Файл: Основные понятия и определения электросвязи.pdf

73
Раздел 11 Импульсная модуляция
Импульсная модуляция – модуляция несущего колебания в виде периодической последовательности импульсов одинаковой формы (обычно прямоугольных) аналоговым модулирующим сигналом.
Импульсная несущая (рисунок 11.1а) характеризуется четырьмя параметрами: амплитудой
????
????
, длительностью τ, частотой следования
???? = 1/???? и фазой импульсов. Фаза последовательности импульсов - это положение импульсов во времени относительно тактовых (отсчетных) моментов времени
(отсчетные моменты времени (тактовые точки) показаны на графиках рисунка
11.1 точками и обозначены Т
с
, 2Т
с
, 3Т
с
…8Т
с
).
0
T
c
2T
c
3T
c
4T
c
5T
c
6T
c
7T
c
8T
c
t
t
0
t
1
t
2
0
s(t)
U
m
x(t)
t
0
T
c
2T
c
4T
c
5T
c
7T
c
8T
c
t
0
t
1
t
2
t
S
АИМ
(t)
U
m
Um
S
ШИМ
(t)
S
ЧИМ
(t)
S
ФИМ
(t)
t
t
t
0
0
t
2
0
T
c
2T
c
4T
c
5T
c
7T
c
8T
c
t
0
t
1
t
2
T
c
2T
c
4T
c
5T
c
7T
c
8T
c
t
0
t
1
t
2
T
c
2T
c
4T
c
5T
c
7T
c
8T
c
t
0
t
1
Рисунок 11.1 – Виды импульсной модуляции: а - несущая последовательность прямоугольных импульсов; б - модулирующий сигнал; в - амплитудно-импульсно-модулированный сигнал; г - частотно-импульсно- модулированный сигнал; д - широтно-импульсно-модулированный сигнал; е - фазо-импульсно-модулированный сигнал а) б) в) г) д) е)

74
Изменяя параметры импульсной несущей по закону передаваемого сигнала, получают четыре основных вида импульсной модуляции:
- амплитудно-импульсная (АИМ; английский термин – Pulse Amplitude
Modulation, РАМ) - изменяется амплитуда импульсов (рисунок11.1в);
- частотно-импульсная (ЧИМ; английский термин – Pulse Frequency
Modulation, PFM) - изменяется частота следования импульсов (рисунок 11.1г);
- широтно-импульсная или длительно-импульсная (ШИМ или ДИМ; английский термин – Pulse Width Modulation, PWM) - изменяется ширина
(длительность) импульсов (рисунок 11.1д). Различают одностороннюю
(длительность импульсов изменяется по фронту или по срезу) и двухстороннюю ДИМ (длительность импульсов изменяется одновременно по фронту и по срезу);
- фазово-импульсная (ФИМ; английский термин – Pulse Position
Modulation, PPM) - импульсы сдвигаются относительно тактовых точек в соответствие с изменениями модулирующего сигнала (рисунок11.1е).
Спектр при импульсных видах модуляции зависит от спектра модулирующего сигнала, вида и параметров модуляции. При модуляции каждую из гармонических составляющих импульсной несущей можно рассматривать как индивидуальную «несущую», возле которой располагаются верхняя и нижняя боковые полосы частот (рисунок 11.2). Структура боковых полос зависит от вида модуляции.
S(ω)
ω
1
2ω
1
ω
Ω
max
Ω
min
ω
1
+Ω
max
ω
1
-Ω
max
3ω
1
Рисунок 11.2 – Спектральная диаграмма АИМ сигнала
При скважности q>10 боковые полосы частот не дают заметного расширения спектра в сравнении со спектром несущей. Следовательно, для импульсных видов модуляции (кроме ШИМ) ширина спектра не зависит от вида модуляции и ее параметров, модулирующего сигнала, периода следования импульсов:
∆????
АИМ
= ∆????
ЧИМ
= ∆????
ФИМ
=
1
????
, ∆????
ШИМ
=
1
????
????????????
, где τ - длительность импульса несущей;
????
????????????
- минимальная длительность импульса модулированного сигнала.
Передача импульсно-модулированных сигналов по высокочастотным линиям связи невозможна по следующим причинам:
- накопление помех при передаче;

75
- присутствие низкочастотных составляющих в спектре импульсно- модулированных сигналов.
Для исключения явления накопление помех применяются цифровые виды модуляции. Для переноса спектра в область высоких частот производится повторная (двойная) модуляция: модулированными импульсами модулируется гармоническая высокочастотная несущая. При этом можно получить более десяти различных видов двойных модуляций: АИМ-АМ,
ФИМ-АМ, ШИМ-АМ и др. Двойные модуляции различаются сложностью технической реализации, шириной спектра, помехоустойчивостью, и их применение зависит от конкретных технических условий.
Контрольные вопросы:
1. Перечислите параметры цифровой несущей.
2. Дайте характеристику АИМ, ЧИМ, ШИМ, ФИМ.
3. От чего зависит вид спектра сигнала при импульсных видах модуляции?
4. Чем определяется ширина спектра импульсных видов модуляции?

76
Раздел 12 Дискретная модуляция
Дискретная модуляция (манипуляция) - модуляция гармонического несущего колебания дискретным (цифровым) модулирующим сигналом. При этом модулируемые (информационные) параметры переносчика изменяются скачкообразно. Устройство, реализующее процесс манипуляции, называют манипулятором.
Дискретным модулирующим сигналом является первичный сигнал, отображающий символы кодовых комбинаций дискретных сообщений.
Примеры дискретных первичных сигналов: телеграфный, передачи данных, импульсно-кодово-модулированный.
Различают следующие виды манипуляции: а) в зависимости от изменяемых параметров переносчика:
- амплитудную (АМн; английский термин – amplitude shift keying, ASK),
- частотную (ЧМн; английский термин –frequency shift keying, FSK),
- фазовую (ФМн; английский термин –phase shift keying, PSK),
- амплитудно-фазовую (АФМн; английский термин - APK/PSK, или amplitude phase keying, APK).
При АМн каждому возможному значению передаваемого символа ставится в соответствие своя амплитуда гармонического несущего колебания, при ЧМн – частота, при ФМн – фаза, а при АФМн – комбинация амплитуды и начальной фазы; б) в зависимости от используемых кодов:
- многопозиционную или m-арную (по-английски – m-ary),
- двоичную (по-английски – binary).
Многопозиционная манипуляция используется для повышения скорости передачи информации при одной и той же скорости модуляции. m - основание многопозиционного кода - число различных его символов. На практике обычно является ненулевой степенью двойки:
???? = 2
ℓ
, где
ℓ
- число двоичных цифр
(битов), представляющих символы многопозиционного кода. Двоичная манипуляция (
ℓ
= l, m = 2 1
= 2) является частным случаем многопозиционной.
При двоичном коде первичный сигнал принимает два значения, соответствующие кодовым символам 0 и 1:
- (-Um, Um) – двухполярный сигнал;
- (0, Um) – однополярный сигнал.
На рисунке 12.1ав качестве модулирующего сигнала принята последовательность битов 01011.
При двоичной АМн (BASK) символу 1 соответствует отрезок гармонического несущего колебания (посылка), символу 0 – отсутствие колебания (пауза), поэтому часто АМн называют манипуляцией с пассивной паузой (рисунок 12.1б).
При двоичной ЧМн (BFSK) символу 1 соответствует отрезок гармонического колебания с частотой
????
1
= ????
н
+ ∆????
????
, а символу 0 – с частотой
????
0
= ????
н
− ∆????
????
, где
∆????
????
- девиация частоты – изменение частоты при передаче

77 1(0) относительно ее среднего значения
????
н
(рисунок 12.1в). При ЧМн нет пассивной паузы, по этой причине ее называют манипуляцией с активной паузой.
Возможно два случая ЧМн: с разрывом фазы и без разрыва фазы
(continuous-phase FSK – CPFSK).
При ЧМн с разрывом фазы назначение каждому двоичному символу своей частоты является произвольным. Полученный сигнал содержит скачки фазы.
Наличие разрывов фазы приводит к «размытию» спектра сигнала. Это снижает помехоустойчивость приема и создает помехи другим системам связи.
Поэтому при выборе частот следует обеспечить условие плавного (без скачка фазы) перехода от сигнала с частотой
????
1
к сигналу с частотой
????
0
:
????
1
= ???????? и ????
0
= ????????, где
????, ???? - число периодов внутри символьного интервала;
???? - символьная скорость или скорость модуляции, число символов кода, передаваемых за единицу времени (1 с).
Различают абсолютную ФМн и относительную ОФМн (differential PSK –
DPSK). При ФМн информация вкладывается в абсолютное значение фазы сигнала, то есть смещение фазы модулированного сигнала относительно фазы несущего колебания. При ОФМн фазу сигнала отсчитывают от фазы предыдущего элемента сигнала.
При двоичной ФМн (BPSK) передаче «1» соответствует отрезок гармонического колебания, совпадающего по фазе с несущей, а передаче «0» - отличающегося по фазе на 180°,то есть фаза меняется на 180° при каждом переходе от «1» к «0» и наоборот (рисунок 12.1г).
При ОФМн (рисунок 12.1д) символ 0 передается отрезком гармонического колебания с начальной фазой предшествующего элемента сигнала, а символ 1 – таким же отрезком с начальной фазой, отличающейся от начальной фазы предшествующего элемента на 180° (фаза изменяется при передаче символов 1), или наоборот (фаза изменяется при передаче символов
0).
При ОФМн передача начинается с посылки одного не несущего информации элемента, который служит опорным сигналом для сравнения фазы последующего элемента.
Сигнал BPSK можно представить с помощью векторной диаграммы.
При построении векторной диаграммы каждому значению сигнала ставится в соответствие вектор, длина которого - это условная амплитуда сигнала, а угол поворота вектора относительно горизонтальной оси - это фаза сигнала. Вектор сигнала BPSK принимает одно из двух значений: «+1» - при передаче информационного нуля и «

1» - при передаче информационной единицы
(рисунок 12.2а).
Часто при изображении векторной диаграммы фазоманипулированного сигнала показывают лишь положение конца вектора, отмеченное точкой, и называют такую диаграмму сигнальным созвездием (рисунок 12.2б).

78

T
2T
3T
4T
5T
T
2T
3T
5T
u(t)
T
2T
3T
4T
5T
T
2T
3T
4T
5T
2T
4T
5T
t
t
t
t
t
U
m
S
AM
(t)
S
ЧM
(t)
U
m
U
m
U
m
S
ФM
(t)
S
ОФM
(t)
U
mи
T
3T
Рисунок 12.1 – Манипулированные сигналы: а- модулирующий, б - амплитудно-манипулированный, в - частотно-манипулированный, г - фазо-манипулированный, д - с относительной фазовой манипуляцией а) б) в) г) д)

79
Q(t)
I(t)
1
-1
0
1
1
-1
0
1
φ=0
φ=π
Рисунок 12.2 – BPSK: векторная диаграмма (а), сигнальное созвездие (б)
Контрольные вопросы:
1. Дать определение манипуляции.
2. Перечислите существующие виды манипуляции.
3. Каковы особенности двоичной АМн, ЧМн?
4. Укажите различия между абсолютной ФМн и относительной ФМн.
5. Что из себя представляет векторная диаграмма фазоманипулированного сигнала? а) б)

80
Раздел 13 Многопозиционные виды модуляции
В современных системах связи широко используется многопозиционная фазовая манипуляция, позволяющая получать более высокую удельную скорость передачи по сравнению с двоичной фазовой манипуляцией.
Представителем многопозиционной ФМн является квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом, известная еще под названием QPSK (Quadrature Phase
Shift Keying).
Формирование модулируемого цифрового сигнала удобно пояснить на основе квадратурного представления сигналов. Смысл его заключается в представлении гармонического колебания с произвольной фазой линейной комбинацией синусоидального и косинусоидального колебания, что вытекает из тригонометрического равенства: cos ???????? + ???? = cosφ cos ???????? − sinφ sin????????.
Функции cosφ и sinφ для каждого такта передачи сигнала являются постоянными, то есть, играют роль коэффициентов, принимающих значения в соответствии с уровнем сигнала. Функции cos ???????? и sin????????играют роль несущих частот, сдвинутых на 90 0
(находятся в "квадратуре"). При сложении двух амплитудно-модулированных функций получается одна функция с фазовой модуляцией. Косинусоидальные сигналы обычно называют синфазными сигналами или "I-сигналами", синусоидальные - квадратурными сигналами или "Q-сигналами".
Структурная схема квадратурного ФМ-модулятора показана на рисунке
13.1.
При реализации квадратурной фазовой модуляции входной поток бит
(рисунок 13.2а) преобразуется в кодирующую последовательность d k
(рисунок
13.2б) так, что логическому нулю соответствует кодирующий бит «+1», а логической единице - кодирующий бит «–1». d
I
d
Q
генератор несущей cosωt сдвиг фазы
π/2
модулятор
Σ
модулятор входной поток {d
K
}
I-канал
Q-канал
QPSK
Рисунок 13.1 - Реализация квадратурной фазовой модуляции
После этого кодирующий поток подается на вход блока формирователя квадратурных составляющих. В этом блоке сигнал с помощью демультиплексора разбивается на два потока нечетных и четных бит, где каждый бит отображается прямоугольным импульсом длительностью Т. В