Модуляция. Общие понятия

Декодирование состоит в восстановлении сообщения по принимаемым ко­довым символам. Устройства, осуществляющие кодирование и декодирование, называют соответственно кодером и декодером. Как правило, это логические устройства. На рис. 4.1 изображена структурная схема системы передачи дис­кретных сообщений, а на рис. 4.2 поясняется процесс преобразования дис­кретного сообщения в сигнал. Передаваемое сообщение обозначено буквой a_k, кодированное сообщение (или первичный цифровой сигнал) — b(t), его ком­поненты b_l⁽ⁱ⁾ (l — номер последовательно передаваемого символа, i-номер по­зиции кода, i = 0,m-1). Сигнал, поступающий в линию связи обозначен u(t), принятое колебание - z(t), восстановленная последовательность кодовых сим­волов - b(t) (её компоненты b_l^(j)) и декодированное (восстановленное) сооб­щение — av. Обозначения принятых сигналов, кодовых символов и восстанов­ленного сообщения выбраны иными, чем передаваемых. Этим подчеркивается то обстоятельство, что из-за влияния помех принятый сигнал отличается от пе­реданного, а восстановленное сообщение может не совпадать с исходным.

В современных системах передачи дискретных сообщений принято разли­чать две группы относительно самостоятельных устройств: кодеки и модемы. Кодеком называются устройства, преобразующие сообщение в код (кодер) и код в сообщение (декодер), а модемом — устройства, преобразующие код в сигнал (модулятор) и сигнал в код (демодулятор). Канальные устройства (полосовые усилители передатчика и приёмника, корректоры и т.п.) вместе с линией связи образуют непрерывный канал, а последний вместе с модемом - дискретный канал.

Рис. 4.1. Структурная схема системы передачи дискретных сообщений.

Рис. 4.2. Процесс преобразования дискретного сообщения в сигнал и обратного преобразования сигнала в сообщение

Следует иметь в виду, что в системах радиосвязи после передатчика посредством передающих антенн образуется пространственно-временной сигнал u(t, r) (электромагнитная волна), который зависит не только от времени t, но и пространственных координат точки наблюдения

r = х, у, z.

Сигнал, зависящий от многих координат, называют полем. В месте приёма (на выходе радиоканала) для анализа поступает поле или пространственно-временной сигнал

z(t, r) = s(t, r) + n(t, r).

Чаще всего оно сначала посредством приёмной антенны превращается в чисто временной сигнал z(t), который в дальнейшем подвергается чисто времен­ной обработке. Вопросы формирования и обработки пространственно-временных сигналов в настоящем учебнике не рассматриваются, т.е. будем считать, что устройства преобразования временной сигнал - поле на передаче и поле — временной сигнал на приёме включены внут­ри заданной "линии связи". Эти вопросы рассматриваются в специальных курсах.

Рис. 4.3. Виды модуляции

Общий принцип модуляции состоит в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания (переносчика) f(t, a,β , ...) в соответствии с передаваемым сообщением. Так если в качестве переносчика выбрано гармоническое колебание f(t) = Ucos(w₀t + φ), то можно образовать три вида модуляции:

амплитудную (AM),

частотную (ЧМ) и

фазовую (ФМ).

Если переносчиком является периодическая последовательность импульсов, то при заданной форме импульсов v(t) можно образовать четыре основных вида импульсной модуляции:

амплитудно- импульсную (АИМ),

широтно- импульсную (ШИМ),

время-импульсную (ВИМ, ФИМ) и

частотно-импульсную (ЧИМ).

Применение радиоимпульсов позволяет получить ещё два вида модуляции: по частоте и по фазе высокочастотного заполнения.

При дискретной (цифровой) модуляции закодированное сообщение а, представляющее собой последовательность кодовых символов {b}, преобразует­ся в последовательность элементов (посылок) сигнала {u(t)} путём воздействия кодовых символов на переносчик f(t). Посредством модуляции один из пара­метров переносчика изменяется по закону, определяемому кодом. При непо­средственной передаче переносчиком может быть постоянный ток, изменяю­щимися параметрами которого являются величина и направление тока. Обычно в качестве переносчика, как и в непрерывной модуляции, используют переменный ток (гармоническое колебание). В этом случае можно получить AM, ЧМ и ФМ.

На рис. 4.4 приведены формы сигнала при двоичном коде для различных видов дискретной или цифровой модуляции (манипуляции). При AM символу 1 соответствует передача несущего колебания в течение времени Т (посылка), символу 0 - отсутствие колебания (пауза). При ЧМ передача несущего колебания с частотой f_l соответствует символу 1, а передача колебания с частотой f_o соответствует 0. При двоичной ФМ меняется фаза несущей при каждом переходе от 1 к 0 и от 0 к 1.

Рис. 4.4. Сигналы при различных видах дискретной модуляции.

Наконец, на практике применяют систему относительной фазовой модуляции (ОФМ). В отличие от ФМ, при ОФМ фазу сигналов отсчитывают не от некоторого эталона, а от фазы предыдущего элемента сигнала. Например, символ 0 передаётся отрезком синусоиды с начальной фазой предшествующего элемента сигнала, а символ 1 — таким же отрезком с начальной фазой, отличающейся от начальной фазы предшествующего элемента сигнала на . При ОФМ передача начинается с посылки одного не несущего информации элемента, который служит опорным сигналом для сравнения фазы последующего элемента.

В более общем случае дискретную модуляцию следует рассматривать как преобразование кодовых символов 0, 1, ..., т - 1 в определённые отрезки сигнала u_i(t), где i = 0, 1, ..., т-1 — передаваемый символ. При этом вид сигнала ui(t),в принципе, может быть произволен. В действительности его выбирают так, чтобы удовлетворить требованиям, предъявляемым к системе связи (в частности, по скорости передачи и по занимаемой полосе частот), и чтобы сигналы хорошо различались с учётом воздействующих помех.

Длительность посылки первичного сигнала b(t) при дискретной передаче определяет скорость передачи посылок (техническую скорость или скорость мо­дуляции). Эта скорость v выражается числом посылок, передаваемых за единицу времени. Измеряется техническая скорость в Бодах. Один Бод — это скорость, при которой за 1 с передаётся одна посылка. Если длительность посылки Т выражена в секундах, то скорость модуляции v = 1/T вБодах.

В качестве переносчика сигнала связи можно использовать не только постоянный или синусоидальный ток, но и периодическая последовательность импульсов (а)[3].

Рис.4.5. Виды импульсной модуляции

b – передаваемый сигнал, с – АИМ, d- ЧИМ, е – ДИМ, f - ФИМ

АИМ – амплитудно-импульсная модуляция,

ЧИМ – частотно-импульсная модуляция,

ДИМ – модуляция импульсов по длительности (ШИМ),

ФИМ – фазово-импульсная модуляция.