Модуляторы и демодуляторы сигналов (модемы)
Модуляторы и демодуляторы реализуют процессы модуляции и соответственно демодуляции сигналов. Модулятор и демодулятор, конструктивно оформленные в виде одного устройства, образуют модем. Для осуществления связи между передающим и приёмным устройством системы передачи информации требуется два модема, один из которых устанавливается на передающем пункте, а другой - на приёмном. Если указанные «пункты» могут выступать в роли и передатчика (источника), и приемника информации (и сигналов), то в зависимости от направления передачи в модемах могут находиться одновременно в активном состоянии как модулятор, так и демодулятор. При этом различают симплексную, полудуплексную и дуплексную передачу (и связь). Симплексная передача - это передача в одном направлении, полудуплексная - это поочерёдная передача в двух направлениях и дуплексная передача - это передача одновременно в двух направлениях. Соответственно, при симплексной передаче в одном модеме активным является модулятор, а в другом - демодулятор; при полудуплексной передаче в активном режиме (состоянии) поочерёдно оказываются модулятор одного и демодулятор другого модема; а при дуплексной передаче в активном состоянии работают модуля горы и демодуляторы обоих модемов.
Классификация модемов ведётся в основном ио видам модуляции. Как правило, на передачу в двух направлениях используется один и тот же вид модуляции, хотя нет принципиальных ограничений на применение нескольких её видов.
Модемы могут вносить ограничения на допустимую скорость передачи информации, поэтому одним из классификационных признаков является скорость передачи информации.
В зависимости от количества предоставленных для передачи/приёма электрических цепей (проводов линии связи) различают модемы с двухпроводным окончанием и модемы с «четырёхпроводным окончанием» У модемов с четырёх проводным окончанием выход модулятора и вход демодулятора электрически разделены и подключаются к различным парам четырёхпроводной линии связи. Организация дуплексной передачи в таких модемах тривиальна. В модемах с двухпроводным окончанием передача и приём сигналов ведутся по одной паре проводов. В этом случае предусматривается схема «развязки» электрических цепей выхода модулятора от входа демодулятора, благодаря этой схеме, предотвращается попадание сигналов с выхода модулятора на вход демодулятора одного и того же модема. Однако совершенно избавиться от такой связи невозможно, поэтому на вход демодулятора передающего модема всё-таки частично попадают передаваемые в линию связи сигналы. Эти сигналы принято называть «эхо-сигналами» и для борьбы с ними используется «дифференциальная система» (см. рис. 4.17,а).
Рис. 4.17. Подключение модемов к двухпроводной линии связи, дифференциальная система (а), схема функциональная (б)
Дифференциальная система состоит из двух трансформаторов Т1 и Т2, имеющих первичные обмотки W1 и W4 со средней точкой и вторичные обмотки W2 и W3, включенные согласно. Первичные обмотки образуют последовательную электрическую цепь с линией связи и с балансным контуром (БК), эквивалентное сопротивление Zжв которого выбирается равным эквивалентному сопротивлению линейной цепи. Так что токи, создаваемые передаваемым сигналом в линии связи и в балансном контуре, оказываются равными (i1=i2). Поскольку эти токи протекают по первичным обмоткам W1 и W4 в противоположных направлениях, то создаваемые ими магнитные потоки взаимно компенсируются, а в результате ЭДС во вторичных обмотках не наводится. (Точки «а» и «б» на схеме рис. 4.17,а подключаются к выходу усилителя мощности УМ, работающего на передачу сигналов).
При приёме же сигналов из линии связи входной ток Iвх протекает по первичным обмоткам трансформаторов Т1 и Т2 через балансный контур и создаёт ЭДС во вторичных обмотках. Таким образом, выходом дифференциальной системы, на котором будут появляться принимаемые из линии связи сигналы, служат точки «в» и «г».
На функциональной схеме рис. 4.17,6 дифференциальная система обозначена блоком РЦ («развязывающие цепи»). Её вход и выход соответственно помечены надписями «Передача» и «Приём». Как видно по схеме, передаваемые в линию связи сигналы усиливаются вначале по напряжению (УН1), а затем по мощности (УМ). Принимаемые из линии связи сигналы усиливаются только по напряжению (УН2). К входу УН1 подключается выход модулятора, а выход УН2 - к входу демодулятора Как правило, указанные усилители входят в состав модемов. Дифференциальная же система организуется отдельно и в состав модемов не входит.
Нетрудно заметить недостатки рассмотренного способа подключения. Во-первых, на передачу сигналов тратится только половина выходной мощности усилителя УМ. Во-вторых, технически трудно обеспечить равенство эквивалентного сопротивления БК эквивалентному сопротивлению линейных цепей, особенно при передаче на нескольких несущих частотах, а вследствие этого предотвратить появление эхо-сигналов. В-третьих, выходные цепи усилителя мощности ослабляют сигналы, принимаемые из линии связи. Тем не менее, приведённая схема получила наибольшее применение из-за простоты технического исполнения.
Модуляторы и демодуляторы сигналов AM
Как следует из материала раздела 4.2, процессы модуляции сводятся к умножению одного сигнала (переносчика) на другой (модулирующий сигнал). При амплитудной модуляции (AM) под действием модулирующего сигнала меняется амплитуда переносчика. Такое действие можно выполнить с помощью пассивных электрических цепей - пассивных модуляторов либо цепей, содержащих усилители - активных модуляторов. Кроме того, АМ- сигнал может быть получен с двумя боковыми полосами частот (ДБП) либо с одной боковой полосой (ОБП). Поэтому в состав модулятора, кроме перемножающей схемы, входят полосовые фильтры, пропускающие требуемую полосу частот. В зависимости от этого различают амплитудные модуляторы с ДБП и модуляторы с ОБП.
На рис. 4.18 приведены простейшие схемы названных видов модуляторов AM. На схемах использованы обозначения сигналов, применённые ранее в разделе 4.2.1. В схеме рис. 4.18,а собственно модулятор образуют трансформаторы Т1 и Т2, полупроводниковый диод VD и полосовой фильтр ПФ. Фильтр ПФ и генератор несущей частоты ω0 показаны условными графическими обозначениями, принятыми для функциональных схем. Умножение напряжения модулирующего сигнала UΩ(t) на напряжение переносчика выполняется за счёт нелинейной вольтамперной характеристики диода. Полосовой фильтр не пропускает постоянную составляющую и высшие гармоники спектра модулированного сигнала.
Рис. 4.18. Схемы модуляторов сигналов AM: пассивный (а) и активный (б) модулятор с ДБП; балансный модулятор с ОБП (в); обобщённая функциональная схема (г)
Отличие схемы рис. 4.18,б лишь в том, что функции нелинейного элемента выполняет транзистор VT. Он же и усиливает модулированный сигнал. Как видно, транзистор включен по схеме с общим эмиттером, и его рабочая точка выбирается на линейном участке за счёт положительного напряжения смещения по его базовой цепи. Управление транзистором осуществляется по базе, причём конденсаторы Сw0, СΩ и С. служат целям развязки по переменному току от источников питания коллекторной и базовой цепей транзистора. Практически эту схему следует дополнить полосовым фильтром, ограничивающим спектр модулированных сигналов.
Следует запомнить, что ограничение спектра модулированных сигналов на передающей стороне позволяет устранить мало информативные гармоники и затем увеличить мощность «информативных» составляющих до максимально допустимой для линии связи мощности. Тем самым обеспечивается наибольшее превышение мощности сигналов над уровнем помех. Это, в свою очередь, повышает помехоустойчивость работы систем.
Схема рис. 4.18,в представляет один из вариантов реализации модулятора AM с подавлением несущей частоты w0. Здесь использована «балансная» схема подавления токов несущей частоты, состоящая из двух трансформаторов T1 и Т3, имеющих обмотки со средней точкой, и представляющая собой мостовую схему. В одну из диагоналей (через трансформатор Т2) подаётся напряжение несущей частоты, т.е. переносчика, а с другой «диагонали» моста снимается выходное модулированное напряжение. Диоды VD1 и VD2 играют роль квадратичных нелинейных элементов, за счёт характеристик которых получается произведение модулирующего сигнала и переносчика. (Направление мгновенных токов переносчика показано на рисунке стрелками).
Выходное напряжение модулированного сигнала снимается с выходной обмотки трансформатора Т3. В спектре этого сигнала отсутствует только основная гармоника с частотой w0, но составляющие боковых полос (ВВП и ИБП) будут. Полосовой фильтр ПФ подавляет составляющие одной из боковых полос и тем самым на выходе фильтра образуется сигнал AM ОБП.
Схема рис. 4.18,г является аналогом схемы рис. 4.18,а. Такие схемы используются при описании устройств, на которых все функциональные узлы отображаются их условным графическим обозначением (УГО) согласно ГОСТам ЕСКД. В частности, на приведённой схеме генератор синусоидальных колебаний - генератор несущей частоты - показан функциональным узлом GS1N, а модулятор - УГО с позиционным обозначением UВ.
Обратите внимание на УГО модулятора. Оно содержит три основных поля, в которых с помощью меток указывается вид (форма) модулирующих колебаний - левое поле, вид модуляции в правом поле, а в центральном поле показывается метка, несущая информацию о способе передачи AM-сигналов (передача на ОБП либо ДБП). Кроме того, стрелкой на контурной линии УГО показывается направление передачи сигналов (воздействий). Так, приведённое УГО соответствует амплитудному модулятору гармонических колебаний с передачей сигналов на ДБП. Для иных модуляторов используются другие метки.
Демодуляция амплитудно-модулированных колебаний (AM-сигналов) с двумя боковыми полосами сводится к «выделению» огибающей амплитуд AM-сигналов. Для этой цели AM колебания подаются на детектор, с помощью которого знакопеременное напряжение выпрямляется. В результате образуется сигнал, содержащий постоянную составляющую, низкочастотные составляющие, соответствующие спектру модулирующего сигнала, и гармоники двух боковых полос. Обычно в качестве детектора используются полупроводниковые диоды, обладающие квадратичной передаточной характеристикой, а в простейшем случае - только один диод (однополупериодное выпрямление). Высшие гармоники подавляются фильтром низких частот (ФНЧ). Затем устраняется постоянная составляющая и на выходе демодулятора формируется сигнал (демодулированный), соответствующий переданному сообщению.
На рис. 4.19 приведены простейшие схемы амплитудных демодуляторов AM-сигналов, а на рис. 4.20 - временные диаграммы процесса демодуляции. В схемах рис. 4.19,а и рис. 4.19,в роль нелинейных элементов играют диоды VI), а фильтры низкой частоты можно выполнить на пассивных интегрирующих RC-цепях. С помощью усилителя переменного напряжения (УН) устраняется постоянная составляющая в выходном напряжении ФНЧ. В принципе функции ФНЧ и УН могут быть реализованы одним функциональным узлом, называемым активным фильтром низких частот.
Рис. 4.19. Функциональные схемы демодуляторов AM-сигналов с ДБП (а), с ОБП (в, г), условное графическое обозначение демодулятора сигналов с ДБП (б)
Отличие в демодуляции сигналов ДМ ОБП заключается в том, что их предварительно «смешивают» с колебаниями несущей частоты. Для этой цепи на приёмной стороне несущую частоту «восстанавливают» (генератор ОSIN), затем смешивают с принимаемыми сигналами. Этому служит трансформатор Т, вторичная обмотка которого включена последовательно в цепь (см. рис. 4.19,в). Амплитудный демодулятор сигналов с дву мя боковыми полосами частот имеет условное графическое обозначение, показанное на рис. 4.19,б. Уясните самостоятельно различия в УГО модулятора и демодулятора, сопоставив рис. 4.18,г и рис. 4.19,б.
В основу диаграмм (рис. 4.20), иллюстрирующих процесс демодуляции, положен результат процесса модуляции, показанный на рис.4.1 и описанный в п. 4.2.1. Следует заметить, что на диаграммах в соответствии с ранее принятыми обозначениями модулированный сигнал отображён графиком UАМ(t), модулирующий сигнал, соответствующий передаваемому сообщению, - гpaфиком UΩ(t). Масштаб по оси ординат выбран условно.
- Модуляторы и демодуляторы сигналов ФМ
Рис. 4.22. Фазовые модуляторы и демодуляторы:
схема принципиальная (а) и функциональная (б) модулятора;
схема принципиальная (в) и функциональная демодулятора (г)
Как было отмечено выше, в цифровых системах передачи данных используется фазовая манипуляция переносчика (см. п. 4.2.3). При этом получили распространение как двукратная, так и трёхкратная модуляция. Наиболее просты в технической реализации модуляторы со сдвигом фазы на 180°. Схема такого модулятора (фазового манипулятора) приведена на рис. 4.22. Приведёнными схемами реализуется процесс абсолютной двукратной фазовой модуляции (рис. 4.22,а и б) и соответственно процесс демодуляции сигналов АФМ (рис. 4.22, в и г). Схема рис. 4.22,а представляет собой «сдвоенный» балансный амплитудный модулятор. В зависимости от знака мгновенного напряжения модулирующего сигнала будут открыты либо диоды VD1 и VD4, либо диоды VD2 и VD3. В свою очередь, это приводит к изменению фазы несущих колебаний на 180°. Передана сигналов ФМ ведётся с двумя боковыми полосами частот. На функциональной схеме (рис. 4.22,б) рассмотренному модулятору соответствует УГО с позиционным обозначением UB. На этой же схеме условным графическим обозначением GSIN показан генератор несущей частоты ω0. Сопоставив рис. 4.22,а и рис. 4.22,в, уясните самостоятельно различие схем демодулятора и модулятора. Схеме рис. 4.22,в соответствует условное графическое обозначение демодулятора с позиционным обозначением UR, показанным на рис. 4.22,г. Схема рис. 4.22,г иллюстрирует полный функциональный состав демодулирующего устройства, состоящего из полосового фильтра ПФ, усилителя напряжения УН, генератора опорного напряжения GSIN и собственно демодулятора UR.
Примерами реализации фазового модулятора и демодулятора могут служить также схемы (рис. 2.25 и рис. 2.27), рассмотренные ранее.
