Оглавление

     Введение 3

     1. М-ичная фазовая модуляция 5

     2. М-ичная частотная модуляция 9

     3. М-ичная амплитудная модуляция 17

     4. CAP-модуляция 19

     5. DMT-модуляция 23

     5. OFDM-модуляция 26

     Заключение 28

     Список литературы 30 

 

     Введение

     Центральной проблемой при построении любой  системы связи является выбор  и техническая реализация способов введения передаваемой информации в физический переносчик в точке передачи и выделения этой информации в точке приема. Эта наиболее тонкая задача известна как проблема модуляции и демодуляции.

     Практически во всех современных системах связи  используются методы цифровой модуляции  и цифровая обработка сигналов при  демодуляции. Такие системы принято  называть цифровыми системами передачи в отличие от аналоговых систем, в которых реализованы аналоговая модуляция и аналоговая демодуляция.

     Цифровые  системы передачи обладают двумя  важнейшими особенностями:

     – любые сообщения представляются в цифровой форме, т.е. в виде последовательностей  битов;

     – до формирования канальных символов подлежащие передаче биты обычно сначала преобразуются в последовательность положительных и отрицательных электрических импульсов длительностью ТС прямоугольной формы, для которой принимаем обозначение V(t); последовательность полученных таким способом импульсов называют модулирующим сигналом.

     Модуляция – это процесс кодирования информации, получаемой от источника информации, в форму, наиболее удобную для передачи по каналу связи. На практике наибольшее применение нашли М-ичные системы модуля ции. Это связано с максимальной скоростью передачи информации. Известно, что чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в единицу времени передается по линии связи и тем выше пропускная способность линии при фиксированном способе физического кодирования.

 

     

     1. М-ичная фазовая модуляция

     При фазовой модуляции мгновенное значение фазы радиосигнала отклоняется от фазы немодулированного несущего колебания  на величину, зависящую от мгновенного  значения модулирующего сигнала:

                                                                (1)

     Из  этого выражения следует, что  передаваемая информация, содержащаяся в модулирующем сигнале U(t) , закодирована в комплексной огибающей передаваемого сигнала S[t, U(t)]. Понятие комплексной огибающей является очень важным как для теории, так и для техники цифровой связи и будет играть существенную роль е последующем изложении [1].

     При цифровой фазовой модуляции фаза переносчика может отличаться от текущей фазы немодулированного  несущего колебания на конечное число разных значений. В простейшем случае двоичной фазовой манипуляции (ФМ-2) в качестве таких значений обычно выбирают 0° и 180°. В современных системах часто используют большие наборы фазовых углов, чтобы представлять в одном канальном символе сразу несколько битов передаваемых данных. Возможные значения трёхбитового слова можно представить группой из восьми разных фазовых углов (ФМ-8), четырехбитового слова – группой из 16 фазовых углов (ФМ-16).

     Двоичная  фазовая модуляция.

     Простейшей  формой цифровой фазовой модуляции является ФМ-2. Этот способ часто используется в системах с прямым расширением спектров, в которых модулирующий сигнал является псевдослучайной двоичной последовательностью. При ФМ-2 в зависимости от значения модулирующего сигнала отклонение фазы сигнала от фазы модулированного несущего колебания равно либо 0°, либо 180°.

     Для ФМ-2 сигнала выполняются равенства:

       при u(t)=1,

     Комплексная огибающая этого сигнала не изменяется на указанном интервале времени и может принимать следующие два значения:

     

Рис.1 Сигнальное созвездие ФМ-2 сигнала

     На  рис 1 представлены временные диаграммы модулирующего сигнала и радиосигнала. Основная особенность радиосигнала здесь состоит в том, что его текущая фаза имеет разрывы в моменты изменения полярности модулирующего сигнала.

     Эти «скачки» фазы на 180° являются основной причиной того, что спектральная плотность мощности ФМ-2 сигнала в радиоканале оказывается существенно отличной от нуля в недопустимо широкой полосе частот. Поэтому в таком виде ФМ-2 сигналы практически не используются. Для уменьшения занимаемой ими полосы частот они подвергаются фильтрации.

     Трудно  осуществить фильтрацию этих сигналов после модулятора на высокой частоте, поскольку потребовались бы узкополосные высокодобротные фильтры для  каждой частоты несущего колебания. Число таких частот в современных  цифровых системах связи с подвижными объектами может достигать нескольких десятков. Поэтому операция фильтрации практически всегда выполняется  над модулирующим сигналом до модуляции. Соответствующий фильтр является низкочастотным и единственным, хотя обычно и достаточно сложным. Однако современные достижения радиоэлектроники обеспечивают его  реализацию, а большое число частотных  каналов в этом случае можно получить, если использовать несущее колебание  с набором соответствующих частот. Такой фильтр называется фильтром основной полосы. Однако при уменьшении полосы частот, занимаемой радиосигналом, путем фильтрации приходится учитывать возникающую при этом проблему межсимвольной интерференции.

Рис. 2 Временные  диаграммы модулирующего сигнала (а) и 
ФМ-2 радиосигнала (б)

 

     

     2. М-ичная частотная модуляция

     Ранее рассматривался метод модуляции, в  котором фаза несущего колебания  изменялась скачком от одного возможного значения к другому в соответствии с изменением значения модулирующего  сигнала. Отмечалось, что при таких  изменениях фазы возможны значительные изменения амплитуды радиосигнала, которые приводят к заметному  снижению как средней мощности радиосигнала, так и спектральной эффективности системы связи [2].

     Многие  современные системы связи с  подвижными объектами используют методы модуляции, которые обеспечивают формирование радиосигнала с постоянным значением  амплитуды несущего колебания при  меняющихся значениях модулирующего  сигнала. Известно несколько таких  методов модуляции, которые обеспечивают системам связи ряд следующих  положительных свойств:

     – возможность использования усилителей мощности класса С без риска расширения полосы занимаемых частот в радиоканале; известно, что усилители этого класса являются наиболее экономичными с точки зрения потребляемой энергии при прочих равных характеристиках;

       – низкий уровень внеполосных  излучений» достигающий значений  
от -60 до -70 дБ, что позволяет уменьшить защитный частотный интервал между соседними частотными каналами;

     – возможность использования простых  устройств демодуляции, содержащих устройства ограничения уровня принимаемого сигнала, что упрощает проектирование приемных устройств и обеспечивает устойчивый прием в условиях значительных замираний принимаемого сигнала.

     Для методов модуляции с постоянным уровнем несущего колебания, при  всех их достоинствах, все же необходима большая полоса частот в радиоканале  по сравнению с линейными методами модуляции. Поэтому эти методы следует  использовать в тех случаях, когда  энергетическая эффективность системы  связи более важна, чем спектральная.

     Мгновенная  частота любого узкополосного колебания

                                                                                           ₍₂₎

     может быть определена как производная  по времени полной мгновенной фазы:

                                                       ₍₃₎

     Поэтому фазовую модуляцию с непрерывным  гладким изменением фазы можно рассматривать  как частотную модуляцию. В этом случае частота несущего колебания  является параметром, значение которого должно изменяться в зависимости  от значения модулирующего сигнала.

     Двоичная  частотная манипуляция. При двоичной частотной манипуляции частота несущего колебания с постоянной амплитудой может иметь два возможных значения и изменяется скачками в соответствии со значениями модулирующего сигнала. В зависимости от того, каким образом изменения частоты вводятся в передаваемое высокочастотное колебание, получающийся частотно-модулированный сигнал (ЧМ сигнал) будет иметь либо разрывную, либо непрерывно изменяющуюся мгновенную фазу между двумя соседними битами. В общем случае ЧМ сигнал можно представить следующим образом:

                                         ₍₄₎₍₅₎

     где определяет смещение частоты от её номинального значения.

     Очевидный способ формирования ЧМ сигнала состоит  в том, чтобы коммутировать выходные сигналы двух независимых генераторов  двух гармонических колебаний в  соответствии со значениями модулирующего  сигнала (рис. 3).

Рис. 3  Структурная схема частотного манипулятора с разрывом фазы

       В этом случае формируемый  радиосигнал будет иметь разрывную  фазу в момент переключения; такие  сигналы обычно называют ЧМ  сигналами с разрывной фазой, которые можно представить следующими выражениями:

                                    ₍₆₎

                                   ₍₇₎

     Разрывность фазы здесь является нежелательным  свойством радиосигнала, приводящим к расширению спектра в радиоканале. Поэтому такой способ модуляции  не используется в современных системах связи с подвижными объектами.

     Более общий метод формирования ЧМ сигнала  заключается в том, что используется один генератор несущего колебания, мгновенная частота которого изменяется в соответствии с изменениями  модулирующего сигнала. Этот способ модуляции аналогичен методу формирования ЧМ сигнала при аналоговом модулирующем сигнале, однако в этом случае модулирующий сигнал является цифровым и принимает всего два возможных значения. Для такого радиосигнала можно записать

                              (8)

     Важно отметить, что при разрывном модулирующем сигнале u(t) отклонение фазы φ(t) от фазы несущего колебания пропорционально интегралу от u(t) и, следовательно, является непрерывной функцией.

     На  рис. 4 представлена функциональная схема устройства формирования ЧМ сигнала при двоичном модулирующем сигнале. Основным элементом этого модулятора является генератор гармонического несущего колебания, частота которого может управляться напряжением модулирующего сигнала (ГУН – генератор, управляемый напряжением). 
 

     Рис. 4. Функциональная схема устройства формирования ЧМ сигнала с непрерывной фазой

     Поток информационных битов сначала преобразуется  в модулирующий сигнал U(t) – последовательность прямоугольных импульсов положительной и отрицательной полярности, амплитуды которых выбираются такими, чтобы обеспечить требуемое значение индекса частотной модуляции

                                                                                                (9)