Как отмечалось ранее, ЧМ —лишь один тип угловой модуляции. Другим является фазовая модуляция. Эта модуляция очень похожа на ЧМ. При фазовой модуляции мгновенная фаза несущей изменяется пропорционально мгновенной амплитуде модулирующего сигнала. Это приводит к изменению несущей частоты wн, как видно из уравнения
wфаз=wн+kфwмАмsin(wмt) (11)
где kф, - коэффициент пропорциональности, измеряемый в единицах рад/В. Фазовая и частотная модуляция часто используются в одной системе модуляции, так как прием и детектирование обеих идентичны.
Функциональные схемы передатчика и приемника с ЧМ почти те же, что и для AM. Ширина полосы частот ЧМ существенно шире, а несущая частота значительно выше (100 МГц и более). Более широкая полоса частот приводит к более верному воспроизведению входных звуковых сигналов, так что звуки с частотами выше 5 кГц должны передаваться системами ЧМ. В приемниках с частотной модуляцией иногда используется двойное гетеродинирование с двумя промежуточными частотами - 5 МГц и 455 кГц.
2.3. ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (ИМ)
Импульсная модуляция (ИМ) не является в действительности каким-то особым типом модуляции. Этот термин характеризует скорее вид модулирующего сигнала. Далее различают импульсную амплитудную и импульсную частотную модуляции. Здесь учитывают то, каким образом информация представлена — с помощью импульса или ряда импульсов. Можно рассматривать в качестве модулируемой величины амплитуду импульса, или его ширину, или его положение в последовательности импульсов и т. д. Следовательно, существует большое разнообразие методов импульсной модуляции. Все они используют в качестве формы передачи или AM, или ЧМ.
Рис. 7. Последовательность импульсов, отображающих число 37 в двоично-десятичном коде (младший значащий разряд первый).
Импульсная модуляция может быть использована для передачи как цифровых, так и аналоговых форм сигнала. Когда речь идет о цифровых сигналах, мы имеем дело с логическими уровнями — высоким и низким — и можем модулировать несущую (с помощью AM или ЧМ) рядом импульсов, который представляет цифровое значение. Например, если для числа 37 передается код ДКД (двоично-кодированное десятичное число) 00110111, то для модуляции несущей просто должна использоваться указанная последовательность нулей и единиц. Каждый нуль может быть представлен уровнем 0В, а каждая единица — уровнем, например, 5В. Образованная в результате последовательность импульсов показана на рис. 7 вместе с совпадающим рядом синхронизирующих импульсов, необходимых для идентификации положения единиц и нулей. В указанной последовательности важен порядок импульсов. Сначала передается МЗДР (младший значащий десятичный разряд) 7, а затем СЗДР (старший значащий десятичный разряд) 3. В каждом десятичном разряде на первом месте старший двоичный разряд (бит).
Отметим, что, даже если все импульсы имеют полную амплитуду 5 В, обычно допускается изменение цифровых уровней в широком диапазоне напряжений, что не приводит к нарушению нормальной работы системы. Например, логический уровень «1» может изменяться в пределах от 2,4 до 5,5 В.
При использовании импульсных методов для передачи аналоговых сигналов необходимо сначала преобразовать аналоговые данные в импульсную форму. Это преобразование также относится к модуляции, так как аналоговые данные используются для модулирования (изменения) последовательности импульсов или импульсной поднесущей. На рис. 8,а показана модуляция синусоидальным сигналом амплитуд последовательности импульсов.
Рис. 8. Форма сигналов амплитудно-импульсной модуляции.
а—форма модулированного сигнала; б—воспроизведенная форма сигнала при низкой частоте следования импульсов, Т1 — период последовательности импульсов; в — воспроизведенная форма сигнала при высокой частоте следования импульсов, Т2 — период последовательности импульсов.
Амплитуда каждого импульса в модулированной последовательности зависит от мгновенного значения аналогового сигнала. Синусоидальный сигнал может быть восстановлен из последовательности модулированных импульсов путем простой фильтрации. На рис. 8,б графически показан процесс восстановления первоначального сигнала путем соединения вершин импульсов прямыми линиями. Однако восстановленная на рис. 8,б форма колебаний не является хорошим воспроизведением первоначального сигнала из-за того, что число импульсов на период аналогового сигнала невелико. При использовании большего числа импульсов, т. е. при большей частоте следования импульсов по сравнению с частотой модулирующего сигнала, может быть достигнуто более лучшее воспроизведение (рис. 8,в). Этот процесс амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), относящийся к модуляции поднесущей последовательности импульсов, может быть выполнен путем выборки аналогового сигнала через постоянные интервалы времени импульсами выборки с фиксированной длительностью. Импульсы выборки — это импульсы, амплитуды которых равны величине первоначального аналогового сигнала в момент выборки. Частота выборки (число импульсов в секунду) должна быть по крайней мере в два раза большей, чем самая высокая частота аналогового сигнала. Для лучшей воспроизводимости частота выборки обычно устанавливается в 5 раз большей самой высокой частоты модуляции.
АИМ является только одним типом импульсной модуляции. Кроме него существуют:
ШИМ — широтно-импульсная модуляция (модуляция импульсов по длительности);
ЧИМ — частотно-импульсная модуляция;
КИМ — кодово-импульсная модуляция.
Широтно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок. напряжений в серии импульсов, длительность которых прямо пропорциональна амплитуде напряжений выборок (рис. 9,а). Отметим, что амплитуда этих импульсов постоянна; в соответствии с модулирующим сигналом изменяется лишь длительность импульсов. Интервал выборки — интервал между импульсами — также фиксирован.
Частотно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок напряжений в последовательность импульсов, мгновенная частота которых, или частота повторения, непосредственно связана с величиной напряжений выборок. И здесь амплитуда всех импульсов одинакова, изменяется только их частота. По существу все аналогично обычной частотной модуляции, лишь несущая имеет несинусоидальную форму, как в случае обычной ЧМ; она состоит из последовательности импульсов.
Кодово-импульсная модуляция преобразует выборки напряжения в кодированное сообщение. К примеру, дискретный уровень, равный 5,5 В, может быть представлен двоичным числом 101.101=5,5 с помощью аналого-цифрового преобразователя. Кодовое сообщение 101.101 представляет собой некоторую выборку напряжения Vs. Подобным кодированием (в данном случае двоичным кодом) преобразуют каждую выборку. Последовательность таких кодовых сообщений представляет собой серию чисел, описывающих последовательные выборки. Код может быть любым: двоичным с шестью разрядами, как представленный выше, или двоичным кодом с N разрядами, или двоично-кодированным десятичным и т. д. (рис. 7).
Рис. 9. Широтно-импульсная модуляция.
Приведенные выше модуляционные схемы — лишь некоторые представители большого числа используемых методов. Подчеркнем, что рассмотренная здесь ИМ-модуляция относится к модуляции поднесущей, т. е. модуляции последовательности импульсов, которые затем используются в системах AM или ЧМ. Речь идет о двух следующих друг за другом модуляциях. Во-первых, информация модулирует последовательность импульсов. Здесь может быть использована АИМ, ШИМ, ЧИМ, КИМ или любой другой вид модуляции. Во-вторых, содержащая информацию поднесущая модулирует синусоидальную несущую.
Частотно-импульсная модуляция синусоидальной несущей приводит к Dwн -девиации частоты несущей скачкообразным отклонением от несущей. Например, частотная модуляция логических уровней «0» и «1» (0 В и 5В) дает две частоты — wн (для логического уровня «0») и wн+Dwн (для уровня «5»). По существу, мы просто сдвигаем частоту несущей от w к wн+Dwн для изображения логического уровня «1». Этот тип частотной модуляции называется также и частотной манипуляцией и обычно используется в передаче сигналов с помощью телеграфа и других цифровых устройств связи. Для восстановления логических уровней из частотно-манипулированной несущей может быть использована цепь фазовой автоподстройки (ФАП).
Методы импульсной модуляции очень широко распространены в приложениях телеметрии.
3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ.
3.1. ТЕЛЕМЕТРИЯ.
Телеметрией называется проведение измерений на расстоянии и передача данных к месту их обработки и (или) хранения. Типичная телеметрическая система содержит, как показано на рис. 10, три основные части:
Рис. 10. Типичная телеметрическая система.
1) источник данных, который обычно является датчиком, преобразующим измеряемые параметры в электрические сигналы; 2) способ передачи данных; 3) приемное устройство и восстановление переданных данных. Содержание этого раздела будет сконцентрировано на различных методах передачи. Рассматривая методы телеметрии, будем сосредотачивать внимание на способах, обеспечивающих наиболее эффективное использование линии связи.
Что подразумевается под эффективным использованием линии связи, показывает следующий пример. Рассмотрим амплитудную модуляцию несущей с частотой 100 МГц (рис. 11). Предположим, что допустимая ширина полосы передачи составляет ±5 кГц. Информация, модулирующая несущую, имеет ширину полосы частот 1 кГц. Из того, что мы знаем об амплитудной модуляции, находим, что модулированная несущая будет иметь полосу 100 МГц ± 1 кГц. Это — полоса, необходимая для передачи данных с полосой 1 кГц. Ясно, что будет непроизводительно при полосе ±5 кГц занимать передаваемой информацией только полосу ±1 кГц. Теоретически в полосе ±5 кГц можно передать пятикратное число данных, содержащихся в полосе 1 кГц. Вообще говоря, на одной несущей 100 МГц мы могли бы передавать пять каналов данных с полосами по 1 кГц. Для такого увеличения эффективности передачи разработаны разные методы. Чаще всего используются методы частотного разделения (или частотного уплотнения каналов) и временного разделения (или временного уплотнения каналов).
Рис. 11. Несущая 100 МГц с амплитудной модуляцией, wм=0±1 кГц, разрешенная полоса wр=±5 кГц.
3.1.1. Частотное разделение каналов (частотное уплотнение линии связи).
Типичная для телеметрии несущая частота 230 МГц может быть использована с полосой ±320 кГц (стандарты ВМФ н ВВС США). Это означает, что при использовании ее в амплитудной модуляции (AM) информация, которую можно передать без искажений, может иметь ширину полосы 320 кГц. Однако большинство приложений телеметрии оперирует сигналом с гораздо более узкой полосой. Для определенности положим, что ширина полосы частот сигнала составляет 4 кГц. Вместо непосредственной модуляции этим сигналом несущей 230 МГц можно сначала модулировать поднесущую с частотой, к примеру, 32 кГц. Модуляция поднесущей образует сигнал с частотой 32 ± 4 кГц (в случае AM). Промодулированной поднесущей можно теперь модулировать несущую 230 МГц. На рис. 12 показаны частотные полосы, использованные в такой передаче. Остальная часть полосы ±320 кГц не используется. Имеется возможность использовать и другую поднесущую, например 44 кГц, для другого источника данных с аналогичной полосой и получить модулированную поднесущую 44 ± 4 кГц (показанную штриховыми линиями на рис. 12). Очевидно, что можно заполнить разрешенную полосу частот ± 320 кГц большим числом поднесущих, переносящих информацию от большого числа источников. В этом примере полоса частот информации была произвольно ограничена значением 4 кГц. Можно отметить, что модулированные поднесущие отделяет неиспользованная полоса (здесь 4 кГц), 32 ± 4 кГц (полоса от 28 до 36 кГц) и 44 ± 4 кГц (от 40 до 48 кГц), т. е. имеется пустой интервал 4 кГц между высшей частотой нижней поднесущей (36 кГц) и низшей частотой верхней поднесущей (40 кГц). Это отделение необходимо, чтобы предотвратить взаимные помехи между каналами и позволить осуществить разделение поднесущих на приемном конце системы. Рассмотренный пример представляет собой АМ/АМ-телеметрическую систему, где как поднесущая, так и несущая являются амплитудно-модулированными.
