Модуляция и демодуляция

Почему же, собственно говоря, компьютер не может непосредственно подключаться к телефонной линии для передачи цифрового выходного сигнала? Основная причина этого явления заключается в ширине полосы пропускания индивидуального телефонного канала связи, который используется для передачи сигнала, и связана она, прежде всего, со стоимостью этого канала. Наиболее дешевыми и широко распространенными каналами связи в настоящее время являются голосовые каналы с полосой пропускания сигнала, соответствующего голосовому частотному диапазону.

Абонентские телефонные линии разрабатывались для передачи речевого сигнала, вырабатываемого в телефонных аппаратах, ширина полосы пропускания такой линии была принята (из условий достаточного уровня распознавания речевого сигнала) равной примерно от 300 до 3400 Гц. Это означает, что такой канал связи не в состоянии передавать ни сигналы низкой частоты (например, сигналы постоянного тока), ни сигналы высоких частот, превышающих значение 3400 Гц. Сигналы, применяемые в компьютерах, представляют, как правило, униполярные сигналы, и скорость изменения состояния (переход) от уровня двоичного нуля к уровню двоичной единицы очень высока (т.е. производится с очень высокой частотой).

В результате в сигнале компьютера содержатся значительные низкочастотные составляющие, чья частота ниже 300 Гц (в том числе и составляющая по постоянному току), а также высокочастотные составляющие, частота которых значительно превышает значение 3400 Гц, которое является предельным значением для полосы пропускания голосового канала связи (стандартной телефонной линии). Тот факт, что подобный канал не в состоянии передавать сигналы с частотами, отличающимися от частот полосы пропускания, приводит к необходимости преобразования цифрового сигнала в такой сигнал, который оказался бы совместимым с телефонным каналом связи и его полосой пропускания. Метод, используемый для такого преобразования, получил название модуляции.

Существующая ширина полосы пропускания голосового канала в телефонной линии не пригодна для пропускания выходных цифровых сигналов компьютера.

Модуляция.Модуляция представляет процесс изменения некоторых свойств (или атрибутов) электрического сигнала (который получил название несущей) в соответствии с некоторыми свойствами другого сигнала (получившего название модулирующего сигнала). В случае передачи цифрового сигнала по телефонным каналам, модуляция заключается в изменении некоторых свойств несущей, представляющей сигнал переменного тока с частотой, лежащей в диапазоне между 300 и 3400 Гц, в соответствии с двоичным выходным сигналом компьютера (состоящим из набора двоичных единиц и нулей). Тем атрибутом несущей, который может изменяться, является амплитуда сигнала либо его частота, либо фаза. Примеры приводятся на рис. 9.7.

Рис. 9.7. Виды модуляции сигнала

Каждый их перечисленных способов нашел свое применение в модемах. Следует рассмотреть эти способы несколько подробнее.

Модуляция изменяет характеристики сигнала, не изменяя содержащуюся в сигнале информацию. Существует три метода модуляции: амплитудная, частотная и фазовая.

Амплитудная модуляция.Амплитудная модуляция представляет процесс изменения амплитуды несущей в соответствии с модулирующим сигналом. Как изображено на рис. 9.7б, когда модулирующий сигнал представляет собой двоичный сигнал, амплитуда несущей может изменяться от нулевого значения (для представления двоичного нуля), до своего максимального значения, которое будет соответствовать двоичной единице.

В методе амплитудной модуляции двоичная единица представляется полным амплитудным значением уровня несущей, а логический ноль – сигналом несущей, амплитуда которого равна нулю.

Частотная модуляция.Другой характеристикой, или атрибутом, несущей, которая может подвергаться изменениям под действием модулирующего сигнала, является ее частота. На рис.9.7в показано, как изменение частоты несущей в сторону более низких значений представляет двоичный ноль, а ее изменение к более высоким значениям используется для представления двоичной единицы. Этот метод иногда называется методом частотной манипуляции (ЧМн, в англоязычной литературе часто используется аббревиатура FSK). В конкретном же случае, когда используются частоты акустического диапазона, этот метод получил название тональной частотной манипуляции (AFSK). В недалеком прошлом в наиболее широко распространенных модемах, передающих цифровые сигналы в диапазоне скоростей от 45 до 1800 бит/с, использовался метод тональной частотной манипуляции.

При частотной модуляции двоичной единице ставится в соответствие несущая определенной частоты, а двоичному нулю — несущая, имеющая другое значение частоты.

Фазовая модуляция.Третьей характеристикой несущей, которая может подвергаться изменениям под действием модулирующего сигнала, является фаза. Графически фазный сдвиг между сигналами может быть представлен в виде взаимного смещения положений двух сигналов в конкретный момент времени (смещения по оси времени полупериода одного из сигналов) относительно точки начала координат. На рис. 9.7г показано, что фаза сигнала несущей смещается при поступлении каждого бита, соответствующего двоичной единице, однако сдвиг несущей по фазе отсутствует для бита, соответствующего двоичному нулю. Данный метод получил название фазовой манипуляции — ФМн (PSK). Абсолютное значение фазы сигнала, пересылаемого по передающей среде, как правило, точно не измеряется, а чаще всего производится измерение относительно фазы сигнала, поступившего в предыдущий интервал времени.

В методе фазовой модуляции сигнал несущей смещается по оси времени (смещается по фазе на определенный угол) относительно второго сигнала для представления двоичной единицы и остается несмещенным по фазе для представления двоичного нуля.

Передача информации о фазе сигнала в телефонных сетях представляет весьма непростую задачу. Человеческое ухо невосприимчиво к фазе речевого или музыкального сигнала, поэтому телефонные сети не были предназначены для точного сохранения фазового соотношения между сигналами, передаваемыми по ним. Высокоскоростные модемы, в которых используется фазовая модуляция сигнала для переноса информации, имеют специальные электрические схемы, которые компенсируют искажения или нелинейность телефонных сетей, чтобы обеспечить сохранение линейности фазового смещения в поступающем сигнале.

Демодуляция сигнала.Так как несущий сигнал был модулирован для того, чтобы передать информацию, содержащуюся в цифровом сигнале, то после поступления он должен быть демодулирован, чтобы восстановить исходный цифровой сигнал. Детектор и схемы фильтров, чувствительные либо к амплитуде сигнала, либо к его частоте или фазе, восстанавливают двоичные единицы и нули из модулированного сигнала несущей. Схемы порогового смещения и смещения нулевого уровня восстанавливают величину сигнала до требуемого уровня логического сигнала или специальных уровней передающего интерфейса, определяемого протоколами передачи цифровых сигналов, используемыми для их сопряжения.

В процессе демодуляции поступивший по телефонной линии сигнал обрабатывается таким образом, чтобы восстановить исходный цифровой поток, состоявший из комбинации двоичных нулей и единиц.