Реферат: Системы связи

Оглавление.

1.                                                                                                2

2.                                                                                   3

2.1.                                                                   3

2.2.                                      9

2.3.                                                           12

3. Практическое применение.                                                                             16

          3.1.Телеметрия.                                                                              16

3.1.1.                                     17

(частотное уплотнение линии связи).

3.1.2.                                   22

(временное уплотнение линии связи).

3.1.3.                                         27

3.1.4.                                                          30

3.1.5.                           31

3.1.6.                                                  34

4.                                                                                            39

5.                                                       39

1.ВВЕДЕНИЕ

Предмет «электрическая связь» очень обширен исложен. Описать его полносьтью в одном реферате невозможно, так какэлектрическая связь является существенной частью большого числа электронныхсистем и находит свое применение во всех аспектах нашей жизни. Каждая главареферата не вдается в детали, а сосредотачивает все внимание на понима­нииметодов и средств связи, осуществляемой с помощью электро­магнитных волн. Болеетого, будут рассмотрены только основные мето­ды связи, стремясь показать ихпрактическое использование.

В любом методе электромагнитной связи всегда можно выделить, во-первых,среду, которая будет переносить информацию, — несу­щую, во-вторых, саму информацию.Дальнейшее обсуждение будет сосредоточиваться на различных методах переноса информации,т. е. способах объединения информации (или слияния) с несущей, а именно насхемах модуляции.

Существуют три основные схемы модуляции: 1) амплитудная мо­дуляция (AM); 2) угловая модуляция,подразделяющаяся на два очень похожих метода: частотную модуляцию (ЧМ) ифазовую моду­ляцию (ФМ); 3) импульсная модуляция (ИМ). Различные схемы мо­дуляциисовмещают два этих метода или более, образуя сложные системы связи. Телевидение,например, использует как AM,так и ЧМ для различных типов передаваемой информации. Импульсная модуляциясовмещается с амплитудной, образуя импульсную ампли­тудную модуляцию (АИМ), ит.д. Не всегда возможно найти четко выраженные основания для использования тогоили иного метода модуляции. В некоторых случаях этот выбор предписывается зако­ном(в США контроль осуществляет Федеральная комиссия по свя­зи — ФКС). Необходимострого придерживаться правил и инструк­ций независимо от того, какая схема модуляциииспользуется.

Во всех методах модуляции несущей служат синусоидальные ко­лебанияугловой частоты wн,которые выражаются в виде

ен=Анsin(wнt+qн)                    (1а)

где Ан — амплитуда, а wнt+qн — мгновенная фаза (отметим, что wнt,так же как и qн,измеряется в градусах или радианах). Фазовый сдвиг qнвведен для придания уравнению (la)большей общности. Аналогично модулирующий сигнал может быть представ­лен как

ем=Амsin(wмt+qм)                   (2a)

для AM, ЧМ и ФМ или в видеимпульса в случае импульсной моду­ляции. Выражение wм может бытьиспользовано для обозначения скорее полосы частот, чем единичной частоты.Например, мы будем рассматриватьAM в радиовещании, где модулирующий сигнал сос­тоит из полосы звуковыхчастот (20—16 000 Гц).

2.ВИДЫ МОДУЛЯЦИИ.

2.1.АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (AM)

С качественной стороны амплитудная модуляция (AM) может быть определена какизменение амплитуды несущей пропорциональ­но амплитуде модулирующего сигнала(рис. 1, а). Для модулирующегосигнала болшой амплитуды

<img src="/cache/referats/1005/image002.jpg" v:shapes="_x0000_i1025">

Рис. 1. Амплитудная модуляция (wм<<wн).

 а — форма сигнала; б — спектрчастот.

соответствующаяамплитуда мо­дулируемой несущей должна быть большой и для малых значений Ам.Эта схема модуляции может быть осуществлена умножением двух сигналов: енем. Как будет видно из дальнейшего, этоявляется особым случаем более общего метода модуляции. Для упрощенияпоследующих математических преобразований видоизменим урав­нения (la) и (2а), опустив произвольныефазы qни qм:

ен=Анcos(wнt)            (qн=p/2)                   (1б)

ем=Амcos(wмt)            (qм=p/2)                  (2б)

Произведением этих двух выражений является:

 ен ем=Анcos(wнt) × Амcos(wмt)                   (3)

Уравнение (3) показывает, что амплитуда модулированной несу­щей будетизменяться от нуля (когда wмt = 900, cos(wмt)=0) до АнАм(когда wмt = 00, cos(wмt)=1). Член Амcos(wмt) × Анявляется амплитудой модулированных колебаний и прямо зависит от мгно­венногозначения модулирующей синусоиды. Уравнение (3) может быть преобразовано к виду

<img src="/cache/referats/1005/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">               (4а)

Это преобразование основано на тригонометрическом тождестве

<img src="/cache/referats/1005/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027">                                    (5)

Уравнение (4a) представляет собой сигнал, состоящийиз двух колебаний с частотами w1=wн+wм и w2=wн-wми амплитудами АнАм/2. Переписывая выражение для модулирован­ногоколебания (4a), получим

<img src="/cache/referats/1005/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028">                                         (4б)

w1и w2называются боковыми полосами частот, так как wм  обычно является полосой частот, а неодиночной частотой. Следовательно, w1 и w2 представляютсобой две полосы частот — выше и ниже не­сущей (рис. 1, б), т. е. верхнюю инижнюю боковую полосу соответ­ственно. Вся информация, которую необходимопередать, содержит­ся в этих боковых полосах частот.

Уравнение (4б) было получено для особого случая, когда модулированныйсигнал был результатом прямого перемножения ен на ем. В результате уравнение (4б)не содержит компонента на частоте несущей, т. е. частота несущей полностьюподавлена. Такой тип модуляции с подавленной несущей иногда преднамеренно проек­тируетсяв системах связи, так как это ведет к снижению излучае­мой мощности. Вбольшинстве таких систем излучается некоторая часть мощности на частотенесущей, позволяя тем самым приемному устройству настраиваться на эту частоту.Можно также передавать лишь одну боковую полосу, так как она содержит всюсущественную информацию о модулирующем сигнале. Приемное устройство затемвосстанавливает ем по модуляции одной боковой полосы.

Полноевыражение, представляющее амплитудно-модулированное колебание в общем виде,имеет вид

ен ем=Анcos(wнt)+ Амcos(wнt)cos(wмt)                            (6а)

Это выражение описывает как неподавленную несущую(первый член в правой части уравнения), так и произведение, т. е. модуля­цию(второй член справа). Уравнение (6a) можно переписать в виде

ен ем=[Ан+ Амcos(wмt)]cos(wнt)= Анмcos(wнt)                 (6б)

Последнее выражение показывает, как амплитуда несущей изме­няется всоответствии с мгновенными значениями модулирующего колебания. Амплитудамодулированного сигнала Анм состоит из двух частей: Ан —амплитуды немодулированной несущей и Амcos(wмt) — мгновенных значений модулирующего колебания:

Анм=Ан+ Амcos(wмt)                                                     (7)

Отношение Ам к Ан определяетстепень модуляции. Для Ам=Ан значение Анм достигаетнуля при cos(wмt)=-1 (wмt=180°) и Анм=2Анпри cos(wмt)=1 (wмt= 0°). Амплитуда модулирован­нойволны изменяется от нуля до удвоенного значения амплитуды несущей. Отношение

m= Ам/Ан                                                                    (8)

определяет коэффициент модуляции. Для предотвращения искаже­ний передаваемойинформации — модулированного сигнала — значение m должно быть в пределах от нуля доединицы: 0£m£1. Это соответствуетАм£Ан.(Для m=0 Ам=0, т. е. нет модулирующего сигнала.) Уравнение (6a) может быть переписано свведением m:

ен ем=Анcos(wнt)[1+m×cos(wмt)]                                     (6в)

На рис. 2, а показана форма модулированных колебанийи ко­эффициент модуляции mвыражен через максимальное и минималь­ное значения ее амплитуды (пикового и узловогозначений). Рис. 2, б дает представление о спектре модулированных колебаний, который может быть выражен преобразованиемуравнения (6):

<img src="/cache/referats/1005/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029">      (6г)

                                             несущая               верхняябоковая полоса       нижняя боковаяполоса

<img src="/cache/referats/1005/image012.jpg" v:shapes="_x0000_i1030">

На рис. 2, в показан результат модуляции скоэффициентом m, превышающим100%: m>1.

<img src="/cache/referats/1005/image014.jpg" v:shapes="_x0000_i1031">

          В таблице на рис. 3приведены амплитуда и мощьность для каждой из трех частотных компонентмодулированного колебания.

Угловая частота

Амплитуда

Относитель­ная амплитуда

Относитель­ная мощность

Несущая

wн

Ан

1

1

Верхняя боковая полоса

wн+wм

Ам/2

m/2

(m/2)2

Нижняя боковая полоса

wн-wм

Ам/2

m/2

(m/2)2

Рнс. 3.Мощность и амплитуда АМ-колебаний.

Для 100%-ной модуляции (m=1) и мощности несущей 1 кВт полная мощностьмодулированных колебаний составляет 1 кВт+(1/2)2 кВт+(1/2)2кВт=1,5 кВт. Отметим, что при m=1мощность, заключенная в обеих боковых полосах, составляет поло­вину мощностинесущей. Аналогично при m=0,5мощность в обе­их боковых полосах составляет 1/8 мощности несущей. Указанное вышеимеет место лишь для синусоидальной формы AM. Амплитуд­ная модуляция может быть использована в передачеимпульсных значений.

При обычной модуляции с двумя боковыми полосами, использу­емой в радиовещании,информация передается исключительно в бо­ковых полосах. Для того чтобы получить,например, хорошее ка­чество звука, необходимо работать в полосе частот шириной 2М, где М — ширина полосывысококачественного воспроизведения звука (20—20 000 Гц). Это означает, чтостандартное АМ-радиовещание, к примеру, с частотами до 20 кГц должно иметьширину полосы ±20 кГц (всего 40 кГц), учитывая верхнюю и нижнюю боковые по­лосы.Однако на практике ширина полосы частот по правилам ФКС ограничивается величиной10 кГц (±5кГц), которая предусматри­вает для радиопередачи звука ширину полосы всего лишь5 кГц, что далеко от условий высококачественного воспроизведения. Радиовещаниес частотной модуляцией, как это будет показано ниже, имеет более широкую полосучастот.

Федеральная комиссия связи также устанавливает допуски час­тоты всехраспределений частот в США. Все АМ-радиовещание (535—1605 кГц) имеет допустимыеотклонения в 20 Гц, или около 0,002 %. Эта точность и стабильность частоты может быть достигнута путемиспользования кварцевых генераторов.

Детектирование или демодуляция АМ-колебаний требует вы­прямлениямодулированного сигнала, сопровождаемого исклю­чением несущей частоты с помощьюсоответствующей фильтрации. Эти две стадии воспроизведения модулирующегосигнала могут быть продемонстрированы па примере колебания, изображенного нарис. 2, а. После выпрямления остаетсялишь половина колебания, а после фильтрации присутствует лишь его огибающая,которая явля­ется воспроизведенным сигналом.

На рис. 4 приведены функциональные схемы передающей и приемной систем самплитудной модуляцией.

<img src="/cache/referats/1005/image016.jpg" v:shapes="_x0000_i1032">

Рис. 4. АМ-система.

а-функциональная схема передатчика; б-функциональная схема приемника.

Передатчик содержит два источника: сигнала модуляции — от микрофона,проигрывате­ля и т.д. и несущей — от генератора с кварцевой стабилизацией.Модулирующий сигнал и несущая вводятся в модулятор, который вырабатываетмодулированный сигнал, который затем передается через антенну. В большинствепередатчиков большой мощности мо­дуляция осуществляется в последнем каскадесистемы для того, чтобы избежать необходимости усиливать модулированный сигнал.Усиление несущей и модулирующего сигнала происходит раздельно. Степеньмодуляции контролируется изменением амплитуды модуля­ции и поддержаниемпостоянной амплитуды несущей. С тех пор как передаваемая мощность сталалимитироваться ФКС, большинство радиовещательных станций имеет автоматическоеуправление и контроль мощности, как это показано штриховыми линиями на рис.4, а.

Приемник (рис. 4, б) содержит высокочастотный усилитель, который усиливаетсигнал, принятый антенной. ВЧ-усилитель на­страивается; его частота настройкиможет быть изменена (в диапазо­не радиовещания для АМ-приемников) для выборанужной станции. Термин «избирательность», примененный к приемнику, относится кспособности приемника выбирать отдельную станцию (частоту), не принимая приэтом сигналов от примыкающих к ней станций. Например, если приемник имеетплохую избирательность, то при настройке на станцию WQXP (1560 кГц) может быть такжепринята другая, смежная станцияWWRL (1600 кГц). Ясно, что приемник с такой плохой избирательностьюявляется непригодным. Нужно так­же помнить, что ВЧ-усилитель должен иметьширину полосы 5 кГц для звуковых сигналов (две боковые полосы требуют ширинуполо­сы ±5кГц вокруг частоты несущей). Таким образом, требуется по­лоса частот 10 кГцсовместно с высокой избирательностью, которая означает очень крутые спадычастотной характеристики перестраи­ваемого контура, обеспечивающие существенноеослабление сигна­лов вблизи выбранной частоты, но находящихся вне полосы частот±5 кГц.

Приемник, показанный на рис. 4, б,является приемником или прямого усиления (сплошные линии), или гетеродинноготипа (штри­ховые линии). В последнем принятый ВЧ-сигнал wн смешивается сколебаниями от местного генератора-гетеродина wг. В результатевозникают два сигнала — с частотами wг-wн и wг+wн.Сиг­нал с разностной частотой wг-wн усиливается усилителем проме­жуточнойчастоты (УПЧ) и затем подводится к детектору. На рис. 4, б штриховыми линиямивместо сплошных линий между ВЧ-усилителем и детектором представленафункциональная схема гетеро­динного приемника. Такой метод приема позволяетнастраиваться на любую станцию, в то время как промежуточная частота остаетсяравной 455 кГц и легко усиливается усилителями с фиксированной частотойнастройки. Отметим, что для того, чтобы настроиться на станцию, нужно изменять wги wнодновременно, и, таким образом, разность wг-wностается неизменной. Приемник гетеродинного типа имеет лучшую избирательность игораздо большую чувстви­тельность. Минимально различимый им сигнал составляет10 мкВ на антенне. Когда мы говорим «различимый», то подразумеваем пре­вышающийуровень шумов приемника.

2.2. ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ, ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ

В методе частотной модуляции (ЧМ) амплитудамодулирующего сигнала управляет мгновенной частотой несущей. Идеальная ЧМ невносит изменений в амплитуду несущей. Следовательно, форма напряжениямодулированной несущей может быть выражена в виде

ечм=Анcos[wнt+d×sin(wмt)]                 (9)

где wни wм — соответственно несущая частота ичастота модуля­ции, а d — индекс модуляции. Частоты модулированного колеба­ниямогут быть получены из выраженияcos[wнt+d×sin(wмt)] с ис­пользованиемтригонометрических формул и специальных таблиц (функции Бесселя)..

Индекс модуляции d определяется как Dwн/wм=Dfн/fм — от­ношениемаксимальной девиации частоты (за один период модули­рующего сигнала) к частотемодуляции. Детальный анализ частот­ной модуляции сложен. Рассмотрим на примерахосновные черты этого метода. Будем предпо­лагать наличие одиночной частотымодуляции wм(ем=Амsin(wмt)).

Девиациячастоты Dwнпрямо пропорциональна мгновенному значению модулирующего сигнала ем=Амsin(wмt). Таким образом, Dwн можно выразить через ем:

Dwн=kfАмsin(wнt)                              (10)

где kf — коэффициент пропорциональности, аналогичный по сво­емухарактеру чувствительности; он дает девиацию частоты на 1 В (Dw/В).Следовательно, при wнt=90° (sin(wнt)=1) Dwн=kfАм — максимальная девиация частоты синусоидального модулирующего сигнала. Например,если sin(wнt)=0,5, kf=2p×1000 (рад/с)/В=1000Гц/В и Ам=10В, то мы получаем Dwн=2p×1000×10×0,5=2p×5000рад/с, т. е. девиацию частоты несущей 5 кГц. Максималь­ное значение Dfнпри этих условиях (sin(wнt)=1) будет составлять 10 кГц. Отметим, что, так как sin(wнt ) может быть равным +1 или -1, то Dfнмакс=±10 кГц. Если задано значениеfм, то можновычис­лить индекс модуляции d. Для fм=2000d=10000/2000(Dfн/fм ); такимобразом, d=5.Индекс модуляции должен быть всегда воз­можно большим, чтобы получить свободноеот шумов верное воспро­изведение модулирующего сигнала. Девиация частоты Dfн  в ЧМ-радиовещании ограничена величиной до +75кГц. Это приводит к значению d=75/15=5 для звукового модулирующего сигнала смаксимальной частотой 15 кГц.

Исследуя изменения частоты несущей с ЧМ, есть соблазн прийти к выводу отом, что ширина полосы, необходимой для ЧМ-передачи, составляет ±Dwн,  или 2Dwн, так какнесущая меняется по частоте в пределах ±Dwн, т. е. wчмàwн±Dwн.Этот вывод, однако, полностью ошибочен.Может быть показано, что ЧМ-колебания состоят из несущей и боковых полосаналогично AM с однимлишь существенным различием: при ЧМ существует множество боковых полос (рис.5). Амплитуды боковых полос связаны весьма сложным образом с индексоммодуляции. Отметим, что частоты боковых по­лос связаны лишь с частотоймодулирующего сигнала wм, а не с девиацией частоты Dwн.Для предыдущего примера, когда d=5 и wм=15 кГц (максимум), мы получаем семь парполос (wн±wм,wн±2wм,wн±3wм,и т.д.) с изменяющимися амплитуда­ми, но превышающими значение 0,04Ан.Все другие пары за пре­делами wн±7wмимеют амплитуды ниже уровня 0,02Ан.

Первая пара боковых полос может быть описана как 0,33А×[sin(wн+wм)t+sin(wн-wм)t] имеет амплитуду 0,33 Ан;вторая пара — wн±2wм — имеет амплитуду 0,047Ан. Отметим, что амплитуды различныхбоковых полос не являются монотонно убывающими по мере того, как их частоты всеболее и более удаляются от wн. Фактически в приведенномпримере с d=5 наибольшей пo амплитуде (0,4 Ан) являетсячетвертая пара боковых полос. Амп­литуды различных боковых полос получены изспециальных таблиц, описывающих эти полосы для различных значений d.Очевидно, что ширина полосы, необходимая для передачи семи пар боковых полос,составляет ±7×15кГц, или 14×15кГц= 210 кГц (для fм=15 кГц). На этом жеосновании ширина полосы, необходимая для d=10 (Dwн/wм=10),равна 26fм; 13 боковых полос в этомслучае составят 26×15=390кГц. Таким образом, частотная модуляция требует значительной ширины полосычастот и, как следствие, ис­пользуется только при несущих с частотами 100 МГц ивыше.

<img src="/cache/referats/1005/image018.jpg" v:shapes="_x0000_i1033">

Рис. 5. Боковые полосы ЧМ.

wн-несущаячастота; wм-частотамодуляции.

Частотно-модулированная связь гораздо менее чувствительна к помехам.Шумы, попадающие в ЧМ-сигнал, будь то атмосферные возмущения (статические),тепловые шумы в лампах и сопротивле­ниях или любые другие шумы, имеют меньшуювозможность влиять на прием, чем в случае AM. Основной причиной этого является по­просту тот факт, чтобольшинство шумов амплитудно модулируют несущую. Делая приемник нечувствительнымк изменениям амплиту­ды, практически устраняем эту нежелательную модуляцию. Вос­становлениеинформационного сигнала из ЧМ-волны связано лишь с частотным детектированием,при котором выходной сигнал зависит лишь от изменений частоты ЧМ-сигнала, а неот его амплитуды. Большинство приемников содержит усилитель-ограничитель,который поддерживает постоянную амплитуду ЧМ-колебаний, устраняя тем самымлюбой АМ-сигнал.

Существуют различные методы ЧМ-детектирования и селекции. В основебольшинства методов лежит использование наклона час­тотной характеристикирезонансного контура (рис. 6). Амплитуда отклика изменяется с частотой. Для wн+Dwнполучаем амплиту­ду А1, для wн-Dwн — амплитуду А2, а для частот между

<img src="/cache/referats/1005/image020.jpg" v:shapes="_x0000_i1034">

Рис. 6. Принцип использования резонансного контура вкачестве частот­ного детектора.

wн+Dwни wн-Dwнимеем все промежуточные амплитуды меж­ду А1и А2. Выходнойсигнал соответствует девиации частоты вход­ного сигнала (хотя и не совсемлинейно в простом резонансном кон­туре) и тем самым воспроизводит первоначальныймодулирующий сигнал.

Цепь фазовой автоподстройки (ФАП), вскоре стала одним из наиболеераспространенных средств ЧМ-детектировапия, особенно применительно к импульсныммоду­лирующим сигналам. Некоторые схемы ФАП снабжены логическими выходными схемами,согласованными с соответствую­щими входными сигналами импульсной формы.

Как отмечалось ранее, ЧМ —лишь один тип угловой модуля­ции. Другимявляется фазовая модуляция. Эта модуляция очень похожа на ЧМ. При фазовоймодуляции мгновенная фаза несущей из­меняется пропорционально мгновеннойамплитуде модулирующе­го сигнала. Это приводит к изменению несущей частоты wн,как вид­но из уравнения

wфаз=wн+kфwмАмsin(wмt)                  (11)

где kф, — коэффициентпропорциональности, измеряемый в едини­цах рад/В. Фазовая и частотная модуляциячасто используются в одной системе модуляции, так как прием и детектированиеобеих идентичны.

Функциональные схемы передатчика и приемника с ЧМ почти те же, что идля AM. Ширина полосычастот ЧМ существенно шире, а несущая частота значительно выше (100 МГц иболее). Более широ­кая полоса частот приводит к более верному воспроизведениювход­ных звуковых сигналов, так что звуки с частотами выше 5 кГц должныпередаваться системами ЧМ. В приемниках с частотной мо­дуляцией иногдаиспользуется двойное гетеродинирование с двумя промежуточными частотами — 5 МГц и 455 кГц.

2.3. ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (ИМ)

Импульсная модуляция (ИМ) не является вдействительности каким-то особым типом модуляции. Этот термин характеризует ско­реевид модулирующего сигнала. Далее различают импульсную амп­литудную и импульснуючастотную модуляции. Здесь учитывают то, каким образом информация представлена— с помощью импульса или ряда импульсов. Можно рассматривать в качествемодулируе­мой величины амплитуду импульса, или его ширину, или его поло­жение впоследовательности импульсов и т. д. Следовательно, су­ществует большоеразнообразие методов импульсной модуляции. Все они используют в качестве формыпередачи или AM, илиЧМ.

<img src="/cache/referats/1005/image022.jpg" v:shapes="_x0000_i1035">

Рис. 7. Последовательность импульсов, отображающихчисло 37 в двоично-десятичном коде (младший значащий разряд первый).

Импульсная модуляция может быть использована для передачи как цифровых,так и аналоговых форм сигнала. Когда речь идет о цифровых сигналах, мы имеемдело с логическими уровнями — вы­соким и низким — и можем модулировать несущую(с помощью AM или ЧМ)рядом импульсов, который представляет цифровое значе­ние. Например, если длячисла 37 передается код ДКД (двоично-кодированное десятичное число) 00110111,то для модуляции несу­щей просто должна использоваться указанная последовательностьнулей и единиц. Каждый нуль может быть представлен уровнем 0В, а каждая единица— уровнем, например, 5В. Образован­ная в результате последовательность импульсовпоказана на рис. 7 вместе с совпадающим рядом синхронизирующих импульсов,необходимых для идентификации положения единиц и нулей. В указанной последовательностиважен порядок импульсов. Сначала передается МЗДР (младший значащий десятичныйразряд) 7, а за­тем СЗДР (старший значащий десятичный разряд) 3. В каждом де­сятичномразряде на первом месте старший двоичный разряд (бит).

Отметим, что, даже если все импульсы имеют полную амплитуду 5 В, обычнодопускается изменение цифровых уровней в широком диапа­зоне напряжений, что неприводит к нарушению нормальной работы системы. Например, логический уровень«1» может изменяться в пре­делах от 2,4 до 5,5 В.

При использовании импульсных методов для передачи аналого­вых сигналовнеобходимо сначала преобразовать аналоговые данные в импульсную форму. Этопреобразование также относится к моду­ляции, так как аналоговые данныеиспользуются для модулиро­вания (изменения) последовательности импульсов илиимпульсной поднесущей. На рис. 8, а показана модуляция синусоидальным сиг­наломамплитуд последовательности импульсов.

<img src="/cache/referats/1005/image024.jpg" v:shapes="_x0000_i1036">

Рис. 8. Форма сигналов амплитудно-импульсной модуляции.

а—формамодулированного сигнала; б—воспроизведенная форма сигнала при низкой часто­теследования импульсов, Т1 — период последовательности импульсов; в — воспроизведенная форма сигнала привысокой частоте следования импульсов, Т2 — период последовательности импульсов.

          Амплитудакаждого импульса в модулированной последовательности зависит от мгновен­ногозначения аналогового сигнала. Синусоидальный сигнал может бытьвосстановлен из последовательности модулированных импуль­сов путем простойфильтрации. На рис. 8, б графически показан процесс восстановленияпервоначального сигнала путем соединения вершин импульсов прямыми линиями.Однако восстановленная на рис. 8, б форма колебаний не является хорошимвоспроизведени­ем первоначального сигнала из-за того, что число импульсов на пе­риоданалогового сигнала невелико. При использовании большего числа импульсов, т. е.при большей частоте следования импульсов по сравнению с частотой модулирующегосигнала, может быть достигнуто более лучшее воспроизведение (рис.  8, в). Этот процесс амплитудно-импульсноймодуляции (АИМ), относящийся к модуля­ции поднесущей последовательностиимпульсов, может быть выпол­нен путем выборки аналогового сигнала черезпостоянные интерва­лы времени импульсами выборки с фиксированной длительностью.Импульсы выборки — это импульсы, амплитуды которых равны ве­личине первоначальногоаналогового сигнала в момент выборки. Частота выборки (число импульсов всекунду) должна быть по край­ней мере в два раза большей, чем самая высокаячастота аналогового сигнала. Для лучшей воспроизводимости частота выборкиобычно устанавливается в 5 раз большей самой высокой частоты модуляции.

АИМ является только одним типом импульсной модуляции. Кро­ме него существуют:

ШИМ — широтно-импульсная модуляция (модуляция импуль­сов по длительности);

ЧИМ — частотно-импульсная модуляция;

КИМ — кодово-импульсная модуляция.

Широтно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок. напряжений в серииимпульсов, длительность которых прямо пропорциональна амплитуде напряженийвыборок (рис. 9, а). Отме­тим, что амплитуда этих импульсов постоянна; всоответствии с мо­дулирующим сигналом изменяется лишь длительность импульсов.Интервал выборки — интервал между импульсами — также фик­сирован.

Частотно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок напряжений в последовательностьимпульсов, мгновенная частота которых, или частота повторения, непосредственносвязана с вели­чиной напряжений выборок. И здесь амплитуда всех импульсов оди­накова,изменяется только их частота. По существу все аналогич­но обычной частотноймодуляции, лишь несущая имеет несинусои­дальную форму, как в случае обычной ЧМ;она состоит из последо­вательности импульсов.

Кодово-импульсная модуляция преобразует выборки напряжения в кодированноесообщение. К примеру, дискретный уровень, равный 5,5 В, может быть представлендвоичным числом 101.101=5,5 с помощьюаналого-цифрового преобразователя. Кодовое сообщение 101.101 представляет собойнекоторую выборку напряжения Vs. Подобным кодированием (в данном случаедвоичным кодом) преоб­разуют каждую выборку. Последовательность таких кодовыхсооб­щений представляет собой серию чисел, описывающих последова­тельные выборки.Код может быть любым: двоичным с шестью раз­рядами, как представленный выше,или двоичным кодом с N разря­дами, илидвоично-кодированным десятичным и т. д. (рис. 7).

<img src="/cache/referats/1005/image026.jpg" v:shapes="_x0000_i1037">

Рис. 9. Широтно-импульсная модуляция.

Приведенные выше модуляционные схемы — лишь некоторые представители большогочисла используемых методов. Подчеркнем, что рассмотренная здесь ИМ-модуляцияотносится к модуляции поднесущей, т. е. модуляции последовательности импульсов,которые затем используются в системах AM или ЧМ. Речь идет о двух сле­дующих друг за другоммодуляциях. Во-первых, информация мо­дулирует последовательность импульсов.Здесь может быть исполь­зована АИМ, ШИМ, ЧИМ, КИМ или любой другой видмодуляции. Во-вторых, содержащая информацию поднесущая модулируетсинусоидальную несущую.

Частотно-импульсная модуляция синусоидальной несущей при­водит к Dwн-девиации частоты несущей скачкообразным отклонени­ем от несущей. Например,частотная модуляция логических уровней «0» и «1» (0 В и 5В) дает две частоты — wн(для логического уровня «0») и wн+Dwн(для уровня «5»). По существу, мы просто сдви­гаем частоту несущей от w к wн+Dwндля изображения логичес­кого уровня «1». Этот тип частотной модуляцииназывается также и частотной манипуляцией и обычно используется в передачесигналов с помощью телеграфа и других цифровых устройств связи. Для вос­становлениялогических уровней из частотно-манипулированной несущей может быть использованацепь фазовой автоподстройки (ФАП).

          Методы импульсной модуляции оченьшироко распространены в приложениях телеметрии.

3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ.

3.1. ТЕЛЕМЕТРИЯ.

Телеметрией называется проведение измерений нарасстоянии и передача данных к месту их обработки и (или) хранения. Типич­наятелеметрическая система содержит, как показано на рис. 10, три основные части:

<img src="/cache/referats/1005/image028.jpg" v:shapes="_x0000_i1038">

Рис. 10. Типичная телеметрическая система.

1) источник данных, который обычно является датчиком, преобразующим измеряемыепараметры в электрические сигналы; 2) способ передачи данных; 3) приемноеустройство и вос­становление переданных данных. Содержание этого раздела будетсконцентрировано на различных методах передачи. Рассматривая методы телеметрии,будем сосредотачивать внимание на способах, обеспечивающих наиболее эффективноеиспользование линии связи.

Что подразумевается под эффективным использованием линии связи, показываетследующий пример. Рассмотрим амплитудную модуляцию несущей с частотой 100 МГц(рис. 11). Предположим, что допустимая ширина полосы передачи составляет ±5кГц. Ин­формация, модулирующая несущую, имеет ширину полосы частот 1 кГц. Изтого, что мы знаем об амплитудной модуляции, находим, что модулированнаянесущая будет иметь полосу 100 МГц ± 1 кГц. Это — полоса, необходимая дляпередачи данных с по­лосой 1 кГц. Ясно, что будет непроизводительно при полосе±5 кГц занимать передаваемой информацией только полосу ±1 кГц. Теоретически в полосе ±5 кГц можно передать пятикратноечисло дан­ных, содержащихся в полосе 1 кГц. Вообще говоря, на одной несу­щей100 МГц мы могли бы передавать пять каналов данных с поло­сами по 1 кГц. Длятакого увеличения эффективности передачи раз­работаны разные методы. Чаще всегоиспользуются методы частот­ного разделения (или частотного уплотнения каналов)и временного разделения (или временного уплотнения каналов).

<img src="/cache/referats/1005/image030.jpg" v:shapes="_x0000_i1039">

Рис. 11. Несущая 100 МГц с амплитудной модуляцией, wм=0±1кГц, разрешенная полоса wр=±5 кГц.

3.1.1. Частотное разделение каналов (частотноеуплотнение линии связи).

Типичная для телеметрии несущая частота 230МГц может быть использована с полосой ±320 кГц (стандарты ВМФ нВВС США). Это означает, что при использовании ее в амплитудной модуляции (AM) информация, которуюможно передать без искажений, может иметь ширину полосы 320 кГц. Однакобольшинство приложений телеметрии оперирует сигналом с гораздо более узкойполосой. Для определенности положим, что ширина полосы частот сигналасоставляет 4 кГц. Вместо непосредственной модуляции этим сигна­лом несущей 230МГц можно сначала модулировать поднесущую с частотой, к примеру, 32 кГц.Модуляция поднесущей образует сиг­нал с частотой 32 ± 4 кГц (в случае AM). Промодулированной под­несущейможно теперь модулировать несущую 230 МГц. На рис. 12 показаны частотныеполосы, использованные в такой передаче. Ос­тальная часть полосы ±320кГц не используется. Имеется возмож­ность использовать и другую поднесущую,например 44 кГц, для другого источника данных с аналогичной полосой и получитьмоду­лированную поднесущую 44 ± 4 кГц (показанную штриховыми ли­ниями на рис.12). Очевидно, что можно заполнить разрешенную полосу частот ± 320 кГц большимчислом поднесущих, перено­сящих информацию от большого числа источников. В этомпримере полоса частот информации была произвольно ограничена значением 4 кГц.Можно отметить, что модулированные поднесущие отделяет неисполь­зованная полоса(здесь 4 кГц), 32 ± 4 кГц (полоса от 28 до 36 кГц) и 44 ± 4 кГц (от 40 до 48кГц), т. е. имеется пустой интервал 4 кГц между высшей частотой нижней поднесущей(36 кГц) и низшей часто­той верхней поднесущей (40 кГц). Это отделениенеобходимо, чтобы предотвратить взаимные помехи между каналами и позволить осу­ществитьразделение поднесущих на приемном к