41
Modulační metody Ing. Jindřich Korf

Modulační metody

  • Upload
    torie

  • View
    68

  • Download
    3

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Modulační metody. Ing. Jindřich Korf. Obsah. Úvod Rozdělení modulací Analogové (spojité) modulace Impulsní modulace Digitální modulace. Úvod. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Modulační metody

Modulační metody

Ing. Jindřich Korf

Page 2: Modulační metody

Obsah1. Úvod

2. Rozdělení modulací

3. Analogové (spojité) modulace

4. Impulsní modulace

5. Digitální modulace

Page 3: Modulační metody

Úvod Z fyzikálního hlediska není mezi modulací a demodulací

žádný rozdíl. Jedná se o vzájemné působení dvou el. průběhů na prvek či obvod s obecně nelineární charakteristikou.

Modulace umožňuje přenos dat pomocí nosného signálu, jehož frekvence je vybrána tak, aby ji bylo možno přenášet po přenosové cestě.

Modulátor – jedná se o přizpůsobení signálu na přenosovou cestu.

Demodulátor – používá se pro převod přijatých signálů z přenosové cesty na požadovaný signál.

Page 4: Modulační metody

Rozdělení modulací průběh, který vyjadřuje původní informaci určenou k přenosu, nazýváme modulačním signálem.

signál může mít obecně analogový nebo diskrétní charakter.

Je-li druhým průběhem harmonický signál, nazýváme jej nosnou vlnou (krátce nosnou) a mluvíme o spojité (analogové) modulaci.

Druhý průběh má charakter posloupnosti impulzů, nazýváme jej nejčastěji taktovacím signálem a jedná se o impulsní modulaci.

Page 5: Modulační metody

Rozdělení modulací

MODULÁTORω

ΩNosná

SignálModulační produkty

Zdroj taktovacího signálu

MODULÁTORω

ΩNosná

SignálModulační produkty

Spojitá (analogová) modulace:

Impulsní modulace:

Page 6: Modulační metody

Analogové (spojité) modulace

při modulaci harmonické nosné se tedy na jeden vstup

modulátoru přivádí napětí sinusového průběhu (nosná)

a na druhý vstup napětí libovolného průběhu (signál).

Vzájemným působením těchto napětí v modulátoru

vzniknou modulační produkty, které se objeví na

výstupu modulátoru.

Page 7: Modulační metody

Analogové (spojité) modulace

Spojité modulace

( s harmonickou nosnou)

Amplitudová

(AM)

Frekvenční

(FM)

Fázová

(PM)

Úhlová (FM a PM)

Page 8: Modulační metody

Rozdělení spojitých modulací

Amplitudová modulace AM - původně konstantní

amplituda nosné vlny se vlivem amplitudy modulačního

signálu mění

Frekvenční modulace FM – mění se frekvence nosné

vlny v závislosti na amplitudě modulačního signálu,

amplituda nosné vlny se nemění

Fázová modulace PM - v závislosti na amplitudě

modulačního signálu se mění fáze (fázový posun) nosné

vlny (amplituda a frekvence se nemění)

Page 9: Modulační metody

Amplitudová modulace původně konstantní amplituda nosné vlny UN se mění

vlivem modulačního signálu.

Napětí nosné vlny lze vyjádřit

u=UN.sin(Ωt+φ)

kde UN - je max. amplituda nosné vlny,

Ω - je úhlová rychlost nosné vlny (Ω=2πf kde f je

kmitočet nosné vlny)

φ - je počáteční fázový posuv.

Page 10: Modulační metody

Amplitudová modulacePředpoklady: uM = UMsinωt (uM = okamžitá hodnota modulačního signálu) uN = UNsinΩt (uN = okamžitá hodnota nosného signálu)

platí ω<<Ω (modulační signál<<nosná)

maximální hodnota každého kmitu AM signálu

m= UM / UN - poměr amplitudy signálu k amplitudě nosné, je nazýván hloubka modulace. Jeho hodnota se pohybuje v rozmezí 0 ≤ m ≤ 1 (udává se v %).

Page 11: Modulační metody

Amplitudová modulace Okamžitá hodnota modulovaného AM signálu se pak

bude rovnat:

Ze vztahu vyplývá informace o tom, jaké jsou kmitočtové složky modulace. Jedná se o nosnou s kmitočtem Ω a amplitudou UN, dolní postranní složku s kmitočtem Ω - ω a horní postranní složku s kmitočtem Ω + ω. Vlastní informaci (signál s kmitočtem ω) nesou obě postranní složky, nikoli nosná.

Pro přenos informace není nutné přenášet obě postranní pásma, nýbrž postačí přenést pouze pásmo jediné - poloviční šířka pásma.

Page 12: Modulační metody

Amplitudová modulace - rozděleníModulace AM rozdělujeme na: Modulace s nosnou a oběma postranními pásmy (AM) -

nejčastěji používané pro bezdrátové rozhlasové přenosy. Modulace s potlačenou nosnou (DSB – Double Side

Band) Modulace s jedním postranním pásmem (SSB – Single

Side Band) - používané nejčastěji v přenosové technice pro dálkové spoje kabelové nebo rádiové.

Modulace s částečně potlačeným postranním pásmem (VSB – Vestigal Side Band)

Page 13: Modulační metody

Amplitudová modulace - nevýhody Špatné výkonové využití vysílače (pouze postranní

pásma nesou inf. obsah a přitom obsahují pouze ⅓ celkového výkonu).

Nízká odolnost vůči rušení amplitudového charakteru (poruchy, šum,...)

Nízká dynamika signálu v důsledku omezené hloubky modulace (max 90-95%)

Malá šíře pásma ±4,5kHz v rozhlasových pásmech omezuje kmitočtový rozsah přenášeného NF signálu.

Je však naopak vhodná pro využití kmitočtově úzkých pásem (SV.0,5...1,5MHz, KV cca 500kHz)

Page 14: Modulační metody

Amplitudová modulace - realizace Amplitudovou modulaci lze realizovat buď pomocí

modulátorů v nelineárním režimu, a nebo pomocí modulátorů ve spínacím režimu.

V prvním případě se produkty modulace získávají vzájemným působením nosné vlny o kmitočtu Ω a modulujícího signálu o kmitočtu ω na prvku s nelineární voltampérovou charakteristikou. Takovou charakteristiku mají například diody, elektronky, tranzistory atd.

Modulaci lze vysvětlit na nelineární volt-ampérové charakteristice pomocí následujícího obrázku. Součet napětí signálu a nosné se přivádí do pracovního bodu U0 a je časově rozvinut podle svislé osy y.

Page 15: Modulační metody

Amplitudová modulace - realizace Proud, který prochází nelineárním prvkem, je časově

rozvinut na ose x. Odfiltrování nízkofrekvenčních složek s kmitočty ω a 2ω se provede například transformátorovou vazbou. Výsledný proud ve výstupním obvodu je pak naznačen na obrázku vpravo

Page 16: Modulační metody

Amplitudová modulace - realizace Druhý případ reprezentuje pasivní amplitudový modulátor spínacího typu potlačující nosnou – kruhový modulátor.

Page 17: Modulační metody

Amplitudová modulace - realizace Průběhy napětí na jednotlivých svorkách modulátoru ukazuje následující obrázek. Pro správnou funkci modulátoru je nutné, aby byla hodnota napětí nosné minimálně pětinásobná něž amplituda signálu.

Page 18: Modulační metody

Frekvenční modulace Při frekvenční modulaci (FM) se na nemodulovanou

nosnou vlnu s průběhem UNsin(Ωt + φ) působí tak, že

amplituda UN i fáze φ nosné se nemění

Kruhová frekvence Ω se mění v závislosti na amplitudě

modulačního signálu UM.

Největší změna nosné frekvence ΔΩ se pak nazývá

frekvenční zdvih. Poměr mezi zdvihem a frekvencí signálu Ω se označuje

jako index frekvenční modulace a je dán vztahem

M

Page 19: Modulační metody

Frekvenční modulaceČasový průběh napětí kmitočtově modulované vlny při modulaci spojitým harmonickým signálem lze pak při zanedbávání fáze φ vyjádřit vztahem

u = UN sin[Ω(+mfsinωt)]t

Page 20: Modulační metody

Frekvenční modulaceZávislost mezi časovými průběhy modulačního signálu, nosné a modulačního produktu jsou graficky vyjádřeny na obrázku.

Page 21: Modulační metody

Frekvenční modulaceNa dalším obrázku jsou spektrální složky frekvenčně modulované vlny pro různé indexy frekvenční modulace. Na svislé ose je poměrná absolutní hodnota amplitudy jednotlivých složek a na vodorovné ose pak násobky součtových frekvencí (Ω + ω, Ω + 2ω, …) a rozdílových frekvencí (Ω - ω, Ω - 2ω, …).

Page 22: Modulační metody

Frekvenční modulace – výhody, nevýhodyPřednosti FM: potlačení rušení ampl. charakteru silným zesílením a následným omezením signálu na přijímací straně. Lepší výkonové využití vysílače - výkon je soustředěn do spektrálních složek přenášející informační obsah. Podstatně vyšší dynamika přenosu. Možnost zvýšení odstupu S/N (signál/šum) - zařazením vzájemně inverzních kmitočtových korekcí do modulací

Nedostatky FM: Základním nedostatkem je ve srovnání s AM potřeba mnohem širšího přenosového pásma a z toho vyplývající nutnost provozu na VKV a UKV.

Page 23: Modulační metody

Frekvenční modulace – realizace Modulátory jsou založeny na použití reaktančních prvků (kapacitní diody, varikap), kterými přelaďujeme kmitočet oscilátoru. Demodulátory kmitočtově modulovaných vln (diskriminátory) převádějí okamžitou hodnotu kmitočtu na velikost napětí.

Page 24: Modulační metody

Fázová modulace Při fázové modulaci (PM) se mění souhlasně s amplitudou signálu UM fáze nosné vlny φ při stálé amplitudě

UN a stálé kruhové frekvenci Ω.

Napětí fázově modulované vlny je dáno vztahem

u = UNsin(Ωt + mPsinωt)

Pro vyjádření úměrnosti změny fáze nosné vzhledem k velikosti amplitudy signálu se zavádí, obdobně jako u kmitočtové modulace, tzv. index fázové modulace mP.

Page 25: Modulační metody

Fázová modulace Grafické vyjádření vztahu podává obrázek. Charakter spektra fázově modulované vlny je obdobný spektru kmitočtově modulované vlny.

Page 26: Modulační metody

Fázová modulace – výhody a nevýhodyPřednosti PM: potlačení rušení amplitud. charakteru silným zesílením a následným omezením signálu na přijímací straně. Lepší výkonové využití - výkon soustředěn do spektrálních složek přenášející informační obsah. Podstatné zvýšení odstupu S/N (signál/šum) - zařazením vzájemně inverzních kmitočtových korekcí do modulací.

Nedostatky PM: na rozdíl od amplitudové modulace, je složitější zapojení modulátoru i demodulátoru. širší frekvenční pásmo potřebné pro přenos modulované vlny.

Page 27: Modulační metody

Fázová modulace - realizace Varikap nebo reaktanční tranzistor je přiřazen ke kmitavému obvodu za oscilátor (např. do obvodu zesilovače). Když se nízkofrekvenčním modulačním napětí mění rezonanční kmitočet rezonančního obvodu, neovlivňuje to kmitočet oscilátoru, ale mění se fáze signálu a vzniká fázově modulovaná vlna.

Page 28: Modulační metody

Impulsová modulace jsou založeny na principu odebírání vzorků z původního signálu. Odběr vzorků se pravidelně opakuje po určitých časových intervalech TV. Délka těchto intervalů se volí tak, aby odebírané vzorky dostatečně vystihovaly charakter původního signálu. Na základě tohoto požadavku se hustota odebíraných vzorků určuje podle tzv. Shannon-Kotělnikovova teorému, který je možno vyjádřit vztahem 

TV je interval mezi dvěma vzorky, tzn. převrácená hodnota vzorkovacího kmitočtu fV

fmax je maximální frekvence signálu.

TV≤1/(2*fmax)

Page 29: Modulační metody

Impulsová modulace Předchozí rovnice nám udává vztah mezi vzorkovací frekvencí a maximálním kmitočtem, který je schopen systém

přenést, tzv. Vzorkovací teorém:

PRO SIGNÁL S MAXIMÁLNÍ FREKVENCÍ fmax JE NUTNO ODEBRAT ZA DOBU JEHO PERIODY ALESPOŇ DVA VZORKY.

Např. pro telefonní signál (fmax=3400 Hz) byl zvolen fV=8000 Hz.

Page 30: Modulační metody

Impulsová modulace

Impulsní modulace

Nekvantovaná

Delta

(ΔM)

Pulsně kódová modulace

(PCM)

Kvantovaná

Amplitudová

(PAM)

Polohová

(PPM)

Šířková

(PŠM)

Page 31: Modulační metody

Pulsně amplitudová modulace - PAM při modulaci dochází vlastně pouze k procesu odebírání

vzorků z původního analogového signálu. Vzorek potom přestavuje průběh signálu během této

doby. Princip modulace a příslušné časové průběhy jsou

uvedeny na obrázku. Signálové napětí harmonického

průběhu us je spínačem připojováno s periodou Tv k

výstupní zátěži Z, ze které je pak odebírán produkt u. Princip demodulace signálu PAM je založen na

průchodu tohoto signálu dolní propustí, která má šířku

pásma shodnou s šířkou pásma původního signálu. 

Page 32: Modulační metody

Pulzně amplitudová modulace - PAM

Page 33: Modulační metody

Pulsně polohová modulace - PPM velikostí okamžité hodnoty signálu se neovlivňuje amplituda impulzů, ale jejich posun vzhledem k okamžiku vzorkování signálu. Modulaci je možno realizovat např. srovnáním amplitudy signálu a amplitudami pilových průběhů, jejichž začátek je shodný s okamžikem periodického vzorkování signálu. Tento princip ukazuje následující obrázek Demodulaci polohově modulovaných signálů lze provést např. Pomocí superpozice s pilovým napěťovým průběhem (převedení na amplitudovou impulsní modulaci) a následné demodulace dříve popsaným způsobem.  

Page 34: Modulační metody

Pulsně šířková modulace - PŠM Při šířkové impulsní modulaci (PSM) se v závislosti na amplitudě signálu ovlivňuje šířka impulzů, jak též ukazuje následující obrázek. Demodulace je založena na stejném principu jako u předchozí impulsní amplitudové modulace, tj. na průchodu modulovaného signálu propustí o šířce původního signálu.

Page 35: Modulační metody

PPM a PŠM

Page 36: Modulační metody

Delta modulace Při použití delta modulace se nepřenáší informace o okamžité hodnotě přenášeného kanálu, nýbrž informace o změnách této hodnoty vůči hodnotě v předcházejícím vzorkovacím okamžiku. Informace o této změně se ale vyjadřuje digitálně. Průběh signálu us je porovnáván se stupňovou „sledovací“ funkcí. Srovnávání hodnot obou funkcí probíhá v okamžicích odebíraných vzorků. Pokud amplituda signálu us je v daném okamžiku větší než amplituda „sledovací“ funkce, pak napětí sledovací funkce stoupne o konstantní malé napětí ΔU (z toho odvozen název modulace) a na výstupu modulátoru se to projeví jako vysílání logického stavu „1“.

Page 37: Modulační metody

Delta modulace Je-li naopak amplituda signálu ve vzorkovacím okamžiku menší než hladina sledované funkce, dojde k vysílání logického stavu „0“. Na základě tohoto kódu lze na přijímací straně obnovit průběh sledovací funkce a nahradit tak s jistou přesností původní průběh signálu us. Přesnost záleží na velikosti kvantizačního kroku ΔU.

Page 38: Modulační metody

Pulsně kódová modulace - PCMPostup při kódování signálu:

1. Vzorkování – odebírání vzorků ze signálu

2. Kvantování – přiřazení k určité kvantizační úrovni

3. Kódování – přiřazení dvojkového čísla

Page 39: Modulační metody

Pulsně kódová modulace - PCM princip PCM modulace můžeme pozorovat na

následujícím obrázku. Signálový průběh je vzorkován obdobně jako u PAM. Okamžité hodnoty jednotlivých vzorků jsou pak přiřazeny

k určité kvantizační úrovni a poté přiřazena určitá kódová kombinace, která představuje výstupní produkt určený pro přenos kanálem.

Na přijímací straně je potřebné nejdříve signál obnovit (regenerovat) a potom dekódovat, protože vlivem vlastností přenosového kanálu dochází ke zkreslení signálu.

Přesnost modulace závisí na velikosti kvantizačního kroku.

Page 40: Modulační metody

Pulsně kódová modulace - PCM

Page 41: Modulační metody

Pulsně kódová modulace - PCM Hlavní nevýhodou PCM modulace je relativně velká

šířka potřebného kmitočtového pásma. Výhodou však je odolnost proti rušivým napětím,

nepřesáhnou-li tato určitou hodnotu. PCM modulace se často používá ve spojení s

metodou vícenásobného přenosu signálů pomocí

časového multiplexu.