Исследование различных видов аналоговой модуляции

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»
Кафедра Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем
ИНСТРУМЕНТАЛЬНО-ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
«ЛАБОРАТОРИЯ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СВЯЗИ НА БАЗЕ
NATIONAL INSTRUMENTS»
Книга 5
Том 3
Методические указания для лабораторной работы №3
Исследование различных видов аналоговой модуляции
Руководитель:
Исполнитель:
Краснокутский А.В
Соколов Р.И.
Екатеринбург 2014
1. Аналоговая модуляция
Некоторые приложения по-прежнему используют аналоговую модуляцию
для решения проблем связи.
Эти приложения включают, но не ограничиваются следующими:
- радиовещание;
- некоторые устройства дистанционного управления;
- спутниковое ТВ;
- двухсторонняя радиосвязь;
- беспроводные телефоны;
- беспроводные аудиоустройства.
Так как эти устройства обычно предназначены для широкого применения,
промышленная
платформа
тестирования
должна
быть
достаточно
быстродействующей для поддержки требуемой производительности.
1.1 Сравнение цифрового и аналогового сигнала
При цифровой модуляции теряется часть данных. Этот процесс называется
квантованием и величина потерь может быть очень малой, если число разрядов
достаточно велико. Однако квантование аналогового сигнала обеспечивает
различные преимущества:
- целостность квантованного сигнала сохраняется при копировании и/или
передаче (если качество сигнала хорошее);
- обработка цифровых сигналов легче и обеспечивает более надежные и
согласованные результаты;
- сжатие сигнала выполняется легче и сохраняет объем памяти.
Цифровая модуляция обеспечивает множество преимуществ и решает
множество проблем в области передачи информации, но, одновременно, вносит
дополнительную сложность в систему. Сложность обычно преобразуется в
стоимость разработки, тестирования и внедрения.
1.2 Расстояние передачи
Некоторые системы, такие как сотовые телефоны, допускают в процессе
передачи множество ошибок. В аналоговом режиме это преобразуется в шум и
даже в очень зашумленной среде наши уши могут принять информацию,
которая была передана.
В отношении цифровых сигналов если шум превышает определенный
порог, устройство теряет способность воспроизводить любой звуковой сигнал,
который можно было бы разобрать на слух. Эта проблема решается с помощью
методов канального кодирования цифровых сигналов, позволяющих им
восстанавливать переданные сигналы даже при детектировании множества
ошибок. Это возможно, так как методы канального кодирования могут не только
обнаруживать ошибки, но и исправлять их.
2. Виды аналоговой модуляции
Рис.1 – Виды аналоговой модуляции
Амплитудная модуляция - сообщение (модулирующий сигнал)
накладывается на огибающую несущего колебания. Все другие параметры
остаются неизменными и, следовательно, частота и фаза несущего колебания
никогда не изменяются.
Частотная модуляция - сообщение изменяет полную фазу несущего
колебания. Если мы изменяем эту фазу в интегральном плане (не линейно), то
будет изменяться мгновенная частота несущего сигнала и он будет колебаться
быстрее при положительных значениях сообщения и медленнее - при
отрицательных значениях.
Фазовая модуляция - сообщение изменяет мгновенную фазу несущей,
создавая такое же поведение, как и при ФМ, но с помощью совершенно другого
метода. Фаза изменяется линейно.
2.1 Амплитудная модуляция:
Преимущества амплитудной модуляции:
- простая в реализации;
- может быть демодулирована схемой, состоящей из очень малого
количества элементов;
- амплитудная модуляция не является эффективной в отношении
использования мощности и полосы частот.
При упоминании AM (амплитудной модуляции) обычно имеют в виду
двухполосную амплитудную модуляцию (DSB) с несущей.
Существует три основных варианта AM:
- двухполосная (DSB);
- однополосная (SSB);
- с частично подавленной боковой полосой (VSB).
В любом из этих трех случаев можно подавить несущее колебание. Это
полезно для максимального увеличения передаваемой мощности сообщения,
однако будет более трудно его восстановить, поскольку не будет опорного
значения фазы или частоты (это исключительно назначение несущей).
Рис.2 – Спектры различных видов амплитудной модуляции
Основная формула для двухполосной амплитудной модуляции:
v(t) = (m(t) + Ac)cos(ωct + θ), где
v(t)- модулированный сигнал;
m(t)- индекс модуляции;
Ac – амплитуда немодулированной несущей;
ωc – угловая частота несущей;
θ – начальная фаза несущей.
Однополосная AM (SSB) и AM с частично подавленной боковой полосой
(VSB) являются двумя вариантами двухполосной AM (DSB), в которой
стремятся подавить одну из боковых полос. Поскольку полосы симметричны,
исходный сигнал может быть восстановлен в демодуляторе.
Как однополосная AM, так и AM с частично подавленной боковой
полосой начинаются с двухполосного сигнала и для получения только одной
половины спектра выполняют его фильтрацию. Single Side Band (однополосная
AM) использует фильтр Гильберта, в то время как Vestigial Side Band (AM с
частично подавленной боковой полосой) использует заранее определенный
фильтр, который не удаляет полностью одну из боковых полос и оставляет
"остаток".
Получение только одной полосы повышает спектральную эффективность,
т.к. ширина полосы модулированного сигнала становится меньше удвоенной
ширины полосы модулирующего видеосигнала. В идеале она должна быть такой
же, что означает передачу только существенной части сообщения.
В реальных приложениях трудно сделать фильтр Гильберта без
пропускания небольшой части низкочастотных составляющих. Вот почему
множество реальных приложений, таких как AM радио, AM телевидение и т.д.
используют для модуляции AM с частично подавленной боковой полосой.
2.2 Частотная модуляция
Наиболее часто применяется в задачах аналоговой модуляции по
следующим причинам:
- более эффективное использование мощности, т.к. амплитуда сигнала не
меняется в зависимости от сообщения и более широкий, по сравнению с AM,
диапазон областей применения, поскольку ослабление сигнала не всегда портит
сообщение;
- демодулятор на основе аналоговых схем не отличается сложностью и,
следовательно, не очень дорогой.
Принципы частотной модуляции:
- нелинейное изменение фазы;
- правило Карсона необходимо для определения ширины полосы ЧМ
сигнала и, таким образом, частоты дискретизации IQ, на которой необходимо
генерировать сигнал;
fдевиации представляет заданную девиацию частоты, подаваемую на вход.
fмакс – максимальная частота сигнала сообщения (т.е. ширина спектра
модулирующего сигнала);
BW - ширина полосы, которую будет иметь ЧМ сигнал после модуляции с
центром на несущей частоте.
Рис.3 – Спектры частотной модуляции и уравнение Карсона
Основная формула для частотной модуляции:
v(t) = Accos((m(t)+ ωc)t+ θ), где
v(t)- модулированный сигнал;
m(t)- девиация частоты;
Ac – амплитуда немодулированной несущей;
ωc – угловая частота несущей;
θ – начальная фаза несущей.
2.3 Фазовая модуляция
Основная формула для фазовой модуляции:
v(t) = Accos(ωct + θ + m(t)), где
v(t)- модулированный сигнал;
m(t)- девиация фазы;
Ac – амплитуда немодулированной несущей;
ωc – угловая частота несущей;
θ – начальная фаза несущей.
В фазовой модуляции девиация фазы определяет максимальную разность
между
мгновенной
фазой
модулированного
колебания
и
фазой
немодулированного несущего колебания.
2.4 Основные требования к аналоговой модуляции:
Требуется устанавливать частоту IQ сигнала равной частоте
дискретизации сигнала основной полосы, обычно эта частота может быть
низкой, особенно для узкополосных сигналов, например для AM или FM
радиосигналов. В этом случае вам потребуется увеличить частоту дискретизации
сигнала основной полосы, а затем применить программный фильтр для
извлечения всей информации, содержащейся в сигнале.
Разрешение по частоте в основной полосе влияет на длительность сигнала
(зависимость показана в таблице 1).
Таблица 1. Зависимость длительности сигнала от разрешения по частоте
Разрешение
Длительность сигнала
Память
1 кГц
1 мс
8000 Б
10 Гц
100 мс
800 кБ
1 Гц
1000МО
8 МБ
Если пользователь хочет распознать два сигнала, которые находятся
относительно близко друг от друга в частотной области, требуется более
высокое разрешение по частоте.
Например, вы хотите получить разрешение по частоте 1 Гц, это означает,
что вы хотите распознать два сигнала, которые расположены отдельно друг от
друга на расстоянии 1 Гц. например на частотах 10 кГц и 10,001 кГц.
Следовательно, разрешение по частоте сигнала основной полосы
существенно влияет на размер записи сигнала, поскольку вам потребуется
больше точек для представления сигнала основной полосы.
Цель работы
Исследовать влияние внешних помех и внутренних искажений на качество
приема сигналов амплитудной, фазовой и частотной модуляции.
Исследовать систему связи АМ, ЧМ и ФМ в режиме цифрового и
полунатурного моделирования.
Порядок выполнения работы
Допуск к работе осуществляется после ответа на вопросы преподавателя
по теме выполняемой работы.
Включение лабораторного стенда производится только преподавателем
или дежурным инженером.
После выполнения работы необходимо представить результаты
исследований преподавателю.
1. Слева на лицевой панели произведите настройки передатчика: выберете
название устройства, несущая частота 1ГГц; тип модуляции АМ; установите
уровень выходного излучения в пределах -10 дБм; предусиление 0дБ.
2. Настройте информационный сигнал со следующими параметрами:
частота 25кГц; коэффициент модуляции 0,8; тип сигнала - синусоида.
3. Отключите искажения сигнала и внешний шум.
4. Настройте параметры приемника идентичными параметрам
передатчика.
5. Запустите виртуальный Прибор с заданными настройками. Убедитесь,
что передатчик и приемник соединены кабелем. Установите параметры полосы
фильтра приемника и полосы БПФ таким образом, чтобы осциллограмма
принятого сообщения полностью соответствовала информационному
сообщению
6. Снимите осциллограммы формы сигнала на соответствующем графике,
его спектр.
7. Снимите все показания принятого сигнала отображаемых в правой
нижней части лицевой панели.
8. Установите параметр СКО шума на уровне 0,1 и снимите зависимости
параметров пункта 7 от коэффициента модуляции, изменяя его в пределах от 0
до 1 с шагом 0,2.
9. Снимите зависимости параметров пункта 7 от мощности внешнего
шума, увеличивая значение дисперсии шума от 0 до 1 с шагом 0,1 для
коэффициента модуляции 0,8.
10. Проведите исследования по пунктам 1–9 для двух любых типов
сигнала с подавленной несущей.
11. Вместо кабеля подключите рамочные антенны необходимого
частотного диапазона и проведите аналогичные исследования по пунктам 6-10
регулируя отношение сигнал/шум путем уменьшения мощности выходного
полезного сигнала.
12. Проведите аналогичные исследования по пунктам 1-11 для частотной и
фазовой модуляцией. Параметры частотной и фазовой девиации для пунктов 1 и
9 определяются преподавателем.
Рис. 4. Лицевая панель программного комплекса.