Лекция 8x - Ставропольский государственный аграрный

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Экономический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой
________________________
«___»_____________201_ г.
ЛЕКЦИЯ №8
по дисциплине «Теория информационных процессов и систем»
Модуляция сигналов
для студентов
230400.62
направления
«Информационные системы и
технологии»
шифр
Наименование направления
(специальности)
Рассмотрено УМК
" " ___________ 201_ года
протокол N ______________
Ставрополь – 201_ г.
Цель лекции
Дать систематизированные основы научных знаний по указанной теме
занятия.
Учебные вопросы:
1. Состав системы передачи информации.
2.Амплитудная модуляция.
3.Частотная модуляция.
4. Фазовая модуляция.
Время- 2 часа
1. Состав системы передачи информации.
Если говорить своими словами, то модуляция-это процесс
преобразования одного сигнала в другой, для того чтобы передать сообщение
в нужное место. А ещё есть процесс обратный модуляции, и называется он
демодуляцией. И заключается он в том, чтобы преобразовать принятое
сообщение в первоначальный вид. Отсюда следует, что процесс полной
передачи сообщения состоит из трёх основных этапов: первый этап, это
процесс изменения сигнала для того, чтобы его передать; второй этап, это
передача сообщения; и третий этап, это возвращение сообщения в его
начальный вид. И даже есть разные виды переносчиков. И для каждого вида
переносчика есть различные виды модуляции.
Ещё есть система связи (Рис. 1). Система связи, она же система
передачи информации, в неё входят передатчик, канал и приёмник.
Передатчик – средство для передачи сообщений. Канал передачи – это
технические устройства и физическая среда, в которой сигналы
распространяются от передатчика к приёмнику. А приёмник – это средство
для приема сообщений и сигналов.
Рис. 1. Общая схема передачи информации
В процессе передачи на сообщения воздействуют различные помехи.
Все помехи для упрощения условно объединены в одном источнике помех.
Характеристики системы связи можно разделить на внешние и внутренние. К
внешним характеристикам, по которым получатель оценивает качество связи,
относят достоверность, скорость и своевременность передачи. Внутренние
характеристики позволяют оценить степень использования предельных
возможностей системы. К ним относятся помехоустойчивость и
эффективность.
Перечисленные важнейшие характеристики систем передачи тесно
связаны между собой. Эффективность использования существующих систем
и обоснованность выбора принципов построения новых систем во многом
будут зависеть от того, насколько полно разработчики аппаратуры
используют свойства сообщений, сигналов и помех, а также особенности их
преобразований в каналах и различных свойствах системы.
Понятие модуляции
Процесс преобразования первичного сигнала заключается в изменении
одного или нескольких параметров несущего колебания по закону изменения
первичного сигнала (то есть в наделении несущего колебания признаками
первичного сигнала) и называется модуляцией.
Перенос сигнала из одной точки пространства в другую осуществляет
система электросвязи. Электрический сигнал является, по сути, формой
представления сообщения для передачи его системой электросвязи.
Обычно в качестве переносчика используют гармоническое колебание
высокой частоты – несущее колебание. Гармоническое колебание, выбранное
в качестве несущего, полностью характеризуется тремя параметрами:
амплитудой, частотой и начальной фазой. Модуляцию можно осуществить
изменением любого из трёх параметров по закону передаваемого сигнала.
Источник сообщения формирует сообщение а(t), которое с помощью
специальных устройств преобразуется в электрический сигнал s(t). При
передаче речи такое преобразование выполняет микрофон, при передачи
изображения – электронно-лучевая трубка, при передаче телеграммы –
передающая часть телеграфного аппарата.
Чтобы передать сигнал в системе электросвязи, нужно воспользоваться
каким-либо переносчиком. В качестве переносчика естественно использовать
те материальные объекты, которые имеют свойство перемещаться в
пространстве, например, электромагнитное поле в проводах (проводная
связь), в открытом пространстве (радиосвязь), световой луч (оптическая
связь).
Таким образом, в пункте передачи первичный сигнал s(t) необходимо
преобразовать в сигнал v(t), удобный для его передачи по соответствующей
среде распространения. В пункте приёма выполняется обратное
преобразование. В отдельных случаях (например, когда средой
распространения является пара физических проводов, как в городской
телефонной связи) указанное преобразование сигнала может отсутствовать.
Доставленный в пункт приёма сигнал должен быть снова преобразован
в сообщение (например, с помощью телефона или громкоговорителя при
передаче речи, электронно-лучевой трубки при передаче изображения,
приёмной части телефонного аппарата при передачи телеграммы) и затем
передан получателю.
Передача информации всегда сопровождается неизбежным действием
помех и искажений. Это приводит к тому, что сигнал на выходе системы
электросвязи s(t)и принятое сообщение a(t) могут в какой-то мере отличаться
от сигнала на входе s(t)и переданного сообщения а(t). Степень соответствия
принятого сообщения переданному называют достоверностью передачи.
Для различных сообщений качество их передачи оценивается поразному. Принятое телефонное сообщение должно быть достаточно
разборчивым, абонент должен быть узнаваемым. Для телевизионного
сообщения существует стандарт (хорошо известная всем телезрителям
таблица на экране телевизора), по которому оценивается качество принятого
изображения.
Количественной оценкой верности передачи дискретных сообщений
служит отношение числа ошибочно принятых элементов сообщения к числу
переданных элементов – частота ошибок (или коэффициент ошибок).
Модуляция осуществляется для передачи данных с помощью
электромагнитного излучения. Обычно модификации подвергается
синусоидальный сигнал (несущая).
2.Амплитудная модуляция.
В радиосвязи чаще всего используют амплитудную (АМ, AM –
amplitude modulation), частотную (ЧМ, FM – frequency modulation) и фазовую
(ФМ, РМ – phase modulation) модуляции. При передаче сообщения,
представленного дискретными символами, вместо термина "модуляция"
применяется термин "манипуляция", а само колебание называется
манипулированным.
Несущая – синусоидальный сигнал определенной частоты с низким
коэффициентом затухания для данной среды передачи, модулируемый
полезным сигналом.
Амплитудная модуляция – это модуляция, при которой незатухающие
колебания изменяются по амплитуде в соответствии с модулирующими
колебаниями более низкой частоты (рис. 2.1).
Рис. 2.1 Амплитудная модуляция
В радиовещании в длинно- и средневолновом диапазонах радиоволн
широко используется амплитудная модуляция сигнала. На вход модулятора
подаются опорный и передаваемый (модулирующий) сигналы, а на выходе
получают смодулированный, положительная огибающая которого и есть
исходный сигнал. Для корректного преобразования необходимо, чтобы
несущая частота была в два раза выше, чем верхняя граница полосы
модулирующего сигнала. Спектр амплитудно-модулированного колебания
содержит составляющую несущей частоты fн (рис. 2.2) и две боковые полосы
(верхнюю ВБП и нижнюю НБП), имеющие спектр, подобный спектру
модулирующего колебания (рис. 2.3).
Рис. 2.2 Спектры модулирующего и модулированного колебаний
Рис. 2.3. Спектр АМ сигнала с боковыми полосами
Таким образом, спектр модулированного сигнала симметричен, и для
рационального использования передающего оборудования одну из боковых
полос спектра передаваемого сигнала подавляют. При использовании разных
частот опорного сигнала можно одновременно передавать несколько
независимых сигналов, только необходимо соблюсти условие непересечения
полос смодулированных сигналов. Данный способ модуляции довольно
прост в реализации, но менее устойчив к помехам, чем другие методы,
рассматриваемые ниже. Помехонеустойчивость объясняется относительно
узкой полосой модулированного сигнала (всего в два раза шире, чем у
исходного). Тем не менее это обстоятельство позволяет использовать
амплитудную модуляцию в низко- и среднечастотных диапазонах
электромагнитного спектра. Амплитудная манипуляция используется в
низкоскоростных информационных системах (скорость менее 600 бит/с).
3.Частотная модуляция.
Частотная модуляция (ЧМ, FM - Frequency modulation)– это модуляция,
при которой несущая частота сигнала изменяется в соответствии с
модулирующим колебанием.
При частотной модуляции модулирующий сигнал модулирует не
мощность опорного сигнала, а его частоту (рис. 3), т. е. если уровень сигнала
увеличивается, то частота растет и наоборот. Из-за этого спектр частотномодулированного сигнала значительно шире, и соответственно, хорошая
помехоустойчивость, но необходимо использовать высокочастотные
диапазоны вещания. Частотная манипуляция находит применение в модемах,
обеспечивающих скорость передачи 1200–1800 бит/с.
Рис. 3. Частотная модуляция
Модем – внешнее или внутреннее устройство, подключаемое к
компьютеру для передачи и приема сигналов по телекоммуникационным
(телефонным) линиям. Для трансляции сигнала по аналоговой линии связи
модем преобразует цифровой сигнал, полученный от компьютера, в
аналоговую форму. При приеме сигнала модем выполняет обратное
преобразование.
Возможны два вида частотной манипуляции: с разрывом фазы и без
разрыва. В настоящее время на высоких скоростях применяется только
последний вид.
4. Фазовая модуляция
С увеличением числа используемых частот происходит переход к mичной частотной манипуляции, применение которой позволит повысить
скорость передачи символов (бит/с). Фазовая модуляция (ФМ, PSK - phaseshift keying) – это модуляция, в которой при изменении от "0" к "1" и от "1" к
"0" фаза синусоидальной несущей изменяется на 180º. При фазовой
модуляции модулирующий сигнал модулирует фазу опорного сигнала. При
модулировании цифровым (дискретным) сигналом получается сигнал с очень
широким спектром, так как фаза резко поворачивается (двоичный сигнал – на
180º) (рис.4), поэтому ее с успехом применяют для обеспечения
помехозащищенной цифровой связи в высокоскоростных модемах.
Рис. 4. Фазовая модуляция
Возможны два вида фазовой манипуляции: абсолютная и
относительная. Абсолютная фазовая манипуляция – это такой вид
манипуляции несущей, при котором ее фаза изменяется на π (180°) всякий
раз при изменении знака (полярности) посылки первичного сигнала.
Относительная фазовая манипуляция – это такой вид манипуляции несущей,
при котором ее фаза изменяется на π (180°) всякий раз при изменении знака
(полярности) посылки первичного сигнала "на минус" (0). Название
"относительная" говорит о том, что фаза данной n-й посылки формируется
относительно фазы предыдущей (n - 1)-й посылки.
Для передачи аналогового сигнала по цифровым линиям связи
производят дискретизацию с определенной частотой, определенной из
расчета не менее чем в 2 раза выше верхней границы полосы аналогового
сигнала (по теореме Котельникова). В каждый момент квантования
вычисляется и кодируется в цифровое значение уровень аналогового сигнала.
Качество модуляции напрямую зависит от частоты дискретизации и
разрядности кодирования каждого уровня. В цифровой телефонии
используют 8-битное кодирование (256 уровней, 11 кГц), в CD-Audio
используют 16-битное кодирование (65 536 уровней сигнала, 44,1 кГц), а в
DVD-Audio, например, 24бит/192 кГц.
В телекоммуникационных сетях несколько ПЭВМ объединяются в
модулированную сеть. Модулированная сеть – это локальная
вычислительная сеть, в которой устройства соединены коаксиальным или
оптоволоконным кабелем; передача данных осуществляется с помощью
модуляции аналоговых сигналов; вся полоса пропускания среды передачи
разбивается на несколько интервалов (полос), каждый из которых служит
каналом связи. Модулированные сети могут одновременно передавать
телепрограммы, речь, двоичные данные и т. п.