Виды модуляции. Виды модуляции сигналов

Способы модуляции

Для согласования спектра цифровых сигналов с полосой пропускания каналов применяются разнообразные виды модуляции. Различают следующие виды модуляции: аналоговая модуляция, аналого-цифровая и цифро-аналоговая.

Модуляцией называется процесс преобразования информационного модулирующего сигнала в форму, пригодного для передачи по соответствующему каналу с изменением параметров другого несущего сигнал. Параметрами несущего сигнала являются его амплитуда, частота, фаза.

Аналоговая модуляция используется для преобразования одного аналогового информационного сигнала в другой аналоговый несущий сигнал. Какой из параметров изменяется, получают следующие виды аналоговой модуляции.

Амплитудная модуляция АМ (amplitude modulation) – информационный сигнал кодируется в виде изменения амплитуды несущего сигнал. Этот тип модуляции используется в системе радиовещания.

Частотная модуляция FM (frequency modulation) – информационный сигнал кодируется в виде частоты несущего сигнала. Этот тип модуляции используется в системах телевещания и спутниковых системах связи.

Фазовая модуляция PM (phase modulation) – информационный сигнал кодирует в виде изменения фазы (временного сдвига) несущего сигнал. Этот тип модуляции применяется в тех же системах, что и FM. Если изменяется несколько параметров, можно получить соответственно амплитудно - фазовой или частотно - фазовой модуляцией.

Цифро - аналоговая модуляция используется для преобразования цифровых сигналов в аналоговую форму (например, в модемах).

Для цифровых сигналов модулирующая функция принимает дискретные значения (0,1) или (1, -1), что приводит к скачкообразным изменениям параметров несущего сигнала. Такая модуляция называется манипуляцией.

Различают следующие виды цифро-аналоговой модуляции:

Цифро-аналоговая модуляция со сдвигом амплитуд ASK (Amplitude Shift Keying) – информационный сигнал кодирует изменения амплитуды несущего сигнала.

Кодирование со сдвигом частот FSK (Frequency Shift Keying) – информационный сигнал кодирует изменение частоты (временного сдвига) несущего сигнал. В зависимости от количества используемых интервалов сдвига этот метод позволяет представить одним модулированным сигналом несколько информационных бит.

Кодирование со сдвигом фазы PSK (Phase Shift Keying) – информационный сигнал кодируется изменением фазы (сдвига) несущего сигнала. Различают абсолютную и относительную фазовую модуляцию.

При абсолютной двухпозиционной фазовой модуляции BPSK (Binary Phase Shift Keying), фаза модулированного колебания при входном сигнале двоичного «0» совпадает со значением фазы опорного (несущего) сигнала, при сигнале двоичной «1» - изменяется на противоположную.

В случае дифференциально-фазовой модуляции (DPSK) фаза текущего колебания изменяется не по отношению к опорному колебанию, а то отношение к фазе предыдущей посылки.

Для увеличения скорости информационного потока широко применяется многопозиционная фазовая модуляция с 4, 8 и 16 значениями сдвига фаз. При 4-позиционной модуляции последовательность бит объединяются по два разряда (в дибиты) используют разности фаз соседних посылок 0º, 90º, 180º, 270º .

При 8-позиционной модуляции поток делят по 3 бита (трибиты), а при 16-позиционной по четыре бита (квадрабиты). Фазовые углы между векторами в первом случае отличаются уже на 45º, во втором – на 22,5º.

Фазовые диаграммы частот называют сигнальным созвездием. Для получения модулированных колебаний с числом сдвига фаз сигнала больше двух используются два сигнала сдвинутых на 90 0 , т.е. находящиеся в квадратуре. В этом случае говорят о квадратурной фазовой модуляции QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).

Информационная скорость при многопозиционной передаче увеличивается в log m раз, т. е. если m = 4 (четырехпозиционная манипуляция) скорость передачи в 2 раза выше, при m =16 (16-позиционная манипуляция) скорость увеличивается в четыре раза.

Квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – информационный сигнал кодирует изменение амплитуды и фазы несущего сигнала.

Одновременно используется два гармонические колебания, сдвинутые по фазе на 90 0 .

В передатчике одна из составляющих синфазна несущей частоты, вторая находится в квадратуре по отношении к колебанию. Иными словами есть косинусная и синусная (квадратурная) несущие. При такой модуляции состояния несущего сигнала можно описать различными амплитудами и фазами.

На рис.1.13 показана четырехуровневая модуляция несущей.

Рисунок 1.13

На плоскости процесс кодирования можно представить, отложив в декартовой системе по оси ординат амплитуды синфазного колебания, а по оси абсцисс - амплитуды квадратурной составляющей. В результате получится, что каждому варианту моделирующих амплитуд, соответствует определенная точка на сигнальной плоскости. Если теперь цифровой информационный поток разбить на блоки фиксированной длины и присвоить каждому значению битовой последовательности определенную амплитуду этих составляющих с учетом знака, получим однозначное соответствие между сигнальными точками на плоскости и входной битовой последовательностью. Графически это изображается в виде так называемого сигнального созвездия. Соответствие между группами бит и точками созвездия выбирается таким образом, что бы соседние точки отличались минимальным количеством бит, причем именно старшими разрядами. Метод кодирования QAM8 характеризует восьмью возможными битовыми комбинациями.

На рис.1.14 показано зеркальное созвездие, а таблица 1.9 определяет состояния при таком кодировании.

Рисунок 1.14

Таблица 1.9

На рис.1.15 показано зеркальное созвездие при кодировании QAM – 16

Решетчатая модуляции TCM (Trellis Coded Modulation) – аналогична QAM, однако в передаваемый сигнал включается дополнительный бит для коррекции ошибок.

Рисунок 1.15

Амплитудно-фазовая модуляция с подавлением несущей и передачей одной боковой полосы CAP (Carrier less Amplitude and Phase Modulation)основана на том, что передача двух боковых полос модулированного сигнала в информационном смысле является избыточной. Осуществляя передачу информации с использованием одной боковой полосы, можно более эффективно использовать мощность сигнала и полосу канала связи. При формировании САР-сигналов на передающей стороне перед суммированием в модуляторе синфазная и квадратурная составляющая подвергается дополнительной фильтрации. Демодулирование САР-сигналов на приемной стороне осуществляется, выполняя предварительное восстановление несущей. Это адаптивная форма кода QAM. Этот метод позволяет корректировать значения символов, учитывая состояние линии (например, шум) в начале соединения.

Способ многочастотной передачи DMT (Discrete multi-tone modulation) использует одновременную передачу QAM-сигналов в различных частотных полосах. Весь частотный диапазон делится на несколько участков фиксированной ширины. Каждый из этих участков используется для организации независимого канала передачи данных. Передатчик, учитывая уровень помех в каждом из участков, выбирает схему модуляции. Если участок имеет малый уровень шумов, применяется алгоритм с большим числом позиций, например, QAM-64. На более зашумленных участках применяются более простые алгоритмы, например, QPSK. При передаче данных информация распределяется между каналами пропорционально их пропускной способности.

Метод DMT оговорен в стандарте Т1.413, разработанном Американским Национальным институтом стандартизации ANSI (American National Standards Institute), в соответствии с чем в канале заданы 256 подканалов, полоса пропускания каждого подканала равна 4,3125 кГц. Каждый подканал независимо модулируется с помощью метода дискретной мо­дуляции QAM. Сигнал передается с помощью постоянного тока при ширине полосы пропускания 1,104 МГц; теоретическая пропускная способность для данных с полосой пропускания 1,104 МГц равна 16,384 Мбит/с. Метод DMT был принят комитетом ANSI как стандарт кодирования для линий связи T1 и используется в системах передачи сигналов по каналам ADSL.

Мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – частный случай способа передачи DMT. Суть способа OFDM заключается в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно по всем этим подканалам. Высокая скорость передачи достигается за счет такой одновременной передачи. Для экономии использования всей полосы канала, разделенного на подканалы, желательно как можно более плотно расположить подканалы. В сетях диапазон частот 5,2 ГГц разбит на 12 неперекрывающихся каналов с шириной полосы 20 МГц. Каждый из каналов разбит на 64 подканала с полосой 912,5 кГц. Для передачи данных используются 48 подканалов. Четыре служат для передачи опорных колебаний, а по 6 подканалов справа и слева выполняют функции защитных полос. В любом из каналов можно выполнить передачу со скоростью 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 или 54 Мбит/с. Это определяется выбранным способом фазовой или амплитудно-фазовой модуляции при BPSK – 6 Мбит/с, при QPSK – 12 Мбит/с, при QAM – 16 – 24 Мбит/с, при QA_-64 – 54Мбит/с.

Аналогово-цифровая модуляция используется для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму, пригодную для передачи по цифровых каналах связи (DS – цифровой сервис).

Различают следующие виды такой модуляции:

1. Дельта – модуляция DM (delta modulation) – аналоговый сигнал представляется последовательностью битов, значения которых определяются изменением уровня аналогового сигнала по сравнению с предыдущим значением.

6. Виды модуляции. Введение в специальность

6. Виды модуляции

Принципы передачи сигналов электросвязи

Перенос сигнала из одной точки пространства в другую осуществляет система электросвязи. Электрический сигнал является, по сути, формой представления сообщения для передачи его системой электросвязи.

Источник сообщения (рис.6.1) формирует сообщение а(t), которое с помощью специальных устройств преобразуется в электрический сигнал s(t). При передаче речи такое преобразование выполняет микрофон, при передаче изображения – электронно-лучевая трубка, при передаче телеграммы – передающая часть телеграфного аппарата.

Чтобы передать сигнал в системе электросвязи, нужно воспользоваться каким-либо переносчиком. В качестве переносчика естественно использовать те материальные объекты, которые имеют свойство перемещаться в пространстве, например, электромагнитное поле в проводах (проводная связь), в открытом пространстве (радиосвязь), световой луч (оптическая связь). На рис. 6.2 показано использование шкалы частот и волн различных типов для различных видов связи.

Таким образом, в пункте передачи (рис.6.1) первичный сигнал s(t) необходимо преобразовать в сигнал v(t), удобный для его передачи по соответствующей среде распространения. В пункте приема выполняется обратное преобразование. В отдельных случаях (например, когда средой распространения является пара физических проводов, как в городской телефонной связи) указанное преобразование сигнала может отсутствовать.

Доставленный в пункт приема сигнал должен быть снова преобразован в сообщение (например, с помощью телефона или громкоговорителя при передаче речи, электронно-лучевой трубки при передаче изображения, приемной части телеграфного аппарата при передаче телеграммы) и затем передан получателю.

Передача информации всегда сопровождается неизбежным действием помех и искажений. Это приводит к тому, что сигнал на выходе системы электросвязи и принятое сообщение могут в какой-то мере отличаться от сигнала на входе s(t) и переданного сообщения a(t). Степень соответствия принятого сообщения переданному называют верностью передачи информации.

Для различных сообщений качество их передачи оценивается по-разному. Принятое телефонное сообщение должно быть достаточно разборчивым, абонент должен быть узнаваемым. Для телевизионного сообщения существует стандарт (хорошо известная всем телезрителям таблица на экране телевизора), по которому оценивается качество принятого изображения.

Количественной оценкой верности передачи дискретных сообщений служит отношение числа ошибочно принятых элементов сообщения к числу переданных элементов – частость ошибок (или коэффициент ошибок).

Амплитудная модуляция

Обычно в качестве переносчика используют гармоническое колебание высокой частоты – несущее колебание. Процесс преобразования первичного сигнала заключается в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания по закону изменения первичного сигнала (т.е. в наделении несущего колебания признаками первичного сигнала) и называется модуляцией.

Запишем гармоническое колебание, выбранное в качестве несущего, в следующем виде:

Это колебание полностью характеризуется тремя параметрами: амплитудой V, частотой w и начальной фазой j. Модуляцию можно осуществить изменением любого из трех параметров по закону передаваемого сигнала.

Изменение во времени амплитуды несущего колебания пропорционально первичному сигналу s(t), т.е. V(t) = V + kAM s(t), где kAM – коэффициент пропорциональности, называется амплитудной модуляцией (АМ).

Несущее колебание с модулированной по закону первичного сигнала амплитудой равно: v(t) = V(t)cos(wt + j). Если в качестве первичного сигнала использовать то же гармоническое колебание (но с более низкой частотой W) s(t) = ScosWt, то модулированное колебание запишется в виде (для упрощения взято j = 0): v(t) = (V + kAMScosWt)coswt.

Вынесем за скобки V и обозначим DV = kAMS и МАМ = = DV/V. Тогда

Параметр МАМ = DV/V называется глубиной амплитудной модуляции. При МАМ = 0 модуляции нет и v(t) = v0(t), т.е. получаем немодулированное несущее колебание (2.1). Обычно амплитуда несущего выбирается больше амплитуды первичного сигнала, так что МАМ 1.

На рис. 6.3 показана форма передаваемого сигнала (а), несущего колебания до модуляции (б) и модулированного по амплитуде несущего колебания (в).

Произведя в (6.2) перемножение, получим, что амплитудно-модулированное колебание

состоит из суммы трех гармонических составляющих с частотами w, w + W и w – W и амплитудами соответственно V, MAMV/2 и MAMV/2. Таким образом, спектр амплитудно-модулированного колебания (или АМ-колебания) состоит из частоты несущего колебания и двух боковых частот, симметричных относительно несущей, с одинаковыми амплитудами (рис. 6.4, б). Спектр первичного сигнала s(t) приведен на рис. 6.4, а.

Если первичный сигнал сложный и его спектр ограничен частотами и (рис. 6.4, в), то спектр АМ-колебания будет состоять из несущего колебания и двух боковых полос, симметричных относительно несущей (рис. 6.4, г).

Анализ энергетических соотношений показывает, что основная мощность АМ колебания заключена в несущем колебании, которое не содержит полезной информации. Нижняя и верхняя боковые полосы несут одинаковую информацию и имеют более низкую мощность.

Угловая модуляция

Можно изменять во времени пропорционально первичному сигналу s(t) не амплитуду, а частоту несущего колебания:

где – коэффициент пропорциональности; величина – называется девиацией частоты (фактически это максимальное отклонение частоты модулированного сигнала от частоты несущего колебания).

Такой вид модуляции называется частотной модуляцией. На рис. 6.5 показано изменение частоты несущего колебания при частотной модуляции.

При изменении фазы несущего колебания получим фазовую модуляцию

где – коэффициент пропорциональности; – индекс фазовой модуляции.

Между частотной и фазовой модуляцией существует тесная связь. Представим несущее колебание в виде

где j – начальная фаза колебания, а Y(t) – его полная фаза. Между фазой Y(t) и частотой w существует связь:

. (6.6)

Подставим в (6.6) выражение (6.3) для w(t) при частотной модуляции:

Величина называется индексом частотной модуляции.

Частотно-модулированное колебание запишется в виде:

Фазо-модулированное колебание с учетом (6.4) для j(t) следующее:

Из сравнения (6.7) и (6.8) следует, что по внешнему виду сигнала v(t) трудно различить, какая модуляция применена – частотная или фазовая. Часто оба эти вида модуляции называют угловой модуляцией, а МЧМ и МФМ – индексами угловой модуляции.

Несущее колебание, подвергнутое угловой модуляции (6.7) или (6.8), можно представить в виде суммы гармонических колебаний:

Здесь М – индекс угловой модуляции, принимающий значение МЧМ при ЧМ и МФМ при ФМ. Амплитуды гармоник в этом выражении определяются некоторыми коэффициентами, значения которых при различных аргументах приводятся в специальных справочных таблицах. Чем больше М, тем шире спектр модулированного колебания.

Таким образом, спектр модулированной несущей при угловой модуляции даже при гармоническом первичном сигнале s(t) состоит из бесконечного числа дискретных составляющих, образующих нижнюю и верхнюю боковые полосы спектра, симметричные относительно несущей частоты и имеющие одинаковые амплитуды (рис. 6.6).

В случае, если первичный сигнал s(t) имеет форму, отличную от синусоидальной, и занимает полосу частот от до , то спектр модулированного колебания при угловой модуляции будет иметь еще более сложный вид.

Иногда отдельно рассматривают модуляцию гармонического несущего колебания по амплитуде, частоте или фазе дискретными первичными сигналами s(t), например телеграфными или передачи данных. На рис. 6.7 показан дискретный первичный сигнал (а), несущее колебание, модулированное по амплитуде (б), частоте (в) и фазе (г).

Модуляцию гармонического несущего колебания первичным сигналом s(t) называют непрерывной, так как в качестве переносчика выбран непрерывный периодический сигнал .

Сравнение различных видов непрерывной модуляции позволяет выявить их особенности. При амплитудной модуляции ширина спектра модулированного сигнала, как правило, значительно меньше, чем при угловой модуляции (частотной и фазовой). Таким образом, налицо экономия частотного спектра: для амплитудно-модулированных сигналов можно отводить при передаче более узкую полосу частот. Как будет показано дальше, это особенно важно при построении многоканальных систем передачи.

Импульсная модуляция

Часто в качестве переносчика используют периодическую последовательность сравнительно узких импульсов. Последовательность прямоугольных импульсов одного знака характеризуется параметрами (рис. 6.8): амплитудой импульсов V; длительностью (шириной) импульсов ; частотой следования (или тактовой частотой) , где Т – период следования импульсов (); положением (фазой) импульсов относительно тактовых (отсчетных) точек. Отношение называется скважностью импульса.

По закону передаваемого первичного сигнала можно изменять (модулировать) любой из перечисленных параметров импульсной последовательности. При этом модуляция называется импульсной.

В зависимости от того, какой параметр модулируется первичным сигналом s(t), различают: амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), когда по закону передаваемого сигнала (рис. 6.8, а) изменяется амплитуда импульсов (см. рис. 6.8, б); широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), когда изменяется ширина импульсов (рис. 6.8, в); частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ) – изменяется частота следования импульсов (см. рис. 6.8, г); фазо-импульсную модуляцию (ФИМ) – изменяется фаза импульсов, т.е. временнóе положение относительно тактовых точек (см. рис. 6.8, д).

Модуляцию ФИМ и ЧИМ объединяют во временно-импульсную (ВИМ). Между ними существует связь, аналогичная связи между фазовой и частотной модуляцией синусоидального колебания.

Рис. 6.10. Спектр АИМ-сигнала

В качестве примера на рис. 6.10 показан спектр АИМ сигнала при модуляции импульсной последовательности сложным первичным сигналом s(t) с полосой частот от 0 до W. Он содержит спектр исходного сигнала s(t), все гармоники тактовой частоты (т.е. частоты и т.д.) и боковые полосы частот около гармоник тактовой частоты.

Спектры сигналов ШИМ, ЧИМ и ФИМ имеют еще более сложный вид.

Импульсные последовательности, изображенные на рис. 6.8, называются последовательностями видеоимпульсов. Если позволяет среда распространения, то видеоимпульсы передаются без дополнительных преобразований (например, по кабелю). Однако по радиолиниям передать видеоимпульсы невозможно. Тогда сигнал подвергают второй ступени преобразования (модуляции).

Модулируя с помощью видеоимпульсов гармоничное несущее колебание достаточно высокой частоты, получают радиоимпульсы, которые способны распространятся в эфире. Полученные в результате сочетания первой и второй ступеней модуляции сигналы могут иметь названия АИМ–АМ, ФИМ–АМ, ФИМ–ЧМ и др.

Сравнение импульсных видов модуляции показывает, что АИМ имеет меньшую ширину спектра по сравнению с ШИМ и ФИМ. Однако последние более устойчивы к воздействию помех. Для обоснования выбора метода модуляции в системе передачи необходимо сравнить эти методы по различным критериям: энергетическим затратам на передачу сигнала, помехоустойчивости (способности модулированных сигналов противостоять вредному воздействию помех), сложности оборудования и др.

Контрольные вопросы

1. Какова структура устройства передачи сообщений?

2. В чем состоит принцип амплитудной (частотной, фазовой) модуляции?

3. Чем отличается непрерывная модуляция от импульсной?

4. Как осуществляется восстановление исходного сигнала из модулированного?

Список литературы

1. Системы электросвязи: Учебник для вузов; Под ред. В.П.Шувалова. – М.: Радио и связь, 1987. – 512 с.

2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2000. – 462 с.

Кроме простых видов цифровой модуляции существуют более сложные виды, предназначенные для максимизации эффективности по каким-либо параметрам. Большинство современных телекоммуникационных систем использует именно эффективные модуляции.

Основные два направления, по которым идет усовершенствование видов цифровой модуляции – это эффективность по мощности и спектральная эффективность.

Квадратурная модуляция. Описывая цифровую модуляцию, сигнальные векторы часто представляют через квадратурную и синфазную составляющую («Q » и «I » – рис. 2.10).

Это связано с тем, что модуляция и демодуляция сигналов в цифровой связи чаще всего осуществляются на квадратурных модуляторах и демодуляторах, поскольку их реализация значительно проще, чем непосредственное управление фазой и амплитудой сигнала, особенно когда требуется одновременная АМ и ФМ.

Простейший способ повышения спектральной эффективности состоит в увеличении длительности прямоугольной битовой посылки с сохранением прежней скорости передачи в числе бит на единицу времени. На этом принципе основана квадратурная фазовая манипуляция (quadrature phase shift keying – QPSK ).

На рис. 2.11, а представлен исходный поток данных d k (t ) = d 0 , d 1 , d 2 , …, состоящий из биполярных импульсов, т. е. d k принимают значения +1 или –1, представляющие двоичную единицу и двоичный нуль.

Этот поток импульсов разделяется на синфазный поток d I (t ) = d 0 , d 2 , d 4 , … и квадратурный d Q (t ) = d 1 , d 3 , d 5 , …, как показано на рис. 2.11, б . Скорости потоков d I (t ) и d Q (t ) равны половине скорости передачи потока d k (t ). Удобную ортогональную реализацию сигнала QPSK, S (t ), можно получить, используя амплитудную модуляцию синфазного и квадратурного потоков на синусной и косинусной функциях от несущей:

С помощью тригонометрических тождеств это уравнение можно представить в следующем виде:

Модулятор QPSK, показанный на рис. 2.11, использует сумму синусоидального и косинусоидального слагаемых.

Поток импульсов d I (t ) используется для амплитудной модуляции (с амплитудой +1 или –1) косинусоиды. Это равноценно сдвигу фазы косинусоиды на 0 или π; следовательно, в результате получается сигнал BPSK. Аналогично, поток импульсов d Q (t ) модулирует синусоиду, что дает сигнал BPSK, ортогональный предыдущему. При суммировании этих двух ортогональных компонентов несущей получается сигнал QPSK. Величина θ(t ) будет соответствовать одному из четырех возможных сочетаний d I (t ) и d Q (t ): θ(t ) = 0, ±90, 180º; результирующие векторы сигналов показаны в сигнальном пространстве на рис. 2.12. Так как cos(2πf 0 + π/4) и sin(2πf 0 + π/4) ортогональны, два сигнала BPSK можно обнаруживать раздельно.

Таким образом, QPSK в два раза экономнее BPSK в отношении использования частотного ресурса, поскольку имеет спектр той же формы, но суженный вдвое за счет двукратного растяжения посылки. И этот выигрыш достигнут без ухудшения помехоустойчивости приема (евклидово расстояние между соседними векторами останется прежним, так как при неизменной мощности энергия посылки удвоится за счет удвоения ее длительности).

Однако базовый вариант квадратурной манипуляции оказывается не совсем благоприятным с точки зрения энергопотребления. Поскольку при передаче возможны скачки фазы на 180º, требования к линейному диапазону усилителя оказываются чрезмерными. Чтобы использовать максимально благоприятный с точки зрения энергопотребления усилителя передатчика режим класса C, необходимо иметь несущую с постоянной огибающей.

Существуют разновидности квадратурной манипуляции, призванные уменьшить скачки фазы. В случае использования квадратурной манипуляции со сдвигом (OQPSK – Offset QPSK ), потоки d I (t ) и d Q (t ) передаются со сдвигом на T , как показано на рис. 2.13.

Поэтому одновременное изменение знака в обоих потоках становится невозможным, а значит, исключаются скачки фазы на 180º, и фаза может измениться только на 90º.

Другой вариант приближения к модуляции с постоянной огибающей получил название π/4-QPSK. Здесь, вместо сдвига посылок введен поворот на угол π/4 алфавита значений фаз при переходе от четных посылок к нечетным. Благодаря такому смещению, при i = 2k φ i принимает значения из множества 0, π, ±π/2, а при i = 2k + 1 – из множества ±π/4, ±3π/4 (рис. 2.14).

Такой вид модуляции позволяет избежать большого усложнения демодулятора, хотя не столь эффективен в смягчении требования к динамическому диапазону, как OQPSK.

QAM. Квадратурную амплитудную модуляцию (QAM – Quadrature Amplitude Mdulation ) можно считать логическим продолжением QPSK, поскольку сигнал QAM также состоит из двух независимых несущих (амплитудно-модулированных). Передачу сигналов, модулированных QAM, можно также рассматривать как комбинацию амплитудной и фазовой манипуляций (ASK и PSK). За счет неодинаковой длины сигнальных векторов достигается оптимизация их созвездия, максимизирующая минимальное расстояние между сигнальными векторами. Подобные форматы модуляции с самым различным числом сигнальных векторов и их конфигурации в созвездии (рис. 2.15) широко используются во многих телекоммуникационных системах.

MSK. Можно дополнительно усилить формат QPSK, устранив разрывные переходы фазы. Одной из схем, реализующей модуляцию без разрыва фазы, является манипуляция с минимальным сдвигом (minimum shift keying – MSK ). Ее можно рассматривать как частный случай частотной манипуляции без разрыва фазы (CPFSK) или как частный случай QPSK с синусоидальным взвешиванием символов. В первом случае сигнал MSK можно представить следующим образом:

Здесь f 0 несущая частота, d k = ±1 представляет биполярные данные, а d k – фазовая постоянная для k -го интервала передачи двоичных данных. При d k = 1 передаваемая частота – это f 0 + 1/4T , а при d k = –1 – это f 0 – 1/4T . Следовательно, разнесение тонов в MSK составляет половину от используемого при ортогональной FSK, откуда и название – манипуляция с минимальным сдвигом.

Рассматриваемый вид модуляции сводится, по существу, к бинарной частотной манипуляции. При этом переключение частоты происходит без скачков фазы, передача очередного символа начинается с той фазы, которая «набежала» в течении передачи предыдущего символа. Этот принцип можно иллюстрировать деревом траекторий фазы (рис. 2.16, а ). В течение каждого отрезка времени фаза линейно растет или убывает в соответствии с текущим приращением частоты, и любая из возможных траекторий фазы оказывается непрерывной функцией (рис. 2.16, б ). Такая модуляция обеспечивает постоянную огибающую и, как результат, оптимальность режима усилителя мощности передатчика.

В квадратурном представлении сигнал можно записать так:

Таким образом, посылкой становится импульс с огибающей в виде полуволны косинуса. За счет его сглаженной формы происходит существенное сужение спектра по сравнению с QPSK.

GMSK. При передаче по радиоканалу часто бывает желательна более узкая полоса спектра сигнала, чем при MSK, где имеются достаточно большие по величине боковые лепестки, выходящие за границу 1/T b . Чтобы добиться дальнейшего сужения спектра, перед модуляцией осуществляют низкочастотную фильтрацию. Если используется фильтр с гауссовской формой АЧХ, то такой вариант модуляции называют GMSK (Gaussian MSK ). Для характеристики полосы пропускания низкочастотного фильтра вводится величина:

где f –3 дБ – частота среза по уровню –3 дБ; R – скорость передачи битов. На рис. 3.17, а приведены импульсные характеристики гауссовского фильтра при BT = 0.3 и BT = 0.5. На рис. 2.17, б можно видеть выигрыш в частотной полосе при использовании GMSK с этими значениями относительно MSK.

Рис. 2.17

Однако, как можно видеть из рис. 2.17, а , при увеличении значения BT длина символа растягивается, что чревато повышенной межсимвольной интерференцией. То есть выигрыш в компактности спектра достигается за счет снижения достоверности передачи информации. В стандарте GSM за оптимальное значение принято BT = 0.3.

Модуляцию GMSK можно рассматривать как дальнейшее усовершенствование принципа достижения непрерывности фазы. При этом устраняются не только разрывы самой фазы, но и ее производных. На рис. 2.18 показано дерево траекторий фазы при модуляции GMSK, иллюстрирующее этот принцип.

Как показывает приведенный обзор, применяемые методы цифровой модуляции отличаются заметным разнообразием. Поэтому при проектировании телекоммуникационных систем существует много путей достижения оптимальных показателей. В заключение можно привести краткое сравнение некоторых видов цифровой модуляции между собой.

На рис. 2.19 представлен график, где по оси ординат отложена удельная спектральная эффективность (бит/с/Гц), а по оси абсцисс – энергетическая эффективность (отношение энергии, приходящейся на бит сообщения к спектральной плотности шума, необходимое для достижения вероятности ошибки 10 –5).

Различные виды модуляции отмечены на этом графике точкой, характеризующей соотношение между спектральной и энергетической эффективностями этого вида. Из графика хорошо виден компромиссный характер выбора вида цифровой модуляции относительно этих двух параметров.

В табл. 2.1 приведены примеры использования некоторых видов цифровой модуляции в коммерческих телекоммуникационных системах различного назначения.

Таблица 2.1

Выбор вида модуляции зависит от особенностей применения, развертывания систем, необходимой скорости передачи, требуемой достоверности передачи.

ЛикБез > Радиосвязь

Первый опыт передачи речи и музыки по радио методом амплитудной модуляции произвёл в 1906 году американский инженер Р. Фессенден. Несущая частота 50 кГц радиопередатчика вырабатывалась машинным генератором (альтернатором), для её модуляции между генератором и антенной включался угольный микрофон, изменяющий затухание сигнала в цепи. С 1920 года вместо альтернаторов стали использоваться генераторы на электронных лампах. Во второй половине 1930-х годов, по мере освоения ультракоротких волн, амплитудная модуляция постепенно начала вытесняться из радиовещания и радиосвязи на УКВ частотной модуляцией. С середины XX века в служебной и любительской радиосвязи на всех частотах внедряется модуляция с одной боковой полосой (ОБП), которая имеет ряд важных преимуществ перед АМ.

Поднимался вопрос о переводе на ОБП и радиовещания, однако это потребовало бы замены всех радиовещательных приёмников на более сложные и дорогие, поэтому не было осуществлено. В конце XX века начался переход к цифровому радиовещанию с использованием сигналов с амплитудной манипуляциейМодуляция (от латинского modulation-мерность, размеренность) изменение во времени по заданному закону параметров, характеризующих какой либо стационарный физический процесс. Изменяемый в процессе модуляции параметр колебаний (амплитуда, частота, фаза) определяет название модуляции. Соответственно амплитудная, частотная, фазовая. Возможна и смешанная модуляция, например амплитудно-фазовая. Модулированный сигнал представляет собой результат наложения колебаний модулирующего сигнала на колебания несущей частоты.

Во многих случаях модулирующий сигнал имеет форму импульса, а результирующий пачки импульсов высокой частоты. В многоканальных системах связи в качестве переносчика информации используют последовательность радиоимпульсов. Такая последовательность определяется четырьмя параметрами амплитудой, частотой, длительностью (шириной) и фазой. Соответственно возможны несколько вариантов импульсной модуляции. А именно: амплитудно-импульсная, фазово-импульсная, частотно-импульсная, широтно-импульсная, кодово-импульсная модуляции. Импульсные виды модуляции отличаются повышенной помехоустойчивостью по сравнению с модуляцией непрерывного гармонического сигнала.

По дальности действия АМ модуляция проигрывает ЧМ, как видно из рисунка амплитуда сигнала в некоторые моменты времени при АМ меньше чем при ЧМ, отсюда и меньшая дальность действия. Для передачи несущей частоты обычного радиосигнала с АМ используется часть мощности передающей аппаратуры (около 50 %). Выходом позволяющим повысить дальность связи на АМ является переход на модуляцию с одной боковой полосой который дает возможность использовать всю мощность передающей аппаратуры для передачи только полезного сигнала. Существуют и другие виды модуляций, но они менее распространены или имеют прикладное значение.

Модуляция сигнала - процесс изменения одного сигнала в соответствии с формой другого сигнала.
Модуляция осуществляется для передачи данных с помощью электромагнитного излучения. Обычно, модификации подвергается синусоидальный сигнал (несущая). Различают:
- амплитудную модуляцию;
- частотную модуляция;

Модуляция - это процесс, при котором высокочастотная волна используется для переноса низкочастотной волны.

Амплитудная модуляция
В системах с амплитудной модуляцией (АМ) модулирующая волна изменяет амплитуду высокочастотной несущей волны. Анализ частот на выходе показывает присутствие не только входных частот Fc и Fm, но также их сумму и разность: Fc + Fm и Fc - Fm. Если модулирующая волна является комплексной, как например сигнал речи, который состоит из множества частот, то суммы и разности различных частот займут две полосы, одна ниже, другая выше несущей частоты. Их называют верхней и нижней боковыми. Верхняя полоса является копией изначального разговорного сигнала, только сдвинутого на частоту Fc. Нижняя полоса это инвертированная копия изначального сигнала, т.е. верхние частоты в оригинале являются нижними частотами в нижней боковой. Нижняя боковая это зеркальное отображение верхней боковой по отношению к частоте несущей Fc. Система с АМ, которая передает обе боковых и несущую, известна, как двухполосная система (DSB - double sidebaud). Несущая не несет никакой полезной информации и может быть убрана, но с несущей или без, полоса сигнала DSB вдвое больше полосы изначального сигнала. Для сужения полосы возможно вытеснение не только несущей, но и одной из боковых, так как они несут одну информацию. Этот вид работы известен, как однополосная модуляция с подавленной несущей (SSB-SC - Single SideBand Suppressed Carrier).
Демодуляция сигнала АМ достигается путем смешивания модулированного сигнала с несущей той же самой частоты, что и на модуляторе. Изначальный сигнал затем получают, как отдельную частоту (или полосу частот) и его можно отфильтровать от других сигналов. При использовании SSB-SC несущая для демодуляции генерируется на месте и она может не совпадать каким либо образом с частотой несущей на модуляторе. Небольшая разница между двумя частотами является причиной несовпадения частот, что присуще телефонным цепям.

Амплитудная модуляция с использованием цифровых сигналов
Специальным случаем амплитудной модуляции является случай, когда нижний из двух уровней амплитуд доведен до нуля, тогда процесс модуляции состоит во включении и выключении несущей. Однако скачки в передаваемой энергии делают эту технику, не подходящей для передачи данных по сетям связи.

Виды модуляции: FМ, АМ, SSB
Что разрешено, как вид модуляции влияет на дальность связи.
Особенности работы с SSB.
В России в Си-Би диапазоне разрешается использовать частотную (FM), амплитудную (АМ) и однополосную (SSB) модуляцию. Какую модуляцию лучше выбирать для связи?

Прежде всего, ваша модуляция должна совпадать с модуляцией вашего корреспондента. Подавляющее большинство российских пользователей Си-Би диапазона используют FМ. Она обеспечивает наиболее качественное звучание, если сигнал корреспондента достаточно силен. Использование FM позволяет подавить большинство видов помех, которые носят амплитудный характер. Недостатком FМ является высокий уровень шумов детектора при отсутствии сигнала, что требует точной установки порога подавителя шумов.

АМ используется для связи на средних и больших расстояниях, когда сигнал корреспондента слишком слаб для реализации преимуществ FM. Максимальная дальность связи при использовании АМ и FM практически одинакова.

Радиосвязь с использованием одной боковой полосы имеет настолько большие преимущества перед АМ и FM, что в профессиональной и любительской радиосвязи она полностью вытеснила их. В радиолюбительских диапазонах SSB появилась в пятидесятых годах. В 195б г. в мире было всего несколько десятков любительских SSB радиостанций, в 19б1 г. их число уже превышало 20 тысяч. Первым советским коротковолновиком, заработавшим на SSB, был Георгий Румянцев (UA1DZ), много сделал для популяризации работы на SSB один из старейших российских радиолюбителей Л. Лабутин (UA3CR), начавший работать на SSB в 1958 г.

В Си-Би диапазон SSB модуляция пришла значительно позже: за рубежом - в 90-х годах, в России – только в самые последние годы.

Главной причиной малого использования SSB в Си-Би диапазоне является более высокая цена SSB трансиверов, превышающая цены AM/FM станций в 3-5 раз, второй причиной – особенности работы на SSB, требующие более высокой квалификации оператора.

При приеме станции с SSB модуляцией вам необходимо ручкой точной подстройки частоты добиться наилучшей разборчивости и натуральности голоса корреспондента. Именно это препятствовало широкому применению SSB в автомобильных радиостанциях, на ручную подстройку которых водитель не должен отвлекаться при вождении. Однако в последнее время на рынке появились вполне приличные SSB автомобильные станции, но цене только в 1,5-2 раза дороже АМ, FМ станций, обладающие стабильностью частоты, вполне достаточной для работы на SSB при движении автомобиля.

Необходимо иметь в виду, что даже при точной настройке звучание голоса корреспондента при работе на SSB все равно остается ненатуральным, со специфическим "синтезированным" тембром, что впрочем никак не мешает приему информации.

Главным преимуществом SSB по сравнению с АМ и FM является выигрыш в мощности полезного излучаемого сигнала, составляющий 9 дБ, или в 8 раз. Согласно правилам, принятым в России, мощность несущей Си-Би радиостанции при АМ и FM видах модуляции и пиковая мощность при SSB модуляции не должны превышать 10 Вт. Откуда же берется выигрыш?

При SSB модуляции несущая и одна из боковых полос не излучается, что позволяет всю разрешенную мощность излучать в виде одной боковой полосы. Мощность, несущая полезную речевую информацию, при АМ и FM составляет в лучшем случае 1,25 Вт, а при SSB – все 10 Вт. Таким образом, при приеме SSB сигнала передатчика с пиковой мощностью 10 Вт слышимость будет такой же, как при приеме АМ передатчика с мощностью 80 Вт!

Однако преимущества SSB не ограничиваются только этим. АМ и FM станции излучают мощность несущей постоянно, независимо от того, произносите ли вы перед микрофоном звуки или молчите. SSB станции не излучают никакой мощности в паузах между словами. Кроме экономии энергии и облегчения режима выходного каскада передатчика это дает дополнительные преимущества при работе в перегруженном станциями канале. При использовании АМ или FM модуляций включение более мошной станции полностью "давит" более слабую, делая прием невозможным, при использовании SSB в паузах между словами мощной станции слабая станция продолжает прослушиваться. Удается не только следить за станцией, но и улавливать смысл сообщения. Практически в таких случаях удается договориться о переходе на другую частоту. Если уровень сигналов мешающих станций не сильно превышает уровень принимаемой, а частоты всех станций точно совпадают, вы будете понимать большую часть информации желаемой станции, подобно тому, как вы понимаете собеседника при разговоре в окружении говорящих людей. На практике же всегда частоты мешающих станций отличаются от принимаемой, поэтому вследствие нарушения соотношений между частотными составляющими спектра речь корреспондентов мешающих станций становится неразборчивой и все внимание гораздо легче сосредоточить на разборчивой речи вашего корреспондента. Это справедливо, конечно, только в случае помех от других SSB станций. Если мешающая станция работает с амплитудной или частотной модуляцией, SSB преимуществ не дает.

Именно по этой причине пользователи Си-Би диапазоном, в котором нет разграничения частот для работы с разными видами модуляции, договариваются между собой, в каких каналах можно использовать только SSB. Так пользователи Си-Би в странах Европы договорились о преимущественном использовании диапазона D для работы с SSB, оставив диапазон С для АМ и FM.

Все перечисленные преимущества SSB модуляции позволяют при прочих равных условиях получить дальность связи на 50-75% больше, чем при AM или FM.

До недавнего времени виды принимаемых сигналов определяли, как амплитудную модуляцию (АМ), частотную модуляцию (ЧМ) и фазовую модуляцию (ФМ). Напомню, что мы занимаемся , а для систем наземной подвижной радиосвязи обычно применялась частотная модуляция. Наибольшее распространение получили системы конвенциональной подвижной радиосвязи, работающие в 48, 160 и 450 МГц. Принципиальные и структурные схемы радиоприемников систем связи, работающих с частотной модуляцией, существенно отличаются от схем приема сигналов амплитудной модуляции.

Первые системы подвижной радиосвязи не предусматривали индивидуальный вызов радиоабонентов. Это были диспетчерские системы связи, где диспетчер голосом сообщал всем абонентам с кем он сейчас будет осуществлять радиообмен. Затем появились системы индивидуального вызова, где выбор определенного абонента радиообмена осуществлялся тональным или цифровым вызовом. В это время впервые появляются цифровые виды модуляции. Эти виды модуляции используют уже существующие тракты радиопередачи и радиоприема (так называемый канал тональной частоты, канал ТЧ). В качестве подобного вида модуляции можно назвать особые виды MSK — и FFSK 2400. Для передачи речи применяется обычная частотная модуляция. Подобным же образом организуются первые виды транкинговой связи — SmarTrunk и MPT1327, а также первые виды систем сотовой радиосвязи, такие как NMT-450

Разработка цифровых систем подвижной радиосвязи, как транкинговых, так и сотовых систем связи потребовала более высоких скоростей передачи, а следовательномодуляции непосредственно несущей частоты радиопередатчика. Это привело к разработке специальных видов модуляции, таких как и изменению структурной и принципиальной схемы как тракта передачи, так и тракта приема приемопередатчиков цифровых систем радиосвязи. Разработка еще более эффективных по скорости цифровых видов модуляции привела к созданию сигналов, содержащих амплитудную составляющую, что в свою очередь привело к очередному изменению структурных и принципиальных схем приемопередатчиков, работающихс данными видами модуляции. Классификация основных видов цифовой модуляции приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Классификация цифровых видов модуляции

На данном рисунке отчетливо виден класс цифровых видов модуляции с постоянной огибающей (амплитудой) сигнала. Эти виды цифровой модуляции позволяют работать со схемами приемников, построенным подобно приемникам частотной модуляции (ЧМ). К видам цифровой модуляции с постоянной несущей относятся FFSK, GMSK, GFSK.