Физический уровень - Модуляции

Введение

Для начала разберемся, зачем вообще нужна модуляция и что она из себя представляет.

Зачем нужна модуляция?

В рамках одного устройства для передачи информации используются низкочастотные колебания, передача которых на расстояние свыше нескольких метров крайне затруднительна, в силу их быстрого ослабевания. Но нам все равно хочется передавать сигналы на большие расстояния, вот тут на помощь приходит модуляция.

В чем суть модуляции?

Возьмем высокочастотное колебание. Само по себе оно не несет никакой информации. Его мы будем использовать в качестве основного компонента передаваемого сигнала. Частоту этого колебания называют несущей. Для того, чтобы начать передавать полезную информацию, нам нужно каким-нибудь образом видоизменить несущую частоту так, чтобы она повторяла закономерности сигнала, который мы хотим передать. Иными словами, нам нужно сделать так, чтобы она несла информацию о нашем полезном сигнале. Это самое видоизменение называется модуляцией. Модуляция осуществляется с помощью модулятора со стороны отправителя, а с помощью демодулятора на стороне получателя высокочастотный сигнал преобразуется обратно в низкочастотный. Они собраны в одно устройство под названием модем, которое получилось благодаря слиянию слов МОдулятор и ДЕМодулятор. Есть разные принципы модуляции, некоторые из которых рассмотрим ниже. Самым древним методом модуляции можно назвать прерывание несущей частоты, которое использовалось в телеграфах. Этот метод, конечно, нельзя назвать в полной мере модуляцией, но тем не менее о нем нельзя не упомянуть в данной теме.

Виды модуляции

Теперь рассмотрим более формальные определения.

Определение:

Модуляцией называется процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала.

Определение:

Модулирующий сигнал - сигнал, хранящий передаваемую информацию.

Определение:

Несущий сигнал - сигнал, выполняющий роль переносчика информации.

Определение:

Модулированный сигнал - сигнал, получающийся после посадки модулирующего сигнала на несущий сигнал.

В зависимости от типа несущего сигнала используются разные виды модуляции. Ниже представлена таблица соответствия типа сигнала виду модуляции.

Несущий сигнал

Фиксированный уровень	Гармонический сигнал	Импульсы
Прямая модуляция	Аналоговая модуляция	Импульсная модуляция
	Цифровая модуляция

Прямая модуляция

Это самый простой вид модуляции, при котором передача того или иного сигнала происходит путем изменения напряжения.

Зададим нормальное напряжение [math]U_H[/math], тогда при уменьшении нормального уровня напряжения на [math]\Delta U_M[/math] передается двоичный 0, а при увеличении на ту же величину двоичная 1.
Для кодирования нескольких одинаковых значений подряд зададим промежуток времени [math]\Delta t[/math], в течение которого передается одна цифра.

Аналоговая модуляция

Носителем этого типа модуляции является колебание.

В зависимости от того, какой параметр несущего колебания изменяется, различают 3 основных вида аналоговой модуляций:

• Амплитудная
• Фазовая
• Частотная

Аналоговая модуляция

Амплитудная	Фазовая	Частотная
Меняется амплитуда импульсов	Меняется фаза колебания	Меняется частота колебания
С увеличением амплитуды модулирующего сигнала увеличивается амплитуда несущего сигнала	С увеличением амплитуды модулирующего сигнала увеличивается сдвиг относительно такта времени	С увеличением амплитуды модулирующего сигнала увеличивается частота несущего колебания

Цифровая модуляция (манипуляция)

Тот самый вид модуляции, который используется для передачи данных в компьютерных сетях.

Определение:

Цифровой модуляцией называется процесс преобразования битов в соответствующие аналоговые сигналы.

Цифровую модуляцию принято называть манипуляцией, поэтому часто может встречаться именно этот термин.
Носителем так же, как и в случае аналоговой модуляции является колебание.

Основные методы цифровой модуляции

Так же, как и в других видах модуляции, цифровая делится на разные методы преобразования, в зависимости от того, какой параметр несущего колебания изменяется:

• Амплитудная
• Частотная
• Фазовая
• Квадратурная амплитудная (амплитудно-фазовая)

Цифровая модуляция

Амплитудная (ASK - Amplitude Shift Keying)	Частотная (FSK - Frequency Shift Keying)	Фазовая (PSK - Phase Shift Keying)	Квадратурная амплитудная (QAM - Quadrature Amplitude Modulation)
Меняется амплитуда импульсов	Меняется частота импульсов	Меняется фаза колебания	Меняется одновременно и амплитуда, и фаза
Для передачи 1 используется большая амплитуда, для передачи 0 - малая, иногда нулю соответствует отсутствие колебания.	Для передачи 1 используется высокая частота колебаний, для передачи 0 - низкая.	Для передачи 1 используется сдвиг фазы на [math]\pi /2[/math].	Для передачи 1 используется большая амплитуда и сдвиг фазы на [math]\pi /2[/math].

Многопозиционные методы

Для разных видов манипуляции существуют методы, позволяющие передавать не только 0 и 1 в рамках одного сигнала, такие методы получили название многопозиционные. Суть этих методов в том, что один элемент линейного сигнала несет информацию о большем числе битов, чем в обычных двухпозиционных методах. Работает это очень просто. Например, в многопозиционной амплитудной манипуляции зададим не 2 амплитуды, которые будут кодировать 0 или 1, а 4, которые будут соответствовать 00, 01, 10, 11 по мере увеличения амплитуды. Для многопозиционной частотной манипуляции используется больше частот, а для многопозиционной фазовой манипуляции, соответственно, больше сдвигов. Да, это действительно позволяет повысить удельную скорость передачи информации, но при этом начинают возникать ошибки, связанные с погрешностью передачи.

Рассмотрим самые распространенные методы:

BPSK, QPSK, 8-PSK

Фазовые манипуляции

BPSK	QPSK	8-PSK
Binary Phase Shift Keying является обычной бинарной фазовой манипуляцией, которую мы рассматривали выше в рамках основных методов, позволяет закодировать 1 бит информации за сигнал. Не является многопозиционным методом.	Quadrature Phase Shift Keying переводится как квадратурная фазовая манипуляция и представляет собой разделение на 4 фазы, которые позволяют закодировать 2 бита за сигнал.	8 Phase Shift Keying представляет собой разделение на 8 фаз, которые позволяют закодировать 3 бита за сигнал.

QAM-16, QAM-64

С простой квадратурной амплитудной манипуляцией мы уже знакомы, теперь посмотрим на 2 многопозиционные вариации. Напомню, что это комбинация амплитудной и фазовой манипуляций. QAM-16 использует 16 комбинаций амплитудных и фазовых сдвигов, которые позволяют передавать 4 бита информации за 1 сигнал, а с помощью QAM-64, который использует 64 комбинации, можно передать целых 6 бит за сигнал. Каждая комбинация задается углом, который соответствует фазе и расстоянием от начала координат, которое показывает величину амплитуды. Ниже показана симуляция принципа работы квадратурной амплитудной манипуляции на примере QAM-16 и расположение точек для QAM-16 и QAM-64 соответственно.

Импульсная модуляция

При импульсной модуляции носителем сигнала являются импульсы.

Импульсная модуляция делится на 4 основных вида:

• Амплитудно-импульсная
• Широтно-импульсная
• Частотно-импульсная
• Фазово-импульсная

Импульсная модуляция

Амплитудо-импульсная	Широтно-импульсная	Частотно-импульсная	Фазово-импульсная
Меняется амплитуда импульсов	Меняется длительность (ширина) импульсов	Меняется частота импульсов	Меняется сдвиг импульсов относительно тактовых моментов времени
С увеличением напряжения модулирующего сигнала увеличивается амплитуда несущего сигнала	С увеличением напряжения модулирующего сигнала увеличивается длительность импульсов	С увеличением напряжения модулирующего сигнала увеличивается частота импульсов	С увеличением напряжения модулирующего сигнала увеличивается сдвиг относительно такта времени

Мультиплексирование

Сами по себе, схемы модуляции позволяют посылать только один сигнал, что достаточно плохо, учитывая количество пользователей сетями. Поэтому были разработаны схемы мультиплексирования, которые позволяют многим сигналам совместно использовать одни линии.

Частотное уплотнение FDM

Частотное уплотнение использует передачу в полосе пропускания, чтобы совместно использовать канал. Спектр делится на диапазоны частот, каждый пользователь получает владение некоторой полосой, в которой он может послать свой сигнал. Наглядным примером частотного уплотнения служит AM-радиовещание. Его выделенный спектр составляет приблизительно 1 МГц, примерно от 500 до 1500 кГц. Другие частоты выделены другим логическим каналам (станциям), каждая станция действует в части спектра, с межканальным разделением, достаточно большим, чтобы предотвратить помехи.

На рисунке приведен пример объединения трех телефонных линий в одну. Можно заметить, что каждой линии выделяется полоса в 4000 Гц, хотя она занимает примерно 3100 Гц. Избыток в 900 Гц называется защитной полосой. Она сохраняет каналы хорошо отделенными друг от друга.

Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением OFDM

При отправке цифровых данных возможно эффективно разделить спектр, не используя защитные полосы. В OFDM полоса канала разделена на многие поднесущие, которые независимо передают данные (например, с квадратурной амплитудной модуляцией). Поднесущие плотно упакованы вместе в частотной области, но из за того, что характеристика каждой поднесущей разработана так, чтобы в центре смежных поднесущих это был ноль, каждая из них может быть выбрана в своей центральной частоте без помех от соседних.

Мультиплексирование с разделением времени TDM

Альтернатива частотному уплотнению FDM - временнОе уплотнение TDM. В этом методе каждый пользователь получает в пользование всю полосу, но на небольшой отрезок времени. Чтобы все работало, потоки должны быть синхронизированы по времени. Чтобы компенсировать небольшие отклонения синхронизации, между блоками имеется небольшой промежуток времени, именуемый защитным интервалом.

Мультиплексирование со статистическим временным разделением STDM

Метод аналогичен предыдущему, только отдельные потоки поступают в мультиплексный поток не по фиксированному распорядку, а согласно статистике их запросов.

Кодовое разделение каналов CDM

В кодовом разделении каналов, в отличии от FDM и TDM, для каждого узла выделяется весь спектр частот и всё время. CDM использует специальные коды для идентификации соединений. При таком способе разделения среды каналы трафика создаются посредством применения широкополосного кодо-модулированного радиосигнала — шумоподобного сигнала, передаваемого в общий для других аналогичных передатчиков канал в едином широком частотном диапазоне. Эфир в данном частотном диапазоне в результате работы нескольких передатчиков становится ещё более шумоподобным. Каждый передатчик модулирует сигнал с применением присвоенного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода, а приёмник, настроенный на аналогичный код, может вычленять из общей кучи радиосигналов ту часть сигнала, которая предназначена данному приёмнику.