ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ
Аналоговые импульсные виды модуляции
Применяют в системах с временным разделением каналов.
В качестве модулирующего сигнала выступают аналоговые сигналы, а в качестве несущей – периодические последовательности импульсов.
Импульсная модуляция означает двойную модуляцию:
1. Первичная модуляция (несущая – импульсная последовательность
2. Вторичная модуляция (модулирующий сигнал – сигнал, полученный в результате первичной модуляции, несущая – гармоническое колебание)
Первичная модуляция
При первичной модуляции по закону модулирующего сигнала изменяется один из параметров импульсной последовательности:
· Амплитуда импульсов – Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)
· Длительность импульсов – широтно импульсная модуляция (ШИМ)
· Временное положение импульсов – фазо-импульсная модуляция.
Амплитудно –импульсная модуляция
Графики модулирующего, несущего и АИМ-сигнала приведены на слайде 2 презентации. Существует две разновидности АИМ-сигнала: АИМ-I и АИМ-II. В АИМ-I верхняя поверхность импульсов в точности повторяет форму модулирующего сигнала. При АИМ-II импульсы имеют прямоугольную форму, а их амплитуда равна значению модулирующего сигнала в данный момент времени.
Если модулирующий сигнал изменяется медленно, а длительность импульсов мала, то АИМ-I и АИМ-II практически не отличаются друг от друга.
Выражение для АИМ-I сигнала можно представить следующим образом:
. (1)
Импульсная последовательность может быть описана выражением (слайд 3):
 |
,
где Uн – амплитуда импульса;
Su – функция, описывающая форму импульса;
tk=kT0+t0 - начало переднего фронта импульса;
t0 – начало отсчета последовательности.
тогда выражение для АИМ-сигнала примет вид:
 |
где m – индекс модуляции.
Чаще всего в качестве несущей выбирается последовательность прямоугольных импульсов, которая может быть представлена рядом Фурье (см. тему спектральный анализ сигналов):
 |
Спектр однотонального АИМ-сигнала (слайды 5-7).
Демодуляция АИМ-сигнала осуществляется с помощью ФНЧ.
ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ
При ШИМ по закону модулирующего сигнала изменяется длительность импульсов несущей. Различают две разновидности ШИМ (слайд 8):
1. ШИМ-I – односторонняя модуляция (длительность изменяется только за счет смещения среза импульса)
2. ШИМ-II – двухсторонняя модуляция (длительность изменяется за счет смещения среза и фронта импульса)
ШИМ-сигнал может быть описан следующим выражением:
Спектр ШИМ-сигнала при однотональной модуляции смотри на слайдах 9,10.
Спектр ШИМ-сигнала отличается более сложной структурой. Он содержит:
1. Постоянную составляющую
2. Гармоники, кратные частоте несущей
3. Спектр модулирующего сигнала
4. Гармоники с частотами kWн ± nWс
При определенных условиях участок спектра, занимаемого полезным сигналом, может быть засорен частотами Wн - nWс, что может привести к искажению модулирующего сигнала.
Демодуляция ШИМ-сигнала осуществляется с помощью ФНЧ.
ФАЗО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ
При ФИМ по закону модулирующего сигнала изменяется временное положение импульсов.
Очень часто для облегчения демодуляции и синхронизации ФИМ-сигнал представляется в виде опорных (Щ) и измерительных импульсов (И).
О – неподвижны на оси времени
И – перемещаются по оси времени в зависимости от значения сигнала.
Интервал времени (Dt) между О и И является носителем информации (слайд 11).
ФИМ и ШИМ сигналы тесно связаны между собой: неподвижный фронт импульса ШИМ совпадает с моментом появления О, а срез импульса ШИМ – с моментом появления И.
Спектр ФИМ-сигнала
Аналитическое выражение спектра ФИМ-сигнала очень сложно. В состав спектра входят следующие составляющие:
1. Постоянная составляющая
2. Спектр модулирующего сигнала
3. Составляющие с частотами kWн
4. Составляющие с частотами kWн ± nWс
Приближенное выражение для амплитуды гармоники с частотой, равной частоте модулирующего сигнала при однотональной модуляции выглядит следующим образом:
где Wс – частота модулирующего сигнала
Dt – девиация временного положения измерительного импульса.
Из этого выражения видно, что амплитуда полезной составляющей в спктре ФИМ-сигнала очень малаи является функцией модулирующей частоты, т.е. искажена. Поэтому демодуляция ФИМ-сигналов с помощью ФНЧ невозможна. При демодуляции ФИМ-сигнал сначала преобразуют в в ШИМ или АИМ, а затем выделяют полезную составляющую с помощью ФНЧ.
Вторичная модуляция
Для обеспечения высокой помехоустойчивости в радиотехнических системах наиболее широко используются АИМ-ЧМ и ФИМ-АМ модуляция.
АИМ-ЧМ
При использовании этого вида модуляции передаваемое сообщение сначала преобразуется в последовательность импульсов, модулированных по амплитуде (АИМ-модуляция). Полученный АИМ-сигнал модулируется с помощью высокочастотного грамонического колебания по частоте (ЧМ-модуляция) (слайд 14). В приемном устройстве сначала выполняется демодуляция ЧМ –сигнала, а затем демодуляция АИМ-сигнала.
Спектр АИМ-ЧМ-сигнала имеет очень сложную структуру и ширина его теоретически бесконечна. Эффективная ширина спектра определяется выражением:
 |
где mчмп – пиковый индекс частотной модуляции
 | |||
 | |||
где Df – пиковое значение девиации частоты
ФИМ-АМ
При использовании этого вида модуляции передаваемое сообщение сначала преобразуется в последовательность импульсов, модулированных по фазе (ФИМ-модуляция). Полученный ФИМ-сигнал модулируется с помощью высокочастотного грамонического колебания по амплитуде (АМ-модуляция) (слайд 15). В приемном устройстве сначала выполняется демодуляция АМ –сигнала, а затем демодуляция ФИМ-сигнала.
Спектр ФИМ-АМ сигнала похож на спектр АМ-сигнала при условии, что в качестве несущего колебания используется последовательность ФИМ импульсов. Если длительность измерительных импульсов tи много меньше периода их следования Т0, то эффективная ширина спектра равна:
 |