Передача и прием информации

      Рис. 1.4. Структурная схема построения передатчиков второго принципа. 

7. Обзор способов кодирования - декодирования информации

 

     Сигналы от измерительных датчиков и любых  других источников информации передаются по линиям связи к приемникам - измерительным приборам, в измерительно-вычислительные системы регистрации и обработки данных, в любые другие центры накопления и хранения данных. Как правило, информационные сигналы являются низкочастотными и ограниченными по ширине спектра. Каналы связи, напротив, являются высокочастотными, широкополосными и рассчитаны на передачу сигналов от множества источников одновременно с частотным разделением каналов. Перенос спектра сигналов из низкочастотной области в выделенную для их передачи область высоких частот выполняется операцией модуляции[5].

     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) = f(t; a₁, a₂, … a_m). Совокупность параметров a_i определяет форму вспомогательного сигнала. Значения параметров a_i в отсутствие модуляции являются величинами постоянными. Если на один из этих параметров перенести сигнал s(t), т.е. сделать его значение пропорционально зависимым от значения s(t) во времени, 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). 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)[1][4][6].

     Основным  видом несущих сигналов являются гармонические колебания[1]:

     u(t) = U×cos(ωt+φ)

     которые имеют три свободных параметра: U, ω и φ. В зависимости от того, на какой из данных параметров переносится информация, различают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) или фазовую (ФМ) модуляцию несущего сигнала. Частотная и фазовая модуляция взаимосвязаны, поскольку изменяют аргумент функции косинуса, и их обычно объединяют под общим названием - угловая модуляция (angle modulation)[1].

     При использовании в качестве несущих  сигналов периодических последовательностей  импульсов свободными параметрами модуляции могут быть амплитуда, длительность, частота следования импульсов и фаза (положение импульса относительно определенной точки тактового интервала). Это дает четыре основных вида импульсной модуляции: Амплитудно-импульсная модуляция, Широтно-импульсная модуляция, Частотно-импульсная модуляция и фазо-импульсная[1][4][6].

     Амплитудная модуляция

     Амплитудная модуляция (amplitude modulation, АМ) была первым видом модуляции, освоенным на практике. В настоящее время АМ применяется в основном только для радиовещания на низких частотах (не выше коротких волн). Это обусловлено низким КПД использования энергии модулированных сигналов[1].

     АМ соответствует переносу информации s(t) Þ U(t) при постоянных значениях параметров несущей частоты ω₀ и фазы φ₀. АМ – сигнал представляет собой произведение информационной огибающей U(t) и гармонического колебания ее заполнения. Форма записи амплитудно-модулированного сигнала[1]:

     u(t) = U(t)×cos(w_ot+j_o),                                            (1.1)  

     U(t) = U_m×[1+M×s(t)],                                               (1.2)  

     где U_m – постоянная амплитуда несущего колебания при отсутствии модулирующего сигнала s(t), М – коэффициент амплитудной модуляции.

     Значение  М характеризует глубину амплитудной модуляции. В простейшем случае, если модулирующий сигнал представлен одночастотным гармоническим колебанием с амплитудой S_o, то коэффициент модуляции равен отношению амплитуд модулирующего и несущего колебания М=S_o/U_m. Значение М должно находиться в пределах от 0 до 1 для всех гармоник модулирующего сигнала. При значении М<1 форма огибающей несущего колебания полностью повторяет форму модулирующего сигнала s(t), что можно видеть на рис. 1.5.. Малую глубину модуляции М<<1 для основных гармоник модулирующего сигнала применять нецелесообразно, т.к. при этом мощность передаваемого информационного сигнала будет много меньше мощности несущего колебания и мощность передатчика будет использоваться неэкономично[1][4].

         

     Рис. 1.5. Амплитудно-модулированный сигнал. 

      

     Рис. 1.6. Глубокая амплитудная модуляция.

     

     Рис. 1.7. Амплитудная перемодуляция сигнала.

     На  рис. 1.6. приведен пример глубокой модуляции, при которой значение M стремится к 1. Стопроцентная модуляция (М=1) может приводить к искажениям сигналов при перегрузках передатчика, если он имеет ограниченный динамический диапазон по амплитуде несущих частот или ограниченную мощность передатчика (увеличение амплитуды несущих колебаний в пиковых интервалах сигнала U(t) в два раза требует увеличения мощности передатчика в четыре раза)[1][4].

     При М>1 возникает так называемая перемодуляция, пример которой приведен на рис. 1.7.  Форма огибающей при перемодуляции искажается относительно формы модулирующего сигнала, и после демодуляции, если применяются ее простейшие методы, информация может быть искажена.

     Демодуляция АМ-сигналов

     Может выполняться несколькими способами:

     Самый простой способ – двухполупериодное  детектирование (вычисление модуля сигнала) с последующим сглаживанием однополярных полупериодов несущей фильтром низких частот.

     На  рис. 1.8. приведен пример изменения однотонального амплитдно-модулированного сигнала и его физического спектра при детектировании (в реальной односторонней шкале частот и в реальной шкале амплитудных значений гармоник колебаний). Параметры представленного сигнала: несущая частота 30 Гц, частота модуляции 3 Гц, коэффициент модуляции М=1[4].

     

     Рис. 1.8. Изменение однотонального модулированного сигнала при детектировании.

     Как видно на рисунке 1.8., при детектировании спектр модулированного сигнала становится однополярным, переходит на основную несущую частоту 2w_o  и уменьшается по энергии. Основная часть энергии (более 4/5) трансформируется в область низких частот и распределяется между постоянной составляющей и выделенной гармоникой сигнала модуляции в зависимости от значения коэффициента модуляции М. При М=1 энергии равны, при М=0 (в отсутствие сигнала модуляции) вся энергия переходит на постоянную составляющую[1][4].

     Кроме этих составляющих в спектре появляются также 2-я, 3-я и более высокие  гармоники детектированного модулированного сигнала (т.е. на частотах 4w_o±W, 6w_o±W, и т.д.), которые не показаны на рисунке. Энергия второй гармоники не превышает 2%, а остальных и вовсе незначительна. Демодуляторы сигнала выделяют после детектирования только низкочастотный информационный сигнал и подавляют все остальные частоты, включая постоянную составляющую (низкочастотный фильтр с подавлением постоянной составляющей)[1].

           Очевидно также, что  в случае перемодуляции сигнала  исходный информационный сигнал будет  восстанавливаться с ошибкой[1].

           Другой распространенный метод – синхронное детектирование. При синхронном детектировании модулированный сигнал умножается на опорное колебание с частотой несущего колебания. Без учета фазовых углов колебаний[1][4]:

     y(t) = u(t)cos(w_ot) = U(t)cos(w_ot)·cos(w_ot) = 0,5U(t) + 0,5U(t)cos(2w_ot).     (1.3)

Рис. 1.9. Сопостовление двухполупериодного и синхронного детектирования. 

     Как следует из этого выражения, сигнал разделяется на два слагаемых, первое из которых повторяет исходный модулирующий сигнал, а второе повторяет модулированный сигнал на удвоенной несущей частоте 2w_о[1][4].

     На  рис. 1.9. приведено визуальное сопоставление двухполупериодного и синхронного детектирования, которое наглядно показывает практически полное подобие процессов. Но форма новой несущей при синхронном детектировании является чистой гармоникой, в отличие от двухполупериодного детектирования[1][4].

     Физический  амплитудный спектр сигналов после демодуляции однозначно соотносится со спектром входного модулированного сигнала: амплитуды гармоник модулированного сигнала на частоте 2w_о в два раза меньше амплитуд входного сигнала, постоянная составляющая равна амплитуде несущей частоты w_o и не зависит от глубины модуляции, амплитуда информационного демодулированного сигнала в 2 раза меньше амплитуды исходного модулирующего сигнала[1].

     

     Рис. 1.10.

     Замечательной особенностью синхронного детектирования является полная независимость от глубины модуляции, т.е. коэффициент модуляции сигнала может быть больше 1. Пример синхронного детектирования перемодулированного сигнала приведен на рис. 1.10[1][4].

           Однако при синхронном детектировании требуется точное совпадение фаз и частот опорного колебания  демодулятора и несущей гармоники АМ-сигнала. При сдвиге фазы опорного колебания  на Dw относительно несущей частоты выходной сигнал демодулятора оказывается умноженным на косинус фазовой ошибки[1]:

     y(t) = U(t)cos(w_ot)·cos(w_ot-Dj) = 0,5U(t)cos(-Dj) + 0,5U(t)cos(2w_ot-Dj),

     и амплитуда сигнала занижается, а  при Dw=p/2 становится равной нулю.

           При сдвиге частоты  между несущим и опорным колебаниями  сигнал демодулятора оказывается умноженным на гармоническое колебание с разностной частотой[1]:

     y(t) = U(t)cos(w_ot)·cos(w_ot-Dw) = 0,5U(t)cos(-Dwt) + 0,5U(t)cos((2w_o-Dw)t),

     при этом выходной сигнал демодулятора начинает пульсировать с частотой биений (beat) Dw.

           Для синхронизации  опорного колебания с несущей  частотой сигнала в составе демодуляторов используются следящие системы фазовой автоподстройки опорной частоты[4].

     

     Рис. 1.11. Балансная модуляция.

       Сигналы с угловой модуляцией