Принцип импульсной и цифровой модуляции

При импульсной модуляции в качестве сигнала-переносчика используется периодическая последовательность видеоимпульсов

(15)

Где - амплитуда импульсов, - функция, описывающая одиночный импульс последовательности, T - период повторения импульсов, - длительность одного импульса.

В качестве примера рассмотрим метод амплитудной импульсной модуляции (АИМ), когда амплитуда импульсов изменяется в соответствии с информационным сигналом , так что передаваемый сигнал определяется выражением

(16)

Где m, как и ранее, - коэффициент модуляции. Временная диаграмма сигнала (16) показана на рис. 2.14.

Представим последовательность (15) в форме ряда Фурье

(17)

Где - комплексные амплитуды, учитывающие амплитуды и начальные фазы отдельных гармоник - частота следования видеоимпульсов.

В результате подстановки (17) в (16) и преобразования Фурье получим выражение для спектра АИМ сигнала в форме

(18)

Первая сумма в (18) представляет спектр немодулированной последовательности (17). Вторая сумма показывает, что амплитудная модуляция вызывает появление возле каждой составляющей этого спектра боковых полос, повторяющих спектр узкополосного модулирующего сигнала. Поэтому спектр АИМ сигнала представляет упорядоченный набор спектров обычных АМ колебаний (см. рис. 2.2), в которых роль несущих выполняют гармоники (17) частоты следования видеоимпульсов (15).

Рис. 2.14. Модулирующий сигнал (а) и АИМ сигнал (б)

Спектр АИМ сигнала показан на рис. 2.15 для случая, когда модулирующий сигнал является узкополосным сигналом со средней частотой .

Рассмотрение спектра АИМ сигнала позволяет сделать ряд практически важных выводов. Очевидно, что необходимо выбирать такую частоту повторения импульсов , при которой не происходит наложения спектров соседних боковых полос. Если это условие выполняется, можно выделить составляющие модулированного сигнала с помощью полосовых фильтров и фильтров нижних частот. Практически важной особенностью спектра АИМ сигнала является наличие около частоты u = 0 составляющих модулирующего сигнала (рис. 2.15). Следовательно, демодуляцию АИМ сигнала можно выполнить фильтром нижних частот без дополнительных преобразований. Фильтр должен пропускать частоты от 0 до , где - максимальная частота в спектре модулирующего информационного сигнала.

Цифровые методы модуляции

 

Цифровые виды модуляции используются для передачи кодированных сообщений дискретными методами. Сущность цифровой модуляции заключается в том, что передаваемый непрерывный сигнал дискредитируется во времени, квантуется по уровню и полученные отчеты, следующие в дискретные моменты времени, преобразуются в кодовые комбинации. Полученной последовательностью кодовых видеосигналов модулируется высокочастотный сигнал-переносчик.

Следовательно, цифровые методы модуляции основаны на трех необходимых преобразованиях полезных непрерывных сигналов: дискретизации, квантовании и кодировании.

Достоинствами цифровых методов модуляции являются:

• Слабое влияние неидеальности и нестабильности характеристик аппаратуры на качество передачи информации;

 

• Высокая помехоустойчивость даже при использовании каналов с нестабильными характеристиками и большим уровнем шумов;

 

• Возможность регенерации (восстановления) сигналов в узлах связи сетей, что значительно ослабляет эффект накопления искажений сигналов при передаче информации по линиям большой протяженности;

 

• Универсальная форма представления сигналов для различных сообщений (речь, телевизионное изображение, дискретные данные, команды управления работой устройств связи и т.п.);

 

• Низкая чувствительность к нелинейным искажениям в групповом тракте многоканальных систем;

 

• Относительно простое согласование этих систем с компьютерами и электронными автоматическими телефонными станциями, что играет важную роль для построения сетей связи;

 

• Возможность автоматизации передачи и обработки сигналов с помощью компьютеров.

Основными недостатками систем с цифровыми способами передачи сигналов являются: значительное расширение занимаемой полосы частот каналов, необходимость обеспечения точной синхронизации сигналов и построения аппаратуры для регенерации сигналов на линиях большой протяженности.

В настоящее время наибольшее распространение получили системы с импульсной кодовой модуляцией (ИКМ), в которых значение сигнала в дискретные моменты времени преобразуется в двоичные цифровые коды.

На рис. 2.16 показаны временные диаграммы сигналов в системе с ИКМ. На рис. 2.16, а представлены исходный непрерывный сигнал с ограниченным спектром и дискретизированный сигнал с интервалом дискретизации , где - верхняя частота спектра сигнала. На рис. 2.16, б показана полученная в результате квантования и кодирования последовательность двоичных видеоимпульсов. Из-за искажений сигналов и шумов в канале принятая видеопоследовательность (рис. 2.16, в) отличается от переданной. Выбирается пороговый уровень , его превышение в моменты отсчета (стробирования) значения сигнала означает наличие импульса, а не превышение - отсутствие импульса. С помощью формирующих устройств из принятой видеопоследовательности создается "очищенная" последовательность, которая поступает на декодер. С выхода декодера импульсы, площадь которых равна соответствующим импульсным отсчётам исходного сигнала (рис. 2.16, д), поступают на демодулятор, в простейшем случае на вход фильтра нижних частот, на выходе которого восстанавливается копия исходного непрерывного сигнала рис. 2.16, д.

Для получения регенерированной кодовой последовательности отсчёты принимаемого сигнала берутся в середине каждого тактового интервала

 

Рис. 2.16. Диаграммы сигналов в 4-разрядной системе ИКМ

Длительностью L (рис. 2.16, б и в). Это делается для того, чтобы исключить влияние на работу демодулятора запаздывания и фазовых искажений сигналов в канале связи. В результате регенерируемая последовательность "задержана" на относительно переданной (рис.2.16, б и г). Правильное декодирование сигналов требует также, чтобы были приняты все разряды кодовой комбинации. Из-за этого принятые отсчёты оказываются дополнительно задержанными относительно передаваемых на интервал дискретизации T (рис. 2.16, а и д).

 

Метод пороговой селекции сигналов на фоне помех часто не обеспечивает требуемой помехоустойчивости и достоверности при приеме кодовых сигналов. Значительно более высокую помехоустойчивость обеспечивает применение метода согласованной фильтрации импульсных сигналов.

Проведем сравнительный анализ характеристик методов цифровой амплитудно-импульсной, импульсно-кодовой и фазоимпульсной модуляции при использовании согласованных фильтров.

Рис. 2.15. Модуль спектра АИМ сигнала

Частоте соответствует период . Большие интервалы между импульсами используются для размещения импульсов других каналов, например, при многоканальной передаче с временным разделением каналов. Длительность импульсов определяет полосу пропускания каналов.

Часто АИМ сигнал используется как модулирующий сигнал для создания высокочастотных модулированных колебаний. Вначале формируют АИМ сигнал, затем полученный АИМ видеосигнал используют для модуляции непрерывного высокочастотного переносчика, имеющего частоту много большую, чем . После таких преобразований спектр сигнала переносится на частоту несущего высокочастотного колебания.