при передаче дискретных сообщений

При передаче дискретных сообщений – последовательностей кодовых символов (n порядковый номер символа, k = 1, 2,…, m – номер символа из кодового алфавита объёмом m) первичный сигнал представляет собой

,

где Т – длительность тактового интервала на котором передаётся один кодовый символ,

x(t) – функция, описывающая форму импульса на интервале Т.

Форму импульса x(t) выбирают из соображений ограничения его спектра полосой пропускания канала и удобства формирования (прямоугольную, гауссовскую, синусквадратичную). Для простоты дальнейших рассуждений ограничимся прямоугольной формой импульсов и использованием двоичного кода (m=2), алфавит которого содержит всего два символа b⁽⁰⁾ = +1 и b⁽¹⁾ = –1. Тогда

. (3.14)

При использовании гармонического переносчика модуляцию цифровым первичным сигналом называют цифровой (ЦМ). По виду модулируемого параметра различают цифровые амплитудную (ЦАМ), фазовую (ЦФМ) и частотную (ЦЧМ) модуляции. Принципиальным отличием ЦМ от ранее рассмотренной аналоговой является конечный набор вариантов сигнала на выходе модулятора (в нашем случае всего два варианта s₀(t) и s₁(t) при передаче b₀ и b₁ соответственно). Это обстоятельство существенно меняют задачу приёма таких сигналов. При приёме сигналов с аналоговой модуляцией главным является воспроизведение формы модулирующего сигнала с минимальной погрешностью в результате его детектирования (непрерывного измерения информационного параметра). В случае приёма сигналов с ЦМ решается задача различения (обнаружения) вариантов сигналов с минимальной вероятностью ошибок (демодуляция). Вопросы демодуляции сигналов с цифровой модуляцией подробно будут рассмотрены во второй части курса ТЭС.

Описание сигналов с ЦМ во временной и спектральной областях можно рассматривать как частный случай аналогичного описания сигналов с аналоговой модуляцией, соответствующий конкретной форме модулирующего сигнала (3.14). В частности, имеем:

При ЦАМ

, (3.15)

При ЦФМ

, (3.16)

При ЦЧМ

, (3.17)

где девиацию частоты Dw выбирают из условия обеспечения ортогональности сигналов s₀(t) и s₁(t).

На рис. 3.47 полученные сигналы изображены в виде векторов в пространстве сигналов. Из него видно, что расстояние между сигналами s₀(t) и s₁(t) с ЦМ (при равных U_н)

, , .

Очевидно, что чем больше расстояние между сигналами, тем они надёжнее различаются при приёме на фоне помех. Следовательно, наибольшей помехоустойчивостью обладает ЦФМ, а наименьшей ЦАМ. На практике по причинам, которые будут понятны из материалов второй части курса ТЭС, вместо ФМ используют ОФМ (относительную фазовую модуляцию), отличающуюся тем, что модулирующий сигнал отображают не в абсолютной фазе гармонического переносчика, а в изменении его фазы по отношению к предыдущему сигналу.

Реализация модуляторов сигналов с ЦМ не вызывает сложностей и вытекает из аналитических выражений соответствующих сигналов (3.15) – (3.17). Так, в частности, для получения сигнала с ЦАМ можно использовать параметрический амплитудный модулятор (рис. 3.15). В качестве фазового модулятора для получения сигнала с ЦФМ (3.16) можно использовать перемножитель, а сам сигнал рассматривать как БМ сигнал. Для получения сигнала с ЦЧМ можно использовать коммутатор двух генераторов с частотами и (ЦЧМ с разрывом фаз) или коммутатор дополнительного реактивного элемента в колебательной системе единственного генератора для получения тех же самых частот (ЦЧМ с непрерывной фазой).

Общим недостатком рассмотренных простых видов ЦМ является низкая скорость передачи . Для её повышения прибегают к увеличению объёма алфавита кода m, разделению первичного сигнала на части (например, чётные и нечётные импульсы в кодовых последовательностях) с одновременной передачей этих частей методом КАМ или применяют комбинацию этих способов.

Так, широко используется четырёхфазная ФМ-4 (ОФМ-4) (иное название – двукратная ФМ (ДФМ)), основанная на передаче четырёх сигналов, каждый из которых несёт информацию о двух битах (дибите) исходной двоичной последовательности. (00, 01, 10, 11). Соответственно фаза сигнала может принимать значения 0°, 90°, 180°, 270° (возможный вариант 45°, 135°, 225°, 315°). В результате при сохранении длительности сигнала Т на выходе модулятора достигается двукратное увеличение скорости передачи. Обычно такой сигнал формируют с помощью квадратурного модулятора (рис. 3.48). На его входы подают нечётные x(t) и чётные y(t) импульсы, получаемые из исходной двоичной последовательности с помощью регистра сдвига.

Дополнительное увеличение скорости передачи можно достичь комбинируя ФМ и АМ. Примерами такого решения могут служить шестнадцатипозиционная система КАМ-16, при которой используются 4 относительных уровня (±1, ±3) сигналов x(t) и y(t ), в результате чего формируются 16 сигналов, каждый из которых несёт информацию о четырёх битах (квадбите) исходной двоичной последовательности, 64-позиционная КАМ-64 с 8-ю относительными уровнями (±1, ±3, ±5, ±7) сигналов x(t) и y(t ).

Графические интерпретации сигналов ФМ-4, ФМ-16 и КАМ-16 приведены на рис. 3.49. На комплексной плоскости сигналы отображены сигнальными точками (концами векторов их комплексных амплитуд), образующими сигнальное созвездие (signal constellation).

Из рассмотрения этих сигнальных созвездий несложно определить минимальные расстояния d между сигналами

для КАМ и для ФМ,

где L – число различных уровней системы сигналов КАМ,

М – число различных фаз системы сигналов ФМ.

Видно, что при увеличении значения М и одинаковой максимальной мощности сигналов системы КАМ предпочтительнее систем с ФМ. В частности, при М = 16 (L = 4) = 0,47 и = 0,39, при М = 36 (L = 6) = 0,282 и = 0,174, а при М = 64 (L = 8) = 0,2 и = 0,098.