Комбинированные методы модуляции

Для повышения скорости передачи данных используют комбинированные мето­ды модуляции. Наиболее распространенными являются методы квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Эти методы основаны на сочетании фазовой и амплитудной модуляций.

На рис. 9.4 показан вариант модуляции, в котором используется 8 различных значений фазы и 4 значения амплитуды. Однако из 32 возможных комбинаций сигнала задействовано только 16, так как разрешенные значения амплитуд у со­седних фаз отличаются. Это повышает помехоустойчивость кода, но вдвое сни­жает скорость передачи данных. Другим решением, повышающим надежность
кода за счет введения избыточности, являются так называемые решетчатые ко­ды. Эти коды добавляют к каждым четырем битам информации пятый бит, кото­рый даже при наличии ошибок позволяет с большой степенью вероятности оп­ределить правильный набор четырех информационных битов.

о 90^е

180°

Y 270^е

Рис. 9.4. Квадратурная амплитудная модуляция с 16-ю состояниями сигнала

Спектр результирующего модулированного сигнала зависит от типа модуляции и скорости модуляции, то есть желаемой скорости передачи битов исходной ин­формации.

Рассмотрим сначала спектр сигнала при потенциальном кодировании. Пусть ло­гическая единица кодируется положительным потенциалом, а логический ноль — отрицательным потенциалом такой же величины. Для упрощения вычислений предположим, что передается информация, состоящая из бесконечной последо­вательности чередующихся единиц и нулей, как показано на рис. 9.3, а.

Спектр непосредственно получается из формул Фурье для периодической функ­ции. Если дискретные данные передаются с битовой скоростью N бит/с, то спектр состоит из постоянной составляющей нулевой частоты и бесконечного ряда гар­моник с частотами f₀, 3f₀, 5f₀, 7f₀,где f₀ N/2. Частота f₀ — первая частота спек­тра — называется основной гармоникой.

Амплитуды этих гармоник убывают достаточно медленно — с коэффициента­ми 1/3, 1/5, 1/7,... от амплитуды гармоники f₀ (рис. 9.5, а). В результате спектр потенциального кода требует для качественной передачи широкую полосу про­пускания. Кроме того, нужно учесть, что реально спектр сигнала постоянно ме­няется в зависимости от того, какие данные передаются по линии связи. Напри­мер, передача длинной последовательности нулей или единиц сдвигает спектр в сторону низких частот, а в крайнем случае, когда передаваемые данные состоят только из единиц (или только из нулей), спектр состоит из гармоники нулевой частоты. При передаче чередующихся единиц и нулей постоянная составляющая отсутствует. Поэтому спектр результирующего сигнала потенциального кода
при передаче произвольных данных занимает полосу от некоторой величины, близкой к 0 Гц, до примерно 7f₀ (гармониками с частотами выше 7f₀ можно пре­небречь из-за их малого вклада в результирующий сигнал). Для канала тональ­ной частоты верхняя граница при потенциальном кодировании достигается для скорости передачи данных в 971 бит/с, а нижняя неприемлема для любых скоро­стей, так как полоса пропускания канала начинается с 300 Гц. В результате по­тенциальные коды на каналах тональной частоты никогда не используются.

Рис. 9.5. Спектры сигналов при потенциальном кодировании и амплитудной модуляции

При амплитудной модуляции спектр состоит из синусоиды несущей частоты f_c, двух боковых гармоник (f_c + f_m) и (f_c - f_m), а также боковых гармоник (f_c + 3f_m) и (f_c - 3f_m), где f_m — частота изменения информационного параметра синусоиды, которая совпадает со скоростью передачи данных при использовании двух уров­ней амплитуды (рис. 9.5, б). Частота f_m определяет пропускную способность ли­нии при данном способе кодирования. На небольшой частоте модуляции шири­на спектра сигнала также оказывается небольшой (равной 2f_m), если пренебречь гармониками 3f_m, мощность которых незначительна.

При фазовой и частотной модуляциях спектр сигнала получается более слож­ным, чем при амплитудной модуляции, так как боковых гармоник здесь образу­ется более двух, но они тоже симметрично расположены относительно основной несущей частоты, а их амплитуды быстро убывают.