Параметры сигнала

Введение

Модулированный сигнал как единственный возможный носитель информации чрезвычайно широко используется в радиоэлектронике и других областях науки и техники. В, частности, амплитудно-модулированные сигналы применяют в радиовещании и во многих специальных радиоэлектронных устройствах. Сигналы с угловой модуляцией используют в системах связи, телевидении, радионавигации, системах телеуправления и др. В данной теме будут рассмотрены основные параметры модулированных сигналов и методы определения коэффициента модуляции и девиации частоты.

Вопрос № 1. Виды модуляции и их характеристика

Параметры сигнала

Сигнал – это физический процесс, содержащий в себе некоторую информацию. На практике чаще всего используются электрические сигналы. При этом, носителем информации является изменяющиеся во времени ток или напряжение в электрической цепи. Электрические сигналы легче обрабатывать чем другие, они хорошо передаются на большие расстояния.

Выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы.

Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени.

Пример аналогового сигнала – гармонический сигнал:

е(t)=A·cos(ωt+φ).

Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.

Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчетами, а интервал Δt называется интервалом дискретизации.

При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N-1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчеты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичных чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log₂(N).

Для того, чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.

Модуляция – процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного модулируемого (переносчика, несущего) колебания u_н(t), под воздействием относительно низкочастотного управляющего модулирующего сигнала e(t).

Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале e(t).

В результате модуляции спектр управляющего сигнала переносится в область высоких частот, где передача электромагнитных сигналов посредством излучения более эффективна.

Роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (последовательность импульсов прямоугольной, треугольной формы и т.д.), однако чаще всего применяются синусоидальные гармонические колебания вида:

, (1)

где U_н – амплитуда в отсутствие модуляции;

w₀ – угловая (круговая) частота;

j₀ – начальная фаза;

y(t) = w₀t +j₀ – полная фаза.

В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется (амплитуда U_н, частота ω₀ или начальная фаза φ₀), различают виды модуляции: амплитудная, частотная, фазовая.

Частотная и фазовая модуляция тесно взаимосвязаны, поскольку изменяют аргумент функции косинуса, и их обычно объединяют под общим названием – угловая модуляция (angle modulation). В каналах передачи цифровой информации получила также распространение – квадратурная модуляция, при которой одновременно изменяются амплитуда и фаза несущих колебаний.

Модуляция дискретным (цифровым) сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется (амплитуда U_н, частота ω₀ или начальная фаза φ₀), различают виды манипуляции: амплитудная, частотная, фазовая.

При использовании в качестве несущих сигналов периодических последовательностей импульсов (например, прямоугольных) параметрами модуляции могут быть амплитуда, длительность, частота следования и фаза (положение импульса относительно тактовой точки) импульсов. Это дает четыре основных вида импульсной модуляции: амплитудно-импульсная, широтно-импульсная, частотно-импульсная и фазо-импульсная.

В качестве несущих сигналов можно использовать не только периодические колебания, но и стационарные случайные процессы. В качестве модулируемых параметров случайных сигналов используются моменты случайных процессов. Так, например, модуляция второго момента случайных последовательностей (модуляция по мощности) представляет собой аналогию амплитудной модуляции.

Физический процесс, обратный модуляции, называется демодуляцией, или детектированием, и заключается в получении из модулированного колебания сигнала, пропорционального модулирующему.