10.2.2. МОДУЛЯЦИЯ И ДЕМОДУЛЯЦИЯ

Для передачи и (или) записи данных наблюдений наиболее широко используются два метода модуляции и демодуляции: частотная и кодово-импульсная.

Частотная модуляция (ЧМ) чаще всего применяется при аналоговой телеметрии и записи сигнала на магнитную ленту. Принципиальная сущность ЧМ состоит в том, что частота несущего сигнала превращается в аналог амплитуды входного сигнала, как это показано на рис. 10.4, а. Когда модулирующее напряжение отсутствует, модулированный сигнал просто представляет собой колебание с несущей частотой. При наличии на входе строго постоянного тока (постоянная составляющая) модулированный сигнал есть сигнал чистого тона, частота которого выше несущей на величину девиации, вызываемой постоянной составляющей. Если модуляпия осуществляется синусоидальным сигналом, то модулированный сигнал теоретически выглядит как синусоида переменной частоты. В случае записи на магнитную ленту модулированный сигнал напоминает скорее прямоугольную волну переменной ширины, поскольку ЧМ-сигнал записывается обычно при уровне насыщения. Важный параметр ЧМ - отношение девиации частоты к частоте модуляции Это отношение называется индексом

Рис. 10.4. Основные методы модуляции: а — частотная модуляция (ЧМ); б - кодово-импульсная модуляция (КИМ).

модуляции и тесно связано как с полосой пропускания, так и с отношением сигнал/шум, которые обеспечиваются при ЧМ-передаче и записи сигнала. Соответствующие зависимости приведены в табл. 10.1, где указаны также основные достоинства и недостатки ЧМ.

Из рассмотрения табл. 10.1 видно, что ЧМ особенно чувствительна к изменениям скорости движения магнитной ленты (временные ошибки), поскольку эти искажения немедленно переходят в ошибки регистрации амплитуд. Особенно важную роль играют динамические временные ошибки. Чаще всего рассматривается динамическая временная ошибка в одноканальной системе, называемая флаттером. Флаттер можно определить как отклонение скорости движения магнитной ленты от нормы. Он играет особенно важную роль при частотной модуляции, когда аналогом амплитуды сигнала является масштаб времени или частота. Интеграл от флаттера и есть динамическая временная ошибка. Величина флаттера у

Таблица 10.1. (см. скан) Основные характеристики методов модуляции требуемая полоса пропускания магнитофона и передающего устройства, Гц; — число мультиплексируемых каналов; наибольшая частота сигнала, Гц; индекс модуляции; — число импульсов на группу кодов при ; — исходное отношение сигнал/шум; отношение сигнал/шум после модуляции.

высококачественных магнитофонов промышленного производства составляет — 0,25%. Как правило, спектр флаттера практически постоянен на всех частотах до некоторой граничной частоты, которая при высокой скорости движения ленты равна обычно примерно 100 Гц. Наиболее неприятная динамическая временная ошибка между каналами появляется вследствие динамического перекоса, определяемого как изменение угла, под которым лента проходит магнитную головку. Это явление, очевидно, влияет на результаты взаимного анализа сигналов в многоканальных системах, например на взаимные корреляционные и спектральные функции. Динамический перекос можно минимизировать, по возможности записывая предназначенные для взаимного анализа данные через различные головки.

При кодово-импульсной модуляции (КИМ) аналоговый сигнал на входе немедленно преобразуется в цифровой и затем записывается (рис. 10.4, б). Поскольку цифровой код состоит из последовательности импульсов, при его снятии с магнитной ленты с частотами вплоть до постоянной составляющей не возникает никаких трудностей. Существует верхний предел частоты регистрируемых данных, который определяется частотой съема во

входном аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Вопрос о предельной частоте рассмотрен в разд. 10.3.2. Требования к ширине полосы пропускания и к отношению сигнал/шум указаны наряду с основными достоинствами и недостатками записи и передачи информации с помощью КИМ в табл. 10.1.

Из табл. 10.1 видно, что отношение сигнал/шум при КИМ зависит лишь от числа бит в принятом цифровом коде и никак не связано с непосредственным отношением сигнал/шум в записи. Это обстоятельство служит основным преимуществом КИМ сравнительно с методами аналоговой модуляции, в том числе ЧМ. Кроме того, мультиплексирование нескольких каналов, по которым поступают данные, в единый канал осуществляется при КИМ особенно легко, поскольку кодированные сигналы разных преобразователей нетрудно передавать одновременно в общей системе отсчета времени. При ЧМ такое уплотнение достигается лишь за счет того, что различным сигналам отводятся неперекрывающиеся полосы частот, представляющие собой участки общей полосы пропускания канала телеметрии или записи на магнитную ленту. Более подробное обсуждение этих вопросов содержится в работе [10.5].

ПРИМЕР 10.2. ПАРАМЕТРЫ СТАНДАРТНОЙ ЗАПИСИ С ЧМ. Как правило, передача и регистрация научной информации с ЧМ осуществляется по стандартам, разработанным Inter-Range Instrumentation Group (IRIG) и подробно описанным в работе [10.6]. В соответствии с этими стандартами значение индекса модуляции ту принимается равным 2,16, а выраженная в процентах девиация несущей частоты сигнала во всем диапазоне его изменений составляет ±40%. Одна из многих стандартных центральных несущих частот сигнала равна Определим максимальную частоту сигнала которую можно зарегистрировать на ЧМ-магнитофоне при несущей частоте Найдем также получаемое при этом отношение сигнал/шум в записи.

При относительной девиации ±40% максимальное отклонение несущей частоты сигнала По определению максимальная частота регистрируемого сигнала Из табл. 10.1 следует, что отношение сигнал/шум Принимая характерное значение отношения сигнал/шум в прямой записи получим, что отношение сигнал/шум в выходной записи . В реальной ситуации магнитофоны с ЧМ способны обеспечить в зависимости от их устройства отношения сигнал/шум, превышающие указанное значение на величину до