Шаг 5. Модуляция

Рассмотрим ещё один сложный сигнал на осциллографе.

Это аналоговый сигнал модулированный по амплитуде. О чём же идёт речь? Если ставится задача передать информацию, например, от микрофона в гарнитуре к телефону «по воздуху», то для её решения необходимо сначала считать голос (звук) и затем каким-либо способом передать его в телефон. Сейчас подобно рода задачи уже имеют множество изящных решений оптимальных по тем или иным параметра. Для наглядности можно рассмотреть пример.

На рисунке кратко описывается суть процедуры модуляции сигнала. В своей основе понятие модуляции связано с изменением какого-либо параметра одного сигнала (высокочастотного) в зависимости от другого (низкочастотного). Существует разнообразное количество схем (видов) модуляции, которые позволяют передавать сигнал наилучшим образом в той или иной ситуации, но всё сводится к изменению либо амплитуды, либо частоты или начальной фазы сигнала.

Низкочастотный сигнал несёт информацию. Например, в нашем случае, для простоты, это какой-нибудь однотональный звук, т.е. простой сигнал. В зависимости от амплитуды этого сигнала изменяется огибающая высокочастотного сигнала. Высокочастотный сигнал называется «несущим», в том смысле, что он переносит (несёт) информацию. Иногда можно передавить информационный сигнал без процедуры модуляции. В реальности же сигналы передаются через какую-нибудь физическую среду, да ещё и в условиях помех. Для того чтобы в этом случае успешно передать сигнал и применяется модуляция.

Убедится в пользе модуляции можно проделав некоторые расчёты. Известно, что сигналы «по воздуху» передаются в основном с помощью электромагнитных полей, в которых распространяются волны. Излучаются и принимаются волны антеннами. Волны характеризуются «длиной волны». Данная величина обратна частоте волны, которая соответствует частоте передаваемого сигнала. Очевидно, что чем частота больше, тем меньше длина волны. Размеры антенн зависят от длин волн с которыми они работают. Поэтому чем больше частота сигнала, тем меньшего размера нужна антенна. Например, если попытаться передать из гарнитуры в телефон звук 'До' 5-ой октавы (это 4186.0 Гц), то размер антенны составит порядка 18 км длиной. А если использовать частоты из спецификации Bluetooth (около 2.4 ГГц), то размер антенны будет всего лишь 3 см. Конечно расчёты оценочные, но результат позволяют убедиться в пользе модуляции.

Как уже говорилось, схем модуляции существует большое количество. Однако цифровые схемы модуляции немного отличаются от аналоговых, частично рассмотренные выше. Поэтому следует обратить внимание и на них. Как и в аналоговых схемах, всё сводится к изменению в основном трёх параметров: частоты, фазы и амплитуды, за исключением того, что параметры меняются скачками. Такого рода модуляцию называют «манипуляцией» (англ. shift key). На рисунке ниже представлены схемы амплитудной (ASK), частотной (FSK) и фазовой (PSK) манипуляций.

В современных системах связи большую популярность получила разновидность амплитудной манипуляции QAM (квадратурная). Суть которой заключается в синтезе сигнала из суммы двух простых сигналов, разница фаз межу которыми 90 градусов (они находятся в квадратуре). Амплитуды этих простых сигналов меняются дискретно, что, в конечном счете, образует сигнал с дискретным изменением и амплитуды и фазы одновременно. Удобно изобразить все возможные состояния на фазовой плоскости. На рисунке выше такая плоскость приведена для модуляции 16-QAM, т.е. 16 различных состояний может быть закодировано одним символом QAM модуляции, что соответствует 4-битам информации. Кстати, исходя из таких соображений — фазовую манипуляцию можно рассматривать как частный случай. Например, QPSK манипуляция может быть названа как 4-QAM. Таким образом, можно изменяя схему манипуляции увеличивать или уменьшать скорость потока данных. Однако, увеличивая скорость, приходится жертвовать помехоустойчивостью. В различных каналах связи применяется «золотая середина». Наряду с неоспоримыми плюсами у QAM есть и недостатки. Рассмотренные схемы модуляции часто не используются в чистом виде. Обо всём этом можно прочитать в книгах по современным системам связи.