Частотная модуляция дискретных сообщений

При передаче дискретной информации, в том числе цифровой, кодированной информации – комбинации двоичных сигналов, состоящей из логических 1 и 0 , модуляцию называют манипуляцией, а устройство, реализующее процесс, - как модулятором, так и манипулятором. Процесс манипуляции называют также телеграфным режимом работы, соответственно заменяется название частотная модуляция на частотная телеграфия.

Достоинства частотной модуляции

Преимуществом частотной модуляции перед амплитудной в технике связи является большая помехоустойчивость. Это качество частотной модуляции проявляется при b >> 1, т. е. когда полоса частот, занимаемая частотно-модулированным сигналом, во много раз больше 2W. Поэтому частотно-модулированные колебания применяются для высококачественной передачи сигналов в диапазоне ультракоротких волн (УKB), где на каждую радиостанцию выделена полоса частот, в 15—20 раз большая, чем в диапазоне длинных, средних и коротких волн, на которых работают радиостанции с амплитудной модуляцией. Частотная модуляция применяется также для передачи звукового сопровождения телевизионных программ. Частотно-модулированные колебания могут быть получены изменением частоты задающего генератора.

Главным достоинством частотной модуляции является ослабление действия помех, что позволяет улучшить качество приема. По сравнению с амплитудной модуляцией при частотной модуляции лучше используется мощность передатчика.

В радиосвязи и радиовещании успешно применяется частотная модуляция. В нашей стране создана сеть УКВ радиовещательных станций, работающих с частотной модуляцией в диапазоне 64,5 – 73 МГц. Для радиовещания применяется широкополосная частотная модуляция, при которой наибольшее отклонение частоты от первоначального значения достигает десятков килогерц (обычно + 75 кГц). Такое отклонение частоты допустимо только в случае, если частота несущих колебаний достаточно велика. Поэтому радиовещание с частотной модуляцией ведется на ультракоротких волнах, т. е. на частотах не менее десятков мегагерц.

Фазовая модуляция

Фазовая модуляция,вид модуляции колебаний, при котором передаваемый сигнал управляет фазой несущего высокочастотного колебания.

По характеристикам фазовая модуляция близка к частотной модуляции. Если модулирующий сигнал синусоидальный, то спектр и форма сигналов в случае частотной модуляции и фазовая модуляция полностью совпадают. Различия обнаруживаются при более сложных формах модулирующего сигнала.

Отметим, что при ФМ принципиальным является жесткое соответствие начальных фаз приемника и передатчика.

При фазовой модуляции значениям логических 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой (перевернутые), например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов. Результирующий сигнал похож на последовательность перевернутых синусоид, он показан на последнем рисунке.

Если модулирующий сигнал синусоидальный, то форма модулированных колебаний и их спектральный состав для частотной и фазовой модуляции одинаковы. В случае несинусоидального модулирующего сигнала это различие четко выражено.

Чтобы передать цифровую информацию по аналоговым каналам связи, ее сначала нужно закодировать. Для этого можно использовать амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) или фазовую (ФМ) модуляции. Вначале разработчики остановили свой выбор именно на фазовой модуляции, поскольку ее помехоустойчивость оказалась выше других типов модуляции. Поэтому, чтобы поднять скорость передачи данных в четыре раза, достаточно было передавать два сигнала со сдвигом в 90°

Рис.1.-Фазовая модуляция

Дальнейшее увеличение скорости передачи данных за счет уменьшения фазового сдвига сигналов оказалось весьма проблематичным, поскольку такой сложный сигнал было очень тяжело декодировать на приемном конце из-за фазовых искажений сигнала, которые напрямую связаны с качеством канала связи. Поэтому решили остановиться на фазовом сдвиге в 90°, а дальнейшее увеличение скорости выполнить за счет амплитудной модуляции сложного сигнала.

Так появилась квадратурная модуляция, благодаря которой удалось поднять скорость передачи данных в восемь раз! Таким образом, четырем фазовым состояниям аналогового сигнала соответствовали четыре возможные битовые комбинации, а еще два битовых состояния (0 и 1) удалось закодировать благодаря амплитудной модуляции. Но это по теории, на практике же все выглядит несколько сложнее (рис. 3).

Рис.3.-Квадратурная модуляция

Для передачи сигналов используются разные методы модуляции. В последнее время все большее распространение получает фазовая модуляция, позволяющая уложить больше данных в канал с заданной полосой пропускания сигнала. С фазовой модуляцией сталкивался любой, кто пользовался модемом v.34 или v.90. Что это такое, проще всего объяснить при помощи иллюстраций. Возьмем два синусоидальных сигнала.

В многоканальных системах связи в качестве переносчика информации используется не гармоническое колебание, а периодическая последовательность радиоимпульсов, каждый из которых представляет собой цуг колебаний высокой частоты. Периодическая последовательность таких импульсов определяется четырьмя основными параметрами: амплитудой, частотой следования, длительностью (шириной) и фазой. В соответствии с этим возможны четыре типа импульсной модуляции: амплитудно-импульсная, частотно-импульсная, широтно-импульсная, фазово-импульсная. Импульсная модуляция обладает повышенной помехоустойчивостью по сравнению с модуляцией непрерывной синусоидальной несущей, зато полоса частот, занимаемая передающей радиостанцией с импульсной модуляцией, во много раз шире, чем при амплитудной модуляции.

В военной технике радиосвязи в настоящее время реализован принцип относительной фазовой телеграфии (ОФТ). В бинарной системе ОФТ разность фаз колебаний текущего и предшествующего элементов сигнала принимает значения 0^о и 180^о. При передаче символа "0" фаза колебаний противоположна фазе предыдущего элемента, а при передаче "1" - та же самая. Первый элемент сеанса связи не несет информации, а служит лишь для отсчета разности фаз в следующем элементе. Занимаемая ширина полосы частот спектра ОФТ такая же, как и сигнала АТ и определяется в основном скоростью манипуляции. Обозначается относительная фазовая манипуляция как F9-300, F9-500, где 300 и 500 - скорость телеграфирования в Бодах.

В технике радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи широко применяются различные виды импульсной модуляции, при которых параметры периодической последовательности коротких импульсов (амплитуда, длительность, частота следования, временное положение) изменяются по закону модулирующего колебания.