не сказывается на воспроизводимом звуке. Это происходит за счет сглаживающих устройств в цифро-аналоговых преобразователях, которые основаны на свойстве инерционности любого физического сигнала - амплитуда звуковых колебаний не может мгновенно измениться на большую величину.

На качество сигнала  после ЦАП влияет не только синхронность поступления на его вход замеров, но и погрешность дискретизации  амплитуд этих замеров. В теореме  Найквиста - Котельникова предполагается, что амплитуды функции измеряются точно, в то же время использование  для их хранения двоичных чисел с  ограниченной разрядностью несколько  искажает эти амплитуды. Соответственно искажается восстановленный непрерывный сигнал, что называется шумом дискретизации (по амплитуде).

Существуют и другие методы дискретной модуляции, позволяющие  представить замеры голоса в более  компактной форме, например в виде последовательности 4-битных или 2-битных чисел. При этом один голосовой канал требует  меньшей пропускной способности, например 32 Кбит/с, 16 Кбит/с или еще меньше. С 1985 года применяется стандарт CCITT кодирования голоса, называемый Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). Коды ADPCM основаны на нахождении разностей между последовательными замерами голоса, которые затем и передаются по сети. В коде ADPCM для хранения одной разности используются 4 бит и голос передается со скоростью 32 Кбит/с. Более современный метод, Linear Predictive Coding (LPC), делает замеры исходной функции более редко, но использует методы прогнозирования направления изменения амплитуды сигнала. При помощи этого метода можно понизить скорость передачи голоса до 9600 бит/с.

Представленные в  цифровой форме непрерывные данные легко можно передать через компьютерную сеть. Для этого достаточно поместить  несколько замеров в кадр какой-нибудь стандартной сетевой технологии, снабдить кадр правильным адресом назначения и отправить адресату. Адресат  должен извлечь из кадра замеры и  подать их с частотой квантования (для  голоса - с частотой 8000 Гц) на цифро-аналоговый преобразователь. По мере поступления следующих кадров с замерами голоса операция должна повториться. Если кадры будут прибывать достаточно синхронно, то качество голоса может быть достаточно высоким. Однако, как мы уже знаем, кадры в компьютерных сетях могут задерживаться как в конечных узлах (при ожидании доступа к разделяемой среде), так и в промежуточных коммуникационных устройствах - мостах, коммутаторах и маршрутизаторах. Поэтому качество голоса при передаче в цифровой форме через компьютерные сети обычно бывает невысоким. Для качественной передачи оцифрованных непрерывных сигналов - голоса, изображения - сегодня используют специальные цифровые сети, такие как ISDN, ATM, и сети цифрового телевидения. Тем не менее для передачи внутрикорпоративных телефонных разговоров сегодня характерны сети frame relay, задержки передачи кадров которых укладываются в допустимые пределы.

Импульсная  модуляция

Часто в качестве переносчика используют периодическую  последовательность сравнительно узких  импульсов. Последовательность прямоугольных  импульсов одного знака v0(t) характеризуется  параметрами: амплитудой импульсов; длительностью (шириной) импульсов; частотой следования (или тактовой частотой) fT =1/T, где Т – период следования импульсов; положением (фазой) импульсов относительно тактовых (отсчётных) точек. Отношение периода следования импульсов к длительности импульсов называется скважностью импульса.

По закону передаваемого  первичного сигнала можно изменять (модулировать) любой из параметров импульсной последовательности. При  этом модуляция называется импульсной.

Смешанные виды модуляции

Рассмотрение смешанной  модуляции представляет интерес  с различных точек зрения. В  некоторых приборах (например, магнетронах) при изменениях амплитуды колебания  наблюдается изменение частоты  генерации. Поэтому при использовании  таких устройств в качестве модуляторов  выходной сигнал оказывается модулированным как по амплитуде, так и по частоте  по одному и тому же закону.

Частотная и фазовая  модуляции также обычно сопровождаются паразитной амплитудной модуляцией, возникающей вследствие несовершенства реальных модуляторов. Сигналы амплитудной  модуляции вследствие изменений  несущей частоты, обусловленных  нестабильностью частоты задающего  генератора передатчика, также оказываются  модулированными как по амплитуде, так и по частоте.

При одновременной  модуляции по амплитуде и частоте  происходит изменение амплитуд спектральных составляющих сигнала, и при определённых условиях некоторые из них могут  быть полностью подавлены. Необходимость  такого полного подавления составляющих, образующих нижнюю (или верхнюю) боковую  полосу модулированного сигнала, возникает  при однополосной модуляции (не обязательно  амплитудной). Поэтому смешанная  модуляция может рассматриваться  как практический способ получения  сигналов однополосной модуляции.

Смешанную модуляцию, наконец, в определенных условиях можно  использовать как средство ослабления мешающего действия помех. Действительно, если помехи таковы, что они производят независимую паразитную модуляцию  параметров сигнала, то применение одновременной 

модуляции нескольких параметров переносчика одним и  тем же сообщением и суммирование напряжений на выходе соответствующих  демодуляторов приёмника приведёт ослаблению помехи.

Демодуляция сигналов

Демодуляция – восстановление величин, вызвавших изменение параметров носителей при модуляции. Выполняется на принимающей стороне при известных условиях модуляции на передающей стороне.

Для передачи энергии  электромагнитной волны используются высокочастотные колебания, а колебания  низкой частоты используются для  модуляции (слабого изменения амплитуды  или фазы) высокочастотных колебаний. На принимающей станции из этих сложных  колебаний с помощью специальных  методов снова выделяют колебания  низкой частоты, которые после усиления подаются на громкоговоритель. Этот процесс  выделения информации из принятых модулированных колебаний получил название демодуляции, или детектирования колебаний.

Модуляция случайными функциями

До сих пор рассматривалась  модуляция гармонического переносчика  детерминированными сообщениями. Это  позволило получить важные для анализа  систем сведения, относящиеся к спектрам модулированных сигналов. Полученные результаты, однако, не дают полного  представления о характеристиках  модулированных сигналов, относящихся  ко всей совокупности возможных модулирующих сообщений. Такое представление  можно получить лишь из рассмотрения совокупностей возможных сообщений  и модулированных сигналов, как некоторых  случайных процессов.

Практический интерес  представляет рассмотрение энергетического  спектра модулированных сигналов не только в том случае, когда случайным  является лишь модулирующее воздействие, а переносчиком служит детерминированная  функция, но также, когда и переносчик – некоторый случайный процесс (обычно узкополосный). Такой переносчик называется шумовым несущим колебанием. Необходимость рассмотрения переносчика, как узкополосного шумового колебания, возникает в некоторых оптических системах связи с некогерентным  излучением. Применение шумового несущего колебания даёт возможность ослабить мешающее действие замираний уровня сигналов в каналах с многолучевым распространением радиоволн.

Список  литературы

1.  Катунин Г.П. Основы телекоммуникаций. Часть 1 : Учебное пособие / СибГУТИ. Новосибирск, 2006 г. – 265 с.

2. Назаров М. В., - Теория передачи сигналов. - М.: Связь, 1970, 368 с.

3.  http://revolution.allbest.ru/radio/00329622.html

4.  http://lanhelper.ru/seti/2/11

5.  http://metod.ce.cctpu.edu.ru/edu/df/pd/book/Modem/modulation.html

6. http://www.roman.by/r-55234.html