Виды аналоговой модуляции радиосигнала

Что из себя представляют различные виды модуляции: амплитудная (АМ), амплитудная с подавленной несущей (DSB), однополосная (SSB), частотная (FM), фазовая (PM)

Модуляция высокочастотного сигнала в системах радиосвязи представляет собой процесс преобразования одного или нескольких его параметров (амплитуды, частоты или фазы) посредством модулирующего сигнала, несущего в себе всю необходимую для передачи информацию.
Высокочастотный сигнал в этом случае называется несущим (или модулируемым).
Для уменьшения частотной полосы, занимаемой передающим каналом, как правило, применяются гармонические несущие колебания.

Модуляцию характеризуют несколькими основными параметрами:

Существует несколько способов модуляции сигнала, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки, поэтому оптимальный вид выбирается исходя из конкретных условий и возможностей. Приведём основные разновидности модуляции:

1. Амплитудная модуляция радиосигнала (АМ-сигнал)

При АМ огибающая амплитуды высокочастотного несущего колебания изменяется по закону, совпадающему с изменением модулирующего сигнала, при этом частота и фаза колебания поддерживаются неизменными.

Одним из основных параметров АМ является индекс (или коэффициент) модуляции m (0 ≤ m ≤1), равный отношению разности между максимальным и минимальным значениями амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений. Другими словами, этот коэффициент показывает, насколько сильно модулируемая амплитуда несущего сигнала изменяется относительно своего немодулированного уровня. Коэффициент модуляции m > 1 на практике не используется, т. к. в этом случае возникает эффект перемодуляции, в результате чего происходит искажение сигнала.

В случае однотональной модуляции гармоническим сигналом частотой F АМ-сигнал имеет несущее колебание с частотой f₀ плюс нижнее боковое колебание с частотой (f₀ - F), плюс верхнее боковое колебание с частотой (f₀ + F).
Диаграммы АМ-модулированного сигнала с разными коэффициентами модуляции приведены на Рис.1.




Рис.1 Диаграммы АМ-модулированного сигнала при различных индексах
модуляции

Амплитуды нижнего и верхнего боковых колебаний зависят от индекса модуляции m.
Они абсолютно одинаковы и равны U_бок = (m*U₀)/2. При этом интенсивность несущей всегда остаётся на постоянном уровне U₀.
Следовательно, полезная информация в АМ-сигнале содержится только в нижнем и верхнем боковых колебаниях, а несущее колебание полезной информации не содержит.
Из формулы вытекает, что энергетические возможности передатчика при АМ могут быть использованы наиболее полно, если m = m_max = 1.
При этом P_пик/P_{несущей} = (1 +m)² = 4, т. е. пиковая мощность АМ-сигнала в 4 раза больше средней мощности несущего колебания.
Если же задействовать понятие коэффициента использования пиковой мощности передатчика (η), который равен отношению средней мощности, приходящейся на колебания с полезной информацией, к общей пиковой мощности передатчика, то это значение равно η_АМ = (m²/8)*100%, т. е. при m= 1   η_АМ = 12.5%.
При m_ср = 0.3 (средний индекс модуляции звуковых сообщений на практике), то в этом случае η_ср ≈ 1.13%, что говорит о низкой эффективности использования мощности передатчика при АМ.

Ширина спектра АМ-сигнала при сложном модулирующем колебании с полосой частот Fн...Fв равна удвоенной высшей частоте модуляции (Fв).

Для повышения эффективности приёмо-передающей аппаратуры используются различные модификации амплитудной модуляции.

2. Двухполосная амплитудная модуляция с подавлением несущей     (DSB-модуляция)

DSB-модуляция получается при подаче несущего колебания и модулирующего сигнала на входы балансного модулятора.

Рис.2 Спектры АМ, DSB и SSB сигналов

При этом боковые частоты, создаваемые амплитудной модуляцией, симметрично располагаются выше и ниже несущей частоты, а уровень несущей подавляется до минимально возможного уровня (Рис.2 в)). Так же как это происходит в случае с АМ, балансная модуляция позволяет наиболее оптимально использовать энергетические возможности передатчика при индексе модуляции m = 1. При этом коэффициент использования пик. мощности передатчика равен ηDSB = (m²/2)*100% = 50%. Несмотря на ощутимые энергетические преимущества DSB по сравнению с АМ, данный вид модуляции не находит широкого применения из-за ряда своих недостатков. Во-первых, полоса частот DSB-сигнала столь же широка, как и у АМ-сигнала и равна удвоенной частоте модуляции. Во-вторых, для детектирования принятого DSB-сигнала в приёмнике необходим гетеродинный детектор, в состав которого обязательно должно входить устройство восстановления несущей. Также возможно и неполное подавление несущего колебания в передатчике, то есть передача помимо колебаний с боковыми частотами, ещё и остатка несущего колебания (пилот-тона), уровень которого в несколько раз меньше неподавленного несущего колебания (Рис.2 г)).

В этом случае в приёмнике необходим дополнительный узкополосный канал усиления пилот-тона до уровня, при котором возможно детектирование DSB-сигнала с малыми нелинейными искажениями.
Эффективность использования энергетики такого передатчика тем хуже, чем больше уровень передаваемого пилот-тона.

С целью дальнейшего увеличения эффективности используется радиосигнал с однополосной амплитудной модуляцией (SSB-сигнал).

3. Однополосная модуляция (SSB-модуляция)

SSB-сигнал формируют из DSB-сигнала путём подавления колебаний с нижней боковой полосой (USB, Рис.2 д)) либо колебаний с верхней боковой полосой (LSB, Рис.2 е)). При этом полоса частот SSB-сигнала при модуляции широкополосным сигналом уменьшается (по сравнению с АМ и DSB) более, чем в 2 раза и составляет величину: Δf_SSB = F_в - F_н < Δf_АМ /2. Для передачи речевой информации, как правило, F_н выбирается в диапазоне 100...200 Гц, а F_в ~ 2800...3200 Гц.

Спектральная и энергетическая эффективности SSB-модуляции очень высоки и могут приближаться к 100%.

К недостаткам SSB-модуляции следует отнести следующие факторы:
1. Высокая стоимость SSB-аппаратуры по сравнению с AM/FM устройствами;
2. Необходимость поддержания предельно точных и стабильных частот гетеродинов как на приёмной, так и на передающей сторонах;
3. Неестественность тембральной передачи звука даже при точной настройке на радиостанцию.

4. Угловая модуляция – частотная модуляция (ЧМ, FM-модуляция) и фазовая модуляция (ФМ, PM-модуляция)

При угловой модуляции амплитуда высокочастотного (несущего) колебания остается неизменной, а информация содержится в изменении несущей частоты или начальной фазы. Если пропорционально управляющему сигналу изменяется частота, то модуляция называется частотной (ЧМ, FM). Если модулирующий сигнал воздействует на начальную фазу, то модуляция называется фазовой (ФМ, PM).

Рис.3 Диаграммы FM-модулирован- ного сигнала

Наибольшее отклонение частоты от среднего значения (Δf) при FM-модуляции называется девиацией. В идеальном варианте, девиация прямо пропорциональна амплитуде модули­рующего колебания. Индекс модуляции (m) при частотной модуляции равен отношению девиации частоты (Δf) к наивысшей частоте модулирующего сигнала (Fв). Индекс фазовой модуляции (m) – это величина, показывающая насколько фаза модулируемого сигнала (Δφ) изменяется относительно своего немодулированного уровня (φ0).

Если m > 1, то угловую модуляцию принято называть широкополосной, если m ≤ 1 – узкополосной (эти понятия относятся как к ЧМ, так и к ФМ).

При любой угловой модуляции средняя мощность модулированного колебания не изменяется по сравнению с мощностью P_несущ немодулированного колебания, однако происходит значительное перераспределение мощности между колебанием P_несущ и суммарной мощностью боковых составляющих P_бок.

Рассмотрим спектральные диаграммы PM и FM-сигналов при однотональной модуляции с разными индексами модуляции (Рис.4).



Рис.4 Спектры PM и FM-сигналов при различных индексах модуляции

Как можно увидеть на Рис.4, при индексах модуляции, меньших единицы, боковые частоты второго порядка практически исчезают, а амплитуда боковых частот первого порядка быстро уменьшается. При m << 1 спектр амплитуд ЧМ и ФМ-колебаний аналогичен спектру АМ-колебания, т. е. полоса, занимаемая этим спектром, равна удвоенной частоте модулирующего сигнала.

При увеличении индекса модуляции ширина спектра растёт, а уровень несущей уменьшается. Таким образом, мощность передатчика при модуляции не изменяется, она постоянна и равна пиковой мощности немодулированной несущей (тогда как, к примеру, пиковая мощность АМ-сигнала в 4 раза превышает мощность несущего колебания).
Постоянство амплитуды модулированного сигнала позволяет выходному каскаду передатчика работать в режиме класса С, т. е. с максимальным КПД.

Перечисленные факторы позволяют причислить угловую модуляцию к числу методов с относительно высокой энергоэффективностью и помехоустойчивостью.

Для достижения высокой дальности передачи речевой информации оптимальной считается узкополосная ЧМ с девиацией частоты 3 кГц, что соответствует индексу модуляции для наивысшей модулирующей частоты m = 1.

Полоса приёмника для неискаженного воспроизведения узкополосного ЧМ сигнала должна равняться ширине излучаемого спектра, т. е. 12 кГц (при m = 1). Однако на практике полезно сделать полосу уже, отфильтровав боковые частоты второго порядка, имеющие относительную амплитуду 0.11. Это приведет к потере всего 2.5% мощности сигнала, зато позволит вдвое уменьшить мощность шума на входе детектора. Таким образом, полоса пропускания приёмника для получения максимальной дальности связи должна составлять 6 кГц (±3 кГц, считая от нуля дискриминационной характеристики детектора).
Из этих же соображений и при больших индексах модуляции полосу пропускания приемника выбирают равной 2fmax или на 1-2 кГц шире (поскольку гетеродины имеют некоторую нестабильность).

Искажения, возникающие из-за отфильтровывания боковых частот высоких порядков, носят характер небольшого клиппирования пиков сигнала при высоких частотах модуляции. Они никак не сказываются на разборчивости и почти незаметны на слух.

Теперь, что касается фазовой модуляции.

Если модуляция осуществляется сигналом одной частоты, то нельзя установить разницу между ЧМ и ФМ. А вот при модуляции широкополосным сигналом частотные спектры частотной и фазовой модуляции приобретают некоторые различия.
Сущность этих различий заключается в том, что ширина полосы частот ЧМ-колебания почти не зависит от частоты модуляции. Частотный же спектр ФМ-колебания по мере увеличения частоты модуляции расширяется за счёт увеличения интервалов между боковыми частотами.
Это является существенным недостатком фазовой модуляции по сравнению с частотной и определяет её более низкую помехозащищённость и худшее качество принимаемого сигнала.

Литература:
1. Томский университет (ТУСУР), С.В. Мелихов – АНАЛОГОВОЕ И ЦИФРОВОЕ РАДИОВЕЩАНИЕ
2. РАДИО 1977, №3, с.20-23, В. Поляков (RA3AAE) – Техника УКВ ЧМ связи

А на следующей странице рассмотрим виды и методы цифровой модуляции сигнала, которые в современных условиях являются наиболее перспективными для передачи больших потоков информации.

Дальше