Модуляция

Использование модемов для коммуникации. Аналоговые модемы

Передача цифровых сигналов на большие расстояния требует создания специально оборудованных линий и сетей связи с вы­сокой пропускной способностью, и такие линии достаточно дав­но существуют и интенсивно развиваются. Однако потребность
в передаче данных между ЭВМ опережала и опережает возмож­ности доступных сетей цифровой связи, что привело к необхо­димости задействовать для таких целей более доступные и мас­совые сети с низкой пропускной способностью (телефон и те­лекс). Каналы связи, подобные телефонным линиям, обычно аналоговые и имеют ограниченную полосу пропускания. В слу­чае телефонных линий ширина полосы находится в диапазоне от 300 до 3300 Гц.

Передача данных требует перемещения цифровой информа­ции, или прямоугольных сигналов со значениями «0» и «1». Как уже отмечалось, если бы такие сигналы были переданы по ана­логовым каналам, то их форма была бы искажена (см. рис. 3.4).

Для использования телефонной сети как канала передачи цифровой информации были разработаны и широко распростра­нились устройства преобразования цифровой информации в аналоговую (звуковой сигнал) и обратно, основанные на прин­ципе частотной модуляции несущей частоты, получившие назва­ние модемы (модуляторы-демодуляторы)-

В основе аналоговых модемов лежит модуляция — метод изме­нения основного аналогового сигнала определенным образом так, чтобы закодировать в этом сигнале информацию. Сигнал, который модулируется, называют с и гн ал о м несущей (career), потому что он переносит цифровую информацию с одного конца канала связи к другому.

Устройство, которое изменяет сигнал, называют модулято­ром, а устройство на приемном конце канала, которое извлекает цифровую информацию из модулированного сигнала, называют демодулятором.

Амплитудная модуляция (AM) изменяет амплитуду синусои­дальной волны. В самых ранних модемах преобразование заклю­чалось в передаче волны синуса большой амплитуды для «1» и нулевой амплитуды для «0», как показано на рис. 3.6, а (вспом­ните звуковую «морзянку»). Главное преимущество этой техно­логии состоит в том, что такие сигналы легко производить и об­наруживать, однако она не лишена ряда недостатков. Первый — скорость изменяющейся амплитуды ограничена шириной поло­сы линии. Второй — небольшие изменения амплитуды отлича-

в г Рис. 3.6. Амплитудная модуляция (а); частотная модуляция (б); фазовая модуля­ция (в); дифференциальная фазовая модуляция (г)

ются ненадежным обнаружением. Неудобства амплитудной мо­дуляции привели к тому, что эта технология редко используется модемами, однако она используется в комбинации с другими методами.

Частотная модуляция — ЧМ (Frequency modulation — FM), здесь частота сигнала несущей изменяется согласно данным. Пе­редатчик посылает различные частоты для «1» и «О» (рис. 3.6, б). Его неудобства — то, что скорость изменений частоты ограниче­на шириной полосы линии, и что искажение, вызванное линия­ми, затрудняет декодирование даже сильнее, чем в случае ам­плитудной модуляции. Сегодня эта техника используется в асин­хронных модемах низкой скорости (до 1200 бод).

Фазовая модуляция — ФМ (Phase Shift keying — PSK) — про­цесс, где две синусоидальных формы волны сравниваются друг с другом. Случай, где эти две формы волны проходят в одном и том же направлении одновременно, считается нулевым сдвигом фазы. Если фазовый сдвиг достигает 180° (рис. 3.6, в), волна В начинается в средней точке волны А, так что, когда волна А по­ложительна, волна В отрицательна, и наоборот. Два состояния фазы позволяют представлять 1 бит цифровых данных, дополни­тельные 90° и 270° изменений фазы обеспечивают четыре состоя­ния и способность представить 2 бита (четыре представления цифровых данных).

Дифференциально-фазовая модуляция — ДФМ (синоним — от­носительная фазовая модуляция — ОФМ) или Differential Phase Shift Keying (DPSK) — вариант фазовой модуляции. В этом мето­де модем сдвигает фазу каждого последующего сигнала на неко­торое количество градусов для «0» (90°, например) и другое число для «1» (270°, например) — см. рис. 3.6, г. Этот метод более легок для распознавания, чем предыдущий. Приемник должен обнару­жить изменения фазы между символами, а не абсолютной фазы.

Эту технику также называют модуляцией сдвига фазы (phase shift keying — PSK). В случае двух возможных сдвигов фазы мо­дуляцию называют двойной ФМ BPSK (binary PSK). В случае четырех различных сдвигов фазы, что означает, что каждый сим­вол представляет 2 бита, модуляцию называют 4-кратной фазо­вой манипуляцией QPSK, и в случае восьми различных стадий перемещения технику модуляции называют 8PSK.

Квадратурная амплитудная манипуляция — КАМ (Quadrature Amplitude Modulation — QAM). КАМ позволяет передачу дан­ных, используя как изменение фазы, так и амплитуды одновре­менно. Чем больше используется фазовых сдвигов и уровней ам­плитуды, тем больше данных может быть передано. Повышает помехоустойчивость.

Треллис-модуляция (ТСМ — Trellis Coded Modulation или СКК — сигнально-кодовые конструкции) — КАМ совместно с решетчатым кодированием и т. д.