Модулированные сигналы

Очень часто при передаче по каналам связи сигналы должны удовлетворять целому комплексувзаимно противоречивых требований. С одной стороны,канал связидиктует применять сигналы, форма которых максимально согласуетсяс физической природой канала связи, а с другой стороны, для обеспеченияточности передачи информации и минимизации потерь сигнал должен наилучшим образом повторять по форме или соответствовать каким-либо другим образомизмеряемому физическому процессу. Как всегда, в таких случаях компромисс нужно искать путем усложнения структуры искомого объекта так, чтобы удовлетворение одних требований не влияло или влияло слабо на возможность удовлетворения других требований.

Похожие проблемы есть практически во всех областях человеческойдеятельности. Так, например, в области материаловедения стремление совместить противоречивые требования привело к созданию композиционных материалов с поистине уникальными свойствами. Классический пример – это железобетон. Введение стальной арматуры (в особенности статически напряженной) позволило получить сочетание большой прочности на сжатие простого бетона и большой прочности на растяжение стали. Такого сочетания свойств нет ни у одного из компонентов, взятых по отдельности.

В системах передачи информации выход из затруднительного положения также находят обычно путем использования специальных «композиционных» сигналов, которые называются модулированными. Все модулированные сигналы по структуре одинаковы. Имеется сигнал-носитель, в качестве которого обычно используется периодическое колебание заданной формы, и полезный (информационный) сигнал, который «упрятывается» в какой-нибудь параметр носителя. При этом носитель выбирается с точки зрения эффективности использования канала связи, а полезный сигнал отвечает требованиям передаваемой информации. В качестве цены за улучшение качества применение модулированных сигналов требует некоторого усложнения системы передачи информации путем введения в нее устройств генерирования несущей, модуляции и демодуляции, как это показано на Рис. 15.

Рис. 15. Использование модулированных сигналов

Сигнал-носитель (несущее колебание) вырабатывается специальным генератором. Модулятор осуществляет «встраивание» полезного сигнала в несущее колебание (в качестве одного из параметров). На приемной стороне нужен демодулятор, который извлекает полезный сигнал из модулированного сигнала.

С точки зрения информационного подхода, модуляция и демодуляция являются частными способами реализации кодирования и декодирования (в широком смысле). Рассмотрим кратко основные способы модуляции, которые нашли наибольшее применение в информационно-измерительных системах. Различаются они по виду используемых носителей и по способу «встраивания» полезного сигнала.

Синусоидальное колебание

x(t) =Asin(ωt+ φ)

имеет три параметра: амплитуду A, частоту ω и начальную фазу φ. Если пропорционально информационному сигналу изменяется амплитудаA, то такой способ называетсяамплитудной модуляцией(АМ) (amplitudemodulation). Аналогичным образом получаетсячастотная(ЧМ) (frequencymodulation) ифазовая(ФМ) (phasemodulation) модуляции. (Рис. 16)

Синусоидальный носитель широко используется в радиотехнике, где традиционно сложилась терминология, которая теперь успешно используется и в других областях. Так, изменяющаяся во времени амплитуда АМ‑сигнала называется огибающей, а исходное синусоидальное колебание – несущей (carriersignal).

Рис. 16. Виды модуляции с синусоидальной несущей

Сигнал ограниченной длительности (Рис. 17) называется видеоимпульсом(такого рода сигналы используются при формировании телевизионного сигнала), а такие же сигналы, но заполненные несущим синусоидальным сигналом, –радиоимпульсом(похожие импульсы используются в радиолокации).

В качестве носителя может использоваться также последовательность импульсов прямоугольной или другой формы. У импульсного носителя имеются такие свободные параметры, как амплитуда, частота повторения, длительность, фаза и некоторые другие. Используя эти параметры для «встраивания» полезного сигнала, можно получить различные виды импульсной модуляции. Амплитудно-импульсная модуляция(АИМ) предполагает использование амплитуды каждого импульса для кодирования полезной информации. В случаеширотно-импульсной модуляции(ШИМ) информационным параметром служит длительность импульсов. Прифазоимпульсной модуляции(ФИМ) такую роль выполняет интервал времени, отделяющий момент возникновения импульса от начала текущего периода. Существует большое количество разновидностей импульсной модуляции, но принцип остается общим. Импульсный носитель используют обычно при передаче сообщений по проводным линиям связи, когда требуется обеспечить высокую помехоустойчивость, многоканальность, и для решения других сопутствующих проблем.

Рис. 17. Пример одиночного видео- и радиоимпульса