Методы модуляции и модемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Частотная модуляция

Если при амплитудной модуляции частота щ₀ и начальная фаза ц несущего колебания сохраняются неизменными, а по закону передаваемого сообщения e(t) изменяется амплитуда U₀, то при угловой модуляции амплитуда U₀ сохраняется постоянной, а изменяться может частота либо начальная фаза несущего колебания. Поскольку частота и начальная фаза являются составляющими обобщенного угла несущего колебания [щ(t)+ц(t)], то такую модуляцию называют угловой. В зависимости от того, какой из параметров обобщенного угла, частота щ(t) или начальная фаза ц(е), несет информацию о передаваемом сообщении e(t), различают частотную либо фазовую модуляцию.

При частотной модуляции амплитуда несущего колебания U₀ сохраняется постоянной, а частота несущего колебания щ(t) определяется модулирующим сигналом e(t) в соответствии с выражением:

щ(t) = щ₀ + k_ЧМ e(t),

где k_ЧМ - коэффициент пропорциональности, связывающий отклонение Дщ_ЧМ частоты щ(t) от своего номинального значения щ₀, равное Дщ_ЧМ = щ(t) - щ₀, и величину модулирующего напряжения e(t), вызывающего это отклонение.

Максимальное отклонение частоты, вызываемое максимальным модулирующим напряжением, называют девиацией частоты.

При модулирующем сигнале в виде гармонического напряжения

e(t) = E cos(ґЩt+И)

мгновенное значение частоты частотно-модулированного колебания изменяется по закону

щ(t) = щ₀ + k_ЧМ E cos(ґЩt+И)

Временные диаграммы несущего и модулирующего колебаний, а также частотно-модулированного сигнала приведены на рисунке 1

Рис. 1 Частотная модуляция: а) колебание с постоянной частотой; б) модулирующий сигнал; в) частотно-модулированное колебание

Связь между спектрами модулирующего и формируемого им частотно-модулированного сигнала выражается не такими простыми выражениями, как при амплитудной модуляции, и определяется соотношением между отклонением частоты результирующего частотно-модулированного колебания, вызываемого модулирующим сигналом, и скоростью изменения этого отклонения частоты.

В частности, пусть тональная модуляция гармоническим сигналом с частотой ґЩ вызывает отклонение частоты с девиацией, равной Дщ_ЧМ. Тогда в случае «быстрой» модуляции (при Дщ_ЧМ << ґЩ) полоса частот, занимаемая частотно-модулированным колебанием, определяется наибольшей частотой спектра модулирующего сигнала

П_ЧМ ~ 2 ґЩ

В случае «медленной» модуляции (при Дщ ЧМ >> ґЩ) частотный диапазон частотно-модулированного колебания определяется величиной девиации частоты Дщ_ЧМ:

П_ЧМ ~ 2 Дщ_ЧМ

2. Фазовая (относительно-фазовая) манипуляция сигналов

Неоднозначность характерная для ФМн сигналов, устранена в системах относительно-фазовой манипуляции (ОФМн). У такого метода манипуляции информация заложена не в абсолютном значении начальной фазы, а в разности начальных фаз соседних посылок, которая остается неизменной и на приемной стороне. Для передачи первого двоичного символа в системах с ОФМн необходима одна дополнительная посылка сигнала, передаваемая перед началом передачи информации и играющая роль отсчетной.

Процесс формирования сигнала с ОФМн можно свести к случаю формирования сигнала с ФМн путем перекодирования передаваемой двоичной последовательности. Алгоритм перекодировки прост: если обозначить как информационный символ, подлежащий передаче на -м единичном элементе сигнала, то перекодированный в соответствии с правилами ОФМн символ определяется следующим рекуррентным соотношением: . Для получения сигнала с ОФМн достаточно умножить полученный (перекодированный) сигнал на несущее колебание. Структурная схема модулятора для ОФМн (рис. 2.22) содержит генератор несущего колебания, перемножитель (ФМ) и перекодирующее устройство (относительный кодер) состоящий из перемножителя и элемента памяти.

Демодулятор сигнала с ОФМн содержит фазовый детектор, состоящий из перемножителя и ФНЧ, на который подается опорное колебание, совпадающее с одним из вариантов принимаемого сигнала. Дальнейшее вычисление разности фаз и определение переданного ПЭС осуществляется перемножением сигналов на выходе детектора, задержанных друг относительно друга на длительность единичного интервала.

Рис.2. Модулятор и демодулятор ОФМн

Рис. 3 Временные и спектральные диаграммы формирования сигналов ОФМн: а) непериодический информационный сигнал; б) информационный сигнал в относительном коде; в) несущее колебание; г) сигнал ОФМн на выходе модулятора.

Алгоритмы демодуляции сигналов с ОФМн в сравнении с ФМн иллюстрируются временными диаграммами на рис. 2.24 и 2.25.

На рис. 5 представлены временные диаграммы демодуляции сигналов ОФМн и ФМн при однократной ошибке в принятом радиосигнале, в качестве исходного информационного взят сигнал рис. 2.24,а: а) сигнал с ОФМн на выходе модулятора; б) сигнал с ОФМн на входе демодулятора, в принятый сигнал специально введена ошибка для 3 посылки; в) опорное колебание; г) принятый информационный сигнал, на выходе относительного декодера; д) принятый информационный сигнал, на выходе демодулятора; е) принятый информационный сигнал, на выходе демодулятора в случае отсутствия ошибки.

Рис.4. Временные диаграммы демодуляции сигналов ОФМн и ФМн при одной ошибке в принятом радиосигнале

Случай возникновения скачка фазы в опорном колебании представлен на рис. 5. При этом в опорное колебание специально введен скачок фазы на 180o между 2 и 3 посылками.

Это дает возможность проиллюстрировать появление ошибок в системах с ФМн и ОФМн. В системе с ФМн, после изменения полярности опорного колебания, все последующие символы ошибочные (обратная работа), причем ошибка будет оставаться до следующего скачка фазы опорного колебания. В системе с ОФМн скачкообразное изменение полярности опорного колебания приводит к одиночной ошибке, что и определяет преимущества сигналов с ОФМн.

Рис.5. Временные диаграммы демодуляции сигналов с ОФМн и ФМн при изменении полярности опорного колебания

Однако следует отметить недостатки систем с ОФМн, которые следует учитывать при выборе методов модуляций:

необходимость передачи отсчетной посылки в начале сеанса связи;

увеличение вероятности ошибки примерно вдвое;

появление двойных ошибок в цифровом потоке, что усложняет кодек при использовании корректирующих кодов;

сложность построения модема для ОФМн по сравнению с модемом для ФМн.

Для реализации системы с ФМн необходима передача специального синхросигнала (маркерного сигнала), соответствующему одному из символов, например 0. Другой путь реализации ФМн - применение специальных кодов с избыточностью, позволяющих обнаруживать ошибки типа инвертирования всех символов. Все это ведет к определенным потерям: энергетическим, скоростным и аппаратурным, и при выборе метода модуляции ФМн или ОФМн необходимо учитывать их достоинства и недостатки.

3. Манипуляция с минимальным сдвигом (ММС)

Манипуляция с минимальным сдвигом (ММС) может рассматриваться как фазовая или как частотная модуляция с непрерывной фазой. Основная особенность этого способа модуляции состоит в том, что приращение фазы несущего колебания на интервале времени, равном длительности Тс одного символа, всегда равно + 90° или -90° в зависимости от знаков символов модулирующего сигнала. Поскольку на интервале каждого очередного импульса модулирующего сигнала мгновенная фаза несущего колебания, отклоняясь от фазы немодулированного гармонического колебания, изменяется линейно, увеличиваясь или уменьшаясь, то мгновенная частота такого радиосигнала будет изменяться скачками. Таким образом, ММС сигнал является частным случаем ЧМ сигнала с непрерывной фазой.

Сигнал с ММС может быть сформирован с помощью квадратурной схемы. Последовательность символов {bi, i = 1, 2, ...}, принимающих значения +1 или -1, разбивается на две подпоследовательности нечетных {b2i-1, i=1,2,...} и четных {b2i, i = 1.2, ...} символов. Из этих подпоследовательностей формируются квадратурные компоненты модулирующего сигнала

Теперь сформируем сигнал в соответствии со следующим представлением:

Здесь F0 - частота несущего колебания; функции

и

на интервале длительностью 2Тс имеют полуволну и фактически сглаживают прямоугольную форму импульсовквадратурных компонентов модулирующего сигнала.

ММС сигнал, сформированный квадратурным модулятором, обладает следующей особенностью: знак приращения фазы на очередном временном интервале определяется не только очередным симвопом, передаваемым на этом интервале, но и значением предшествующего символа. Поэтому при демодуляции такого сигнала в приемнике необходимо учитывать эту взаимосвязь между соседними канальными символами.

Рис.6. Функциональная схема устройства формирования сигнала

На рис. 6 представлена функциональная схема устройства, обеспечивающего формирование ММС сигнала. Поток информационных битов поступает на вход демультиплексора, в котором разбивается на две подпоследовательности - нечетных и четных битов. Каждая подпоследовательность преобразуется в последовательность положительных или отрицательных прямоугольных импульсов. Далее импульсы обеих подпоследовательностей расширяются до длительностей 2Тс, перемножаются на гармонические полуволны квадратурных каналов и переносятся на высокую частоту.

АМПЛИТУДНО-ФАЗОВАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ (АФМ)

Её информационным параметром является комплексная амплитуда. Применение многоуровневой АФМ позволяет обеспечить высокую эффективность использования полосы частот.

.

определяется как для ФМ.

АФМ часто называют квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ).

На рисунке изображены возможные варианты фазы и амплитуды радиосигнала с длительностью с 16-ти уровневой АФМ (АФМ-16). Число возможных значений амплитуды равно 3, а фазы - 12.

Минимальная полоса частот:

4. Квадратурная амплитудная модуляция

При М-ичной фазовой модуляции, рассмотренной ранее, амплитуда и частота несущего колебания в течение сеанса связи остаются постоянными. Изменяется только начальная фаза каждого канального символа.

При квадратурной амплитудной модуляции (КАМ) изменяются значения амплитуды и начальной фазы каждого канального символа. Если число возможных значений этих параметров дискретно и конечно, то этот тип модуляции также является цифровым. Один канальный символ сигнала при таком способе модуляции можно представить следующим равенством:

в котором Аm является комплексной амплитудой этого канального символа, m = 1,2,...,М. При построении сигнального созвездия этого сигнала удобнее использовать вещественную и мнимую части комплексной амплитуды:

где am и bm - координаты m-й точки сигнального созвездия КАМ сигнала.

На рис. 3.22 представлено сигнальное созвездие КАМ-16. Необходимо отметить, что разные канальные символы этого сигнала имеют разную энергию; расстояние между разными сигнальными точками также оказывается различным. В результате вероятность перепутывания символов в приемнике для разных символов оказывается разной.

Рис.7. Сигнальное созвездие М-ичного КАМ сигнала (М=16)

Один канальный символ такого сигнала может переносить m = log2 М информационных битов. В частности, при М = 16 имеем m = 4. Поэтому если по-прежнему считать, что длительность одного бита равна Тc, то длительность одного канального символа КАМ сигнала равна Ткс = mTc. Следовательно, при формировании этого сигнала поток информационных битов должен группироваться в блоки по m битов. Каждому блоку должен быть поставлен в соответствие один канальный символ. Установление такого соответствия называется сигнальным кодированием.

На рис. 8 представлена функциональная схема устройства формирования КАМ сигнала.

Рис.8. Функциональная схема устройства формирования М-ичного КАМ сигнала

Ширина спектра этого сигнала примерно такая же, как и М-ичного ФМ сигнала. Однако данный способ модуляции может обеспечить меньшую вероятность ошибки на бит передаваемой информации и поэтому иногда оказывается более предпочтительным. Следует, од нако, отметить, что так как КАМ сигнал не имеет постоянной амплитуды, то применение этого способа модуляции сопровождается повышением требований к линейности канала передачи.

5. Спутниковые модемы

Место модема в составе ЗС

Спутниковые модемы (далее просто модемы) предназначены для преобразования цифрового сигнала, поступающего от каналообразующей аппаратуры ЗС (мультиплексоров, аппаратуры передачи данных, речепреобразующих устройств и т. д.), в модулированный радиосигнал на промежуточной частоте (ПЧ), обычно составляющей 70±18 или 140±36 МГц, и для обратного преобразования радиосигнала ПЧ в цифровой.

В состав современного модема (см. рисунок) входят следующие блоки: модулятор, демодулятор, кодер, декодер, интерфейс, контроллер управления и панель управления. Подлежащая передаче информация через блок интерфейса сначала подается на кодер, где происходят ее скремблирование и помехоустойчивое кодирование, а затем на модулятор, формирующий модулированный (ФМ или АФМ) сигнал. В приемной части модема (демодуляторе и декодере) осуществляются когерентное детектирование принимаемого сигнала и выделение информации. Более подробные сведения о строении и принципах функционирования модемов в целом и узлов, которые входят в их состав, можно найти в [1, 2]. Мы же остановимся лишь на описании технических характеристик и функциональных возможностей модемов.

Выпускаемые в настоящее время модемы работают в различных диапазонах частот, имеют возможность перестройки и установки основных параметров, включая рабочую частоту, коэффициент усиления, выходную мощность, тип модуляции, скорость кодирования, тип скремблирования, размеры буферов для данных и т. д. Величины этих параметров могут изменяться с малым шагом в широком диапазоне значений. Также следует отметить, что любой современный модем имеет систему встроенных процессоров с развитым программным обеспечением, позволяющую изменять конфигурацию модема либо с помощью его собственных органов управления и дисплея, либо через его порт контроля и управления. В последнем случае к этому порту подключается ПК или контроллер ЗС, обеспечивающий удаленное конфигурирование модемов в составе этой ЗС с центральной управляющей станции ССС. Это позволяет реализовать систему с ЗС, не требующими локального управления. Модемы имеют широкие возможности самодиагностики, самотестирования, могут хранить информацию обо всех изменениях в своей конфигурации, а также о сбоях и неполадках в работе.

По конструктивному исполнению представленные на рынке модемы можно разделить на следующие:

· отдельные законченные устройства, предназначенные для использования в составе любой ЗС;

· заменяемые устройства, интегрированные в какую-либо систему (например, модемы систем TIW Systems, Alcatel 7400ND и Hughes Network Systems), которые нельзя использовать в составе ЗС других производителей;

· подсистемы канальных блоков, объединяющие в своем составе, помимо основных элементов модема (см. рисунок) речепреобразующее устройство (чаще всего вместе с эхозаградителем или эхокомпенсатором) и модули для соединения с оконечным оборудованием (дифференциальную систему для преобразования четырехпроводной линии связи в двухпроводную, блоки поддержки различных типов сигнализации и т. д.).

По максимальной скорости передачи (а соответственно и приема) информации следует выделить три основные группы модемов:

· низкоскоростные (максимальная скорость до 2048 Кбит/с), позволяющие организовать стандартные каналы на скоростях 16, 24, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048 Кбит/с, например модемы SDM-100 фирмы EFData, DMD2401 фирмы Radyne и др.;

· среднескоростные (максимальная скорость от 2048 до 8448 Кбит/с), такие, как SDM-8000 фирмы EFData, 9100 фирмы Hughes и др.;

· высокоскоростные (максимальная скорость свыше 8448 Кбит/с). Их, например, выпускает фирма EFData. Это модемы SDM-9000, SDM-70, SDM-140 и SDM-155, работающие на скоростях 51,840, 69,632, 139,264 и 155,52 Мбит/с соответственно. С их помощью можно передавать через ИСЗ трафик Синхронной Цифровой Иерархии (SDH), в частности SDM-155 можно использовать для передачи синхронных потоков STM-1 со скоростью 155,52 Мбит/с. Для этих потоков МСЭ-Т стандартизировал сетевой интерфейс NNI. Он поддерживается как волоконно-оптическими, так и радиотехническими системами передачи данных, поэтому ССС могут использоваться для резервирования волоконно-оптических систем связи, передающих трафик SDH на большие расстояния, и для совместной работы с ними.

Повышение эффективности использования частотного ресурса и увеличение пропускной способности ССС обеспечивают многопозиционные методы модуляции сигнала, а именно ФМ-8, АФМ-16 и АФМ-64. Известно, чтобы применить эти методы, требуются довольно высокие энергетические потенциалы (на прием и передачу) ретрансляторов (РТР), однако современные технологии построения радиотехнических систем обеспечивают это.

Для оценки эффективности использования частотного ресурса ССС при многопозиционной модуляции применяется коэффициент использования полосы частот, равный числу битов передаваемой полезной информации, приходящихся на один герц используемой для этого полосы частот. На сегодняшний день с помощью методов модуляции ФМ-4, ФМ-8, АМФ-16 и АФМ-64 реально обеспечиваются коэффициенты 1,75; 2,625; 3,5 и 5,25 бит/Гц соответственно.

При использовании в одной ЗС модемов, работающих на сильно различающихся скоростях передачи данных, часто возникает ситуация, когда менее скоростные из модемов не смогут принимать радиосигналы. Дело в том, что интегральный уровень мощности всех сигналов ствола, принимаемых ЗС и подаваемых на вход каждого из ее модемов, не должен превышать определенной величины (обычно составляющей -10...0 дБм), а режимы работы стволов РТР обычно выбираются так, чтобы обеспечить одинаковую величину спектральной плотности мощности ретранслируемых сигналов, поэтому уровни сигналов на входах демодуляторов модемов с относительно малой скоростью работы оказываются очень низкими -- вне их динамического диапазона. В настоящее время не существует универсальных решений этой проблемы, поэтому мы устанавливаем дополнительные фильтры на входах ПЧ низкоскоростных модемов ЗС.

Часто с целью уменьшения стоимости ЗС модем применяется не только для выполнения своих основных функций, но и как формирователь сигнала наведения антенны ЗС. В качестве такого сигнала используется аналоговый или цифровой сигнал АРУ. Однако последний обычно формируется с некоторой задержкой, что неприемлемо для ряда систем наведения. В этом случае на ЗС целесообразно установить отдельный приемник наведения.

Следует отметить, что, кроме пакетных, существует еще одна группа специализированных модемов -- с шумоподобными сигналами (ШПС). В ССС применение ШПС обусловлено необходимостью обеспечения электромагнитной совместимости различных систем связи и повышения пропускной способности системы с помощью многостанционного доступа с кодовым разделением (МДКР).

В настоящее время оборудование для ССС, где используются широкополосные сигналы, на рынке почти не представлено. Поэтому при выборе модема ШПС возникают серьезные трудности, логическим завершением которых является в ряде случаев необходимость заказать разработку такого модема.

Одним из важных аспектов, влияющих на стоимость изготовления и эксплуатации ЗС, является надежность работы оборудования этой станции, в частности модемов. У современных модемов время наработки на отказ равно примерно 30 тыс. ч, что при отсутствии повышенных требований к надежности ЗС позволяет обходиться без их резервирования.

Цена модемов всегда является коммерческой тайной поставщика и покупающей их организации. Она зависит от многих факторов. Однако можно сказать следующее: модемы со скоростью передачи данных от 9,6 до 2048 Кбит/с стоят от 5 до 8 тыс. долл.

Размещено на Allbest.ru