Модуляция в системах связи

Общие сведения о первичных и модулированных сигналах

Первичные электрические сигналы (ПЭС)- это электрические сигналы на выходе кодеров источника (напряжение или ток), соответствующие передаваемому сообщению. По форме они могут быть самыми различными, но вот их спектры расположены практически в одной полосе частот от нуля до F„, причём F„ определяется только длительностью сигнала (рис. 3.1).

Спектры различных ПЭС

Рис. 3.1. Спектры различных ПЭС

Основными и существенными недостатками ПЭС являются:

  • - взаимное перекрытие спектров и, как следствие, сильное влияние их друг на друга;
  • - рассогласование параметров сигналов с параметрами каналов передачи информации, откуда следует принципиальная невозможность передачи информации без значительных потерь;
  • - невозможность передачи информации на большие расстояния по радиоканалам;
  • - весьма большие размеры передающих и приёмных антенн. Например, передаваемый в сетях WiMax поток данных соответствует частоте в районе 11 кГц. Если мы попробуем передавать этот низкочастотный сигнал по воздуху, нам понадобится антенна следующих размеров:

— большие требуемые мощности передатчиков (единицы и десятки мегаватт).

Последние три недостатка вытекают из формулы Введенского

где Епр - амплитуда напряжённости поля в точке приёма;

Рнзл - мощность излучения радиопередающего устройства;

G — коэффициент усиления передающей антенны;

X - длина волны:

г- протяжённость линии радиосвязи - дальность радиосвязи;

hi и Иг — высота подвеса передающей и приёмной антенн соответственно.

Для компенсации этих недостатков, повышения качества передачи информации и повышения скрытности, используется модуляция.

Модуляция (лат. modulatioразмеренность, ритмичность) - процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания (амплитуда, частота или фаза) по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения).

Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим (модулируемым). Модуляция, таким образом, представляет собой процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную несущую с целью получения нового, модулированного сигнала.

Перед модуляцией ПЭС с выхода кодера источника подвергается либо аналого-цифровому преобразованию в АЦП, если он аналоговый и подаётся на канальный кодер (КК), либо сразу поступает на КК в случае, когда ПЭС является цифровым. В КК ПЭС кодируется или оптимальным кодом либо корректирующим. Таким образом, решается задача повышения скорости передачи информации (снижения объёма передаваемой информации) или повышения помехоустойчивости путём введения избыточности.

В результате модуляции спектр низкочастотного управляющего сигнала переносится в область высоких частот и преобразуется таким образом, чтобы обеспечить согласование сигнала с каналом передачи. Это позволяет при организации вещания настроить функционирование всех приёмо-передающих устройств на разных частотах с тем, чтобы они «не мешали» друг другу.

Следует отметить, что при модуляции спектр ПЭС не только переносится на частоту несущей, но и появляется вторая (нижняя) боковая полоса, являющаяся зеркальным отражением первой (верхней), которая соответствует спектру ПЭС (рис. 3.2)

Спектр амплитудно-модулированного колебания (AM)

Рис. 3.2. Спектр амплитудно-модулированного колебания (AM)

Спектр сигналов с частотной и фазовой модуляцией принципиально не отличается от спектра AM сигнала (рис. 3.3).

Спектр сигнала с фазовой модуляцией прямоугольными Появление второй боковой полосы

Рис. 3.3. Спектр сигнала с фазовой модуляцией прямоугольными Появление второй боковой полосы, в которой дублируется информация, заключённая в первой, снижает эффективную мощность передатчика, приходящуюся единицу информации (как минимум в два раза) и уменьшает эффективность использования полосы пропускания канала, тоже в два раза. Однако это неизбежная плата за повышение качества передачи информации.

В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы - синусоидальные, прямоугольные, треугольные и т.д.), причём для передачи информации применяются гармонические колебания. Импульсная несущая используется в основном на промежуточных этапах, например, на этапе преобразования аналогового сигнала в цифровой.

В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др.). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией.

На рис. 3.4 показан в общем виде процесс модуляции

Процесс модуляции в общем виде

Рис. 3.4. Процесс модуляции в общем виде

На рис. 3.5 приведена схема процесса модуляции в зависимости от вида несущей и модулирующего сигнала.

Виды модуляции в зависимости от несущей и модулирующего сигнала

Рис. 3.5. Виды модуляции в зависимости от несущей и модулирующего сигнала

Из рис. 3.5 следует, что модуляции первичным сигналом подвергаются два вида несущих колебания - синусоидальное и импульсное (рис. 3.6).

Синусоидальная и импульсная несущие

Рис. 3.6. Синусоидальная и импульсная несущие

Использование модуляции позволяет:

  • - согласовать параметры сигнала с параметрами линии;
  • - повысить помехоустойчивость сигналов;
  • - увеличить дальность передачи сигналов;
  • - организовать многоканальные системы передачи (МСП с

ЧРК);

- получить сигнал с базой В » 1, что позволяет передавать в одной полосе частот большое количество сигналов без их взаимного влияния, и существенно увеличить скрытность связи.

Настоящее время характеризуется широким применением нанотехнологий в самых различных областях, в том числе и в радиосвязи.

В частности, группа физиков и инженеров из США и Республики Корея создала наноразмерное устройство для частотной модуляции сигналов с частотой около ста мегагерц. Это соответствует FM- диапазону. Добиться резкого уменьшения габаритов устройства удалось за счет замены кварцевого кристалла на графеновый лист размером около миллиметра. Он является основой колебательной системы, которая обеспечивает генерацию сигнала заданной частоты.

Графен (рис. 3.7) - это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом.

Графен (вверху), состоящий из атомов углерода, соединенных в виде проволочной сетки, лежит в основе графита и фуллеренов

Рис. 3.7. Графен (вверху), состоящий из атомов углерода, соединенных в виде проволочной сетки, лежит в основе графита и фуллеренов. Графит (нижний левый рисунок), знакомый каждому в виде карандашного стержня, — это хрупкий материал, который можно представить как слоеный торт со слабо связанными листами графена. Когда графен сворачивается в трубку или сферу, то получаются фуллерены. Они подразделяются на цилиндрические, называемые углеродными нанотрубками (внизу в центре), и структуры в форме футбольного мяча (внизу справа), иногда называемые в честь их первооткрывателя шарами Бакминстера (buckyballs). Однако существуют и другие графитовые формы

Аллотропией называют явление существования одного химического элемента в виде двух или более простых веществ.

Графен был открыт в 2004 году двумя выходцами из России- Андреем Геймом и Константином Новосёловым - которые, как это часто бывает, не смогли реализовать свой научный потенциал в родной стране и уехали работать в Нидерланды и Великобританию соответственно. За открытие графена Гейм и Новосёлов в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике.

Графен обладает очень высокой прочностью. Лист графена площадью в один квадратный метр (и толщиной, напомним, всего лишь в один атом!) способен удерживать предмет массой 4 килограмма.

Вследствие двумерной структуры, графен является очень гибким материалом, что в будущем позволит использовать его, например, для плетения нитей (при этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату).

Графен — это материал с очень высокой проводимостью электричества и тепла, что делает его идеальным для применения в различных электронных устройствах.

Ещё одно возможное применение графена — создание гибкой электроники и, в частности, гибких дисплеев. Широкое распространение графена наверняка даст хороший стимул развитию носимой электроники, поскольку позволит встраивать чипы в одежду, бумагу и другие повседневные вещи.

Также графеновая плёнка, как оказалось, является отличным фильтром для воды, поскольку она пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >