Простые виды цифровой модуляции

Элементарный способ передачи цифровой информации – использование методов аналоговой модуляции, заменив непрерывный сигнал дискретным (последовательность двоичных символов); при этом амплитудная, частотная и фазовая модуляция становятся соответствующей манипуляцией. В англоязычной литературе манипуляция называется термином shift keying, и, таким образом, можно обозначить три основных вида цифровой модуляции как ASK (Amplitude Shift Keying), FSK(Frequency Shift Keying)и PSK (Phase Shift Keying).

В общем случае М -арной передачи сигналов устройство обработки получает k исходных битов (или канальных битов, если используется кодирование) в каждый момент времени и указывает модулятору воспроизвести один из M = 2 ^k возможных сигналов.

Отображение или задание k информационных битов M = 2 ^k возможными значениями того параметра сигнала, который подлежит модуляции, можно сделать различными способами. Наилучшее задание такое, при котором соседние значения модулируемого параметра сигналов соответствуют информационным двоичным блокам, различающимся в одном разряде, как показывает рис. 2.3 на примере фазовой манипуляции. Такое отображение называется кодом Грея. Это важно для демодуляции сигнала, поскольку наиболее вероятные ошибки вызывает ошибочный выбор значения модулируемого параметра, соседнего по отношению к тому, который действительно передавался. В этом случае, в k -битовой информационной последовательности возникает ошибка только в одном бите [3]. Частным случаем М -уровневой модуляции является бинарная с k = 1.

Рис. 2.3

Амплитудная манипуляция. Сигнал в амплитудной манипуляции (amplitude shift keying – ASK) описывается выражением

где амплитудный член может принимать М дискретных значений, а фазовый член φ – это произвольная константа.

На рис. 2.4 даны соответствующие пространственные диаграммы сигналов для M = 2, M = 4, M = 8 [3].

Рис. 2.4

В бинарном случае ASK амплитуда сигнала изменяется в соответствии с цифровой информационной последовательностью. При передаче «1» используется синусоида с одной амплитудой, при передаче «0» – с другой.

Особым видом ASK является OOK (On/Off Keying), при которой амплитуда сигнала нулевая во время передачи «0» (рис. 2.5).

Такая модуляция находит применение в приложениях, связанных с телеуправлением. Популярность этого вида модуляции связанна с простотой и низкой стоимостью ее реализации. OOK позволяет передатчику бездействовать во время передачи «0», сберегая таким образом энергию. Недостатки OOK проявляются при наличии мешающих сигналов. Поэтому все более широкое распространение телекоммуникационных устройств ограничивает использование этого вида модуляции. ASK менее подвержена влиянию интерференционной помехи, чем OOK, и, оставаясь при этом простой и дешевой в реализации, может в некоторых случаях конкурировать с другими видами модуляции.

Частотная манипуляция. Общее аналитическое выражение для сигнала в частотной манипуляции (frequency shift keying – FSK) имеет следующий вид:

Здесь частота может принимать M дискретных значений, а фаза φ является произвольной константой. В общем случае переход к другому тону может быть довольно резким, поскольку непрерывность фазы не является обязательным условием. В тех случаях, когда она необходима, используется особый вид манипуляции без разрыва фазы (continuous-phase FSK – CPFSK).

В случае двоичной FSK (которую иногда могут называть BFSK – binary FSK) данные передаются посредством переключения частоты несущего колебания между двумя возможными значениями частоты, одно из которых соответствует «0», а другое «1». Рисунок 2.6 демонстрирует этот принцип.

Рис. 2.6

Этот вид модуляции широко применяется при передаче информации по телефонным сетям (в модемах, факсах и т. п.).

Во многом это связано с тем, что он дает возможность мультиплексировать канал связи и разбить один физический канал на несколько логических (рис. 2.7).

Рис. 2.7

В радиосвязи FSK также находит свое применение. При этом возможность создания множества каналов может способствовать улучшению характеристик радиосвязи. Например, для борьбы с замираниями, возникающими из-за многолучевого распространения при передаче информации по радиоканалу, возможно дублирование информации передачей ее по нескольким каналам. За счет малой корреляции между замираниями в разных частотных каналах, можно добиться повышения помехоустойчивости. Однако такой метод снижает эффективность использования спектра. Бороться с замираниями, не жертвуя спектральной эффективностью, позволяет использование перемежения частот пар нулей и единиц между разными каналами (interliving), хотя это приводит к усложнению аппаратуры (рис. 2.8).

Рис. 2.8

FSK также обладает некоторыми преимуществами при радиопередаче на низких и очень низких частотах.

Фазовая манипуляция. Сигнал в фазовой манипуляции (PSK – Phase Shift Keying) имеет следующий вид:

Здесь фазовый член φ _i (t) может принимать M дискретных значений, обычно определяемых следующим образом:

На рис. 2.9 приведен пример двоичной фазовой манипуляции (binary PSK – BPSK).

В этом случае работа схемы модуляции заключается в смещении фазы модулированного сигнала S_i (t) на одно из двух значений – 0 или π. При этом разность между фазами, соответствующими «1» и «0», равна 180º, что обеспечивает максимальное расстояние между сигнальными векторами и облегчает их распознавание.