Модуляция сигналов в радиотехнике¶

Модуляция — это процесс изменения одного или нескольких параметров несущего сигнала (обычно высокочастотного) в соответствии с законом изменения информационного (модулирующего) сигнала. Применяется для переноса информации по каналам связи, поскольку передача низкочастотных сигналов напрямую на большие расстояния технически неэффективна: низкие частоты требуют громоздких антенн и плохо разделяются в эфире. Модуляция позволяет «посадить» полезное сообщение на высокочастотную несущую, которая эффективно излучается и распространяется.

¶Общие принципы

В любой системе модуляции различают три составляющие: несущее колебание, модулирующий (информационный) сигнал и модулированный (результирующий) сигнал. Несущее колебание описывается формулой:

u(t) = U·cos(ωt + φ),

где U — амплитуда, ω — угловая частота, φ — начальная фаза. Изменяя один из этих параметров по закону передаваемого сообщения, получают соответствующий вид модуляции. Демодуляция (детектирование) — обратный процесс выделения исходного информационного сигнала на приёмной стороне.

Основные характеристики модуляции: глубина (коэффициент модуляции), ширина спектра, помехоустойчивость и энергетическая эффективность.

¶Классификация

¶Аналоговая модуляция

При аналоговой модуляции информационный сигнал непрерывен, а параметр несущей меняется плавно.

• Амплитудная модуляция (АМ) — изменяется амплитуда несущей. Простейший и исторически первый вид. Спектр содержит несущую и две боковые полосы. Недостатки: низкая помехоустойчивость и неэффективное использование мощности (большая часть энергии приходится на несущую, не несущую информации).
• Частотная модуляция (ЧМ, FM) — изменяется частота несущей. Обладает высокой помехоустойчивостью, применяется в радиовещании (диапазон 87,5–108 МГц), звуковом сопровождении телевидения.
• Фазовая модуляция (ФМ, PM) — изменяется фаза несущей. Близка к частотной по свойствам.
• Однополосная модуляция (ОБП, SSB) — передаётся только одна боковая полоса без несущей. Экономит полосу частот и мощность, применяется в профессиональной радиосвязи и любительской радиосвязи.

¶Цифровая (дискретная) модуляция

При цифровой модуляции информационный сигнал дискретен, а параметр несущей принимает конечное число значений (манипуляция).

• Амплитудная манипуляция (ASK) — простейшая, соответствует включению/выключению несущей.
• Частотная манипуляция (FSK) — переключение между двумя частотами; применяется в модемах, системах передачи данных.
• Фазовая манипуляция (PSK) — скачкообразное изменение фазы; разновидность BPSK, QPSK широко используется в спутниковой связи.
• Квадратурная амплитудная модуляция (QAM) — комбинированное изменение амплитуды и фазы, позволяет передавать несколько бит на один символ; применяется в цифровом телевидении, Wi-Fi, кабельных модемах.

¶Импульсная модуляция

Информация кодируется параметрами последовательности импульсов: амплитудой (АИМ), длительностью (ШИМ), положением во времени (ФИМ), частотой следования (ЧИМ). Импульсная модуляция лежит в основе цифровых систем передачи, включая импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ), используемую в телефонии и звукозаписи.

¶История

Первые опыты передачи сигналов с использованием модуляции связаны с именами Генриха Герца и Александра Попова. Практическое радиовещание с амплитудной модуляцией началось в 1920-е годы. В 1933 году Эдвин Армстронг предложил частотную модуляцию, обеспечившую существенно лучшее качество звука и помехоустойчивость. Во второй половине XX века развитие вычислительной техники стимулировало переход к цифровым видам модуляции. В России значительный вклад в теорию связи и модуляции внесли учёные Владимир Котельников (теорема отсчётов), Александр Харкевич и другие.

¶Применение

Модуляция применяется не только в связи, но и в измерительной технике, радиолокации, системах управления, а также в оптических линиях, где модулируется интенсивность лазерного излучения.

¶Помехоустойчивость и эффективность

Помехоустойчивость определяется способностью системы сохранять информацию при наличии шумов. Наибольшей помехоустойчивостью среди аналоговых видов обладает ЧМ, среди цифровых — фазовые и квадратурные методы при достаточном отношении сигнал/шум. Энергетическая эффективность характеризует затраты мощности на передачу одного бита, спектральная — использование полосы частот. Выбор вида модуляции — компромисс между этими показателями, а также сложностью аппаратуры.

¶Перспективы

Развитие связи связано с применением многопозиционных методов (высокие порядки QAM), многоантенных систем (MIMO), ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM), в котором модуляция сочетается с разделением на множество поднесущих. Эти технологии лежат в основе стандартов 4G и 5G.

Источники: учебники по теории электрической связи, работы В. А. Котельникова, справочники по радиотехнике, материалы по стандартам цифрового телевидения и мобильной связи.