Виды модуляции сигналов: частотная, фазовая, амплитудная, видео

Что такое модуляция сигнала?

Модуляция — это процесс преобразования одной или нескольких характеристик высокочастотного модулирующего колебания при воздействии низкочастотного управляющего сигнала. В результате спектр управляющего сигнала смещается в высокочастотную область, где высокочастотная передача наиболее эффективна.

Модуляция выполняется с целью передачи информации посредством электромагнитного излучения. Переданные данные содержатся в управляющем сигнале. А несущую функцию выполняет высокочастотная вибрация, называемая несущей. В качестве несущих колебаний могут использоваться колебания различной формы: пилообразные, прямоугольные и т.д., но обычно используются синусоидальные гармоники.

По типу характеристики вариаций синусоидального колебания различают разные виды модуляции:

Угловая модуляция

Частотная модуляция и фазовая модуляция кодируют информацию о синхронизации передаваемого сигнала и поэтому невосприимчивы к амплитудному шуму и нелинейности усилителя. Частота сигнала не может быть изменена шумом или искажением. Могут быть добавлены дополнительные частотные компоненты, но исходная частота все равно будет присутствовать. Конечно, шум отрицательно влияет на системы FM и PM, но шум не искажает напрямую характеристики сигнала, которые использовались для кодирования низкочастотных данных.

Как упоминалось выше, конструкция усилителя мощности предполагает компромисс между эффективностью и линейностью. Угловая модуляция совместима с линейными усилителями низких частот, и эти линейные усилители низких частот более энергоэффективны. Следовательно, угловая модуляция — хороший выбор для маломощных радиочастотных систем.

Ширина полосы частот

Эффекты амплитудной модуляции в частотной области проще, чем эффекты частотной и фазовой модуляции. Это можно считать преимуществом AM: важно иметь возможность прогнозировать полосу пропускания, занимаемую модулированным сигналом.

Однако сложность прогнозирования спектральных характеристик ЧМ и ФМ больше актуальна для теоретической части проекта. Если мы сосредоточимся на практических соображениях, угловую модуляцию можно считать выгодной, поскольку она может преобразовать заданную полосу пропускания низкочастотного сигнала в немного меньшую полосу пропускания (по сравнению с AM) передаваемого сигнала.

Амплитудная модуляция

Модулирующий и опорный сигналы передаются на вход модулирующего устройства, следовательно, на выходе мы имеем модулированный сигнал. Условием правильного преобразования считается удвоение несущей частоты по отношению к максимальному значению сигнала основной полосы частот. Этот вид модуляции довольно прост в исполнении, но имеет низкую помехозащищенность.

Помехоустойчивость возникает из-за узкой полосы пропускания модулированного сигнала. Он в основном используется в диапазонах средних и низких частот электромагнитного спектра.

Частота против фазы

Частотная и фазовая модуляция тесно связаны; однако бывают ситуации, когда одно лучше другого. Различия между ними более выражены при цифровой модуляции.

Аналоговые частотная и фазовая модуляции

Как мы видели в статье о фазовой модуляции, когда сигнал основной полосы частот является синусоидальной волной, сигнал PM представляет собой просто сдвинутую версию соответствующего FM-сигнала. Поэтому неудивительно, что ни FM, ни PM не имеют серьезных преимуществ или недостатков в отношении спектральных характеристик или восприимчивости к помехам.

Однако аналоговая частотная модуляция гораздо более распространена, чем аналоговая фазовая модуляция, и причина в том, что схемы модуляции и демодуляции FM проще. Например, частотная модуляция может быть реализована с помощью чего-то простого, такого как генератор, построенный с использованием катушки индуктивности и конденсатора, управляемого напряжением (то есть конденсатора, который изменяет свою емкость в зависимости от напряжения сигнала основной полосы частот).

Собственные шумы усилителя.

Что такое шум?

В электронике шумом называются случайные колебания амплитуды сигнала, которые заглушают полезный сигнал. Сюда также входят различные типы помех. Собственный шум усилителя — это шум, который возникает либо внутри самого усилителя, что может быть вызвано внешним источником помех, либо плохим питанием усилителя. Давайте рассмотрим основные типы шума усилителя.

Задний план

Этот шум вызван недостаточным питанием усилителя. Если источник питания установлен на сетевом трансформаторе, шум будет на частоте 100 Гц (2×50 Гц по схеме диодного моста). То есть на выходе такого усилителя мы услышим гул, если к выходу подключить динамик. Думаю, вы часто слышали выражение типа «что-то, стреляют динамики». Это все из этой серии.

Помехи и помехи

Это могут быть внешние источники, так или иначе влияющие на усилитель. Это может быть датчик от сети 220 Вольт (чаще всего это можно увидеть, если просто прикоснуться к щупу сигнала осциллографа), также это может быть своеобразная искра, которая образуется в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Небольшое лирическое отступление. Помню, смотрел мультфильмы Диснея на Первом канале, а через дорогу сосед пил бензопилой Дружба-2. Потом на экране телевизора были такие помехи, что я молча проклял себе соседку.

А как же без ударов молнии? Благодаря электромагнитному импульсу у нас есть такое изобретение, как радио.

Источниками помех также могут быть радио- и телестанции, расположенное поблизости и стационарное электрическое оборудование, такое как мощные механические переключатели, разрядники и т.д.

И, конечно же, это шум самих радиоэлементов. Это включает тепловой шум (шум Джонсона), шум выстрела и шум мерцания.

Наиболее значительным является шум, возникающий на входе усилителя в самом первом каскаде. Этот шум дополнительно усиливается так же, как и полезный входной сигнал. В результате на выходе усилителя будет усиливаться как полезный сигнал, так и шумовой сигнал. Поэтому при разработке качественных усилителей стараются максимально снизить шумы на входе первого каскада усилителя.

Читайте также: Устройство щупа осциллографа: для чего нужен набор и как используют емкость

Рабочий диапазон частот

Рабочий диапазон — это диапазон частот, в котором коэффициент усиления изменяется в допустимых пределах, указанных в технических характеристиках усилителя. Для этого нужно построить АЧХ усилителя. Обычно этот предел устанавливается на -3 децибела. Почему именно -3 дБ? Раньше было удобнее учитывать передаваемую энергию. В диапазоне –3 дБ передается 50% мощности сигнала.

Но иногда требуется небольшое изменение усиления. Например, на -1 дБ. В этом случае диапазон рабочих частот усилителя будет ниже:

Динамический диапазон усилителя

Динамический диапазон — это отношение максимально допустимого уровня выходного сигнала к его минимальному уровню, при котором обеспечивается заданное отношение сигнал / шум:

Чтобы понять окончание определения динамического диапазона «заданного отношения сигнал / шум», давайте взглянем на наш рисунок:

Допустим, у нашего усилителя должно быть SNR = 90 дБ. Было бы правильно, если бы мы взяли Uout min для Unoise?

Очевидно нет! В этом случае в этой точке графика амплитуды сигнала и шума будут равны, а значит, по формуле

получаем, что SNR = 0 дБ.

Я беспокою. Следовательно, необходимо взять такое значение Uout, которому равенство

Предположим Unise = 1 мкВ, подставляем в формулу

Из этого уравнения находим Uout. Это будет только Uout min для формулы:

с SNR = 90. В нашем случае это будет точка А.

В точке B берем Uout max, так как в данном случае это максимальное значение, при котором в нашем усилителе не возникают нелинейные искажения (на них чуть ниже).

На отрезке АВ будет предусмотрена рабочая зона усилителя. В этом случае мы будем иметь минимальные искажения сигнала, так как эта область линейна. Отношение максимально допустимого выходного сигнала к уровню шума — это крайний уровень динамического диапазона для аналогового усилителя.

Для усилителей звука выход за пределы этой рабочей зоны на большую сторону будет чреват нелинейными искажениями, а на меньшей стороне — полезный сигнал будет подавлен помехами. Да, вы сами наверняка заметили, что повернув ручку громкости недорогой китайской магнитолы на максимум, качество нашего звука оставляло желать лучшего, так как нелинейные искажения «вклинились» в корпус.

Искажения, вносимые усилителем

Искажение определяется путем сравнения сигналов на входе и выходе. Идеальным вариантом является усилитель, который точно следует форме волны, подаваемой на вход. Но поскольку наш мир не идеален, и радиоэлементы тоже не идеальны, то на выходе наш сигнал всегда будет немного искажаться. Главное, чтобы эти искажения не так критичны.

Искажения в основном делятся на 4 группы:

• Частота
• Фаза
• Переходный
• Не линейный

Частотные искажения

Частотные искажения возникают из-за того, что коэффициент усиления не одинаков во всем частотном диапазоне. Или проще говоря, одни частоты усиливаются хорошо, а другие — плохо). Чтобы понять это, достаточно посмотреть на АЧХ усилителя.

В этом случае мы видим, что низкие и высокие частоты будут усилены меньше, чем средние частоты. А поскольку сложный сигнал состоит из многих частотных компонентов, в результате будут возникать частотные искажения.

Фазовые искажения

Фазовые искажения возникают из-за того, что на выходе усилителя появляются разные частоты с разными временными задержками. Некоторые частоты отстают позже, другие меньше. Давайте разберемся со всем этим на примере двух изображений.

Допустим, чтобы «прогнать» низкочастотный синусоидальный сигнал, мы получаем уже усиленный сигнал, но с небольшой задержкой.

Но также не забывайте, что катушки и конденсаторы — это частотно-зависимые радиоэлементы. Их реактивное сопротивление зависит от частоты сигнала, поэтому, пропуская через усилитель сигнал с другой частотой, мы получим совершенно другую задержку сигнала

То есть в нашем случае t1 ≠ t2. Это хорошо или плохо? Если мы усиливаем синусоидальную волну, то нам в принципе наплевать. Какая разница до того, как появится в релизе или после? Главное, чтобы сигнал был усилен.

Это было бы хорошо, но стоит помнить, что сложные сигналы состоят из суммы множества синусоид разных частот и амплитуд.

Чтобы понять, какова сумма сигналов, достаточно рассмотреть следующие примеры:

ну и еще один, я не против)

Мы складываем амплитуды в те же моменты времени и получаем сумму этих двух сигналов.

А вот так складывается прямоугольный сигнал из нескольких синусоид разной частоты:

В данном случае мы пытаемся «собрать» прямоугольный сигнал из суммы синусоид разных амплитуд и частот.

Но поскольку наш усилитель по-разному задерживает разные сигналы по частоте, между сигналами возникает несоответствие. Лучше всего это поясняется на следующем рисунке. У нас есть два синусоидальных сигнала с разными частотами и амплитудами:

Если мы их сложим, то получим сложный сигнал:

Но что, если второй сигнал не в фазе с первым?

Теперь посмотрим на сумму этих сигналов:

Совершенно другой сигнал! Вы чувствуете разницу? Мы немного сместили фазу, но форма волны уже изменилась.

То есть на выходе усилителя мы хотели получить усиленный сигнал следующего вида:

и я получил это:

Из-за фазовых искажений наш сложный сигнал, состоящий из двух синусоид, изменил форму. На выходе усилителя мы получили совершенно другой сигнал. Помните, что роль усилителя заключается в усилении сигнала при сохранении его формы.

Фазо-частотная характеристика (PFC) усилителя представляет собой график зависимости фазового угла, вносимого усилителем, от частоты. Это могло бы выглядеть так:

где это находится

— фазовый сдвиг относительно входного и выходного сигнала

f — частота сигнала

Человеческое ухо не замечает фазовых искажений, несмотря на то, что форма волны тоже меняется. Поэтому фазовые искажения не учитываются при проектировании усилителей звука.

Частотные искажения и фазовые искажения называются линейными искажениями, поскольку оба типа искажений вызваны элементами линейной схемы. С научной точки зрения у нас нет дополнительных гармоник в спектре сигнала.

Переходные искажения

Переходное искажение — это искажение прямоугольного импульса, подаваемого на вход усилителя. На выходе этот импульс будет иметь другую форму, вызванную искажением сигнала внутри самого усилителя.

Переходный отклик используется для оценки переходного смещения. Он представляет собой зависимость напряжения или тока на выходе усилителя от времени от подачи прямоугольного импульса на его вход.

На следующем рисунке у нас прямоугольный сигнал, который подается на вход усилителя, а на выходе усилителя уже будет искаженный усиленный сигнал. Это искажение, как правило, вызвано наличием в цепи усилителя реактивных радиоэлементов, то есть самих катушек индуктивности и конденсаторов.

Для оценки переходных искажений используются следующие параметры:

Um — ширина импульса, отсчитываемая от плоской вершины импульса, В

ΔUv — преодоление импульсного фронта, В

Uс — затухание пика импульса, В

Следующие два параметра измеряются в диапазоне от 0,1 мкм до 0,9 мкм :

tf — длительность импульсного фронта

tc — длительность затухания импульса

А длительность самого пульса вам измеряется на уровне 0,5 Um .

Частотная модуляция

В результате этого типа модуляции сигнал модулирует частоту опорного сигнала вместо мощности. Следовательно, если амплитуда сигнала увеличивается, то соответственно увеличивается и частота. Из-за того, что ширина полосы принимаемого сигнала намного больше, чем значение исходного сигнала.

Такая модуляция отличается высокой помехоустойчивостью, однако для ее применения необходимо использовать высокочастотный диапазон.

Отношение сигнал/шум

Предположим, у вас дома есть телевизор, принимающий аналоговые передачи. На экране телевизора мы видим четкую картинку:

Но вдруг антенна на крыше вашего дома из-за сильного ветра слегка повернулась в сторону и изображение испортилось

Так антенна вообще с крыши отвалилась и теперь по телевизору мы видим примерно такое

В каком случае отношение сигнал / шум будет выше, а в каком — ниже? На первом изображении, где есть четкое изображение, отношение сигнал / шум будет очень большим, поскольку не на первом изображении мы не можем уловить какой-либо шум на изображении простым взглядом, хотя теоретически они есть).

На втором изображении мы видим, что на изображении присутствует некоторый шум, что затрудняет просмотр изображения. Здесь отношение сигнал / шум будет уже намного ниже, чем на первом изображении.

Ну а на третьем фото на изображении почти полностью преобладал шум. В этом случае можно сказать, что отношение сигнал / шум будет хорошим, очень маленьким.

Отношение сигнал / шум — безразмерная количественная величина.

В аналоговой электронике для нормальной работы усилителя полезный сигнал должен быть в несколько раз выше шума, иначе это сильно скажется на качестве усиления, так как полезный сигнал добавляется к шумовому сигналу.

Отношение сигнал / шум в англоязычной литературе обозначается как SNR или S / N.

Поскольку это соотношение иногда достигает очень больших числовых значений, поэтому чаще всего выражается в децибелах:

где это находится

Usignal — действующее значение полезного сигнала, В

Unise — среднеквадратичное значение шумового сигнала, В

Psignal — мощность сигнала

Pnoise — сила шума

То есть в нашем случае с кошкой на первом изображении амплитуда полезного видеосигнала была в несколько раз больше, чем амплитуда шума, поэтому первое изображение было четким. На третьем изображении амплитуда полезного видеосигнала была почти равна амплитуде шума, поэтому изображение получилось очень зашумленным.

Другой пример. Вот синусоида с SNR = 10:

А вот такой же синус с SNR = 3

Как видите, сигнал с SNR = 10 намного чище, чем SNR = 3.

SNR чаще всего встречается при описании характеристик аудиоусилителя. Чем выше SNR, тем лучше качество звука усилителя. Для аудиосистем HI-FI этот показатель должен составлять от 90 дБ и более. Для телефонных разговоров достаточно 30 дБ.

На практике SNR измеряется на выходе усилителя с помощью истинного среднеквадратичного милливольтметра или анализатора спектра.

Амплитудная характеристика

Амплитудная характеристика усилителя — это зависимость амплитуды выходного сигнала от входного сигнала на фиксированной частоте. Обычно это 1 кГц.

Амплитудная характеристика идеального усилителя по идее должна выглядеть так:

Это радиус, который начинается от нулевой точки начала координат и продолжается до бесконечности.

Но на самом деле реальная амплитудная характеристика усилителя выглядит так:

Здесь мы видим, что даже если входное напряжение Uin = 0, то на выходе усилителя мы все равно получим определенный уровень сигнала. Это будет напряжение шума Ush .

Коэффициент усиления

О коэффициентах усиления мы писали в прошлой статье.

Фазовая модуляция

Во время этого типа модуляции сигнал основной полосы частот использует фазу опорного сигнала. При таком типе модуляции результирующий сигнал имеет довольно широкий спектр, поскольку фаза повернута на 180 градусов.

Фазовая модуляция активно используется для формирования помехоустойчивой связи в микроволновом диапазоне.

Коэффициент полезного действия (КПД)

КПД — это отношение мощности нагрузки усилителя к мощности, потребляемой усилителем от источника питания

где это находится

Pout — мощность на нагрузке, Вт

Рвать. — мощность, потребляемая источником питания, Вт