Модуляция и демодуляция сигнала

Модуляция и демодуляция сигнала

 

Модуляция -  изменение информативных параметров некоторых первичных физических процессов (сигналов), рассматриваемых как носители информации, в соответствии с передаваемой (включаемой и сигнал) информацией.

Виды модуляции связаны  с типом сигнала-носителя. В современной  информатике выделяют три его  типа: фиксированный уровень,колебания, импульсы.

 

Демодуляция – восстановление величин, вызвавших изменение параметров носителей при модуляции. Выполняется на принимающей стороне при известных условиях модуляции на передающей стороне.

 

Модуля́ция (лат. modulatio — размеренность, ритмичность) — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения).

Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. Модуляция, таким образом, представляет собой процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную несущую.

В результате модуляции спектр низкочастотного управляющего сигнала переносится в область высоких частот. Это позволяет при организации вещания настроить функционирование всех приёмо-передающих устройств на разных частотах с тем, чтобы они «не мешали» друг другу.

В качестве несущего могут  быть использованы колебания различной  формы (прямоугольные, треугольные  и т. д.), однако чаще всего применяютсягармонические колебания. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная,частотная, фазовая и др.). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией.

Виды модуляции

Аналоговая модуляция

• Амплитудная модуляция (АМ)
• Амплитудная модуляция с одной боковой полосой (SSB — однополосная АМ)
• Балансная амплитудная модуляция (БАМ) — АМ с подавлением несущей
• Квадратурная модуляция (QAM)
• Угловая модуляция
• Частотная модуляция (ЧМ)
• Линейная частотная модуляция (ЛЧМ)
• Фазовая модуляция (ФМ)
• Сигнально-кодовая модуляция (СКМ), в англоязычном варианте Signal Code Modulation (SCM)
• Сигма-дельта модуляция (∑Δ)

 

Цифровая модуляция

 

Импульсная модуляция

 

• Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ или PCM — Pulse Code Modulation)
• Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ или DPCM — Differential PCM)
• Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (АДИКМ или ADPCM — Adaptive DPCM)
• Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
• Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)
• Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)
• Скважностно-импульсная модуляция
• Фазово-импульсная модуляция (ФИМ)
• Дельта-модуляция (ДМ или Δ-модуляция)
• Сигма-дельта-модуляция (ΣΔ)

 

Основные характеристики

• Энергетическая эффективность (потенциальная помехоустойчивость) характеризует достоверность передаваемых данных при воздействии на сигнал аддитивного белого гауссовского шума, при условии, что последовательность символов восстановлена идеальным демодулятором. Определяется минимальным отношением сигнал/шум (Eb/N0), которое необходимо для передачи данных через канал с вероятностью ошибки, не превышающей заданную. Энергетическая эффективность определяет минимальную мощность передатчика, необходимую для приемлемой работы. Характеристикой метода модуляции является кривая энергетической эффективности — зависимость вероятности ошибки идеального демодулятора от отношения сигнал/шум (Eb/N0).
• Спектральная эффективность   — отношение скорости передачи данных к используемой полосе пропускания радиоканала.
• AMPS: 0,83
• NMT: 0,46
• GSM: 1,35
• Устойчивость к воздействиям канала передачи характеризует достоверность передаваемых данных при воздействии на сигнал специфичных искажений: замирания вследствие многолучевого распространения, ограничение полосы, сосредоточенные по частоте или времени помехи, эффект Доплера и др.
• Требования к линейности усилителей. Для усиления сигналов с некоторыми видами модуляции могут быть использованы нелинейные усилители класса C, что позволяет существенно снизить энергопотребление передатчика, при этом уровень внеполосного излучения не превышает допустимые пределы. Данный фактор особенно важен для систем подвижной связи.
• Сложность реализации модемов определяется вычислительным ресурсом, требуемым для реализации алгоритма демодуляции, и требованиями к характеристикам аналоговой части.

 

Демодуляция (Детектирование сигнала) — процесс, обратный модуляции колебаний, преобразование модулированных колебаний высокой (несущей) частоты в колебания с частотой модулирующего сигнала.

Для передачи энергии электромагнитной волны используются высокочастотные колебания, а колебания низкой частоты используются длямодуляции (слабого изменения амплитуды или фазы) высокочастотных колебаний. На принимающей станции из этих сложных колебаний с помощью специальных методов снова выделяют колебания низкой частоты, которые после усиления подаются на громкоговоритель. Этот процесс выделения информации из принятых модулированных колебаний получил название демодуляции, или детектирования колебаний.

 

Лабораторное задание

Необходимо смоделировать  систему передачи информации по радиоканалу, которая состоит из передатчика  сигнала, канала связи с аддитивным белым гауссовым шумом, приемника  сигнала. Передатчик включает в себя источник сообщения и модулятор  радиосигнала, а приемник - входной  полосовой фильтр, демодулятор радиосигнала, ФНЧ.

Рис. 1. Система передачи информации по радиоканалу

Отобразить графики временных  и спектральных функций на выходе каждого блока. Параметры системы  передачи приведены ниже.

Вариант 6: источник сигнала - гармонический сигнал по закону синуса в третьей степени с частотой 130 Гц. Вид модуляции - фазовая модуляция с индексом модуляции 4. Несущая частота 3 кГц. Отношение сигнал/шум 9 дБ. Частота дискретизации 8 кГц.

Построение частотного и временного спектра исходного сигнала

Зададим исходный сигнал с  частотой f_с=130 Гц и построим 3 периода. Для вычисления и графического отображения спектра сигнала используется дискретное преобразование Фурье (ДПФ).

fc=130;

Fs = 8000;

t1 = 0: 1/Fs: 3/fc;

x=(sin(2*pi*fc*t1)).^3;

subplot(6, 2, 1);

plot(t1, x);

grid on

n1=length(t1);                  %длина интервала времени (количество точек)        

a1=fft(x);                                         %ДПФ

F1=(0:n1-1)/n1*Fs;                                 %ось частот в Гц

a1=abs(a1);

subplot(6, 2, 2);

stem(F1(1:length(F1)/2), a1(1:length(F1)/2),'.'); 

grid on

При построении спектра была показана только половина оси частот (от 0 до Fs/2). Это сделано для того, чтобы сформировать АЧХ только исходного спектра, не затрагивая дополнительные сдвинутые копии 

На полученных графиках видно, что в спектре функции sin³(x) присутствует еще и составляющая 3-й гармоники, причем она в 3 раза меньше 1-ой.

Рис. 2. Временной и частотный  спектры исходного сигнала

Модуляция исходного сигнала

Промодулируем исходный сигнал в соответствии с требования задания (продолжение программы) и найдем его амплитудный спектр:

Fc = 3000;                                    %несущая частота

k = 4;                                        %индекс модуляции

y=modulate(x,Fc,Fs,'pm',k);                   %модуляция

subplot(6, 2, 3)                              %график модулированной функции

plot(t1, y)

grid on

n1=length(t1);                  

a2=fft(y);                                   

F1=(0:n1-1)/n1*Fs;                           

a2=abs(a2);

subplot(6, 2, 4)

stem(F1(1:length(F1)/2), a2(1:length(F1)/2),'.') 

grid on

Графики приведены на рис. 3.

Модуляция и демодуляция

Харков

Содержание

• 1. Типы модуляции
• 2. Гармоническая модуляция
• 3. Импульсная модуляция
• 4. Широтно-импульсная модуляция
• 5. Дискретная модуляция
• Список литературы

1. Типы модуляции

Одним из этапов преобразования сообщения в сигнал для его  передачи в канал связи является модуляция.

Модуляция - изменение какого-либо параметра переносчика сигнала в соответствии с функцией отображающей сообщение.

Несущим сигналом может  быть: постоянный ток - проводная телеграфия; переменный ток низкой или высокой  частоты - телефония, тональная телеграфия, фототелеграф, телемеханика; высокочастотные  импульсы - радиорелейная связь.

Модулируемые параметры  называются информативными, и в качестве них могут использоваться: амплитуда; фаза; частота и др.

Используются следующие  типы модуляции: гармоническая; импульсная; дискретная и их разновидности.

Демодуляция - отделение полезного (модулирующего) сигнала от несущей. Модуляция и демодуляция осуществляется с помощью устройств, называемых модулятором и демодулятором.

Модем - устройство, преобразующее код в сигнал (модулятор) и сигнал в код (демодулятор), используемое для передачи данных по каналам связи.Манипуляция - модуляция, при которой модулируемый параметр может принимать фиксированное число - m дискретных значений.

2. Гармоническая модуляция

При гармонической модуляции в  качестве несущей используется сигнал:

. (1)

Она чаще всего используется при  передаче двоичных кодов и называется манипуляцией. Используются различные  виды гармонической модуляции (см. рис.1).

Амплитудная модуляция (АМ) - при этом посылка передается при "1" и отсутствует при "0"

(2)

Где w₀ - частота несущей. Частотная модуляция (ЧМ) - при этом частота посылки при "1" и при "0" (например: 100 Гц и 1кГц).

(3)

Где w₁ - частота манипуляции.

Фазовая модуляция (ФМ) - при этом фаза меняется на 180 градусов при изменении  с "0" на "1" и с "1" на "0".

(4)

Рис.1. Виды гармонической модуляции

Сравнение видов модуляции. Различные  типы модуляции отличаются: по требуемой  мощности для организации передачи; по требуемой полосе частот или ширине спектра; по помехозащищенности; по экономичности  и простоте реализации.

Кроме перечисленных видов гармонической  манипуляции существует много разновидностей или производных методов. Например, метод относительной фазовой  модуляции (ОФМ), который отличается высокой помехозащищенностью. Этот вид модуляции широко используется в модемах.

3. Импульсная модуляция

При импульсной модуляции в качестве несущей используется сигнал:

(5)

Используются различные виды импульсной модуляции (см. рис.2).

Рис.2. Виды импульсной модуляции

Сообщение при использовании импульсной модуляции может быть представлено в виде двоичного кода.

Переносчик - последовательность импульсов определенной амплитуды, длительности , частоты следования и фазы (A, t_и ,T_и, ...).

Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) - в зависимости от посылки "0" или "1" меняется амплитуда передаваемых импульсов.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, ДИМ) - в зависимости от посылки "0" или "1" меняется длительность передаваемых импульсов.

Фазоимпульсная  модуляция (ФИМ) - в зависимости от посылки "0" или "1" меняется фаза передаваемых импульсов.

Частотно импульсная модуляция (ЧИМ)- в зависимости от посылки "0" или "1" меняется период следования импульсов.

4. Широтно-импульсная модуляция

Широтно-импульсная модуляция - приближение  желаемого сигнала (многоуровневого  или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями), так, что, в среднем, за некоторый  отрезок времени, их значения равны. Формально, это можно записать так: