ANALOGOWE SYSTEMY WIELOKROTNE

MODULACJA. Pojęcia podstawowe

Przemiana częstotliwości (modulacja i demodulacja) jest podstawą zwielokrotnienia częstotliwościowego kanałów w analogowych systemach teletransmisyjnych. Modulacją (kodowaniem) nazywamy proces przesuwania widma sygnału (lub pojedynczej częstotliwości) z jego naturalnego położenia na osi częstotliwości do zakresu znacznie większych częstotliwości leżących w otoczeniu częstotliwości tzw. sygnału nośnego.

W procesie modulacji wyróżnia się:

• sygnał modulujący, będący oryginalnym nośnikiem informacji doprowadzonym o wejścia układu modulującego;

• sygnał nośny, za pośrednictwem którego jest przesyłany sygnał informacyjny (modulujący);

• sygnał zmodulowany, będący wynikiem modulacji.

Jeżeli sygnał nośny jest przebiegiem sinusoidalnym (w czasie), czyli

u₀=Acos(w t+j)

to w takt sygnału modulującego można zmieniać jego trzy parametry: amplitudę A, częstotliwość f= w/2p lub fazę j.

Stąd rozróżnia się:

1. Modulację amplitudy — AM (ang. Amplitude Modulation),

2. Modulację częstotliwości — FM (ang. Frequency Modulation).

3. Modulację fazy — PM (ang. Phase Modulation).

Modulacje fazy i częstotliwości występują w zasadzie łącznie i noszą ogólną nazwę modulacji kątowej.

Jeżeli sygnał nośny nie jest sinusoidalny, lecz ma postać ciągu impulsów, to mówimy o modulacji impulsowej. Modulacja impulsowa polega na tym, że w takt sygnału modulującego (informacyjnego) zmienia się amplituda impulsów, ich szerokość lub położenie na osi czasu. Proces odwrotny do modulacji, czyli przywracanie sygnałowi jego pierwotnego kształtu, nazywamy demodulacja (detekcją).

Zasada modulacji amplitudy (AM)

Modulacja amplitudy jest najbardziej rozpowszechnionym rodzajem modulacji w systemach telefonii nośnej, które obecnie wypierane są przez systemy cyfrowe.

Zasadę modulacji amplitudowej przebiegu nośnego przez sygnał sinusoidalny małej częstotliwości zilustrowano na schemacie

Jeżeli napięcie sygnału modulującego

u_m=U_mcosw_mt

napięcie sygnału nośnego

u_n=U_ncosw_nt

to napięcie sygnału zmodulowanego można w przybliżeniu wyrazić wzorem

gdzie: U_m i U_n — amplitudy napięcia sygnałów modulującego i nośnego;

m — współczynnik modulacji wyrażany w procentach, przy czym O < m < l.

Jak widać ze wzoru powyższego w wyniku modulacji amplitudy sygnału nośnego o częstotliwości sygnałem o częstotliwości otrzymujemy, w idealnym przypadku, trzy przebiegi sinusoidalne:

• przebieg nośny o częstotliwości f n,

• górną wstęgę boczną o częstotliwości f_n+f_m

• dolną wstęgę boczną o częstotliwości f_n-f_m

W rzeczywistości sygnał modulujący jest sygnałem złożonym — o widmie zawartym w paśmie Df _m=f _m1-f_m2 stąd też wstęgi boczne będą odpowiednio równe:

• wstęga dolna: f_n - Df_m,

• wstęga górna: f_n + Df_m,

Ilustrację graficzną widm sygnałów zmodulowanych, otrzymanych w wyniku modulacji amplitudy przedstawiono na tym rysunku

Modulacja amplitudy

przebieg modulujący

przebieg nośny

przebieg zmodulowany

. Widmo częstotliwości sygnału zmodulowanego amplitudowo: a) sygnałem modulującym prostym (o pojedynczej częstotliwości); b) sygnałem modulującym złożonym (o widmie (w₁...w₂₎

Należy pamiętać, że każda wstęga boczna zawiera kompletną informację o sygnale modulującym, natomiast przebieg nośny nie zawiera tej informacji. Wystarczy zatem przesyłać tylko jedną wstęgę boczną. Dzięki temu pasmo przesyłanego sygnału zmodulowanego zmniejsza się o ponad połowę. W przypadku przesyłania sygnału zmodulowanego bez fali nośnej jest konieczne dokładne odtworzenie przebiegu nośnego podczas odbioru w celu zapewnienia prawidłowej demodulacji. Taki rodzaj modulacji, w którym jest wytłumiona jedna wstęga boczna i fala nośna, nazywamy modulacją jedno-wstęgową. Modulację jednowstęgową często stosuje się w systemach telefonii nośnej.

Modulacja częstotliwości FM

Drugą wielkością określającą falę elektromagnetyczną, która może być wykorzystana przy przesyłaniu informacji jest częstotliwość. W tym przypadku, w takt zmian wartości chwilowej sygnału modulującego jest zmieniana wartość chwilowa częstotliwości fali nośnej f_n Maksymalne odchylenie chwilowe od wartości częstotliwości spoczynkowej f_s, tzw. dewiacja DF, jest wprost proporcjonalne do amplitudy sygnału modulującego. Natomiast częstotliwość z jaką to odchylenie następuje jest równa częstotliwości sygnału modulującego .

Zależności matematyczne, opisujące proces modulacji częstotliwości, są znacznie bardziej złożone niż w przypadku modulacji amplitudy. Istotnym wnioskiem z nich wynikającym jest postać widma sygnału zmodulowanego. W odróżnieniu od sygnału zmodulowanego amplitudowo, na szerokość widma sygnału FM ma wpływ nie tylko wartość maksymalnej częstotliwości sygnału modulującego fm ale także jego amplituda. Widmo to, poza prążkiem częstotliwości nośne] (nawet przy modulacji tonem prostym) zawiera nieskończoną liczbę prążków modulacyjnych. Na szczęście moc tych prążków szybko maleje wraz ze zwiększeniem odległości od częstotliwości f s' W praktyce więc widmo sygnału FM można uznać za skończone.Nie mniej jego szerokość jest jednak na ogół znacznie większa niż w systemie AM i w przypadku modulacji przyjętych dla radiofonii sięga 300 kHz. Uniemożliwia to zastosowanie modulacji częstotliwości w zakresie fal długich, średnich i większości pasm fal krótkich. W praktyce stosuje się ją w zakresie fal ultrakrótkich i wyższych.

Sygnał zmodulowany częstotliwościowo dla uproszenia przyjęto modulację fala prostokątną

Szerokość wstęg bocznych określa wartość dopuszczalnej odległości między sąsiednimi stacjami równą 300 kHz. Zaletą modulacji częstotliwości jest znacznie mniejsza, niż dla systemu AM, wrażliwość transmisji na zakłócenia zewnętrzne, zmieniające chwilową amplitudę sygnału zmodulowanego. Zmiany tej amplitudy, ze względu na przekazywanie informacji za pomocą zmian częstotliwości sygnału FM są prawie nieistotne. Ponadto znacznie lepiej są wykorzystywane nadajniki, pracujące przy stałej amplitudzie sygnału. Zmniejszona jest także wrażliwość odbioru na zakłócenia pochodzące z sąsiednich nadajników.

Własności modulacji częstotliwości pozwalają na uzyskanie wysokiej jakości transmisji. Dotyczy to w szczególności małej zawartości zakłóceń i szumów w sygnale użytecznym. W celu podwyższenia stosunku sygnału do szumu (S/N) stosuje się ponadto zabieg uwypuklania tonów wysokich (tzw..preemfaza) przy nadawaniu i odpowiedniego, symetrycznego zabiegu tłumienia tych tonów (deemfaza) w odbiorniku. Działanie wypadkowe obu procesów nie zmienia charakterystyka częstotliwościowej sygnału oryginalnego, a powoduje zmniejszenie poziomu szumów, szczególnie dokuczliwych w zakresie większych częstotliwości.

W celu zwiększenia odporności systemu modulacji częstotliwości FM na szumy transmisji stosuje się w nadajniku zabieg uwypuklenia tonów wysokich a w odbiorniku ich tłumienie

Analogowe systemy wielokrotne

Wiadomości ogólne

Analogowe teletransmisyjne systemy wielokrotne, nazywane często systemami telefonii nośnej, pracują na zasadzie częstotliwościowego zwielokrotnienia kanałów. Systemy te umożliwiają utworzenie na jednym torze wielu kanałów częstotliwościowych, rozmieszczonych w różnych pasmach na skali częstotliwości, dzięki czemu jest możliwe przesyłanie po jednym torze jednocześnie wielu niezależnych od siebie sygnałów elektrycznych (analogowych).

Podstawą zwielokrotnienia w systemach telefonii nośnej jest kanał telefoniczny o szerokości 3,1 kHz. Liczba kanałów telefonicznych, jaką dany system umożliwia realizować na jednym torze, określa krotność tego systemu.

Obecnie w polskiej sieci telekomunikacyjnej można spotkać systemy telefonii nośnej o następujących krotnościach:

• 3- i 12-krotne — na liniach napowietrznych drutowych;

• 12-, 24-, 60- i 120-krotne — na liniach kablowych z torami symetrycznymi;

•300-, 960-, 1920- oraz 2700-krotne — na liniach kablowych z torami współosiowymi.

Na świecie były produkowane systemy o jeszcze większych krotnościach, np.: 3600 i 10800, przystosowane do pracy w torach współosiowych i liniach radiowych.

Wszystkie te systemy zostały znormalizowane w skali międzynarodowej pod względem przenoszonego pasma, parametrów elektrycznych na wejściu i wyjściu oraz pod względem podstawowych parametrów decydujących o jakości transmisji.

W każdym systemie telefonii nośnej rozróżnia się dwie grupy urządzeń:

1. Urządzenia końcowe, w skład których wchodzą urządzenia zwielokrotniające (zwane krotnicami lub przemiennikami) oraz urządzenia generacyjne.

2. Urządzenia traktu liniowego, których zadaniem jest głównie wzmacnianie przesyłanych sygnałów.

Zasady zwielokrotnienia częstotliwościowego

Zwielokrotnienie częstotliwościowe polega na przekształceniu widma sygnałów o częstotliwościach akustycznych na sygnały o widmach leżących w zakresie wielkich częstotliwości w różnych przedziałach pasma przenoszenia danego toru przesyłowego. Przekształcanie to odbywa się w drodze modulacji amplitudowej i jest nazywane przemianą częstotliwości. Zakres częstotliwości, do którego zostaje przesunięty sygnał modulujący w wyniku przemiany, zależy od częstotliwości prądu nośnego (fali nośnej), który jest modulowany tym sygnałem i jest nośnikiem informacji zawartych w sygnale. Modulując bowiem falę nośną o częstotliwości F sygnałem o częstotliwości f_s, otrzymujemy jako wynik przemiany przebiegi o częstotliwościach: F - f_s, F+f_s oraz F. W złożonym sygnale modulującym o widmie A/ częstotliwości różnicowe i sumaryczne są nazywane wstęgami bocznymi , przy czym

F-Df- stanowi dolną wstęgę boczną,

F-Df- stanowi górną wstęgę boczną.

W rzeczywistości sygnał zmodulowany zawiera też inne produkty modulacji, które są eliminowane za pomocą filtrów przepuszczających tylko widmo użyteczne.

Jeśli zatem do przemiany częstotliwości szeregu sygnałów telefonicznych o tym samym widmie (300—3400 Hz) zostaną użyte fale nośne o różnych częstotliwościach, to widma tych sygnałów mogą być rozmieszczone na skali częstotliwości obok siebie w taki sposób, aby je można było przesyłać wspólnym torem.

W przeważającej większości systemów teletransmisyjnych jest przesyłana tylko jedna wstęga boczna (dolna lub górna) bez fali nośnej. Jest to zupełnie wystarczające do odtworzenia nadawanego sygnału w odbiorniku. Falę nośną eliminuje się przeważnie przez dobór odpowiedniego układu modulatora, a niepożądaną wstęgę boczną, podobnie jak inne produkty modulacji, eliminuje się za pomocą filtrów. Falę nośną potrzebną dla demodulacji wytwarza się w generatorze lokalnym, który musi dostatecznie dokładnie odtwarzać częstotliwość fali nośnej nadajnika.

OA 0,3-3,4 kHz

T

FDP

M

FPP

GENERATOR

OA- Ogranicznik amplitudy

T tłumik

FDP Filtr dolnoprzepustowy

M modulator

FSP Filtr środkowo przepustowy

G generator kanałowy

Zasada pracy układu modulatora

Sygnał wejściowy a paśmie telefonicznym jest podawany na układ OG którego zadaniem jest ograniczenie amplitudy sygnału wejściowego w celu nie dopuszczenia do przemodulowania. Tłumik T dopasowuje impedancyjne sygnał wejściowy z OG do FDP którego zadaniem jest ograniczenie pasma przenoszonych częstotliwości do 3100 Hz. Sygnał ten jest następnie podawany do układu zasadniczego modulatora w którym zachodzi proces modulacji. Proces ten wymaga dodatkowa sygnału z generatora G fali nośnej który generuje sygnał o stałej częstotliwości i amplitudzie. W wyniku pracy stopnia przemiany otrzymujemy sygnał wyjściowy zawierający falę nośną f_n i dwie wstęgi boczne dolną inwersyjną w której niższej częstotliwości modulującej odpowiada wyższa częstotliwość w widmie oraz górnej nieinwesyjnej w której wyższej częstotliwości modulujacej odpowiada wyższa czestotliwość w widmie. Obie wstęgi przenoszą ten sam sygnał, ale zajmują dwukrotnie szersze pasmo i dlatego do dalszej przemiany będziemy wykorzystywać tylko jedną wstęgę boczna, którą wyselekcjonuje FSP

powrót