Частотная модуляция и технические средства ее реализации

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ  СВЯЗИ, ИНФОРМАТИЗАЦИИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

 

 

 

 

 

 

 

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА

 

по дисциплине: «Компьютерные системы и сети»

 

на тему: «Частотная модуляция и технические средства ее реализации»

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент Паньковский Н.А.

группы 283-10 КСр

 

Приняла: преподаватель Корниенко Е.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ташкент 2013

Содержание

Введение 3

1. Виды модуляции 4

2. Частотная модуляция 5

2.1. Применение 5

3. Линейная частотная модуляция 7

3.1. Математическое описание 7

4. Генерация 9

4.1. Генератор, управляемый напряжением 9

4.2. Частотные модуляторы 9

5. Основные протоколы модуляции 11

5.1. Протоколы V.21, Bell 103J 11

5.2. Протокол V.23 12

Заключение 13

Список литературы 14

 

 

Введение

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

Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. Модуляция, таким  образом, представляет собой процесс  «посадки» информационного колебания  на заведомо известную несущую.

В результате модуляции спектр низкочастотного управляющего сигнала  переносится в область высоких  частот. Это позволяет при организации  вещания настроить функционирование всех приёмо-передающих устройств на разных частотах с тем, чтобы они  «не мешали» друг другу.

В качестве несущего могут  быть использованы колебания различной  формы (прямоугольные, треугольные  и т. д.), однако чаще всего применяются  гармонические колебания. В зависимости  от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают  вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др.). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией.

Манипуляция (цифровая модуляция) — в теории передачи дискретных сообщений процесс преобразования последовательности кодовых символов в последовательность элементов  сигнала (частный случай модуляции  — при дискретных уровнях модулирующего  сигнала).

 

 

 

1. Виды модуляции

 

Схема 1.1. – Виды модуляций

 

Основные характеристики

• Энергетическая эффективность (потенциальная помехоустойчивость) характеризует достоверность передаваемых данных при воздействии на сигнал аддитивного белого гауссовского шума, при условии, что последовательность символов восстановлена идеальным демодулятором. Определяется минимальным отношением сигнал/шум (Eb/N0), которое необходимо для передачи данных через канал с вероятностью ошибки, не превышающей заданную. Энергетическая эффективность определяет минимальную мощность передатчика, необходимую для приемлемой работы. Характеристикой метода модуляции является кривая энергетической эффективности — зависимость вероятности ошибки идеального демодулятора от отношения сигнал/шум (Eb/N0).

• Спектральная эффективность   — отношение скорости передачи данных к используемой полосе пропускания радиоканала.

o AMPS: 0,83

o NMT: 0,46

o GSM: 1,35

• Устойчивость к воздействиям канала передачи характеризует достоверность передаваемых данных при воздействии на сигнал специфичных искажений: замирания вследствие многолучевого распространения, ограничение полосы, сосредоточенные по частоте или времени помехи, эффект Доплера и др.

• Требования к линейности усилителей. Для усиления сигналов с некоторыми видами модуляции могут быть использованы нелинейные усилители класса C, что позволяет существенно снизить энергопотребление передатчика, при этом уровень внеполосного излучения не превышает допустимые пределы. Данный фактор особенно важен для систем подвижной связи.

• Сложность реализации модемов определяется вычислительным ресурсом, требуемым для реализации алгоритма демодуляции, и требованиями к характеристикам аналоговой части.

2. Частотная модуляция

Частотная модуляция (ЧМ) —  вид аналоговой модуляции, при котором  информационный сигнал управляет частотой несущего колебания. По сравнению с  амплитудной модуляцией здесь амплитуда  остаётся постоянной.

Частотная модуляция была предложена Эдвином Армстронгом и запатентована им 26 декабря 1933 года.

 

1. Применение

Частотная модуляция применяется  для высококачественной передачи звукового (низкочастотного) сигнала в радиовещании (в диапазоне УКВ), для звукового  сопровождения телевизионных программ, передачи сигналов цветности в телевизионном  стандарте SECAM, видеозаписи на магнитную  ленту, музыкальных синтезаторах.

Высокое качество кодирования  аудиосигнала обусловлено тем, что при ЧМ применяется большая (по сравнению с шириной спектра сигнала АМ) девиация несущего сигнала, а в приёмной аппаратуре используют ограничитель амплитуды радиосигнала для ликвидации импульсных помех.

При частотной манипуляции (ЧМн, англ. Frequency Shift Keying (FSK)) значениям «0» и «1» информационной последовательности соответствуют определённые частоты синусоидального сигнала при неизменной амплитуде. Частотная манипуляция весьма помехоустойчива, поскольку помехи телефонного канала искажают в основном амплитуду, а не частоту сигнала. Однако при частотной манипуляции неэкономно расходуется ресурс полосы частот телефонного канала. Поэтому этот вид модуляции применяется в низкоскоростных протоколах, позволяющих осуществлять связь по каналам с низким отношением сигнал/шум.

Частотная манипуляция с  минимальным сдвигом (англ. Minimal Shift Keying (MSK)) представляет собой способ модуляции, при котором не происходит скачков фазы и изменение частоты происходит в моменты пересечения несущей нулевого уровня. MSK уникальна потому что значение частот соответствующих логическим «0» и «1» отличаются на величину равную половине скорости передачи данных. Другими словами, индекс модуляции равен 0,5:

где , T — длительность бита.

Например, при скорости передачи 1200 бит/с MSK-сигнал будет сформирован  из колебаний с частотами 1200 Гц и 1800 Гц соответствующих логическим «0»  и «1».

 

 

Рис.2.1 Пример частотной модуляции. Вверху — информационный сигнал на фоне несущего колебания. Внизу — результирующий сигнал

 

 

3. Линейная частотная модуляция

Линейная частотная модуляция (ЛЧМ) сигнала — это вид частотной  модуляции, при которой частота  несущего сигнала изменяется по линейному  закону.

 

1. Математическое описание

Во временной  области

 

Рис.3.1 Изменение частоты ЛЧМ в течение периода времени

Изменение частоты  внутри импульсов с ЛЧМ происходит по линейному закону:

,

где  — центральное значение несущей частоты;  — база (крутизна изменения частоты) ЛЧМ сигнала;  — длительность сигнала; ,  — максимальное и минимальное значение частоты радиосигнала.

Фаза сигнала с ЛЧМ  определяется как

.

Тогда ЛЧМ сигнал может  быть описан выражением

,

или в комплексном виде

,

где  — амплитуда сигнала;  — мнимая единица;  — начальная фаза.

 

В частотной области

Спектр ЛЧМ описывается  так:

 

Обработка

 

Рис 3.2. Сопоставление волна(wave)- вейвлет, ЛЧМ-сигнал(chirp)- чирплет

В обработке ЛЧМ сигналов чирплет преобразование — это скалярное произведение входного сигнала с семейством элементарных математических функций, именуемых чирплетами.

4. Генерация

1. Генератор, управляемый напряжением

Генератор, управляемый  напряжением (ГУН) — электронный генератор для управления частотой колебаний при помощи напряжения. Частота колебаний зависит от подаваемого напряжения, причём ГУН может быть запитан от модулированных сигналов, что позволяет осуществить фазовую или частотную модуляцию; для ГУН с цифровым выходом возможно модулировать частоту следования импульсов или реализовать широтно-импульсную модуляцию (ШИМ).

• С помощью ГУН при подаче пилообразного напряжения на его управляющий вход. При этом нужно помнить, что обычно ГУНы имеют нелинейную зависимость выходной частоты от управляющего напряжения.
• С помощью специализированных блоков ГКЧ — генераторы качающейся частоты.
• Методом непосредственного цифрового синтеза (англ. DDS, Direct Digital Synthesis), который можно реализовать, например:
• с помощью микросхемы AD9910;
• с помощью микросхемы 1508ПЛ8Т:

 

2. Частотные модуляторы

Воздействие на частоту переменного  напряжения наиболее просто осуществить  в месте его возникновения, поэтому  частотные модуляторы, как правило, объединены с источником модулируемого  напряжения.

В низкочастотной электронике  частоту формируемого генератором  напряжения изменяют главным образом  путем изменения параметров частотоопределяющих элементов автогенератора: емкости, индуктивности и сопротивлений.

При дискретном характере  модулирующего сигнала и ограниченном количестве его возможных состояний (в нашем случае - два состояния) частотно-модулированный сигнал должен иметь соответствующее количество стационарных значений частоты. Если при  этом допускается скачкообразный переход  частоты генератора от одного модуляционного значения к другому, то схема модулятора вырождается в электронный коммутатор, в функции которого входит переключение дополнительных конденсаторов, сопротивлений или катушек индуктивности, подсоединяемых параллельно основным реактивным элементам контура, определяющего частоту генерации.

Вариант такого частотного модулятора, рассчитанного на управление сигналом, показан на схеме. 4.1

Схема.4.1. - Структурная схема частотного модулятора с непосредственным воздействием на частоту генератора

Рассмотренная схема частотного модулятора обладает двумя недостатками, имеющими в некоторых случаях  большое значение.

Первый из них заключается  в том, что характер переходного  процесса изменения частоты генератора от одного модуляционного значения к  другому, по существу, неуправляем.

Второй недостаток состоит  в скачкообразном изменении фазы модулированного напряжения, вызываемом резким изменением параметров колебательного контура. Скачок фазы в свою очередь  вызывает искажение спектральных свойств  сигнала в сторону увеличения мощности составляющих, далеко отстоящих от средней частоты генератора.

В современных системах с  ЧМ наиболее часто используются цифровые схемы получения требуемых частот с помощью делителей частоты  ДЧ. Благодаря переключению частот и (во много раз превышающих требуемые и ), уменьшаются скачки фазы и, следовательно, обеспечиваются меньшие по величине искажения ЧМ сигнала.

Схема. 4.2. - Структурная схема частотного модулятора без непосредственного воздействия на частоту генератора

 

5.  Основные протоколы модуляции
1. Протоколы V.21, Bell 103J

Основой Рекомендации ITU-T V.21 послужил протокол Bell 103J, разработанный американской фирмой AT&T. Протокол V.21 является дуплексным и использует частотную модуляцию и частотное разделение каналов. Полоса частот телефонного канала тональной частоты делится на два подканала. Один из них (нижний) используется вызывающим модемом для передачи своих данных, а другой (верхний) — для передачи информации от отвечающего модема. При этом, в нижнем подканале "1" передается с частотой 980 Гц, а "О" — 1180 Гц. В верхнем подканале "1" передается частотой 1650 Гц, а "О" — 1850 Гц (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Спектр сигналов взаимодействующих модемов V.21

 

Скорость модуляции и  скорость передачи данных в этом случае равны 300 Бод и 300 бит/с, соответственно. Несмотря на низкую скорость передачи, протокол V.21 широко используется в качестве "аварийного". Кроме того, он применяется в высокоскоростных протоколах на этапе установления соединения, что предусмотрено рекомендацией V.8. Данный протокол используется также для передачи управляющих команд при факсимильной связи (только по верхнему каналу).