Міністерство освіти і науки України
Національний технічний університет "ХПІ"
Кафедра "Обчислювальна техніка та програмування"
Реферат
По курсу "Теорія інформації та кодування"
Тема:
Модуляція та демодуляція
Харків
Зміст
1. Типи модуляції
2. Гармонічна модуляція
3. Імпульсна модуляція
4. Широтно-імпульсна модуляція
5. Дискретна модуляція
Список літератури
Модуляція - зміна будь-якого параметра переносника сигналу у відповідності з функцією відображає повідомлення.
Несучим сигналом може бути: постійний струм - провідна телеграфія; змінний струм низької або високої частоти - телефонія, тональна телеграфія, телефакс, телемеханіка; високочастотні імпульси - радіорелейний зв'язок.
Модульовані параметри називаються інформативними, і в якості них можуть використовуватися: амплітуда; фаза; частота та ін
Використовуються такі типи модуляції: гармонійна; імпульсна; дискретна і їх різновиди.
Демодуляція - відділення корисного (модулює) сигналу від несучої. Модуляція та демодуляція здійснюється за допомогою пристроїв, званих модулятором і демодулятором.
Модем - пристрій, що перетворює код в сигнал (модулятор) і сигнал в код (демодулятор), що використовується для передачі даних по каналах зв'язку. Маніпуляція - модуляція, при якій модульований параметр може приймати фіксоване число - m дискретних значень.
Вона найчастіше використовується при передачі двійкових кодів і називається маніпуляцією. Використовуються різні види гармонійної модуляції (див. рис.1).
Амплітудна модуляція (АМ) - при цьому посилка передається при "1" і відсутня при "0"
Де w 0 - частота несучої. Частотна модуляція (ЧМ) - при цьому частота посилки
Де w 1 - частота маніпуляції.
Фазова модуляція (ФМ) - при цьому фаза змінюється на 180 градусів при зміні з "0" на "1" і з "1" на "0".
Рис.1. Види гармонійної модуляції
Порівняння видів модуляції. Різні типи модуляції відрізняються: за необхідної потужності для організації передачі; по необхідної смузі частот або ширині спектра; по перешкодозахищеності; по економічності і простоті реалізації.
Крім перерахованих видів гармонійної маніпуляції існує багато різновидів або похідних методів. Наприклад, метод відносної фазової модуляції (ОФМ), який відрізняється високою помехозащищенностью. Цей вид модуляції широко використовується в модемах.
Використовуються різні види імпульсної модуляції (див. рис.2).
Рис.2. Види імпульсної модуляції
Повідомлення при використанні імпульсної модуляції може бути представлено у вигляді двійкового коду.
Переносник - послідовність імпульсів певної амплітуди, тривалості, частоти проходження і фази (A, t і, T і, ...).
Амплітудно-імпульсна модуляція (АІМ) - залежно від посилки "0" або "1" змінюється амплітуда переданих імпульсів.
Широтно-імпульсна модуляція (ШІМ, ДІМ) - залежно від посилки "0" або "1" міняється тривалість переданих імпульсів.
Фазоімпульсная модуляція (ФІМ) - залежно від посилки "0" або "1" змінюється фаза переданих імпульсів.
Частотно імпульсна модуляція (ЧІМ) - залежно від посилки "0" або "1" міняється період проходження імпульсів.
,
де x (t) - бажаний вхідний сигнал в межі від t1 до t2, а Δ T i - тривалість i - го ШІМ імпульсу, кожного з амплітудою A. Δ T i підбирається таким чином, що сумарні площі (енергії) обох величин приблизно рівні за досить тривалий проміжок часу, рівні також і середні значення величин за період:
.
Керованими "рівнями", як правило, є параметри харчування силової установки, наприклад, напруга імпульсних перетворювачів регуляторів постійної напруги / або швидкість електродвигуна. Для імпульсних джерел x (t) = U const стабілізації.
ШИП - широтно-імпульсний перетворювач, що генерує ШІМ-сигнал по заданому значенню керуючого напруги. Основна перевага ШІМ - високий ККД його підсилювачів потужності, який досягається за рахунок використання їх виключно в ключовому режимі. Це значно зменшує виділення потужності на силовому перетворювачі (СП).
При широтно-імпульсної модуляції в якості несучого коливання використовується періодична послідовність прямокутних імпульсів, а інформаційним параметром, пов'язаним з дискретним модулюючим сигналом, є тривалість цих імпульсів. Періодична послідовність прямокутних імпульсів однакової тривалості має постійну складову, обернено пропорційну шпаруватості імпульсів, тобто прямо пропорційну їх тривалості. Пропустивши імпульси через ФНЧ з частотою зрізу, значно меншою, ніж частота проходження імпульсів, цю постійну складову можна легко виділити, одержавши постійну напругу. Якщо тривалість імпульсів буде різною, ФНЧ виділить повільно змінюється напруга, що відстежує закон зміни тривалості імпульсів. Таким чином, за допомогою ШІМ можна створити нескладний ЦАП: значення відліків сигналу кодуються тривалістю імпульсів, а ФНЧ перетворить імпульсну послідовність в плавно змінюваний сигнал.
ШІМ використовує транзистори (можуть бути і інші елементи) не в активному (правильніше буде сказати - лінійному), а в ключовому режимі, тобто транзистор весь час або розімкнений (вимкнений), або замкнутий (знаходиться в стані насичення). У першому випадку транзистор має нескінченну опір, тому струм в колі не тече, і, хоча всі напруга живлення падає на транзисторі, тобто ККД = 0%, в абсолютному вираженні виділяється на транзисторі потужність дорівнює нулю. У другому випадку опір транзистора вкрай мало, і, отже, падіння напруги на ньому близько до нуля - виділяється потужність так само мала.
1.
2.
Принцип роботи ШІМ
Шим є імпульсний сигнал постійної частоти і змінної шпаруватості, тобто відносини тривалості імпульсу до періоду його проходження. З допомогою завдання шпаруватості (тривалості імпульсів) можна міняти середня напруга на виході ШІМ.
Генерується аналоговим компаратором, на негативний вхід якого подається опорний сигнал у вигляді "пили" або "трикутника", а на позитивний - власне сам модульований безперервний аналоговий сигнал. Частота імпульсів відповідає частоті "зуб" пили. Ту частину періоду, коли вхідний сигнал вище опорного, на виході виходить одиниця, нижче - нуль.
У цифровій техніці, виходи якої можуть приймати тільки одне з двох значень, наближення бажаного середнього рівня виходу за допомогою ШІМ є абсолютно природним. Схема настільки ж проста: пилоподібний сигнал генерується N-бітним лічильником. Цифрові пристрої (ЦШІП) працюють на фіксованій частоті, зазвичай набагато перевищує реакцію керованих установок (передискретизація). У періоди між фронтами тактових імпульсів, вихід ЦШІП залишається стабільним, на ньому діє або низький рівень або високий, в залежності від виходу цифрового компаратора, який би порівняв значення лічильника з рівня наближається цифрового сигналу V (n). Вихід за багато тактів можна трактувати як низку імпульсів з двома можливими значеннями 0 і 1, що змінюють один-одного кожен такт Т. Частота появи одиничних імпульсів виходить пропорційної рівня наближається сигналу ~ V (n). Одиниці, наступні одна за одною, формують контур одного, більш широкого імпульсу. Тривалості отриманих імпульсів змінної ширини ~ V (n), кратні періоду тактирования T, а частота дорівнює 1 / (T * 2 N). Низька частота означає тривалі, щодо T, періоди сталості сигналу одного рівня, що дає невисоку рівномірність розподілу імпульсів.
Описана цифрова схема генерації підпадає під визначення однобітних (дворівневої) імпульсно-кодової модуляції (ІКМ) .1-бітну ІКМ можна розглядати в термінах ШІМ як серію імпульсів частотою 1 / T і шириною 0 або T. Домогтися усереднення за менш короткий проміжок часу дозволяє наявна передискретизація. Високою якістю має такий різновид однобітних ІКМ, як імпульсно-плотностной модуляція (pulse density modulation), яка ще іменується імпульсно-частотною модуляцією.
Відновлюється безперервний аналоговий сигнал арифметичним усередненням імпульсів за багато періодів за допомогою найпростішого фільтра низьких частот. Хоча зазвичай навіть цього не потрібно, так як електромеханічні складові приводу мають індуктивністю, а об'єкт управління (ОУ) - інерцією, імпульси з виходу ШИП згладжуються і ОУ, при достатній частоті ШІМ-сигналу, веде себе як при управлінні звичайним аналоговим сигналом.
(Кодоімпульсная модуляція)
При кодоімпульсной модуляції (КІМ) кожному значенню амплітуди сигналу в дискретні моменти часу відповідає "пачка" імпульсів (рис.3).
Рис. 3. Дискретна модуляція
Число рівнів квантування визначають розрядність двійкового коду. Наприклад, для вимірювання в діапазоні 0-100 з точністю 0,1% необхідно 1000 рівнів. Приймаються 1024 = 10 лютого, що відповідає 10 разрядному двійкового коду.
Імпульсна модуляція широко використовується в телемеханіки і багатоканального зв'язку (наприклад, радіорелейного), дискретна модуляція використовується в телеметрії і т.д.
2. Купріянов М.С., Матюшкін Б.Д. - Цифрова обробка сигналів: процесори, алгоритми, засоби проектування. - СПб.: Політехніка, 1999.
3. Хеммінг Р.В. Цифрові фільтри: Пер. з англ. / Под ред. А.М. Трахтман. - М.: Сов. радіо, 1980.
4. Сиберт р.м. Ланцюги, сигнали, системи: У 2-х ч. / Пер. з англ. - М.: Мир, 1988.
5. Феєр К. Бездротова цифрова зв'язок. Методи модуляції та розширення спектру. Пер. з англ. - М.: Радіо і зв'язок, 2000.
6. Баскаков С.І. Радіотехнічні ланцюги і сигнали: Учеб. для вузів за спец. "Радіотехніка". - М.: Вищ. шк., 2000.
Національний технічний університет "ХПІ"
Кафедра "Обчислювальна техніка та програмування"
Реферат
По курсу "Теорія інформації та кодування"
Тема:
Модуляція та демодуляція
Харків
Зміст
1. Типи модуляції
2. Гармонічна модуляція
3. Імпульсна модуляція
4. Широтно-імпульсна модуляція
5. Дискретна модуляція
Список літератури
1. Типи модуляції
Одним з етапів перетворення повідомлення в сигнал для його передачі в канал зв'язку є модуляція.Модуляція - зміна будь-якого параметра переносника сигналу у відповідності з функцією відображає повідомлення.
Несучим сигналом може бути: постійний струм - провідна телеграфія; змінний струм низької або високої частоти - телефонія, тональна телеграфія, телефакс, телемеханіка; високочастотні імпульси - радіорелейний зв'язок.
Модульовані параметри називаються інформативними, і в якості них можуть використовуватися: амплітуда; фаза; частота та ін
Використовуються такі типи модуляції: гармонійна; імпульсна; дискретна і їх різновиди.
Демодуляція - відділення корисного (модулює) сигналу від несучої. Модуляція та демодуляція здійснюється за допомогою пристроїв, званих модулятором і демодулятором.
Модем - пристрій, що перетворює код в сигнал (модулятор) і сигнал в код (демодулятор), що використовується для передачі даних по каналах зв'язку. Маніпуляція - модуляція, при якій модульований параметр може приймати фіксоване число - m дискретних значень.
2. Гармонічна модуляція
При гармонійної модуляції в якості несучої використовується сигнал:Вона найчастіше використовується при передачі двійкових кодів і називається маніпуляцією. Використовуються різні види гармонійної модуляції (див. рис.1).
Амплітудна модуляція (АМ) - при цьому посилка передається при "1" і відсутня при "0"
Де w 0 - частота несучої. Частотна модуляція (ЧМ) - при цьому частота посилки
Де w 1 - частота маніпуляції.
Фазова модуляція (ФМ) - при цьому фаза змінюється на 180 градусів при зміні з "0" на "1" і з "1" на "0".
Рис.1. Види гармонійної модуляції
Порівняння видів модуляції. Різні типи модуляції відрізняються: за необхідної потужності для організації передачі; по необхідної смузі частот або ширині спектра; по перешкодозахищеності; по економічності і простоті реалізації.
Крім перерахованих видів гармонійної маніпуляції існує багато різновидів або похідних методів. Наприклад, метод відносної фазової модуляції (ОФМ), який відрізняється високою помехозащищенностью. Цей вид модуляції широко використовується в модемах.
3. Імпульсна модуляція
При імпульсної модуляції в якості несучої використовується сигнал:Використовуються різні види імпульсної модуляції (див. рис.2).
Переносник |
Код |
АІМ |
ШІМ |
ФІМ |
ЧИМ |
|
|
|
|
|
Повідомлення при використанні імпульсної модуляції може бути представлено у вигляді двійкового коду.
Переносник - послідовність імпульсів певної амплітуди, тривалості, частоти проходження і фази (A, t і, T і, ...).
Амплітудно-імпульсна модуляція (АІМ) - залежно від посилки "0" або "1" змінюється амплітуда переданих імпульсів.
Широтно-імпульсна модуляція (ШІМ, ДІМ) - залежно від посилки "0" або "1" міняється тривалість переданих імпульсів.
Фазоімпульсная модуляція (ФІМ) - залежно від посилки "0" або "1" змінюється фаза переданих імпульсів.
Частотно імпульсна модуляція (ЧІМ) - залежно від посилки "0" або "1" міняється період проходження імпульсів.
4. Широтно-імпульсна модуляція
Широтно-імпульсна модуляція - наближення бажаного сигналу (багаторівневого або безперервного) до дійсних бінарним сигналам (з двома рівнями), так, що, в середньому, за певний відрізок часу, їх значення рівні. Формально, це можна записати так:де x (t) - бажаний вхідний сигнал в межі від t1 до t2, а Δ T i - тривалість i - го ШІМ імпульсу, кожного з амплітудою A. Δ T i підбирається таким чином, що сумарні площі (енергії) обох величин приблизно рівні за досить тривалий проміжок часу, рівні також і середні значення величин за період:
Керованими "рівнями", як правило, є параметри харчування силової установки, наприклад, напруга імпульсних перетворювачів регуляторів постійної напруги / або швидкість електродвигуна. Для імпульсних джерел x (t) = U const стабілізації.
ШИП - широтно-імпульсний перетворювач, що генерує ШІМ-сигнал по заданому значенню керуючого напруги. Основна перевага ШІМ - високий ККД його підсилювачів потужності, який досягається за рахунок використання їх виключно в ключовому режимі. Це значно зменшує виділення потужності на силовому перетворювачі (СП).
При широтно-імпульсної модуляції в якості несучого коливання використовується періодична послідовність прямокутних імпульсів, а інформаційним параметром, пов'язаним з дискретним модулюючим сигналом, є тривалість цих імпульсів. Періодична послідовність прямокутних імпульсів однакової тривалості має постійну складову, обернено пропорційну шпаруватості імпульсів, тобто прямо пропорційну їх тривалості. Пропустивши імпульси через ФНЧ з частотою зрізу, значно меншою, ніж частота проходження імпульсів, цю постійну складову можна легко виділити, одержавши постійну напругу. Якщо тривалість імпульсів буде різною, ФНЧ виділить повільно змінюється напруга, що відстежує закон зміни тривалості імпульсів. Таким чином, за допомогою ШІМ можна створити нескладний ЦАП: значення відліків сигналу кодуються тривалістю імпульсів, а ФНЧ перетворить імпульсну послідовність в плавно змінюваний сигнал.
ШІМ використовує транзистори (можуть бути і інші елементи) не в активному (правильніше буде сказати - лінійному), а в ключовому режимі, тобто транзистор весь час або розімкнений (вимкнений), або замкнутий (знаходиться в стані насичення). У першому випадку транзистор має нескінченну опір, тому струм в колі не тече, і, хоча всі напруга живлення падає на транзисторі, тобто ККД = 0%, в абсолютному вираженні виділяється на транзисторі потужність дорівнює нулю. У другому випадку опір транзистора вкрай мало, і, отже, падіння напруги на ньому близько до нуля - виділяється потужність так само мала.
1.
2.
Принцип роботи ШІМ
Шим є імпульсний сигнал постійної частоти і змінної шпаруватості, тобто відносини тривалості імпульсу до періоду його проходження. З допомогою завдання шпаруватості (тривалості імпульсів) можна міняти середня напруга на виході ШІМ.
Генерується аналоговим компаратором, на негативний вхід якого подається опорний сигнал у вигляді "пили" або "трикутника", а на позитивний - власне сам модульований безперервний аналоговий сигнал. Частота імпульсів відповідає частоті "зуб" пили. Ту частину періоду, коли вхідний сигнал вище опорного, на виході виходить одиниця, нижче - нуль.
У цифровій техніці, виходи якої можуть приймати тільки одне з двох значень, наближення бажаного середнього рівня виходу за допомогою ШІМ є абсолютно природним. Схема настільки ж проста: пилоподібний сигнал генерується N-бітним лічильником. Цифрові пристрої (ЦШІП) працюють на фіксованій частоті, зазвичай набагато перевищує реакцію керованих установок (передискретизація). У періоди між фронтами тактових імпульсів, вихід ЦШІП залишається стабільним, на ньому діє або низький рівень або високий, в залежності від виходу цифрового компаратора, який би порівняв значення лічильника з рівня наближається цифрового сигналу V (n). Вихід за багато тактів можна трактувати як низку імпульсів з двома можливими значеннями 0 і 1, що змінюють один-одного кожен такт Т. Частота появи одиничних імпульсів виходить пропорційної рівня наближається сигналу ~ V (n). Одиниці, наступні одна за одною, формують контур одного, більш широкого імпульсу. Тривалості отриманих імпульсів змінної ширини ~ V (n), кратні періоду тактирования T, а частота дорівнює 1 / (T * 2 N). Низька частота означає тривалі, щодо T, періоди сталості сигналу одного рівня, що дає невисоку рівномірність розподілу імпульсів.
Описана цифрова схема генерації підпадає під визначення однобітних (дворівневої) імпульсно-кодової модуляції (ІКМ) .1-бітну ІКМ можна розглядати в термінах ШІМ як серію імпульсів частотою 1 / T і шириною 0 або T. Домогтися усереднення за менш короткий проміжок часу дозволяє наявна передискретизація. Високою якістю має такий різновид однобітних ІКМ, як імпульсно-плотностной модуляція (pulse density modulation), яка ще іменується імпульсно-частотною модуляцією.
Відновлюється безперервний аналоговий сигнал арифметичним усередненням імпульсів за багато періодів за допомогою найпростішого фільтра низьких частот. Хоча зазвичай навіть цього не потрібно, так як електромеханічні складові приводу мають індуктивністю, а об'єкт управління (ОУ) - інерцією, імпульси з виходу ШИП згладжуються і ОУ, при достатній частоті ШІМ-сигналу, веде себе як при управлінні звичайним аналоговим сигналом.
5. Дискретна модуляція
(Кодоімпульсная модуляція)
При кодоімпульсной модуляції (КІМ) кожному значенню амплітуди сигналу в дискретні моменти часу відповідає "пачка" імпульсів (рис.3).
12 |
10 |
14 |
0 T 2T 3T 4T |
Рис. 3. Дискретна модуляція
Число рівнів квантування визначають розрядність двійкового коду. Наприклад, для вимірювання в діапазоні 0-100 з точністю 0,1% необхідно 1000 рівнів. Приймаються 1024 = 10 лютого, що відповідає 10 разрядному двійкового коду.
Імпульсна модуляція широко використовується в телемеханіки і багатоканального зв'язку (наприклад, радіорелейного), дискретна модуляція використовується в телеметрії і т.д.
Список літератури
1. Грінченка А.Г. Теорія інформації та кодування: Навч. посібник. - Харків: ХПУ, 2000.2. Купріянов М.С., Матюшкін Б.Д. - Цифрова обробка сигналів: процесори, алгоритми, засоби проектування. - СПб.: Політехніка, 1999.
3. Хеммінг Р.В. Цифрові фільтри: Пер. з англ. / Под ред. А.М. Трахтман. - М.: Сов. радіо, 1980.
4. Сиберт р.м. Ланцюги, сигнали, системи: У 2-х ч. / Пер. з англ. - М.: Мир, 1988.
5. Феєр К. Бездротова цифрова зв'язок. Методи модуляції та розширення спектру. Пер. з англ. - М.: Радіо і зв'язок, 2000.
6. Баскаков С.І. Радіотехнічні ланцюги і сигнали: Учеб. для вузів за спец. "Радіотехніка". - М.: Вищ. шк., 2000.