Аналоговая модуляция

При аналоговой модуляции информация кодируется изменением параметров синусоидального сигнала несущей частоты - амплитуды, частоты или фазы. Функции модуляции несущего синусоидального сигнала на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, выполняет модем.

В зависимости от того, какой параметр сигнала изменяется, различают амплитудную, частотную и фазовую модуляция (рис. 4.15).

Рис. 4.15 - Различные типы аналоговой модуляции

На рис. 4.15 а показана последовательность бит исходной информации. Логическая единица представляется потенциалом высокого уровня, логический нуль – потенциалом нулевого уровня. Такой способ кодирования называемый потенциальным, часто используется при передаче данных между блоками компьютера.

При амплитудной модуляции (АМ, Amplitude Modulation - AM) (рис. 4.15 б) изменяется амплитуда синусоиды несущего сигнала. Логической единице соответствует наличие сигнала (или сигнал большей амплитуды), а логическому нулю – отсутствие сигнала (или сигнал с меньшей амплитудой). Частота сигнала при этом остается постоянной.

Недостатками амплитудной модуляции является низкая помехоустойчивость и повышенные требования к затуханию сигнала в канале связи. Достоинство – узкий частотный спектр и простота аппаратной реализации.

Амплитудная модуляция редко используется в чистом виде, но часто применяется в сочетании с фазовой модуляцией.

При частотной модуляции (ЧМ, Frequency Modulation – FM) (рис. 4.15 в) изменяется частота несущего сигнала. Логической единице соответствует сигнал более высокой частоты, а логическому нулю – сигнал более низкой частоты (или наоборот). Амплитуда сигнала при этом остается постоянной. Этот факт является большим преимуществом по сравнению с амплитудной модуляцией – повышается помехоустойчивость и снижаются требования к затуханию синала.

Частотная модуляция просто реализуема и обычно применяется при низкоскоростной передаче данных (от 300 до 1200 бит/с).

При фазовой модуляции (ФМ, Phase Modulation - PM) (рис. 4.15 г) изменяется сдвиг фазы несущего сигнала. Значениям 0 и 1 соответствуют сигналы с различной фазой, но с одинаковой амплитудой и частотой.

В качестве значений фазы сигнала могут быть выбраны значения 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов, в зависимости от того, какую скорость передачи информации требуется получить.

Для повышения скорости передачи данных используют комбинированные методы модуляции. Наиболее распространенным является квадратурная амплитудная модуляция (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Этот метод основаны на сочетании фазовой модуляции с 8 значениями фазы и амплитудной модуляции с 4 уровнями амплитуды. Из 32 возможных комбинаций амплитуды и сдвига фазы для передачи данных в разных модификациях метода используются всего несколько. Остальные комбинации являются запрещенными и позволяют распознавать искаженные данные на физическом уровне.

Требования к методам цифрового кодирования

При выборе способа кодирования необходимо учитывать степень достижения следующих целей:

• Минимизация ширины спектра сигнала;

• Обеспечение синхронизации между передатчиком и приемником;

• Способность распознавать ошибки;

• Упрощение сетевой аппаратуры.

• Низкая стоимость реализации.

Более узкий спектр сигнала позволяет добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, т.е. наличия постоянного тока между передатчиком и приемником.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи.

При обмене данными между близко расположенными устройствами (например, между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером) применяется схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи (рис. 4.16).

Рис. 4.16 - Синхронизация приемника и передатчика на небольших расстояниях

Информация снимается с линии связи только в момент прихода тактового импульса.

В сетях такая схема не может применяться по двум причинам:

• На разных участках кабеля скорость распространения сигнала различная, вследствие неоднородности его характеристик. По этой причине на больших расстояниях тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно.

• Дополнительные затраты на организацию тактирующей линии (расход кабеля и число устройств передачи информации возрастает в два раза).

Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика информацию о том, в какой момент времени нужно считывать очередной бит (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала (фронт) может служить указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

При аналоговой модуляции сигнал также обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды сигнала дает возможность приемнику определить момент появления информации на линии.

Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эта функция выполняется протоколами вышележащих уровней (канального, сетевого, транспортного или прикладного). С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, т.к. кадр отбраковывается при распознавании ошибочных бит внутри него.

Требования, предъявляемые к методам цифрового кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из методов обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.