Основы цифровой модуляции сигналов
Представим, что мы имеем какие-то данные 01101001. Говорим ли мы по телефону (бла-бла-бла и т.д.) или хотим выложить селфи или посмотреть фото кота в instagram или снять и выложить в stories как мы танцуем – это все данные, это все нули и единицы – все фото, сообщения, аудиозаписи, видео – все хранится в памяти телефона или любого другого устройства в виде «0» нулей и «1» единиц.
Все эти нули и единицы 01101001 есть, но они не материальные, они не существуют в материальном мире, чтобы их можно было взять и положить в автомобиль для перемещения. Конечно можно их перемещать по Земному шару в автомобиле на карте памяти, но есть более быстрые транспортные средства для них – сигналы.
Сигналы уже существуют в материальном мире, та же электромагнитная волна она вроде бы невидима для нас и неосязаема и значит не существует, но ее (электромагнитное поле) называют особым видом материи и на самом деле она материальна.
Таким образом, чтобы 010110 перенести с карты нашего телефона из одной точки Земного шара в другую их можно «заложить» в очень быстрое транспортное средство – сигнал. По аналогии если нам надо передать сообщение на бумаге, то мы можем вложить его в почтового голубя (транспортное средство) для перемещения в пространстве, но сигналы куда быстрее те же голубей.
Сигналы бывают электрическими, звуковыми, световыми, радио.
Когда есть у нас какой-нибудь сигнал – физический процесс например в виде колебания во времени тока или напряжения – электрический сигнал,
или физический процесс в виде колебания во времени воздушного давления – звуковой сигнал,
или физический процесс в виде колебания во времени напряженности поля – радиосигнал,
или физический процесс в виде колебания яркости света – световой сигнал.
Но для быстрого перемещения в пространстве наших данных и на большие расстояния надо выбрать быстро перемещающийся в пространстве физический процесс и не сильно затухающий с расстоянием.
Из 4 рассматриваемых сигналов звуковой сигнал самый медленный и распространяется недалеко. Остальные 3 вида сигналов (электрический, радио, световой) – молниеносные и могут проходить тысячи километров без особого труда. Именно поэтому их используют для передачи данных в технических системах связи, а звуковые сигналы нет.
Итак еще раз вспомним, чтобы информацию 010110 перенести с карты нашего телефона из одной точки Земного шара в другую их можно «заложить» в очень быстрое транспортное средство – сигнал.
Куда мы нули и единицы будем закладывать? 010110 – это самый простой и гениальный способ хранения информации: одним числом (только нулями или например только единицами) нельзя представить многообразный многоуровневый мир, а вот двумя (0 и 1, или -1 и +1) уже можно. Таким образом, информация это что-то переменное, чередующееся, значит и у сигнала надо брать что-то переменное для соотнесения с 0 и 1.
Импульсная модуляция
У импульсного сигнала мы можем менять амплитуду – пришел на приемник импульс большой амплитуды – означает прием «1», импульс маленькой амплитуды – означает прием «0». Это называется амплитудно-импульсная модуляция.
Ничего не заметили? Вот мы уже и вложили информацию в наш сигнал.
Изменение параметров сигнала в соответствии с информацией называется модуляцией сигнала.
=> Был сигнал без информации в нем,
=> После модуляции стал сигнал с вложенной в него информацией.
Также у импульсного сигнала мы можем менять длительность импульса – пришел на приемник импульс широкий – означает прием «1», импульс более короткий – означает прием «0». Это называется широтно-импульсная модуляция.
При импульсной модуляции мы чаще всего закладываем нули и единицы в электрические сигналы, но если мы хотим заложить данные 010110 в радиосигнал, надо изменять параметры уже «высокочастотных» колебаний – радио импульсов. Модуляция тогда называется уже полосовая, т.к. сигнал после модуляции становится «полосовым» или узкополосным (для понимания изучите виды сигналов baseband и bandpass).
Полосовая модуляция
У радио сигнала мы можем менять амплитуду, начальную фазу и частоту.
Пришел на приемник радиоимпульс большой амплитуды – означает прием «1», радиоимпульс маленькой амплитуды – означает прием «0». Это называется амплитудная полосовая модуляция ASK — Amplitude.
Пришел на приемник радиоимпульс с более высокой частотой – означает прием «1», радиоимпульс меньшей частотой – означает прием «0». Это называется частотная полосовая модуляция FSK — Frequency.
Пришел на приемник радиоимпульс с начальной фазой «0⁰» – означает прием «1», радиоимпульс с начальной фазой «180⁰» – означает прием «0». Это называется фазовая полосовая модуляция PSK — Phase.
На сегодняшний день наибольшее распространение получила последняя, в силу ее высокой помехозащищенности и сравнительно небольшой ширины занимаемой частотной области.
Таким образом, модуляция помогает нам закладывать нематериальную информацию в сигнал для возможности ее молниеносной передачи на большое расстояние.
Если у сигнала мы будем изменять значение параметров (амплитуды, фазы) не просто двумя значениями – большая амплитуда / маленькая амплитуда, а например амплитуда 0.5, 1.0, 1.5 или 2.0 Вольта, тогда можно увеличить скорость передачи информации в разы.
