VY_32_INOVACE_ENI_2.MA_05_Modulace a Modulátory

Transkript

1 Číslo projektu Číslo materiálu CZ.1.07/1.5.00/ VY_32_INOVACE_ENI_2.MA_05_Modulace a Modulátory Název školy Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Autor Ing. Miroslav Krýdl Tematická oblast ELEKTRONIKA Ročník druhý Datum tvorby Anotace Tematický celek je zaměřen na problematiku základů elektroniky. Prezentace je určena žákům 2.ročníku, slouží jako doplněk učiva. Pokud není uvedeno jinak, použitý materiál je z vlastních zdrojů autora

2 Modulace

3 Základní druhy modulace Pro bezdrátový přenos informace na větší vzdálenosti je nutné přenášenou nízkofrekvenční informaci vtisknout (namodulovat) na nosnou vysokofrekvenční elektromagnetickou vlnu. Základní druhy modulace vyplývají z používaného signálu nosné vlny, který může být: a) sinusový b) impulsový

4 Základní druhy modulace s nosným sinusovým signálem Základní parametry sinusového signálu jsou : - amplituda U n - frekvence (kmitočet) W - fázový posuv u n U n sin( Wt ) Pro modulaci platí, že typ modulace je odvozen od toho, který parametr je ovlivňován nf signálem. Ostatní parametry mají konstantní charakter. Ovlivňujeme-li nf modulačním signálem amplitudu Un a kmity se nepřerušují, nastává Amplitudová modulace AM Frekvenční modulace FM Fázová modulace PhM (FáM) U n proměnná; W = konst.; = konst.; W proměnná; U n = konst.; = konst.; - proměnná; U n = konst; W = konst.;

5 Základní druhy modulace s nosným impulsovým signálem Základní parametry impulsového signálu jsou : - amplituda U n - šířka impulsu - š - posunutí náběžné hrany (čela) impulsu od základní polohy - p U (V) U n p š t (s) Pro modulaci platí, že typ modulace je odvozen od toho, který parametr je ovlivňován nf signálem. Ostatní parametry mají konstantní charakter. Ovlivňujeme-li nf modulačním signálem amplitudu Un nastává : Impulsová (pulsní) amplitudová modulace PAM Impulsová (pulsní) šířková modulace PŠM Impulsová (pulsní) polohová modulace PPM U n proměnná; š = konst.; p = konst.; š proměnná; U n = konst.; p = konst.; p - proměnná; U n = konst; š = konst.; Jednotlivé parametry impulsového signálu lze zakódovat číslicovým dvojkovým kódem, pak se jedná o impulsovou kódovou modulaci PCM.

6 Amplitudová modulace AM

7 Amplitudová modulace AM Při amplitudové modulaci se amplituda U n vf nosné vlny mění podle okamžité hodnoty amplitudy U m nízkofrekvenčního modulačního signálu. Kmitočet f (W) i fáze vf nosné vlny zůstávají konstantní. Podmínky amplitudové modulace AM: U n proměnná; W = konst.; = konst.; Obr. 1

8 Amplitudová modulace AM Měřítkem působení modulačního signálu na nosnou je tzv. hloubka modulace m U U m n.100% - U m je amplituda modulačního signálu - U n je amplituda vf nosné vlny Z hlediska účinnosti není vhodné volit hloubku modulace 100 %, neboť pak případný vysílač musí dodávat okamžitý špičkový výkon 4 krát větší než výkon nosné vlny P š =(1+m) 2 P 0. Realizovatelná je i modulace s hloubkou přes 100 % - dochází k tzv. přemodulování. Realizace takové modulace je nesmyslná. Praktická hodnota hloubky modulace se volí %. Obr. 2

9 Amplitudová modulace AM Pokud bychom modulovali nosnou vlnu jedním modulačním kmitočtem, pak by se symetricky kolem kmitočtu nosné v kmitočtovém spektru objevily dva postranní kmitočty (W w) a (W - w). V praxi ovšem obvykle modulujeme určitým kmitočtovým pásmem, pak vzniknou kolem kmitočtu nosné dvě postranní pásma [(W w 1 ) až (W w 2 )] a [(W - w 1 ) až (W - w 2 )]. Každé z postranních pásem nese celou nf informaci. U n Obr. 3 Obr. 4 U n U n m 2 W-w W W w kmitočet W-w 2 W-w 1 W 2w 2 W w 1 W w 2 kmitočet Potřebné kmitočtové pásmo, které vznikne při této modulaci na vysílači je dvojnásobkem nejvyššího modulačního kmitočtu. Moduluje-li se nf akustické pásmo pak platí: w 1 = 20 Hz; w 2 = 20 khz Je- li hodnota frekvence vf signálu např. 1 MHz, pak je šířka kmitočtového pásma 2w 2 40 khz (0,998 1,002 MHz). Podle mezinárodních úmluv je šířka kanálu pro jednotlivý amplitudově modulovaný vysílač 9 khz. Proto je třeba omezit nf pásmo na 4,5 khz. Tato šířka pásma nevyhovuje pro kvalitní přenos hudby. Výhody AM: Nevýhody AM: - snadná realizace, přijímače jsou provozně i výrobně málo nákladné. - malá účinnost, malá šířka pásma, citlivost na rušení amplitudového charakteru.

10 Frekvenční modulace FM

11 Frekvenční (kmitočtová) modulace FM Podmínky frekvenční modulace FM W proměnná; U n = konst.; = konst.; Při frekvenční modulaci se kmitočet vf nosné vlny mění podle okamžité hodnoty amplitudy U m nízkofrekvenčního modulačního signálu. Amplituda U n a fáze vf nosné vlny zůstávají konstantní. Zvyšuje-li se v kladné půlperiodě amplituda U m, zvyšuje se frekvence vf nosné vlny. Zvyšuje-li se v záporné půlperiodě amplituda U m, snižuje se frekvence vf nosné vlny. Obr. 5

12 Frekvenční (kmitočtová) modulace FM Měřítkem působení modulačního signálu je index kmitočtové modulace M M F f - F je kmitočtový zdvih - f je kmitočet modulačního signálu Pro FM modulaci je stanoven kmitočtový zdvih F 50 khz; kmitočet modulačního signálu 15 khz. Pro tyto hodnoty je index kmitočtové modulace M = 3,33. Určení šířky pásma, které je potřeba při kmitočtové modulaci přenést se zjišťuje pomocí Besselových funkcí, proto se hodnota M zaokrouhluje na celé vyšší číslo => M = 4. Kmitočtově modulovaný signál má nekonečně široké spektrum postranních kmitočtů rozložených symetricky kolem kmitočtu nosné, vzájemně vzdálených o modulační kmitočet. Amplitudy těchto postranních kmitočtů, které jsou dány Besselovými funkcemi, nalezneme v matematických tabulkách. Šířku pásma, kterou je potřeba při frekvenční modulaci přenést určujeme tak, aby se obsáhly všechny postranní kmitočty s amplitudou větší než 1 nebo 2 % nosné vlny bez modulace. Z důvodu potřebné šířky pásma je přípustné použití kmitočtové modulace jen na velmi krátkých vlnách. Obr. 6 Výhody FM oproti AM: - Kmitočtově modulovaný signál není citlivý na rušení amplitudového charakteru. Amplituda nenese žádnou informaci, v přijímači je možno zařadit na vstup omezovač amplitudy. - Vysílač je lépe výkonově využit než u AM. - FM modulátor je jednodušší. - Vysílače ležící na blízkých kmitočtech se méně ruší. - FM signál má lepší odstup signál:šum. Optimálního odstupu se dosahuje optimálním využitím kmitočtového zdvihu. Nevýhody FM: -Složitější demodulátor. - Větší šířka přenášeného pásma => použití FM jen v oblasti velmi krátkých vln (VKV)

13 Fázová modulace PhM

14 Fázová modulace PhM Podmínky fázové modulace PhM proměnná; U n = konst.; W = konst.; Při fázové modulaci se fáze vf nosné vlny mění podle okamžité hodnoty amplitudy U m nízkofrekvenčního modulačního signálu. Amplituda U n a kmitočet W vf nosné vlny zůstávají konstantní. Modulující vlnou se mění fáze nosné vlny. Změna fáze může být při kladné okamžité hodnotě modulačního signálu kladná a při záporné změně záporná, popř. naopak. Nejstrmější změna fáze nastává vždy při změně modulující vlny. Tam, kde změna modulující vlny nenastává, nemění se ani fáze nosné vlny. U fázové modulace se obvykle udává fázový zdvih Δφ. Obr. 7

15 Impulsová modulace

16 Základní druhy modulace s nosným impulsovým signálem Základní parametry impulsového signálu jsou : - amplituda U n - šířka impulsu - š - posunutí náběžné hrany (čela) impulsu od základní polohy - p U (V) U n p š t (s) Pro modulaci platí, že typ modulace je odvozen od toho, který parametr je ovlivňován nf signálem. Ostatní parametry mají konstantní charakter. Ovlivňujeme-li nf modulačním signálem amplitudu Un nastává : Impulsová (pulsní) amplitudová modulace PAM Impulsová (pulsní) šířková modulace PŠM Impulsová (pulsní) polohová modulace PPM U n proměnná; š = konst.; p = konst.; š proměnná; U n = konst.; p = konst.; p - proměnná; U n = konst; š = konst.; Jednotlivé parametry impulsového signálu lze zakódovat číslicovým dvojkovým kódem, pak se jedná o impulsovou kódovou modulaci PCM.

17 PAM - impulsově amplitudová modulace Signál získaný impulsovou amplitudovou modulací (PAM) je tvořen impulsy se stejnou šířkou a periodou, amplituda impulsu sleduje okamžitou hodnotu spojitého vzorkovaného signálu v okamžiku vzorkování. Systém PAM lze použít pouze na kratších přenosových trasách s nízkou hladinou šumu. Obr. 8 vzorkování PAM modulace

18 PŠM - impulsově šířková modulace Při impulsové šířkové modulaci (PŠM) je Informace o amplitudě signálu v okamžiku vzorkování zachycena šířkou impulsů. Amplituda impulsů získaných touto modulací je konstantní a nenese žádnou informaci. Na přijímací straně je proto možno amplitudovým omezením omezit zašumění signálu v tom je přednost PŠM před PAM. Obr. 9 vzorkování PŠM modulace

19 PPM - impulsově polohová modulace Při vytvoření signálu impulsovou polohovou modulací (PPM) je informace o amplitudě vzorků vyjádřena okamžitou polohou (fází) impulsů. Amplituda i šířka impulsů zůstávají stejné a nenesou žádnou informaci. Obr. 10 vzorkování PPM modulace

20 PCM - impulsově kódová modulace Při impulsové kódové modulaci (PCM) odpovídá každé kódové slovo na výstupu kvantizované amplitudě vzorku vstupního signálu. Přínos PCM spočívá v tom, že dvojková soustava PCM signálu má univerzální použití při zpracování i při přenosu informace, a jediným podstatným faktorem z hlediska dekódování PCM signálu je přítomnost či nepřítomnost kódového impulsu v přijatém kódovém slovu. Na příkladu jsou pro názornost použita 2 řádová místa tedy 2 2 = 4 kvantizační hladiny. Jednotlivým vzorkům PAM se přiřadí hodnota vyjádřená v dvojkové soustavě podle příslušné kvantizační hladiny. Předností je tedy především malá citlivost na šum, rušení a snadná regenerace kódovaného signálu jeho tvarováním. Nevýhodou je potřeba vysokých přenosových rychlostí PCM signál vyžaduje několikanásobně širší frekvenční pásmo než vzorkovaný spojitý signál. Zpracování a přenos může být v sériovém nebo paralelním kódu. Paralelní kód umožňuje vysokou přenosovou rychlost snížit. Obr. 11

21 U (V) PCM - impulsově kódová modulace (16 kvantizačních úrovní) t (s)

22 Použité zdroje: Kesl, Jan. Elektronika I Analogová technika. Praha :BEN, s. ISBN Obr. 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10;11: Ing. Hojka, Jiří.; Ing. Vomela,Ladislav. Radioelektronická zařízení II. Praha :SNTL, s. ISBN L26-C2-IV-31/ Ilustrace: archiv autora