Курс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок
 Скачать 2.3 Mb.
|
|
5.2. Частотная манипуляция При частотной манипуляции «несущая» принимает только два значения. Пример спектра частот при ЧМ манипуляции представлен на рисунке 5.3. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №5 «Частотная и фазовая модуляции» 53 F o f 0, 64 А 1/ 1/ A Рисунок 5.3 Спектр часто при ЧМ манипуляции при m ч = 1 Ширина полосы частот канала связи, при передачи, определяется допустимым временем установления сигнала на выходе входного фильтра приѐмника и девиацией частоты. Однако искажения, вносимые входным фильтром при ЧМ несколько больше, чем при АМ. Поэтому для ЧМ – манипуляции, считая, что дев /(2 ) 1.4 F F имеем: min Ч (1,7 3) / F (5.5) 5.3. Демодуляция частотно-модулируемых сигналов Для демодуляции ЧМ, колебания превращают сначала в колебания, модулированные по фазе или по амплитуде, из которых затем выделяется передаваемое сообщение. Поэтому различают частотно-амплитудные или частотно-фазовые (либо просто фазовые) детекторы. В телемеханике в большинстве случаев применяют частотно-амплитудные детекторы. Простейший частотно-амплитудный детектор состоит из обычного колебательного контура (рассмотренного относительно основной частоты приходящего сигнала) и амплитудного детектора (см. рисунок 5.4 и 5.5). Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №5 «Частотная и фазовая модуляции» 54 Вх. Вых. C L R Рисунок 5.4 Простейший частотно-амплитудный детектор A o Рисунок 5.5 Амплитудно-частотная характеристика Частоту выбирают так, чтобы частота несущей лежала на спаде АЧХ. Более совершенным частотно-амплитудным детектором является частотный дискриминатор (балансный детектор), выполняемый с двумя вторичными расстроенными контурами (см. рисунок 5.6). U f, Гц К1 К2 К3 Рисунок 5.6 Амплитудно-частотная характеристика Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №5 «Частотная и фазовая модуляции» 55 Если, например, модулированные по частоте колебания, подаваемые на вход, лежат в полосе 1100-1000Гц, то контур К1 (см. рисунок 5.7) настраивается на частоту 1050Гц, контур К2 – на частоту 1100Гц и контур К3 – на частоту 1000Гц (см. рисунок 5.8). Контур К1 является широкополосным, пропускающим частоты, на которые настраиваются контуры К2 и К3. U чм U вых VD1 VD2 К 1 К 2 К 3 R 1 R 2 Рисунок 5.7 Балансный детектор 1000 0 1100 U вых 1050 f, Гц Рисунок 5.8 Диоды VD1 и VD2 включены таким образом, что напряжение вых U на выходе дискриминатора равно разности напряжений: вых 2 3 U U U . Если сложить разностные кривые контуров К2 и К3, то получится результирующая кривая дискриминатора, представляющая собой зависимость напряжения на выходе от частоты входного сигнала (см. рисунок 5.7). На значительном участке эта характеристика линейна. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №5 «Частотная и фазовая модуляции» 56 5.3.1. Сравнение амплитудной модуляции и частотной модуляции 1. Техническая реализация АМ проще, чем ЧМ; 2. Полоса частот при АМ значительно меньше, чем при ЧМ; 3. Помехоустойчивость ЧМ значительно выше АМ (т.к. помехи воздействуют в первую очередь на амплитуду сигнала). 5.4. Фазовая модуляция При фазовой модуляции (ФМ) передаваемое сообщение изменяет значение фазы несущей. Таким образом, фаза «несущей» изменяется пропорционально мгновенным значениям тока или напряжения модулируемого сообщения (см. рисунок 5.9): sin( ) t (5.6) При увеличении значений тока и напряжения (сообщения) частоты возникает опережение по фазе sin( ) t , где – максимальный сдвиг по фазе или девиация фазы. А Δφ Рисунок 5.9 Фазовая модуляция: – девиация фазы. Значение ФМ – колебания: фмс o o ф ( ) cos sin( ) U t U t m t (5.7) – аналогично чмс U с той лишь разницей, что при ФМ индекс модуляции: ф m (5.8) При ФМ изменяется не только фаза, но и мгновенная частота «несущей». Точно также при ЧМ изменяется и фаза несущей. Таким образом, ФМ и ЧМ в Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №5 «Частотная и фазовая модуляции» 57 какой-то мере аналогичны и отличаются друг от друга методами осуществления. ФМ и ЧМ связаны, поэтому они могут быть объединены как угловая модуляция: (5.9) – девиация угловой частоты. 5.4.1. Полоса частот фазо-модулируемого сигнала Полоса частот при ФМ модуляции определяется выражением: ф ф 2 ( 1) F F m (5.10) Так как при ЧМ индекс модуляции согласно ч / m уменьшается с увеличением частоты сообщения, а при ФМ он не зависит от неѐ ( ф m ), то ширина полосы частот при ФМ оказывается больше, чем при ЧМ. При 1 m спектр частот ЧМ и ФМ состоит из несущей и двух боковых полос как при АМ с ДБП. При 1 m спектр частот ФМ схож со спектром при ЧМ с той лишь разницей, что при ФМ боковые частоты не зависят от частоты сообщения, тогда как при ЧМ амплитуда этих частот уменьшается с увеличением частоты сообщения. Модулятор для ФМ аналогичны модуляторам для ЧМ. 5.5. Сравнение методов непрерывной модуляции Таблица 5.1 Сравнение методов непрерывной модуляции метод модуляции полоса частот приѐм примечания АМ 2 детектор огибающей или устройство с квадратичной передаточной характеристикой простой и дешѐвый метод, при передаче несущей теряется часть энергии, используется в радиовещании ЧМ >> частотный дискриминатор система с расширением полосы частот, используется в наземной и спутниковой микроволновой связи ФМ >> устройство с нелинейной передаточной характеристикой похожие на ЧМ свойства, более сложный приѐм Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №5 «Частотная и фазовая модуляции» 58 5.6. Фазовая манипуляция Фазовая манипуляция или абсолютная фазовая модуляция (АФМ) является частным случаем фазовой модуляции при модулирующем сигнале в виде импульсов (см. рисунок 5.10). Uc(t) Uфмс(t) Uфмс(t) t t t а) б) Рисунок 5.10 Временная диаграмма фазовой манипуляции: а – фазовая манипуляция при 90 ; б – фазовая манипуляция при 180 5.6.1. Спектр частот при фазовой манипуляции Спектр частот при фазовой манипуляции представлен на рисунке 5.11. Если сдвиг фаз 180 , то при скважности импульса равной 2 нет несущей. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №5 «Частотная и фазовая модуляции» 59 Применяется при скоростях передачи более 1200 бит/с (Бод). F o f 0, 71 А 1/ 1/ A а) F o f 1/ 1/ A б) Рисунок 5.11 Спектр частот при фазовой манипуляции: а – спектр частот при 90 ; б – спектр частот при 180 5.6.2. Реализация фазовой манипуляции Фазовая манипуляция может быть осуществлена с помощью кольцевого модулятора, представленного на рисунке 5.12. Uc VD1 VD2 VD3 VD4 U н U фмс Рисунок 5.12 Кольцевой модулятор ФМ при 180 Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №5 «Частотная и фазовая модуляции» 60 5.6.3. Детектирование сигналов фазовой манипуляции Для детектирования сигнала с фазовой манипуляцией служит фазовый детектор, основанный на так называемом кольцевом преобразовании частоты (см. рисунок 5.13). Вход Ф у а б в г д е ФМ f r VD1 VD2 VD3 VD4 Tp 1 Рисунок 5.13 Демодулятор сигналов фазовой манипуляции На вход поступают импульсы, модулированные по фазе, а на зажимы «а» и «б» подаѐтся переменный ток местного генератора Г f с частотой несущей. На выходе включены конденсаторы. При поступлении на вход сигнала в фазе с сигналом местного генератора приѐмника открываются диоды VD1, VD2 при положительной полуволне и диоды VD3, VD4 – при отрицательной. В обоих случаях ток протекает через конденсаторы от зажима «д» к «е» и на выходе снимаются выпрямленные положительные импульсы. При поступлении сигнала с линии в противофазе с сигналом местного генератора ток сначала протекает через диоды VD3, VD4 при положительных полуволнах и через диоды VD1, VD2 – при отрицательных, что вызывает прохождение тока от зажима «е» к «д». Соответствующим образом на выходе снимаются выпрямленные отрицательные импульсы. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №5 «Частотная и фазовая модуляции» 61 5.7. Преимущества и недостатки фазовой манипуляции по сравнению с частотной манипуляцией Преимущества АФМ: 1. Большая скорость передачи в той же полосе частот, что и ЧМ; 2. Такая же помехоустойчивость при меньшей мощности передатчика. Недостатки АФМ: Нужна постоянная фаза несущей и опорной частоты при детектировании. При сдвиге фаз на 180 – наблюдается обратная работа. 5.8. Относительная фазовая манипуляция (фазоразностная модуляция) Фаза меняется лишь при передачи «единичного» сообщения. При передачи «нулевого» сообщения фаза не меняется, при этом, знак изменения не важен (см. рисунок 5.14). U фрм U н t t t U с Рисунок 5.14 Временная диаграмма фазоразностной модуляции (ФРМ) Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №5 «Частотная и фазовая модуляции» 62 5.9. Двукратная непрерывная модуляция Для повышения помехоустойчивости передачи амплитудно- модулированное сообщение иногда дополнительно модулируют по частоте. Возникает двойная модуляция АМ – ЧМ. При этом первая «несущая» называется «поднесущей». Для экономии полосы частот применяют ЧМ – АМ. Возможно ЧМ – ЧМ. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №6 «Импульсные методы модуляции» 63 ЛЕКЦИЯ 6. Импульсные методы модуляции ПЛАН ЛЕКЦИИ 6.1. Введение 6.2. Амплитудно-импульсная модуляция 6.3. Широтно-импульсная модуляция 6.4. Фазоимпульсная модуляция 6.5. Частотно-импульсная модуляция 6.6. Кодоимпульсная модуляция 6.7. Дельта-модуляция 6.8. Разностно-дискретная модуляция 6.9. Лямда-дельта модуляция 6.10. Многократные методы модуляции 6.1. Введение В импульсной модуляции переносчиком сообщения является серия импульсов, характеризуемая рядом параметров: амплитудой, длительностью, положением во времени, числом импульсов и т.д. Импульсная модуляция – изменение какого-либо параметра серии импульсов под действием сообщения [1, 2]. 6.2. Амплитудно-импульсная модуляция Переносчиком сообщения в амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) является серия прямоугольных импульсов. Под воздействием мгновенных значений сообщения (тока или напряжения) амплитуда импульсов переносчика изменяется, как показано на рисунке 6.1. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №6 «Импульсные методы модуляции» 64 t АИМ Переносчик сообщения i U τ t t U I c =I m Sin(ΩT) Рисунок 6.1 Временная диаграмма амплитудно-импульсной модуляции: U – амплитуда «несущей» (переносчика сообщения), - длительность импульсов «несущей». Выражение для амплитуды модулированных импульсов можно записать следующим образом: м А 1 sin U U m t , где (6.1) м U – амплитуда модулированных импульсов; U – амплитуда немодулированных импульсов; А m – глубина модуляции при АИМ; – угловая частота сообщения. Импульсы, модулированные по амплитуде, обладают спектром, отличающимся от немодулированной последовательности тем, что вокруг каждой составляющей спектра немодулированной последовательности появляются боковые частоты сообщ k f f (см. рисунок 6.2). Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №6 «Импульсные методы модуляции» 65 U f i 2f i f i -f Ω fi+f Ω 2fi+f Ω 2fi-f Ω f Рисунок 6.2 Спектр частот амплитудно-импульсной модуляции Ширина полосы частот F определяется практически длительностью импульсов и слабо зависит от модулирующей частоты, т.е. / F , где (6.2) – длительность импульсов; – коэффициент формы. АИМ обладает теми же недостатками и достоинствами, что и АМ. В телемеханике АИМ применяется только как промежуточный вид модуляции, например, в системе АИМ-ЧМ [1, 2]. 6.3. Широтно-импульсная модуляция При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) под действием мгновенных значений сообщения изменяется длительность или ширина импульсов переносчика (см. рисунок 6.3), расширяясь при увеличении мгновенного значения сообщения и сужаясь при его уменьшении (за счѐт положения заднего фронта импульса). Частота и амплитуда импульсов при ШИМ не изменяются [1, 2]. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №6 «Импульсные методы модуляции» 66 i U t t I c = I m Sin(ΩT) ШИМ Рисунок 6.3 Временная диаграмма широтно-импульсной модуляции Полоса частот ШИМ определяется выражением: min 1 F , (6.3) где min – минимальная длительность импульсов ШИМ. Спектр частот ШИМ аналогичен спектру АИМ с той лишь разницей, что при ШИМ вокруг каждой гармоники «несущей» имеется не две, а несколько пар боковых частот. Помехоустойчивость ШИМ значительно выше помехоустойчивости АИМ. 6.4. Фазоимпульсная модуляция Широтно-импульсная модуляция и фазоимпульсная модуляция (ФИМ) объединяются общим понятием – времяимпульсная модуляция (ВИМ). При ФИМ в зависимости от мгновенного значения сообщения: импульс сдвигается вправо на t при увеличении мгновенного значения и влево на t – при его уменьшении [1, 2]. При синусоидальном сообщении сдвиг, или девиация, импульса определяется выражением (см. рисунок 6.4): Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №6 «Импульсные методы модуляции» 67 max sin( ) t (6.4) i U τ max t t I c = I m Sin(ΩT) U t ФИМ Рисунок 6.4 Временная диаграмма фазоимпульсной модуляции Полоса частот при ФИМ определяется длительностью импульса, которая в процессе модуляции не изменяется. 6.5. Частотно-импульсная модуляция В случае частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) при увеличении мгновенного значения сообщения частота импульсов возрастает, а при уменьшении – снижается (см. рисунок 6.5). При этом длительность импульсов остаѐтся постоянной [1, 2]. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №6 «Импульсные методы модуляции» 68 i U t t I c = I m Sin(ΩT) ЧИМ Рисунок 6.5 Временная диаграмма частотно-импульсной модуляции 6.6. Кодоимпульсная модуляция Сообщение при кодоимпульсной модуляции (КИМ) квантуется по времени и уровню (см. рисунок 6.6). Полученные значения передаются в дискретные моменты времени [1, 2]. U t τ Ступенчатая функция Рисунок 6.6 Временная диаграмма кодоимпульсной модуляции Полоса частот в КИМ определяется длительностью импульса ( ): 1 F (6.5) Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №6 «Импульсные методы модуляции» 69 6.7. Дельта-модуляция Эффективным способом преобразования сигналов в цифровую форму является дельта-модуляция ( -модуляция). Преимущество -модуляции в реализуемой точности при заданной частоте дискретизации и особенно в простоте реализации [1, 2]. В данном случае осуществляется передача лишь двух дискретных сигналов, которыми передаѐтся только знак приращения функции (см. рисунок ). Если нет приращения, то передаѐтся 0. Число уровней квантования – любое. Шаг приращения – 1 квант. i U t t Рисунок 6.7 Временная диаграмма дельта-модуляции Особенности: постоянный такт квантования, приращение на 1 импульс равно одному кванту. Недостатки. Если скорость изменения сигнала высока, может произойти динамическая ошибка. Следовательно, необходимо подбирать частоту квантования под скорость изменения сигнала. Помехи создают потери, которые восстановить невозможно. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №6 «Импульсные методы модуляции» 70 6.8. Разностно-дискретная модуляция Принцип формирования разностно-дискретной модуляции (РДМ) проиллюстрирован на рисунке 6.8. U t 1 2 3 4 5 6 7 8 9 t λ Рисунок 6.8 Временная диаграмма разностно-дискретной модуляции При переходе на более высокий уровень передаѐтся сигнал о единичном скачке вверх, а при переходе на более низкий уровень – сигнал о скачке вниз. Если сообщение не изменяет значение, сигнал отсутствует. Преимущества РДМ (по сравнению с -модуляцией): 1. Канал связи менее загружен. При медленно изменяющихся сообщениях РДМ–сигналы будут передаваться редко (в отличие от -модуляции, где они должны следовать через шаг квантования). 2. Выше помехоустойчивость. Недостаток: Так же, как и в -модуляции – возможность накопления ошибки (при потерях импульсов). |