12. Понятие и назначение модуляции. Виды модуляции. Временные диаграммы амплитудно-модулированного, частотно-модулированного и фазомодулированного колебаний.

Модуляция – это способ представления дискретного сообщения (данных) для передачи по линии связи, при котором сообщение кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы сину­соидального колебания, называемого переносчиком или несущим колебанием. Частота f_c несущего колебания называется несущей частотой.

Применяется в тех случаях, когда необходимо перенести спектр передаваемого сообщения в заданный диапазон частот. Эта задача встречается:

• при передаче данных по каналам с определенной полосой пропускания, не совпадающей со спектром исходного сигнала (в телекоммуникационных системах, использующих радиолинии);

• при построении многоканальных телекоммуникационных систем с частотным разделением каналов, где сигналы от разных источников размещают в соответствующие частотные диапазоны для исключения взаимного влияния.

Действительно, спектр получаемого при линейном кодировании сигнала начинается в области низких частот и имеет теоретически бесконечную ширину. С этим нетрудно согласиться, если вспомнить спектр прямоугольных импульсов^*), из которых состоит линейный сигнал (рис.10).

^*)Спектр одиночного прямоугольного импульса u(t):

можно определить с помощью преобразования Фурье:

.

Принимая во внимание, что

,

получим

П рактический интерес представляет спектральная плотность амплитуд, которая с учетом может быть представлена в виде:

.

Для графика этой функции характерно, что:

Т.о., график этой функции имеет следующий вид:

Рис.10. Спектр последовательности случайных видеоимпульсов длительностью τ (Δf – практическая ширина спектра)

Если же для передачи данных использовать модуляцию, т.е. сформировать импульсы переменного тока (радиоимпульсы), последовательность которых получается в результате изменения параметров (амплитуды, частоты или фазы) непрерывного переносчика с частотой f_c, то получим сигнал, спектр которого представлен на рис.11. Из сравнения спектров сигналов на рис.10 и рис.11 следует, что модуляция позволяет перенести спектр сигнала в заданный частотный диапазон, расположенный в области частоты несущего колебания fc (рис.11).

Рис.11. Спектр последовательности случайных радиоимпульсов длительностью τ, получаемых путем модуляции несущей с частотой fc

Т.о., с помощью модуляции удается разместить спектр передаваемого сообщения в отведенном для передачи частотном диапазоне.

Виды модуляции

Базовые виды модуляции

Обычно, несущее колебание (переносчик) или просто «несущая»– это синусоида:

, (1)

где A₀- амплитуда, ω₀ = 2πf₀ - угловая частота несущего колебания в радианах в секунду (рад/с), f₀ – частота несущего колебания в герцах (Гц), а φ₀ – его начальная фаза.

В зависимости от того, какой из перечисленных параметров изменяется под действием передаваемого сообщения, различают три основных вида модуляции:

• АМ – амплитудная модуляция (amplitude modulation) или амплитудная манипуляция (ASK – amplitude shift keying),

• ЧМ – частотная модуляция (frequency modulation - FM) или частотная манипуляция (FSK - frequency shift keying ),

• ФМ – фазовая модуляция (phase modulation – PM) или фазовая манипуляция (PSK - phase shift keying).

Эти виды модуляции проиллюстрированы временными диаграммами на рис. 12.

Рис. 12. Видеоимпульсы (a) и радиоимульсы при АМ (б), ЧМ(в), и ФМ (г).

На рис. 12,а показана последовательность бит данных, представленная в NRZ-коде.

При амплитудной модуляции (рис. 12,б) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля — другой. Часто называют амплитудной манипуляцией. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуля­ции — фазовой модуляцией (АФМ – амплитудно-фазовая модуляция).

При частотной модуляции (рис. 12,в) значения 0 и 1 исходных данных пере­даются отрезками синусоиды с различной частотой — f₁ и f₂. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных моде­мах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.

При фазовой модуляции (рис. 12,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.

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуля­ции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой или методы (многопозиционной) модуляции. Эти виды модуляции помимо переноса спектра сообщения в заданный частотный диапазон позволяют увеличить скорость передачи данных.

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор-демодулятор).