Теория радиоволн: аналоговая модуляция

    image

    Продолжаем серию общеобразовательных статей, под общим названием «Теория радиоволн».
    В предыдущих статьях мы познакомились с радиоволнами и антеннами:

    Давайте ближе познакомимся с модуляцией радиосигнала.

    В рамках этой статьи, будет рассмотрена аналоговая модуляция следующих видов:

    • Амплитудная модуляция
    • Амплитудная модуляция c одной боковой полосой
    • Частотная модуляция
    • Линейно-частотная модуляция
    • Фазовая модуляция
    • Дифференциально-фазовая 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.

    image

    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.

    Спектр АМ



    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 <=1, амплитуды боковых полос меньше или равны половине амплитуды несущей.
    Полезная информация заключена только в верхней или нижней боковых полосах спектра. Основная спектральная составляющая — несущая, не несет полезной информации. Мощность передатчика при амплитудной модуляции в большей части расходуется на «обогрев воздуха», за счет не информативности самого основного элемента спектра.

    Амплитудная модуляция с одной боковой полосой


    В связи с неэффективностью классической амплитудной модуляции, была придумана амплитудная модуляция с одной боковой полосой.
    Суть ее заключается в удалении из спектра несущей и одной из боковых полос, при этом вся необходимая информация передается по оставшейся боковой полосе.



    Но в чистом виде в бытовом радиовещании этот вид не прижился, т.к. в приемнике нужно синтезировать несущую с очень высокой точностью. Используется в аппаратуре уплотнения и любительском радио.
    В радиовещании чаще используют АМ с одной боковой полосой и частично подавленной несущей:



    При такой модуляции соотношение качество/эффективность наилучшим образом достигается.

    Частотная модуляция


    Вид аналоговой модуляции, при которой, частота несущей изменяется по закону модулирующего низкочастотного сигнала. Амплитуда при этом остается постоянной.



    а) — несущая частота, б) модулирующий сигнал, в) результат модуляции

    Наибольшее отклонение частоты от среднего значения, называется девиацией.
    В идеальном варианте, девиация должна быть прямо пропорционально амплитуде модулирующего колебания.

    Спектр при частотной модуляции выглядит следующим образом:



    Состоит из несущей и симметрично отстающей от нее вправо и влево гармоник боковых полос, на частоту кратную частоте модулирующего колебания.
    Данный спектр представляет гармоническое колебание. В случае реальной модуляции, спектр имеет более сложные очертания.
    Различают широкополосную и узкополосную ЧМ модуляцию.
    В широкополосной — спектр частот, значительно превосходит частоту модулирующего сигнала. Применяется в ЧМ радиовещании.
    В радиостанциях применяют в основном узкополосную ЧМ модуляцию, требующую более точной настройки приемника и соответственно более защищенную от помех.
    Спектры широкополосной и узкополосной ЧМ представлены ниже



    Спектр узкополосной ЧМ напоминает амплитудную модуляцию, но если учесть фазу боковых полос, то окажется, что эти волны имеют постоянную амплитуду и переменную частоту, а не постоянную частоту и переменную амплитуду (AM). При широкополосной ЧМ амплитуда несущей может быть очень малой, что обусловливает высокую эффективность ЧМ; это значит, что большая часть передаваемой энергии содержится в боковых частотах, несущих информацию.

    Основные преимущества ЧМ, перед АМ — энергоэффективность и помехоустойчивость.

    Как разновидность ЧМ, выделяют Линейно-частотную модуляцию.
    Суть ее заключается в том, что частота несущего сигнала изменяется по линейному закону.





    Практическая значимость линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов заключается в возможности существенного сжатия сигнала при приеме с увеличением его амплитуды над уровнем помех.
    ЛЧМ находят применение в радиолокации.

    Фазовая модуляция

    В реальности, больше применяют термин фазовая манипуляция, т.к. в основном производят модуляцию дискретных сигналов.
    Смысл ФМ таков, что фаза несущей, изменяется скачкообразно, при приходе очередного дискретного сигнала, отличного от предыдущего.



    Из спектра можно видеть, почти полное отсутствие несущей, что указывают на высокую энергоэффективность.
    Недостаток данной модуляции в том, что ошибка в одном символе, может привести к некорректному приему всех последующих.

    Дифференциально-фазовая манипуляция

    В случае этой модуляции, фаза меняется не при каждом изменении значения модулирующего импульса, а при изменении разности. В данном примере при приходе каждой «1».



    Преимущество этого вида модуляции в том, что в случае возникновения случайной ошибки в одном символе, это не влечет дальнейшую цепочку ошибок.

    Стоит отметить, что существуют также фазовые манипуляции такие как квадратурная, где используется изменение фазы в пределах 90 градусов и ФМ более высоких порядков, но их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.

    PS: хочу еще раз отметить, что цель статей не заменить учебник, а рассказать «на пальцах» об основах радио.
    Рассмотрены лишь основные виды модуляций для создания у читателя представления о теме.
    Поделиться публикацией

    Похожие публикации

    Комментарии 65

      +2
      Стоит добавить, что фазовые и дифференциально-фазовые манипуляции могут кодировать не только 0 и 1, а, теоретически, любое количество дискретных значений, пока оборудование может различать соответствующие им фазовые сдвиги.
        +1
        основное применение все же 0 и 1.
        И в качестве понимания проще.
          +3
          с точностью до наоборот.
            0
            но возможно я еще живу военной радиотехникой, там все более консервативно.
            Главное, чтоб принцип был понятен.
              0
              Тогда не понятен вот этот тезис про ФМн
              В чистом виде этот вид модуляции почти не применяется

              В военке как раз таки часто, в радиолокации, радионавигации, дальней/скрытной связи на базе широкополосных сигналов. Короче везде где используется оптимальная фильтрация и корреляционный критерий.
                0
                за 10 лет в войсках связи, на практике применения не видел
                  0
                  Р-419
                    0
                    А вы поинтересуйтесь как ваши радарные установки работают, и GPS приемники.
                    0
                    Тем более что сигнальное созведие ФМ-4 этот тот же КАМ-4, который везде и повсюду.
                      0
                      ФМн хорошо коррелируется, но у такого сигнала, применительно к радиолокации, есть и недостаток ведь. Энергетика меньше. Тут больше ЛЧМ подходит.

                      Про радионавигацию и связь ничего не говорю.
                        0
                        да, но ФМн позволяет не расширяя полосу сигнала, повышать отклик оптимального приемника за счет увеличения длительности сигнала, что не возможно для ЛЧМ, а это уже рост дальности / помехоустойчивости.
                0
                Многопозиционной (то есть кодировать не 0 и 1, а большее кол-во дискретных значений) может быть и и частотная манипуляция и фазовая и амплитудная. Собственно КАМ модуляция начинается от 4 позиций и выше. Доходит 64 дискретных уровней.
                  +2
                  КАМ-256 802.11 n и ac
                    0
                    В n 64QAM, в ac таки да, 256
                      0
                      Ваша правда
                0
                Какая-то совсем непонятная фраза:
                В широкополосной — девиация в несколько раз больше частоты несущей до 75 КГц.
                Несущая частота нашего радио 101.7 МГц, девиация при этом 75 КГц, что явно не больше в несколько раз несущей.

                А по поводу частотной и фазовой модуляции можно сказать, что все это подвиды угловой модуляции. И по большому счету чистая ЧМ редко где используется. Перед тем как подать сигнал на модулятор, его пропускают через фильтры пред-коррекции (pre emphasis), а на приемной стороне наоборот, через фильтр пост-коррекции (de emphasis). Фильтр ВЧ это дифференциатор. В случае с ЧМ, частота передаваемого сигнала пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала, а в случае ФМ — амплитуде производной модулирующего сигнала.
                  +1
                  Из спектра можно видеть, почти полное отсутствие несущей, что указывают на высокую энергоэффективность.
                  В чистом виде этот вид модуляции почти не применяется, из-за того, что ошибка в одном символе, может привести к некорректному приему всех последующих.

                  А откуда такие данные, позвольте полюбопытствовать?

                  Картинка вашего Фазоманипулированого сигнала, будет с точностью до пикселя соответствовать картинке АМ сигнала с модулируещей последовательностью 1 -1 1 и глубиной модуляции 1 (100%). А как мы знаем у АМ несущая не подавлена. И расположение минимумов и максимумов на АЧС будет кардинально противоположным.
                    +1
                    Нифига не понятно про АМ.
                    «Частота и фаза несущего колебания при этом не меняется.»
                    На кртинке я вижу тоже только одну частоту.
                    Откуда берутся боковые полоосы в спектре?
                    Как вообще выглядит сигнал?
                      0
                      Автор не упомянул спектральное свойство АМ модуляции, а именно она переносит спектр сигнала на частоту несущей. Как мы знаем спектр синусоиды — это палка на частоте синусоиды симметрично отстоящая от нуля в обе стороны. Если этот спектр перенести на несущую, получим то что вы видели на картинке.
                        0
                        Вероятно, я пропустил какие-то уроки физики.
                        По моим представлениям спектр синусоиды — это одна палка на частоте синуоиды.
                        Палка отстоящая от нуля симметрично будет означать отрицательную частоту не имеющую физического смысла.
                          0
                          Речь шла о математическом спектре, извините не уточнил.
                          Математический спектр — это спектр по Фурье, отличается от физического симметричным хвостом в области отрицательных частот и вдвое меньшей амплитудой.
                            0
                              0
                              физического смысла не имеет — это математическая абстракция для удобства счета.
                                0
                                Я знаю. Более того, лекции со второй, рисовали только правые гармоники, в два раза большие.
                                  0
                                  Точно так. А мы с вами не на одни и те-же лекции ходили?
                                    +1
                                    ТУСУР, РТФ :)
                                      +1
                                      КПИ, РТФ :)
                            0
                            Это свойство любой модуляции вообще. Перенос на несущую частоту.
                              0
                              Да, но спектр сохраняет только АМ, и частный случай ФМн упомянутый выше.
                          0
                          Картинки для фазовой и диф-фазовой - цифровая модуляция, а не аналоговая как заявлено, т.к. модулирующий сигнал цифровой. А в классике вообще дифференциально-фазовая чаще называется относительной фазовой модуляцией (ОФМ). «Дифференциальная» чаще применяется к ДИКМ(Диференциально Импульсно Кодовая Модуляция), так как там это более уместно точки зрения понимания самой системы (кодирование прироста уровней квантования).
                          И еще немного занудства. АМ с одной боковой полосой очень даже хорошо прижился в аппаратуре уплотнения для проводных линий связи.
                            0
                            там все равно есть пилот сигнал на частоте несущей, иначе не настроиться приемником.
                              +1
                              Нет. Вы не правы. АМ спектра КТЧ только для формирования канальных групп и переноса на другие частоты.
                                0
                                Там настраиваться не надо. Решетка фильтров полосовых и все. Частота фиксирована. Как пример: П-302, если вам это о чем-то говорит.
                                  0
                                  Да. Теперь освежил в памяти, действительно так. П-302 Комплекс «Топаз» если не ошибаюсь?
                                    0
                                    Да. Или «Азур».
                              +2
                              «фаза меняется не при каждом изменении значения модулирующего импульса, а при изменении разности»

                              на картинке:
                              0|0 разница 0 фаза не меняется
                              0|1 разница +1 фаза меняется
                              1|0 разница -1 фаза не меняется
                              1|1 разница 0 фаза меняется

                              о каком изменении разницы вообще речь?
                                0
                                Недостаток данной модуляции в том, что ошибка в одном символе, может привести к некорректному приему всех последующих.

                                Не понятно почему это так. Приведите пример пожалуйста.
                                  +1
                                  Не приведено такое важное понятие, касающееся ФМн, как «обратная работа».

                                  Сразу пример, чтобы проще пояснить.
                                  У вас принят код «0» — 0градусов, «1» — 180 градусов. И Вы, собственно, передаете последовательность сигнальных интервалов с такой фазой. Излучаете это в канал связи (атмосферу например) и в нем ваш сигнал будет иметь фазовый сдвиг ( переотражения, метео-явления и так далее). Если этот эффект даст сдвиг больше, чем на 90 градусов, то Ваш «0» по заложенному коду будет трактоваться как «1», и наоборот. В итоге Вы имеете абсолютно неверную последовательность.

                                  Относительная ФМн позволяет этого избежать. Естественно используя хитрость.
                                  При ОФМн кодируется не абсолютная величина начальной фазы на сигнальном интервале, а её изменение.
                                  Например задается код. «0»- не менять фазу, «1» — повернуть фазу на 180 градусов.
                                  Тут также при обратной работе будет возникать систематическая ошибка.

                                  Делается следующее. Передается «коррекционный бит». Например условлено, что первый сигнальный интервал не информативен, а сообщение начинается со второго. Получается, что если второй бит «0» — фаза сохранится, если «1» — фаза повернется на 180 градусов относительно коррекционного бита. Всё обратная работа устранена.
                                    0
                                    Вот теперь я понял. Но эту ситуацию можно исправить за счет протокола:
                                    на сколько я знаю в ФМн сигнале также передаются корректирующие бит/биты, а вычисление фазы производится относительно опорного генератора в приемнике, синхронизированного по этим корректирующим битам. Но согласен это сложнее чем ОФМн.

                                      0
                                      Еще, можно добавить, что на практике часто применяются дифференциальные модуляции с дополнительным сдвигом. То есть сигнальное созвездие вращается на каждом символе на дополнительный фиксированный угол. Например Pi/4 DQPSK, сделано это для того, что бы облегчить схемотехнику выходных каскадов, и снизить ток потребления, так как ликвидируется переход сигнала через 0, снижаются требования по линейности усиления выходного каскада. Максимальный угол перехода становится равным не 180 град., а 135 град.
                                    +2
                                    Для плавного перехода от чистой теории к реальному применению, можно было бы описать кратко модуляции типа GMSK, QPSK, QAM16, QAM32, QAM64 на который сейчас де факто построена передача данных в мобильных сетях.
                                      0
                                      QPSK, QAM16, QAM32, QAM64 применяется и в телевизионных стандартах DVB-S, DVB-C, DVB-T. Честно признаться, сегодня сложно найти область цифрового вещания, где-бы не применялся данный вид модуляции.
                                        +3
                                        тем более было бы интересно увидеть переход от сухой теории к такой востребованной практике :) Я просто знаю об этих модуляциях только со стороны мобильных сетей, в силу профессиональной специфики.
                                      +2
                                      Вот ни черта не понял про несущую и боковые в AM

                                      Сначало написанно что «этот коэффициент показывает, насколько сильно значение амплитуда несущего колебания в данный момент отклоняется от среднего значения»

                                      а потом «Основная спектральная составляющая — несущая, не несет полезной информации»

                                      Почему так? Я, честно говоря, думал что у несущей меняется аплетуда, и это изменения несущей потом на приёмнике преобразуется в информационный сигнал (например звук в AM радио).
                                      А то в википедии также скупо и нифига не понято.

                                        +2
                                        Похоже, эта статья для тех, кто уже и так в этом разбирается.
                                        А остальным — википедить и мониторить coursera и edx.
                                          0
                                          ​Всё зависит от той планки, которую Вы ставите перед собой. Если хотите оперировать терминами и знать определения, то достаточно чтения энциклопедий и «лёгких» топиков. Существует множество способов познания информации, об этом расскажет какой-нибудь источник по педагогике. Что касается моего мнения, то понимания можно достичь лишь обладая искренним интересом и немного трудолюбием, чтобы честно руками самому проверить все факты. Конечно же я имею в виду математические выкладки в данном случае. Как результат — станут очевидны отрицательные частоты в спектрах и прочие вопросы, поднятые в комментариях и статье.

                                          Мне доставляет удовольствие, что существует такой цикл статей. Я вообще за любые инициативы по популяризации научного метода и знаний. Поэтому буду рад, если подобных статей будет много. Лишь бы регулятор на Хабре одобрял это начинание и было много интересующихся людей. Вдобавок я был удивлён, что во время Нобелевской недели ни одной темы не проскочило о премии, номинантах и темах исследований (зато все узнали про новые смартфоны).

                                          P.S. Некогда писал статью на Хабре о OFDM, уровень её невысок, но примерно половина (возможно и более) статьи рассказывает для совсем начинающих о элементарных вещах: сигнал, спектр, модуляция… Возможно кому-то будет полезно: habrahabr.ru/post/129101/
                                            +1
                                            Руками самому проверить всё я мог бы и без помощи статьи, а открыв википедию и продолжив ползать там по ссылкам.

                                            Вот в вашей статье всё расписано по шагам и с отсылками к терминам, которые можно нагуглить и навикипедить, если что-то не до конца ясно из текста.

                                            Тут же повествование: состосит из фрагментов, противоречащих друг другу в формулировках и никак несвязанных ни материалом статьи, ни терминами, ни ссылками.
                                            (например: «частота не меняется» — «боковые частоты» — «несущая не несёт информации», или «фаза меняется при изменении разности» + картинка где фаза меняется хер знает как)

                                            Тем, кто это и так знает, возможно, статья и доставит удовольствие и повод подискутировать в комментах.
                                            Тем, кто не знает, она бесполезна, потомучто откуда тут всё выдрано и куда гуглить дальше не понятно.
                                            А если гуглить с начала, то нагуглиться весь материал статьи и ещё больше.
                                              0
                                              Подстава в том, что такая статья не сильно полезнее простого перечня терминов из предметной области. Типа прочитал ключевые слова — иди, гугли, сам разбирайся… Это НЕ популяризаторство, это издевательство.
                                            0
                                            Да, не путайтесь, всё верно. Для простой амплитудной модуляции информационным сигналом является именно модулирующее колебание (закон изменения амплитуды несущей), а несущая на то и несущая что его переносит.

                                            Центральная, высокая гармоника спектра — это именно несущая. И да, она не несет полезной информации. Боковые гармоники — это представление модулирующего колебания, они отстают на частоту модуляции.

                                            Пример:
                                            Моделирующее колебание — 10кГц, несущая — 1МГц.
                                            в спектре 3 составляющие: несущая — 1МГц; 2 боковые 0.990МГц и 1,010МГц.
                                            Чтобы выделить из сигнала информацию — нужно выделить именно эти 10кГц.

                                            Конечно это просто пример, закон модуляции может быть не синусоидальный и не периодический.
                                            +1
                                            > Различают широкополосную и узкополосную ЧМ модуляцию.
                                            > В широкополосной — девиация в несколько раз больше частоты несущей

                                            Автор явно не понимает того что пишет
                                              +1
                                              Я вот пытаюсь понять, с какого момента Хабр стал хранилищем конспектов лекций и учебников? Давайте заодно выложим «Основы HTML» и «Базовые понятия TCP/IP», как будто в интернете мало информации на эту тему…
                                                0
                                                была придумана амплитудная модуляция с одной боковой полосой.

                                                Но в чистом виде этот вид не прижился, т.к. в приемнике нужно синтезировать несущую с очень высокой точностью.

                                                O_o а как весь мир тогда SSB пользуется?
                                                  +3
                                                  Не вижу тут никакого «на пальцах». Скопировано с учебника, причем, достаточно поверхностно. Если уж затронули спектр, объясняйте (тоже «на пальцах») что это такое.
                                                    +2
                                                    Я не очень понимаю действий автора. Ну давайте на Хабр копировать учебники…
                                                      +1
                                                      В отличие от двух предыдущих статей, эта статья сложновата. Было бы здорово, если бы она содержала меньше информации, но с большей детализацией и большим числом примеров.

                                                      И — никак не освещена тема, как работает приемник-передатчик при разных видах модуляции, на каких принципах, подробно. Если для амплитудной модуляции это еще можно понять (берем колебательный контур из катушки и конденсатора, колеблющийся с частотой несущей, и как-то там прикручиваем к усилителю и динамику), то от меня ускользает, как можно реализовать прием частотной модуляции. Было бы очень интересно почитать про это в понятной простой форме. Представтье, что ваш читатель — это современный человек, попавший на машине времени на 200 лет назад и желающий там построить приемник-передатчик. 99% людей, окончивших школу и даже институт, сейчас не смогут это сделать, а благодаря вашей серии статей — смогли бы, ваша миссия может быть в этом! :)
                                                        0
                                                        Как в старом анекдоте. Преобразовываем в приемнике ЧМ в АМ и задача сводится к предыдущей :-) Это если совсем кратко.

                                                        При демодуляции ЧМ сигнала, его подают на колебательный контур, который настроен на центральную частоту ЧМ сигнала (на несущую, либо на ПЧ), а дальше, поскольку сигнал меняет частоту, то на колебательном контуре меняется амплитуда сигнала, согласно закону изменения частоты, то есть согласно закону изменения модулирующего сигнала — чистой воды АМ сигнал.
                                                          0
                                                          Т.е. что же получается, приемник для АМ подойдет и для ЧМ без всяких изменений?
                                                            0
                                                            Касательно прием АМ на ЧМ приемнике:
                                                            Перед тем как ЧМ сигнал подать на контур и начать демодуляцию, его усиливают и пропускают через ограничитель, убирая тем самым так называемую паразитную АМ. Поэтом, на ЧМ приемнике можно принять АМ, но с сильными хрипами и шумами. Голос в принципе разобрать можно, если прислушаться. Это погрешность работы ограничителя. Если ограничитель идеальный, то принять АМ на ЧМ приемнике не получится.
                                                            Прием ЧМ на АМ:
                                                            Возможен, с тем лишь ограничением, что полосы АМ сигнала чаще всего уже ЧМ сигнала, то есть качество приема будет лучше, чем при «АМ на ЧМ», но все равно будут сильные искажения, хорошо слышимые на слух.
                                                              0
                                                              Да, и по поводу отстройки, автор ниже верно написал, что для приема ЧМ на АМ, необходимо настроить АМ приемник чуть в сторону от частоты несущей.
                                                                +1
                                                                Так как характеристика контура нелинейна, это создает определенные трудности и искажения в методе описанном выше. По-этому, для приема ЧМ сигнала используется два колебательных контура отстроенных таким образом, чтобы их ниспадающие части характеристики образовывали прямую, также характеристика одного из контуров инвертируется. Приемник в такой ситуации настраивается на центр линейного участка. Кроме того предпринимаются меры по подавлению паразитной АМ в сигналах с ЧМ, чтобы дополнительно снизить искажения.
                                                                image
                                                                Этот метод носит название дифференциальное детектирование. Вот ссылка на источник
                                                                  –1
                                                                  Так мной был описан не метод, а просто факт того, что на АМ приемник можно принять ЧМ сигнал.
                                                          0
                                                          > Если для амплитудной модуляции это еще можно понять (берем колебательный контур из катушки и конденсатора, колеблющийся с частотой несущей, и как-то там прикручиваем к усилителю и динамику), то от меня ускользает, как можно реализовать прием частотной модуляции

                                                          В простейшем случае — той же самой схемой: отстраиваемся немного от станции в сторону и получаем амплитудную модуляцию частотно модулированного сигнала
                                                            0
                                                            Все равно непонятно. Что значит «отстраиваемся»? Что значит «немного»? Как преобразовать частотную модуляцию в сигнал для динамика?
                                                            0
                                                            Большое спасибо за интересную серию статей.

                                                            Не подскажете книгу или несколько хороших книг по этой теме?
                                                              +1
                                                              Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы.
                                                              Учебник для вузов. Мой любимый.

                                                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                            Самое читаемое