Введение

Процесс изменения одного или нескольких свойств периодической формы волны, метод переноса данных на несущую, используемый в связи и электротехнике. Модуляция определяется как процесс, при котором некоторые характеристики, такие как амплитуда, частота и фаза несущего сигнала, изменяются в соответствии с модулирующим сигналом. В электронике и телекоммуникациях модуляция – это процесс изменения одного или нескольких свойств периодической формы волны, называемой несущим сигналом, посредством отдельного сигнала, называемого модулирующим сигналом, который обычно содержит информацию, подлежащую передаче. Например, модулирующий сигнал может быть аудиосигналом, представляющим звук с микрофона, видеосигналом, представляющим движущиеся изображения с видеокамеры, или цифровым сигналом, представляющим последовательность двоичных цифр, битовый поток с компьютера. Эта несущая волна обычно имеет гораздо более высокую частоту, чем передаваемый сигнал. Это связано с тем, что передача сигналов на низких частотах непрактична. Как правило, для приема радиоволны требуется радиоантенна длиной в одну четверть длины волны. Для низкочастотных радиоволн длина волны исчисляется километрами, и создание такой большой антенны нецелесообразно. В радиосвязи модулированный несущий сигнал передается по воздуху в виде радиоволны на радиоприемник. Другая цель модуляции – передача нескольких каналов информации по одному каналу связи с использованием мультиплексирования с частотным разделением (FDM). Например, в кабельном телевидении (которое использует FDM) множество несущих сигналов, каждый из которых модулирован с отдельным телевизионным каналом, передаются по одному кабелю абонентам. Поскольку каждый несущий сигнал занимает различную частоту, каналы не создают помех друг другу. На принимающей стороне несущий сигнал демодулируется для извлечения модулирующего сигнала, несущего информацию. Модулятор – это устройство или схема, выполняющая модуляцию. Демодулятор (иногда детектор) – это схема, выполняющая демодуляцию, обратную операцию модуляции. Модем (от modulator-demodulator), используемый в двунаправленной связи, может выполнять обе операции. Диапазон частот, занимаемый модулирующим сигналом, называется базовой полосой, а диапазон частот, занимаемый модулированным несущим сигналом, называется полосой пропускания. При аналоговой модуляции аналоговый модулирующий сигнал "накладывается" на несущую. Примерами являются амплитудная модуляция (AM), при которой амплитуда (сила) несущей волны изменяется модулирующим сигналом, и частотная модуляция (FM), при которой частота несущей волны изменяется модулирующим сигналом. Это были самые ранние типы модуляции, используемые для передачи аудиосигнала, представляющего звук в AM и FM радиовещании. Более современные системы используют цифровую модуляцию, которая накладывает цифровой сигнал, состоящий из последовательности двоичных цифр (битов), битового потока, на несущую посредством отображения битов в элементы из дискретного алфавита, предназначенного для передачи. Этот алфавит может состоять из набора действительных или комплексных чисел или последовательностей, таких как колебания различных частот, так называемая частотная манипуляция (FSK). Более сложный метод цифровой модуляции, использующий несколько несущих, ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), используется в сетях WiFi, цифровых радиостанциях и цифровом кабельном телевидении.

Методы цифровой модуляции

В цифровой модуляции аналоговый несущий сигнал модулируется дискретным сигналом. Методы цифровой модуляции можно рассматривать как преобразование цифрового сигнала в аналоговый, а соответствующая демодуляция или детектирование – как преобразование аналогового сигнала в цифровой. Изменения в несущем сигнале выбираются из конечного числа M альтернативных символов (модуляционный алфавит). Простой пример: телефонная линия предназначена для передачи слышимых звуков, например, тонов, а не цифровых битов (нулей и единиц). Однако компьютеры могут обмениваться данными по телефонной линии с помощью модемов, которые представляют цифровые биты тонами, называемыми символами. Если существует четыре альтернативных символа (соответствующих музыкальному инструменту, способному генерировать четыре различных тона поочередно), первый символ может представлять битовую последовательность 00, второй – 01, третий – 10 и четвертый – 11. Если модем воспроизводит мелодию, состоящую из 1000 тонов в секунду, то скорость передачи символов составляет 1000 символов в секунду, или 1000 бод. Поскольку каждый тон (то есть символ) в этом примере представляет собой сообщение, состоящее из двух цифровых битов, скорость передачи битов в два раза выше скорости передачи символов, то есть 2000 бит в секунду. Согласно одному из определений цифрового сигнала, модулированный сигнал является цифровым сигналом. Согласно другому определению, модуляция представляет собой форму преобразования цифрового сигнала в аналоговый. Большинство учебников рассматривают схемы цифровой модуляции как форму цифровой передачи, синонимичную передаче данных; лишь немногие рассматривают ее как аналоговую передачу.

Автоматическое цифровое распознавание модуляции (ADMR)

Автоматическое распознавание цифровой модуляции в интеллектуальных системах связи является одной из важнейших задач в области программно-определяемого и когнитивного радио. По мере развития интеллектуальных приемников автоматическое распознавание модуляции становится все более сложной проблемой в телекоммуникационных системах и компьютерной инженерии. Такие системы находят широкое применение в гражданской и военной сферах. Более того, слепое распознавание типа модуляции представляет собой важную задачу для коммерческих систем, особенно в программно-определяемом радио. Как правило, в таких системах используется дополнительная информация для настройки, однако применение слепых методов в интеллектуальных приемниках позволяет снизить информационную перегрузку и повысить эффективность передачи. Очевидно, что отсутствие информации о передаваемых данных и множестве неизвестных параметров приемника, таких как мощность сигнала, частота и фаза несущей, временные характеристики и т.п., значительно усложняет слепую идентификацию модуляции. Эта задача становится еще более сложной в реальных условиях с многолучевым затуханием, частотно-селективными и изменяющимися во времени каналами. Существуют два основных подхода к автоматическому распознаванию модуляции. Первый подход основан на использовании методов, основанных на функции правдоподобия, для отнесения входного сигнала к соответствующему классу. Другой, более современный подход, базируется на извлечении признаков.

Цифровая модуляция базовой полосы

Цифровая модуляция базовой полосы изменяет характеристики сигнала базовой полосы, то есть сигнала, не содержащего несущую частоту. Это может быть использовано в качестве эквивалентного сигнала для последующего преобразования частоты в несущую, или для прямой передачи в базовой полосе. Последние методы используют как относительно простые линейные коды, часто применяемые в локальных шинах, так и сложные схемы передачи сигналов в базовой полосе, такие как используемые в DSL.