Методы аналоговой модуляции

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. Основные способы аналоговой модуляции показаны на рисунке 2.5. На диаграмме (рисунок 2.5, а) показана последовательность бит исходной информации, представленная потенциалами высокого уровня для логической единицы и потенциалом нулевого уровня для логического нуля. Такой способ кодирования называется потенциальным кодом, который часто используется при передаче данных между блоками компьютера.

Аналоговые каналы передачи данных. Типичным и наиболее распространенным типом аналоговых каналов являются телефонные каналы общего пользования (каналы тональной частоты). В каналах тональной частоты полоса пропускания составляет 0,3...3,4 кГц, что соответствует спектру человеческой речи.

Для передачи дискретной информации по каналам тональной частоты необходимы устройства преобразования сигналов, согласующие характеристики дискретных сигналов и аналоговых линий. Кроме того, в случае непосредственной передачи двоичных сигналов по телефонному каналу с полосой пропускания 0,3...3,4 кГц скорость передачи не превысит 3 кбит/с.

Действительно, пусть на передачу одного бита требуются два перепада напряжения, а длительность одного перепада

Т_В = (3...4)/(6,28×F_В)

где F_В - верхняя частота полосы пропускания.

Тогда скорость передачи

В < 1/(2×Т_В).

Согласование параметров сигналов и среды при использовании аналоговых каналов осуществляется с помощью электромагнитных колебаний U некоторой частоты, называемой несущей частотой

U = Um×sin(f×t+ Ψ ),

где Um - амплитуда, f- частота, Ψ - фаза колебаний несущей частоты.

Изменение параметров несущей по закону передаваемого сообщения называется модуляцией. Если это изменение относится к амплитуде Um, то модуляцию называют амплитудной (АМ), если к частоте f - частотной (ЧМ), и если к фазе Ψ - фазовой (ФМ). При приеме сообщения предусматривается обратная процедура извлечения полезного сигнала из переносчика, называемая демодуляцией. Модуляция и демодуляция выполняются в устройстве, называемом модемом.

При амплитудной модуляции (рисунок 2.5,6) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля другой. Таким образом, на входы модулятора поступают сигнал V и несущая частота U. Например, если сигнал есть гармоническое колебание V = V_m×sin(W ×t+ Ψ ) с амплитудой V_m, частотой W и фазой Ψ, то на выходе нелинейного элемента в модуляторе будут модулированные колебания

U_АМ = U_m× (1+m×sin(W ×t+Ψ )×sin(f×t+ Ψ),

где m = V_m/U_m - коэффициент модуляции.

На выходе модулятора в спектре сигнала присутствуют несущая частота v и две боковые частоты f+W и f-W. Если сигнал занимает некоторую полосу частот, то в спектре модулированного колебания появятся две боковые полосы. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции − фазовой модуляцией.

При фазовой модуляции (рисунок 2.5, г) значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0, 90,180 и 270 градусов. Фазовая модуляция (PSK - Phase Shift Keying) двумя уровнями сигнала (1 и 0) осуществляется переключением между двумя несущими, сдвинутыми на полпериода друг относительно друга. Другой вариант PSK изменение фазы на p/2 в каждом такте при передаче нуля и на 3/4×p , если передается единица.

В сравнительно простых модемах применяют частотную модуляцию (FSK - Frequency Shift Keying) со скоростями передачи до 1200 бит/с.

Рисунок 2.5– Различные типы модуляции

Так, если необходима дуплексная связь по двухпроводной линии, то возможно представление 1 и 0 в вызывном модеме частотами 980 и 1180 Гц соответственно, а в ответном модеме - 1650 и 1850 Гц. При этом скорость передачи составляет 300 бод.

Обычно для передачи сигнала об ошибке от приемника к передатчику нужен канал обратной связи. При этом требования к скорости передачи данных по обратному каналу могут быть невысокими. Тогда в полосе частот телефонного канала образуют обратный канал с ЧМ, по которому со скоростью 75 бит/с передают 1 частотой 390 Гц и 0 частотой 450 Гц.

В скоростных модемах часто используются как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.

При частотной модуляции (рисунок 2.5, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой − f_o и f₁. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.