В прошлых обзорах мы обратили внимание на тактовую синхронизацию при передаче цифровых сигналов. О ней, как правило, забывают при написании научно-популярных статей и книг в области связи и обработки сигналов. Начиная с этой статьи мы займемся другим не менее важным видом синхронизации и о нем почти никто не забывает, однако при этом и обозревают недостаточно глубоко. Вашему вниманию представляется фазовая синхронизация сигналов.
Формирование сигнала с фазовой модуляцией
Почти везде фаза рассматривается как параметр передаваемого сигнала, однако, на мой взгляд это если не ошибочное, то тупиковое представление о происходящих процессах. Это, конечно же, параметр, но параметр несущего колебания, а не передаваемого сигнала. Итак, необходимо представить, что передаваемые данные это сравнительно низкочастотный процесс изменения некоторой величины (например, напряжения) в соответствии с передаваемыми битами.
На рисунке выше A(t) это та самая величина. Если передается 1, то напряжение +1 В, если 0, то напряжение -1 В. Все это довольно хорошо для передачи через кабель, однако, для передачи через радиоэфир низкочастотные изменения напряжения малопригодны. Чем ниже частота колебания, тем больше должны быть размеры антенных систем для эффективной передачи энергии в окружающее пространство. Решением проблемы является модуляция сигнала. Это перенос низкочастотного сигнала на высокую частоту f. Происходит перенос путем умножения A(t) на гармоническое колебание с несущей частотой f.
При представленной A(t) перенос частоты приводит к фазовой модуляции несущей частоты: -cos(a) = cos (a+180). Таким образом, в зависимости от информационного бита, фаза несущего колебания испытывает скачки на 180 градусов.
Обработка сигнала с фазовой модуляцией
Чтобы добыть переданный сигнал, содержащийся в модулированном гармоническом колебании, необходимо проделать обратную операцию, называемую демодуляций. Если ошибочно представлять сигналом то, что находится на высокой частоте, то зачастую и пытаются сразу обработать модулированный сигнал коррелятором без переноса частоты. Это приводит в совершенный тупик, ибо ВКФ гармонических функций хороша для учебников, а никак для дальнейшей обработки.
Еще раз проговорим:
первым делом необходимо вернуть информационный сигнал на нулевую частоту, где он изначально был.
Школьная тригонометрия говорит о том, что при умножении модулированного сигнала на опорное гармоническое колебание той же частоты мы получим 2 составляющие. Первая - это низкочастотная составляющая, где содержится сам передаваемый информационный сигнал A(t) если разности частот нет. Действительно, cos(0) = 1. Вторая составляющая это колебание на сумме частот.
Поскольку две составляющие находятся в разных частотных диапазонах, то выделить информационный сигнал не представляет сложностей. Если вы ничего не знаете о форме сигнала, то можно воспользоваться низкочастотным фильтром, но наилучший результат будет при обработке коррелятором. Он не только является фильтром низкой частоты, но и выдает взаимно корреляционную функцию (ВКФ), необходимую для принятия решения о пришедшем бите.
В нижней части рисунка смесь из двух компонентов после умножения сигнала на опорную гармонику, вверху так же смесь, обработанная коррелятором. С формой ВКФ прямоугольного сигнала мы уже знакомы по прошлым статьям, поэтому она удивления не вызывает. Более того, мы уже знаем что с ней дальше делать.
Вот на этом моменте кончаются обзоры большинства писателей, но вы даже не представляете что случается, когда приемник не угадывает с фазой опорной гармоники, а уж тем более с ее частотой. Какие проблемы возникают и как они решаются - тема дальнейших выпусков. Если следили за прошлыми выпусками, то уже догадываетесь о том, что нам помогут системы с обратной связью.
Поддержите статью лайком если понравилось и подпишитесь чтобы ничего не пропускать.
Также не обойдите вниманием канал на YouTube. Подписки и лайки будут приятным ответом от аудитории.