модуляция и кодирование сигналов

Модуляция и кодирование

Рубрика: Информационные технологии

Дата публикации: 26.12.2020 2020-12-26

Статья просмотрена: 12 раз

Библиографическое описание:

Кутепова, А. В. Модуляция и кодирование / А. В. Кутепова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 52 (342). — С. 34-36. — URL: https://moluch.ru/archive/342/77050/ (дата обращения: 16.09.2021).

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.

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.

Источник

Модуляция и кодирование сигналов

1.4. Кодирование и модуляция

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.

В десятичной системе основанием счисления является число 10. Поэтому любое целое число N можно представить в виде

коэффициенты, принимающие значения от 0 до m-1. Задаваясь величиной m, можно построить любую систему счисления.

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 строятся так, что для передачи сообщения используются не все кодовые комбинации, а лишь некоторая часть их. 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 (см. гл. 5).

Рис. 1.5. Структурная схема системы передачи дискретных сообщений

Рис. 1.6. Процесс преобразования дискретного сообщения в сигнал и обратного преобразования сигнала в сообщение

При передаче непрерывного сообщения а его сначала преобразуют в первичный электрический сигнал b(t), а затем, как правило, с помощью модулятора формируют сигнал u(t), который и посылают в линию связи. Принятое колебание z(t) подвергается обратным преобразованиям, в результате которых выделяется первичный сигнал b̂(t). По нему затем восстанавливается с той или иной точностью сообщения â.

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 f(t) = u₀ cos(ω₀t + φ), то можно образовать три вида модуляции: амплитудную (AM), 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.

При дискретной модуляции закодированное сообщение a, представляющее собой последовательность кодовых символов i>, преобразуется в последовательность элементов (посылок) сигнала i> путем воздействия кодовых символов на переносчик f(t). Посредством модуляции один из параметров переносчика изменяется по закону, определяемому кодом. При непосредственной передаче переносчиком может быть постоянный ток, изменяющимися параметрами которого являются величина и направление тока. Обычно в качестве переносчика как и в непрерывной модуляции, используют переменный ток (гармоническое колебание)’. В этом случае можно получить AM, ЧМ и ФМ.

При ОФМ передача начинается с посылки одного не несущего информации элемента, который служит опорным сигналом для сравнения фазы последующего элемента. Подробнее о приеме таких сигналов и о преимуществах относительного метода модуляции будет сказано в гл. 6.

Рис. 1.7. Сигналы при различных видах дискретной модуляции

Источник

Модуляция и кодирование сигналов

Как правило, информационные сигналы являются низкочастотными и ограниченными по ширине спектра (основополосными). Передачу основополосных сигналов напрямую (в основной полосе частот) выполняют основополосные каналы связи (baseband channel). Они имеют узкую полосу пропускания, поэтому она вся используется для передачи сигнала.

Однако не во всех случаях исходный сигнал можно напрямую передать по каналу связи. Например, канал связи является высокочастотным, широкополосным и рассчитан на передачу сигналов от множества источников одновременно с частотным разделением каналов.

Для того чтобы перенести спектр сигнала из низкочастотной области в выделенную для их передачи область высоких частот используется модуляция.

Допустим, что низкочастотный сигнал, подлежащий передаче по каналу связи, задается функцией s(t). В канале связи для передачи данного сигнала выделяется определенный диапазон высоких частот. На входе канала связи в специальном передающем устройстве формируется вспомогательный, как правило, непрерывный во времени периодический высокочастотный сигнал u(t). Если изменить параметры сигнала u(t) в соответствии с формой сигнала s(t), то форма сигнала u(t) приобретает новое свойство. Она несет информацию, тождественную информации в сигнале s(t).

Поэтому сигнал u(t) называют несущим сигналом, несущим колебанием или просто несущей (carrier), а процесс переноса информации на параметры несущего сигнала – его модуляцией (modulation).

Модуляция— это процесс изменения одного сигнала в соответствии с формой другого сигнала.

Информационный сигнал s(t) называют модулирующим (modulating signal), результат модуляции – модулированным сигналом (modulated signal). Обратную операцию выделения модулирующего сигнала из модулированного колебания называют демодуляцией (demodulation).

Основным назначением модуляции является сдвиг спектра сигнала в другой частотный диапазон, обеспечение механизма представления информации в наименее чувствительной к помехам и интерференции форме и возможность использования методов мультиплексирования и множественного доступа.

При широкополосной передаче использование нескольких несущих с различными частотами позволяет в одном физическом канале прокладывать несколько логических каналов.

Для того чтобы различать модуляцию аналоговых и цифровых сигналов, модуляцию аналогового сигнала на основе несущей называют аналоговой модуляцией (analog modulation), модуляцию цифрового сигнала на основе несущей называют цифровой модуляцией (digital modulation) или манипуляцией.

Несущая, как правило, требуется при передаче данных через телефонные провода, атмосферу или оптический кабель. Однако в некоторых случаях модуляция может выполняться на основе дискретных сигналов в виде импульсов. Для передачи сигналов на основе периодических последовательностей импульсов используется импульсная модуляция (рulse modulation).

При передаче цифровых сигналов через основополосные каналы связи применяются методы линейного или цифрового кодирования сигналов (line coding).

Методы аналоговой модуляции

Аналоговая модуляция основана на передаче аналогового низкочастотного сигнала с помощью высокочастотной несущей. Основным видом несущих сигналов являются гармонические колебания, которые имеют три свободных параметра: амплитуду, фазу и частоту.

Аналоговая модуляция используется в радиовещании при работе нескольких радиостанций в общей среде передачи: амплитудная модуляция для работы радиостанций в АМ-диапазоне, частотная модуляция для работы в FM-диапазоне.

Рис. 3.22 Амплитудная и частотная модуляция аналогового сигнала

Методы цифровой модуляции

Процесс передачи цифровых данных с помощью несущей называется цифровой модуляцией или манипуляцией.

Для того чтобы цифровые данные могли быть переданы по аналоговому каналу, они должны быть сначала преобразованы в аналоговый основополосный сигнал, а затем результирующий сигнал центрируется на несущей частоте для оптимальной передачи через среду передачи. Примером сетей, в которых цифровые данные передаются с помощью аналоговых сигналов, являются телефонные сети общего пользования и беспроводные сети.

Как уже было сказано ранее, в процессе модулирования задействована одна из трех характеристик несущего сигнала: амплитуда, фаза и частота. Соответственно существуют три основные технологии модуляции, выполняющие преобразование цифровых данных в аналоговый сигнал:

● амплитудная манипуляция (Amplitude-Shift Keying, ASK);

● частотная манипуляция (Frequency-Shift Keying, FSK);

● фазовая манипуляция (Phase-Shift Keying, PSK).

Рис. 3. 23 Модуляция цифровых данных аналоговыми сигналами

При амплитудной манипуляции (ASK) значения «0» и «1» представляются сигналами несущей частоты с двумя различными амплитудами. Одна из амплитуд, как правило, выбирается равной нулю; т.е. одно двоичное число представляется наличием несущей частоты при постоянной амплитуде, а другое – ее отсутствием.

где А cos(2πƒ_ct) – несущий сигнал, y (t) – результирующий сигнал.

Амплитудная манипуляция является частным случаем квадратурной амплитудной модуляции.

При частотной манипуляции (FSK) цифровая информация представляется изменением частоты несущего сигнала. Самой простейшей формой частотной манипуляции является бинарная (Binary FSK, BFSK), в которой значения «0» и «1» представляются сигналами двух различных частот, расположенных около несущей.

где f₁ и f₂– частоты, смещенные от несущей частоты f_c на величины, равные по модулю, но противоположные по знаку.

Частотная манипуляция использовалась в первых модемах и позволяла осуществлять дуплексную передачу данных в телефонных линиях.

При фазовой манипуляции (PSK) для представления данных выполняется изменение фазы несущего сигнала. В настоящее время разработано несколько вариантов фазовой манипуляции, которые широко применяются для передачи данных на разных скоростях в беспроводных сетях стандарта IEEE 802.11.

Наиболее простой фазовой манипуляцией является бинарная или двухуровневая фазовая манипуляция (Binary PSK, BPSK), где для представления двух двоичных цифр используются две фазы несущего сигнала 0 ° и 180 °.

BPSK является самой устойчивой к помехам фазовой манипуляцией, но при каждом изменении сигнала может переносить только 1 бит информации. Это делает ее непригодной для высокоскоростных приложений.

Альтернативной формой двухуровневой PSK является дифференциальная двухуровневая PSK (Differential BPSK, DBPSK). Суть DBPSK заключается в том, что кодируется не сам бит информации, а его изменение. При передаче двоичного 0 фаза несущего сигнала не изменяется, при передаче двоичной 1 фаза несущего сигнала меняется на противоположную. Другими словами сдвиг фаз выполняется относительно предыдущего переданного бита.

Квадратурная или четырехуровневая фазовая манипуляция (Quadrature PSK, QPSK) использует четыре значения фазы несущего сигнала, и каждое состояние фазы выполняет передачу сразу двух битов информации. По сравнению с BPSK это позволяет повысить скорость передачи в два раза и эффективнее использовать полосу пропускания. В QPSK, вместо сдвига фазы на 180°, используются сдвиги фаз, кратные π⁄2 (90°). При этом значения битов выбраны таким образом, чтобы при переходе к соседнему состоянию фазы несущего сигнала ошибки на приеме приводили не более чем к одиночной битовой ошибке.

При дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции(Differential QPSK, DQPSK)также как и при дифференциальной BPSK изменение фазы происходит при изменении информационных битов.

Квадратурная амплитудная модуляция (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) является широко используемым в стандартах беспроводных и проводных сетей методом аналоговой передачи сигналов.

Данная схема модуляции совмещает в себе амплитудную и фазовую манипуляции. В методе QAM использованы преимущества одновременной передачи двух различных сигналов на одной несущей частоте, но при этом задействованы две копии несущей частоты, сдвинутые относительно друг друга на 90°. При квадратурной амплитудной модуляции обе несущие являются амплитудно-модулированными. Два независимых сигнала одновременно передаются через одну среду. В приемнике эти сигналы демодулируются, а результаты объединяются с целью восстановления исходного двоичного сигнала.

При использовании двухуровневой амплитудной модуляции (2QAM) каждый из двух потоков может находиться в одном из двух состояний, а объединенный поток – в одном из 2 х 2 = 4 состояний. При использовании четырехуровневой модуляции (т.е. четырех различных уровней амплитуды, 4QAM) объединенный поток будет находиться в одном из 4 х 4 = 16 состояний. Уже реализованы системы, имеющие 64 (64QAM) или 256 (256QAM) состояний. Чем больше число состояний, тем выше скорость передачи данных, возможная при определенной ширине полосы пропускания. При этом не стоит забывать, чем больше число состояний, тем выше потенциальная частота возникновения ошибок вследствие помех или поглощения.

Методы импульсной модуляции

В предыдущих разделах рассматривались методы модуляции, использующие в качестве несущей гармонический сигнал. В системах связи широко используется несущая в виде последовательности импульсов. Модуляция с такой несущей называется импульсной модуляцией. Она используется при передаче дискретизированных данных по цифровым каналам связи. Также импульсная модуляция позволяет выполнять одновременную передачу сигналов по одному каналу связи, используя мультиплексирование с разделением по времени.

Операция замены непрерывной функции последовательностью отсчетов ее мгновенных значений называется дискретизацией.

При импульсной модуляции несущая имеет вид периодической последовательности импульсов. Импульс описывается такими параметрами как амплитуда, длительность, частота повторения и начальная фаза. В зависимости от параметра импульса, который подвергается изменению, различают следующие виды импульсной модуляции:

Теоретической основой построения всех методов импульсной модуляции является теорема Найквиста-Котельникова. В соответствии с ней любой непрерывный сигнал с ограниченной шириной спектра (от 0 до F_тax) полностью определяется последовательностью своих значений в моменты времени, отстоящие друг от друга на интервал T=1/(2 F_тax), где F_тax – максимальная частота в спектре информационного сигнала. Чем чаще будут производиться выборки значений (или отсчеты), тем точнее будет отображаться сигнал. Поскольку при любом виде импульсной модуляции передача непрерывного модулирующего сигнала осуществляется отдельными импульсами, то, чем чаще будут следовать импульсы в несущем колебании, тем точнее будет отображаться модулирующий сигнал. Минимальное значение частоты повторения импульсов определяется теоремой Найквиста-Котельникова.

Приамплитудно-импульсной модуляция (АИМ) (Pulse Amplitude Modulation, PAM) для представления данных выполняется изменение амплитуды импульсов. Остальные параметры импульсов не изменяются. В случае модуляции аналоговых данных амплитуда импульсов изменяется пропорционально амплитуде модулирующего сигнала, а количество амплитуд импульсов теоретически может быть неограниченным. При передаче цифровых данных количество возможных амплитуд ограничено какой-либо степенью двойки.

Амплитудно-импульсная модуляция цифровых данных используется в стандарте IEEE 802.3. Например, в спецификации физического уровня 1000Base-T Gigabit Ethernet в качестве метода физического кодирования данных используется PAM с пятью уровнями амплитуд (PAM-5). Четыре уровня служат для кодирования сразу двух битов информации, пятый уровень – избыточный и предназначен для коррекции ошибок. Спецификация 10GBASE-T 10 Gigabit Ethernet использует THP-версию (Tomlinson-Harashima precoded) кодирования РАМ с 16 уровнями амплитуд.

Рис. 3. 24 Амплитудно-импульсная модуляция аналогового сигнала

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) (Pulse Width Modulation, PWM), которую иногда называют модуляцией по длительности импульсов (ДИМ), заключается в управлении длительностью импульсов пропорционально функции модулирующего сигнала при постоянной амплитуде импульсов и периоде следования по фронту импульсов.

При осуществлении позиционно-импульсной модуляции (ПИМ) (Pulse Position Modulation, PPM) импульсы имеют одинаковую амплитуду и длительность, однако отстоят от начала периода на интервалы времени, пропорциональные информационному сигналу. Обычно этот тип модуляции используется при передаче данных по оптическим каналам связи.

Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) (Pulse Code Modulation, PCM) является методом преобразования аналоговых данных в цифровой сигнал. Далее этот цифровой сигнал может быть передан через цифровой канал связи, используя один из методов физического кодирования, или преобразован в аналоговый сигнал с помощью одного из методов модуляции.

Импульсно-кодовая модуляция широко используется в IP-телефонии. Она включает процессы дискретизации по времени, квантования по уровню (амплитуде) и кодирования. Процесс дискретизации аналогичен амплитудно-импульсной модуляции. Через постоянные промежутки времени происходит выборка значений амплитуды исходного сигнала. Каждая выборка округляется до ближайшего уровня из множества заранее определенных значений. Этот процесс называется квантованием. Количество уровней всегда берется кратным степени двойки, например, 2 3 = 8, 2 4 = 16, 2 5 = 32, 2 6 = 64 и т. д. Номер уровня может быть соответственно представлен 3, 4, 5, 6 и т. д. битами. Таким образом, после квантования каждая выборка может представляться n-битовым двоичным кодом.

Рис. 3. 25 Импульсно-кодовая модуляция

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Источник