Выполнил студент
группы 09-ОЗИ-2
Блажеев К.Н.

Введение

«В настоящее время все большая часть информации, передаваемой по разнообразным каналам связи, существует в цифровом виде. Это означает, что передаче подлежит не непрерывный (аналоговый) модулирующий сигнал, а последовательность целых чисел n0, n1, n2, …, которые могут принимать значения из некоторого фиксированного конечного множества. Эти числа, называемые символами (symbol), поступают от источника информации с периодом T, а частота, соответствующая этому периоду, называется символьной скоростью (symbol rate): fT = 1/T. Часто используемым на практике вариантом является двоичная (binary) последовательность символов, когда каждое из чисел ni может принимать одно из двух значений — 0 или 1.
Последовательность передаваемых символов является, очевидно, дискретным сигналом. Поскольку символы принимают значения из конечного множества, этот сигнал фактически является и квантованным, то есть его можно назвать цифровым сигналом. Далее будут рассматриваться вопросы, связанные с преобразованием этого цифрового сигнала в аналоговый модулированный сигнал.
Типичный подход при осуществлении передачи дискретной последовательности символов состоит в следующем. Каждому из возможных значений символа сопоставляется некоторый набор параметров несущего колебания. Эти параметры поддерживаются постоянными в течение интервала T, то есть до прихода следующего символа. Фактически это означает преобразование последовательности чисел {nk} в ступенчатый сигнал sn(t) с использованием кусочно-постоянной интерполяции:

Здесь f — некоторая функция преобразования. Полученный сигнал sn(t) далее используется в качестве модулирующего сигнала обычным способом.
Такой способ модуляции, когда параметры несущего колебания меняются скачкообразно, называется манипуляцией (keying). В зависимости от того, какие именно параметры изменяются, различают амплитудную (АМн),фазовую (ФМн), частотную (ЧМн) и квадратурную (КАМн) манипуляцию.» {1}

Амплитудная манипуляция

«Амплитудная манипуляция (англ. Amplitude-shift keying (ASK)) – это один из самых простых видов модуляции цифровых сигналов. Амплитудная манипуляция подразумевает, что для передачи "0" и "1" применяются разные уровни несущего сигнала по напряжению. Например, передаче "0" будет соответствовать 5В, а "1" - 1В. При этом частота и фаза несущего сигнала остаются постоянными. Для повышения помехоустойчивости часто применяют уровни различной полярности (например, "0": 5В, а "1": -5В). Это наиболее простой из всех видов манипуляции. Устройства для реализации амплитудной манипуляции также просты и недороги. Кроме того, амплитудная манипуляция требует минимальной ширины полосы пропускания канала связи.

Однако аналоговая манипуляция редко используется на практике, т.к. она наименее устойчива к воздействию внешних помех из всех. Так, например небольшая и кратковременная импульсная помеха (наиболее распространенный из всех видов помех) может повлечь целую пачку ошибочно принятых символов. Обычно аналоговая манипуляция применяется в сочетании с другими видами манипуляции и не используется сама по себе.
Амплитудная манипуляция нашла применение в оптических каналах связи, т.к. они гораздо меньше подвержены амплитудным помехам. При этом под амплитудой в оптическом сигнале понимается сила света. Таким образом, наличие или отсутствие светового импульса будет соответствовать двум значениям цифрового потока.» {2}
«Демодуляция АМн-сигнала может выполняться теми же методами, что и в случае квадратурной манипуляции (путем умножения на несущее колебание). Однако наличие всего лишь двух возможных значений начальной фазы несущей, отличающихся друг от друга на 180° , делает возможной реализацию автоматической подстройки начальной фазы с помощью петли ФАПЧ.» {1}

Фазовая манипуляция

«Фазовая манипуляция (англ. Phase-shift keying (PSK)) предполагает изменение фазы несущего сигнала в зависимости от передаваемого символа. Для передачи "0", например, может быть использована начальная фаза 0 градусов, а для "1" - 180 градусов. Этот вид манипуляции более сложен в реализации, но вместе с тем и наиболее помехоустойчив. Одним их основных недостатков фазовой манипуляции является эффект "обратной работы" в фазовом детекторе (устройстве, выделяющем из манипулированного сигнала информационный), когда ошибка в одном символе может привести к ошибочному детектированию всех последующих символов. От этого нежелательного эффекта свободна относительная фазовая манипуляция (ОФМ). Ее принцип заключается в том, что фаза символа определяется не только текущим значением информационного сигнала, но и значением предшествующих символов. Вторым существенным недостатком фазовой манипуляции является необходимость широкой полосы пропускания для передачи фазоманипулированного сигнала. Широкая полоса, необходимая для передачи такого сигнала, обусловлена расширением спектра из-за резких переходов между фазой предыдущего и последующего символа.

На практике часто применяются не обычная ОФМ, а ДОФМ (двойная относительная фазовая манипуляция) или ТОФМ (тройная относительная фазовая манипуляция). Главное их преимущество – это возможность передать в одной посылке сигнала сразу два информационных символа для ДОФМ и три – для ТОФМ. Это достигается за счет использования не двух, а четырех (ДОФМ) или восьми (ТОФМ) начальных фаз. Для ДОФМ, например, могут быть использованы следующий вариант: 0 градусов – передача "00", 90 – "01", 180 – "10", 270 – "11". Аналогично для ТОФМ, только для восьми начальных фаз: 0 градусов, 45, 90, 135 и т.д. Главным тормозящим фактором дальнейшего увеличения информационной емкости одной посылки сигнала является снижение помехозащищенности сигнала. Если фазовое расстояние между соседними символами уменьшается, то ошибка может быть создана меньшей по мощности помехой.
Также существуют и другие варианты фазовой манипуляции, которые привносят те или иные положительные свойства. Таким образом, фазовая манипуляция нашла наибольшее применение в системах связи исключительно за счет низкой доли фазовых помех в общей доле нежелательных внешних воздействий.» {3}
«Демодуляция фазовой манипуляции может выполняться тем же методом, что и в случае квадратурной манипуляции (путем умножения на несущее колебание). Применительно к ФМн данный метод демодуляции часто называется корреляционным.» {1}

Частотная манипуляция

«При частотной манипуляции (ЧМн; английский термин — frequency shift keying, FSK) каждому возможному значению передаваемого символа сопоставляется своя частота. В течение каждого символьного интервала передается гармоническое колебание с частотой, соответствующей текущему символу. При этом возможны различные варианты, различающиеся выбором начальной фазы отдельных синусоидальных посылок.» {1}

«При частотной манипуляции в зависимости от передаваемого символа изменяется частота несущего сигнала. Например, для передачи "0" используется частота 5Гц, а "1" - 10Гц. Этот вид манипуляции также не сложен в реализации и является более помехоустойчивым, чем амплитудная манипуляция. Но, в эфире довольно часто наблюдаются частотно-селективные помехи, вызванные работой промышленного оборудования (генераторы, трансформаторы). Если передаваемый сигнал окажется в полосе действия таких помех, то возможен высокий процент потери информации или даже полное "перекрытие" канала связи.
Частотная манипуляция также как и амплитудная редко применяется на практике. ЧМ используется лишь в хорошо защищенных каналах связи при передаче на небольшие расстояния.» {4}
«Демодуляция ЧМн-сигнала, как правило, осуществляется корреляционным методом. При этом корреляционный прием может быть когерентным или некогерентным. Когерентный метод может использоваться, если известны начальные фазы посылок. Сущность его состоит в вычислении взаимной корреляции между принимаемым сигналом и колебаниями-образцами (опорными сигналами), представляющими собой гармонические колебания с используемыми для манипуляции частотами. Взаимная корреляция сигнала с k-м опорным сигналом для n-го по времени символа рассчитывается следующим образом:

Здесь s(t) — ЧМн-сигнал, w k — частота манипуляции, соответствующая символу, равному k, j 0k — начальная фаза посылки, T — длительность передачи символа. Использованные пределы интегрирования задают обработку n-го (по счету) символа.
После расчета взаимных корреляций zk(n) для всех k они сравниваются друг с другом в поисках максимального значения. Значение k, соответствующее максимальному zk(n), принимается в качестве демодулированного символа.
При цифровой реализации демодуляции ЧМн-сигнала вместо интегрирования используется суммирование дискретных отсчетов подынтегрального выражения.
Если начальные фазы передаваемых посылок неизвестны (на практике так чаще всего и бывает), приходится использовать некогерентный (или квадратурный) корреляционный прием. В этом случае опорными сигналами служат не вещественные гармонические колебания, а комплексные экспоненты, а у результата интегрирования вычисляется модуль:

Из-за игнорирования фазовой информации помехоустойчивость некогерентного метода несколько ниже, чем у когерентного.» {1}
Частотная манипуляция весьма помехоустойчива, поскольку помехи телефонного канала искажают в основном амплитуду, а не частоту сигнала. Однако при частотной манипуляции неэкономно расходуется ресурс полосы частот телефонного канала. Поэтому этот вид модуляции применяется в низкоскоростных протоколах, позволяющих осуществлять связь по каналам с низким отношением сигнал/шум.

Квадратурная манипуляция

«При квадратурной манипуляции (КАМн; английский термин — quadrature amplitude shift keying, QASK) каждому из возможных значений дискретного символа Ck ставится в соответствие пара величин — амплитуды синфазной и квадратурной составляющих либо, что эквивалентно, амплитуда и начальная фаза несущего колебания:

Параметры аналогового колебания, сопоставленные дискретному символу Ck, удобно представлять в виде комплексного числа в алгебраической (ak + jbk) или экспоненциальной (Ak exp(jj k)) форме. Совокупность этих комплексных чисел для всех возможных значений дискретного символа называется сигнальным созвездием(constellation).
При представлении дискретного символа комплексным числом сигнал с квадратурной манипуляцией можно записать следующим образом:

, kT ? t < (k + 1)T.

На практике используются созвездия, содержащие от четырех до нескольких тысяч точек. Ниже показаны некоторые созвездия, используемые модемами, предназначенными для передачи данных по телефонным линиям.

Слева показано 16-точечное созвездие, используемое в протоколе V.32 при передаче данных со скоростью 9600 бит/с. Созвездие в центре имеет 128 точек, оно соответствует протоколу V.32bis и скорости передачи данных 14 400 бит/с. Наконец, созвездие, показанное справа, содержит 640 точек, оно используется модемами, работающими согласно протоколу V.34 при скорости передачи данных 28 800 бит/с.
Демодулируется сигнал с квадратурной манипуляцией так же, как и в случае аналоговой квадратурной модуляции — сигнал умножается на два несущих колебания, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 90° , а результаты умножения пропускаются через ФНЧ. На выходе этих ФНЧ будут получены аналоговые сигналы синфазной и квадратурной составляющих. Далее эти сигналы дискретизируются с частотой, равной символьной скорости. Пары отсчетов синфазной и квадратурной составляющих образуют комплексное число, и ближайшая к этому числу точка используемого созвездия (а точнее — соответствующий этой точке информационный символ) выдается в качестве выходного результата.» {1}
Квадратурная модуляция применяется для передачи сигналов цветности в телевизионном стандарте PAL и NTSC, в стереофоническом радиовещании.

Заключение

АМ, ЧМ, КАМ и ФМ являются базисом и достаточно редко применяются на практике поодиночке. Чаще применяются их модификации или в сочетании друг с другом. В частности в стандарте GSM (Global System for Mobile Communications) на радио интерфейсе применяется модуляция GMSK (Gaussian modulation with Minimum Shift Keying) – гауссовская манипуляция с минимальным фазовым сдвигом. Главное ее преимущество заключается в том, что манипулированный этим методом сигнал занимает гораздо меньшую частотную полосу, чем при обычной фазовой манипуляции. Однако в основу GMSK положена, рассмотренная выше обычная фазовая манипуляция, и это видно даже из названия.
Таким образом, выбор того или иного метода манипуляции обусловлен требованиями по помехозащищенности, пропускной способности канала связи, стоимостью реализации оборудования и т.п. {5}
«У каждого метода модуляции есть свои достоинства и свои недостатки. Сигнал в AM имеет наименьшую из возможных ширину полосы частот, но и наихудшую помехоустойчивость. Сигнал в ЧМ имеет большую полосу, но гораздо более высокую помехоустойчивость. Цифровые методы характеризуются повышенной, по сравнению с аналоговыми методами, помехоустойчивостью и оптимизированы по ширине полосы, которая применительно к ним называется скоростью передачи. В системах кабельного телевидения применяются практически все существующие методы модуляции сигнала. В общественном эфирном телевизионном вещании видеосигнал передается в AM, а сигнал звукового сопровождения передается в ЧМ. В спутниковом вещании используется модуляция QPSK. В кабельной сети применяются методы AM, ЧМ, QAM и QPSK.» {6}

Список литературы

1. Очерк А.Б.Сергиенко "Цифровая модуляция" (электронный ресурс) \\ Консультитационный центр MATLAB компании Softline {сайт} URL: http://matlab.exponenta.ru/communication/book4/index.php (дата обращения 12.05.2011)
2. Амплитудная манипуляция (АМ) (электронный ресурс) \\ Сотовая связь. История, стандарты, технология {сайт} URL: http://celnet.ru/am.php (дата обращения 12.05.2011)
3. Фазовая манипуляция (ФМ) (электронный ресурс) \\ Сотовая связь. История, стандарты, технология {сайт} URL: http://celnet.ru/fm.php (дата обращения 12.05.2011)
4. Частотная манипуляция (ЧМ) (электронный ресурс) \\ Сотовая связь. История, стандарты, технология {сайт} URL: http://celnet.ru/chm.php (дата обращения 12.05.2011)
5. Виды модуляции цифровых сигналов (электронный ресурс) \\ Сотовая связь. История, стандарты, технология {сайт} URL: http://celnet.ru/typemod.php (дата обращения 12.05.2011)
6. Передача информационного сигнала по каналу связи (электронный ресурс) \\ Кабельное телевидение {сайт} URL: http://www.kabelseti.ru/655/peredacha-informatsionnogo-signala-po-kanalu-svyazi (дата обращения 12.05.2011)