Цифровые системы. 
Аналоговые системы модуляции

Цифровые системы. Аналоговые системы модуляции

Модуляция — это процесс изменения каких-либо параметров несущего сигнала под действием информационного потока. Данный термин обычно применяют для аналоговых сигналов. Применительно к цифровым сигналам существует другой термин «манипуляция», однако его часто заменяют все тем же словом «модуляция» подразумевая, что речь идет о цифровых сигналах.

Практически во всех современных системах связи с подвижными объектами используются методы цифровой модуляции и цифровая обработка сигналов при демодуляции. Такие системы принято называть цифровыми системами передачи в отличие от аналоговых систем, в которых реализованы аналоговая модуляция и аналоговая демодуляция. Современные достижения радиоэлектроники обеспечивают возможность реализовать б передатчике и приемнике системы связи достаточно сложные алгоритмы цифровой обработки электрических сигналов. В результате качество передачи практически любых сообщений в цифровых системах оказывается выше, чем качество передачи этих сообщений с помощью аналоговых систем связи. Например, оказалось возможным передавать сообщения в присутствии шума и помех с большей точностью или передавать больше сообщений при прочих равных условиях.

Цифровые системы передачи обладают двумя важнейшими особенностями:

• * любые сообщения представляются в цифровой форме, т. е. в виде последовательностей битов {aj, j = …,-1,0,+1,…}; при любом значении индекса j символ аj принимает значения из алфавита {0, 1};
• * передатчик системы формирует и передает по очереди в канал передачи конечное число сигналов {sm (t)> m = 1, 2,…, М}, различающихся по форме, которые принято называть канальными символами; для длительности канального символа примем обозначение Ткс; один канальный символ «переносит» один бит или большее число битов, подлежащих передаче; если М = 2, то систему передачи называют двоичной; если М > 2, то систему называют М-ичной.

Число используемых канальных символов М и их форма в разных системах различны; они известны в точке приема. Поэтому основная функция приемника, точнее его демодулятора, в цифровой системе передачи состоит в том, чтобы оценить, какой из возможных символов (сигналов) был передан передатчиком на очередном интервале времени длительностью Tкс. До формирования канальных символов подлежащие передаче биты обычно сначала преобразуются в последовательность положительных и отрицательных электрических импульсов длительностью Tс прямоугольной формы1, для которой принимаем обозначение v (t); последовательность полученных таким способом импульсов называют модулирующим сигналом. Преобразование последовательности битов в последовательность электрических импульсов осуществляется по следующему правилу: 0 => bv (t), 1 => -bv (t), где b > 0 -амплитуда импульса. При этом модулирующей сигнал:

В этом равенстве суммирование осуществляется по всем возможным значениям индекса i, а множитель bi может принимать значения +b илиb.

На рисунке представлены примеры реализаций сигналов при цифровой модуляции:

Источник генерирует сообщения, представляющие собой либо непрерывные функции от времени, либо потоки дискретных сигналов. Пример непрерывного во времени со-общения-волновой сигнал, передающий человеческую речь. Чтобы передать такой аналоговый сигнал через цифровую систему связи, его необходимо преобразовать в цифровую форму. Делается это путем его дискретизации и последующим квантованием каждого фрагмента. Для этого аналого-цифровой преобразователь (АЦП)разбивает аналоговый сигнал на отсчеты (выборки)с частотой дискретизации f_s а затем производит замену каждого отсчета на двоичный блок, определяемый амплитудой фрагмента.

В стандартной телефонии эту операцию выполняет кодер, использующий импульс-но-кодовую модуляцию-ИКМ (англ. Pulse-Code Modulation-РСМ).Он производит дискретизацию поступающего с микрофона аналогового сигнала с частотой8кГц и, применяя стандартизованную нелинейную характеристику, сопоставляет каждому фрагменту8-битную последовательность.

При квантовании с заданным шагом часть информации, содержащейся в исходном сигнале, утрачивается. В результате появляется так называемый шум квантования.

Нелинейный квантователь, сопоставляющий фрагментам речевого сигнала двоичные последовательности, определим, как кодер источника.

Благодаря тому, что нелинейность характеристик преобразования учитывает динамические характеристики человеческого уха, для представления каждой определенной выборки достаточно8-ми битного кодового слова. При использовании линейного аналого-цифрового преобразования сравнимое качество достижимо при длине слова в12— 13бит.

Другой пример кодера речевого сигнала-это кодер дифференциальной импульсно-кодовой модуляции-ДИКМ (англ. Differential Pulse-Code Modulation-DPCM).Принцип действия кодера основан на четкой взаимосвязи между соседними отсчетами голосового сигнала, поэтому кодируется только их разность.

Аналоговая модуляция — преобразование непрерывного низкочастотного сигнала x (t) (рис. 2.20,а) в непрерывный высокочастотный сигнал y (t), называемый несущей и обладающий более высокими характеристиками в отношении дальности передачи и затухания. Аналоговая модуляция может быть реализована двумя способами:

• 1) амплитудная модуляция, при которой амплитуда высокочастотного сигнала y (t) изменяется в соответствии с исходной функцией x (t) так, как это показано на рис. 2.20, б: огибающая амплитуды несущей повторяет форму исходной функции x (t);
• 2) частотная модуляция (рис. 2.20, в), при которой в соответствии с исходной функцией x (t) изменяется частота несущей — чем больше значение x (t), тем больше частота несущей y (t).

цифровой модуляция информационный сигнал.

Аналоговая модуляция используется в радиовещании при работе множества радиостанций в одной общей среде передачи (радиоэфире): амплитудная модуляция для работы радиостанций в АМ-диапазоне (Amplitude Modulation) и частотная модуляция для работы радиостанций в FM-диапазоне (Frequence Modulatin).

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования:

• 1) На основе синусоидального несущего сигнала;
• 2) На основе последовательности прямоугольных импульсов.

Первый способ называется аналоговой модуляцией, а второй цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложность аппаратуры необходимой для их реализации. При использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сигнала получается весьма широким. Применение синусоиды приводит к спектру гораздо меньшей ширины при той же скорости передачи информации. Однако для реализации синусоидальной модуляции требуются более дорогая аппаратура. В настоящее время все чаще данные изначально имеющие аналоговую форму, передаются по каналам связи в дискретном виде, что называется дискретной модуляцией. Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот. Типичным представителем, которых является канал тональной частоты, предоставляемый распоряжение пользователей телефонных сетей.