- МОДУЛЯЦИЯ
- Основные сведения и понятия
Из материала темы 2 следует, что передача информации осуществляется сигналами, которые, по существу, являются ее материальным носителем. В ряде случаев сформированные сигналы невозможно передать по выбранной линии связи или по предоставленному каналу связи из-за несогласованности характеристик сигнала с характеристиками линии (и канала) связи. Одним из методов, позволяющих всё-таки передавать без искажения информационные (первичные) сигналы по выбранной линии или заданному каналу связи, является модуляция.
Модуляция это процесс изменения параметров некоторого «переносчика» информации под действием передаваемого первичного либо закодированного сигнала, т.е. сигнала, который несёт (содержит) информацию.
В качестве переносчика могут использоваться гармонические колебания (переменный ток или напряжение переменного тока), импульсные колебания (обычно прямоугольной формы), электромагнитные колебания либо постоянный ток. Таким образом, модуляция есть способ преобразования первичных сигналов в сигналы другой формы с иными характеристиками, позволяющими передавать эти сигналы на значительные расстояния по выбранным линиям (и каналам) связи. Сигнал, являющийся результатом модуляции, называется модулированным, а сигнал, под действием которого изменяется тот или иной параметр переносчика, называют модулирующим. Роль модулирующего сигнала могут выполнять сигналы с выходов датчиков, например с датчиков измерительной информации или закодированные сигналы. Очевидно, что модулированный и модулирующий сигналы должны нести одно то же количество информации, а сам процесс модуляции не должен искажать информацию.
В зависимости от вида переносчика различают виды модуляции. Принято различать непрерывную модуляцию и импульсную модуляцию. При непрерывной модуляции переносчиком служат гармонические колебания (переменный ток, напряжение или электромагнитные колебания) либо постоянный ток. Чаще всего, в цифровых системах передачи информации, переносчиком является переменный ток (напряжение). Постоянный ток как переносчик используется только в системах специального назначения, например в телеметрических. Однако использование постоянного тока в качестве переносчика требует выделенной "физической" линии связи и поэтому применяется сравнительно редко.
При импульсных видах модуляции переносчиком являются периодические последовательности импульсов прямоугольной формы. В зависимости от параметра переносчика, который изменяется под действием модулирующего сигнала, различают следующие виды модуляции.
1 Непрерывные виды модуляции, а) амплитудная (AM); б) частотная (ЧМ) и в) фазовая (ФМ). Соответственно у переменного тока меняется либо амплитуда, либо частота, либо фаза колебаний; остальные же параметры переносчика остаются неизменными.
2. Импульсные виды модуляции: а) амплитудно-импульсная (АИМ); б) широтно-импульсная (ШИМ); в) частотно-импульсная (ЧИМ); г) фазоимпульсная (ФИМ); б) кодоимпульсная или импульсно-кодовая (ИКМ).
Кроме указанных видов, различают простую или «одноступенчатую» модуляцию и сложные виды модуляции («многоступенчатая» модуляция). Сложная модуляция имеет место, когда для передачи первичного сигнала использовано несколько видов простой модуляции. При этом процесс модуляции осуществляется последовательно в несколько "ступеней" - модулированный сигнал первой ступени является модулирующим для второй ступени и т. д. Например, двухступенчатая непрерывная модуляция ЧМ-АМ характеризуется тем, что на первой ступени выполняется частотная, а на второй - амплитудная модуляция переменного тока. На каждой ступени используется «индивидуальный» переносчик в виде гармонических колебаний различных частот, называемых несущими частотами. В цифровых системах передачи информации, как правило, первичными являются двоичные (бинарные) сигналы. В таких случаях модуляцию называют манипуляцией и соответственно говорят об амплитудной (частотной, фазовой) манипуляции переносчика (несущей частоты).
Процесс получения первичного сигнала из модулированных сигналов называют демодуляцией. В общем случае демодуляция - это обратное по отношению к модуляции преобразование.
Обычно модуляция осуществляется на передающей стороне (в передающем устройстве), а демодуляция - на приёмной стороне (в приемном устройстве) системы передачи информации. В системах, способных передавать сигналы в двух направлениях (в «прямом» и «обратном»), процессы модуляции и демодуляции выполняются одним устройством - модемом. Как правило, модем является отдельным конструктивно оформленным устройством либо отдельным субблоком системы. В функции модема также входит усиление передаваемых и принимаемых сигналов, фильтрация по частоте и ряд других преобразований сигналов, позволяющих обеспечить требуемую помехоустойчивость систем передачи информации. Модемы непосредственно «связаны» с линией связи, передают и принимают соответственно сигналы в линию и из линии связи (канала связи).
Заканчивая рассмотрение основных понятий о модуляции, следует обратить внимание на цели её применения.
для согласования характеристик сигналов с характеристиками каналов связи;
для образования параллельно действующих каналов связи как на выделенных, так и на занятых линиях связи;
для повышения помехоустойчивости передачи сигналов и информации.
Согласование характеристик сигналов и каналов обычно заключается в «переносе» низкочастотных сигналов в заданную полосу более высоких частот (согласование по частоте).
Выбором различных фиксированных несущих частот на одной (двухпроводной) линии связи можно организовать несколько одновременно действующих параллельных (частотных) каналов связи и тем самым достичь большей эффективности в передаче информации.
Поскольку помехи в разной степени влияют на различные параметры переносчика, то выбором вида модуляции можно обеспечить требуемую помехоустойчивость сигналов и системы передачи информации в целом.
Импульсно-кодовая модуляция
Выше уже было отмечено, что импульсные виды модуляции можно рассматривать как способ преобразования непрерывных (модулирующих) сигналов в дискретные. При этом преобразование осуществляется дискретизацией непрерывного сигнала во времени. Информативный же параметр импульсного переносчика принимает «множество» значений, но в ограниченном диапазоне. По существу, результатом модуляции является сигнал дискретный во времени, но непрерывный по «состоянию».
Существует другой способ преобразования непрерывных сигналов в дискретные — квантованием по уровню (состоянию). При этом образуется сигнал дискретный по состоянию, но непрерывный во времени. Передаче подлежат только те значения непрерывного сигнала, которые совпадают с уровнями квантования (с квантованными значениями). Интервал значений, через который берутся квантованные значения, называют шагом квантования. Величина шага квантования определяет погрешность, с которой будет выполнено преобразование, и рассчитывается, исходя из заданной точности (погрешности). Обычно шаг квантования выбирают постоянным, однако он может быть и переменным. Импульсная модуляция позволяет квантованный сигнал преобразовать в сигнал, дискретный во времени. Таким образом, получается сигнал дискретный как по уровню, так и по времени.
Если каждому уровню квантования поставить в однозначное соответствие определённую комбинацию простого двоичного безызбыточного кода, то получим сигнал импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). На рис. 4.16 приведены диаграммы, иллюстрирующие процесс ИКМ.
Рис. 4.16. К понятию импульсно-кодовой модуляции
Модулирующий непрерывный сигнал U(t) показал сплошной тонкой линией, а квантованный сигнал Uк(t) - утолщенной линией. Сигнал ИКМ представляет собой последовательность 3-х элементных комбинаций двоичного безызбыточного кода, возникающих в моменты смены значений квантованного сигнала (t0, t1 ...t2). В частном случае на рисунке, отображено разбиение всего диапазона значений сигнала U(t) на четыре интервала с постоянным шагом ∆U (5 уровней квантования). Для формирования элементов кодовых комбинаций использован амплитудный признак и последовательная их передача. Уровню «О» сопоставлена комбинация 000 (все импульсы малой амплитуды), уровню квантования «1» - комбинация 001 и т.д.
Как видно, скорость передачи элементов сигнала ИКМ должна быть согласована со скоростью изменения модулирующего сигнала (его частотным спектром) и не может выбираться произвольно. Из анализа диаграммы ИКМ следует, что моменты начала передачи кодовых комбинаций могут быть произвольными и они определяются характером изменения модулирующего сигнала («узким местом» в передаче отображённой последовательности является интервал времени между моментами t5 и t8).
Обычно процедуры ИКМ реализуются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), разрядность и быстродействие которых предопределяют точность преобразований и скорость передачи. Как правило, темп выдачи кодовых комбинаций в АЦП «поразрядного уравновешивания (взвешивания)» задаётся генератором тактовой частоты. Длительность же цикла преобразований выбирается в соответствии с теоремой В.А. Котельникова. В этом случае выполняется дифференциальное квантование модулирующего сигнала.
Системы с ИКМ получили широкое применение в цифровой телефонной связи. Число элементов кодовых комбинаций выбирается согласно стандартам МККТТ и принимается равным 8 (один байт). Таким образом, число уровней квантования будет равно 28 = 256, что вполне обеспечивает высокое качество телефонной связи.
Рассмотренный пример ИКМ тривиальный. Однако он даёт представление о том, что для передачи сигналов ИКМ требуются комбинации кода фиксированной длины. Причём длина кодовых комбинаций определяется точностью преобразований (так называемое «многобитовое кодирование»).
