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: sinusový 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.;

Základní druhy modulace s nosným impulsovým signálem 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 – prom.; š = konst.; p = konst.; Impulsová (pulsní) šířková modulace PŠM š – prom.; Un = konst.; p = konst.; Impulsová (pulsní) polohová modulace PPM p – prom.; Un = konst; š = konst.; Jednotlivé parametry impulsového signálu lze zakódovat číslicovým dvojkovým kódem, pak se jedná o impulsovou kódovou modulaci PCM. t (s) U (V) Un Un p p š š

Amplitudová modulace AM

Amplitudová modulace AM 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. Podmínky amplitudové modulace AM: Un – proměnná; W = konst.;  = konst.; Obr. 1

Amplitudová modulace AM Měřítkem působení modulačního signálu na nosnou je tzv. hloubka modulace Um je amplituda modulačního signálu Un je amplituda vf nosné vlny Obr. 2 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 %.

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. Obr. 3 Obr. 4 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.

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 - DF je kmitočtový zdvih - f je kmitočet modulačního signálu Pro FM modulaci je stanoven kmitočtový zdvih DF 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. Obr. 6 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)

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

Otázky ke zkoušení Jaké jsou základní parametry sinusového signálu ? Jaké jsou základní parametry impulsového signálu ? Jaké jsou podmínky pro amplitudovou, frekvenční a fázovou modulaci ? Jaké jsou podmínky pro impulsově amplitudovou, impulsově šířkovou a impulsově polohovou modulaci ? Popiš princip amplitudové modulace. Popiš princip frekvenční modulace. Popiš princip fázové modulace.

Použité zdroje: 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