Множество типов радиочастотной модуляции

Добавлено 7 июня 2018 в 16:01

Радиосвязь построена на простой концепции: постоянно изменяя характеристики синусоиды, мы можем использовать ее для передачи информации.

На этом этапе мы рассмотрели множество важных концепций, которые служат основой для успешного проектирования и анализа реальных радиочастотных схем и систем. Теперь мы готовы исследовать фундаментальный аспект радиотехники: модуляцию.

Что такое модуляция?

Общий смысл глагола «модулировать» означает «модифицировать, регулировать, изменять», и это определяет суть модуляции даже в специализированном контексте беспроводной связи. Модулировать сигнал – это просто преднамеренно изменять его, но, конечно, эта модификация выполняется строго определенным образом, поскольку целью модуляции является передача данных.

Мы хотим передавать информацию – единицы и нули, если мы имеем дело с цифровыми данными, или последовательность постоянно изменяющихся значений, если мы работаем в аналоге. Но ограничения, налагаемые беспроводной связью, не позволяют нам выражать эту информацию обычным способом; вместо этого мы должны разработать новый «язык», или можно сказать «код», который позволит нам передавать ту же информацию, но в рамках ограничений системы на основе электромагнитного излучения. В частности, нам нужен язык, который совместим с высокочастотными синусоидальными сигналами, поскольку такие сигналы являются единственным практическим средством «переноса» информации в типовой радиочастотной системе.

Эта высокочастотная синусоида, которая используется для передачи информации, называется несущей частотой (или просто несущая). Это название полезно, потому что оно напоминает нам о том, что цель радиочастотной системы заключается не в создании и передаче высокочастотной синусоиды. Скорее, целью является передача (низкочастотной) информации, и несущая – это просто средство, которое мы должны использовать для перемещения этой информации от радиочастотного передатчика к радиочастотному приемнику.

Схемы модуляции

В вербальном общении человеческое тело генерирует звуковые волны и модифицирует или модулирует их так, чтобы создавать большое количество гласных и согласных звуков. Разумное использование этих гласных и согласных приводит к передаче информации от говорящего к слушателю. Система, в соответствии с которой модулируются звуковые волны, называется языком.

В радиочастотной связи ситуация очень похожа. Устройство модулирует электрические волны в соответствии с предопределенной системой, называемой схемой модуляции (или способом модуляции). Так же, как существует много человеческих языков, существует множество способов, которыми можно модулировать несущую.

Сложные схемы модуляции помогают современным радиочастотным системам достичь большого расстояния и улучшить устойчивость к помехам
Сложные схемы модуляции помогают современным радиочастотным системам достичь большого расстояния и улучшить устойчивость к помехам

Возможно, что некоторые человеческие языки особенно эффективны в передаче определенных видов информации; если взять пример из древнего мира, возможно, греческий язык был лучше для философов, а латынь лучше приводила в систему законы. Однако нет никаких сомнений в том, что надежная связь возможна с любым надлежащим образом развитым языком, если только оратор и слушатель знают об этом. То же самое верно для радиочастотных систем. Каждая схема модуляции имеет свои преимущества и недостатки, но все они могут обеспечить отличную беспроводную связь, если выполнено основное требование, то есть приемник должен быть способен понять, что говорит передатчик.

Амплитуда, частота, фаза

Базовая синусоида – вещь простая. Если мы игнорируем смещение по постоянному напряжению, ее можно полностью охарактеризовать только двумя параметрами: амплитудой и частотой. У нас также есть фаза, которая вступает в игру, когда мы рассматриваем начальное состояние синусоиды, или когда изменения в волновом поведении позволяют нам отличать одну часть синусоиды от предыдущей. Фаза также имеет значение при сравнении двух синусоид; этот аспект фазы синусоиды стал очень важным из-за широкого использования в радиочастотных системах квадратурных (или «IQ») сигналов. Мы рассмотрим концепции IQ в этом учебнике позже.

Как обсуждалось выше, модуляция – это модификация, и можем изменить только то, что уже присутствует. У синусоид есть амплитуда, частота и фаза, и поэтому неудивительно, что способы модуляции классифицируются как амплитудная модуляция, частотная модуляция или фазовая модуляция. (На самом деле можно объединять эти категории, комбинируя амплитудную модуляцию с частотной или фазовой модуляцией.) В каждой из этих категорий есть две подкатегории: аналоговая модуляция и цифровая модуляция.

Амплитудная модуляция (АМ, англ. AM)

Аналоговая амплитудная модуляция состоит из умножения непрерывно изменяющейся синусоидальной несущей на смещенную версию непрерывно изменяющегося информационного (низкочастотного) сигнала. Под «смещенной версией» я подразумеваю, что мгновенная амплитуда низкочастотного сигнала всегда выше или равна нулю.

Предположим, что у нас есть несущая 10 МГц и низкочастотный сигнал 1 МГц:

Низкочастотный сигнал
Низкочастотный сигнал
Несущая частота
Несущая частота

Если мы перемножим эти два сигнала, то получим сигнал следующей (неправильной) формы:

Несущая, умноженная на низкочастотный сигнал
Несущая, умноженная на низкочастотный сигнал

Вы можете четко видеть взаимосвязь между низкочастотным сигналом (красный) и амплитудой несущей (синий).

Но у нас есть проблема: если вы посмотрите только на амплитуду несущей, то как сможете определить, находится ли значение низкочастотного сигнала в положительной или отрицательной полуволне? Это невозможно – и, следовательно, амплитудная демодуляция не будет правильно извлекать низкочастотный сигнал из модулированной несущей.

Решение заключается в смещении низкочастотного сигнала так, чтобы его амплитуда изменялась от 0 до 2, а не от -1 до 1:

Смещенный низкочастотный сигнал
Смещенный низкочастотный сигнал

Если мы умножим смещенный низкочастотный сигнал на сигнал несущей, то получим следующее:

Несущая, умноженная на смещенный низкочастотный сигнал
Несущая, умноженная на смещенный низкочастотный сигнал

Теперь амплитуда несущей может быть непосредственно соотнесена с поведением низкочастотного сигнала.

Самая простая форма цифровой амплитудной модуляции применяет ту же математическую связь с низкочастотным сигналом, чья амплитуда равна 0 или 1. Результат называется «амплитудная манипуляция» («on-off keying», OOK, или «манипуляция включено-выключено»): когда информационный сигнал равен логическому нулю, амплитуда несущей равна нулю («выключено»); когда информационный сигнал равен логической единице, амплитуда несущей равна максимальному значению («включено»).

Частотная модуляция (ЧМ, англ. FM) и фазовая модуляция (ФМ, англ. PM)

Частотная и фазовая модуляции тесно связаны, потому что частота и фаза тесно связаны между собой. Это не так очевидно, если вы считаете, что частота равна числу полных циклов в секунду – как число циклов в секунду связано с положением синусоиды в заданный момент во времени цикла? Но это имеет смысл, если вы считаете мгновенную частоту, т.е. частоту сигнала в заданный момент (несомненно, парадоксально описывать частоту как мгновенную, но в контексте практической обработки сигналов мы можем смело игнорировать сложные теоретические детали, связанные с этой концепцией).

В базовой синусоиде значение мгновенной частоты совпадает со значением «нормальной» частоты. Аналитическое значение мгновенной частоты появляется, когда мы имеем дело с сигналами, у которых частота изменяется во времени, т.е. частота является не постоянным значением, а скорее функцией времени, записанной как ω(t). В любом случае, важным моментом нашего текущего обсуждения относительно тесной взаимосвязи между частотой и фазой является следующее: мгновенная угловая частота является производной фазы по времени. Поэтому, если у вас есть выражение φ(t), которое описывает изменяющееся во времени поведение фазы сигнала, то скорость изменения φ(t) (по времени), дает вам выражение для мгновенной угловой частоты.

\[\omega(t)=\frac{\text{d}\phi(t)}{\text{d}t}\]

Позже в этой главе мы рассмотрим частотную и фазовую модуляции. А пока давайте закончим следующим графиком, который показывает математическую взаимосвязь в частотной модуляции между низкочастотным сигналом и сигналом несущей частоты, используемых ранее:

Частотная модуляция
Частотная модуляция

Резюме

  • Модуляция относится к процессу строго определенного изменения существующего сигнала, чтобы он мог передавать информацию.
  • В контексте радиочастотной связи существующий сигнал называется несущей, а информация находится в низкочастотном сигнале.
  • Существует множество различных способов модуляции, а это означает, что существуют различные способы включения низкочастотной информации в форму сигнала несущей синусоиды.
  • Модуляция включает в себя модификацию амплитуды, частоты или фазы несущей, и ее можно использовать для передачи аналоговых сигналов и цифровых данных.

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке