3.2. Простые методы модуляции, реализуемые в УПС при работе по каналам ТЧ

При передаче данных по каналам ТЧ (ШК) перенос спектра сигналов в область полосы частот канала ТЧ осуществляется с помощью модуляции. Процесс преобразования дискретного сообще­ния в модулированный сигнал иллюстрируется рис.3.3. В совре­менных УПС используются самостоятельно или комбинированно все три основных вида модуляции:

Общий принцип модуляции состоит в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания (переносчика) u(t) под воздействием первичного сигнала данных  A(t) . Чаще всего в качестве переносчика используется гармоническое колебание

где u0, - амплитуда,  и  - несущая частота,

- начальная фаза (параметры несущего колебания).

Рассмотрим методы модуляции, основанные на изменении од­ного из параметров несущего колебания.

3.2.1. Амплитудная модуляция

При амплитудной модуляции переносчиком информации являет­ся амплитуда несущего колебания. Единичные элементы, соответ­ствующие символам 1 и 0, преобразовываются в вид:

что показано на рис.3.4. При  сигнал называется с пас­сивной паузой. Возможен вариант сигнала и с активной паузой, когда  отличается от  значением амплитуды.

Структурная схема модема с АМ показана на рис.3.5. После­довательность данных  через фильтр первичного сигнала ФПС поступает на модулятор (перемножитель), на второй вход которо­го подается несущее колебание от генератора Г. Фильтр передачи Фпер. ограничивает полосу частот передаваемого модулированного сигнала.

В демодуляторе выделение первичного сигнала произ­водится детектором Д с помощью устройства синхронизации УС и фильтра нижних частот ФНЧ. Детектирование принимаемого сигнала может быть когерентное (синхронное) и некогерентное. Когерент­ный детектор более эффективен по помехозащищенности (изображен на рис.3.5).

Отметим, что на рис.3.5 представлена одна из множества возможных схем реализации модема с АУ.

Спектр амплитуд первичного сигнала на входе пере­множителя и спектр амплитуд амплитудно-модулированного сигнала  представлены на рис.3.6.

Спектр  состоит из частоты несущего колебания  и двух боковых полос соответствующих . Остальные сос­тавляющие подавляются фильтром Ф пер. Таким образом, рассматриваемая схема модема обеспечивает передачу с двумя боковыми полосами (ДБП) частот, что в соответствии с гл.2 позволяет полу­чить предельную скорость передачи . Соответственно, максимальная удельная скорость передачи равна 1 бит/с Гц.

Анализ спектра амплитуд  показывает, что каждая из боковых полое несет одну и ту же информацию. Поэтому с помощью фильтра передачи Фпер можно полностью подавить вто­рую боковую полосу и получить однополосную модуляцию (ОБП), либо частично подавить вторую боковую полосу и получить AM с частично подавленной боковой полосой (ЧПВП). Указанные меры позволяют более полно использовать динамический диапазон и полосу частот канала ТЧ. Действительно, для случая передачи С одной боковой полосой предельная скорость , т.е. максимальная удельная скорость передачи равна 2 бит/с*Гц. Казалось бы, что более экономное использование полосы частот при ОБП исключает целесообразность применения ДБП. Однако при ОБП в приемнике необходима информация о фазе несущего колеба­ния. Погрешности в определении фазы несущего колебания могут приводить к высокому проценту ошибок и к усложнению аппарату­ры. Как компромиссное решение - применение ЧПБП.

Достоинство амплитудной модуляции - простота реализации. Недостатком является то, что влияние помех и изменение уровней передачи в канале ТЧ приводят к существенным искажениям ампли­туды (значащей позиции) сигнала, следовательно, к снижению по­мехозащищенности. Поэтому в отечественных УПС самостоятельно AM не применяется.

3.2.2. Частотная модуляция

При частотной модуляции (ЧМ) изменяется частота гармони­ческого сигнала соответственно значащей позиции сигнала данных. Единичные элементы, соответствующие символам данных 1 и 0, представляются в виде (рис.3.7):

где  

Разность  называют девиацией частоты, отношение -индексом модуляции, а и  - характеристи­ческими частотами. Спектр ЧМ сигнала занимает значительно боль­шую полосу частот, чем при ДМ (естественно при одинаковой скорости передачи).

За счет ограничения спектра возникает переходный процесс как по амплитуде, так и по частоте. Длительность установления частоты от  до  зависит от отношения  где - необходимая полоса частот, устанавливаемая для пере­дачи двоичного ЧМ сигнала. Компромисс между допустимыми иска­жениями и необходимой полосой частот достигается при значени­ях .

Таким образом, необходимая полоса частот   для передачи двоичного ЧМ сигнала с допустимыми искажениями определяется выражением

Удельная скорость передачи при m>1 близка к значение 0,5 бит/с*Гц

Установлено, что при m <1 основная энергия сигнала сосредоточена вблизи несущей частоты , поэтому можно достичь удельной скорости передачи 1бит/с*Гц. Например, при

Тогда

Для формирования ЧМ сигнала используются управляемый генератор (УГ), частота которого может изменяться без скачков фазы и со скачками фазы. Реализация ЧМ без разрыва фазы осуществляется непосредственным воздействием первичного сигнала А(t) на частоту генератора несущего колебания. ЧМ с разрывом фазы получается использованием независимых генераторов, наст­роенных на требуемые частоты, и спектр амплитуд модулирован­ного сигнала занимает более широкую полосу частот, чем при формировании без разрыва фазы.

Демодуляция ЧМ сигналов может осуществляться когерентным и некогерентным методом. Последний широко используется при передаче данных с низкой удельной скоростью. Общим принципом демодуляции является частотное детектирование (ЧД) с помощью дискриминаторов, которые преобразуют изменение частоты в из­менение амплитуды.

Так как изменяемым параметром сигнала является частота, то для уменьшения влияния помех применяют ограничители ампли­туд Огр, что существенно повышает помехозащищенность ЧМ по сравнению с АМ. На рис.3.8 представлена структурная схема модема с ЧМ.

Сигнал данных управляет частотой генератора УГ несущего колебания. Подавление побочных продуктов модуляции на передаче и помех на приеме производят соответственно фильтры передачи Ф пер и приема Ф пр. Ограничитель Огр снижает амплитудные иска­жения. Дискриминатор Д преобразует изменения частоты сигнала в изменение амплитуды. Фильтр нижних частот ФНЧ подавляет составляющие преобразованного сигнала частотами  и др. Решение о принимаемом сигнале принимается решающим уст­ройством РУ.

Модемы с ЧМ благодаря несложной технической реализации и сравнительно высокой помехозащищенности рекомендованы МККТТ для передачи данных по стандартным каналам ТЧ со скоростью до 1200 бит/с.

Частотной модуляции присущ недостаток - высокая чувстви­тельность к изменению частоты сигнала при передаче по каналу ТЧ

Тая как в дискриминаторе происходит преобразование ЧМ сигнала в AM сигнал, то при неизменном пороге регистрации сдвиг по частоте переходит в сдвиг по длительности, т.е. появляются так называемые искажения типа преобладания «когда длительность посылок одной полярности превосходит длительность посылок дру­гой полярности. На рис.3.9 показана пунктиром передача двухполюсной последовательности сигналов данных ("точек") по кана­лу без изменения частоты сигнала, и сплошной линией - по кана­лу с изменением частоты сигнала на  . На рисунке  -длительность единичного элемента сигнала данных  характеристические частоты.

Для устранения подобного рода искажений в процессе настройки дискретного канала с ЧМ всегда производится регулировка на нейтральность.

3.2.3. Фазовая модуляция

При фазовой модуляции переносчиком информации является изменение фазы гармонического колебания. Единичные элементы представляются в виде:

где              - индекс фазовой модуляции;

- начальная фаза.

Соответствие ФМ сигнала символам и сигналам данных пока­зано на рис.3.10.

Как видно на рис.3.10, изменение фазы происходит при каж­дом изменении полярности сигнала данных.

Отметим, что при ФМ принципиальным является жесткое соответствие начальных фаз приемника и передатчика. Однако при похождении ФМ сигнала по каналу ТЧ за счёт изменения фазы передаваемого сигнала (переключения генераторного оборудова­ния каналообразующей аппаратуры) возникает так называемая "обратная работа", когда вместо передаваемого символа 1 при­нимается символ 0. Поэтому на практике ФМ не используется, а применяют ее видоизменение. Советский ученый К.Т.Петрович предложил относительную фазовую модуляцию (ОФМ).

При ОФМ представляющим параметром сигнала, несущим информацию, является изменение фазы при передаче каждого единичного интервала только одной полярности, например, как показано на рис.3.11, положительной. Так, при длительной передаче только положительных посылок частота изменения фазы будет соответство­вать скорости передачи единичных элементов.

Для осуществления ОФМ необходимо единое соответствие между значениями полярности посылок и значениями разности фаз для передатчика и приемника.

Если символу данных 1 соответствует положительная посылка, а символу 0 - отрицательная, то алгоритм модуляции при ОФМ формулируется так: при передаче i-й посылки, соответствующей 1, фаза несущего колебания скачком изменяется на 180° по отношению к фазе предыдущей (i-1)-й посылки, а при передаче по­сылки, соответствующей 0, она остается такой же, что у (i-1)-й посылки.

На рис.3.12 приведены схемы передатчика и приемника, поясняющие принцип формирования и обработки ОФМ - сигналов.

В качестве кодера используется триггер с управляющим на его входе транзистором. При каждой положительной посылке (Rтранз. - высокое) срабатывает триггер и переключает диоды фазового модулятора (т.е. изменяется фаза несущего колебания).

Прием ОФМ - сигнала возможен двумя методами:

Чаще применяется первый метод, так как при этом искаже­ние одного единичного элемента приводит к одной ошибке, а при методе сравнения полярностей, если искажена середина единично­го элемента, то возможны и две ошибки.

При методе сравнения фаз в фазовом детекторе (ФД) сравни­ваются на несущей частоте фазы i-го и (i-1)-го единичных элементов. Указанное сравнение осуществляется с помощью элемента памяти линии задержки (ЛЗ), создающего задержку, равную длительности элемента. Такой метод не требует знания начальной фазы сигнала.

Спектр ОФМ сигнала занимает полосу частот такую же, как и при АМ-ДБП (рис.3.6), но отличается значениями амплитудонесущей частоты и боковых частот. Поэтому максимальная удельная скорость передачи равна 1 бит/с•Гц.

При ОФМ также можно воспользоваться ограничением одной из боковых полос частот и тем самым получить ОФМ с одной боковой полосой частот ОФМ-ОБП с максимальной удельной скоростью передачи 2 бит/с*Гц.

Модемы с OФM по сравнению с AM и ЧМ реализуются технически более сложно, но зато обладают более высокой помехозащищенностью при одинаковой скорости передачи.

Однако самым важным достоинством ОФМ, обусловившим ее широкое применение, является возможность использования многих значений (крат) фаз и получения многократных ОФМ, например, двукратной - ДОФМ, трехкратной - ТОФМ, и тем самым увеличение скорости передачи в число крат раз.

3.2.4. Особенности реализации современных УПС с ЧМ

Модемы с ЧМ получили широкое применение на скоростях передачи 200(300), 600 и 1200 бит/с, поскольку их реализация относительно проста, а помехоустойчивость вполне достаточна.

Элементы, составляющие основу модема (фильтры и др.), стандартны по своему построение. Отличие составляют частотные модуляторы и детекторы.

Модуляторы долгое время строились как обычные генераторы, в которых с помощью ключевых элементов (реле, диодов, транзисторов, операционных усилителей и др.) к колебательному контуру подключались дополнительно емкости или индуктивности, что приводило к изменению частоты генератора.

Однако такие схемы характеризуется невысокой стабильностью частоты. Поэтому в последние годы вместо аналоговых методов для генерации ЧМ сигналов используются дискретные цепи, в которых характеристические частоты получаются путем деления высокой частоты задающего генератора со специальными мерами стабилизаций частоты. Коэффициент деления при этом может меняться в соответствии с модулирующим сигналом.

Деление осуществляется за счет прореживания последовательности импульсов опорной частоты по законам, различным для "О" и "1",в результате получается модулированная по частоте последовательность импульсов.

Такой ЧМ сигнал характеризуется наличием разрывов фазы в моменты изменения частоты, что является причиной снижения помехоустойчивости передачи (спектр сигнала размыт из-за паразитной фазовой модуляции). Для уменьшения влияния этого процесса первоначально модуляция осуществляется на частоте, значительно превышающей скорость передачи. Полученная последовательность подвергается делению, в результате чего образуются рабочие частоты.

Структурная схема модулятора приведена на рис.3.13.

Передающая часть включает схемы "И", "ИЛИ" и сумматор по модулю 2, которые коммутируют поочередно на вход делителя сигналы, поступающие с блока опорных частот БОЧ с частотами 134,4 кГц (с поступлением "0") или 83,2 кГц (с поступлением ''1"). Делитель частоты обеспечивает коэффициент деления, равный 64. В результате на выход поступает прямоугольный ЧМ сигнал, с характеристическими частотами модуляции 1,3 и 2,1 кГц, соответствующие передаче сигнала "1" или "0".

Подавление побочных продуктов формирования ЧМ сигнала производится фильтром Фпер.

Основной частью приемника ЧМ сигналов является частотный дискриминатор Д. Рассмотрим две схемы дискриминаторов, реализованных с помощью аналоговых и цифровых элементов.

При аналоговой реализации дискриминатор строится на двух колебательных контурах, настроенных на частоты, несколько меньшую  и большую .

Схема демодулятора с частотным дискриминатором, выполненным на основе колебательных контуров (КК), приведена на рие.3.14а, а на рис.3.14б показана частотная характеристика дискриминатора, где - верхняя к нижняя характеристические частоты соответственно.

Принцип работы заключается в следующем. Сигналы после колебательных контуров выпрямляются выпрямителем В и поступают на дифференциальную схему Д, где формируется разностный сигнал. С помощью ФНЧ подавляются составляющие преобразованного сигнала с частотами  и др.

Дискриминаторы на основе цифровых элементов имеют в своем составе звено задержки, в качестве которого используется фазовый фильтр ФФ (рис.3.15). Два сигнала (один с задержкой), проходя через ограничитель Огр, перемножаются (П-перемножитель). Выбором параметров фазового фильтра можно обеспечить различие в фазовых сдвигах для обеих характеристических частот таким (рис.3.15б), что постоянная составляющая сигнала , полученного в результате перемножения, для одной из характеристических частот окажется положительной, а для другой - отрицательной (рис.3.15в,г).

На выходе ФНЧ после подавления спектральных компонент с частотой несущей восстанавливается первичный сигнал.

Два последних метода построения демодуляторов нашли применение соответственно в изделиях 65с319 и 9П9080.