Modulación de amplitud frente a modulación de ángulo

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prefacio

Registre las notas de aprendizaje relacionadas con la modulación y la demodulación en los principios de comunicación.

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1. Introducción a la Modulación

1. Definición de modulación

Metáfora - transporte de carga: carga de carga en una determinada posición del avión/barco

Modulación : coloque la señal del mensaje en un determinado parámetro de la portadora para formar una señal modulada.

Portador : algún tipo de señal oscilante periódica de alta frecuencia, como una onda sinusoidal.
   La portadora modulada se denomina señal modulada , que contiene características de la señal del mensaje.

Demodulación : El proceso inverso a la modulación,recuperando la señal de información de la señal modulada .

2. Propósito de la modulación

• Haga coincidir las características del canal, reduzca el tamaño de la antena y mejore la eficiencia de la radiación
• Reubicación del espectro para realizar la multiplexación de canales y mejorar la utilización del canal
• Amplíe el ancho de banda de la señal y mejore la capacidad antiinterferencias del sistema
• Lograr el intercambio de ancho de banda y relación señal-ruido (eficiencia y confiabilidad)

通过提高发射信号的频率进而减小制作天线的尺寸长度。

3. Clasificación de la modulación

① Proceso de modulación

② La siguiente figura muestra los métodos de modulación:

2. Modulación de amplitud (modulación lineal)

1. Modelo general de modulación de amplitud

Modulación de amplitud : la señal del mensaje controla la amplitud de la portadora sinusoidal

Dominio del tiempo: $$S_{}\left(t\right)=\left[metro\right(t\left)\mathrm{porque}{Vaya}_{}t\right]\ast h\left(t\right)$$
intervalo:$$S_{}\left(t\right)=\frac{}{2}\left[M\right(o+{Vaya}_{})+M(o-{Vaya}_{})]H\left(\omega \right)$$
$m\left(t\right)\leftrightarrow METRO\left(\omega \right)$；$h\left(t\right)\leftrightarrow H\left(\omega \right)$

2. AM de doble banda lateral convencional

①, generación de señal AM

Condición: Que el mensaje señale $La\; media\; de\; m\left(t\right)$ es 0, es decir,$\overline{m\left(t\right)}=0$，且$|m(t){|}_{máximo}\le A_{}$, más polarización de CC $A_{}$, y luego se multiplica por la portadora para obtener la señal de AM.

②, modelo de modulador AM

③, forma de onda AM y espectro

④, características de la señal AM

• $|m(t){|}_{máximo}\le A_{}$Cuando , la envolvente de la onda AM es proporcional a la señal de modulación de frecuencia $m\left(t\right)$ , por lo que se puede utilizar la detección de envolvente.
• El espectro AM consta de componentes de frecuencia portadora , bandas laterales superior e inferior .
• El ancho de banda de transmisión de AM es el doble del ancho de banda de la señal de modulación, $B_A=2f_{}$。
• La ventaja de AM es que el receptor es simple y se usa ampliamente en transmisiones de AM de corto y mediano plazo .
• La desventaja de AM es principalmente la baja eficiencia de modulación (utilización de energía) . ( ${el}_A\le 50$ %）

⑤, detección de envolvente AM

条件：$|m(t){|}_{máximo}\le A_{}$
Características: Simple, sin portadora coherente (demodulación no coherente); sin embargo, existe un efecto de umbral cuando la relación señal/ruido es pequeña.

⑥, coeficiente AM

——que refleja la señal de modulación de amplitud $La\; medida\; en\; que\; m\left(t\right)$ cambia la amplitud de la portadorala asignación de potenciayla eficiencia de modulación
de AM

3. Suprimir DSB de banda lateral doble portadora

① ¿Cómo mejorar la eficiencia de la modulación?

——Suprimir el componente portador en la señal modulada (equivalente a eliminar la polarización de CC A 0 A_0 en la señal de banda base$A_{}$), este método se denomina modulación de doble banda lateral con portadora suprimida, denominada modulación de doble banda lateral DSB

②, forma de onda DSB y espectro

③ Características de la señal DSB

• La envolvente ya no está relacionada con $m\left(t\right)$ es proporcional, cuando$Cuando\; m\left(t\right)$ cambia de símbolo, la fase de la portadora se invierte, por lo que no se puede utilizar la detección de envolvente y se requiere una demodulación coherente.
• Cinco componentes de frecuencia portadora, solo bandas laterales superior e inferior.
• El ancho de banda es el mismo que para AM: $B_{DSB}=B_A=2f_{}$。
• La eficiencia de modulación es del 100%, es decir, la tasa de utilización de energía es alta.
• Se utiliza principalmente como base técnica de SSB y VSB, la modulación de señal de diferencia en FM estéreo, etc.

④, demodulación coherente (detección síncrona)

Demodular señales DSB mediante demodulación coherente

Aplicable: AM, DSB, SSB, VSB
Requisitos: sincronización de portadora $c\left(t\right)=\mathrm{porque}{Vaya}_{}t$ - portadora local (portadora coherente-----与调制载波同频同向)

若接收端提供的本地载波不相干（如同频不同向），那么对解调带来衰减甚至失真问题

4. Modulación de banda lateral única SSB

①, generación de señal SSB

(1) Método de filtrado

Principio: primero formar la señal DSB, luego el filtrado de banda lateral puede obtener una señal de banda lateral superior o inferior
Requisito: filtrar $H_{}\left(\omega \right)$ tiene una característica de corte abrupto en la frecuencia portadora. ——Unade las dificultades técnicas

(2) método de cambio de fase

$$S_{}\left(t\right)=\frac{}{2}m\left(t\right)\mathrm{porque}{Vaya}_{}t\pm \frac{}{2}m\left(t\right)\mathrm{pecado}{Vaya}_{}t-expresiónSSB$$

② Características de la señal SSB

• Una de las ventajas es la utilización de la banda de alta frecuencia. Su ancho de banda de transmisión es solo la mitad de AM/DSB: $B_{}=B_A/2=F_{}$Por lo tanto, ha sido ampliamente utilizado en ocasiones de comunicación con espectro saturado, especialmente en comunicaciones de onda corta y telefonía multiportadora.
• La segunda ventaja es la característica de bajo consumo de energía, porque no hay necesidad de transmitir la portadora y otra banda lateral y ahorrar energía. Esto es especialmente importante para los sistemas de comunicaciones móviles.
• La desventaja es que el equipo es más complicado y hay dificultades técnicas. También se requiere una demodulación coherente.

5. Modulación VSB con banda lateral vestigial

- Un compromiso entre SSB y DSB

**El problema con SSB es que es difícil lograr características de filtrado de banda lateral empinadas. La solución es ir cortando poco a poco, y el rollo quedará liso .

①, características del filtro VSB H ( ω ) H(\omega)¿Qué condiciones debe$cumplir\; H$$($$\omega$$)$

Para restaurar m ( t ) m(t) sin distorsión$metro\left(t\right)$，$H\left(\omega \right)$ debe satisfacer las siguientes condiciones:
$$\left[H\right(o+{Vaya}_{})+H(o-{Vaya}_{})]=constante,|\omega |\le {Vaya}_{}$$

Significado: $H\left(\omega \right)$ debe satisfacer:Característicassimétricas complementariasala frecuencia portadora

② Explicación geométrica del filtro VSB

es traducir las propiedades con simetría complementaria izquierda y derecha ${Vaya}_{}$El resultado de la superposición es igual a la constante
$$\left[H\right(o+{Vaya}_{})+H(o-{Vaya}_{})]=constante,|\omega |\le {Vaya}_{}$$

③ Características de la señal VSB

• Solo hay un pequeño aumento en el ancho de banda requerido por SSB, pero a cambio de la simplicidad del circuito. $F_{}<B_{VSB}<2f_{}$。
• Aplicaciones: transmisión de señales de video en transmisiones comerciales de TV , etc.

6. Relación AM/DSB/SSB/VSB

3. Modulación de ángulo (modulación no lineal)

Dado que la frecuencia y la fase tienen una relación de cálculo , sin importar la modulación de frecuencia o la modulación de fase, el ángulo de la portadora cambiará, por lo que la modulación de frecuencia y la modulación de fase se conocen colectivamente como modulación de ángulo .

1. El concepto básico de modulación de frecuencia y modulación de fase.

Señal de modulación angular: $S_{}\left(t\right)=A\mathrm{porque}[o_{}t+\varphi (t)]$ , donde la amplitud$A$ es constante,$\varphi \left(t\right)$ como$m\left(t\right)$ cambio

<1>, modulación de fase ( PM ): compensación de fase
Si la compensación de fase $\varphi \left(t\right)$ es proporcional a la señal del mensaje$m\left(t\right)$ , la señal modulada es una señal modulada en fase, donde$k_{}$es la constante de cambio de fase (rad/V).

$\varphi \left(t\right)=k_{}m\left(t\right)$

$S_{}=A\mathrm{porque}\left[o_{}\right(t)+k_{}m(t)]$

<2>, modulación de frecuencia ( FM ): desviación de frecuencia angular
si desviación de frecuencia angular $\frac{d\varphi (t}{dt\_}$proporcional a la señal del mensaje $m\left(t\right)$ , y el desplazamiento de fase$\varphi \left(t\right)$ es proporcional a la señal del mensaje$La\; integral\; de\; m\left(t\right)$ , entonces la señal modulada es una señal modulada en frecuencia, donde$k_{}$Es la constante de desviación de frecuencia (Hz/V), que indica la desviación de frecuencia generada por el voltaje de modulación de la unidad, también conocida como sensibilidad de modulación de frecuencia.

$\frac{d\varphi (t}{dt\_}=2\pi K_{}m\left(t\right)$

$\varphi \left(t\right)=2\pi K_{}\int metro\left(\tau \right)re\tau$

$S_{}=A\mathrm{porque}\left[o_{}\right(t)+2\pi K_{}\int metro(\tau )re\tau \_$

2. La relación entre ambos

Dado que la frecuencia y la fase son relaciones diferenciales e integrales:

frecuencia ~ fase: modulación de fase integral diferencial
~ modulación de frecuencia: conversión mutua

①, si la señal de modulación $m\left(t\right)$ primero se diferencia y luego se modula en frecuencia, luego se puede obtener la señal de modulación de fase.La onda de modulación de fase

PM es la frecuencia proporcional a la señal de modulación$La\; onda\; de\; igual\; amplitud\; de\; m\left(t\right)$ diferencial, los dos casos en los que la señal del mensaje es una onda sinusoidal y un pulso rectangular se dan a continuación

②, si la señal de modulación$m\left(t\right)$ primero se integra y luego se modula en fase, luego se puede obtener la señal de modulación de frecuencia La onda de modulación de frecuencia

FM es la frecuencia proporcional a la señal de modulación$m\left(t\right)$ onda de igual amplitud, la densidad de su forma de onda sigue la señal del mensajem ( t ) m(t)El cambio de tamaño de$m$$($$t$$)$$Cuanto\; mayor\; sea\; m\left(t\right)$ -> mayor sea la frecuencia -> más densa la forma de onda

3. FM y ancho de banda

①, parámetros FM y desviación de frecuencia máxima

Comenzando con una señal monótona, monótona $m\left(t\right)=A_{}\left(t\right)\mathrm{porque}{Vaya}_{}t$，${Vaya}_{}=2\pi f_{}$

Rango : $f\_\_=k_{}{A}_{}$

Índice FM (cambio de fase máximo): ${metro}_{}=\frac{f\_}{F_{}}=\frac{k_{}{A}_{}}{F_{}}$, nota: $F_{}$es la frecuencia de modulación

调频指数是调频波的一个重要参量，涉及到 FM 的传输带宽、功率分配以及抗噪性能

②, espectro FM

El espectro de frecuencia de la señal de FM se distribuye en el componente de frecuencia portadora ${Vaya}_{}$Innumerables pares de frecuencias laterales en ambos lados ${Vaya}_{}\pm no{\_}_{}$composición, cuya magnitud depende de ${metro}_{}$(Índice FM)

③, ancho de banda FM

Teóricamente hablando, el ancho de banda de la señal de FM es infinito, pero desde la perspectiva de la aplicación de ingeniería, el 98% de la potencia de la señal se concentra en la siguiente banda de frecuencia

La fórmula de Carson se usa comúnmente para calcular el ancho de banda de las ondas FM:
$$B_{}=2({metro}_{}+1)f_{}=2\Delta f\_+2f_{}$$

• $B_{}\approx 2f_{}，{metro}_{}<<Cuando\; 1$ - FM de banda estrecha (NBFM), esta vez el ancho de banda depende de la frecuencia de modulación$F_{}$
• $B_{}\approx 2\Delta f，{metro}_{}>>1$ en punto: modulación de frecuencia de banda ancha (WBFM), el ancho de banda en este momento depende de la desviación de frecuencia máxima$f\_\_$
  

Generalización: para señales moduladas de banda limitada arbitraria o multitono, ancho de banda de FM:
$B_{}=2({metro}_{}+1)f_{}$，${metro}_{}=\frac{f\_}{F_{}}=\frac{k_{}{A}_{}}{F_{}}$，$F_{}$es la señal de modulación m ( t ) m(t)Frecuencia más alta de$m$$($$t$$)\; -\; ancho\; de\; banda$

4. Generación y demodulación de señal FM

①, generación de señal FM

1) Método directo

• Principio : tensión de modulación $m\left(t\right)$ controla directamente la frecuencia del oscilador,${Vaya}_{}\left(t\right)={Vaya}_{}+k_{}m\left(t\right)$
• Ventajas : circuito simple, se puede obtener una gran desviación de frecuencia
• Desventajas : la estabilidad de frecuencia no es alta
• Mejora : uso del sintonizador PLL
  

2) Método indirecto

• Principio : integración -> modulación de fase -> multiplicación de frecuencia n veces -> WBFM
• Ventajas : buena estabilidad de frecuencia
• Desventajas : se requiere multiplicación de frecuencia múltiple y mezcla de frecuencia , y el circuito es más complicado

②, demodulación de señal FM (discriminación de frecuencia)

5. Características y aplicaciones de FM

①, características FM

• Constante de envolvente (amplitud constante)
• Modulación no lineal (compensación de frecuencia proporcional a $m\left(t\right)$ , la desviación de fase es proporcional am ( t ) m(t)integral de$m$$($$t$$)\; )$
• El ancho de banda es mayor que AM $({metro}_{}+1)$倍：$B_{}=2({metro}_{}+1)f_{}$
• Ventajas: fuerte inmunidad al ruido
• Costo: ocupa un gran ancho de banda de canal y baja utilización de espectro

②, aplicación FM

Ocasiones de ruido de canal alto o de alta calidad, como radio FM, audio de TV, comunicación satelital, comunicación móvil, comunicación por microondas y teléfono celular...

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