За все время существования канала мы уже 3 раза (раз, два, три) упоминали если не саму фазовую модуляцию сигналов, так уж технологии с ее применением точно. Однако, при этом далеко не все имеют отчетливое представление что это такое и для чего предназначено. Меж тем, фазовая модуляция это один из самых эффективных способов передачи сигналов через радиоэфир. Не рассказать о ней более-менее подробно совершенно недопустимо, тем более, что речь зашла про информационные технологии, использующие радиосигналы.
Спектр применения модуляции
Эфирное радиовещание
Первой в нашем списке упоминаний была технология однонаправленной передачи данных эфирного FM радиовещания. Каждый из нас наблюдал индикацию информации на панели автомобильного радиоприемника, однако сама собой она там появиться не могла. Это, как правило, название станции и номера телефонов в радиостудии.
Причина ее появления - работа еще одного встроенного в магнитолу приемника сигналов фазовой модуляции.
GPS навигация
Еще одной широко используемой технологией с применением сигналов фазовой модуляции является GPS навигация.
Вопреки всем расхожим заблуждениям о принципах навигации, основную роль играет пользовательский приемник сигналов с фазовой модуляцией, излучаемых спутниками. В модулированный сигнал закладывается следующая информация: какой спутник передал сигнал, альманах (данные о параметрах орбит спутников), время отправки сигнала спутником.
Даже на примере этих двух технологий понятно, что фазовой модуляции в нашем мире много и она прочно вошла в наш обиход. При всем ее распространении большинство толком ничего о ней и не слышало. Попробуем устранить эту несправедливость.
Суть фазовой модуляции
Насколько мы все знаем, гармонический сигнал это идеальное изобретение самой природы для передачи энергии в радиоэфир. Антенны небольших размеров удобны в использовании и при этом довольно охотно передают в окружающее пространство энергию при подаче на их вход синуса высокой частоты. Сам факт имеется, а зависимости частот сигналов от размеров антенн не тема этого выпуска.
Необходимо отметить, что передача энергии через пространство это не то-же самое, что и передача информации. Само по себе синусоидальное колебание с неизменными параметрами не может переносить информацию. Однако, если передаваемую информацию заложить в какой-либо параметр (амплитуду, фазу или частоту гармоники), то в удаленной точке оценка этого параметра дает возможность принимать заложенные в сигнале данные.
Предметом нашего рассмотрения является модуляция фазы несущего гармонического колебания.
- Если информация представляет собой процесс с бесконечным числом уровней-состояний (аналоговый сигнал), то при изменении фазы гармоники несущей согласно изменению процесса говорят о фазовой модуляции.
- Как только информация начинает представлять из себя дискретный по уровню процесс с конечным числом этих уровней, то изменение фазы несущего колебания согласно изменению процесса называется манипуляцией.
Весьма популярным способом фазовой манипуляции с количеством дискретных состояний информационного процесса 2 шт (логические 0 и 1) является, так называемая, ФМ-2. В зарубежной литературе она называется PSK. Сейчас немного уточним этот способ строгим математическим языком.
Знак суммы склеивает во времени бесконечное количество элементарных посылок с периодом T. Если множество значений двоичного числа состоит из {-1,1}, то перед нами самое классической представление сигнала с фазовой модуляций. Фазы несущей гармоники между двумя разными посылками отличаются между собой на 180 градусов.
С целью повышения скорости передачи данных увеличивают количество дискретных уровней информационного процесса. Разумеется, это сказывается на фазовых различиях между элементарными посылками. Чтобы уместить сигналы одинаковой амплитуды на фазовой плоскости нужно уменьшить фазовые различия между соседними посылками.
Общей математической формулой можно описать ФМ сигналы с разным количеством элементарных посылок:
По сути, любой многопозиционный фазоманипулированный сигнал можно описать комбинацией квадратурных составляющих. Они же амплитуды ортогональных гармонических сигналов.
Проектируем передатчик
Зная наиболее общее описание любого ФМ сигнала при помощи квадратурных составляющих, несложно набросать эскиз универсального передатчика:
В зависимости от количества передаваемых бит (N) в одном символе манипуляционный кодер формирует амплитуды квадратурных составляющих гармонического сигнала I(t) (синфазная составляющая) и Q(t) (квадратурная составляющая). После умножения каждой квадратурной составляющей на ортогональные гармоники (cos и sin) вычисляется сумма этих колебаний, которая представляет собой гармоническое колебание с необходимой фазой.
Ранее мы уже рассматривали следующие части этого формирователя:
- аккумулятор фазы,
- CORDIC генератор гармонических колебаний,
- умножитель,
- сумматор.
Манипуляционный кодер это устройство сопоставляющее битовую комбинацию со своей фазой гармонического сигнала, а значит с соотношением его синфазной и квадратурной составляющих.
Оглядывая вышеописанное, приходит понимание, что необходимы следующие части этого повествования. Написано уже достаточно, чтоб устать читать, однако конца еще не видно. Ни сборка, ни тест, ни анализ спектральных характеристик полученного сигнала сюда уже не помещаются, так что до новых встреч!
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.
