Прежде чем рассматривать собственно методы модуляции в системах связи, рассмотрим основные способы представления сигналов электросвязи, принятые для описания методов модуляции.
В технике связи принято использование представления сигналов во временной (см. Рис. 3.1) и частотной областях. Используется стандартное значение частоты f, единица измерения Гц, и так называемая круговая частота w =2p f, единица измерения Рад/с.
Гармонический сигнал вида 
представляется в частотной области единственным значением на оси частот. Любой периодический сигнал с периодом T0может быть представлен рядом Фурье (гармоническим рядом). Частотная составляющая f0=1/T0называется основной гармоникой. Частотные составляющие вида Nf0, N=2,3.. называют высшими гармониками.
Чем больше сигнал отличается от гармонического, тем больше частотных составляющих в его спектральном представлении и тем меньше расстояние (разнос частот) между ними, т.е. шире спектр такого сигнала. Случайные процессы, которыми являются практически все первичные сигналы, имеют непрерывный бесконечный спектр. Однако обычно основная мощность случайного сигнала сосредоточена в определенной полосе частот. Данное свойство реальных сигналов позволяет использовать для их передачи каналы с ограниченной полосой пропускания.
Наряду с временным и частотным представлениями часто используется представление сигнала в виде вращающегося вектора (Рис. 6.1). В данном представлении сигнал может быть разложен (представлен в виде суммы векторов) на синфазную (Re) и квадратурную (Im) составляющие. Длина вектора соответствует амплитуде гармонического сигнала, угол относительно синфазной составляющей - начальной фазе. Тогда на данной так называемой амплитудно-фазовой плоскости сигнал может быть представлен в виде точки, соответствующей концу вектора. Такое представление часто используется для описания видов модуляции в современных модемах.
|
|
Рис. 6.1. Представление сигнала в виде вращающегося вектора
Общий принцип модуляции состоит в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания (переносчика) f(а,b,...,t) в соответствии с передаваемым сообщением. Так, например, если в качестве переносчика выбрано гармоническое колебание , то можно образовать три вида модуляции: амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ).
Если переносчиком является периодическая последовательность импульсов 
, то при заданной форме импульсов f0(t) можно образовать четыре основных вида импульсной модуляции: амплитудно-импульсную (АИМ), широтно-импульсную (ШИМ), время-импульсную (ФИМ) и частотно-импульсную (ЧИМ). Применение радиоимпульсов позволяет получить еще два вида модуляции: по частоте и по фазе высокочастотного заполнения.
Если модулирующий сигнал является дискретным, то такой тип модуляции называют манипуляцией.
Модуляция применяется для преобразования первичных сигналов электросвязи во вторичные и обратно (см. подраздел 3.4). При этом осуществляется передача сигналов по линии или каналу связи с пропускаемой полосой частот с ненулевыми нижней и верхней границами - так называемый канал с эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ).
Спектр первичного сигнала (верхняя и нижняя частоты) обычно не совпадает с полосой пропускания канала (Рис. 6.2), поэтому спектр сигнала нужно перенести в полосу пропускания канала.
|
|
Рис. 6.2. Спектр исходного сигнала и полоса пропускания канала связи/p>
Наиболее просто описывается математически (и реализуется практически) амплитудная модуляция. Рассмотрим АМ на примере, когда роль несущей играет высокочастотное гармоническое колебание 
и модулирующий сигнал также является гармоническим колебанием, но только низкой частоты 
(Рис. 6.3).
;
m £ 1 - коэффициент модуляции. В результате АМ образуются так называемые комбинационные частоты или боковые полосы (в случае, если модулирующий сигнал отличается от гармонического) - верхняя и нижняя.
Рис. 6.3. Временное и частотное представление сигналов при АМ
Разновидностью АМ является балансная модуляция (АМ с подавленной несущей). Несущая частота не переносит информационный сигнал, но на нее приходится значительная доля мощности сигнала АМ. Поэтому в ряде случаев несущую подавляют. Сигнал балансной модуляции формируется перемножением несущей и модулирующего сигнала .
В свою очередь, разновидностью АМ без несущей является однополосная модуляция (ОМ) или амплитудная модуляция с одной боковой полосой (АМ-ОБП). Такой вид модуляции может быть получен с помощью линейного модулятора (Рис. 6.4).
Рис. 6.4. Линейный модулятор
Недостатками АМ и, в частности, линейного модулятора являются:
· В общем случае, необходимость подавления несущей;
· В АМ-сигнале информация дублируется из-за двух боковых полос;
· Сложность выполнения полосового фильтра.
Указанные недостатки, в основном, устраняются при использовании фазоразностной схемы (Рис. 6.5). В схеме фазоразностного модулятора происходит подавление одной из боковых полос, а мощность другой боковой полосы удваивается. Недостатком данной схемы является сложность выполнения фазовращателя (ФВ) для всей полосы частот модулирующего сигнала.
|
|
Рис. 6.5. Фазоразностный балансный модулятор
Рассмотрим процесс демодуляции. Часто процесс демодуляции называют детектированием.
Все методы приема (демодуляции), для реализации которых необходимо точное априорное знание начальных фаз приходящих сигналов, называется когерентным. В тех случаях, когда сведения о начальных фазах ожидаемых сигналов извлекаются из самого принимаемого сигнала, прием называют квазикогерентным. Если сведения о начальных фазах приходящих сигналов отсутствуют или их по некоторым соображениям не используют, то прием называют некогерентным (Рис. 6.6).
Рис. 6.6. Некогерентный и квазикогерентный прием
Опорный сигнал при когерентном приеме должен иметь те же начальные фазы, что и приходящие сигналы, т.е. должен быть когерентным с приходящими сигналами. Это требование обычно затрудняет реализацию демодулятора и требует введения дополнительных устройств (например, приемник синхросигнала ПСС на Рис. 6.6), обеспечивающих регулировку фаз опорных сигналов.
Помехоустойчивость разных видов модуляции различна. При прочих равных условиях помехоустойчивость ЧМ больше, чем АМ, а помехоустойчивость ФМ больше, чем ЧМ. Однако сложность реализации приемных устройств данных видов модуляции имеет такое же соотношение.
Частотную и фазовую модуляцию рассмотрим на примере модуляции гармонического сигнала (несущей) дискретным (двоичным) сигналом, т.е. случаи частотной и фазовой манипуляции.
При частотной манипуляции частота несущего колебания меняется дискретно в зависимости от значения модулирующего сигнала. На практике находит применение не только двоичная ЧМ, но так же 4-х (Рис. 6.7) и 8-уровневая ЧМ. При использовании многоуровневой ЧМ исходная двоичная последовательность разбивается на соответствующее число бит (дибит, трибит и т.д.) для определения одной из возможных частот несущей, передаваемой в данный момент.
Рис. 6.7. Четырехуровневая частотная манипуляция
Большой интерес представляет частотная манипуляция с минимальным сдвигом (ЧММС), при которой фаза манипулированного радиосигнала не имеет скачков при смене текущего значения несущей частоты. Для этого разнос между частотами выбирается таким, чтобы за время длительности одного элемента фаза несущей менялась ровно на p /2. В случае ЧММС эффективность использования полосы выше, чем у обычной ЧМ.
Фазовая модуляция в чистом виде не нашла практического применения из-за так называемой "обратной работы", когда при ошибке в приеме одного бита последующие за ним будут приняты инверсно. Практически применяется относительная фазовая модуляция (ОФМ), при которой информация представляется не абсолютным значением фазы, а разностью фаз несущей на двух соседних интервалах. Применяются не только двухуровневая, но и многоуровневая (4, 8 и т.д.) ФМ (Рис. 6.8).
Рис. 6.8. Фазовая манипуляция
Сигнал всех типов ФМ может быть получен с помощью балансной схемы (КАМ-модулятора) (Рис. 6.9), причем обеспечение ОФМ достигается соответствующим изменением битового потока в кодере К.
Рис. 6.9. КАМ-модулятор
Широкое применение находит квадратурная амплитудная манипуляция (КАМ). Этот вид манипуляции, по существу, представляет собой сочетание АМ и ФМ, в связи с чем его еще называют амплитудно-фазовой манипуляцией (АФМ). В случае КАМ изменяется и фаза и амплитуда несущей. Применяются КАМ 4-го уровня и выше (КАМ-4, КАМ-16 (Рис. 6.10), КАМ-64 и т.д.), причем КАМ-4 совпадает с ОФМ 4-го уровня.
Рис. 6.10. КАМ-16 с примерами сигнальных точек квадрибитов 1110, 1000, 0111, 0001
Кодирование
Общие положения
Преобразование дискретного сообщения в сигнал обычно осуществляется в виде двух операций - кодирования и модуляции. Кодирование представляет собой преобразование сообщения в последовательность кодовых символов.
Простейшим примером дискретного сообщения является текст. Любой текст состоит из конечного числа элементов: букв, цифр, знаков препинания. Их совокупность называется алфавитом источника сообщения. Так как число элементов в алфавите конечно, то их можно пронумеровать и тем самым свести передачу сообщения к передаче последовательности чисел.
Так, для передачи букв русского алфавита (их 32) необходимо передать числа от 1 до 32. Для передачи любого числа, записанного в десятичной форме, требуется передача одной из десяти цифр от 0 до 9 для каждого десятичного разряда. То есть для передачи букв русского алфавита нужно иметь техническую возможность передачи и приема десяти различных сигналов, соответствующих различным цифрам.
На практике при кодировании дискретных сообщений широко применяется двоичная система счисления.
При кодировании происходит процесс преобразования элементов сообщения в соответствующие им числа (кодовые символы). Каждому элементу сообщения присваивается определенная совокупность кодовых символов, которая называется кодовой комбинацией. Совокупность кодовых комбинаций, обозначающих дискретные сообщения, образует код.
Правило кодирования может быть выражено кодовой таблицей, в которой приводятся алфавит кодируемых сообщений и соответствующие им кодовые комбинации. Множество возможных кодовых символов называется кодовым алфавитом, а их количество m - основанием кода.
В общем случае при основании кода m правила кодирования N элементов сообщения сводятся к правилам записи N различных чисел в m-ичной системе счисления. Число разрядов n, образующих кодовую комбинацию, называется значностью кода, или длиной кодовой комбинации. В зависимости от системы счисления, используемой при кодировании, различают двоичные и m-ичные (недвоичные) коды.
Коды, у которых все комбинации имеют одинаковую длину, называют равномерными. Для равномерного кода число возможных комбинаций равно mn. Примером такого кода является пятизначный код Бодо, содержащий пять двоичных элементов (m=2, n=5). Число возможных кодовых комбинаций равно 25=32, что достаточно для кодирования всех букв алфавита. Применение равномерных кодов не требует передачи разделительных символов между кодовыми комбинациями.
Неравномерные коды характерны тем, что у них кодовые комбинации отличаются друг от друга не только взаимным расположением символов, но и их количеством. Это приводит к тому, что различные комбинации имеют различную длительность. Типичным примером неравномерных кодов является код Морзе, в котором символы 0 и 1 используются только в двух сочетаниях - как одиночные (1 и 0) или как тройные (111 и 000). Сигнал, соответствующий одной единице, называется точкой, трем единицам - тире. Символ 0 используется как знак, отделяющий точку от тире, точку от точки и тире от тире. Совокупность 000 используется как разделительный знак между кодовыми комбинациями.
По помехоустойчивости коды делят на простые (примитивные) и корректирующие. Коды, у которых все возможные кодовые комбинации используются для передачи информации, называются простыми, или кодами без избыточности. В простых равномерных кодах превращение одного символа комбинации в другой, например 1 в 0 или 0 в 1, приводит к появлению новой комбинации, т. е. к ошибке.
Корректирующие коды
Корректирующие коды строятся так, что для передачи сообщения используются не все кодовые комбинации mn, а лишь некоторая часть их (так называемые разрешенные кодовые комбинации). Тем самым создается возможность обнаружения и исправления ошибки при неправильном воспроизведении некоторого числа символов. Корректирующие свойства кодов достигаются введением в кодовые комбинации дополнительных (избыточных) символов.
Декодирование состоит в восстановлении сообщения по принимаемым кодовым символам. Устройства, осуществляющие кодирование и декодирование, называют соответственно кодером и декодером. Как правило, кодер и декодер выполняются физически в одном устройстве, называемым кодеком.
Рассмотрим основные принципы построения корректирующих кодов или помехоустойчивого кодирования.
Напомним, что расстоянием Хэмминга между двумя кодовыми n-последовательностями, biи bj, которое будем далее обозначать d(i; j), является число разрядов, в которых символы этих последовательностей не совпадают.
Говорят, что в канале произошла ошибка кратности q, если в кодовой комбинации q символов приняты ошибочно. Легко видеть, что кратность ошибки есть не что иное, как расстояние Хэмминга между переданной и принятой кодовыми комбинациями, или, иначе, вес вектора ошибки.
Рассматривая все разрешенные кодовые комбинации и определяя кодовые расстояния между каждой парой, можно найти наименьшее из них d = min d(i; j), где минимум берется по всем парам разрешенных комбинаций. Это минимальное кодовое расстояние является важным параметром кода. Очевидно, что для простого кода d=1.
Обнаруживающая способность кода характеризуется следующей теоремой. Если код имеет d>1 и используется декодирование по методу обнаружения ошибок, то все ошибки кратностью q<d обнаруживаются. Что же касается ошибок кратностью q³ d, то одни из них обнаруживаются, а другие нет.
Исправляющая способность кода при этом правиле декодирования определяется следующей теоремой. Если код имеет d>2 и используется декодирование с исправлением ошибок по наименьшему расстоянию, то все ошибки кратностью q<d/2 исправляются. Что же касается ошибок большей кратности, то одни из них исправляются, а другие нет.
Задача кодирования состоит в выборе кода, обладающего максимально достижимым d. Впрочем, такая формулировка задачи неполна. Увеличивая длину кода n и сохраняя число кодовых комбинаций М, можно получить сколь угодно большое значение d. Но такое "решение" задачи не представляет интереса, так как с увеличением n уменьшается возможная скорость передачи информации от источника.
Если длина кода n задана, то можно получить любое значение d, не превышающее n, уменьшая число комбинаций М. Поэтому задачу поиска наилучшего кода (в смысле максимального d) следует формулировать так: при заданных M и n найти код длины n, содержащий М комбинаций и имеющий наибольшее возможное d. В общем виде эта задача в теории кодирования не решена, хотя для многих значений n и М ее решения получены.
На первый взгляд помехоустойчивое кодирование реализуется весьма просто. В память кодирующего устройства (кодера) записываются разрешенные кодовые комбинации выбранного кода и правило, по которому с каждым из М сообщений источника сопоставляется одна из таких комбинаций. Данное правило известно и декодеру.
Получив от источника определенное сообщение, кодер отыскивает соответствующую ему комбинацию и посылает ее в канал. В свою очередь, декодер, приняв комбинацию, искаженную помехами, сравнивает ее со всеми М комбинациями списка и отыскивает ту из них, которая ближе остальных к принятой.
Однако даже при умеренных значениях n такой способ весьма сложный. Покажем это на примере. Пусть выбрана длина кодовой комбинации n=100, а скорость кода примем равной 0.5 (число информационных и проверочных символов равно). Тогда число разрешенных комбинаций кода будет 250»1015. Соответственно размер таблицы будет 100´ 1015=1017бит » 1016байт = 10000 Тбайт.
Таким образом, применение достаточно эффективных (а значит, и достаточно длинных) кодов при табличном методе кодирования и декодирования технически невозможно.
Поэтому основное направление теории помехоустойчивого кодирования заключается в поисках таких классов кодов, для которых кодирование и декодирование осуществляются не перебором таблицы, а с помощью некоторых регулярных правил, определенных алгебраической структурой кодовых комбинаций.
Линейные коды
Одним из таких классов являются линейные блоковые коды. Линейными называются такие двоичные коды, в которых множество всех разрешенных блоков является линейным пространством относительно операции поразрядного сложения по модулю 2.
Если записать k линейно-независимых блоков в виде k строк, то получится матрица размером n´ k, которую называют порождающей или производящей матрицей кода G.
Множество линейных комбинаций образует линейное пространство, содержащее 2kблоков, т.е. линейный код, содержащий 2kблоков длиной n, обозначают (n, k). При заданных n и k существует много различных (n, k)-кодов с различными кодовыми расстояниями d, определяемых различными порождающими матрицами. Все они имеют избыточность e k=1-k/n или относительную скорость Rk=k/n.
Чаще всего применяют систематические линейные коды, которые строят следующим образом. Сначала строится простой код длиной k, т.е. множество всех k-последовательностей двоичных символов, называемых информационными. Затем к каждой из этих последовательностей приписывается r = n - k проверочных символов, которые получаются в результате некоторых линейных операций над информационными символами.
Простейший систематический код (n,n-1) строится добавлением к комбинации из n-1 информационных символов одного проверочного, равного сумме всех информационных символов по модулю 2. Такой код (n,n-1) имеет d=2 и позволяет обнаружить одиночные ошибки и называется кодом с одной проверкой на четность.
Преимуществом линейных, в частности систематических, кодов является то, что в кодере и декодере не нужно хранить большие таблицы всех кодовых комбинаций, а при декодировании не нужно производить большое количество сравнений.
Однако, для получения высокой верности связи следует применять коды достаточно большой длины. Применение систематического кода в общем случае, хотя и позволяет упростить декодирование по сравнению с табличным способом, все же при значениях n порядка нескольких десятков не решает задачу практической реализации.