Сравнительный анализ основных методов модуляции. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина

• Название: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина
• Анкор: Сравнительный анализ основных методов модуляции
• Дата: 08.06.2022
• Размер: 115.26 Kb.
• Имя файла: Сравнительный анализ основных методов модуляции.docx
• Тип: Отчет; #577967

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина»

Институт математики, физики и информационных технологий

Кафедра теоретической и экспериментальной физики


Циммер Денис Александрович
ОТЧEТ О ВЫПОЛНЕНИИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ЗАДАНИЯ

ПО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ
Характеристики и сравнительный анализ цифровых методов модуляции
Направление подготовки 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии

и системы связи

Год обучения, семестр 3 год, 6 семестр

Кафедра Теоретической и экспериментальной физики

Период прохождения технологической практики:

с «10» мая 2022 г. по «5» июня 2022 г.

Отчет подготовил ____________ Циммер Д.А.
г. Тамбов, 2022

СОДЕРЖАНИЕ
Оглавления

Введение

На сегодняшний день радиосвязь используется для передачи огромного количества информации, при этом эту информацию могут запрашивать множество объектов будь то человек, умные часы, или самолет. Всему вышеперечисленному нужна информация по тем или иным причинам, но без дополнительного вмешательства обеспечить большую скорость передачи и большую дальность передачи, не теряя при этом информативность сигнала тяжело. При такой необходимости для усиления сигнала используют методы модуляции. Благодаря наложению модулированного сообщения на несущий сигнал мощность передачи можно значительно усилить, из чего следует и увеличение дальности передачи. Кроме того, отдельные методы модуляции позволяют также увеличить и информативность сигнала. В данной работе я рассмотрю основные методы модуляции, после чего проведу сравнительный анализ.

1. Основные методы модуляции.

По определению модуляция - это процесс изменения каких-либо параметров несущего сигнала под действием информационного потока. Данный термин обычно применяют для аналоговых сигналов.

Так же для цифровых сигналов существует другой термин "манипуляция", однако его часто заменяют все тем же словом «модуляция», подразумевая, что речь идет о цифровых сигналах.

Вернемся к видам модуляции. Для цифровых сигналов существуют такие виды как Амплитудная модуляция (АМ), Частотная модуляция (ЧМ) и Фазовая модуляция (ФМ), они же являются основными.

Теперь рассмотрим каждый вышеперечисленный вид.

1. Амплитудная модуляция.

Амплитудная модуляция является одним из самых простых способов модуляции цифрового сигнала. Для передачи логических “1” и “0” в такой манипуляции используется значение напряжения, чаще всего это 1 и 0,5 В соответственно. (Рис. 1)

Рис. 1

Данный вид является самым простым и недорогим методом модуляции сигнала. Так же стоит отметить что при АМ используется минимальная ширина полосы пропускания канала связи. К сожалению, данный вид модуляции сигнала является самым ненадежным и чаще всего применяется в оптических каналах связи так как такие каналы менее подвержены амплитудным помехам.

2. Частотная модуляция.

Еще одним основным методом считаеться метод Частотной модуляции. При таком методе для обозначения едениц и нулей используется не напряжение, а частота несущего сигнала. Например, для обозначения “0” используется частота 1 КГц, а для “1”- 2 КГц. (Рис. 2)
Рис. 2

Такой метод модуляции так же не стал популярен, поскольку, как и АМ, ЧМ плохо защищен от помех. Применяется Частотная модуляция чаще всего в защищенных каналах связи для передачи на небольшие расстояния.

3. Фазовая модуляция.

Последним из основных методов модуляции, является метод Фазовой модуляции. Он предполагает использование начальной фазы сигнала для обозначения нуля и еденицы, к примеру для передачи “0” при таком методе начальная фаза будет равна 180 градусам, а для “1” 0. (Рис. 3) Рис. 3

Этот метод является самым сложным в реализации, но при этом и самым помехоустойчивым из всех вышеперечисленных. Данный вид модуляции является одним из самых популярных и используется во многих устройствах приема и передачи данных, так как на базе данной модуляции существует множество подвидов, которые позволяют передавать больше информации, с большей скоростью и большей помехоустойчивостью.

2. Сравнительный анализ основных методов модуляции.

Вышеописанные виды модуляции уникальны по своим характиристикам, таким как энергоэффективность, спектральная характеристика, помехоустойчивость и сложность реализации. Поэтому начнем рассматривать основные виды модуляции опираясь на их характеристики.

4. Амплитудная модуляция.

Амлитудную модуляцию можно подразделить на два вида:

• 
  Амплитудная модуляция с двумябоковыми полосами
  
• 
  Однополосная амплитудная модуляция
  

В первом случае определить часть полосы частот канала которую будет занимать сигнал можно определить по формуле


При такой модуляции сигнала большая часть мощности, а именно 70% расходуеться на излучение несущего сигнала. Оставшаяся мощность равноправно делиться на две зеркальные боковые частотные полосы.

Таким образом на передачу информативного сигнала тратиться меньшая мощность передатчика, что позволяет проще принимать сигнал, но при этом страдает количество передаваемой информации и помехоустойчивость.

Во втором случае из спектра сигнала исключается несущяя и одна из боковых полос. Так вся мощность передатчика расходуется для излучения только информативного сигнала.

Ширина использованного спектра при таком виде модуляции находиться по формуле
Преимуществом такого метода является сокращение полосы частот, в свою очередь это приводит к росту числа каналов, так же рост мощности в передаваемой полосе позволяет улучшить помехоустойчивость. Однако сигнал с однополосной амплитудной модуляцией сложнее принимать так как для декодирования сигнала необходимо восстанавливать несущую.

Рассматривая достоинства амплитудной модуляции в целом можно отметить:

• 
  Узкую ширину спектра, занимаемую АМ сигналом
  
• 
  Относительную простоту получения модулированного сигнала
  

Так же стоит обратить внимание и на недостатки, такие как:

• 
  Низкая помехоустойчивость
  
• 
  Неэффективное использование мощности передатчика
  

5. Частотная модуляция.

Спектр используемых частот при ЧМ бесконечно велик, и для точного воспроизведения передаваемого сообщения нужна бесконечно большая ширина спектра, однако боковые частоты высших порядков имеют ничтожную интенсивность, поэтому ими можно пренебречь. Для того что бы определить используемую полосу частот при частотной модуляции можно воспользоваться формулой:



Для лучшего понимания следует ввести понятия девиации частоты и индекса модуляции.

Девиация частоты- наибольшее отклонение мгновенной частоты модулированного радиосигнала при частотной модуляции от значения его несущей частоты. Эта величина равна половине полосы качания, то есть разности максимальной и минимальной мгновенных частот.

Индекс модуляции - отношение девиации частоты к частоте модулирующего сигнала.

Этот вид манипуляции также не сложен в реализации и является более помехоустойчивым, чем амплитудная манипуляция. Но, в эфире довольно часто наблюдаются частотно-селективные помехи, вызванные работой промышленного оборудования (генераторы, трансформаторы). Если передаваемый сигнал окажется в полосе действия таких помех, то возможен высокий процент потери информации или даже полное "перекрытие" канала связи.

Если сравнивать частотную модуляцию с амплитудной, можно заметить, что:

• 
  Техническая реализация амплитудной модуляции гораздо проще чем частотной.
  
• 
  При амплитудной модуляции полоса частот значительно меньше чем при частотной
  
• 
  У частотной модуляции гораздо выше помехоустойчивость.
  

6. Фазовая модуляция.

При фазовой модуляции сигнала полоса частот определяется выражением:



Так как при частотной модуляции индекс модуляции согласно уменьшается с увелмчением частоты сообщения, а при фазовой модуляции он не зависит от неё ( ), то ширина полосы частот при ФМ оказывается больше чем при ЧМ.

Так же стоит отметить, что модулятор для фазовой модуляции аналогичны модуляторам для частотной модуляции.

Прием сигналов при таком методе осуществляеться при помощи устройства с нелинейной передаточной характеристикой, свойства такого приема похожи на ЧМ, однако такой метод предпологает более сложный прием.

Если сравнивать фазовою модуляцию с частотной можно отметить следующие преимущества и недостатки:

• 
  ФМ имеет большую скорость передачи в той же полосе частот, что и ЧМ
  
• 
  Помехоустойчивость при ФМ такая же, как и при ЧМ, за исключением разницы в мощности передатчика, при ФМ необходима меньшая мощность
  
• 
  Для ФМ нужна постоянная фаза несущей и опорной частоты при детектировании. При сдвиге фаз на 180⁰– наблюдается обратная работа.
  

Вывод

По итогу данного анализа мы выяснили что наиболее оптимальным вариантом модуляции является ФМ т.к. характеристики данного метода являються наиболее уневерсальными, данный метод обладает неплохой помехоустойчивостью и достаточно быстрой передачей данных. Однако каждый метод имеет место быть т.к. каждый метод может быть максимально эффективен при определенных условиях.

3. Квадратурная фазовая модуляция.

При методе фазовой модуляции сигнала, на один символ приходился всего один бит, хотя такой метод является наиболее помехоустойчивым, он является малоинформативным. Для того что бы повысить информативность сигнала или снизить полосу частот используют метод квадратуро- фазовой модуляции.

Рассмотрим метод в рамках КФМ-4.

Для начала рассмотрим понятие “Сигнальное созвездие”

Поскольку известно, что для обозначения 1 и 0 в фазовой модуляции используется значения смещения фазы мы можем представить эти значения в определенной системе координат, где на оси абсцисс представлен ток, а на оси ординат- напряжение.

Таким образом мы сможем увидеть наглядно “направления фазы” при которых мы получим 1 или 0. (Рис.4)




Рис.4. Сигнальное созвездие КФМ-2


Так представлено сигнальное созвездие фазовой модуляции или частного случая квадратурной модуляции КФМ-2.
Вернемся к КФМ-4. Сигнальное созвездие при таком методе можно увидеть на рисунке(Рис.5).


Рис.5. Сигнальное созвездие КФМ-4
Можно заметить, что условных направлений в таком созвездии стало в 2 раза больше. Таким образом один символ при таком методе содержит уже не 1 а 2 бита информации, следовательно количество информации по сравнению с КФМ-2 увеличиться в 2 раза. Однако это приведет к некоторой потери производительности, а также потребует большей мощности передатчика для поддержания заданной вероятности битовой ошибки при наличии шума.

Увеличивать количество точек в таком сигнальном созвездии можно бесконечно, конечно если позволят технологии разделения цифрового сигнала.

На сегодняшний день наиболее эффективным является КФМ-256, благодаря такой модуляции возможно передавать одновременно 8 бит информации.

Заключение

Таким образом, мы видим, что при использовании цифровой радиосвязи, как совместно с современными системами управления движением, так и исключительно для передачи голосовых и пакетных данных большое значение имеет вид модуляции. Учет использования конкретного вида модуляции принимая во внимание сферу приминения ведет к снижению эксплуатационных расходов, минимизацию воздействия помех и ускоряет взаимодействие различных служб. Обновляя имеющееся старое оборудование и использовав самые последние виды технологии модуляции будучи специалистом, мы можем подобрать самый оптимальный вид модуляции по

нужным параметрам (пропускную способность, помехоустойчивость и.т.д.) для реализации грамотной связи.

Список используемой литературы

1. 
   Васин, В. А. Радиосистемы передачи информации / В. А. Васин, В. В.
   

2. 
   Волков, Л. Н. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики. – М.: Эко-Трендз, 2005. – 392 с.
   
3. 
   Баскаков С.И. Радиотехнические сигналы и цепи - М.: Высшая школа, 2000, 448 c.
   

4. 
   Штейнбрехер В.В. Радиотехнические цепи и сигналы [Текст]: учеб. -метод. пособие / В.В. Штейнбрехер, И.И. Пасечников, В.А. Федоров; Тамб. гос. ун-т им. Г.Р. Державина. - Тамбов: [Издат. дом ТГУ им. Г.Р. Державина], 2013. - 134 с.
   

4. 
   http://celnet.ru/typemod.php.
   
5. 
   https://ru.wikipedia.org
   
6. 
   https://de.ifmo.ru/bk_netra/page.php?tutindex=11