Модуляция сигналов. 
Теория информации

Классификация видов модуляции

Понятие модуляция возникло в технике радиосвязи.

Модуляция колебаний — изменение характеристик сигнала (гармонического, последовательности прямоугольных импульсов) по закону переносимого сигнала, более низкочастотного по сравнению с частотой этих сигналов.

Обратная операция извлечения сигнала, вызвавшего изменение параметров при модуляции, называется демодуляцией.

Сигнал, несущий информацию, называется модулирующим.

Сигнал, параметры которого изменяются модулирующим сигналом, называется носителем.

При использовании в качестве носителя гармонического колебания можно изменять три параметра: фазу, частоту, амплитуду. В этом случае основными видами модуляции являются:

ФМ — фазовая модуляция (PM — phase modulation);

ЧМ — частотная модуляция (FM — frequency modulation);

AM — амплитудная модуляция (AM — amplitude modulation).

Частотную и фазовую модуляцию называют также угловой модуляцией. Все перечисленные виды модуляции называются аналоговыми (непрерывными). Главное требование для качественной демодуляции: частота несущего гармонического сигнала должна быть много больше частоты модулирующего сигнала. На рис. 5.1 приведены временные диаграммы сигналов при аналоговой модуляции.

В современных системах передачи информации получила распространение квадратурная модуляция. Квадратурное представление сигналов является удобным и достаточно универсальным средством их описания. Квадратурное представление заключается в выражении колебания линейной комбинацией двух ортогональных составляющих — синусоидальной и косинусоидальной.

При использовании квадратурной амплитудной модуляции (КАМ, QAM — Quadrature Amplitude Modulation) передаваемый сигнал кодируется одновременными изменениями амплитуды синусоидальной и косинусоидальной компонент несущего колебания, которые сдвинуты по фазе друг относительно друга на л/2. Результирующий сигнал формируется в результате суммирования этих колебаний.

Рис. 5.1. Временные диаграммы сигналов: а — модулирующий линейно-возрастающий сигнал; б — несущий сигнал — гармоническое колебание; в — AM-сигнал; г — ЧМ-сигнал

Применение QAM позволяет увеличить количество кодируемых бит и при этом существенно повысить помехоустойчивость.

В настоящее время используются способы модуляции, в которых число кодируемых на одном бодовом интервале информационных бит может достигать 8…9, а число позиций сигнала в сигнальном пространстве — 256…512.

Известна и широко используется в системах связи квадратурная фазовая модуляция QPSK.

При использовании в качестве носителя последовательности прямоугольных импульсов параметрами модуляции могут быть: амплитуда импульсов, частота импульсов, длительность импульсов или пауз, фаза импульсов, число импульсов в кодовой посылке, комбинация импульсов и пауз в кодовой посылке.

В этом случае различают следующие виды модуляции импульсной последовательности (импульсной модуляции):

АИМ — амплитудно-импульсная модуляция (РАМ — pulse-amplitude modulation);

ЧИМ — частотноимпульсная модуляция (PFM — pulse-frequency modulation);

ШИМ — широтно-импульсная модуляция (PDM — pulse-duration modulation);

ФИМ — фазо-импульсная модуляция (PPM — pulse-phase modulation);

СИМ — счетно-импульсная модуляция (PNM — pulse-namber modulation);

КИМ — кодо-импульсная модуляция (PCM — pulse-code modulation).

Отметим, что ШИМ и ФИМ являются частными случаями времяимпульсной модуляции ВИМ (РТМ — pulse-time modulation). Модулируемым параметром в ШИМ служит ширина импульсов, а ФИМ — время между первым (опорным) и вторым (информационным) импульсами.

Формально КИМ нельзя рассматривать как отдельный вид модуляции, хотя этот термин и применяется. При этой модуляции формируется код, эквивалентный модулирующему сигналу. При СИМ информация об амплитуде модулирующего сигнала передастся числом импульсов в кодовой посылке. Поэтому КИМ и СИМ в пособии не рассматриваются.

На рис 5.2 приведены временные диаграммы импульсно-модулированных сигналов.

Рис. 5.2. Временные диаграммы сигналов при импульсной модуляции: а — линейно возрастающий модулирующий сигнал; б — модулируемый сигнал — последовательность прямоугольных импульсов; в — АИМ-сигнал; г — ЧИМ-сигнал; д — ФИМ-сигнал.

В настоящее время все большая часть информации, передаваемой по аналоговым линиям связи, представляется в цифровом виде, т. е. передастся нс аналоговый модулирующий сигнал, а последовательность двоичных чисел. В этом случае модуляция сигнала-носителя двоичным модулирующим сигналом называется манипуляцией (дискретной модуляцией). Различают амплитудную АМн, частотную ЧМн и фазовую ФМн манипуляцию. На рис 5.3 приведены временные диаграммы для перечисленных видов манипуляции.

Рис. 5.3. Временные диаграммы:

а — амплитудной; б — частотной; в — фазовой манипуляции для передаваемого кода 10 011 011 (для наглядности частота несущего сигнала уменьшена)

При АМн символу «1» соответствует передача колебания в течение тактового времени, символу «О» — отсутствие колебания.

При ЧМн символу «1» соответствует передача колебания с частотой /_ь символу «О» — с частотой /₂. Например, в протоколе HART логический «О» передастся гармоническим сигналом частотой 2200 Гц, логическая «1» — 1200 Гц. В модемах используется частотная манипуляция, но соотношение частот другое.

Фазовая манипуляция характеризуется тем, что при переходе передаваемого сигнала из состояния логической «1» в состояние логического «0» и наоборот фаза несущего сигнала меняется на 180°. Фазовая Анипуляция используется в GPS для передачи кода.