Видео в конце...
Всем привет! Новый сезон выпусков посвящен обработке сигналов. На этом этапе мы знакомимся с предметной областью. Это то, что именно будем обрабатывать. Лишь потом поговорим о методах обработки и конечно же об инструментах. Постараемся рассмотреть как программную обработку сигналов, так и аппаратную, используя элементную базу ПЛИС.
Энергия и информация
В прошлом выпуске мы ознакомились с переносом энергии в окружающее пространство. Наиболее эффективная форма сигнала имеет вид гармонической функции.
Антенная система воспринимает воздействие электрического поля и переводит его в напряжение на своем разъеме.
Гармонический сигнал может переносить энергию, но при этом он не переносит никакой информации.
Если он в эфире постоянно и никак не меняется, то ни о чем не может сообщить в приемной точке.
Теперь пришло время рассмотреть пример переноса информации. Она передается потребителю в том случае, если меняется хотя бы один из параметров гармонического колебания Это может быть фаза, частота или как в этом выпуске амплитуда. В радиолокации информацию несет задержка появления радиоимпульса, которая показывает расстояние до объекта, отразившего импульс.
Амплитудная модуляция
В этом выпуске информация будет закладываться в изменение амплитуды гармонического сигнала. На приемном конце оценивают амплитуду сигнала и тем самым извлекают переданную информацию.
Синим цветом показан переносчик сигнала, его называют несущая частота.
При отсутствии информации ее амплитуда постоянна,
но когда закладывают информацию, то амплитуду изменяют в отведенных границах. В пределе это от нуля до некоторого неограниченного значения. Этот процесс называется модуляцией. Если меняют амплитуду, то это амплитудная модуляция.
Экспериментируем с амплитудной модуляцией
Чаще всего при помощи амплитудной модуляции занимались передачей речевой информации. Хоть слышать мы можем частоты до 20 килогерц, но наши органы речи позволяют создать звук с частотой не более 10 килогерц и то если свистеть или шипеть. В основном, вся энергия колебаний человеческой речи сосредоточена до частоты 4 килогерца. Вот по закону колебаний звуковой волны и происходит изменение амплитуды несущей гармоники.
Делается это путем умножения низкочастотной функции y(t) на высокочастотную гармонику r(t). Делалось это еще с момента начала использования вакуумных ламп. Сейчас достаточно написать знак умножения в исходном коде на высокоуровневом языке программирования.
Для того чтобы соблюсти границы изменения амплитуды и не уйти в отрицательные значения применяется довольно простой подход. Низкочастотному сигналу добавляют постоянную составляющую с таким расчетом, чтобы его значения не переходили через нулевую отметку. В случае с гармоническим сигналом низкой частоты это можно показать при помощи такой модели:
К гармонике прибавляют единицу. Амплитуда модулирующего колебания изменяется в диапазоне от нуля до m. Где m меньше единицы. Этот параметр называется глубиной модуляции. Так образом точно не будет никакого перехода через ноль. После формирования подготовленного модулирующего колебания происходит его умножение на высокочастотную несущую.
Игры с частотой
Давайте придадим параметрам сигналов конкретные значения и проанализируем спектр получившегося сигнала. А как получить спектр сигнала смотрите в прошлом выпуске.
Глубина модуляции 0,9, частота модулирующего колебания 1,1, частота несущего колебания, оно же радиочастота 10. Рассматриваем спектр получившегося радиосигнала. Заметна довольно мощная гармоническая составляющая на частоте несущей 10. Выше и ниже по частоте еще гармонические составляющие. Смещения по частоте от несущей составляют как раз 1,1, что совпадает с частотой модулирующего колебания y(t). Центральную гармонику называют несущей, а другие нижняя боковая частота или полоса (НБП) и верхняя боковая частота, она же полоса (ВБП).
В прошлом веке когда еще не существовало приборов для анализа сигналов, пользователи могли лишь констатировать, что радиостанции, работающие на близких частотах, друг другу мешали. Их боковые полосы пересекались. Математики при этом легко выводили формулы, где эти полосы были четко обозначены. Но мало кто им верил, пока не научились анализировать спектры реальных сигналов.
Уменьшим частоту низкочастотного колебания до 0,6. При этом уменьшается разнос боковых гармоник.
Из этого следует, что низкочастотные составляющие сосредоточены ближе к несущему колебанию, высокочастотные дальше. И да,
занимаемая полоса частот радиосигнала с амплитудной модуляцией это удвоенная самая верхняя частота низкочастотного колебания.
Даже если диктор будет произносить речь низким тембром с максимальной частотой 4 килогерца, то занимаемая полоса составит 8 килогерц. Но в те далекие времена этого не могли увидеть и даже если бы увидели, то не посчитали бы проблемой. А это на самом деле потом аукнулось и довольно серьезно.
Игры с глубиной модуляции
Давайте еще подрегулируем глубину модуляции. Пусть она теперь будет 0,3. Это приводит к падению энергетики боковых полос.
Все логично, если глубину модуляции m уменьшим до нуля, то получим только лишь несущую частоту с неизменной амплитудой. Низкая энергетика боковых полос ухудшает качество приема, не забываем, что в реальном сигнале множество шумов, а вся полезная информация содержится в боковых полосах. Падение энергетики полезного сигнала ни к чему хорошему не приводит.
Давайте послушаем как лампово звучат эти радиопередачи в эфире.
Модуляция с подавленной боковой полосой
К моменту когда осознали проблему слишком широкой занимаемой полосы, в мире было продано огромное количество радиоприемников, работающих с таким сигналом. Электрическая схема, обрабатывающая сигнал с двумя боковыми полосами довольно проста, но возникала заманчивая идея вырезать из радиосигнала одну из боковых полос, так как две полосы это копии самих себя, друг друга они никак не дополняют. Кроме того, гармоника несущей частоты также не несет никакой полезной информации. Таким образом, оставляя одну боковую полосу можно уместить в одном выделенном диапазоне радиочастот гораздо большее количество станций радиовещания.
В реальном речевом сигнале уживаются вместе множество низкочастотных гармоник. Для большей наглядности возьмем две из них.
Одна на частоте 300 герц, другая 900 герц. Первым делом для удаления боковой полосы низкочастотный сигнал модулирует несущую некоторой промежуточной частоты. Получившийся сигнал остается в передатчике и нужен для операций подавления нежелательных составляющих. На рисунке желтым цветом изображен спектр сигнала с неподавленной нижней полосой. Хорошо выделяется его несущая частота. Синим цветом спектр того же сигнала с подавленной нижней полосой. При этом также подавляется несущая частота. Синий цвет немного закрывает желтый, поэтому необходимо проговорить, что верхняя боковая полоса есть в желтом спектре и остается без изменения в синем. Как происходит подавление сигнала рассмотрим в следующих выпусках.
Осталось заново перенести получившийся сигнал на нулевую частоту, там еще раз подавить нежелательные составляющие и в итоге умножением на гармонику с несущей частотой получаем радиосигнал с амплитудной модуляцией, подавленной несущей и одной боковой полосой.
Занимаемая полоса частот такого сигнала раза в 2 и даже 2,5 меньше, чем полоса исходного сигнала. При этом приемник сигнала должен иметь совсем другую схему чтобы получить передаваемую информацию.
Осталась лишь одна "маленькая" проблема. Это, как уже говорилось, к моменту изобретения способа подавления боковой полосы было продано большое число приемников старого образца. Их владельцы были бы очень недовольны если случился тотальный переход на совсем другой формат вещания.
С точки зрения старых приемников новый сигнал это как старый, только сильно искаженный.
Давайте послушаем как звучит АМ с подавленной НБП.
Проблема совместимости форматов
В технике это не единственный случай торможения научно-технического прогресса только по причине того, что поторопились с внедрением недоработанного решения. Такое явление часто происходит в информационных технологиях. Как в компьютерном железе, так и в форматах файлов, программах и протоколах их взаимодействия. Об этом когда-то тоже поговорим.
В итоге в эфирном радиовещании случился зоопарк, диапазоны радиочастот поделили между всеми страждущими, в продаваемых приемниках установили переключатели на различные способы приема.
Эпилог
Как вы считаете, в 21 веке есть место эфирным радиостанция с очень устаревшими способами модуляции? Да сколько угодно таких радиостанций. На рисунке ниже изображена спектрограмма радиоэфира. Это спектр, изображенный еще и во временной оси. Это похоже на то, как если бы мы рассматривали спектр сверху в плоскости рисунка. По горизонтальной оси как и раньше частоты, по вертикальной - время. Яркость говорит о мощности спектральной составляющей. Как можно заметить, в 2020 году можно увидеть несущую гармонику и обе боковые полосы.
Во многих странах мира до сих пор пользуются радиоприемниками прадедушек и бережно передают их из поколение в поколение. По этой причине скорее всего и радиовещание с амплитудной модуляцией и не подавленной боковой полосой с нами вместе войдет в светлое будущее наравне с роботами с искусственным интеллектом.
Вот на этой замечательной ноте мы с вами прощаемся до следующего выпуска.
Поддержите статью лайком если понравилось и подпишитесь чтобы ничего не пропускать.
Продолжение следует...