Передача данных сигналами переменного тока. Модуляция

Передача данных сигналами переменного тока. Модуляция.

Оглавление

Для передачи информации по каналам с характеристиками "Полосовой фильтр" используют сигналы переменного тока. Такие каналы образуются в средах передачи, на ширину полосы сигнала не накладываются физические ограничения. К этому классу относятся радиоканалы, использующие электромагнитные волны высоких частот, каналы, образуемые в оптических кабелях. Заметим, что передача битов с использованием модуляции гармонического сигнала используется в аналоговых телефонных каналах.
Во всех этих случаях в качестве несущего сигнала используется гармонический сигнал, частота которого должна совпадать с центральной частотой полосового фильтра, соответствующего используемому каналу. Согласно изложенному выше, чисто гармонический сигнал пройдет через канал без искажений, вызванных фильтрацией, поскольку он имеет спектр нулевой ширины. Однако и информации такой сигнал переносить не может. Для переноса информации необходимо осуществить наложение на него потока битов. Этот процесс называется модуляцией.

Модуляция -: это изменение одного из параметров гармонического сигнала в соответствии с передаваемой информацией.

В гармоническом сигнале таких параметров три - амплитуда, частота, фаза. Соответственно называются и виды модуляции амплитудная, частотная, фазовая. Возможно, изменение одновременно двух параметров, например, амплитуды и частоты и др. Вид модуляции выбирается исходя из соображений устойчивости к помехам определенного типа, имеющих место в выбранном для использования канале, с учетом ширины спектра модулированного сигнала, необходимом для обеспечения требуемой скорости передачи, простоты аппаратной реализации. Перед подачей на модулятор информационные биты кодируются одним из кодов, также как и при передаче данных постоянным током. Это необходимо для обеспечения правильного декодирования сигналов на приемной стороне.

Амплитудная модуляция

Исходное гармоническое колебание (несущая частота) имеет вид:

S_нес(t)=А_нес(ωt + φ)

Для осуществления амплитудной модуляции необходимо производить изменение амплитуды сигнала A_нес в соответствии с передаваемым, т.е. модулирующим сигналом. В нашем случае информация представляется импульсными сигналами, и этот процесс иногда называют манипуляцией, относя понятие модуляции к аналоговым сигналам. Итак, передаваемые биты представляются:

A_нес = +1 при 0< t < t_и и А_нес = -1 при t _и < t < T , где t _и - длительность модуляции

Для получения модулированных колебаний необходимо перемножить амплитуду несущего гармонического сигнала на выражение для модулирующего сигнала, отображающего передаваемые биты.
Наглядно это можно увидеть на следующих рисунках.

Рис.1

Изменение формы несущего колебания приводит к изменению его спектра. Для упрощения математического анализа аппроксимируем модулирующее колебание синусоидой с периодом T=2t_и и амплитудой A_мод.

Несущее колебание:

S_нес(t)=А_нес(ωt + φ)

Тогда модулирующее колебание можно записать в виде:

S_мод(t) = A_модsin (W t + Y),

где А_нес, A_мод - амплитуды сигналов, W,ω - частоты сигналов, Y,φ - начальные фазы сигналов.
Для получения спектра модулированного колебания сложим амплитуду для несущего сигнала с выражением для модулирующего колебания S_мод(t):

S_сиг(t) = (A_m+ A_модsin (W t + Y))*cos(wt + j).

Упрощая выражение, получаем:

(1).

Из полученного выражения следует, что модулированный сигнал состоит из нескольких спектральных составляющих. Одна центральная - w, и боковые составляющие: w - W и w + W, располагающиеся симметрично относительно центральной частоты w. Если центральную частоту полосового фильтра совместить с w и если полоса пропускания полосового фильтра охватывает боковые составляющие спектра модулированного колебания, то сигнал будет передан без искажений. Таким образом, задачей приемного устройства является точная настройка на частоту передаваемого сигнала.
В оптоволоконных кабелях для передачи битов осуществляется простейшая амплитудная модуляция светового пучка, т.е. изменение его интенсивности в соответствии с передаваемой информацией.

Прием на одной боковой полосе частот

При внимательном рассмотрении полученного выражения (1) для спектра модулированного сигнала можно видеть, что частотные составляющие, лежащие слева и справа от несущей частоты совершенно одинаковы как по частоте, так и по амплитуде. Это свидетельствует о том, что информация, которую они переносят, одна и та же. Поэтому, с целью экономии полосы пропускания и увеличения скорости передачи настраивают приемник, либо выбирают несущую частоту так, чтобы отсечь одну группу боковых частот и сохранить небольшую амплитуду несущей и полный спектр второй группы боковых частот. Такой метод приема используется во всех современных радиостанциях, а также в модемах, применяемых для обмена информацией в сетях ЭВМ.

Рис.2

Фазовая модуляция

Имеет широкое применение в современных системах передачи. Имеет более широкий спектр, по сравнению с амплитудной модуляцией, и соответственно высокую помехоустойчивость. Применительно к передаче дискретной информации фазовая модуляция называется манипуляцией. При ее осуществлении фаза передаваемого гармонического колебания изменяется в соответствии со значением передаваемого бита. Например, при передаче бита 1 такт начинается с фазой j = 0, при передаче бита 0 фаза начинается с j = 180 градусов (Рис.3). В реальных системах практически всегда применяется относительная фазовая манипуляция. В этом случае приемник и передатчик согласуют фазу в первом такте посылки, (например, бит 1 передается с фазой j = 0), а далее приемник лишь отслеживает изменение фазы, соотнося каждому изменению соответствующее значение бита.

Рис.3

Предыдущий

Следующий