Модуляторы электрических сигналов

Виды и методы модуляции электических сигналов. Модуляцией называется процесс отображения информационного сигнала в одном из параметров другого колебания, которое используется в качестве переносчика информации. При этом информационный сигнал называется модулируемым, а переносчик информации называется несущим. В качестве несущего могут быть использованы непрерывные или импульсные колебания. Набольшее распространение получили гармонические сигналы и последовательность прямоугольных импульсов.

Если в качестве несущего используется гармоническое колебание

где U_m - его амплитуда, ω₀=2πf₀ - угловая частота, φ₀ - начальная фаза, то возможны три вида модуляции - амплитудная (АМ), частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ).

При любом виде модуляции соответствующий параметр изменяется по закону информационного сигнала. В качестве информационного сигнала могут быть любые сигналы, сопровождающие некоторые процессы и представленные электрической форме. Тем не мение анализ особенностей различных видов модуляции проще выполнить, используя в качестве модулирующего сигнал гармонической формы.

где U_mΩ и Ω - амплитуда и частота модулирущего сигнала. При этом будем считать, что при модуляции выполняется условие Ω«ω_0ω.

При амплитудной модуляции модулированный сигнал можно записать в виде

где а(t) - информационный сигнал.

Если а(t) определяется по выражению приведеному выше, то модулированное колебание можно представить в виде

где m_АМ= U_mΩ/U_m -коэффициент амплитудной модуляции. Форма сигналов при амплитудной модуляции приведена на рис.4.3.

Если определить максимальный размах модулированного колебания как А, минимальный как В, то коэффициент амплитудной модуляции можно выразить через эти два значения, используя формулу

m_АМ = (А-В/А+В)100%

При m_АМ =100 % возникает перемодуляция, в результате которой сигнал искажается. При отсутствии модуляции m_АМ =0

Рис. 4.3. Форма сигналов при амплитудной модуляции

При частотной модуляции частота получает приращение на Δω обусловленное сообщением а(t). Аналогично приращение Δφ получает начальная фаза φ₀, при фазовой модуляции.

В общем случае модулированное колебание можно представить в виде

где ψ - мгновенная фаза колебания.

Частота ω определяется скоростью изменения мгновенной фазы ψ.

В свою очередь текущую фазу колебания ψ можно опрелеить через частоту ω.

где φ₀ - начальная фаза при t =0

Отсюда следует, что любые изменения частоты приводят к изменению фазы и, наоборот, любые изменения фазы приводят к изменению частоты. Следовательно, частотная и фазовая модуляции принципиально не могут существовать друг без друга. В связи с этим частотную и фазовую модуляции обьединяют под общим названием угловая модуляция.

Однако, при передачи одновременно двух информационных сигналов используют амплитудно-частотную или амплитудно-фазовую модуляцию. Амплитудно-фазовую модуляцию часто называют векторной или квадратурной, так как два параметра, амплитуда и фаза характеризуют положение вектора сообщения на плоскости, а любой вектор можно представить в виде квадратурных колебаний, т.е. синусоидального и косинусоидального.

Импульсная модуляция отличаетсяот модуляции гармонической несущей тем, что в ней используется последовательность прямоугольных импульсов. При импульсной модуляции наибольшее распростронение получили три вида модуляции: амплитудная, широтная, частотная. Форма сигналов при таких видах модуляции приведена на

рис. 4.4.

Рис. 4.4. Форма сигналов при различных видах модуляции

Существуют широтно-импульсные модуляторы. Такие модуляторы преобразуют информационный сигнал a(t) в последовательность импульсов U_шим, характеризуемых длительностью импульса t_и и длительностью паузы t_п при постоянном периоде Т их следования, который задается внешним и внутренним задающим генератором импульсов. Выходным параметром широтно-импульсного модулятора (ШИМ) является коэффициент заполнения. g= t_и/Т Структурная схема ШИМ имеет вид приведенный на рис.4.5.

Рис.4.5. Структурная схема ШИМ