Ключевые слова: модуляция, амплитуда, инфокоммуникационное пространство, частота.
Модуляция и кодирование являются операциями, выполняемыми на передатчике для обеспечения передачи эффективной и надежной передачи информации. Эти операции так важны, что они заслуживают дальнейшего рассмотрения здесь. Впоследствии мы посвятим несколько глав методам модуляции и кодирования.
Методы модуляции
Модуляция включает в себя два сигнала: модулирующий сигнал, который представляет сообщение, и несущая волна, которая соответствует конкретному применению. Модулятор систематически изменяет несущую волну в соответствие с изменениями модулирующего сигнала. Результирующая модулированная волна «несет» таким образом информацию сообщения. Как правило, нам необходимо чтобы модуляция являлась обратимой операцией, так что сообщение может быть получено с помощью дополнительного процесса демодуляции.
На рисунке 1 изображен фрагмент модулирующего сигнала (часть а) и соответствующий модулированный сигнал, полученный путем изменения амплитуды синусоидальной несущей волны (часть б). Это давно известная амплитудная модуляция (АМ) использующаяся для радиовещания и для другого применения. На сообщение так же может влиять несущая при помощи частотной модуляции (ЧМ) или фазовой модуляции (ФМ). Все методы для модуляции синусоидального сигнала группируются под заголовком модуляции непрерывного сигнала.
Большинство систем передачи информации на большие расстояния используют модуляцию непрерывного сигнала с несущей частотой намного выше, чем самая высокая частотная составляющая модулирующего сигнала. Спектр модулированного сигнала состоит из диапазона частот компонентов, сгруппированных вокруг несущей частоты. При этих условиях мы говорим, что модуляция непрерывного сигнала производит перевод частоты. В AM вещании, например, спектр сообщений обычно составляет при частоте от 100 Гц до 5 кГц; если несущая частота 600 кГц, спектр модулированной несущей составляет от 595–605 кГц.
Рис. 1. (а) модулирующий сигнал; (b) синусоидальная несущая с амплитудной модуляцией; (с) импульсная характеристика несущей с амплитудной модуляций
Другой метод модуляции, называемый импульсной модуляцией, имеет периодическую последовательность коротких импульсов в качестве несущей волны. На рисунке 1 (c) показана осциллограмма амплитудно-импульсной модуляции (АИМ). Обратите внимание на то, что эта АИМ волна состоит из коротких отсчетов, извлеченных из аналогового сигнала в верхней части фигуры. Отсчет представляет собой важный метод обработки сигналов и, при определенных условиях, можно восстановить всю осциллограмму от отсчетов, взятых с определенным периодом. Но импульсная модуляция сама по себе не обеспечивает частотное преобразование, необходимое для эффективной передачи сигнала. Поэтому некоторые передатчики сочетают импульсную и непрерывную модуляции. Другие методы модуляции, описанные в скором времени, сочетают в себе импульсную модуляцию с кодированием.
Преимущества модуляции и применение
Основная цель модуляции в системе связи является создание модулированного сигнала, подходящего для характеристик канала передачи сигнала. На самом деле есть несколько практических преимуществ и применения модуляции, которые кратко рассматриваются ниже.
Модуляция для эффективной передачи сигнала. Передача сигнала на значительное расстояние всегда включает в себя бегущую электромагнитную волну, с или без направляющей среды.
Эффективность любого конкретного метода зависит от частоты передаваемого сигнала. Используя свойство преобразование частоты непрерывной модуляции, на сообщение может влиять несущая, частота которой была выбрана для передачи сигнала нужным методом. В качестве примера, Антенны Нюкс с эффективным соотношением прямого видения, физические размеры которых являются менее 1/10 длины волны сигнала.
Немодулированная передача звукового сигнала, содержащего компоненты частоты до 100 Гц требует антенны длиной около 300 км. Модулированная передача на 100 МГц, как и в ЧМ вещании, позволяет использование практического размера антенны около одного метра. На частотах ниже 100 МГц, другие режимы распространения имеют лучшую эффективность с разумными размерами антенны. Томази дает компактную обработку распространения радиоволн и антенны. Для справочных целей покажем те части электромагнитного спектра, подходящие для передачи сигнала. Они включает в себя: направленность длины волны, обозначение полосы частот и типичный режим передачи, и режимы распространения средств массовой информации. Кроме того, указываются представительные приложения, уполномоченные Федеральной Комиссией по связи США.
Модуляция для преодоления технических ограничений. Конструкция системы связи может быть ограничена стоимостью и доступностью аппаратных средств, аппаратные средства, производительность которых часто зависит от частоты. Модуляция позволяет разработчику размещать сигнал в некотором диапазоне частот, что позволяет избежать аппаратных ограничений. Особое внимание в этом случае является вопрос о частичной полосе пропускания, которая определяется как абсолютная полоса пропускания, разделенная на центральную частоту. Стоимость аппаратного обеспечения и трудности сведены к минимуму, если частичная пропускная способность поддерживается в пределах 1–10 процентов. Частичная пропускная способность учитывает тот факт, что блоки модуляции находятся в приемниках, а также в передатчиках. Также следует отметить, что сигналы с большой пропускной способностью должны быть модулированы высокочастотными носителями. Так как скорость передачи информации пропорциональна ширине полосы частот, в соответствии с законом Хартли-Шеннона, мы приходим к выводу, что высокая скорость передачи информации требует высокой несущей частоты. Например, СВЧ-система 5 ГГц может вместить в 10000 раз больше информации, в заданном временном интервале, чем радиоканал 500 кГц. Переходя выше в электромагнитный спектр, один оптический лазерный луч имеет диапазон частот, эквивалентный 10 млн телевизионных каналов.
И, наконец, преимущества цифрового кодирования могут быть включены в аналоговую связь с помощью метода преобразования аналого-цифрового преобразователя, такие как импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Сигнал ИКМ генерируется путем выборки аналогового сообщение, оцифровки (квантование) значений выборок, и цифровой выборки кодирующей последовательности. С учетом надежности, универсальности и эффективности цифровой передачи, ИКМ стала важным методом аналоговой связи. Кроме того, в сочетании с высокоскоростными микропроцессорами, ИКМ позволяет заменить цифровую обработку сигналов для аналоговых операций.
Литература:
- J. Mitalo, «The Software Radio Architecture», IEEE Commun. Mag., vol.33, no.5, Feb. 1995, pp. 26–38.
- K C. Zangi and R. D. Koilpillai, «Software Radio issues in cellular Base Station», IEEE JSAC, Vol.1, No.4, pp. 561- 573, April 1999.
