Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ТМ1-2013новая_последняя_версия.doc
Скачиваний:
306
Добавлен:
24.02.2016
Размер:
11.36 Mб
Скачать

4 Цифровая модуляция

Как отмечалось выше, центральной проблемой при построении любой системы связи и телемеханики является выбор и техническая реализация способов введения передаваемой информации в физический переносчик в точке передачи и выделения этой информации в точке приема. Эта задача известна как проблема модуляции и демодуляции.

Практически во всех современных системах связи и телемеханики используются методы цифровой модуляции и цифровая обработка сигналов при демодуляции. Такие системы принято называть цифровыми системами передачи информации. Современные достижения радиоэлектроники обеспечивают возможность реализовать в передатчике и приемнике системы связи и телемеханики достаточно сложные алгоритмы цифровой обработки электрических сигналов. В результате качество передачи практически любых сообщений в цифровых системах оказывается выше, чем качество передачи этих сообщений с помощью аналоговых систем связи. Например, оказалосьвозможным передаватьсообщения в присутствии шума и помех с большей точностью или передавать больше сообщений при прочих равных условиях.

Цифровые системы передачи обладают двумя важнейшими особенностями:

– любые сообщения представляются в цифровой форме, т.е. в виде последовательностей битов {0, 1}.

–подлежащие передаче биты длительностью Tбобычно сначала преобразуются в последовательность положительных и отрицательных электрических импульсов длительностьюТспрямоугольной формы (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Временные диаграммы сигналов в устройствах

цифровой системы передачи

В данном примере Tб = TС, но как будет показано далееTбможет отличаться отTС. Последовательность полученных таким способом импульсов называютмодулирующим сигналом. Преобразование последовательности битов в последовательность электрических импульсов осуществляется по следующему правилу: 0b, 1-b, гдеb > 0 – амплитуда импульса.

Как правило, в качестве переносчика информации используется гармоническое колебание основными параметрами которого, доступными для модуляции, являются амплитудаА, частотаf0 и фаза. В зависимости от того, какие именно параметры носителя изменяются, в цифровых системах различают амплитудную (АМП), фазовую (ФМП) и частотную (ЧМП) манипуляции (перемещения между дискретными состояниями).

На практике наибольшее применение получили М-ичные (многопозиционные) системы модуляции.

Многопозиционная модуляция предполагает переход от двоичного алфавита символов {0, 1} дискретного сообщения к М-ичному:

где M

– число различных состояний информационного параметра сигнала;

m

– длина преобразуемых последовательностей двоичных символов.

К примеру, при алфавит включает четыре символа {00, 01, 10, 11}. При(двоичная модуляция) алфавит состоит всего из двух бинарных символов {0, 1}.

Каждый двоичный символ (бит) передается в течение времени , равного его длительности. Скорость передачи, выраженная в битах в секунду, определяется соотношением

. (4.2)

Длительность передачи модулирующего сигнала (M-ичного символа) вычисляется по формуле

. (4.3)

Тогда скорость передачи М-ичных символов (символьная скорость) рассчитывается по формуле

, (4.4)

и измеряется в бодах (скорость манипуляции).

Применение многопозиционной модуляции позволит увеличить скорость передачи информации в линии связи, что подтверждается формулой Найквиста, определяющая зависимость максимальной скорости передачи информации (данных) С[бит/с] от ширины полосы пропусканиябез учёта шума в канале:

(4.5)

Если сигнал имеет два состояния, то пропускная способность равна удвоенному значению ширины полосы пропускания линии связи. Если же передатчик использует более чем два устойчивых состояния сигнала для кодирования данных, то пропускная способность линии повышается, так как за один такт работы передатчик передает несколько бит исходных данных (4.4).

Хотя формула Найквиста явно не учитывает наличие шума, косвенно его влияние отражается в выборе числа состояний информативного параметра сигнала, которое определяется выражением

(4.6)

где Pc

– мощность сигнала;

Pш

– мощность шума.

Для повышения пропускной способности канала хотелось бы увеличить это число до значительной величины, но на практике этого сделать нельзя из-за шума на линии и ограничения энергетической нагрузки на канал. Поэтому число возможных состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума, а формула Найквиста определяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания приемником.

В общем виде модулированный сигнал записывается следующим образом:

, (4.7)

где и

– законы изменения амплитуды и фазы сигнала;

– частота несущего гармонического колебания.

Выражение (4.7) можно представить в следующем виде:

(4.8)

где

, (4.9)

. (4.10)

Согласно выражению (4.8) модулированный радиосигнал можно представить в виде двух гармонических колебаний, модулированных сигналом ии отличающихся начальным фазовым сдвигом, равным 90. В этом выражении составляющаяносит названиесинфазной, а квадратурной.

Из выражений (4.9) и (4.10) получим соотношения для :

(4.11)

Учитывая выражения (4.11), становится возможным графическое представление сигналов цифровой модуляции на комплексной плоскости (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 – Представление сигнальных точек на комплексной плоскости

Точка K соответствует одному из состояний сигнала, а их совокупность, отражающая все состояния, называется сигнальным созвездием. Кроме того, выражения (4.11) показывают, что изменяя амплитуду квадратурнойи синфазнойсоставляющих можно получить АМП и ФМП или их совокупность.

Наряду с сигнальными созвездиями часто используются так называемые диаграммы фазовых переходов, которые представляют собой графические изображения траекторий перемещения сигнальных точек в сигнальном созвездии при переходе от одного передаваемого символа к другому. Рассмотрим более подробно основные виды цифровой модуляции.