Модуляція: визначення, види модуляції (аналогова та цифрова модуляція)

Ця похибка не повинна перевищувати 0,5 кроку квантування. Для зменшення шуму квантування необхідно збільшувати кількість рівнів квантування, але це призводить до збільшення розрядності коду, що в свою чергу призводить до розширення спектру передаваємого сигналу:

_дΔf = nf

Тому застосовують нерівномірне квантування..Якщо кроки квантування однакові й не залежать від рівня квантування, то квантування є рівномірним. Якщо ж кроки квантування різні, то маємо нерівномірне квантування.

Процес кодуванняполягає у перетворенні квантованих відліків в кодові комбінації, якими кодуються відповідні рівні. Найчастіше кодування зводиться до запису номера рівня у двійковій системі числення. Це буде натуральний двійковий код. У системах зв'язку з ІКМ застосовують й інші двійкові коди, які надають системам ІКМ більшої завадостійкості . Сукупність 1 і 0 в закодованому відліку називається кодовою групою або кодовою комбінацією. Кількість 1 і 0 в кодовій групі визначає розрядність коду – m.

ІКМ

t

Диференційна ІКМ (ДІКМ)

Оскільки при передачі речових сигналів найбільш ймовірні низькочастотні складові спектра, значення дискретних сигналів в сусідніх точках дискретизації мало відрізняється один від одного, тому можна замість кодування всього відліку кодувати різницю сигналів сусідніх відліків і по цій різниці відновлювати аналоговий сигнал на прийомі. Такий метод модуляції назив. диференційна ІКМ – ДІКМ.

Дельта-модуляція (ДМ)

1

При дельта-модуляції вибирається крок дискретизації набагато менший ніж F

max

Тоді різниця між сусідніми відліками буде значно меншою ніж у ДІКМ. При достатньо малому кроці дискретизації різниця між сусідніми відліками буде такою незначною, що за кожний крок дискретизації в тракт передачі можна передавати «-1», якщо різниця між 2 відліками менша за крок квантування або «+1», якщо ця різниця буде більшою за крок квантування. Таким чином при вибраному кроці дискретизації передаються відомості тільки про знак сигналу.

графік «а» - інформаційний

аналоговий сигнал та результат

квантування

графік «б» - промодульований

сигнал

графік «в» - відновлений у

приймачі сигнал (пунктирними

лініями вказані границі розкиду

миттєвих значень сигналу,

обумовлені шумом квантування)

Переваги:

− більший захист від

перешкод

− менше рівнів квантування і

розрядність коду

Цифрові види модуляції, що найчастіше використовуються у сучасних телекомунікаційних мережах: TC-PAM, QAM, PSK, FSK, GMSK, TCM, DMT

При цифровій модуляції в якості інформаційного виступає цифровий сигнал. Цифрову модуляцію ще називають маніпуляцією.

Основні види цифрової модуляції:

PSK (Phase-Shift Keying) – фазова маніпуляція

При фазовій маніпуляції одному або кільком бітам інформаційного сигналу відповідає значення фази сигнала-переносника. Цей вид модуляції представляють у формі констеляційної діаграми. Компонента I (incident) визначає значення амплітуди, а компонента Q (quadrature) визначає значення фази. Точки на констеляційній діаграмі позначають значення інформаційного сигналу. Як видно з діаграми один стан сигнала переносника може позначати як один,є так і одразу кілька біт інформації.

Розрізняють такі види PSK:

▪ BPSK (Binary Phase-Shift Keying) – «0» кодує фаза 0°, «1» кодує фаза 180° ▪ QPSK або 4-PSK (Quadrature Phase Shift Keying) – використовуються 4 значення фази 0°, 90°, 180° і 270°. Кожне з цих значень фази кодує 2 біта інформації ▪ 8-PSK – використовуються 8 значень фази 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270° і 315°, кожне з яких кодує 3 біта інформації

Сфери застосування: Wireless LAN, EDGE (8-PSK – при швидкостях від 22,4 кбіт/с на слот), UMTS (4-PSK), Bluetooth 2

QAM(Quadrature Amplitude Modulation)

При QAM змінюється одночасно як фаза так і амплітуда сигнала-переносника, що дозволяє збільшити кількість інформації, що передається одним станом. Цей вид модуляції також представляють у формі констеляційної діаграми. Як видно з діаграми один стан сигнала-переносника позначає одразу кілька біт інформації. Це дозволяє використовувати цей вид модуляції у високошвидкісних мережах передачі даних. Але QAM чутлива до завад, що можна побачити на констеляційній діаграмі.

Розрізняють такі різновиди QAM:

▪ QPSK (4-QAM) – одна точка на констеляційній діаграмі кодує 2 біта ▪ 16-QAM - одна точка на констеляційній діаграмі кодує 4 біта

▪ 64-QAM – одна точка на констеляційній діаграмі кодує 6 біт

▪ 256-QAM – одна точка на констеляційній діаграмі кодує 8 біт

Сфери застосування: кабельне телебачення, PDH/SDH мережі, хDSL CAP (Carrierless amplitude/phase modulation)

Цей вид модуляції базується на QAM. Спочатку несуча частота модулюється по фазі та амплітуді, а потім зі спектру промодульованого сигналу видаляють саму несучу частоту, що не несе в собі корисної інформації. На прийомі ця частота відновлюється. Такі маніпуляції виконуються, щоб зменшити частку неінформативної складової в спектрі передаваємого сигналу, що в свою чергу збільшує дальність передачі сигналу і зменшує рівень перехресних завад.

Сфери застосування: xDSL

TCM (Trellis Coded Modulation)

Трелліс-модуляція поєднує можливості модуляції та завадостійкого кодування. TCM можна розглядати як вдосконалення QAM, тому що при TCM до інформаційних бітів додається один надлишковий біт, після чого над інформаційним сигналом виконують QAM. У приймачі сигнал демодулюється на основі алгоритму Вітербі, що дозволяє максимально достовірно вибрати точку на констеляційній діаграмі на основі аналізу прийнятого надлишкового біта і попередньо прийнятих сигналів. Використання TCM дозволяє знизити вимоги до SNR в каналі зв’язку.

Сфери застосування: xDSL

TC-PAM (Trellis coded PAM)

Це суміш АІМ модуляції і трелліс-кодування. Найчастіше застосовується TC-PAM-16. При цьому до кожних 3 біт інформації додається один надлишковий біт подібно до TCM і виконують амплітудно імпульсну модуляцію. В даному випадку амплітуда промодульованого сигналу може приймати одне з 16 значень. Використання TC-PAM дозволяє збільшити дальність передачі і працювати з лініями зв’язку з гіршими значеннями SNR.

Сфери застосування: DSL зокрема SHDSL

DMT (Discrete Multi Tone)

В основу DMT покладено принцип регулювання швидкості передачі даних залежно від параметрів лінії. При цьому використовується певна кількість несучих частот, що дорівнює числу каналів. На етапі встановлення зв’язку виконується перевірка якості лінії. Після цього передавач, на основі даних про рівень завад в частотному діапазоні DMT-сигналу, вибирає для кожного окремого каналу відповідну схему модуляції (для каналів з низьким рівнем шуму використовуються високоефективні але чутливі до шумів методи модуляції, наприклад QAM-64, -256, а для каналів з високим рівнем шуму – простіші алгоритми, наприклад, PSK). При передачі даних інформація буде розподілятися між незалежними каналами пропорційно їх пропускній здатності.

Сфери застосування: xDSL

FSK (Frequency-Shift Keying)

При частотній маніпуляції значенням «0» та «1» інформаційного сигналу відповідають 2 види частот синусоідального сигналу-переносника, при цьому амплітуда аналогового сигналу залишається незмінною. Частотна маніпуляція досить завадостійка, проте неекономно використовує смугу частот. У 80-х роках FSK активно використовувалась для дистанційного налаштування телекомунікаційного обладнання у телефонних мережах Америки (Bell System), але нині цей вид модуляції використовується лише у вибраних низькошвидкісних протоколах.

Сфери застосування:

▪ Технология PLC (Power Line Connection – зв’язок по силовим лініям) ▪ Визначення номеру викликаючого абонента в телефонних мережах (функція Caller_ID)

▪ Аматорський радіозв’язок (Amateur Packet Radio)

▪ Автоматична система повідомлення місце розташування - APRS (Automatic Position Reporting System). Прототип GPS. Використовується при польоті на повітряних кулях

GMSK (Gaussian minimum shift keying)

GMSK є одним з варіантів частотної маніпуляції (FSK). GMSK має 3 особливості:

▪ «мінімальний зсув» - при GMSK індекс модуляції = 0,5. При цьому інтервал між частотами для модуляції «1» і «0» мінімальний

▪ «девіація фази +/-90°» - зміна частоти викликає зміну фази, при індексі модуляції 0,5 фаза змінюється на «+90°» при передачі «1» та на «-90°» при передачі «0». Отже біт інформації кодує не тільки частота як при звичайній FSK, але і зміна фази.

▪ «гаусова фільтрація» - обробка прямокутних імпульсів, що позначають «1» та «0» інформаційного сигналу Гаусовим фільтром перед модуляцією

Ці особливості дозволяють звузити спектр частот промодульованого сигналу та тим самим зменшити вплив на сусідні канали.

Сфери застосування: GSM

Методи канального кодування цифрових сигналів: NRZ, RZ, AMI, HDB3, 4B3T, 4B5T, Manchester code, CMI, MCMI.

NRZ (Non Return to Zero)

Код NRZ (Non Return to Zero - без повернення до нуля) - це найпростіший код. «0» відповідає високий рівень напруги, «1» - низький рівень напруги. Протягом бітового інтервалу (bit time, BT), тобто часу передачі одного біта ніяких змін рівня сигналу не відбувається.

Переваги:

− проста реалізація

− мінімальна необхідна пропускна здатність лінії зв'язку при даній швидкості передачі

Недоліки:

− блоки інформації повинні бути короткі (через можливість втрати синхронізації приймачем під час прийому занадто довгих блоків інформації)

− блоки інформації повинні мати фіксовану довжину (бо кінець передачі не позначається службовим повідомленням)

Сфери застосування: стандарт RS232-C, послідовний порт PC

CMI (Coded Mark Inversion)

Код CMI - це дворівневий код, модифікація коду NRZ, в якому «1» передаються поперемінно високим і низьким рівнем сигналу протягом тактового інтервалу, а «0» передається першу половину тактового інтервалу низьким рівнем, а другу - високим. Таким чином один біт інформації кодується двома бітами.

Переваги: покращені синхронізуючі властивості у порівнянні з NRZ

Недоліки: вдвічі більша смуга пропускання каналу при тій же швидкості передачі порівняно з NRZ (так як тут на один бітовий інтервал доводиться дві зміни рівня сигналу).

Сфери використання: передача потоків SDH, зокрема STM-1

RZ (Return to Zero)

Код RZ (Return to Zero - з поверненням до нуля) - це трирівневий код. Після значущого рівня сигналу в першій половині бітового інтервалу відбувається повернення до якогось "нульового", середнього рівня (наприклад, до нульового потенціалу). Перехід до нього відбувається в середині кожного бітового інтервалу. Логічному нулю, таким чином, відповідає позитивний імпульс, логічної одиниці - негативний (або навпаки) у першій половині бітового інтервалу.

Переваги:

− блоки інформації можуть мати будь-яку довжину ( у центрі бітового інтервалу завжди є перехід сигналу, отже, з цього коду приймач легко може виділити синхроімпульс).

− блоки інформації можуть мати змінну довжину (приймач визначає початок та кінець передачі по зміні рівня сигналу протягом бітового інтервалу)

Недоліки:

− вдвічі більша смуга пропускання каналу при тій же швидкості передачі порівняно з NRZ (так як тут на один бітовий інтервал доводиться дві зміни рівня сигналу).

− ускладнення апаратури приймача та передавача (через наявність трьох рівнів) Сфери застосування: оптоволоконні мережі

AMI (Alternate Mark Inversion) або ЧПІ (код з Чергуванням Полярності Імпульсів)

В AMI використовуються такі представлення бітів: «0» представляється нульовою напругою (0 В), а «1» представляються по черзі значеннями-U або + U (В).

Переваги:

− гарні синхронізуючі властивості при передачі серій одиниць

− простота в реалізації

Недоліки:

− обмеження на кількість нулів у потоці даних (оскільки довгі послідовності нулів ведуть до втрати синхронізації)

Сфери застосування:

HDB3 (High Density Bipolar of order 3) або код з високою щільністю слідуванняодиниць

Код HDB3 це модифікований код AMI. Модифікація полягає у виправленні будь-яких 4 нулів, що йдуть поспіль, за певним правилом.

Правило заміни послідовності «0000»

Кількість «1» в попередній послідовності	Правило заміни «0000»	Полярність останньої «1» в попередній послідовності	Код заміни («+» та «–» позначають полярність одиниці в коді заміни)
непарна	000V	+	000+
непарна	000V	-	000-
парна	B00V	+	-00-
парна	B00V	-	+00+

Крім того полярність наступною за кодом заміни «1» повинна бути протилежною до полярності останньої одиниці в коді заміни. Тобто має зберігатись чергування полярності імпульсів.

Переваги:

− кращі синхронізуючі властивості у порівнянні до AMI

− відсутність постійної складової у спектрі сигналу (через чергування полярності одиниць)

Недоліки: неможливість виявити помилку у прийнятій послідовності бітів Сфери застосування: потік E1 (2 Мбіт/с)

MCMI

Код МCMI призначений для перетворення трьохрівневого сигналу HDB-3 (High Density Bipolar of Order 3) в біімпульсний за певним правилом.

Правило для перетворення HDB-3 в MCMI

Символ в HDB-3	-1	0	+1
Код заміни для MCMI	00	01	11