modulacja
 
Encyklopedia
Stosuje się zazwyczaj przebiegi wielkości elektr. (np. napięcia elektr.), opt. (np. mocy promieniowania opt.) lub akustycznego (np. ciśnienia akustycznego). Celem m. jest przekształcenie sygnału, ułatwiające jego dalsze wykorzystanie (np. emisję przez antenę nadawczą), powodujące zwiększenie odporności sygnału na zakłócenia, a także umożliwiające lepsze wykorzystanie kanału przesyłowego (np. stosowanie multipleksacji). M. prowadzi do przekształcenia widma sygnału modulującego, a w szczególnym przypadku do przeniesienia go w inny zakres częstotliwości. M. przeprowadza się w układach zw. modulatorami; procesem odwrotnym do modulacji jest demodulacja. M. stosuje się w nadajnikach radiowych i telew., w łączności telefonicznej i satelitarnej, w urządzeniach telegraf., w telemetrii, w technice komputerowej i in.
Do najczęściej stosowanych rodzajów m. należą: m. harmoniczna, w której fala nośna stanowi przebieg sinusoidalny (harmoniczny), oraz m. impulsowa, w której jest ona okresowym ciągiem impulsów. M. harmoniczna może występować jako m. amplitudy (AM, ang. Amplitude Modulation), w której pod wpływem sygnału modulującego zmienia się amplituda przebiegu nośnego, lub m. kąta, najczęściej realizowana jako m. częstotliwości (FM, ang. Frequency Modulation) bądź m. fazy (PM, ang. Phase Modulation), w których sygnał modulujący wpływa odpowiednio na częst. lub fazę przebiegu nośnego. M. harmoniczna powoduje przesunięcie widma sygnału modulującego w pobliże częst. F przebiegu nośnego, np. przesunięcie widma elektr. sygnału modulującego, odpowiadającego mowie lub muzyce (pasmo częst. od 50 Hz do 15 kHz), do pasma częst. radiowych. W widmie przebiegu zmodulowanego amplitudowo po obu stronach częst. F fali nośnej występują tzw. wstęgi boczne (górna na prawo od F, dolna — na lewo), z których jedna jest zwierciadlanym odbiciem drugiej. Każda wstęga boczna zawiera pełną informację o sygnale modulującym, może on więc być odtworzony (w procesie demodulacji) na podstawie tylko jednej z nich. Natomiast widmo sygnału zmodulowanego kątowo (częstotliwościowo lub fazowo) składa się z przebiegu nośnego i nieskończonej liczby wstęg bocznych symetrycznie rozmieszczonych względem częst. przebiegu nośnego.
M. impulsowa dzieli się na analogową i cyfrową.
W m. impulsowej analogowej odpowiedni parametr (np.: amplituda, szerokość, położenie) każdego impulsu przebiegu nośnego jest zmieniany w sposób ciągły, proporcjonalnie do odpowiedniej wartości chwilowej poddanego próbkowaniu sygnału modulującego (przetwarzanie analogowo-cyfrowe); informacja o sygnale modulującym jest przekazywana tylko w określonych chwilach, przebiegi zmodulowane mają zatem dyskretną (nieciągłą) strukturę czasową. Rozróżnia się w tym przypadku: m. amplitudy impulsów (PAM, ang. Pulse-Amplitude Modulation), m. szerokości impulsów (PDM, ang. Pulse-Duration Modulation), m. położenia impulsów (PPM, ang. Pulse-Position Modulation). W m. impulsowej cyfrowej sygnał modulujący zostaje poddany kolejno próbkowaniu, kwantowaniu i kodowaniu, co prowadzi do otrzymania ciągu zakodowanych impulsów, zwykle zero-jedynkowych, oddziałujących na przebieg nośny; podstawowym rodzajem tej m. jest m. kodowo-impulsowa (PCM, ang. Pulse-Code Modulation), a jej użytecznymi odmianami są m.in.: m. delta (DM, ang. Delta Modulation) i m. różnicowa kodowo-impulsowa (DPCM, ang. Differential PCM); w m. PCM kodowaniu podlega skwantowana wartość amplitudy sygnału modulującego, natomiast w pozostałych rodzajach m. — zmiana (przyrost o ± Δ) wartości amplitudy sygnału.
Szczególnym rodzajem m. jest kluczowanie, w którym sygnał cyfrowy moduluje amplitudę, częst. lub fazę sinusoidalnego przebiegu nośnego w pewien charakterystyczny sposób; istnieją 3 podstawowe metody kluczowania: kluczowanie z przesuwem amplitudy (ASK, ang. Amplitude Shift Keying), z przesuwem częst. (FSK, ang. Frequency Shift Keying) oraz z przesuwem fazy (PSK, ang. Phase Shift Keying); można je uważać za szczególne przypadki odpowiednio m. amplitudy, częst. i fazy.
O wykorzystaniu pasma częst. danej drogi przesyłowej decyduje gł. rodzaj stosowanego systemu m.; np. w przypadku m. amplitudy zastosowanie systemu dwuwstęgowego z falą nośną (DSB, ang. Double Side Band), powoduje „zajęcie” pasma częst. toru przesyłowego o szerokości ok. 2f2 (f2 — maks. częst. sygnału modulującego); pasma o dwukrotnie mniejszej szerokości wymaga system jednowstęgowy z falą nośną (SSB, ang. Single Side Band). Aby zmniejszyć moc przesyłanego sygnału, można przytłumić lub całkowicie wytłumić falę nośną; jest to stosowane np. w systemie jednowstęgowym z falą nośną wytłumioną (SSB-SC, ang. SSB with Suppressed Carrier), wymaga jednak odtworzenia fali nośnej w procesie demodulacji. Zastosowanie tych systemów m. umożliwia wielokrotne wykorzystanie toru przesyłowego — dla każdego kanału telekomunik. wybiera się inną falę nośną, odległą od sąsiedniej co najmniej o 2f2 przy m. dwuwstęgowej i co najmniej o f2 przym. jednowstęgowej. W ten sposób można tworzyć wiele (np. kilka tys.) kanałów telekomunik. za pomocą jednego toru przesyłowego. Znajduje to zastosowanie gł. w wielokanałowych systemach łączności radiowej i przewodowej.
Podstawowymi parametrami charakteryzującymi m. są: w przypadku m. amplitudy — głębokość modulacji m = kaUm (Um — amplituda sygnału modulującego, ka — współczynnik proporcjonalności, zwykle przyjmujący wartości od 0 do 1), w przypadku m. częstotliwości — dewiacja częstotliwości Df = kfUm (kf — współczynnik proporcjonalności), określająca odchylenie częst. sygnału zmodulowanego od częst. przebiegu nośnego, w przypadku m. impulsowej — czas trwania i okres powtarzania impulsów, ściśle związane z operacją próbkowania.
Najstarsza i najbardziej rozpowszechniona jest m. amplitudy, szeroko stosowana w nadajnikach radiokomunik. i radiofonicznych pracujących w zakresie fal długich, średnich i krótkich; m. kątowa, gł. częstotliwościowa, jest natomiast powszechnie stosowana w nadajnikach radiokomunik. i radiofonicznych pracujących w zakresie fal ultrakrótkich. Przebiegi zmodulowane częstotliwościowo, w porównaniu ze zmodulowanymi amplitudowo, są mniej wrażliwe na zakłócenia (umożliwia to przekazywanie sygnałów o większej dynamice), natomiast bardziej wrażliwe na nierównomierności charakterystyki częstotliwościowej kanału. Wadą systemów m. częst. jest duża szerokość pasma częst. sygnału zmodulowanego, znacznie przekraczająca szerokość pasma sygnału modulującego. Systemy m. impulsowej są obecnie powszechnie stosowane przy transmisji sygnałów analogowych (np. sygnałów mowy i sygnałów telew.) w telekomunikacji cyfrowej; wynika to m.in. z dużej odporności tak zmodulowanych sygnałów na szumy i inne zakłócenia oraz z możliwości jednoczesnego przesyłania wspólnym kanałem sygnałów pochodzących z dużej liczby niezależnych źródeł informacji (multipleksacja z podziałem czasowym); najkorzystniejsze właściwości wykazuje pod tym względem m. PCM. Upowszechnieniu systemów m. impulsowej sprzyja także dostępność na rynku standardowych układów scalonych VLSI oraz specjalizowanych układów ASIC, niezbędnych do ich realizacji.
Bibliografia
S. Haykin Systemy telekomunikacyjne, Warszawa 1998.
Ilustracje
Modulacja harmoniczna wyk. LogoScript/Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia