xx xx xx xxxxxx xxxxxxxxx
xx xx xx xx xx
xx xx xx xxxxx xx
xx xx xx xxxxxx xx xx
xx x x xx xx xx xx xx
xx x xxx xxxxx xxxxxx xx
2007/2008 by aikon
WSTĘP
Przekazywanie wiadomości odgrywa ważną rolę w życiu współczesnych społeczeństw.
Rozróżniamy:
- przekazywanie wiadomości na odległość (realizowane w systemach telekomunikacyjnych)
- przetwarzanie i przekazywanie informacji w czasie
Przekazywanie informacji na odległość kanały przestrzenne
Odbiornik odtwarza wiadomość na podstawie sygnału odebranego.
Odbiorcą informacji może być człowiek lub urządzenie automatyczne.
Informacja - dowolna wiadomość, na podstawie której odbiorca wiadomości opiera swoje działanie.
Intensywny rozwój telekomunikacji 1876 r. - wynalezienie telefonu
Zadaniem współczesnej telekomunikacji jest dostarczanie wiadomości z dowolnego źródła do dowolnego obiektu przeznaczenia w dowolnym czasie i miejscu.
Usługi telekomunikacyjne powinny być świadczone każdemu użytkownikowi, zarówno człowiekowi, jak i maszynie, bez względu na to gdzie się znajduje i bez względu na to, czy jest w spoczynku czy w ruchu..
Ważne daty: (rozwój właściwy)
- 1840 telegrafia
- 1860 symilografia
- 1876 telefonia
- 1890 telewizja mechaniczna
- 1924 radiofonia
- 1935 telewizja elektroniczna
- 1940 telegrafia abonencka (teleks)
- 1945 telewizja kolorowa
Schemat systemu telekomunikacyjnego:
Źródło wiadomości Nadajnik Kanał Odbiornik Obiekt przeznaczenia wiadomości
Systemy radio- i hydrolokacyjne wykorzystują zjawisko echa. Rolę sygnału nadawanego odgrywa nie sygnał sondujący przestrzeń wysyłany przez nadajnik, lecz sygnał odbity od obiektu.
KRYTERIA PODZIAŁU TELEKOMUNIKACJI:
- kryterium przeznaczenia wiadomości
- kryterium rodzaju wiadomości
- kryterium rodzaju czynności
Kryterium przeznaczenia
Celem przekazywania wiadomości może być: porozumiewanie się, rozpowszechnianie bądź zbieranie wiadomości, bądź doprowadzenie wiadomości do określonego punktu.
Telekomunikacja
Porozumiewawcza Rozsiewcza Zbiorcza Docelowa
Dwupunktowa Wielopunktowa
Ciągła Ziarnista
Prosta Wybiercza Prosta Wybiercza
Kryterium rodzaju wiadomości - wiadomości mogą przyjmować różne postacie:
Dźwięków (telefonia)
Znaków pisma (telegrafia)
Obrazów nieruchomych (symilografia)
Obrazów ruchomych (telewizja)
Umownych sygnałów (sygnalizacja)
Wartości pomiarowych (telemetria)
Sygnałów sterujących (telesterowanie)
Danych (teledacja lub transmisja danych)
Kryterium czynności
Telekomunikacja
Przetwarzanie i odtwarzanie Przesyłanie sygnałów Telekomutacja
Wiadomości (teletransmisja)
Proces przekazywania wiadomości - można wyróżnić trzy czynności:
- przetwarzanie wiadomości na sygnał elektryczny
- przesyłanie sygnału elektrycznego na odległości (transmisja)
- odtwarzanie wiadomości na podstawie odebranego sygnału.
Wiadomość - (z fizycznego punktu widzenia) przebieg pewnej wielkości fizycznej, zmieniającej się w funkcji czasu stosownie do treści zawartej w przekazywanej wiadomości.
Rodzaje teletransmisji:
- przewodowa
- falowodowa
- światłowodowa
- radiowa (fale elektromagnetyczne)
TEORIA MODULACJI
Sygnał zmodulowany - iloczyn dwóch funkcji czasu:
s(t) - sygnał zmodulowany
c(t) - funkcja nośna
m[] - funkcjonał modulacji
f(t) - sygnał modulujący
Zadaniem funkcji nośnej jest przesunięcie widma wiadomości z pasma naturalnego do innego zakresu częstotliwości, dogodniejszego do transmisji.
Modulacja - ciągłe i odwracalne odwzorowanie sygnału modulującego f(t) na sygnał zmodulowany s(t), stanowiący funkcję sygnału nośnego i modulującego.
W wyniku modulacji widmo funkcji modulującej zostaje przesunięte o
.
Metody demodulacji:
- detekcja koherentna (amplitudy)
- detekcja fazy lub częstotliwości
- detekcja obwiedni
Funkcjonały:
- liniowe (odpowiadają modulacji amplitudy)
- eksponencjalne (generują sygnały zmodulowane kątowe, a także sygnały o jednoczesnej modulacji amplitudy i kąta)
AM - dwuwstęgowa modulacja amplitudy z dużym poziomem fali nośnej
Funkcja nośna ma postać fali harmonicznej
Funkcjonał modulacji (liniowy)
Równanie sygnału zmodulowanego:
Jeżeli jest spełniony warunek
to mamy do czynienia z liniową modulacją amplitudy
Głębokość modulacji:
Widmo:
W wyniku modulacji widmo funkcji modulującej zostaje przesunięte o
.
Jeśli sygnał modulujący ma ograniczone widmo, to sygnał zmodulowany zajmuje pasmo o szerokości dwukrotnie większej, tj.
.
Interpretacja wektorowa
( dla f(t)=Acoswt )
Jest to suma trzech wektorów: nieruchomego (odpowiadającego amplitudzie fali nośnej Ao) oraz dwóch wektorów wirujących w przeciwnych kierunkach z prędkością kątową
.
Amplitudy obu wektorów wirujących są jednakowe i równe pAo/2.
Wektor wypadkowy w procesie modulacji nie zmienia położenia, zmienia tylko swoją długość.
W modulacji AM zmienia się tylko amplituda chwilowa, częstotliwość chwilowa pozostaje stała.
Zależności energetyczne
- średnia moc sygnału modulującego
Jeśli
, to:
Dla p=1 stosunek przyjmuje wartość 1/3, oznacza to, że tylko około 33% mocy sygnału zmodulowanego służy przekazywaniu informacji użytecznej.
Konsekwencje sinusoidalnej modulacji AM:
- przy maksymalnym wysterowaniu nadajnika (p=1) średnia moc sygnału zmodulowanego jest równa 1,5 mocy fali nośnej
- przy maksymalnym wysterowaniu nadajnika szczytowa wartość mocy (dodatni szczyt modulacji) czterokrotnie przewyższa moc fali nośnej
Generacja sygnałów AM
Urządzenia do tworzenia sygnałów o modulowanej amplitudzie modulatory amplitudy
Sygnały AM uzyskuje się w modulatorach:
- z elementami kluczującymi
- z elementami nieliniowymi
Demodulacja sygnałów AM
- detektor prostownikowy (liniowy)
- detektor kwadratowy (o charakterystyce nieliniowej)
- detektor obwiedni
- detektor synchroniczny
DSB-SC - dwuwstęgowa modulacja amplitudy bez fali nośnej
Funkcjonał modulacji jest wprost sygnałem modulującym
m(t) = f(t)
Funkcja nośna ma postać funkcji harmonicznej:
Sygnał zmodulowany:
W wyniku tej operacji widmo sygnału modulującego ulega przesunięciu (zachowując swój kształt) o +/-
wzdłuż osi częstotliwości.
W sygnale nie występuje fala nośna.
Interpretacja wektorowa
Jest to suma dwóch wektorów o amplitudach A/2 wirujących w przeciwnych kierunkach z prędkością kątową
.
W związku z tym, że funkcjonał jest rzeczywisty, wektor wypadkowy nie zmienia w procesie modulacji swego położenia. Zmienia się tylko amplituda chwilowa sygnału zmodulowanego, częstotliwość chwilowa pozostaje stała.
Generacja sygnałów DSB-SC
Modulatory (zrównoważone, tłumiące falę nośną)
- kluczowane
- z elementami nieliniowymi
Demodulacja DSB-SC
- detekcja synchroniczna (koherentna)
- detekcja liniowa (kwadraturowa) - po uprzednim dodaniu do sygnału zmodulowanego fali nośnej o dużej amplitudzie
SSB - modulacja jednowstęgowa (Single SideBand)
Wykorzystuje tylko jedną wstęgę boczną, która wystarczy do przesłania pełnej informacji. Możliwe jest tworzenie sygnałów SSB z falą nośną i bez. Znaczenie praktyczne mają tylko sygnały bez fali nośnej (SSB-SC).
Definicja sygnału analitycznego:
Transformata Hilberta
Analityczny funkcjonał modulacji SSB:
Jeśli fala nośna ma postać
, to sygnał zmodulowany:
Widmo sygnału zmodulowanego:
Szerokość pasma zajętego przez sygnał zmodulowany jest najmniejsza ze wszystkich modulacji amplitudy i jest w równa szerokości pasma sygnału modulującego (
).
Generacja sygnałów SSB
- metoda filtracji (filtry LC, kwarcowe, mechaniczne, ceramiczne)
- metoda fazowa
- zmodyfikowana metoda fazowa
Demodulacja sygnałów SSB (po uprzednim dodaniu fali nośnej o dużej amplitudzie)
- detekcja synchroniczna
- detekcja liniowa (kwadratowa)
VSB - modulacja z częściowo ograniczoną jedną wstęgą boczną (Vestigial SideBand)
Widmo sygnału ma postać:
gdzie H(w) - transmitancja filtru pasmowego
Funkcjonał modulacji:
Funkcja transmitancji filtru musi spełniać warunek:
ale tylko dla
, ponieważ widmo sygnału modulującego jest ograniczone (
) dla
.
Zbocze charakterystyki filtru (zbocze Nyquista) jest symetryczne względem częstotliwości fali nośnej. Kształtowanie zbocza Nyquista może się odbywać zarówno po stronie nadawczej jak i odbiorczej, w praktyce jednak stosuje się kształtowanie po stronie odbiorczej.
Szerokość pasma zajętego przez sygnał zmodulowany jest w przybliżeniu równa szerokości pasma sygnału modulującego (
).
MODULACJA KĄTA ФM
Sygnał modulujący oddziałuje na kąt fazowy fali nośnej. Amplituda pozostaje stała.
Funkcjonał:
Faza funkcjonału jest uzależniona od sygnału modulującego
Przyjmując harmoniczną falę nośną:
otrzymujemy sygnał zmodulowany:
Przy czym::
- faza sygnały zmodulowanego
Następuje uzależnienie fazy chwilowej
sinusoidalnej fali nośnej od sygnału modulującego. Amplituda sygnału zmodulowanego jest stała.
Wyróżniamy dwa rodzaje takiego uzależnienia:
1) Modulacja fazy (PM - Phase Modulation)
W tym przypadku:
Chwilowa faza sygnału zmodulowanego zmienia się proporcjonalnie do chwilowej wartości sygnału modulującego. Natomiast częstotliwość sygnału zmodulowanego zmienia się proporcjonalnie do pochodnej sygnału modulującego:
2) Modulacja częstotliwości (FM - Frequency Modulation)
Chwilowa faza sygnału zmodulowanego zmienia się proporcjonalnie do całki z sygnału modulującego. Chwilowa częstotliwość zmienia się proporcjonalnie do sygnału modulującego.
Modulacja PM pojedynczym sygnałem harmonicznym
Sygnał modulujący:
Chwilowa faza i częstotliwość sygnału PM:
Przy czym:
- dewiacja fazy
- dewiacja częstotliwości
Sygnał zmodulowany PM
Interpretacja wektorowa
Koniec wektora reprezentującego amplitudę chwilową sygnału zmodulowanego ślizga się po łuku koła o promieniu Ao. Kąt fazowy w krańcowych położeniach osiąga wartość równą dewiacji fazy.
Widmo sygnału zmodulowanego PM
Drugi człon nawiasu klamrowego można zapisać w postaci:
Otrzymujemy:
Jn - funkcja Bessela I-go rodzaju n-tego rzędu
Praktyczna szerokość pasma częstotliwości sygnału PM zależy od dewiacji fazy, która określa liczbę par prążków N uwzględnionych w widmie, oraz od odległości między prążkami, czyli od częstotliwości modulującej f.
B = 2Nf
MODULACJA FM
Sygnał modulujący:
Faza chwilowa i pulsacja chwilowa sygnału zmodulowanego FM:
Dewiacja częstotliwości:
(ustalona)
Dewiacja fazy:
(zależy od częstotliwości sygnału modulującego)
Sygnał zmodulowany FM:
Wyrażenia na sygnały zmodulowane fazowo i częstotliwościowo są identyczne. Rodzaj modulacji określa jedynie zależność występującej w tych wyrażeniach dewiacji fazy od parametrów sygnału modulującego.
Wskaźnik modulacji
- przy modulacji PM (wskaźnik beta równy dewiacji fazy dla PM czyli kA)
- przy modulacji FM (stosunek dewiacji częstotliwości do częstotliwości czyli
Stąd ogólny wzór na sygnał zmodulowany kątowo (FM lub PM):
Szerokość pasma FM
Według norm obowiązujących w Polsce maksymalna dewiacja częstotliwości w radiofonii UKF-FM wynosi 50 kHz, a maksymalna częstotliwość sygnału modulującego 15 kHz. Stąd wymagana szerokość pasma dla transmisji FM:
B = 2(50+15) = 130 kHz
Moc w modulacji kąta
- moc przebiegu zmodulowanego kątowo jest taka sama jak moc niezmodulowanej fali nośnej.
Rodzaj modulacji |
Sygnał zmodulowany |
Widmo sygnału zmodulowanego |
Funkcjonał |
Modulator |
Demodulator |
AM |
|
|
|
- z elementami kluczującymi - ze elementami nieliniowymi |
- prostownikowy (lin.) - kwadratowy (niel.) - obwiedni - synchroniczny |
DSB-SC |
|
|
|
Tłumiące falę nośną!!! - kluczowane - z elementami nieliniowymi |
Po uprzednim dodaniu fali nośnej!!! - synchroniczny (koherentny) - kwadratowy (liniowy) |
SSB |
|
|
|
- metoda filtracji (filtry LC, kwarcowe, mechaniczne, ceramiczne) - metoda fazowa - zmodyfikowana met. fazowa |
Po uprzednim dodaniu fali nośnej!!! - synchroniczny - liniowy (kwadratowy) |
VSB |
--- |
|
|
- metoda filtracji |
- detektor liniowy |
PM |
|
--- |
|
--- |
--- |
FM |
|
--- |
|
- generacja pośrednia - generacja bezpośrednia |
- dyskryminacja fazy - dyskryminacja częstotliwości |
11