Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0581

Číslo materiálu 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 16.6.2012

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

Modulace

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

Základní druhy modulace s nosným sinusovým signálem

Základní parametry sinusového signálu jsou :

- amplituda Un

- frekvence (kmitočet) W

- fázový posuv

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 Un – proměnná; W = konst.; = konst.;

Frekvenční modulace FM W – proměnná; Un = konst.; = konst.;

Fázová modulace PhM (FáM) - proměnná; Un = konst; W = konst.;

)sin( W tUunn

Základní parametry impulsového signálu jsou :

- amplituda Un

- šířka impulsu - š

- posunutí náběžné hrany (čela) impulsu od základní polohy - p

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 Un – proměnná; š = konst.; p = konst.;

Impulsová (pulsní) šířková modulace PŠM š – proměnná; Un = konst.; p = konst.;

Impulsová (pulsní) polohová modulace PPM p - proměnná; Un = konst; š = konst.;

Jednotlivé parametry impulsového signálu lze zakódovat číslicovým dvojkovým kódem, pak se jedná o

impulsovou kódovou modulaci PCM.

Základní druhy modulace s nosným impulsovým signálem

Un

t (s)

U (V)

š p

Un

š p

Amplitudová modulace AM

Amplitudová modulace AM

Podmínky amplitudové modulace AM: Un – proměnná; W = konst.; = konst.;

Při amplitudové modulaci se amplituda Un vf nosné vlny mění podle okamžité hodnoty

amplitudy Um nízkofrekvenčního modulačního signálu.

Kmitočet f (W) i fáze vf nosné vlny zůstávají konstantní.

Obr. 1

Amplitudová modulace AM

Měřítkem působení modulačního signálu na nosnou je tzv. hloubka modulace

.100%U

Um

n

m

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

Pš=(1+m)2P0.

Realizovatelná je i modulace s hloubkou přes 100 % - dochází k tzv. přemodulování.

Realizace takové modulace je nesmyslná.

Praktická hodnota hloubky modulace se volí 75 – 85 %.

- Um je amplituda modulačního signálu

- Un je amplituda vf nosné vlny

Obr. 2

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 w1) až (W w2)] a [(W - w1) až (W - w2)].

Každé z postranních pásem nese celou nf informaci.

Un

kmitočetW-w Ww

Unm

2

W

Un

kmitočetW

W-w

2

W-w

1

Ww

1

Ww

2

2w2

Potřebné kmitočtové pásmo, které vznikne při této modulaci na vysílači je dvojnásobkem nejvyššího

modulačního kmitočtu. Moduluje-li se nf akustické pásmo pak platí: w1= 20 Hz; w2= 20 kHz

Je- li hodnota frekvence vf signálu např. 1 MHz, pak je šířka kmitočtového pásma 2w2 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: - snadná realizace, přijímače jsou provozně i výrobně málo nákladné.

Nevýhody AM: - malá účinnost, malá šířka pásma, citlivost na rušení amplitudového charakteru.

Obr. 3 Obr. 4

Frekvenční modulace FM

Frekvenční (kmitočtová) modulace FM

Podmínky frekvenční modulace FM W – proměnná; Un = konst.; = konst.;

Při frekvenční modulaci se kmitočet vf nosné vlny mění podle okamžité hodnoty amplitudy

Um nízkofrekvenčního modulačního signálu.

Amplituda Un a fáze vf nosné vlny zůstávají konstantní.

Zvyšuje-li se v kladné půlperiodě amplituda Um, zvyšuje se frekvence vf nosné vlny.

Zvyšuje-li se v záporné půlperiodě amplituda Um, snižuje se frekvence vf nosné vlny.

Obr. 5

Frekvenční (kmitočtová) modulace FM

Měřítkem působení modulačního signálu je index kmitočtové modulace M

f

FM

- 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.

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)

Obr. 6

Fázová modulace PhM

Fázová modulace PhM

Podmínky fázové modulace PhM – proměnná; Un = konst.; W = konst.;

Při fázové modulaci se fáze vf nosné vlny mění podle okamžité hodnoty amplitudy Um

nízkofrekvenčního modulačního signálu.

Amplituda Un 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

Impulsová modulace

Základní parametry impulsového signálu jsou :

- amplituda Un

- šířka impulsu - š

- posunutí náběžné hrany (čela) impulsu od základní polohy - p

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 Un – proměnná; š = konst.; p = konst.;

Impulsová (pulsní) šířková modulace PŠM š – proměnná; Un = konst.; p = konst.;

Impulsová (pulsní) polohová modulace PPM p - proměnná; Un = konst; š = konst.;

Jednotlivé parametry impulsového signálu lze zakódovat číslicovým dvojkovým kódem, pak se jedná o

impulsovou kódovou modulaci PCM.

Základní druhy modulace s nosným impulsovým signálem

Un

t (s)

U (V)

š p

Un

š p

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.

vzorkování

PAM - impulsově amplitudová modulace

PAM modulace

Obr. 8

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.

vzorkování

PŠM - impulsově šířková modulace

PŠM modulace

Obr. 9

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.

vzorkování

PPM - impulsově polohová modulace

PPM modulace

Obr. 10

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 22 = 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.

PCM - impulsově kódová modulace

Obr. 11

PCM - impulsově kódová modulace (16 kvantizačních úrovní)

0 0 0 0

0 0 0 1

0 0 1 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 0 1

0 1 1 0

0 1 1 1

1 0 0 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 0 1 1

1 1 0 0

1 1 0 1

1 1 1 0

1 1 1 1

1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0

0

5

3

2

1

4

U (V)

t (s)

Kesl, Jan. Elektronika I – Analogová technika. Praha :BEN, 2003. 118 s. ISBN 80-7300-074-1.

Obr. 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10;11: Ing. Hojka, Jiří.; Ing. Vomela,Ladislav. Radioelektronická zařízení II. Praha

:SNTL, 1988. 356 s. ISBN L26-C2-IV-31/56702.

Ilustrace: archiv autora

Použité zdroje: