11. Druhy Modulací - Telskol

11. DRUHY MODULACÍ
Uveďte druhy používaných modulací a vysvětlete jejich principy.
Vysvětlete pojmy: - hloubka modulace,- šířka zabíraného pásma,- kmitočtový zdvih,- jedno
postranní pásmo,- vzorkovací kmitočet,- kvantizační hladiny,- kvantizační zkreslení.
Modulační metody se dělí podle typu přenášeného signálu na analogové(spojité) a
impulzní(diskrétní) modulace.
U analogových modulací se využívá nosné vlny. K tomuto účelu je používán sinusový
harmonický signál, na něj je později v modulátoru nanesen modulační signál(přenášená
informace). Vystupující modulovaný signál může mít oproti původní nosné vlně rozdílnou
amplitudu, frekvenci nebo fázi. Podle toho se daná analogová modulace nazývá:
Modulační signál
1. Amplitudová
modulace
Modulovaná vlna
2. Frekvenční
modulace
Modulační signál
3. Fázová
modulace
Modulovaná vlna
1
Základem impulzních modulací je odebírání vzorků z původního spojitého modulačního
signálu. Tím vzniká diskrétní(nespojitý) signál tvořený impulzy odpovídajícími amplitudě
původního signálu. Tomuto procesu se říká vzorkování a musí probíhat v pravidelných
intervalech. Dobu mezi vzorky udává Shanon-Kotelníkův teorém:“Pro obnovení původního
spojitého signálu musí být vzorkovací kmitočet v každém okamžiku nejméně 2x větší než
největší kmitočet přenášený v původním signálu“. Podle způsobu vyjadřování jednotlivých
vzorků se impulsní modulace dělí na:
Modulační signál
1. Pulzně amplitudová
modulace = PAM
2. Pulzně šířková
modulace = PŠM
3. Pulzně polohová
modulace = PPM
4. Pulzně kódová
modulace = PCM
Amplitudová modulace
U tohoto typu modulace se amplituda nosné vlny mění podle okamžité hodnoty modulačního
signálu. Hodnota amplitudy modulačního signálu se přičítá i odečítá od hodnoty amplitudy
nosné vlny. Mění se pouze amplituda nosné vlny.
Hlavním parametrem amplitudové modulace je hloubka modulace(m). Udává poměr
amplitudy modulačního signálu k nosné vlně ( m = Um / Un ). Pokud tento poměr přesáhne
míru 100%, pak dochází ke zkreslení přenášeného signálu.
Kmitočtové spektrum modulovaného signálu se skládá ze tří složek, nosného kmitočtu,
dolního a horního postranního kmitočtového pásma. Obě postranní pásma jsou rozmístěna
stejnoměrně okolo nosného kmitočtu a každé z nich obsahuje kompletní přenášenou
informaci. Jejich vznik je zapříčiněn přenosem určitého spektra kmitočtů. Minimální celková
šířka zabíraného pásma(B) se kvůli tomu rovná dvojnásobku nejvyššího modulačního
kmitočtu (B = 2 x fmax. Pro úsporu pásma pro přenos se většinou vysílá pouze jedno postranní
pásmo a nosný kmitočet, druhé postranní pásmo se odfiltruje.
Frekvenční modulace
U tohoto typu modulace je kmitočet nosné vlny ovlivňován pomocí modulačního signálu.
Nosná vlna se mění o tzv. frekvenční zdvih, což je maximální změna kmitočtu nosné(při
maximální hodnotě amplitudy modulačního signálu) oproti její původní hodnotě. Posuzuje se
zde míra promodulování(β), což je poměr frekvenčního zdvihu a nejvyššího modulačního
kmitočtu (β = ∆f / fmax ).
Při využití frekvenční modulace vznikají dvě postranní pásma stejně jako u amplitudové
modulace, avšak jsou rozsáhlejší. Pro skutečně kvalitní přenos je potřeba širokého pásma a
proto se používá pouze u VKV. Šířka pásma je dvojnásobek součtu maximálního
modulačního kmitočtu a frekvenčního zdvihu (B = 2 x ( fmax + ∆f )).
2
Fázová modulace
Princip fázové modulace je podobný frekvenční modulaci. Avšak zde dochází pouze ke
změně fáze. Okamžitá hodnota fáze(φ) nosného signálu se mění v závislosti na strmosti
amplitudy modulačního signálu. Pokud se hodnota amplitudy modulačního signálu nemění,
zůstává nosná vlna ve své původní podobě. Pomocí této modulace nelze přenášet
stejnosměrný signál, protože by nebylo možno určit velikost amplitudy.
Impulzní modulace
1.
PAM – Pulzně amplitudová modulace
Při této modulaci dochází k odebírání vzorků z původního spojitého signálu(vzorkování).
Amplituda vzorku zůstává rovna amplitudě přenášeného signálu v době vzorkování. Tyto
impulzy se přenášejí na přijímací stranu. Integrací impulzů vznikne opět původní přenášený
spojitý signál. Tento typ modulace je velice náchylný k rušení.
2.
PŠM – Pulzně šířková modulace
U PŠM se velikost okamžité hodnoty amplitudy přenášeného signálu projeví na době trvání
vysílaného impulzu. Šířka impulzu je přímo úměrná na amplitudě vzorkovaného signálu.
3.
PPM – Pulzně polohová modulace
Velikost amplitudy vzorkovaného signálu se projeví pouze na zpoždění přenášeného impulzu
oproti době vzorkování.
Pulzně kódová modulace
Jedná se o kvantovanou impulzní modulaci. Signál během ní prochází třemi fázemi. Jako
první probíhá vzorkování. Je stejné jako u PAM, signál po něm ještě stále zůstává ve své
původní amplitudové hodnotě. Vzorkování se opět řídí Shanon-Kotelníkovým teorémem o
minimální vzorkovací frekvenci.
Další fází je kvantování. Možný amplitudový rozsah signálu je rozdělen do určitého počtu
hladin(záleží na požadované přesnosti). Vzorky vzniklé po vzorkování jsou přiřazovány do
jednotlivých nejbližších hladin, dochází k zaokrouhlování a vzniku kvantizačního zkreslení.
Je to rozdíl mezi skutečným analogovým a kvantovaným signálem. Existují dva typy
kvantování. Při lineárním kvantování jsou jednotlivé kvantizační hladiny od sebe stejně
vzdáleny. Maximální kvantizační zkreslení je u něj rovno polovině kvantizačního intervalu
(prostor mezi sousedními kvantizačními hladinami), protože na přijímací straně se vždy
vytváří napěťová hodnota rovna polovině kvantizačního intervalu. U nelineárního
kvantování je velikost kvantizačních intervalů nižších hodnot amplitudy menší. Tím se
snižuje procentuální velikost kvantizačního zkreslení.
Poslední fází je kódování. Je to převod kvantizačních hladin do čísel binární soustavy.
Každému vzorku je podle jeho příslušnosti ke kvantizační hladině přiřazeno binární vyjádření.
V tomto tvaru se poté přenáší na přijímací stranu.
3
Modulační signál
Vzorkování
Kvantování
Modulace Delta
Princip delta modulace spočívá v porovnávání předchozího vzorku a aktuální hodnoty
amplitudy přenášeného signálu. Pro každý vzorek, je přenášen pouze jeden binární signál,
který určí, jestli je třeba na přijímací straně hodnotu amplitudy zvýšit nebo snížit oproti
předchozímu přijatému vzorku. Delta modulace může být lineární nebo adaptabilní. Při
lineární, je rozdíl mezi po sobě následujícími impulzy (jeden skok) pořád stejný. U
adaptabilní se při opakovaném přijímání stejných imlpuzů, např. pro zvýšení, se rozdíl mezi
dvěma po sobě jdoucími impulzy na výstupu postupně zdvojnásobuje.
Adaptabilní
Lineární
4