Transcript Wyklad_nr12_ModiDem_W12.ppt

14. Modulatory
14.1. Modulatory
14.1.1.Uwagi wstępne :
Proces przekazywania informacji wymaga na ogół przetworzenia
tzw. „ sygnałów pierwotnych ”, to znaczy sygnałów zawierających
informację, na „ sygnały wtórne ”, bardziej dogodne do emisji
w postaci fal elektromagnetycznych, mniej wrażliwe na zakłócenia,
czy też lepiej dostosowane do możliwości łącza telekomunikacyjnego.
Sygnały wtórne muszą być oczywiście odpowiednio „ nacechowane ”
informacją sygnałów pierwotnych, co uzyskuje się w procesie
modulacji.
Fala nośna
Nadajnik
Informacja
(Sygnał
pierwotny)
Sygnał
zmodulowany
(Sygnał
wtórny)
Sygnał
odebrany
Kanał
Odbiornik
Informacja
odzyskana
Rys.14.1.1.1. System komunikacyjny
Rozróżniamy następujące typy modulacji :
1) Modulacja analogowa - wartości chwilowe sygnału
zmodulowanego są w sposób ciągły i bezpośredni uzależnione
od wartości chwilowych sygnałów pierwotnych (modulujących),
2) Modulacja cyfrowa - sygnał pierwotny jest przetwarzany
na nieciągły sygnał kodowy w kolejnych procesach : próbkowania
sygnału pierwotnego, kwantowania otrzymanych próbek oraz
kodowania.
Wyróżnia się dwa podstawowe systemy modulacji :
- modulacja kodowo - impulsową (PCM),
- modulacja delta (  )
3) Modulacja złożona - sygnał zmodulowany cyfrowo (sygnał
kodowy) jest sygnałem modulującym w układzie modulatora
analogowego.
14.2. Modulacja analogowa
Sygnał modulowany
us  U s cos s t  0 s   U s cost 
(14.2.1)
Sygnał zmodulowany
usm  U sm t  cos  m t  
Modulacja amplitudy
Modulacja kąta
(14.2.2)
14.2.1. Modulacja amplitudy (AM)
Sygnał modulowany
us  U s cos s t  0 s   U s cost 
(14.2.1.1)
Sygnał modulujący
um t   U m cos t   
(14.2.1.2)
Amplituda sygnału zmodulowanego
U sm  t   U s  um  t   U s  U m cos  t    
 Um

 U s 1 
cos  t      U s 1  m cos t    
Us


(14.2.1.3)
Um
m
Us
- współczynnik głębokości modulacji
 m t   t 
- faza sygnału zmodulowanego
Sygnału zmodulowany
us  U s 1  m cos t     cos   s t  os  
 U s cos   s t  os   U s m cos   s t  os  cos t    
 U s cos   s t  os  




1
 m U s cos ( s   ) t  os   
2

1
m U s cos ( s   ) t  os  
2
(14.2.1.4)
Dla φos = 0 i ξ = 0 sygnał zmodulowany ma postać
us  U s cos   s t  
1
 m U s cos  ( s   ) t  
2
1
 m U s cos  ( s   ) t 
2
(14.2.1.5)
Amplituda
Us
Um
f
FS
Amplituda
a)
b)
f
Us
1
mUs
2
FS - f
1
mUm
2
FS FS + f
Rys.14.2.1.1. Widma sygnałów
a) przed modulacją amplitudy
b) po modulacji amplitudy
f
Rys.14.2.1.2. Modulacja amplitudy
a) sygnał pierwotny,
b) fala nośna,
c) sygnał zmodulowany
Sygnał
modulujący
US
Sygnał
zmodulowany
D+ = D- = Um
Rys.14.2.1.3. Modulacja amplitudy – współczynnik głębokości
modulacji m
US
Dolna wstęga
boczna
FS
Górna wstęga
boczna
Rys.14.2.1.4. Modulacja amplitudy sygnałem niesinusoidalnym
a) akustyczny sygnał modulujący,
b) sygnał zmodulowany,
c) widmo sygnału zmodulowanego.
14.2.2. Modulacja kąta
t    s t  
0s 
Modulacja pulsacji (częstotliwości)
(14.2.2.1)
Modulacja fazy
14.2.2.1. Modulacja pulsacji (częstotliwości)
 sm   s  k1 um t    s  k1 U m cos t    
  s   s cos t   
um t   U m cos t   
(14.2.2.1.1)
- sygnał modulujący
Dewiacja częstotliwości
1
1
Fs 
 s 
k1 U m
2
2
(14.2.2.1.2)
Wskaźnik modulacji częstotliwościowej
mf 
 s

Fs

f
(14.2.2.1.3)
Szerokość pasma zajmowanego przez sygnał z modulacją
częstotliwościową.
Sygnał z modulacją częstotliwościową daje się rozłożyć na
nieskończenie wiele składowych o częstotliwościach Fs ± nf .
Sygnał taki zajmuje zatem teoretycznie pasmo o nieskończenie
wielkiej szerokości. W rzeczywistości jest ono ograniczone wskutek
szybkiego zmniejszenia się dalszych składowych bocznych
i tłumienia ich w obwodach.
Szerokość pasma zajmowanego przez sygnał modulowany
częstotliwościowo można określić wzorem przybliżonym
B = 2(ΔFS + fmax)
Szerokość pasma jest zatem prawie stała.
(14.2.2.1.4)
Rys.14.2.2.1.1. Korekcja charakterystyk częstotliwościowych
sygnałów modulowanych częstotliwościowo :
a) deemfaza (odbiornik systemu FM)
\
b) preemfaza (nadajnik systemu FM)
usm
fS
fS
fS
fS
um
Rys.14.2.2.1.1. Modulacja częstotliwości
Um
14.2.2.2. Modulacja fazy
 0 sm   0 s  k2 um t    0 s  k2 U m cos t    
  0 s   0 s cos t   
(14.2.2.2.1)
um t   U m cos t   
- sygnał modulujący
Dewiacja fazy
os  k2 U m
(14.2.2.2.2)
Wskaźnik modulacji fazy
m p  os
(14.2.2.2.3)
Szerokość pasma zajmowanego przez sygnał z modulacją
fazową.
Sygnał z modulacją fazową, podobnie jak sygnał z modulacją
częstotliwościową, daje się rozłożyć na nieskończenie wiele
składowych o częstotliwościach Fs ± nf .
Sygnał taki zajmuje zatem teoretycznie pasmo o nieskończenie
wielkiej szerokości. W rzeczywistości jest ono ograniczone wskutek
szybkiego zmniejszenia się dalszych składowych bocznych
i tłumienia ich w obwodach.
Szerokość pasma zajmowanego przez sygnał modulowany
fazowo można określić, podobnie jak sygnał modulowany
częstotliwościowo , wzorem przybliżonym
B = 2(ΔFS + fmax)
(14.2.2.2.4)
z tym, że szerokość pasma nie jest stała, ponieważ
ΔFS = f Δφ,
(14.2.2.2.5)
Sygnał z
modulacją
fazową
Sygnał o fazie
zerowej
Rys.14.2.2.2.1. Modulacja fazy
14.3. Modulatory fazy
FS
t
uS(t)
um(t)
DF
FDp
A
VCO
usm(t)
Rys.14.3.1. Modulator fazy z sumatorem przed filtrem
FS
t
uS(t)
um(t)
DF
A
FDp
VCO
usm(t)
14.3.2. Modulator fazy z sumatorem za filtrem
14.4. Modulatory częstotliwości
14.4. 1. Pośrednie modulatory częstotliwości
W pośrednich metodach modulacji wykorzystuje się podobieństwo
modulacji fazowej i częstotliwościowej, które różnią się tylko
zależnością wskaźnika modulacji od częstotliwości sygnału.
mf 
Fs
1 k1 U m
1


k1U m
f
f
2

m p  os  k2 U m
Definicje obu wskaźników podano w (14.2.2.1.3) i (14.2.2.2.3).
Wynika stąd możliwość uzyskania modulatora częstotliwości
z modulatora fazy (rys. 14.4.1.1)
Modulator
fazy
Sygnał
zmodulowany
FM
Sygnał
Korektor
modulujący
1/ω
Rys. 14.4.1.1. Pośrednia metoda modulacji częstotliwościowej
14.4. 2. Bezpośrednie modulatory częstotliwości
14.4.2. Układ bezpośredniego modulatora częstotliwości
14.5. Układy modulacji amplitudy
vout = A0vC+A1vCvm
Fala
nośna
Sygnał
modulujący
14.5.1. Schemat blokowy układu modulacji amplitudy
14.5.2. Prosty układ modulacji amplitudy
14.5.3. Układ modulacji amplitudy z wykorzystaniem obwodu
scalonego (np.. MC1496/1596)
15. Demodulatory
15.1. Uwagi wstępne :
Demodulatorami nazywamy takie układy elektroniczne, które
sterowane sygnałem zmodulowanym (wtórnym) wytwarzają na
wyjściu sygnał dostatecznie zbliżony do sygnału modulującego
(pierwotnego).
W odróżnieniu od modulatorów sygnały wejściowe demodulatorów
mają często poziomy zbliżone do poziomu szumów i zakłóceń,
co wymaga rozważenia ich optymalizacji także z punktu widzenia
stosunku sygnału do szumu.
15.2. Demodulatory amplitudy
Z uwagi na zasadę działania demodulatory amplitudy
dzieli się na :
- asynchroniczne (głównie demodulacja sygnałów AM),
- synchroniczne (demodulacja sygnałów wszystkich rodzajów
modulacji amplitudy : AM, AM-SC, AM-SSB-SC, AM-SSB,
AM-VSB, AM-QAM).
15.2.1. Asynchroniczne demodulatory AM
D
iG(t)
C
L1
u1(t
)
C
R
u0(t)
Rys. 15.2.1.1. Układ z detektorem wartości szczytowej
Rys. 15.2.1.2. Przebiegi napięcia w detektorze wartości szczytowej
u0 t   u0 t1  e
t  t1

RC
du0 t 
dU 1

dt t  t1
dt
1 m
RC 
m m
(15.2.1.1)
(15.2.1.2)
t  t1
2
(15.2.1.3)
W praktyce stosujemy warunek łagodniejszy
1
0
 R C 
1

(15.2.1.4)
m
15.2.2. Demodulatory synchroniczne
Układ mnożący
Usm(t)
km
um(t)
u0(t)
Filtr
Us(t)
Rys. 15.2.2.1. Układ demodulatora synchronicznego
15.2.2.1. Synchroniczne demodulatory AM

 cos  s t  
 U s cos s t   0,5 m U m cos s  m t 
(15.2.2.1.1)
 0,5 m U m cos s   m t
u sm  U s 1  m U m cos  m t
us  U s cos s t   
(15.2.2.1.2)
u0 t   u sm t  u s t   0,5U s U s cos  
 0,5 m U s U m cos  cosm t  
 0,5U s U s cos2  s t    
 0,25 m U s U m cos(2  s  m ) t    
(15.2.2.1.3)
um t   0,5U s U s cos   0,5 mU s U m cos  cosm t 
(15.2.2.1.4)
cos  1
(15.2.2.1.5)
km
Usm(t)
um(t)
Filtr
F  AB  B A
us(t) (φ = 0o)
A
B
Ώs
(φ = 90o)
÷2
VCO
DF
2Ώs
FDp
fG=n f1
Rys. 15.2.2.2. Demodulator amplitudy z układem mnożącym
15.3. Demodulatory częstotliwości
Metody demodulacji :
- dwuetapowa ( sygnał FM
AM i demodulacja AM,
- demodulacja ze zliczaniem impulsów,
- demodulator z układem mnożącym,
- demodulatory z pętlą PLL
Rys. 15.3.1. Zamiana modulacji FM na modulację AM
Rys. 15.3.2. Demodulator FM (Foster –Seeley)
usm(t)
DF
um(t)
FDp
VCO
Rys. 15.3.3. Demodulator z pętlą PLL
A