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 импульсов
С увеличением напряжения модулирующего сигнала увеличивается амплитуда несущего сигнала	С увеличением напряжения модулирующего сигнала увеличивается сдвиг относительно такта времени	С увеличением напряжения модулирующего сигнала изменяется фаза несущего колебания

Цифровая модуляция (манипуляция)

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

Определение:

Цифровой модуляцией называется процесс преобразования битов в соответствующие аналоговые сигналы.

Носителем так же, как и в случае аналоговой модуляции является колебание, но состояний у него всего два, поскольку передача идет только двух сигналов 0 и 1. В зависимости от того, какой параметр несущего колебания изменяется, различают несколько видов цифровой модуляций:

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