1.1.4. Носители сигналов и их модуляция

Итак, назначение сигналов заключается в том, чтобы с помощью параметров какого либо физического процесса отобразить информацию (а именно события, величины, функции).

Преобразование сигнала, заключающееся в изменении какого-либо его информативного параметра в соответствии с передаваемым сообщением, называется модуляцией. Чаще всего для этих целей используется изменение параметров колебаний или импульсных последовательностей. Обратные операции восстановления величин, вызвавших изменение параметров при модуляции, называются демодуляцией.

Д ля образования сигналов используются фиксированный уровень (рис. 1.8, а), колебания (рис. 1.8, б) или импульсы (рис. 1.8, в) любой физической природы, которые рассматриваются как носители информации. В исходном состоянии эти носители представляют собой как бы чистую поверхность, подготовленную к нанесению необходимых данных — модуляции. Последняя заключается в том, что изменяется какой-либо один или несколько (сложная модуляция) параметров носителя в соответствии с передаваемой информацией. Эти параметры будем называть информационными.

Если обозначить параметры носителя через a₁,a₂ ..., a_n, то носитель как функция времени может быть представлен в виде

U_Н=g(a₁,a₂ ..., a_n,t)

Модулированный носитель (сигнал) можно описать в виде

U_X=g(a₁,…, a_i+a_i(t),…, a_n, t)

где a_i(t) —переменная составляющая параметра носителя, несущая информацию, или модулирующая функция. Последняя обычно связана с информационной (управляющей) функцией х линейной зависимостью

a_i=Кх,

где К—коэффициент пропорциональности.

Первый тип носителя Uн(t) —постоянное состояние (рис. 1.8, а), например, постоянное напряжение имеет только один информационный параметр; это в данном случае—значение напряжения, причем модуляция сводится к такому изменению напряжения, чтобы оно в определенном масштабе представляло передаваемые данные. При этом может изменяться и полярность напряжения.

Второй тип носителя—колебание (рис. 1.8, б), например, переменное напряжение содержит три таких параметра: амплитуду U, фазу , частоту  (или период T=2 /).

Третий тип носителя—последовательность импульсов (рис. 1.8, в) предоставляет еще большие возможности. Здесь параметрами модуляции могут быть: амплитуда импульсов U, фаза импульсов , частота импульсов f, длительность импульсов или пауз , число импульсов n и комбинация импульсов и пауз, определяющая код k. В последнем случае имеет место так называемая кодо-импульсная модуляция.

Ниже приводится перечень основных видов модуляции для носителей перечисленных типов с их названиями и обозначениями.

Носитель первого типа (рис. 1.8, а)

ПМ—прямая модуляция.

П р и м е ч а н и е. Изменение постоянного напряжения или тока избегают называть модуляцией, хотя последняя (от латинского modulatio — мерность) характеризует придание размера вообще.

Носитель второго типа (рис. 1.8, б)

AM—амплитудная модуляция (AM—amplitude modulation);

ЧМ—частотная модуляция (FM—frequency modulation);

ФМ—фазовая модуляция (РМ—phase modulation).

П р и м е ч а н и е. Частотную и фазовую модуляцию иногда называют угловой модуляцией.

Носитель третьего типа (рис. 1.8, в)

АИМ—амплитудно-импульсная модуляция (РАМ— pulse-amplitude modulation);

ЧИМ—частотно-импульсная модуляция (PFM— pulse-frequency modulation);

ВИМ—время-импульсная модуляция (РТМ—pulse-time modulation);

ШИМ—широтно-импульсная модуляция (PDM— pulse-duration modulation);

ФИМ—фазо-импульсная модуляция (РРМ—pulse-phase modulation);

СИМ—счетно-импульсная модуляция (PNM—pulse-number modulation);

КИМ—кодо-импульсная модуляция (РСМ—pulse-code modulation).

П р и м е ч а н и я:

1) ШИМ и ФИМ являются частными случаями ВИМ.

2) Строго говоря, КИМ нельзя рассматривать как отдельный вид модуляции, хотя этот термин и получил широкое распространение; при КИМ используется любой вид модуляции носителя, параметры которого отображают кодовые величины.

3) Счетно-импульсная модуляция (СИМ) является частным случаем КИМ: информация передается числом импульсов.

Т ипичные сигналы, различающиеся видами модуляции, показаны на рис. 1.9 для случая равномерного возрастания отображаемой величины х(t). Как видно, счетно-импульсная (СИМ) и кодо-импульсная модуляции (КИМ) связаны с квантованием по уровню непрерывной величины х: АИМ, ЧИМ, ВИМ, СИМ и КИМ неизбежно приводят к дискретности отсчетов во времени. Другие виды модуляции принципиально сохраняют непрерывную структуру информации.

Амплитудно-импульсная модуляция имеет две разновидности: АИМ-1, при которой верхние участки импульсов (амплитуды) повторяют форму модулирующей функции (огибающей); АИМ-2, при которой амплитуда в пределах элементарного импульса остается неизменной, определяемой значением модулирующей функции в начале импульса (рис. 1.10).

Время-импульсная модуляция выполняется в нескольких вариантах, дополнительно представленных на рис. 1.11. Информационным параметром сигналов ШИМ служит ширина импульсов или пауз, а сигналов ФИМ — расстояние между первым (опорным) и вторым (информационным) импульсами каждого периода. Следует обратить внимание на отличительные особенности симметричной модуляции ШИМ-С и ациклических—ШИМ-А и ФИМ-А. Последние наиболее экономичны, так как в них практически отсутствуют неиспользуемые промежутки времени. Значащие интервалы вплотную прилегают один к другому, а короткие импульсы или паузы размечают границы.

Все импульсные сигналы могут иметь высокочастотное заполнение — сигнал несущей частоты. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, применяют двойные обозначения видов модуляции, например АИМ-ЧМ, КИМ-ЧМ и т. д., где второй вид модуляции относится к сигналам несущей частоты.