что такое модуляция сигнала в радио
Теория радиоволн: аналоговая модуляция
Амплитудная модуляция
При амплитудной модуляции, огибающая амплитуд несущего колебания изменяется по закону, совпадающему с законом передаваемого сообщения. Частота и фаза несущего колебания при этом не меняется.
Одним из основных параметров АМ, является коэфициент модуляции(M).
Коэффициент модуляции — это отношение разности между максимальным и минимальным значениями амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений(%).
Проще говоря, этот коэффициент показывает, насколько сильно значение амплитуда несущего колебания в данный момент отклоняется от среднего значения.
При коэффициенте модуляции больше 1, возникает эффект перемодуляции, в результате чего происходит искажение сигнала.
Данный спектр свойственен для модулирующего колебания постоянной частоты.
На графике, по оси Х представлена частота, по оси У — амплитуда.
Для АМ, кроме амплитуды основной частоты, находящейся в центре, представлены также значения амплитуд справа и слева от частоты несущей. Это так называемые левая и правая боковые полосы. Они отнесены от частоты несущей на расстояние равное частоте модуляции.
Расстояние от левой до правой боковой полосы называют ширина спектра.
В нормальном случае, при коэффициенте модуляции
Урок 2.2 Радиосигналы, передача информации, модуляция
В Уроке 2.1 была рассмотрена тема о радиоволнах и распределении частот в эфире. В этом уроке попытаемся выяснить в простой и доступной форме как это реализуется практически.
Радиоволны, это высокочастотные колебания электромагнитного поля, способные распространяться в свободном пространстве на значительные расстояния.
Самое привлекательное в этом то, что с помощью радиоволн можно передавать информацию.
Основными параметрами колебаний являются частота, амплитуда, фаза.
Если на передающей стороне изменять один из параметров колебаний, а на приемной стороне выделять это изменение, то таким способом можно передавать информацию на расстояние.
Процесс изменения одного из параметров колебаний в соответствии с передаваемой информацией на передающей стороне называется модуляцией.
Процесс выделения полезной информации из колебаний на приемной стороне, называется детектированием.
Высокочастотные колебания, параметр которых изменяется при передаче называется несущей.
Полезная информация, которая изменяет параметр несущей, называется модулирующим сигналом.
Если, модулирующий сигнал изменяет частоту несущей – то такая модуляция называется частотной. Модуляция частоты однотонным синусоидальным сигналом представлена на рисунке ниже.
Если модулирующий сигнал изменяет амплитуду несущей – то такая модуляция называется амплитудной. Модуляция амплитуды однотонным синусоидальным сигналом представлена на рисунке ниже.
Если модулирующий сигнал изменяет фазу несущей, то такая модуляция называется фазовой.
Простейший вид фазовой модуляции – фазовая манипуляция, когда фаза меняется скачкообразно.
Существует много видов модуляции. Все они имеют преимущества и недостатки.
Вы уже поняли, что частота несущей во много раз превышает частоту модулирующего сигнала. Модулирующий сигнал, например, речь, занимает область частот до 20 кГц, это при высоком качестве звука, в телефонии, где качество звука низкое — до 3 кГц. Сигналы этой частоты самостоятельно не способны распространяться в эфире на большие расстояния, но если мы ними промодулируем высокочастотный сигнал, например, 90 мГц, то сможем передать на большие расстояния.
Примеры наиболее распространенного использования модуляций:
Амплитудная модуляция – радиовещание на длинных, средних и коротких волнах. Передача видеосигнала в наземном телевизионном вещании.
Частотная модуляция – радиовещание на УКВ (и ФМ) диапазонах, передача звука в наземном телевизионном вещании, передача цветоразностных сигналов в наземном телевизионном вещании системы цветности СЕКАМ (была основной в СССР) и т.д.
Фазовая модуляция — передача цветоразностных сигналов в наземном телевизионном вещании системы цветности ПАЛ (основная в Европе).
При передаче информации с помощью радиосигналов основными задачами, с которыми приходится сталкиваться являются:
Чем выше частоты, тем больше каналов связи можно организовать. Но с ростом частот растет сложность и стоимость оборудования. Сейчас мы видим все более интенсивное освоение частот в диапазоне гигагерц (ГГц) и выше.
Структурная схема простого канала передачи звука на расстояние приведена ниже:
С развитием технического прогресса удается более рационально использовать частоты эфира, в котором так тесно. Хорошим тому примером является внедрение цифрового эфирного телевидения стандарта DVB T2. Если раньше, при простом аналоговом способе телевизионного вещания, на одной частоте дециметрового диапазона, например 430 МГц, располагался один телевизионный канал, то в стандарте DVB T2, на этой одной частоте можно расположить пакет из 8 телевизионных каналов с цифровым качеством. Это преимущество настолько явное, что уже идет повсеместное внедрение стандарта DVB T2 и отключение аналогового телевизионного вещания.
Множество типов радиочастотной модуляции
Радиосвязь построена на простой концепции: постоянно изменяя характеристики синусоиды, мы можем использовать ее для передачи информации.
На этом этапе мы рассмотрели множество важных концепций, которые служат основой для успешного проектирования и анализа реальных радиочастотных схем и систем. Теперь мы готовы исследовать фундаментальный аспект радиотехники: модуляцию.
Что такое модуляция?
Общий смысл глагола «модулировать» означает «модифицировать, регулировать, изменять», и это определяет суть модуляции даже в специализированном контексте беспроводной связи. Модулировать сигнал – это просто преднамеренно изменять его, но, конечно, эта модификация выполняется строго определенным образом, поскольку целью модуляции является передача данных.
Мы хотим передавать информацию – единицы и нули, если мы имеем дело с цифровыми данными, или последовательность постоянно изменяющихся значений, если мы работаем в аналоге. Но ограничения, налагаемые беспроводной связью, не позволяют нам выражать эту информацию обычным способом; вместо этого мы должны разработать новый «язык», или можно сказать «код», который позволит нам передавать ту же информацию, но в рамках ограничений системы на основе электромагнитного излучения. В частности, нам нужен язык, который совместим с высокочастотными синусоидальными сигналами, поскольку такие сигналы являются единственным практическим средством «переноса» информации в типовой радиочастотной системе.
Эта высокочастотная синусоида, которая используется для передачи информации, называется несущей частотой (или просто несущая). Это название полезно, потому что оно напоминает нам о том, что цель радиочастотной системы заключается не в создании и передаче высокочастотной синусоиды. Скорее, целью является передача (низкочастотной) информации, и несущая – это просто средство, которое мы должны использовать для перемещения этой информации от радиочастотного передатчика к радиочастотному приемнику.
Схемы модуляции
В вербальном общении человеческое тело генерирует звуковые волны и модифицирует или модулирует их так, чтобы создавать большое количество гласных и согласных звуков. Разумное использование этих гласных и согласных приводит к передаче информации от говорящего к слушателю. Система, в соответствии с которой модулируются звуковые волны, называется языком.
В радиочастотной связи ситуация очень похожа. Устройство модулирует электрические волны в соответствии с предопределенной системой, называемой схемой модуляции (или способом модуляции). Так же, как существует много человеческих языков, существует множество способов, которыми можно модулировать несущую.
Сложные схемы модуляции помогают современным радиочастотным системам достичь большого расстояния и улучшить устойчивость к помехам
Возможно, что некоторые человеческие языки особенно эффективны в передаче определенных видов информации; если взять пример из древнего мира, возможно, греческий язык был лучше для философов, а латынь лучше приводила в систему законы. Однако нет никаких сомнений в том, что надежная связь возможна с любым надлежащим образом развитым языком, если только оратор и слушатель знают об этом. То же самое верно для радиочастотных систем. Каждая схема модуляции имеет свои преимущества и недостатки, но все они могут обеспечить отличную беспроводную связь, если выполнено основное требование, то есть приемник должен быть способен понять, что говорит передатчик.
Амплитуда, частота, фаза
Базовая синусоида – вещь простая. Если мы игнорируем смещение по постоянному напряжению, ее можно полностью охарактеризовать только двумя параметрами: амплитудой и частотой. У нас также есть фаза, которая вступает в игру, когда мы рассматриваем начальное состояние синусоиды, или когда изменения в волновом поведении позволяют нам отличать одну часть синусоиды от предыдущей. Фаза также имеет значение при сравнении двух синусоид; этот аспект фазы синусоиды стал очень важным из-за широкого использования в радиочастотных системах квадратурных (или «IQ») сигналов. Мы рассмотрим концепции IQ в этом учебнике позже.
Как обсуждалось выше, модуляция – это модификация, и можем изменить только то, что уже присутствует. У синусоид есть амплитуда, частота и фаза, и поэтому неудивительно, что способы модуляции классифицируются как амплитудная модуляция, частотная модуляция или фазовая модуляция. (На самом деле можно объединять эти категории, комбинируя амплитудную модуляцию с частотной или фазовой модуляцией.) В каждой из этих категорий есть две подкатегории: аналоговая модуляция и цифровая модуляция.
Амплитудная модуляция (АМ, англ. AM)
Аналоговая амплитудная модуляция состоит из умножения непрерывно изменяющейся синусоидальной несущей на смещенную версию непрерывно изменяющегося информационного (низкочастотного) сигнала. Под «смещенной версией» я подразумеваю, что мгновенная амплитуда низкочастотного сигнала всегда выше или равна нулю.
Предположим, что у нас есть несущая 10 МГц и низкочастотный сигнал 1 МГц:
Низкочастотный сигнал 
Несущая частота
Если мы перемножим эти два сигнала, то получим сигнал следующей (неправильной) формы:
Несущая, умноженная на низкочастотный сигнал
Вы можете четко видеть взаимосвязь между низкочастотным сигналом (красный) и амплитудой несущей (синий).
Но у нас есть проблема: если вы посмотрите только на амплитуду несущей, то как сможете определить, находится ли значение низкочастотного сигнала в положительной или отрицательной полуволне? Это невозможно – и, следовательно, амплитудная демодуляция не будет правильно извлекать низкочастотный сигнал из модулированной несущей.
Смещенный низкочастотный сигнал
Если мы умножим смещенный низкочастотный сигнал на сигнал несущей, то получим следующее:
Несущая, умноженная на смещенный низкочастотный сигнал
Теперь амплитуда несущей может быть непосредственно соотнесена с поведением низкочастотного сигнала.
Самая простая форма цифровой амплитудной модуляции применяет ту же математическую связь с низкочастотным сигналом, чья амплитуда равна 0 или 1. Результат называется «амплитудная манипуляция» («on-off keying», OOK, или «манипуляция включено-выключено»): когда информационный сигнал равен логическому нулю, амплитуда несущей равна нулю («выключено»); когда информационный сигнал равен логической единице, амплитуда несущей равна максимальному значению («включено»).
Частотная модуляция (ЧМ, англ. FM) и фазовая модуляция (ФМ, англ. PM)
Частотная и фазовая модуляции тесно связаны, потому что частота и фаза тесно связаны между собой. Это не так очевидно, если вы считаете, что частота равна числу полных циклов в секунду – как число циклов в секунду связано с положением синусоиды в заданный момент во времени цикла? Но это имеет смысл, если вы считаете мгновенную частоту, т.е. частоту сигнала в заданный момент (несомненно, парадоксально описывать частоту как мгновенную, но в контексте практической обработки сигналов мы можем смело игнорировать сложные теоретические детали, связанные с этой концепцией).
В базовой синусоиде значение мгновенной частоты совпадает со значением «нормальной» частоты. Аналитическое значение мгновенной частоты появляется, когда мы имеем дело с сигналами, у которых частота изменяется во времени, т.е. частота является не постоянным значением, а скорее функцией времени, записанной как ω(t). В любом случае, важным моментом нашего текущего обсуждения относительно тесной взаимосвязи между частотой и фазой является следующее: мгновенная угловая частота является производной фазы по времени. Поэтому, если у вас есть выражение φ(t), которое описывает изменяющееся во времени поведение фазы сигнала, то скорость изменения φ(t) (по времени), дает вам выражение для мгновенной угловой частоты.
Позже в этой главе мы рассмотрим частотную и фазовую модуляции. А пока давайте закончим следующим графиком, который показывает математическую взаимосвязь в частотной модуляции между низкочастотным сигналом и сигналом несущей частоты, используемых ранее:
Частотная модуляция
В подавляющем большинстве случаев речевой радиообмен в КВ, Си-Би и УКВ диапазонах предполагает использование амплитудной (АМ), частотной (FM) и однополосной (SSB) модуляции. Несколько особняком стоит телеграф (CW). Последний вид модуляции по мнению многих считается отмирающим, невзирая на его огромную дальнобойность при прочих равных условиях, из-за необходимости соответствующей квалификации оператора. К сожалению освоить «ключ» действительно непросто, да и скорость работы телеграфом в любом случае заметно ниже скорости радиообмена «голосовыми» видами модуляции. Но не обратить на него внимание было бы ошибкой. Итак, рассмотрим виды модуляции поподробнее, по мере возрастания их эффективности.
1. Амплитудная модуляция (АМ) по сути изменяет выходную мощность передатчика, согласно изменению звука. Наименее эффективный вид модуляции, так как большая часть мощности передатчика тратится, по сути, на излучение несущей частоты, и лишь малая часть этой мощности несет полезную информацию. Аппаратура связи, работающая с этим видом модуляции, подвержена очень многим видам помех, как по приемной, так и по передающей стороне. Однако, в силу простоты техники для работы в этой модуляции, она получила десятилетия назад очень серьезное распространение. Сейчас в АМ работают в основном ДВ/СВ/КВ вещательные радиостанции, в ней ведется радиообмен между самолетами гражданской авиации и наземными службами на ближних подступах. По полувековой традиции в АМ работает международно принятый дорожный (дальнобойный) канал (15 АМ на частоте 27.135 МГц). Пожалуй, в сиби диапазоне амплитудная модуляция нужна только в этом канале, и больше нигде в нем не применяется. (В некоторых регионах дальнобойщики используют «свои» местные каналы, например, польские водители часто общаются в 28 канале в «нулях» (частота 27280 кГц), но тоже чаще всего в АМ.) В наше время использование амплитудной модуляции для передачи звука (голоса) скорее дань традиции. В любительских или служебных УКВ бэндах она не получила какого-то распространения, за исключением так называемого «авиационного диапазона» (118-136 МГц). В то же время аналоговое эфирное телевидение во всем мире для передачи «картинки» использует именно амплитудную модуляцию.
2. Частотная модуляция (FM) накладывает звуковую информацию на несущую частоту посредством некоего изменения ее значения, то есть излучаемая частота «плавает» в определенных пределах, согласно изменению звука. Размах этого изменения называется девиация. В сиби, вещательных УКВ и любительских/профессиональных УКВ диапазонах приняты разные значения девиации.
Таким образом, в полосе одного радиовещательного FM передатчика «помещается» без взаимных помех 16-20 каналов радиосвязи. В полосу же одного телевизионного вещательного передатчика (8 МГц) «влезает» до 800 каналов голосовой AM или FM радиосвязи.
Если не брать вещательную WFM в расчет (здесь «по правилам игры» можно пожертвовать огромной излучаемой мощностью и при этом весьма скромной при прочих равных условиях дальностью уверенного приема ради его высокого качества), частотная модуляция куда эффективнее, помехозащищеннее и «дальнобойнее» амплитудной. На практике при прочих равных условиях, к примеру на частотах сиби диапазона, дальность связи растет где-то в 1,5 раза при переходе из АМ в FM.
Не получив распространения в КВ служебных и радиолюбительских диапазонах, частотная модуляция стала практически единственным видом модуляции в сиби и любительских/служебных УКВ диапазонах в силу эффективности и удобства повседневного использования.
3. Однополосная модуляция (SSB) сложнее и в схемотехнической реализации и в повседневном использовании (в силу чего редко применяется на транспортных средствах), да и в объяснении сути такого способа наложения звуковой информации на радиочастоту пожалуй тоже. Тем не менее попробую.
Предположим, что Вы промодулировали по амплитуде радиосигнал частотой в 1 МГц звуковым сигналом в 1 КГц. Математически в этом случае выходная мощность передатчика поделится на три неравных по выходной мощности сигнала (несущая частота 1 МГц + частота несущей за вычетом частоты модулирующего сигнала или нижняя боковая полоса 999КГц + сумма частоты модулирующего сигнала и несущей частоты, или верхняя боковая полоса). Собственно говоря, информацию о звуковом сигнале будет нести лишь малая часть выходной мощности передатчика, а львиная доля ее будет уходить в разогрев воздуха. Так от половины (теоретический минимум) до 80-90 процентов (на практике) мощности передатчика уйдет на формирование несущей частоты, а верхняя и нижняя боковые полосы будут нести полезную информацию о голосе оператора. При этом как верхняя (USB), так и нижняя (LSB) боковые полосы будут содержать полную информацию о наложенном звуке.
Возникает резонный вопрос: зачем излучать несущую и одну из боковых полос, бесполезно растрачивая до 90% мощности передатчика?
Оказывается, делать это совершенно необязательно, и схемотехнически подавив все, кроме нужной нам боковой полосы, мы получаем однополосную модуляцию.
При прочих равных условиях этот вид модуляции из «голосовых» наиболее эффективен по дальнобойности, но неудобен в работе тем, что для полноценного приема речевого сообщения необходимо точно настраиваться на частоту передачи. В силу разных причин настройку приходится уточнять фактически в процессе ведения радиообмена, а неточность настройки в 100-200 Гц уже ощутимо сказывается на разборчивости речевого сообщения.
Полоса частот, занимаемая одним SSB передатчиком, соответствует полосе передаваемого голосового сигнала (около 3-3,5 кГц), что в 3-4 раза Уже, чем у АМ или NFM передатчика.
В силу описанных причин данный вид модуляции получил распространение в основном в служебных и любительских КВ бэндах. В сиби диапазоне, как и в УКВ любительских диапазонах, применяется крайне редко, а в служебных УКВ диапазонах применения вообще не нашел.
В радиолюбительских КВ бэндах на частотах ниже 10 МГц принято работать в LSB, а выше в USB. Служебные радиостанции в основном используют USB.
4. Телеграф (CW) в наше время в основном используется в радиолюбительских КВ (и намного реже в УКВ) диапазонах. В силу того, что детектирует эту модуляцию по большому счету человеческий мозг, а не «железо», при должной квалификации оператора на протяжении более чем века данный вид модуляции уверенно держит первенство по дальнобойности/эффективности при прочих равных условиях. Помехозащищенность телеграфа также выше всяких похвал, и опытный телеграфист в состоянии принимать сообщения фактически даже при отрицательном соотношении «полезный сигнал/шум», но к сожалению остается все меньше людей, умеющих грамотно работать на ключе.
Как работает AM / FM радио
Когда вы включаете радио, вы слышите музыку и голос, который транслируется за несколько километров.
Что такое радиоволны?
Радиопередачи AM и FM передаются по воздуху через радиоволны, которые являются частью широкого спектра электромагнитных волн, которые включают в себя видимый свет, рентгеновские лучи, гамма-лучи и другие.
Электромагнитные волны вокруг нас на разных частотах. Радиоволны похожи на световые волны, но частоты наши глаза не воспринимают.
Электромагнитные волны генерируются переменным током (AC), электрической мощностью, используемой для запуска каждого устройства в наших домах от стиральных машин до телевизоров. Переменный ток составляет 220 вольт при частоте 50 Гц, что означает, что ток чередуется или меняет направление в проводе 50 раз в секунду. Например, США используют 60 Гц в качестве стандарта. Как 50, так и 60 Гц являются относительно низкими частотами, но даже 60 Гц переменного тока генерирует некоторый уровень электромагнитного излучения, а это означает, что часть электричества выходит из провода и передается в воздух. Чем выше частота, тем больше электричества выходит из провода.
Чтобы превратиться в полезные сигналы, передающие информацию (музыку или голос), должна произойти модуляция, она является основой для радиосигналов AM и FM. Фактически, AM означает амплитудную модуляцию, а FM означает частотную модуляцию.
Другим словом для модуляции является изменение. Электромагнитное излучение должно быть модулировано или изменено для использования в качестве радиопередачи. Без модуляции никакая информация не передается в радиосигнале.
Радиопередачи AM
Радио AM использует амплитудную модуляцию и является самой простой формой радиовещания. Чтобы понять амплитудную модуляцию, рассмотрите стационарный сигнал, передающий на частоте 1000 кГц в диапазоне AM. Амплитуда постоянного сигнала не изменяются или не модулируются, поэтому нет полезной информации. Устойчивый сигнал генерирует только шум, пока он не будет модулирован голосом или музыкой.
Радио AM страдает от большого количества шума и помех, чем FM, особенно во время грозы. Электричество, генерируемое молнией, создает шумовые пики, полученные тюнером AM. Радио AM также имеет очень ограниченный диапазон аудио, от 200 Гц до 5 кГц, что ограничивает его полезность в радио.
FM-радиовещание
FM-радио использует частотную модуляцию, которая изменяет или модулирует частоту сигнала, сохраняя постоянную амплитуду. Когда частота модулируется, музыка или разговор передаются через несущую частоту.
FM-радио работает в диапазоне от 87,5 МГц до 108,0 МГц, гораздо более высокий диапазон частот, чем AM-радио.
Диапазон расстояний для передач FM более ограничен, чем AM, обычно менее 160 километров, но лучше подходит для музыки, поскольку диапазон частот FM составляет от 30 Гц до 15 кГц. FM-трансляции также обычно находятся в стереофоническом режиме, хотя несколько станций AM также транслируют стереосигналы.
Хотя FM-сигналы могут подвергаться шуму от молнии, то они используют функцию ограничителя, которая отсекает шумовые пики для получения относительно бесшумного сигнала.